具有最小化扭矩波動的構造的旋轉電機的製作方法

2024-03-10 22:50:15

本發明涉及具有最小化扭矩波動的構造的旋轉電機。本發明具有特別地有利的、但不是唯一的應用，其具有能夠以交流發電機模式和電動機(motor)模式運行的高功率的可逆電機。

背景技術：

以已知的方式，旋轉電機包括定子和與軸成一體的轉子。轉子可以與驅動軸和/或從動軸成一體，並且能夠屬於交流發電機、電動機或可以在兩種模式下運行的可逆機形式的旋轉電機。

定子裝配在殼體中，殼體構造成例如藉助於軸承旋轉所述軸。定子包括主體，該主體設置有限定凹口(notch)的多個齒，以及插入定子的凹口中的繞組。繞組例如由覆蓋有瓷漆的連續導線或者由通過焊接彼此連接的引腳形式的導電元件獲得。替代地，電機的相由單獨的線圈形成，每個線圈圍繞定子齒纏繞。以星形或三角形形式連接的相包括連接到電控制模塊的輸出端。

此外，轉子包括由藉助於合適的固定系統以組形式保持在一起的一堆板片形成的主體。轉子包括例如由收容在空腔中的永磁體形成的磁極，每個永磁體由兩個相鄰的轉子齒限定。

在電機的平均扭矩附近觀察到所提供的扭矩的變化。轉矩的該變化由轉子和定子之間的相互作用引起，並且特別地取決於電機的磁飽和。扭矩的該變化引起噪聲的問題，特別是當電機藉助於齒輪耦連到外部元件時。

技術實現要素：

本發明的目的是通過提出一種特別是用於機動車輛的旋轉電機來消除這個缺點，該旋轉電機包括：

-定子，包括設置有限定多個凹口的多個定子齒的定子主體，以及插入所述凹口中的定子繞組；

-轉子，具有旋轉軸線並且包括限定空腔的多個轉子齒，永磁體被收容在所述空腔中，所述轉子包括一組磁極，其特徵在於，所述轉子容納在具有外半徑的迴轉圓筒中，每個轉子齒包括：

-經過所述轉子的旋轉軸線的對稱軸線；

-與所述定子的內周相反的外面，在相對於所述旋轉軸線徑向的平面上；

-所述外面具有圓弧形式的曲率，圓弧由以下限定：

-位於所述對稱軸線上的中心；

-第一點，該第一點位於所述對稱軸線和以所述旋轉軸線為中心的圓之間的交點處，並且其半徑為所述外半徑；和

-第二點，該第二點位於經過轉子的所述旋轉軸線的軸線上，並且相對於所述對稱軸線形成360°除以等於磁極數的兩倍的數的角度；

所述第二點位於與所述轉子的所述旋轉軸線相距一距離處，該距離等於所述外半徑減去容差；以及

所述容差和所述外半徑之間的比值在0.015至0.07的範圍內。

該類型的比值的限定使得可以獲得由電機供給的扭矩和相應的該扭矩波動水平之間的最佳兼顧。由此，本發明使得可以改進旋轉電機的磁性和聲性能。

根據一個實施例，所述旋轉電機每極包括若干凹口，每相等於0.5。

根據一個實施例，所述定子包括等於360°除以定子齒數的定子齒距，以及在相對於轉子旋轉軸線是徑向的平面上，轉子齒開度等於每個經過旋轉軸線的兩個直線和外面的正徑向端部之間的角度，以及以度表示的轉子齒開度除以以度表示的所述定子齒距的比值在0.8至1.2的範圍內。

該類型的比值的限定使得可以獲得由所述電機供給的扭矩和相應的扭矩波動水平之間的最佳兼顧。

根據一個實施例，以mm表示的所述定子的內直徑和轉子極對的數目之間的比值在12至22的範圍內，特別地在13至21的範圍內，例如在14至20的範圍內。

該類型的比值的限定使得可以獲得由電機供給的扭矩和相應的扭矩波動水平之間的最佳兼顧。

根據一個實施例，定子在定子齒的自由端側上設置有齒根，每個齒根在相應的定子齒的兩側上周向地延伸。

根據一個實施例，每個齒根根據以轉子的旋轉軸線為中心的圓弧周向地延伸。

根據一個實施例，轉子包括由軸向的一堆磁板形成的主體。

根據一個實施例，轉子主體包括中心芯體。

根據一個實施例，在正交於轉子的旋轉軸線的平面上，每個轉子齒包括整個具有恆定寬度的第一部分，該第一部分從中心芯體獲得，延伸一在與軸向x相反的方向上加寬的第二部分，並且以保持唇部結束。出人意料地，電機的該特別構造，與前述比值中的至少一個結合，使得可以進一步減小扭矩波動。

根據一個實施例，所述定子繞組由一組線圈形成，每個線圈圍繞定子齒纏繞。

根據一個實施例，所述轉子被裝配在軸上。

根據一個實施例，所述定子主體和所述轉子每個都由一組板形成。

根據一個實施例，極對的數目等於五。

根據一個實施例，極對的數目等於六。

根據一個實施例，所述定子主體的內直徑在60毫米至115毫米的範圍內。

根據一個實施例，所述定子主體的內直徑在70毫米至100毫米的範圍內。

根據一個實施例，所述定子主體的外徑在100毫米至150毫米的範圍內。

根據一個實施例，其中容納所述轉子的迴轉圓柱的所述外半徑基本上等於34毫米。

根據一個實施例，轉子齒開度是大約24°。

根據一個實施例，定子齒開度是大約20°。

根據一個實施例，所述永磁體每個都具有位於所述旋轉軸線的側面上的傾斜端。

根據一個實施例，轉子是通量集中型的。

附圖說明

本發明通過閱讀以下描述並查看附圖將被更好地理解。這些附圖完全為了說明而提供，但絕不是限制本發明。

圖1示出根據本發明的旋轉電機的橫截面的視圖；

圖2a到2c是根據本發明的轉子的局部視圖，其示出用於執行與比值的計算有關的角度和長度的某些測量的方式；

圖3是示出根據本發明的為轉子齒的圓弧形式的曲率的轉子的局部視圖；

圖4示出分別針對定子的兩個外徑值的根據本發明的根據第一比值的波動水平的發展的圖示；

圖5是針對根據本發明的第二比值的不同的值獲得的波動水平的值的圖示；

圖6是分別針對定子的兩個外徑值的根據本發明的根據第三比值的波動水平的發展的圖示。

具體實施方式

相同、相似或類似的元件從一個圖到另一個圖保持相同的標記。

圖1示出了旋轉電機10，其包括具有旋轉軸線x並且被設計成裝配在軸12上的轉子11。可以是多相的纏繞定子15圍繞轉子11，轉子11的外周和定子15的內周之間存在間隙l1(參照圖2c)。該定子15固定在殼體上，該殼體構造成支撐經由球軸承和/或滾針軸承旋轉的軸12。

更具體地，定子15包括主體16和繞組17。定子主體16由軸向的一堆平板組成。主體16包括齒20，其在頭部21的內周上規則地成角度地分布。這些齒20界定凹口24，使得每個凹口24由兩個連續的齒20界定。頭部21因此對應於主體16的實心外環部分，其在凹口24的基部和定子15的外周之間延伸。

凹口24軸向地開口到主體16的軸向端面中。凹口24也朝向主體16的內部徑向地開口。

定子15在齒20的自由端側上設置有齒根25。每個齒根25在相應的齒20的兩側上周向延伸。每個齒根25根據以旋轉軸x為中心的圓弧周向地延伸。

為了獲得繞組17，通過每個纏繞在齒20上的線圈28形成多個相。每個線圈28由覆蓋有諸如瓷漆的電絕緣材料的層的導電線形成。根據一個實施例，線圈絕緣體可以插入在每個線圈28和相應的齒20之間。

此外，轉子11包括由軸向的一堆平板形成的主體31，以便減小傅科(foucault)電流。主體31由鐵磁材料製成。例如通過迫使肋狀軸12位於設置在芯體33中的轉子的中心開口32內，主體31可以以不同的方式旋轉地連接到旋轉電機的軸12。

轉子11包括空腔36，該空腔36被設計成接收形成磁極的永磁體37。每個空腔36從一個軸向端面到另一個軸向端面地穿過主體31，並且在轉子11的外周側上開口。在此情況下，每個空腔36由從轉子的中心芯體33獲得的兩個相鄰齒40界定。作為變型，空腔36可以是盲的。為了確保磁體37在空腔36中的徑向保持，齒40在其自由端各包括在齒40的兩側上周向延伸的保持唇部41。

每個磁體37具有帶有兩個傾斜角的平行六面體形式。磁體37因此在其端部之一處具有減小的截面，使得具有標記44的該端部具有梯形形狀。磁體37的傾斜端位於轉子11的內周側上，即軸x側上。作為變型，傾斜端可以位於相對側上，即在空氣間隙l1側上。

為了使空腔36具有與磁體37互補的形狀，每個轉子齒40包括總體上具有恆定寬度的第一部分401，該第一部分401由芯體33獲得，該芯體33延伸一第二部分402，該第二部分402在與軸線x相反的方向上加寬並終止於保持唇部41。每個齒40包括外面42，在此情況下對應於唇部41的外面，與定子15的內周相反地定位。

磁體37優選地由鐵氧體製成。然而，作為變型，它們可以由稀土製成，這取決於應用和電機10所需的功率。作為變型，磁體37可以具有不同的等級，以便降低成本。例如，在每個空腔36中，鐵氧體磁體37和更強大但更昂貴的稀土磁體相關聯。根據所需的功率，某些空腔36也可以留空。轉子11是磁通集中型的，即與位於兩個連續的凹口(notch)中的磁體37相反的側向面具有相同的極性。

優選地，電機10每極具有多個凹口，每相等於0.5。

定子齒距a1被限定為等於360°除以定子齒20的數量(參見圖2b)。此外，在相對於軸線x徑向的平面pi_r上，轉子11的轉子齒開度a2等於每個經過旋轉軸線x的兩條直線d1和d2和對應的齒40的外面42的正徑向端(參見圖2a)之間的角度。如從圖4的曲線圖可以看出的，為了使扭矩波動(ond_c)最小化，以度表示的轉子齒開度a2除以以度表示的定子齒距a1的比值r1，即r1＝a2/a1，位於在0.8至1.2的範圍pi1內。扭矩波動ond_c等於最大和最小扭矩之間的容差除以由電機10提供的平均扭矩的比值。應當注意到，圖4中的曲線c1已經針對定子的外徑l8等於104mm得以獲得，曲線c2已經針對定子的外徑l8等於150mm得以獲得。

此外，比值r2被限定為等於以mm表示的定子的內直徑l2除以轉子極對p的數量，即r2＝l2/p。如在圖5中可以看出的，優選比值r2位於在12至22的範圍內，特別是在13至21的範圍內，例如在14至20的範圍pi2中。應當注意到，針對定子的內直徑在73mm和100mm之間並且針對轉子極對的數量等於5或6，已經獲得圖5上的點。

如圖3所示，轉子11容納在具有外半徑l3的迴轉圓柱cyl中。此外，每個轉子齒40包括經過轉子11的旋轉軸線x的對稱軸線y。在相對於軸線x徑向的平面p1_r上，對應於紙的平面，每個齒40的外面42具有圓弧形式的曲率。每個轉子齒40具有相對於對稱軸線y對稱的兩個圓弧。

每個圓弧由位於對稱軸線y上的中心o1、位於對稱軸線y和以旋轉軸線x為中心的圓c之間的交點處的第一點p1(其半徑為圓柱cyl的外半徑l3)以及位於經過旋轉軸線x的軸線z上的第二點p2，所限定。軸線z相對於對稱軸線y形成預定角度。該預定角度等於360°除以等於極數的兩倍的數。該預定角度可以具有相對於上述值等於差不多5％的值。第二點p2位於與軸線x距離一定距離處，該距離等於外半徑l3減去容差l5。

如可從圖6看出的，間隙l5和外半徑l3之間的比值r3位於在0.015至0.07的範圍pi3內。應當注意到，圖6中的曲線c3已經是針對定子的外徑l8等於104mm獲得的，並且曲線c4已經是針對定子的外徑l8等於150mm獲得的。

不同比值r1，r2，r3的優選範圍彼此獨立地對電機10的性能有影響。然而，值得注意的是，具有三個比值的電機將具有最佳的磁性和機械性能。

根據一個實施例，轉子齒開度a2為大約24°。定子齒開度a3約為20°。極對數p等於五。

在對應於在唇部41的端部之間測量的正徑向尺寸l6的轉子極的頂部處的寬度為大約14mm。對應於所測量的正徑向尺寸l7的唇部41下方的寬度為大約10mm。

間隙l5約為1mm。空氣間隙l1約為0.4mm。收容轉子11的迴轉圓柱的外半徑l3基本上等於34mm。

比值r1約為1。比值r2約為13。比值r3約為3％。

此外，定子主體16的內直徑l2在60mm至115mm的範圍內。在特定示例中，內直徑l2可以是73mm。定子主體16的外徑l8在100mm至150mm的範圍內。在特定示例中，外徑l8可以是104mm。

「大約」意味著位於這樣的範圍內的值：該值的下限值指示減去該值的10％，並且該值的上限指示加上該值的10％。

應當認識到，前面的描述僅僅是作為示例提供的，並且不限制本發明的範圍，與其的背離不會由任何其它等同替換不同的元件而構成。