CN113328542A - 一种电机定子 - Google Patents

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CN113328542A CN202010130539.4A CN202010130539A CN113328542A CN 113328542 A CN113328542 A CN 113328542A CN 202010130539 A CN202010130539 A CN 202010130539A CN 113328542 A CN113328542 A CN 113328542A
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Abstract

本发明提供了一种电机的定子，其具有用于容纳绕组的多个槽；其中，槽在定子的内圆周和外圆周之间径向延伸，槽包含开放槽和封闭槽，开放槽具有朝向内圆周的开口；以及，多个槽和多个绕组建立多个相，其中多个相中的每个占用至少两个槽，至少两个槽包含开放槽以及封闭槽。本发明还提供了一种使用该定子的电机以及降低扭矩波动的方法。根据本发明的方案，可以在降低电机扭矩波动以改善车辆的NVH性能的同时兼具成本效益。

Description

一种电机定子
技术领域
本发明总体上涉及车辆技术领域，更具体地，涉及一种电机的定子、使用该定子的电机以及减轻电机扭矩波动的方法。
背景技术
在现代车辆的设计和制造中，电动车辆发展迅速，诸如纯电动车辆(BEV)、插电式电动车辆(PHEV)以及混动动力电动车辆(HEV)中都包含用于驱动车轮的电机。
电机通过定子和转子协作以将电能转换为机械运动，或将机械运动转换为电能。电机通常包括转子以及围绕转子的定子。定子具有多个槽，多个定子槽具有一定的截面面积以容纳具有一致的截面面积的绕组，通电后的定子绕组形成旋转磁场，并与包含在转子中的磁体相互作用使转子旋转。
由于车辆变速器的噪声、振动与声振粗糙度(NVH)的性能对于高阶次——特别是48阶次——的电机扭矩波动谐波是非常敏感的，所以降低电机的扭矩波动，特别是48阶次的电机扭矩波动谐波，在电机的设计中是重要的。
目前，降低电机扭矩波动通常可以通过在定子和转子上进行。从转子上来说，磁体偏斜以及转子外缘的优化是用来降低电极扭矩波动的常规方法。而对于定子来说，定子斜槽对于降低目标扭矩波动是有效的，但是定子斜槽会增加绕组的成本。另一个常规的方法是全部采用开放槽的结构以降低扭矩波动，但效果往往不尽人意。
在以上背景下，发明人意识到，需要一种改进的电机，以使其可以在降低扭矩波动改善车辆NVH性能的同时兼具更好的成本效益。
发明内容
由所附权利要求限定本申请。本公开总结了实施例的各方面，并且不应当用于限制权利要求。根据在此描述的技术可设想到其他实施方式，这对于本领域普通技术人员来说在研究以下附图和具体实施方式后将是显而易见的，并且这些实施方式意图被包含在本申请的范围内。
本发明的优势在于，提供了一种电机的定子、使用该定子的电机以及降低电机扭矩波动的方法，该电机和方法能够有效降低电机的扭矩波动从而改善车辆的NVH性能。
根据本发明，提供了一种电机的定子：
定子具有用于容纳绕组的多个槽；
其中，槽在定子的内圆周和外圆周之间径向延伸，槽包含开放槽和封闭槽，开放槽具有朝向内圆周的开口；
以及，多个槽和多个绕组建立多个相，其中多个相中的每个占用至少两个槽，至少两个槽包含开放槽以及封闭槽。
根据本发明的一个实施例，所说多个相包含U相、V相以及W相，U相、V相以及W相依次占用定子的多个槽。
根据本发明的一个实施例，其中，U相、V相以及W相的绕组为串联连接或并联连接。
根据本发明的一个实施例，其中，U相、V相以及W相分别各自占用两个槽，两个槽包含一个开放槽以及一个封闭槽。
根据本发明的一个实施例，其中，在U相、V相以及W相中，开放槽与封闭槽依次排列。
根据本发明的一个实施例，在U相和W相中，开放槽与封闭槽依次排列，以及V相中，封闭槽与开放槽依次排列。
根据本发明的一个实施例，其中，在U相和V相中，封闭槽与开放槽依次排列，以及W相中，开放槽与封闭槽依次排列。
根据本发明的一个实施例，其中，多个相中的每个占用三个槽，三个槽中开放槽与封闭槽的比例为2:1或1:2。
根据本发明的一个实施例，其中，多个相中的每个占用四个槽，四个槽中开放槽与封闭槽的比例为1:1或1:3或3:1。
根据本发明，提供了一种电机，
电机具有定子和转子，定子围绕转子，在定子的内圆周和转子的外圆周之间具有气隙；
其中，定子具有用于容纳绕组的多个槽，多个槽在定子的内圆周和外圆周之间径向延伸，槽包含开放槽和封闭槽，开放槽具有朝向内圆周的开口；以及，多个槽和多个绕组建立多个相，其中多个相中的每个占用至少两个槽，两个槽包含开放槽以及封闭槽。
根据本发明的一个实施例，其中，多个槽和绕组组成八个极和三个相，三个相分别为U相、V相以及W相。
根据本发明的一个实施例，其中，U相、V相以及W相分别各自占用两个槽，两个槽包含一个开放槽以及一个封闭槽。
根据本发明的一个实施例，其中，在U相、V相以及W相中，开放槽与封闭槽依次排列。
根据本发明的一个实施例，其中，在U相和W相中，开放槽与封闭槽依次排列，以及V相中，封闭槽与开放槽依次排列。
根据本发明的一个实施例，其中，在U相和V相中，封闭槽与开放槽依次排列，以及W相中，开放槽与封闭槽依次排列。
根据本发明，提供了一种减轻电机扭矩波动的方法，包含：
使定子具有适于围绕转子的内圆周；
在定子的内圆周和外圆周之间径向地设置容纳绕组的多个定子槽，多个定子槽包含开放槽和封闭槽；
通过多个定子槽和多个绕组建立多个相；
使多个相中的每个占用至少两个槽，两个槽包含开放槽以及封闭槽。
根据本发明的一个实施例，其中，设置绕组以串联绕组或并联绕组的方式进行。
根据本发明的一个实施例，其中，多个相为U相、V相以及W相，U相、V相以及W相依次序重复排列。
根据本发明，还提供了一种电机的定子，定子具有用于容纳绕组的多个槽，多个槽包括开放槽以及封闭槽。
根据本发明的一个或多个实施例，多个槽和多个绕组建立多个相，其中多个相中的每个包含开放槽以及封闭槽。
附图说明
为了更好地理解本发明，可以参考以下附图中所示的实施例。附图中的部件不一定按比例绘制，并且可以省略相关的元件，或者在一些情况下比例可能已经被放大，以便强调和清楚地示出本文描述的新颖特征。另外，如本领域中已知的，系统部件可以被不同地布置。此外，在附图中，贯穿几个视图，相同的附图标记表示相应的部分。
图1示出了现有技术的不同扭矩的电机24阶次及48阶次的电机扭矩波动谐波导致的变速器噪音示意图；
图2示出了现有技术的电机定子的示意图；
图3示出了根据本发明的一个实施例的定子槽的定子绕组的布置；
图3A示出了图3中方框A截取部分的放大图；
图4示出了根据本发明的实施例的开放槽的示意图；
图5示出了根据本发明的实施例的封闭槽的示意图。
具体实施方式
以下描述了本公开的实施例。然而，应该理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种替代形式。附图不一定按比例绘制；某些功能可能被夸大或最小化以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图所示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中所示的特征组合以产生没有明确示出或描述的实施例。所示特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，与本公开的教导相一致的特征的各种组合和修改对于某些特定应用或实施方式可能是期望的。
如图1所示，发明人通过实验获得了电机的24阶次扭矩波动谐波和48阶次扭矩波动谐波导致的车辆噪声的示意图。图1上方为在半轴转速/频率/分贝的坐标系下，扭矩为50Nm的电机的24阶次和48阶次的电机扭矩波动谐波的函数图。其中半轴转速为使用转速传感器测量的变速器输出轴的转速。可以看到，随着转速的增加，其所对应的24阶次和48阶次的电机扭矩波动谐波的频率以及导致的噪声分贝数也越高，即——呈正相关关系。图1下方的扭矩为100Nm的电机的24阶次和48阶次的电机扭矩波动谐波也呈现出同样的问题。发明人意识到，由于车辆变速器的噪声、振动与声振粗糙度(NVH)的性能对于高阶次——特别是24阶次和48阶次——的电机扭矩波动谐波是非常敏感的，所以发明人意识到有必要降低电机的扭矩波动，特别是24阶次和48阶次的电机扭矩波动谐波。
接下来如图2所示的目前使用的电机的定子和转子的示意图，从图2可以看到，电机的动力部件1包含定子2以及转子3。其中定子2围绕转子3设置，定子2与转子3之间存在气隙。转子3可以机械地连接到轴(未示出)，以输出机械能。定子2包括多个容纳绕组的槽21，槽21从定子2的内边缘沿径向向外延伸。在现有设计的定子2中，定子槽均为包含开口211的开放槽。转子3可以包括尺寸设置为容纳永磁体31的容纳部。永磁体31可成对地设置以形成磁极。槽21的数量可以与永磁体31的对数的数量相关，以使得每极每相的槽21的数量是整数。其中，定子2的槽21全部采用开放槽的设置方式在降低扭矩波动的效果上往往不尽人意。
接下来如图3所示的根据本发明的一个实施例的定子槽的定子绕组的布置。如图所示，该实施例的电机以三相电机为例，电机的动力部件10包括定子20以及转子30。定子20围绕转子30并且二者之间具有气隙。其中绕组方式以U相绕组为例。在本实施例中，每相至少占用两个槽，并且所占用的两个槽中包含如图3A所示的开放槽21以及封闭槽31。如图所示，在本实施例中，该三相电机的定子20具有48个定子槽，其中示出了U相线圈的绕组方式。
为了描述定子20的线圈绕组方式，假设绕组在图3中的端子U+处开始。其中槽以阿拉伯数字逆时针排序。绕组首先进入槽#6，并延伸到槽#1，随后绕组穿过槽#1返回。接着，绕组延伸到槽#7并进入槽#7并随后穿过槽#12返回，然后绕组进入槽#18。然后，绕组穿过槽#13返回，并进入槽#19。接下来，绕组穿过槽#24返回，并进入槽#30。然后，绕组穿过槽#25返回，并进入槽#31。然后，绕组穿过槽#36返回，并进入槽#42。然后，绕组穿过槽#37返回，并进入槽#43，最后绕组穿过槽#48返回。然后，绕组在端子U-处结束，由此完成三相电机的U相的绕组模式。可以理解的是，三相电机的V相以及W相具有与U相类似的进入以及返回模式。在图3中示出了当三相绕组完成时，每一相所占用的槽，其中U相、V相以及W相所占用的槽分别以U、V、W来表示。
为了获得最好的降低扭矩波动的效果，在保证每一相均包含至少一个开放槽21和一个封闭槽31的基础上，发明人尝试了槽的不同的排列方式。
如下表1所示：
Figure BDA0002395666430000061
表1
在表1中示出了全部采用开放槽的排列方式以及方案1到方案3的三种不同的排列方式，如表1所示，目前的电机定子的定子槽采用开放槽的形式，而在方案1到方案3中，在U相、V相以及W相中，每一相均包含一个开放槽以及一个封闭槽。本发明的图3所示的实施例以方案2的排列方式为例进行说明，但应当理解的是，其他方案的排列方式同样属于本发明所要求的保护范围内。
如图3所示，以槽42#到槽48#为例，其开放槽与封闭槽的排列方式为“开放槽-封闭槽-封闭槽-开放槽-开放槽-封闭槽”，其完全依照以上方案2中的排列方式进行。即——定子20的48个槽以6个为一组循环按照以上方案2的三相所占用的六个槽的排列方式重复排列。
在图3A中，其截取了图3的A部放大图，清楚地示出了槽的结构，即——开放槽21具有朝向气隙的开口，而封闭槽31则不具有上述开口。此外可以理解的是，在本实施例示出的三相电机中，其绕组方式使每一相仅包含两个槽，但基于不同的绕组方式，每一相中包含三个槽或者四个槽也同样是可能的。在一相包含三个槽的情况下，则封闭槽与开放槽的比例可以为2:1或1:2，可以理解的是，当一相包含四个槽的情况下，则封闭槽与开放槽的比例可以为3:1、1:3或1:1。同样可以理解的是，在一相包含更多槽的情况下，基于每相至少包含一个开放槽和一个封闭槽，则同样可以有更多的组合方式包含在本发明所要求的保护范围内。
如图4和图5，其中示出了多个封闭槽B1、B2、B3以及和开放槽A1的结构。如图4所示的开放槽A1，其包括主体部分2011，该主体部分2011为定子的一部分，该定子槽A1从定子20的内边缘沿径向向外延伸，在本实施例中，开放槽A1具有大体上矩形的形状。开放槽A1的内端部两个沿着定子20的内边缘相对延伸的突出部2012共同限定了定子槽的开口部2013。可以理解的是，其他形式的具有朝向定子20的内边缘的开口部的定子槽同样包含在本发明所限定的开放槽的保护范围内。
接下来如图5所示的封闭槽B1-B3，其中，封闭槽B1-B3同样包括作为定子20的一部分的主体部。其中，封闭槽B1具有大体上矩形的形状，其为从定子20的内边缘沿径向向外边缘延伸的镂空状的槽，并且不具有朝向定子20的内边缘的开口，而是由横向部分2023封闭，在封闭槽B1的内端部和定子20的内边缘之间包含横向的长条状通孔2028。可以理解该通孔2028形状和间隙距离可以有不同的设计，相关联申请CN2019100700548的全部内容引入作为参考。封闭槽B2同样具有大体上矩形的形状，并同样为从定子20的内边缘沿径向向外边缘延伸的镂空状的槽，内端部包含横向部分2024，与封闭槽B1不同，封闭槽B2的横向部分2024没有通孔，封闭槽B2的内端部具有径向朝向横向部分2024延伸的凹部2026。而在封闭槽B3中，其同样具有大体上矩形的形状，并同样为从定子20的内边缘沿径向向外边缘延伸的镂空状的槽，与封闭槽B2不同的是，封闭槽B3的横向部分2025从定子20的内边缘径向向外凹入，形成凹陷部2027。
在以上表1所示的方案1-方案3中，除了按照表中所示的封闭槽与开放槽的排列方式进行排布外，还采用上述开放槽A1与封闭槽B1-B3的不同搭配，以尝试获取最佳的降低扭矩波动的效果。在电机为235Nm扭矩以及转速为1000rpm下进行实验后，实验数据表明，采用不同的方案搭配不同类型的开放槽A1以及封闭槽B1-B3，在48阶次扭矩波动谐波抑制效果实验中获得了3.559％-3.664％的抑制效果，在96阶次扭矩波动谐波抑制效果实验中获得了15.12％-54.96％的抑制效果，48阶次和96阶次的扭矩波动谐波均有明显下降，与目前采用的开放槽相比取得了良好的技术效果。
在技术上可行的前提下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外实施例。
在本申请中，反意连接词的使用旨在包括连接词。定或不定冠词的使用并不旨在指示基数。具体而言，对“该”对象或“一”和“一个”对象的引用旨在表示多个这样对象中可能的一个。此外，可以使用连接词“或”来传达同时存在的特征，而不是互斥方案。换句话说，连接词“或”应理解为包括“和/或”。术语“包括”是包容性的并且具有与“包含”相同的范围。
上述实施例是本发明的实施方式的可能示例，并且仅是为了使本领域技术人员清楚地理解本发明的原理而给出。本领域技术人员应当理解：以上针对任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的整体构思下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以彼此进行组合，并产生如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在具体实施方式中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种电机的定子，所述定子具有用于容纳绕组的多个槽；
其中，所述槽在所述定子的内圆周和外圆周之间径向延伸，所述槽包含开放槽和封闭槽，所述开放槽具有朝向所述内圆周的开口；
以及，所述多个槽和多个绕组建立多个相，其中所述多个相中的每个占用至少两个槽，所述至少两个槽包含所述开放槽以及所述封闭槽。
2.根据权利要求1所述的定子，其中，所说多个相包含U相、V相以及W相，所述U相、V相以及W相依次占用所述定子的多个槽。
3.根据权利要求2所述的定子，其中，所述U相、V相以及W相的绕组为串联连接或并联连接。
4.根据权利要求3所述的定子，其中，所述U相、V相以及W相分别各自占用两个槽，所述两个槽包含一个开放槽以及一个封闭槽。
5.根据权利要求4所述的定子，其中，在所述U相、V相以及W相中，所述开放槽与所述封闭槽依次排列。
6.根据权利要求4所述的定子，其中，在所述U相和W相中，所述开放槽与所述封闭槽依次排列，以及所述V相中，所述封闭槽与所述开放槽依次排列。
7.根据权利要求4所述的定子，其中，在所述U相和V相中，所述封闭槽与所述开放槽依次排列，以及所述W相中，所述开放槽与所述封闭槽依次排列。
8.根据权利要求1所述的电机的定子，其中，所述多个相中的每个占用三个槽，所述三个槽中所述开放槽与所述封闭槽的比例为2:1或1:2。
9.根据权利要求1所述的电机的定子，其中，所述多个相中的每个占用四个槽，所述四个槽中所述开放槽与所述封闭槽的比例为1:1或1:3或3:1。
10.一种电机，所述电机具有定子和转子，所述定子围绕所述转子，在所述定子的内圆周和所述转子的外圆周之间具有气隙；
其中，所述定子具有用于容纳绕组的多个槽，所述多个槽在所述定子的内圆周和外圆周之间径向延伸，所述槽包含开放槽和封闭槽，所述开放槽具有朝向所述内圆周的开口；以及，所述多个槽和多个绕组建立多个相，其中所述多个相中的每个占用至少两个槽，所述两个槽包含所述开放槽以及所述封闭槽。
11.根据权利要求10所述的电机，其中，所述多个槽和所述绕组组成八个极和三个相，所述三个相分别为U相、V相以及W相。
12.根据权利要求11所述的定子，其中，所述U相、V相以及W相分别各自占用两个槽，所述两个槽包含一个开放槽以及一个封闭槽。
13.根据权利要求12所述的定子，其中，在所述U相、V相以及W相中，所述开放槽与所述封闭槽依次排列。
14.根据权利要求12所述的定子，其中，在所述U相和W相中，所述开放槽与所述封闭槽依次排列，以及所述V相中，所述封闭槽与所述开放槽依次排列。
15.根据权利要求12所述的定子，其中，在所述U相和V相中，所述封闭槽与所述开放槽依次排列，以及所述W相中，所述开放槽与所述封闭槽依次排列。
16.一种减轻电机扭矩波动的方法，包含：
使定子具有适于围绕转子的内圆周；
在所述定子的内圆周和外圆周之间径向地设置容纳绕组的多个定子槽，所述多个定子槽包含开放槽和封闭槽；
通过多个所述定子槽和多个绕组建立多个相；
使所述多个相中的每个占用至少两个槽，所述两个槽包含所述开放槽以及所述封闭槽。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，设置绕组以串联绕组或并联绕组的方式进行。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，多个相为U相、V相以及W相，所述U相、V相以及W相依次序重复排列。
19.一种电机的定子，所述定子具有用于容纳绕组的多个槽，所述多个槽包括开放槽以及封闭槽。
20.根据权利要求19所述的定子，其中，所述多个槽和多个绕组建立多个相，其中所述多个相中的每个包含所述开放槽以及所述封闭槽。
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