CN113014006A

CN113014006A - 具有最小化噪声的尺寸比例的旋转电机

Info

Publication number: CN113014006A
Application number: CN202011513328.5A
Authority: CN
Inventors: R.N.安德里亚马拉拉; M.拉科托沃; J.杜阿尔特
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2021-06-22
Also published as: US20210194301A1; FR3105634A1; FR3105634B1; EP3840182A1; JP2021101608A

Abstract

本发明涉及一种电机的转子(11)，特别是用于机动车辆，所述转子具有旋转轴线(X)、转子半径(R_r)、极阶(τ)，并且包括：‑主体(31)，包括限定腔体(36)的多个转子齿(40)，永磁体(37)容纳在所述腔体(36)中，每个转子齿(40)包括用于径向地保持永磁体的单个唇(41)；以及‑磁极的组件(50)，每个磁极具有圆弧形式的曲率，所述圆弧由曲率半径(R_c)、曲率中心(C_c)和极角(2α_p)限定，所述转子的所述曲率半径(R_c)与所述转子半径(R_r)之间的比率(r)被包含在0.52至0.63之间，且所述转子的半个极角(α_p)与所述极阶(τ)之间的比率(α)被包含在0.62至0.80之间。

Description

具有最小化噪声的尺寸比例的旋转电机

技术领域

本发明涉及一种单唇旋转电机的转子，其尤其用在机动车辆中。本发明还涉及一种包括根据本发明的转子的旋转电机。

本发明的特别有利但非排他性的应用为可以在交流电机模式和马达模式下操作的大功率电机。

背景技术

在已知的方式下，旋转电机包括与轴整合的定子和转子。转子可以与驱动轴和/或从动轴整合，并且可以属于以两种模式操作的交流电机、电机或可逆机器的形式的旋转电机。

定子装配在壳体中，该壳体被配置为例如借助于滚轮轴承使轴旋转。定子包括主体和绕组，该主体配备有多个限定凹口的齿，并且该绕组被插入定子的凹口中。

绕组例如由覆盖有瓷漆的连续引线或由引脚形式的导电元件获得，它们通过焊接彼此连接。替代地，机器的相由单独的线圈形成，每个线圈都缠绕在定子齿上。以星形或三角形形式连接的相包括连接到电气控制模块的输出。此外，转子包括由金属板片的堆叠体形成的主体，该金属板片通过适当的固定系统以集合的形式被保持。转子包括极，该极例如由容纳在腔体中的永磁体形成，每个腔体由两个相邻的转子齿定界。

根据现有技术的一定数目的机器，诸如具有永磁体的同步机器，具有最优的性能水平，诸如扭矩和输出，但是它们也存在具有噪声的问题。已经通过减少噪声的各种手段(例如通过优化每个定子齿的几何形状，通过对磁轮的形式的研究或对控制算法的研究)来测试多个作品。

发明内容

本发明的目的是提出转子的最优定义，以便在不降低性能水平的情况下减少机器的电磁源的噪声。

为此，本发明的主题是一种旋转电机的转子，特别是用于机动车辆，其具有旋转轴线、转子半径、极阶，并且包括：

主体，包括限定腔体的多个转子齿，永磁体容纳在腔体中，每个转子齿包括用于径向地保持永磁体的单个唇；以及

磁极的组件，每个磁极具有圆弧形式的曲率，所述圆弧由曲率半径、曲率中心和极角限定，

其中，转子的曲率半径与转子半径之间的比率被包含在0.52至0.63之间，且转子的半个极角与极阶之间的比率被包含在0.62至0.80之间。

这种类型的比率的定义可以在由机器供应的扭矩与对应的扭矩波动水平之间获得最优的折衷。因此，本发明可以改进包括这种类型的转子的旋转电机的磁性能水平和声学性能水平。实际上，磁极的曲率半径和极角是最影响电机性能水平的两个几何参数。

此外，每个转子齿包括用于径向地保持永磁体的单个唇，因此可以通过消除保持唇中的一个来减少转子的极之间的磁泄漏。因此，这改进转子的磁性能水平，这可以减少所使用的永磁体的质量，以便节省机器的成本价格。

在本发明的上下文内，“极阶”被限定为等于360°除以极的数目。“圆弧”表示极的圆的密切弧。该圆的中心已知为点M处的曲线的曲率的中心，且圆的半径为曲率半径。

在说明书和权利要求书中，将使用术语“外”和“内”，以及取向“轴向”和“径向”，以便根据说明书中给出的定义来指定转子、定子的元件和/或电机的元件。按惯例，“径向”取向被定向为与轴向取向正交。根据上下文，轴向取向涉及转子、定子和/或电机的旋转轴线。“周向”取向被定向为与轴向方向正交且与径向方向正交。术语“外”和“内”用于限定一个元件相对于另一个元件、相对于参考轴线的相对位置，因此靠近该轴线的元件被分类为在内部，与径向地位于外围的外部元件相反。

此外，由表达“在a与b之间”指定的值的区间都表示直到b的值的字段(即包括严格限制a和b)。

曲率半径和转子半径以毫米[mm]表示，并且半个极角和极阶以度[°]表示。

根据其他有利的实施例，这种类型的转子可以单独地或组合地具有一个或多个特点。

根据一个实施例，转子的曲率半径与转子半径之间的比率被包含在0.54至0.61之间，且转子的半个极角与极阶之间的比率被包含在0.64至0.78之间。该比率可以甚至更有效地减少扭矩波动，同时维持由包括根据本发明的转子的机器供应的平均扭矩的非常令人满意的水平。术语“被包含”是指区间的极限被包括在区间中。

根据一个实施例，每个转子齿包括径向外表面，所述表面由具有曲率中心的所述圆弧限定，其中两个端部的中的一个包括所述唇。

根据一个实施例，转子齿的径向外表面的两个端部的曲率与具有相同表面的曲率中心的圆弧的曲率不同。换言之，两个端部中的一个包括唇的两个端部没有内接在限定每个磁极的圆弧的曲率的圆中。

作为变型，转子齿的径向外表面的两个端部没有内接在限定每个磁极的圆弧的曲率的圆中。因此，每个极的圆弧和端部具有相同的曲率。

根据一个实施例，转子齿的单个径向外表面的两个端部是非对称的。这种非对称性(也称为反对称性)可以甚至更有效地减少扭矩波动，同时维持由包含根据本发明的转子的机器供应的平均扭矩的非常令人满意的水平。

作为变型，转子齿的单个径向外表面的两个端部是对称的。

根据一个实施例，转子具有通量集中的类型。

根据一个实施例，转子包括附加的条带，该附加的条带各自装配在唇与对应的永磁体的外周之间。

根据一个实施例，永磁体由稀土制成。

根据一个实施例，转子由金属板的集合形成。

根据一个实施例，转子包括配备有用于轴的通道的中央开口的芯，所述转子齿通过它们端部中的一个连接到所述芯。

根据另一个方面，本发明涉及一种旋转电机，其包括如先前所限定的转子。

附图说明

通过阅读以下描述并检查所附的附图，将会更好地理解本发明。这些图纯粹是作为说明而提供的，绝不限制本发明。

图1表示根据本发明的旋转电机的横截面视图。

图2表示根据第一实施例的转子的横截面的详细视图。

图3表示根据第二实施例的转子的横截面的详细视图。

相同、相似或类似的元件从一个图到另一图保留相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了包括转子11的旋转电机10，该转子11具有旋转轴线X、转子半径R_r、极阶τ且被设计为装配在轴12上。可以是多相的绕线定子15在转子11的外周与定子15的内周之间存在气隙的情况下围绕转子11。将该定子15固定在壳体上，该壳体被配置为经由滚珠轴承和/或滚针轴承使轴12旋转。

更具体地，定子15包括主体16和绕组17。定子主体16由平坦金属板的轴向堆叠体构成。主体16包括定子齿20，该定子齿20以规则的角度分布在轭21的内周上。这些齿20定界凹口24，使得每个凹口24由两个连续的齿20定界。因此，轭21对应于主体16的实心外部环形部分，其在凹口24的基部与定子15的外周之间延伸。

凹口24轴向地开口到主体16的轴向端面中。凹口24也朝向主体16的里面径向地开口。

定子15在齿20的自由端上配备有齿根25。每个齿根25在对应的齿20的两侧上周向地延伸。每个齿根25根据以旋转轴线X为中心的圆弧周向地延伸。

为了获得绕组17，由各自绕定子齿20缠绕的线圈形成多个相。每个线圈由用电绝缘材料(例如瓷漆)的层覆盖的导电引线形成。可以将线圈绝缘体插入在每个线圈与对应的齿20之间。

此外，转子11包括由平坦金属板的轴向堆叠体形成的主体31，以便降低涡电流。主体31由铁磁材料制成。主体31可以以不同的方式旋转地连接到旋转电机的轴12，例如通过将肋状的轴12压入转子的中央开口32的内部，该开口配备在芯33中。

转子11包括多个腔体36，在其内部定位有形成磁极50的永磁体37。腔体36可以含有具有平行六面体形式的单个磁体37。作为变型，腔体36可以含有相对于彼此轴向或径向地堆叠的多个磁体37。磁体37可以具有倾斜的角度。

磁体37优选地由稀土制成，以便最大化机器10的功率。作为变型，磁体37可以是不同等级的，以便降低成本。例如，在每个腔体36中，存在由稀土制成的磁体和由铁氧体制成的磁体的联合，其功率虽小但成本较低。

转子11具有通量的集中，即，位于两个连续腔体中的磁体37彼此面对的侧向面具有相同的极性。

每个腔体36从一个轴向端面通行穿过主体31到另一个轴向端面，并且在转子11的外周侧上开口。作为变型，腔体36可以是看不见的。

在这种情况下，每个腔体36由转子11的两个相邻的转子齿40定界。转子齿40以规则的角度彼此间隔。转子齿40由它们端部中的一个连接到配备有开口32的芯33。

为了确保磁体37的轴向保持，将凸缘(未示出)抵靠转子主体31的轴向端部放置。这些凸缘还可以具有平衡转子11的功能。

根据未示出的特定实施例，可以提供附加的条带，该附加的条带各自装配在唇41与对应的永磁体37的外周之间。每个条带的形式为由比磁体37的材料更不坚硬的材料制成的小型板。例如，这可以是嵌入在预浸渍的塑料材料中的玻璃纤维。该条带是平坦的、矩形的，且具有与磁体37的外周面实质上相同的尺寸和相同的形状，该条带以其重合的边缘覆盖磁体。根据不同的实施例，尺寸可以是不同的。可以在磁体37与条带之间插入比磁体37更为柔性的粘合剂的层。

在本发明的上下文内，每个转子齿40包括单个唇41。在所考虑的示例中，腔体36在转子的外周处由单个唇41部分地封闭，以用于径向地保持磁体。因此，所有唇41从对应的转子齿40的相同面周向地延伸。

在所考虑的示例中，单个唇41从每个转子齿40的左面延伸。在未示出的变型中，单个唇41可以从每个转子齿40的右面延伸。

参考图2和3，每个磁极50具有圆弧形式的曲率。圆弧对应于磁极50与该相同极50的密切圆之间的公共部分，该密切圆由曲率半径R_c、曲率中心C_c和极角2α_p限定。因此，圆弧在其两个圆周端部处由点M1和M2限制，点M1和M2是位于磁极50的密切圆上且位于磁极50上的最终点。

因此，极角2α_p等于各自通行经由曲率中心C_c和端部M1/M2的两个直线D1与D2之间的角度。

每个转子齿40包括径向外表面42，该径向外表面42被定位为面对定子15的内周。因此，表面42由具有中心C_c和两个端部43的所述圆弧限定。在所考虑的示例中，两个端部43中的一个包括唇41。

根据优选的实施例，表面42的两个端部43的曲率与具有相同表面42的中心C_c的圆弧的曲率不同。换言之，端部43的径向外表面不具有位于磁极50的密切圆上的且包括由点M1和M2定界的所述圆弧的任何点。这使得可以获得具有可变气隙的机器。

在图2所示的转子中，单个表面42的两个端部43是非对称的，然而在图3所示的转子中，单个表面42的两个端部43是对称的。对称性对应于一外表面轮廓，该外表面轮廓相对于极的中间直线对称。

在本发明的上下文中，转子的曲率半径R_c与转子半径R_r之间的比率r被包含在0.5至0.7之间，且转子的半个极角α_p与极阶τ之间的比率α被包含在0.6至0.8之间。

在下文中将提供如何确定这些比率的描述。目的是试图通过优化曲率半径和半个极角的过程来最小化噪声，而同时又维持规范所要求的磁性能水平。

具有I的形式的磁体的常规机器包括每极的两个唇(也称为双唇)，其中磁体由钕、铁和硼(Nd2Fe14B)制成，且10个极、15个凹口、集中的绕组、217mm的封装体高度、93mm的定子外径用作参考机器。因此，通过寻求曲率半径R_c和半个极角α_p(其值分别为18mm和22°)的最优组合，就关注的扭矩和噪声而言在该机器上获得性能水平的最优组合。通过将这些值与转子半径R_r和极阶τ相关，这些最优值将变成r＝0.57和α＝0.61。

然后根据机器1(图2——非对称的端部43)和机器2(图3——对称的端部43)修改参考机器，以便降低电磁源的噪声，同时提供由规范(施加的最优性能水平，特别是电磁力的谐波失真水平(THD)。采用的过程包括，通过在可允许的范围中改变参数来查找相对于转子半径R_r的曲率半径R_c的最优组合以及相对于极阶τ的半个极角α_p的最优组合。

通过2-D分析然后进行3-D计算，改变参数r和α，以便获得上述机器的值的最优折衷。根据指示电磁力的THD(emf的THD)以及每个定子齿承受的力的30和40级的谐波(转子和定子之间的相互作用力引起机器的噪声)的结果，可以确定哪些解决方案成功遵守所需的THD，同时最小化部件的谐波30和40(Fy30、Fy40)以及每个定子齿上的力。

基于这些结果，可以确定最优的取值范围，即曲率半径R_c与转子半径R_r之间的比率r被包含在0.52至0.63之间，且半个极角α_p与极阶τ之间的比率α被包含在0.62至0.80之间。

当转子的曲率半径R_c与转子半径之间的比率被包含在0.54至0.61之间，且转子的半个极角与极阶之间的比率α被包含在0.64至0.78之间时，可以进一步改进性能水平。

现在将呈现六个实施例，即参考机器(MAR)、根据本发明的两个机器(机器1-MA1和机器2-MA2)以及三个比较机器(MAC1、MAC2和MAC3)。下表1中呈现这些机器的特点。比较机器(MAC1、MAC2和MAC3)是机器1，其中比率r或比率α被改变，使得这些比率中的一个不再在本发明的范围中。

表1

特点	MAR	MA1	MA2	MAC1	MAC2	MAC3
							高度[p.u.]	1	1	1	1	1	1
α<sub>p</sub>	0.61	0.76	0.78	0.78	0.76	0.56
							r[p.u.]	0.58	0.58	0.58	0.51	0.64	0.58
最小气隙[p.u.]	1	1	1	1	1	1
							磁体厚度[p.u.]	1	1	1	1	1	1

然后，下表2总结了六台机器的性能水平。

表2

特点	规范	MAR	MA1	MA2	MAC1	MAC2	MAC3
								emf THD	＜8％	6.64	7.92	6.57	8.17	7.36	5.98
Fy30[N]	待减少	1	0.05	0.30	1.44	1.23	1.44
								Fy40[N]	待减少	1	0.69	1	0.41	1.28	1.31

与最初的参考机器相比较，机器1可以降低部件的谐波30和40以及在每个定子齿上作用的力，同时维持emfTHD低于施加的极限。这也可以将机器的噪声降低到一定水平。与参考机器相比较，机器2就其部分而言显著地降低谐波F₃₀。机器2的谐波F₄₀保留在与参考机器相同的水平。因此，该机器具有比参考机器更少的噪声，同时具有更大的扭矩。

另一方面，当比率r小于0.52时，仅谐波F₄₀减少，其中谐波F₃₀已经增加且THD超过所需的最小值(MAC1)。相反，当比率r大于0.63或α小于0.62时，THD远低于规范，但是噪声水平没有改进。

将会理解的是，前述描述已经仅作为示例来提供且不限制本发明的范围，通过由任何其他等同物替换不同的元件也不会构成与本发明的偏离。

此外，本发明的不同特点、变型和/或实施例可以根据不同的组合彼此相关联，只要它们不是不兼容或相互排斥的。

Claims

1.一种电机的转子(11)，特别是用于机动车辆，所述转子具有旋转轴线(X)、转子半径(R_r)、极阶(τ)，并且包括：

-主体(31)，包括限定腔体(36)的多个转子齿(40)，永磁体(37)容纳在所述腔体(36)中，每个转子齿(40)包括用于径向地保持永磁体的单个唇(41)；以及

-磁极的组件(50)，每个磁极具有圆弧形式的曲率，所述圆弧由曲率半径(R_c)、曲率中心(C_c)和极角(2α_p)限定，

其特征在于，所述转子的所述曲率半径(R_c)与所述转子半径(R_r)之间的比率(r)被包含在0.52至0.63之间，且所述转子的半个极角(α_p)与所述极阶(τ)之间的比率(α)被包含在0.62至0.80之间。

2.根据权利要求1所述的转子(11)，其特征在于，所述比率(r)被包含在0.54至0.61之间，且所述比率(α)被包含在0.64至0.78之间。

3.根据权利要求1或2所述的转子(11)，其特征在于，每个转子齿(40)包括径向外表面(42)，所述表面(42)由具有中心(C_c)和两个端部(43)的所述圆弧来限定，其中所述两个端部(43)中的一个包括所述唇(41)。

4.根据权利要求3所述的转子(11)，其特征在于，表面(42)的两个端部(43)的曲率与具有相同表面(42)的中心(C_c)的圆弧的曲率不同。

5.根据权利要求4所述的转子(11)，其特征在于，单个表面(42)的两个端部(43)是非对称的。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的转子(11)，其特征在于，所述转子为通量集中的类型。

7.根据前述权利要求中任一项所述的转子(11)，其特征在于，所述转子包括附加的条带，所述附加的条带各自装配在唇(41)与对应的永磁体(37)的外周之间。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的转子(11)，其特征在于，所述永磁体(37)由稀土制成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的转子(11)，其特征在于，所述转子包括配备有用于轴的通道的中央开口(32)的芯(33)，所述转子齿(40)通过它们的端部中的一个连接到所述芯(33)。

10.一种旋转电机，其特征在于，所述旋转电机包括根据前述权利要求中任一项所述的转子(11)。