電動馬達中的不對稱定子齒的制作方法

專利名稱：電動馬達中的不對稱定子齒的制作方法
技術領域：
本公開涉及用于電動馬達的定子。
背景技術：
在此部分中的陳述僅提供與本公開內容相關的背景信息。因此，這樣的陳述不意于構成對現有技術的承認。已知的電動馬達包括將電力轉化為機械轉矩的永磁體電動馬達。永磁體電動馬達可為多相內永磁體(IPM)電動馬達，其包括供轉子元件插入其中的環形定子。已知的定子包括環形定子芯和多個電繞組。已知的定子芯包括多個徑向向內伸出的齒元件，齒元件平行于電動馬達的縱軸線并限定定子的內周邊。相鄰的徑向向內伸出的齒元件形成沿徑向取 向的縱向縫。電繞組由多股適合導電材料(例如銅或鋁)制成，并被編織或以其它方式布置為線圈組從而插入齒元件之間的沿徑向取向的縫中。電繞組以環形方式圍繞定子芯的周邊電串聯布置，其中每個電繞組關聯于電動馬達的單個相。電繞組的每個線圈組提供馬達操作的單一相的單一極。在定子芯中的沿徑向取向的縫的量基于用于電動馬達的電布線繞線的相和極的量而確定。這樣，三相、兩極感應馬達將具有被構造為六個線圈組的電繞組，其中線圈組被構造為六個縫或量是六的倍數的縫。通過電繞組的電流用于產生旋轉磁場，該磁場作用在轉子上以在轉子的軸上引起轉矩。已知的用于永磁體電動馬達的轉子包括轉子芯，轉子芯被附接到限定旋轉軸線的旋轉軸。已知的轉子具有在轉子芯的外表面的近處沿周邊定位的多個轉子磁體，其中每個轉子磁體相對于旋轉軸線沿縱向對準。已知的永磁體電動馬達包括在定子的齒元件與轉子的外表面之間的氣隙。氣隙是必要的設計特征，以適應制造容差、有利于組裝、并適合其它已知因素。氣隙優選地被最小化，因為增大的氣隙引起磁通量減小并由此使輸出轉矩減小。當電流流動經過定子繞線時，沿與作用到轉子元件的轉子磁體上的定子部分的單一相相關聯的電繞組引發磁場。磁場在轉子的旋轉軸上引發轉矩。當磁場引發足夠轉矩以克服支承摩擦和任何引發的在軸上的轉矩負載時，轉子使軸旋轉。在操作時，包括轉矩波動(ripple)的馬達轉矩輸出的不連續與氣隙的量值相關聯。氣隙和相關的馬達轉矩輸出的不連續影響最大馬達轉矩輸出并影響電動馬達的噪音、振動和跳動(harshness)性能。永磁體電動馬達的設計包括與磁學、力學、熱力學、電子學、聲學、和材料科學相關的因素。已知的是，性能需求、包裝限制、和成本對于影響設計特征的馬達設計施加限制。已知的性能需求包括最大馬達轉矩輸出、轉矩波動、和定位轉矩(cogging torque),其影響電動馬達的噪音、振動、和跳動性能。已知的永磁體電動馬達由于永磁體和電樞磁動力而相對于轉子角度位置具有非正弦的通量分布。非正弦的通量分布引起轉矩脈動，這反映為速度波動、噪音和振動。轉矩脈動可使永磁體電動馬達的性能惡化，且優選地被最小化。轉矩脈動影響性能，包括效率、可聽噪音、振動、和跳動。對性能的影響在不同操作點處變化，即，轉矩脈動可響應于在不同速度和轉矩輸出的操作而變化。已知的減少或最小化轉矩脈動的策略包括使磁體在轉子中的位置偏斜以使轉矩波動最小，調節定子和/或轉子的特定設計特征以在特定操作點處實現最小轉矩波動或實現最大馬達轉矩輸出，和執行控制策略以通過定子電流產生逆向轉矩分量。

發明內容
一種永磁體馬達包括永磁體轉子；圍繞所述轉子的定子，所述定子具有朝向所述定子的縱軸線而沿徑向向內取向的多個齒，其中每個齒具有齒長和齒尖表面幾何形狀。不對稱的氣隙由齒長和齒尖表面幾何形狀的變化限定。


現在將通過示例參照附圖描述一個或多個實施例，其中 圖I是根據本公開內容的電動馬達的截面圖，其中，電動馬達包括安裝在軸上并插入中空柱形定子中的轉子；
圖2是根據本公開內容的電動馬達的局部截面圖；和
圖3是根據本公開內容的為電動馬達的定子的齒選擇優選的不對稱周向樣式的過程的流程圖。
具體實施例方式現在參見附圖，其中所顯示的內容僅用于例示特定示例性實施例的目的，而非用于限制本發明的目的，圖I是永磁體電動馬達10的截面圖，永磁體電動馬達10包括安裝在軸12上并被插入中空柱形定子30中的轉子20 ;而圖2是永磁體電動馬達10的局部截面圖。永磁體電動馬達10包括具有端帽的殼體，轉子20的軸12被可旋轉地安裝在端帽的支承表面上。軸12的中心線限定縱軸線15，縱軸線15是轉子20的旋轉軸線，也是定子30的縱軸線。永磁體電動馬達10的截面圖示出為正交于縱軸線15。電動馬達的顯著特征主要基于正交于縱軸線15的截面圖而描述。示出假想圓31的一部分。假想圓31與縱軸線15共軸，并具有在正交截面平面中從縱軸線15正交地伸出的徑向線段18限定的半徑。由徑向線段18限定的半徑近似于定子30的平均內半徑。應認識到，縱軸線15、徑向線段18、和假想圓31是用于描述永磁體電動馬達10的各元件及其相關取向的幾何構造，而非其物理元件。轉子20包括具有外半徑22的外表面24。轉子20包括軸12和沿周向安置在外表面24附近的多個永磁體。定子30包括多個沿周向安置的沿徑向向內取向的定子齒32，使得每個齒包括穿過縱軸線15的徑向中心線。相鄰的定子齒32形成沿徑向向內開放的縫。縫33沿與定子30的縱軸線15平行的方向伸出。絕緣的電繞組被插入縫33中。在一個實施例中，縫33是矩形形狀的管道。每個沿徑向向內取向的齒32相對于其徑向中心線29大致對稱，并具有包括主體部分34和端部分或齒尖35的截面輪廓。每個端部分35顯著寬于齒32的對應的主體部分34。每個端部分35相對于定子32的外周邊40沿徑向向內遠離。每個端部分35具有沿徑向向內的內表面部分36。每個沿徑向向內的內表面部分36具有的表面構造是凹形弧形表面37、凸形弧形表面38、和平坦表面39中的一種。每個齒32可基于徑向長度41及其端部分35的沿徑向向內的內表面部分36來表征。徑向長度41描述了端部分35的徑向伸出，且優選地在相應內表面上相對于相應徑向中心線的交叉點與假想圓31之間測得。替代地，徑向長度可在相應內表面上相對于相應徑向中心線的交叉點與定子32的外周邊40之間測得。氣隙25在轉子20的外表面24與定子30的沿徑向向內取向的齒32的端部分35的內表面部分36之間形成。氣隙25依定子30與轉子20之間 的徑向距離被限定。應認識至IJ，氣隙25的量值隨向內伸出的齒32的徑向長度41的變化而變化，并且氣隙25的最小量值與徑向長度41的最大量值相關聯，氣隙25的最大量值與徑向長度41的最小量值相關聯。定子30被構造為使齒32關于表面部分36和徑向長度41具有不對稱的周向樣式或者分布。齒32的這種不對稱的周向樣式導致氣隙25的不對稱變化，這優選地在馬達操作點范圍內實現轉矩波動的減小。用以實現氣隙25中的不對稱變化的齒32的不對稱周向樣式通過沿徑向取向的內表面部分36的不對稱分布而實現，內表面部分36包括凹形弧形表面37、凸形弧形表面38、和平坦表面39，以實現量值在最大徑向長度與最小徑向長度之間的多種選擇的徑向長度41。圖3描述用于設計永磁體電動馬達的定子的流程形式的過程100。過程100參照圖I所描述的永磁體電動馬達10進行描述。過程100優選地重復執行從而以如下方式不對稱地分布齒32的表面部分36和所選擇的徑向長度41，即使在永磁體電動馬達10的定子30的操作點范圍內的轉矩波動最小并使平均轉矩輸出最大。表I被提供為圖解，其中數字標記框和對應功能如下所示。表I
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ITii結東過程100包括定義輸入變量(103)和基于輸入變量形成永磁體電動馬達10 (包括安裝在軸12上并被插入中空柱形定子30中的轉子20)的參數化的幾何形狀(102)。用于形成永磁體電動馬達10的參數化的幾何形狀的優選輸入變量包括端部分35的所選擇的表面部分36，和每個齒32的所選擇的徑向長度41。端部分35的表面部分36和徑向長度41針對每個齒32而選擇。端部分35的所選擇的表面部分36是凹形弧形表面37、凸形弧形表面38和平坦表面39中的一種。永磁體電動馬達10的有限元分析模型(FEA模型)針對所選擇的幾何形狀而生成，并考慮參數化的幾何形狀元素(104)，優選地使用已知的有限元分析技術。定義永磁體電動馬達10的操作點和操作參數、目標和限制(106)。永磁體電動馬達10的操作點優選地包括轉速、定子電流、和控制角度。與轉速相關聯的操作點包括從最大馬達速度與可為零或者接近于零的最小馬達速度之間的范圍所選擇的多個馬達速度點。與轉速相關聯的操作點優選地包括沿第一旋轉方向和沿第二旋轉方向(即，沿順時針方向和沿逆時針方向)的馬達速度點。與電流相關聯的操作點包括從最大電流與可為零或者接近于零的最小電流之間的范圍所選擇的多個電流點。電流可與充電電流和放電電流相關聯。與控制角度相關聯的操作點可包括從最大控制角度與可為零或者接近于零的最小控制角度之間的范圍所選擇的多個控制角度狀態。操作限制優選地包括在依照馬達速 度、電流和控制角度而定義的規定操作點處從永磁體電動馬達10輸出的平均轉矩。操作參數優選地包括在規定操作點處確定的轉矩波動。操作目標優選地包括當在規定操作點處實現大于最小平均轉矩輸出的平均轉矩輸出的同時，實現最小轉矩波動。優化算法使用永磁體電動馬達10的FEA模型執行，其中考慮參數化的幾何形狀元素(108)。執行優化算法優選地包括考慮參數化的幾何形狀元素在每個定義的轉速、定子電流、和控制角度的操作點處模擬永磁體電動馬達10的FEA模型的操作。在每個定義的操作點處確定平均轉矩輸出和轉矩波動的操作參數狀態。這是重復過程，其中執行優化算法以評估所感興趣的參數化的幾何形狀元素的不對稱組合，包括齒32的所選擇的表面部分36的不對稱分布，和所選擇的齒32的徑向長度41的不對稱分布。示例優化算法是組合優化。示例性的組合優化使所選擇的齒32的表面部分36不對稱分布，并使每個齒32在最大徑向長度與最小徑向長度之間的徑向長度41不對稱分布，通過不對稱分布的表面部分36和徑向長度41操作永磁體電動馬達10的FEA模型，在每個定義的操作點處確定平均轉矩輸出和轉矩波動，和收斂到所選擇的表面部分36的優選的不對稱周向樣式和齒32的所選擇的徑向長度41的優選的不對稱周向樣式。選擇所感興趣的參數化的幾何形狀元素的優選的不對稱周向樣式。優選的不對稱周向樣式是在每個定義的操作點處實現最小轉矩波動并使平均轉矩輸出最大的參數化的幾何形狀元素的不對稱組合。所感興趣的參數化的幾何形狀元素的優選的不對稱周向樣式包括齒32的所選擇的表面部分36，和齒32的所選擇的徑向長度41。齒32的這種優選的不對稱周向樣式導致氣隙25的不對稱變化，從而在馬達操作點范圍上實現轉矩波動的減小。FEA模型的結果和優化算法的執行被驗證(110)，以確保不違反限制并以核實在齒32的所選擇的表面部分36的不對稱組合與齒32的所選擇的徑向長度41的不對稱組合存在完整性(integrity)。永磁體電動馬達10的實施例的設計構造可被制造為提供齒32的所選擇的表面部分36的優選的不對稱周向樣式和齒32的所選擇的徑向長度41的優選的不對稱周向樣式，以實現在每個定義的操作點處使轉矩波動最小和使平均轉矩輸出最大。所示實施例包括具有本文中所述特征的容納在環形定子內的柱形構造的轉子。應認識到，在此所描述的思路適應于具有本文中所述特征且容納在環形轉子內的柱形構造的定子。本公開內容已經描述了特定的優選實施例及其修改方案。在閱讀和理解本申請文件后，其它人可進行進一步修改和改變。因此，本公開內容意在不限于被認為是實現本公開內容的最佳模式而公開的特定實施例，而是，本公開內容將包括處于所附權利要求書范圍 內的所有實施例。
權利要求
1.一種永磁體馬達,包括 永磁體轉子； 圍繞所述轉子的定子，所述定子包括朝向所述定子的縱軸線徑向向內取向的多個齒，每個齒具有齒長和齒尖表面幾何形狀； 不對稱的氣隙，其由齒長和齒尖表面幾何形狀的變化限定。
2.如權利要求I所述的永磁體馬達，其中每個齒尖表面幾何形狀包括凹形、凸形和平坦幾何形狀中相應的一種；并且所述凹形、凸形和平坦幾何形狀中的每一種形成在至少一個齒尖表面上。
3.—種永磁體馬達,包括 永磁體轉子； 圍繞所述轉子的定子，所述定子包括朝向所述定子的縱軸線徑向向內取向的多個齒；每個齒包括相應的齒尖，所述齒尖遠離所述定子的外周邊并相對于所述定子的外周邊徑向向內；和 每個齒尖包括面向所述轉子的相應的齒尖表面，其中每個相應的表面是凹形、凸形和平坦表面中的一種；并且所述凹形、凸形和平坦幾何形狀中的每一種形成在至少一個齒尖上。
4.如權利要求3所述的永磁體馬達，其中， 每個齒包括沿相應的徑向中心線測得的、在圓與所述相應的徑向中心線相對于所述相應的齒尖表面的交叉點之間的相應徑向長度，其中所述圓具有與所述定子的縱軸線重合的中心，每個齒的所述相應的徑向長度不同于至少一個其它齒的相應的徑向長度。
5.—種永磁體馬達,包括 永磁體轉子； 定子，所述定子包括朝向所述定子的縱軸線徑向向內取向的多個齒； 每個齒具有的截面輪廓包括主體部分和端部分，每個端部分具有表面部分，所述表面部分包括凹形弧形表面、凸形弧形表面、和平坦表面中的一種； 每個齒具有相對于假想圓的齒特有的徑向長度，所述假想圓具有在所述定子的縱軸線處的中心；和 所述多個齒的所述表面部分和所述徑向長度繞所述定子不對稱地分布。
6.如權利要求5所述的永磁體馬達，其中所述齒的不對稱地分布的表面部分和徑向長度限定與所述轉子的不對稱氣隙。
7.如權利要求5所述的永磁體馬達，其中每個齒特有的徑向長度在最大徑向長度與最小徑向長度之間變化。
全文摘要
本發明涉及電動馬達中的不對稱定子齒，具體地，一種永磁體馬達包括永磁體轉子；圍繞所述轉子的定子，所述定子具有朝向所述定子的縱軸線而沿徑向向內取向的多個齒，其中，每個齒具有齒長和齒尖表面幾何形狀。不對稱的氣隙由齒長和齒尖表面幾何形狀的變化限定。
文檔編號H02K1/12GK102780286SQ20121014119
公開日2012年11月14日 申請日期2012年5月9日 優先權日2011年5月9日
發明者E.L.凱澤, J.C.摩根特, K.M.拉曼, Q.牛, S.朱爾科維奇, X.周, X.韓 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司