CN1606217A - 用于旋转电机的磁路结构 - Google Patents

Abstract

旋转电机包括：内转子和外转子，该内转子和外转子分别包括永磁体；以及定子，该定子包括定子线圈，并布置在内转子和外转子之间。内转子还包括外表面部分，该外表面部分作为用于与外转子同步的磁通的外部磁路的轭铁部分，外转子还包括外部部分，各外部部分位于一个外部永磁体的外侧，并设置成作为用于与内转子同步的磁通的内部磁路的轭铁部分。

Description

用于旋转电机的磁路结构

技术领域

本发明涉及一种用于旋转电机的磁路结构，尤其是涉及一种用于旋转电机的磁路结构，该旋转电机包括：外转子，该外转子包括沿周向布置的多个外部永磁体；内转子，该内转子包括多个内部永磁体，这些内部永磁体相对于径向方向交替沿相反方向成预定角度而沿周向布置；以及定子，该定子布置在内转子和外转子之间。

背景技术

日本专利申请KOKAI No.2000-224836和No.2001-103717表示了多轴、多层类型的马达，该马达包括：外转子，该外转子包括沿周向布置的多个外部永磁体；内转子，该内转子包括多个内部永磁体，这些内部永磁体相对于径向方向交替沿相反方向成预定角度而沿周向布置；以及定子，该定子布置在内转子和外转子之间。

发明内容

在这样的多轴、多层旋转电机中，因为内部或外部永磁体之间的分开距离较短，因此在作为磁通通路的轭铁(yoke)中的磁阻较高，该磁通由内部或外部永磁体产生，或者由缠绕在定子的定子齿上的定子线圈或电枢线圈与外转子或内转子同步地产生。因此，这种磁路结构需要大量磁体，以便获得足够力矩，即足够磁通。

因此，这种多轴、多层旋转电机的缺点在于成本较高并且不能充分获得较高转子转速。而且，q轴磁路的磁阻相对较高，因为在磁体之间的距离更短，且很难有效利用磁阻力矩(reluctance torque)。

因此，本发明的目的是提供一种旋转电机，该旋转电机的目的是为了解决上述问题，并设置成以较低成本来获得更高磁通和更高转子转速，并有效利用磁阻力矩。

根据本发明的一个方面，旋转电机包括：定子，该定子包括多个环绕旋转电机的中心轴线布置的定子线圈；内转子，该内转子可旋转地布置在定子内部；以及外转子，该外转子可旋转地布置在定子外部。内转子包括：多个内部永磁体，这些内部永磁体环绕中心轴线交替倾斜地布置；以及多个外表面部分，这些外表面部分作为外部磁路的轭铁部分。外转子包括：多个外部永磁体，这些外部永磁体布置成一个圆；以及多个外部部分，每个外部部分位于一个外部永磁体的外侧，并布置成作为用于与内转子同步的磁通的内部磁路的轭铁部分，而内转子的各外表面部分布置成作为用于与外转子同步的磁通的外部磁路的轭铁部分。内部磁路布置成还作为外转子的交轴(quadrature axis)磁路，且外部磁路布置成还作为内转子的交轴磁路。

根据本发明的另一方面，旋转电机包括：定子，该定子包括多个定子齿和多个定子线圈；外转子，该外转子可旋转地布置在定子外部，该外转子包括外部环形部件和多个外部永磁体，这些外部永磁体布置在外部环形部件中，这样，内部部分形成于外部环形部件中，且外部环形部件的内部部分和外部永磁体交替地布置成圆；以及内转子，该内转子可旋转地布置在定子内部，该内转子包括内部环形部件和多个内部永磁体，这些内部永磁体在内部环形部件中布置成圆，并交替倾斜安装，这样，通过内部永磁体，较宽部分和较窄部分交替形成于内部环形部件的外周中。外部环形部件的内部部分的周向长度大于或基本等于定子齿的最小周向宽度，且内部环形部件的较宽部分的周向长度大于或基本等于外部环形部件的内部部分的周向长度的两倍。

附图说明

图1是表示包括本发明第一实施例的多轴、多层马达的混合驱动***的示意图。

图2是表示第一实施例的多轴、多层马达的垂直剖视图。

图3是表示用于本发明第一实施例的旋转电机的磁路结构的剖视图。

图4是表示用于图3的旋转电机的磁路结构的解释图。

图5是表示用于本发明第二实施例的旋转电机的磁路结构的剖视图。

图6是表示用于本发明第三实施例的旋转电机的磁路结构的剖视图。

图7是表示用于本发明第四实施例的旋转电机的磁路结构的剖视图。

图8是表示图7的旋转电机的外转子211在从定子气隙215看时的视图。

图9A、9B和9C是表示磁路结构的空气层231的制造方法的视图，该方法可用于本发明。

具体实施方式

图1表示了混合驱动***或单元，它包括具有根据本发明第一实施例的磁路结构的多轴、多层马达M。图1的混合驱动单元包括发动机E、多轴多层马达M、Ravigneaux类型的复合行星齿轮系G和驱动输出机构D。如图1所述，该***还包括马达盖1、马达外壳2、齿轮壳体3和前盖4。在该实例中，混合驱动***用作汽车的原动机。

发动机E是本实例的混合驱动***中的主动力源(primary powersource)。发动机E的发动机输出轴5通过用于吸收旋转波动的阻尼器***6和多个圆盘离合器7而与Ravigneaux复合行星齿轮系G的第二环形齿轮R2连接。

多轴、多层马达M是本例的混合***中的第二动力源。尽管它看起来类似于单个马达单元，但是多轴、多层马达M可以起到两个马达/发电机的作用。本实例的多轴、多层马达M包括定子S、由定子S同轴环绕的内转子IR以及同轴环绕定子S的外转子OR。因此，本实例的多轴、多层马达M具有同轴三层结构。定子S固定在马达外壳2上，并提供有线圈。定子S作为静止电枢。内转子IR包括埋入其中的永磁体。外转子OR包括埋入其中的永磁体。

与内转子IR固定在一起的第一马达空心轴8与Ravigneaux复合行星齿轮系G的第一恒星齿轮S1连接。与外转子OR固定在一起的第二马达轴9与Ravigneaux复合行星齿轮系G的第二恒星齿轮S2连接。

Ravigneaux复合行星齿轮系G是可以通过控制多轴、多层马达M的两个马达速度而以无级方式连续改变变速比的行星齿轮***。公共行星齿轮架C支承第一小齿轮P1和第二小齿轮P2，各第二小齿轮P2与一个第一小齿轮P1啮合。本实例的Ravigneaux复合行星齿轮系G有以下5个主动旋转元件：公共齿轮架C；与第一小齿轮P1啮合的第一恒星齿轮S1；与第二小齿轮P2啮合的第二恒星齿轮S2；与第一小齿轮P1啮合的第一环形齿轮R1；以及与第二小齿轮P2啮合的第二环形齿轮R2。多个圆盘制动器10连接于第一环形齿轮R1和齿轮壳体3之间。公共齿轮架C与输出齿轮11连接。

驱动输出机构D包括与公共齿轮架C连接的输出齿轮、第一反转齿轮12、第二反转齿轮13、驱动齿轮14、差速器15和驱动轴16。输出力矩从输出齿轮11通过第一反转齿轮12→第二反转齿轮13→驱动齿轮14→差速器而传递，并进一步通过驱动轴16传递给汽车的驱动轮。

在该混合驱动***中，第二环形齿轮R2与发动机输出轴5连接；第一恒星齿轮S1与第一马达空心轴8连接；第二恒星齿轮S2与第二马达轴9连接；而公共齿轮架C与输出齿轮11连接。

图2表示了可用于本实施例中的多轴、多层马达M的结构。该多轴、多层马达M与Ravigneaux类型复合行星齿轮系G一起构成汽车的混合传动***。本发明实施例的层叠芯结构用于该多轴、多层马达M。如图2所示，多轴、多层马达M包括：环形定子101；内转子102，该内转子102可旋转地布置在定子101的径向内侧，以便由定子S同轴环绕；以及外转子103，该外转子可旋转地布置在定子101的径向外侧，以便同轴环绕定子S。内转子和外转子102和103可环绕中心旋转轴线O旋转。定子101以及内转子和外转子102和103形成三层结构，它们装入壳体104内。

在本实例中，各内转子102和外转子103包括：磁性钢板的层叠芯(或环形部件)124或125，它们通过压制形成，并沿轴向方向层叠；以及永磁体，该永磁体沿周向方向以规则间隔布置在层叠芯124或125中，这样，各永磁体沿轴向方向穿过层叠芯124或125而延伸。通过改变磁极的布置方式，内转子102和外转子103有不同数目的N-S极对。在本实例中，永磁体的数目在内转子102和外转子103之间相等；内转子102和外转子103各自包括12个磁体。在内转子102中，两个磁体成对，以便形成一个磁极，这样，有三个磁极对。在外转子103中，磁体单独布置，这样，各磁体形成一个磁极，并有六个磁极对。

在壳体104中，外转子103与环绕层叠芯125的力矩传递壳105驱动连接。力矩传递壳105由分别在两端的轴承107和108可旋转地支承在壳体104中，并在靠近轴承107处与外转子轴109连接。

内转子102包括空心内转子轴110，该内转子轴110穿过层叠芯124延伸。外转子轴109可在空心内转子轴110内部旋转。内转子102的层叠芯124与内转子轴110驱动连接。内转子轴110的中间部分通过轴承112而可旋转地支承在固定定子托架113。内转子轴110的一端(图1中的左端)通过轴承114而可旋转地支承在力矩传递壳105的相应壁端。

定子101包括多个磁性钢板定子件，这些定子件通过压制成形而形成T形，并沿定子101的轴向方向层叠。如图2所示，各定子件有缠绕在内转子102的轭铁和外转子103的轭铁之间的齿部分上的电磁线圈117。有线圈的定子件以规则间隔布置成圆形，以便形成定子芯。定子芯通过螺栓119而轴向夹在处于定子101的轴向两侧的托架113和118之间，并通过利用树脂120进行模制而形成整体形式的定子101。多个冷却通道141形成于树脂120中。各冷却通道141在树脂120中在相邻的两个定子件之间轴向延伸。螺栓119位于冷却通道141的径向外侧和径向内侧，并分别通过螺母119a而拧紧。也可以采用铆接销的紧固结构来代替螺栓119和螺母119a的结构。

旋转传感器148和旋转传感器147分别检测内转子102和外转子103的旋转位置。向在定子101中的电磁线圈117供给复合电流，该复合电流通过根据永磁体的旋转位置迭加不同相的驱动电流而形成。通过该复合电流，该马达在定子101中产生用于内转子102和外转子103的旋转磁场，从而以与各旋转磁场同步的、各自不同速度驱动内转子102和外转子103。

图3更详细地表示了用于本发明第一实施例的旋转电机的磁路结构。如图3所示，旋转电机包括内转子201、外转子211和定子221。内转子201包括多个内部永磁体202、环形内部电磁部件203和轴204。内部定子气隙205形成于内转子201和定子221之间。外转子211包括多个外部永磁体212、环形外部电磁部件213和外壳214。外部定子气隙215形成于外转子211和定子221之间。定子221包括定子齿222、定子支承部件223以及缠绕在各定子齿222上的定子(电枢)线圈224。在本实施例中，空气层231形成于各外部永磁体212的两端，且空气层231径向延伸至外部定子气隙215。各外部永磁体212通过内周层磁性材料232而与外部气隙215分开，该内周层磁性材料沿径向在外部永磁体212和外部气隙215之间延伸，并沿周向从在该外部永磁体212一侧的空气层231延伸至在该外部永磁体212的相对侧的空气层231。

在第一实施例的该旋转电机中，内部永磁体202沿周向布置成相对径向为预定角度。内部永磁体202交替倾斜，这样，内部磁体202环绕中心轴线形成之字形，且较窄部分和较宽部分交替形成于内部环形部件203的外周表面区域中。各较宽部分形成为比早期技术更宽。而且，在两个相邻外部永磁体202之间的周向间距比早期技术更长。空气层231形成于各外部永磁体202的两端侧。在该结构中，内部永磁体202的结构和外部永磁体212的结构能够用于减小内部(第一)磁路和外部(第二)磁路中的磁阻。空气层231能够用于减小外部永磁体212的磁通泄漏，并在不减小内部磁通的情况下增加外部磁通。

如图3所示，内部(第一)磁路布置成这样，即在两个相邻外部永磁体212之间的周向距离D1基本等于或大于定子齿222的最短周向长度W1。外部(第二)磁路布置成这样，即在两个相邻内部永磁体202之间，形成于内转子201的外表面层中的各较宽部分的周向长度L1基本等于或大于周向距离D1的2倍。(在本实例中，周向距离D1基本等于周向长度(D1≈W1)。)在图3中，在相邻两个空气层231之间测量周向距离D1，如图中所示，与分别形成于两个相邻外部永磁体212之间的、外部电磁部件213的内部部分的宽度相同。

图4表示了在图3所示的磁路结构中的磁通通路。在本实例中，磁通1是与内转子201同步的磁通。图4中所示的磁通1从在形成N极和S极的内部永磁体202中的、一个形成N极的内部永磁体流出。磁通1再流过在两个相邻外部永磁体212之间的部分、在一个外部永磁体212外侧的外部部分，并流向形成S极的下一个内部永磁体202。用于磁通1的内部(或第一)磁路通过利用外转子211的外部部分作为内部磁路的轭铁部分而形成，该外转子211的各外部部分位于一个外部永磁体202的径向外侧。表示为磁通1的通路的内部(第一)磁路还用作外转子211的交轴(q-轴)磁路。因为在两个相邻外部永磁体212之间的间距较宽，q-轴磁阻较小，且磁路结构能够产生足够的磁阻力矩。

在图4中所示的磁通2是与外转子211同步的磁通。磁通2从由一个外部永磁体212形成的N极流出。磁通2再流过内转子201的外表面层的、在两个相邻内部永磁体202之间的一个较宽部分，并返回由下一个外部永磁体212形成的S极。用于磁通2的外部(第二)磁路通过利用内转子201的外表面层作为外部磁路的轭铁部分而形成。表示为磁通2的通路的外部(第二)磁路还用作与内转子201同步的磁通的q-轴磁路。因为内转子的外周表面层中的、在两个相邻内部永磁体202之间的较宽部分较宽，q-轴磁阻较小，且磁路结构可以产生足够的磁阻力矩。

在本实施例的旋转电机的磁路结构中，如上所述，内转子和外转子这样布置成减小q-轴磁阻。而且，各内转子和外转子对于另一转子作为用于传导与该另一转子同步的磁通(也就是，由永磁体产生的磁通和由定子线圈产生的磁通)的轭铁。因此，该结构可以增加磁通、磁阻力矩和力矩密度。顺便说明，图4表示了各磁通1和和磁通2处于特定时刻的瞬时状态。

图5表示了用于本发明第二实施例的旋转电机的磁路结构。图5的磁路结构与图3的结构大部分基本相同，如采用相同参考标号所示。在该第二实施例中，与第一实施例不同的是，定子221包括多个电磁桥部分241，各电磁桥部分241连接两个相邻定子齿222，以便在它们之间形成磁通通路。各桥部分241与外部气隙215并排地沿周向在两个相邻定子齿222之间延伸，从而连接这两个相邻定子齿222。各桥部分241的外表面暴露在外转子211和定子221之间的外部气隙215中。本实例的各桥部分241由磁性钢板制成。在图5的实例中，各空气层231并不到达外部气隙215，而是在内端终止，该内端通过外部环形电磁部件213的内周部分而与外部气隙215分开。

在图5的磁路结构中，内部磁通通过定子221的外周表面部分以及在各外部永磁体212外侧的外部部分来传导，这样，内部(第一)磁路也形成于定子221的外周表面中。因此，该结构可以减小在内部磁路中的轭铁部分的磁阻，并明显提高内部磁通。因为形成于固定定子221中的轭铁部分不可旋转，与外转子211不同，因此该固定轭铁部分的结构可以消除相对旋转的影响，并降低铁损。

图6表示了用于本发明第三实施例的旋转电机的磁路结构。图6的磁路结构与图3的结构大部分基本相同，如采用相同参考标号所示。在该第三实施例中，空气层251沿周向在各外部永磁体212的径向内侧延伸，从永磁体212的一侧延伸至另一侧，且各外部永磁体212暴露在外部气隙215中。空气层251形成于各外部永磁体212的径向内侧和两周侧。

具有暴露的外部永磁体212的、这样结构的磁路结构可以减小在外部永磁体212外侧的外部部分中的轭铁部分的磁阻，且减小程度明显超过图5中所示实例的水平，因此明显提高了内部磁路中的内部磁通。因为外部永磁体暴露于定子221，因此来自外部永磁体212的磁通直接导向定子221，而不经过外部电磁部件。因此，磁路可以减小在外部永磁体212表面中的磁阻，并象内部磁通一样增加外部磁通。

图7表示了用于本发明第四实施例的旋转电机的磁路结构。图7的磁路结构与图3的结构大部分基本相同，如采用相同参考标号所示。在图7所示的实例中，空气层251只形成于各外部永磁体212的周向一侧。各外部永磁体包括暴露在相邻空气层231中的第一周向端以及埋入并封闭在环形电磁部件213中的第二周向端。

在本例中，如图8所示，各外部永磁体212有在周向一侧的一个空气层231以及在周向另一侧的另一空气层231，且各外部永磁体212的这两个空气层轴向偏移成并不彼此交叠。在图8所示实例中，当从径向内侧看时，各外部永磁体212沿轴向(沿外部永磁体212的纵向方向)延伸，并包括第一和第二轴向部分，该第一和第二轴向部分分别沿周向(沿外部永磁体的宽度方向)从第一周向端延伸至第二周向端。各外部永磁体212的第一和第二轴向部分分别有在相对侧的两个空气层231，这样，第一轴向部分的第一周向端的边界有一个空气层，而第一轴向部分的第二周向端的边界没有空气层，且第二轴向部分的第二周向端的边界有一个空气层，而第二轴向部分的第一周向端的边界没有空气层。在该可选结构中，可以通过后面所述的制造方法很容易地形成外部电磁部件213中的空气层231，而不需要用于形成内周部分232的附加部件，且不会降低机械强度。

图9A、9B和9C表示了形成空气层231的制造方法的一个实例。首先，如图9A所示，外部电磁部件213通过层叠磁性钢板而形成，各磁性钢板通过压制成形而制备成具有多个用于接收外部永磁体212的孔261。第二，如图9B所示，将一个外部永磁体212***并通过粘接而固定在各孔261内。第三，如图9C所示，通过从外部电磁部件213的内周进行切割而形成空气层231，这样，至少一个空气层231形成于各外部永磁体212的侧部。在该制造方法中，空气层231可以在形成环形层叠部件213(包括其中的外部永磁体212)的第二步骤(图9B)之后通过在图9C的第三步骤中进行切割而形成。在该制造方法中，与通过另外材料形成内周部分232或者使该内周部分232形成为另外部件的方法相比，可以在外部永磁体212的径向内侧精确和牢固地形成内周部分232。在图9A、9B和9C所示的制造方法中，将形成一个空气层的各切口沿外转子的轴向方向(也就是转子层叠结构的厚度方向)延伸，且各切口的长度小于层叠结构的厚度。

本发明的磁路结构可用于各种旋转电机，该旋转电机有至少一个定子以及至少内转子和外转子的多层结构，特别是，当需要减小轭铁部分中的磁阻时以及当需要在不增加磁体量的情况下通过增加磁通而增大力矩时。

本申请基于在先日本专利申请No.2003-352629。因此，日本专利申请No.2003-352629(申请日为2003年10月10日)被本文参引。

尽管上面已经通过本发明的特定实施例介绍了本发明，但是本发明并不局限于上述实施例。本领域技术人员根据上述教导将知道上述实施例的变化和改变形式。本发明的范围由下面的权利要求来确定。

Claims (9)

1.一种旋转电机，包括：

定子，该定子包括多个环绕旋转电机的中心轴线布置的定子线圈；

内转子，该内转子可旋转地布置在定子内部，该内转子包括：多个内部永磁体，这些内部永磁体环绕中心轴线交替倾斜地布置；以及多个外表面部分，这些外表面部分作为外部磁路的轭铁部分；以及

外转子，该外转子可旋转地布置在定子外部，该外转子包括：多个外部永磁体，这些外部永磁体布置成圆；以及多个外部部分，每个外部部分位于一个外部永磁体的外侧，并布置成作为用于与内转子同步的磁通的内部磁路的轭铁部分，而内转子的各外表面部分布置成作为用于与外转子同步的磁通的外部磁路的轭铁部分，内部磁路布置成还作为外转子的交轴磁路，且外部磁路布置成还作为内转子的交轴磁路。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其中：定子包括多个定子齿；外部永磁体沿周向布置成使得在相邻的两个外部永磁体之间的周向距离大于或基本等于定子齿的最小周向宽度；且内部永磁体交替倾斜，这样，通过内部永磁体，较宽区域和较窄区域交替形成于内转子的外周中，且内转子的外周的较宽区域的周向长度大于或等于在外部永磁体之间的周向距离的两倍。

3.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其中：外转子包括多个部分，各部分确定了形成于一个外部永磁体侧部的空气层。

4.根据权利要求3所述的旋转电机，其中：各空气层径向延伸至在外转子和定子之间的外部气隙，且各外部永磁体通过周向层磁性材料而与气隙径向分开，该周向层磁性材料在外部永磁体和外部气隙之间周向延伸。

5.根据权利要求3或4所述的旋转电机，其中：各外部永磁体轴向延伸，并包括第一和第二轴向部分，各轴向部分沿周向从第一周向端延伸至第二周向端，且各外部永磁体的第一和第二轴向部分分别有在相对侧的两个空气层，这样，第一轴向部分的第一周向端的边界有一个空气层，而第一轴向部分的第二周向端的边界没有空气层，且第二轴向部分的第二周向端的边界有一个空气层，而第二轴向部分的第一周向端的边界没有空气层。

6.根据权利要求1至5中任意一个所述的旋转电机，其中：定子包括多个磁性材料桥部分，各磁性材料桥部分与在外转子和定子之间的气隙并排地在相邻的两个定子齿之间延伸，并由此连接相邻的两个定子齿。

7.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其中：各外部永磁体暴露在外转子和定子之间的气隙中。

8.根据权利要求3至6中任意一个所述的旋转电机，其中：外转子还包括磁性板层叠结构，该层叠结构形成有多个切口，每个切口形成一个空气层。

9.一种旋转电机，包括：

定子，该定子包括多个定子齿和多个定子线圈；

外转子，该外转子可旋转地布置在定子外部，该外转子包括外部环形部件和多个外部永磁体，这些外部永磁体布置在外部环形部件中，这样，内部部分形成于外部环形部件中，且该外部环形部件的内部部分和外部永磁体交替地布置成圆形，外部环形部件的内部部分的周向长度大于或基本等于定子齿的最小周向宽度；以及

内转子，该内转子可旋转地布置在定子内部，该内转子包括内部环形部件和多个内部永磁体，这些内部永磁体在内部环形部件中布置成圆，并交替倾斜安装，这样，通过内部永磁体，较宽部分和较窄部分交替形成于内部环形部件的外周中，内部环形部件的外周的较宽部分的周向长度大于或基本等于外部环形部件的内部部分的周向长度的两倍。

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