CN101325348A

CN101325348A - 减少转矩脉动的永磁电动机及其设计方法

Info

Publication number: CN101325348A
Application number: CNA2008101096241A
Authority: CN
Inventors: K·M·拉曼; P·J·萨瓦吉安; M·D·拉巴
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-06
Also published as: US20080303370A1; DE102008026756A1; DE102008026756B4; US7969058B2; CN101325348B

Abstract

本发明涉及提供具有改进转矩脉动的永磁电动机及其设计方法。永磁电动机包括具有中空芯部并限定多个狭槽的定子，设置在每个狭槽中的绕组，转动设置在定子中空芯部内部的转子和多个由转子支撑的永磁体。每个狭槽具有狭槽开口，并且至少一个狭槽开口相对于相应的狭槽是偏心的。

Description

减少转矩脉动的永磁电动机及其设计方法

技术领域

本发明总的涉及永磁电动机，更具体地涉及减少转矩脉动的永磁电动机和用来减少永磁电动机中转矩脉动的方法。

背景技术

永磁电动机可能产生导致不想要的振动和噪声的不希望的转矩脉动。常规的永磁电动机倾斜转子或定子试图减少转矩脉动。然而，倾斜可能引起制造复杂并增加成本。倾斜还降低机器转矩，因此降低机器性能。

因此，希望的是提供减少转矩脉动的永磁电动机。另外，希望的是提供用来减少永磁电动机中转矩脉动的方法。此外，结合伴随的附图和前述技术领域和背景技术，根据随后的详细描述和附加的权利要求，本发明的其他希望方面和特征将显而易见。

发明内容

根据本发明的示例性实施例提供永磁电动机。永磁电动机包括具有中空芯部并限定多个狭槽的定子；设在每个狭槽中的绕组；转动设置在定子中空芯部内部的转子和多个由转子支撑的永磁体。每个狭槽具有狭槽开口，并且至少一个狭槽开口可相对于相应的狭槽偏心。

根据本发明的另一个示例性实施例提供用于设计永磁电动机的方法。该方法包括为具有不同定子狭槽开口位置、不同定子狭槽位置或不同定子狭槽开口和不同定子狭槽位置两者的多个拟定永磁电动机确定模拟转矩脉动；为具有不同定子狭槽开口位置、不同定子狭槽位置或不同定子狭槽开口和不同定子狭槽位置两者的多个拟定永磁电动机中的每一个确定模拟转矩输出；和根据模拟转矩脉动和模拟转矩输出从多个拟定永磁电动机中选择最佳的永磁电动机。

提供根据本发明示例性实施例的永磁电动机。该永磁电动机包括具有中空芯部并限定多个狭槽的定子。每个狭槽具有狭槽开口，并且多个狭槽包括第一狭槽，邻近并与第一狭槽以第一距离间隔的第二狭槽，第三狭槽和邻近并与第三狭槽以第二距离间隔的第四狭槽，其中第一距离不同于第二距离。该永磁电动机进一步包括设置在每个狭槽中的绕组；转动设置在定子中空芯部内部的转子和由转子支撑的多个永磁体。

附图说明

此后结合接下来的附图描述本发明，其中相同的数字表示相同的元件，其中：

图1是根据本发明示例性实施例的永磁电动机的部分横截面视图；

图2是根据本发明另一个示例性实施例的永磁电动机的部分横截面视图；

图3是根据本发明另一个示例性实施例的永磁电动机的部分横截面视图；

图4是流程图，图示了用于设计根据本发明示例性实施例的永磁电动机的方法；

图5是表示转矩脉动的图形，当调整狭槽开口时该转矩脉动与永磁电动机有关；和

图6是表示平均转矩的图形，当调整狭槽开口时该平均转矩与永磁电动机有关。

具体实施方式

接下来的详细描述本质上仅仅是示例性的并未打算限制本发明或本发明的应用和使用。此外，没有打算通过前述技术领域、背景技术、发明内容或接下来的详细描述中给出的任何表示或暗示理论来限制。

图1是根据本发明示例性实施例的永磁电动机10的部分横截面视图。图1的视图示出了电动机10的整个横截面视图的1/10。电动机10可形成各种机动车元件的一部分，例如燃料电池或电动车辆的牵引电机或混合动力车辆的电动机/发电机。电动机10还可用于与机动车辆无关的应用，例如消费者装置(consumer appliances)、医疗器械，工具等等。

电动机10包括定子16和转动配置在定子16中的转子20。定子16包括通过堆叠多个磁性钢板形成的定子芯部22，当堆叠时多个磁性钢板一起形成具有中空芯部的圆柱形。多个狭槽23-28形成在定子芯部22中并按圆周布置设置。尤其是，图1的视图图示出第一狭槽23，第二狭槽24，第三狭槽25，第四狭槽26，第五狭槽27和第六狭槽28。正如接下来进一步详细论述的，每个狭槽具有相应的狭槽开口31-36。狭槽开口31-36小于其相应的狭槽23-28。定子芯部22还包括多个设置在狭槽23-28之间的定子齿30。在图1的视图中图示了六个定子狭槽23-28，并且六个定子狭槽23-28对应于电动机10的一个磁极。然而，任何相位、电机和/或结构都是可能的。

条形绕组39***到每个狭槽23-28中。总的来说，条形绕组39是直接***到狭槽中的U形绕组。在图示实施例中，在每个狭槽23-28中设置四个条形绕组39。然而，在每个狭槽中可以设置更多或更少的条形绕组39。在替换实施例中，配置发夹形绕组或其他类型绕组。

转子20包括通过堆叠多个磁性钢板形成的转子芯部29，当堆叠时多个磁性钢板一起形成圆柱形。转子芯部29设置在定子22中空芯部中，同时与定子芯部22以预定距离间隔，因此在定子芯部22和转子芯部29之间形成间隙37。转子芯部29支撑多个嵌入到转子芯部29中的永磁体38。在替换实施例中，永磁体38可以圆周设置在转子芯部29上。永磁体38可以是单一磁体或根据设计和成本要求对准或倾斜的多个磁性部分。总的来说，示例性永磁体38是稀土磁体，例如钕硼铁或钐钻磁钢，然而根据设计要求陶瓷和铝镍钴磁体可用于其他实施例。转动轴40***到形成在转子20中心的中空区域并与转子20一起转动。

在工作过程中，当转子20通过转动轴40相对于定子16运动时，永磁体38经过绕组39，因此通过电磁感应在绕组39中产生电压。相反地，如果例如通过电池(未示出)给绕组39提供电流，在定子齿30相应地产生磁场，该磁场与转子20中的永磁体38相互作用，因此转子20和所连接的转动轴40转动产生转动驱动力。

再次转向每个狭槽23-28的狭槽开口31-36，主要由转子20和定子狭槽开口31-36之间的狭槽作用引起电动机10中的转矩脉动和接合(cogging)。狭槽作用是定子狭槽23-28和正如由磁体38产生的转子狭槽之间的相互作用。转子20和特定的定子狭槽23-28之间的转矩脉动具有正值或负值。相对于狭槽调整狭槽开口31-36的位置往往影响狭槽作用以及因此影响转矩脉动。狭槽开口31-36的调整往往平均正负转矩脉动并视图抵消转矩脉动的影响。因此，根据本发明的示例性实施例，电动机10具有至少一个相对于相应狭槽23-28的中心偏置的狭槽开口31-36。正如接下来进一步详细论述的，可以调整一个或多个狭槽开口31-36来减少转矩脉动。例如，如图1中所示，第一狭槽23的第一狭槽开口31具有位于第一狭槽23中心轴47左侧的中心轴41。第一狭槽开口31由第一侧壁55和第二侧壁56限定，而第一狭槽23由第一侧壁67和第二侧壁68限定。第一狭槽开口31的第一侧壁55与第一狭槽23的第一侧壁67近似对齐。

第二狭槽24的第二狭槽开口32具有也位于第二狭槽24的中心轴48左侧的中心轴42，虽然与第一狭槽开口31相比处于不同的相对位置。第二狭槽开口32由第一侧壁57和第二侧壁58限定，而第二狭槽24由第一侧壁69和第二侧壁70限定。第二狭槽开口32的第二侧壁58与第二狭槽24的中心轴48近似对齐。

第三狭槽25的第三狭槽开口33具有与第三狭槽25的中心轴49对齐的中心轴43。第三狭槽开口33由第一侧壁59和第二侧壁60限定，而第三狭槽25由第一侧壁71和第二侧壁72限定。正如所图示的，第三狭槽开口33的侧壁59和60中没有一个与第三狭槽25的侧壁71和72对齐。

第四狭槽26的第四狭槽开口34具有与第四狭槽26的中心轴50对齐的中心轴44。第四狭槽开口34由第一侧壁61和第二侧壁62限定，而第四狭槽26由第一侧壁73和第二侧壁74限定。正如所图示的，第四狭槽开口34的侧壁61和62中没有一个与第四狭槽26的侧壁73和74对齐。

第五狭槽27的第五狭槽开口35具有位于第五狭槽27中心轴51右侧的中心轴45。第五狭槽开口35由第一侧壁63和第二侧壁64限定，而第五狭槽27由第一侧壁75和第二侧壁76限定。第五狭槽开口35的第一侧壁63与第五狭槽27的中心轴51近似对齐。

第六狭槽28的第六狭槽开口36具有位于第六狭槽28中心轴52右侧的中心轴46。第六狭槽开口36由第一侧壁65和第二侧壁66限定，而第六狭槽28由第一侧壁77和第二侧壁78限定。第六狭槽开口36的第二侧壁66与第六狭槽28的第二侧壁78近似对齐。

狭槽开口31-36的设置仅仅是狭槽开口31-36不同位置的多个实施例中的一个。在一个实施例中，第一、第二和第三狭槽23-25的狭槽开口31-33相对于第四、第五和第六狭槽26-28的狭槽开口34-36对称。换句话说，第一狭槽23的狭槽开口31是第六狭槽28的狭槽开口36的镜像；第二狭槽24的狭槽开口32是第五狭槽27的狭槽开口35的镜像；第三狭槽的狭槽开口33是第四狭槽26的狭槽开口34的镜像。在一个实施例中，由一组六个狭槽23-28的狭槽开口31-36形成的模式沿定子22的圆周重复。在另一个实施例中，由六个狭槽23-28的狭槽开口31-36形成的模式没有沿定子22的圆周重复。可以尽其所需地改变狭槽开口31-36来最优地减少发动机10中的转矩脉动。虽然发动机10中的狭槽开口31-26是相同尺寸，在替换实施例中，狭槽开口31-36的尺寸也是可以另外调整的。而且，在替换实施例中，磁极中的狭槽开口31-36不是必须为对称模式的，狭槽开口31-36也不需要与相应狭槽23-28的相应轴或相应侧壁对齐。

图2是根据本发明的另一个示例性发动机110。正如在图1所示的发动机10中一样，电动机110包括定子116和转动设置在定子116内部的转子120。定子116包括定子芯部122，该芯部包括多个以圆周布置设置的狭槽123-128。图2图示出第一狭槽123，第二狭槽124，第三狭槽125，第四狭槽126，第五狭槽127和第六狭槽128。正如接下来进一步详细论述的，每个狭槽具有相应的狭槽开口131-136。定子芯部122还包括多个设置在狭槽123-128之间的定子齿130。条形绕组139***每个狭槽123-128中。转子120包括通过间隙137与定子芯部122间隔并支撑多个永磁体138的转子芯部129。在图2视图中图示六个定子狭槽123-128，并且六个定子狭槽123-128对应于发动机110的一个磁极。然而，任何相位、电机和/或结构都是可能的。

再次转向狭槽开口131-136，根据本发明示例性实施例的电动机110具有至少一个相对于相应狭槽123-128偏置的狭槽开口131-136。第一狭槽123的第一狭槽开口131具有与第一狭槽123的中心轴147对齐的中心轴141。第一狭槽开口131由第一侧壁155和第二侧壁156限定，而第一狭槽123由第一侧壁167和第二侧壁168限定。正如所示，第一狭槽开口131的侧壁155和156没有一个与第一狭槽123的侧壁167和168对齐。

第二狭槽124的第二狭槽开口132具有位于第二狭槽124的中心轴148右侧的中心轴142。第二狭槽开口132由第一侧壁157和第二侧壁158限定，而第二狭槽124由第一侧壁169和第二侧壁170限定。第二狭槽开口132的第一侧壁157与第二狭槽124的中心轴148近似对齐。

第三狭槽125的第三狭槽开口133具有位于第三狭槽125中心轴149右侧的中心轴143。第三狭槽开口13由第一侧壁159和第二侧壁160限定，而第三狭槽125由第一侧壁171和第二侧壁172限定。第三狭槽开口133的第二侧壁160与第三狭槽125的第二侧壁172近似对齐。

第四狭槽126的第四狭槽开口134具有位于第四狭槽126中心轴150左侧的中心轴144。第四狭槽开口134由第一侧壁161和第二侧壁162限定，而第四狭槽126由第一侧壁173和第二侧壁174限定。第四狭槽开口134的第二侧壁161与第四狭槽126的第二侧壁175对齐。

第五狭槽127的第五狭槽开口135具有位于第五狭槽127中心轴151左侧的中心轴145。第五狭槽开口135由第一侧壁163和第二侧壁164限定，而第五狭槽127由第一侧壁175和第二侧壁176限定。第五狭槽开口135的第二侧壁164与第五狭槽127的中心轴近似对齐。

第六狭槽128的第六狭槽开口136具有与第六狭槽128中心轴152对齐的中心轴146。第六狭槽开口136由第一侧壁165和第二侧壁166限定，而第六狭槽128由第一侧壁177和第二侧壁178限定。正如图所示，第六狭槽开口136的侧壁165和166没有一个与第六狭槽128的侧壁177和178对齐。

因此，在一个实施例中，第一、第二和第三狭槽123-125的狭槽开口131-133分别相对于第四、第五和第六狭槽126-128的狭槽开口134-136对称。在另一个实施例中，由一组六个狭槽123-128的狭槽开口131-136形成的模式沿定子116圆周重复。然而在另一个实施例中，可以理解的是狭槽开口131-136可尽其所需地改变以优化电动机110。例如，可调整狭槽开口131-136来减少电动机110的转矩脉动。而起，正如上所述，在替换实施例中，磁极中的狭槽开口131-136不是必须是对称模式的，狭槽开口131-136也不需要与对应狭槽123-128的各个轴或各个侧壁对齐。

图3是根据本发明示例性实施例的另一个电动机210。正如分别在图1和2所示的电动机10和110中一样，电动机210包括定子216和转动配置在定子216内部的转子220。定子216包括定子芯部222，该芯部包括多个以圆周布置设置的狭槽223-228。图3图示出第一狭槽223、第二狭槽224、第三狭槽225、第四狭槽226、第五狭槽227和第六狭槽228。定子芯部222还包括多个配置在狭槽223-228之间的定子齿230。条形绕组239***到每个狭槽223-238中。替换地，电线绕组(未示出)可代替条形绕组239使用。

第一狭槽223以第一距离281与第二狭槽224间隔。第二狭槽224以第二距离282与第三狭槽225间隔。第三狭槽225以第三距离283与第四狭槽226间隔。第四狭槽226以第四距离284与第五狭槽227间隔。第五狭槽227以第五距离285与第六狭槽228间隔。

距离281-285可遵循对称或非对称模式。因此，与常规定子相反，第一、第二、第三、第四和第五距离281-285不一定相等。换句话说，可调整狭槽223-238的位置来调整其间的距离281-285。例如，第一虚线轮廓286表示常规第一狭槽的位置并且表示第一狭槽223已经移到右侧。第二虚线轮廓287表示常规第三狭槽的位置并且显示第三狭槽225已经移到左侧。第三虚线轮廓288表示常规第四狭槽的位置并且显示第四狭槽226已经移到右侧。第四虚线轮廓289表示常规第六狭槽的位置并且显示第六狭槽228已经移到左侧。可以理解的是可尽其所需地调整狭槽223-238之间的距离281-285来减少转矩脉动。在另一个替换实施例中，图1和2中电动机10和110的狭槽23-28和123-128也可以调整。

图4图示了用于设计根据本发明示例性实施例的永磁电动机的方法200。在方法200的步骤210中，确定每个都具有不同定子狭槽和/或狭槽开口位置的多个永磁电动机的模拟转矩脉动。可利用有限元分析(FEA)模拟工具模拟转矩脉动。图5是表示转矩脉动的图形，该转矩脉动与差不多1400的定子狭槽和/或定子狭槽开口的设计迭代的永磁电动机相关。转矩脉动表示为电机平均转矩的百分比。例如两个设计迭代对应于图1和2所示的电动机10和110。正如图5中所见，在步骤220中，确定具有不同狭槽和/或狭槽开口位置的多个永磁电动机的模拟平均转矩输出。图6是表示以牛顿-米(Nm)表示的平均转矩输出的图形，该转矩输出与永磁体有关并且大体对应于图5中表示的设计迭代。

在步骤230中，根据转矩脉动和平均转矩输出选择带有优化狭槽和/或狭槽开口位置的永磁电动机。总的来说，希望在不显著减少平均转矩的情况下减少转矩脉动。因此，“优化”永磁电动机是在没有不希望地减少平均转矩的情况下转矩脉动减少到最大程度的电动机。在一个实施例中，平均转矩不应减少多于4％。正如图4中所示，平均转矩脉动在大约第240次迭代时减少到原始转矩的8％。正如图6中所示，第240次迭代的平均转矩是284.5，其近似等于原始转矩。因此，对于特定设计而言，在大约第240次设计迭代时提供优化的狭槽开口设置。需要注意的是狭槽开口31-36和131-136仅仅是优化设置的两个实施例。也可提供其他设置。

因此，已经提供显示减少转矩脉动的永磁电动机和用于设计具有减少转矩脉动的永磁电动机的方法。在没有在制造复杂性方面显著附带增加和/或性能方面减少的情况下，该电动机和方法提供了转矩脉动减少。

尽管已经在前述详细描述中给出了至少一个示例性实施例，可以理解的是存在相当大量的变形。还可以理解的是示例性实施例仅仅是示例并且没有意图以任何方式限制发明的范围、应用或结构。而且，上述详细描述为本领域技术人员提供用来实现示例性实施例的方便地图。很明显在不脱离如附加权利要求及其法定等价物所述的发明范围的情况下，可在元件功能和设置方面进行各种变化。

Claims

1.一种永磁电动机，包括：

定子，具有中空芯部并限定多个狭槽，其中每个狭槽具有狭槽开口并且至少一个狭槽开口相对于相应的狭槽是偏心的；

绕组，设置在每个狭槽中；

转子，转动设置在定子的中空芯部内部；和

多个永磁体，由转子支撑。

2.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于所述至少一个狭槽开口是第一狭槽开口，并且所述多个狭槽开口进一步包括第二狭槽开口，其中第一狭槽开口相对于第一狭槽位于第一相对位置，而第二狭槽开口相对于第二狭槽位于第二相对位置，其中第一和第二相对位置是不同的。

3.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于每个狭槽由两个侧壁限定并且每个狭槽开口由两个侧壁限定，其中所述至少一个狭槽开口的两个侧壁中的一个与相应狭槽的两个侧壁中的一个近似对齐。

4.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于每个狭槽具有中心轴并且每个狭槽开口由两个侧壁限定，其中所述至少一个狭槽开口的两个侧壁中的一个与相应狭槽的中心轴近似对齐。

5.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于所述至少一个狭槽开口是第一狭槽的第一狭槽开口，其中所述多个狭槽进一步包括具有第二狭槽开口的第二狭槽，其中每个狭槽开口由相应的第一和第二狭槽开口侧壁限定并且每个狭槽由相应的第一和第二狭槽侧壁限定，和

其中第一狭槽开口的第一狭槽开口侧壁与第一狭槽的第一狭槽侧壁对齐，而第二狭槽开口的第二狭槽开口侧壁与第二狭槽的第二狭槽侧壁对齐。

6.如权利要求5所述的永磁电动机，其特征在于多个狭槽进一步包括具有第三狭槽开口的第三狭槽，其中第三狭槽位于第一和第二狭槽之间，并且第三狭槽开口具有与第三狭槽中心轴对齐的中心轴。

7.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于所述多个狭槽开口包括与永磁电动机的转子磁极对应的狭槽开口组，并且狭槽开口组具有对称布置。

8.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于所述多个狭槽包括第一狭槽、邻近并以第一距离与第一狭槽间隔的第二狭槽和邻近并以第二距离与第二狭槽间隔的第三狭槽，其中第一距离不同于第二距离。

9.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于所述多个狭槽包括第一狭槽、邻近并以第一距离与第一狭槽间隔的第二狭槽、第三狭槽和邻近并以第二距离与第三狭槽间隔的第四狭槽，其中第一距离不同于第二距离。

10.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于转子适合于连接机动车的轴。

11.如权利要求1所述的永磁电动机，其特征在于狭槽开口相对于狭槽设置使得减少转矩脉动。

12.一种用于设计永磁电动机的方法，包括下列步骤：

为带有不同定子狭槽开口位置、不同定子狭槽位置、或不同定子狭槽开口和不同定子狭槽位置两者的多个拟定永磁电动机确定模拟转矩脉动；

为具有不同定子狭槽开口位置、不同定子狭槽位置、或不同定子狭槽开口和不同定子狭槽位置两者的多个拟定永磁电动机中的每一个确定模拟转矩输出；和

根据模拟转矩脉动和模拟转矩输出从多个拟定永磁电动机中选择最佳的永磁电动机。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于进行选择的步骤包括选择具有最低模拟转矩脉动的最佳永磁电动机。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于进行选择的步骤包括选择模拟转矩输出具有最小变化的最佳永磁电动机。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于确定模拟转矩脉动的步骤包括确定拟定永磁电动机的模拟转矩脉动，该拟定永磁电动机具有狭槽，该狭槽具有相对于相应的狭槽偏心的狭槽开口。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于确定模拟转矩脉动的步骤包括确定拟定永磁电动机的模拟转矩脉动，该拟定永磁电动机具有第一狭槽和第二狭槽，该第一狭槽具有相对于第一狭槽处于第一相对位置的第一狭槽开口，该第二狭槽具有相对于第二狭槽处于第二不同相对位置的第二狭槽开口。

17.如权利要求12所述的方法，其特征在于确定模拟转矩脉动的步骤包括确定拟定永磁电动机的模拟转矩脉动，该拟定永磁电动机具有狭槽，该狭槽具有包括与狭槽侧壁对齐的侧壁的狭槽开口。

18.如权利要求12所述的方法，其特征在于确定模拟转矩脉动的步骤包括确定拟定永磁电动机的模拟转矩脉动，该拟定永磁电动机具有狭槽，该狭槽具有包括与狭槽中心轴近似对齐的侧壁的狭槽开口。

19.一种永磁电动机，包括：

定子，具有中空芯部并限定多个狭槽，其中每个狭槽具有狭槽开口，所述多个狭槽包括第一狭槽、邻近并以第一距离与第一狭槽间隔的第二狭槽、第三狭槽和邻近并以第二距离与第三狭槽间隔的第四狭槽，其中第一距离不同于第二距离；

绕组，设置在每个狭槽中；

转子，转动设置在定子的中空芯部内部；和

多个永磁体，由转子支撑。

20.如权利要求19所述的永磁电动机，其特征在于至少一个狭槽开口相对于相应的狭槽是偏心的。