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CN104659937A - 旋转电机的转子 - Google Patents

旋转电机的转子 Download PDF

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Abstract

一种转子芯(51)，该转子芯具有在其相对于轴心(61)的横截面中的正十边形基部(63)以及十个凸部(64)，每一个凸部(64)均位于正十边形基部(63)的各个角之间。各凸部(64)均具有第一凸曲线(66)，该第一凸曲线(66)具有单一曲率半径。各永磁体(52)均是弯曲板，并具有凹曲线(67)以及第二凸曲线(68)。设置各永磁体(52)使得凹曲线(67)附着在第一凸曲线(66)上。当各永磁体(52)沿着相对于转子芯(51)的圆周方向移动时，凹曲线(67)在转子芯(51)的第一凸曲线(66)上滑动。第二凸曲线(68)与定子(30)之间的最小对接间隙的位置不变。磁通量强度最大位置不容易改变。

Description

旋转电机的转子
技术领域
本公开内容涉及旋转电机的转子。
背景技术
在旋转电机的技术领域中，要求减少形成永磁体的稀有材料的量。一般来说，转子具有环形的永磁体。为了减少永磁体的量，能够配置成环绕地排列多个永磁体。与环形永磁体相比，能够减少永磁体的量。
当环绕地排列多个永磁体时，重要的是把每个永磁体适当地固定在铁芯上。例如，JP-2012-249354A描述了把永磁体的平坦表面固定在铁芯的平坦表面上。铁芯的凸起与永磁体的凹槽相接。
然而，在JP-2012-249354A中，为使铁芯的凸起与永磁体相接，它们之间必须有对接间隙。因此，当把永磁体组装到铁芯时，永磁体很可能相对于铁芯在凹槽中移动。
如果永磁体移动，磁通量强度(magnetic-flux-strength)最大位置也会沿着圆周方向偏移。磁通量强度最大位置的偏移会导致齿槽转矩和转矩脉动的增加。
此外，当磁通量强度最大位置发生偏移时，在进行dq变换过程中d轴也会偏移。因此，可控性恶化，并导致了振动。
发明内容
本公开内容的目的是提供一种旋转电机的转子，其能够限制齿槽转矩和转矩脉动的增加，以及可控性的恶化。
根据本公开内容，旋转电机的转子具有铁芯和多个永磁体。在相对于中心轴的横截面中，该铁芯包括多边形基部，该多边形基部具有数目是整数“p”的二倍的多个边，以及(2×p)个凸部。凸部中的每一个均包括具有单一曲率半径的第一凸曲线。永磁体包括附着在第一凸曲线上的凹曲线，以及位于相对于第一凸曲线的相对侧上的第二凸曲线。设置各永磁体使得凹曲线附着在第一凸曲线上。
根据以上构造，当各永磁体与铁芯相接并沿着相对于铁芯的圆周方向移动时，凹曲线在铁芯的第一凸曲线上滑动。此时，第二凸曲线与定子之间的最小对接间隙的位置不变。特别地，在第一凸曲线的曲率半径等于第二凸曲线的曲率半径的情况下，即使当永磁体相对于铁芯移动时，第二凸曲线与定子之间的最小对接间隙的位置也不变。因此，根据本公开内容，能够尽可能地限制在转子与定子之间的对接间隙中磁通量强度最大位置的偏移。还避免了齿槽转矩和转矩脉动的增加以及旋转电机的可控性的恶化。
附图说明
根据参考附图所做出的以下详细描述，本公开内容的以上的和其它的目的、特征以及优势将会变得更加明白。在附图中：
图1是截面图，其示出根据实施方式的具有转子的电动机；
图2是沿图1中的II-II线的截面图；
图3是图2中的部分III的放大视图；
图4是示出三相电路无刷电动机的一般控制框图的图表；
图5是示出dq变换和dq反变换的计算公式的图表；
图6是曲线图，其示出曲率半径比与电角度误差之间的关系；以及
图7是示出比较例的转子的放大视图。
具体实施方式
下文将描述本公开内容的实施方式。
<第一实施方式>
图1示出了转子，其应用于作为旋转电机的电动机10。电动机10被用作车辆电动力转向装置的驱动力源。
(整体构造)
首先，将参考图1和2来说明电动机10的整体构造。电动机10是三相电路无刷电动机。电动机10具有外壳20、定子30、轴40以及转子50。外壳20具有圆柱形壳体21，封闭圆柱形壳体21的一端的第一盖22，以及封闭圆柱形壳体21的另一端的第二盖23。第一盖22和第二盖23中的每一个均具有在其中央部分处的轴承24、25。
定子30是电动机10的电枢，且定子30具有定子芯31和绕组32。定子芯31形成圆柱形磁轭33，该圆柱形磁轭33被固定在圆柱形壳体21的内壁上，并且多个齿34从磁轭33径向向内延伸。将绕组32插入各凹槽中，从而形成U相绕组、V相绕组以及W相绕组。应当注意图2中没有示出绕组32。
轴40由轴承24、25支撑。转子50具有转子芯51和多个永磁体52。转子芯51是圆柱形部件，其被固定在定子30内部的轴40上。转子芯51对应于铁芯。以规则的间隔将永磁体52排列在转子芯51的外壁表面上。每两个相邻的永磁体52的径向外侧部分具有彼此不同的磁极。
依次给U相绕组、V相绕组以及W相绕组通电，以产生旋转磁场，从而转子50和转动轴40一起旋转。
(转子的构造)
参考图2和3，将详细地说明转子50的构造。如图2中所示，转子50的外径是53mm，且永磁体52的个数是整数“p”的二倍。在本实施方式中，“p”为5，因此设置了十个永磁体52。如双点划线所示，转子芯51具有相对于轴心61而言的正十边形的横截面。定子30具有六十个凹槽62。
如图2和3中所示，转子芯51具有基部63和十个凸部64。基部63的横截面是正十边形。每个凸部64均被定位在基部63的相邻角部之间。换言之，各凸部64均位于正十边形的基部63的各边之上。各凸部64均具有单一曲率半径的第一凸曲线66。
如图3中所示，在与轴心61垂直相交的横截面中，第一凸曲线66的两端均位于基部63的边65上。在与轴心61垂直相交的横截面中，连接第一凸曲线66的两端的假想直线“L”的长度不小于基部63的边65的长度的70％。
各永磁体52均是弯曲板，并具有凹曲线67和第二凸曲线68。凹曲线67是沿着转子芯51的第一凸曲线66的曲面。第二凸曲线68具有单一曲率半径。凹曲线67和第一凸曲线66具有相同的曲率半径。设置各永磁体52，使得凹曲线67附着在第一凸曲线66上。
在与轴心61垂直相交的横截面中，永磁体52的宽度略小于转子芯51的凸部64的宽度。从而，当各永磁体52与转子芯51相接时，永磁体52的凹曲线67肯定附着在转子芯51的凸部64的第一凸曲线66上。此外，当在凹曲线67与第一凸曲线66之间接触的情况下各永磁体52沿着相对于转子芯51的圆周方向移动时，凹曲线67在转子芯51的第一凸曲线66上滑动。当使永磁体52与基座63的边65达到相接触时，永磁体52的这种滑动就被限制。
定义第一凸曲线66的曲率半径为“R1”，定义第二凸曲线68的曲率半径为“R2”，定义外接于各永磁体52的假想外接圆的曲率半径为“R3”。在本实施方式中，上述假想外接圆对应于下文将要描述的圆柱形罩69的内壁。以满足下式(1)和(2)的方式形成转子芯51和每个永磁体52。
0.6≤(R2/R)1≤1.0...(1)
R2≤R3...(2)
在本实施方式中，曲率半径R1和R2均为18mm。
(R2/R1)＝1.0
R2＜R3
在与轴心61垂直相交的横截面中，定义永磁体52的中央部分的厚度为“t1”，定义永磁体52的两端部的厚度为“t2”。厚度“t1”是永磁体52的最大厚度。进一步地，以满足以下式(3)的方式形成每个永磁体52。
1.0≤(t1/t2)≤1.4...(3)
在本实施方式中，厚度“t1”等于厚度“t2”。
(t1/t2)＝1.0
转子50还具有与永磁体52的外表面相接的圆柱形罩69，使得至少第二凸曲线68的中央部分附着在该圆柱形罩69的内表面上。圆柱形罩69由诸如不锈钢的非磁性材料制造。如图3中所示，张力“T”沿着与永磁体52和圆柱形罩69之间的接触部分相关的两个方向被施加于圆柱形罩69。张力“T”朝向转子芯51的第一凸曲线66偏置各永磁体52。
(与比较例的比较)
图7示出了比较例。
在比较例中，转子90的外径是53mm。转子90具有转子芯91和十个永磁体92。转子芯91具有在其外表面上的十个平坦表面93。各永磁体92均具有附着在转子芯91的平坦表面93上的平坦表面94，以及曲率半径为18mm的凸曲线95。在比较例中，凸起96与永磁体92的凹槽97相接。凸起96从转子芯91的平坦表面93延伸。
沿凸起96与凹槽97之间的宽度方向定义了对接间隙，以接合凸起96与凹槽97。因此，当把永磁体92安装到转子芯91时，永磁体92很可能相对于转子芯91在凹槽97中移动。在图7中，由两点划线示出的假想线98是连接中心轴和凸起96的中心的直线，假想线99是连接中心轴和凹曲线95的中心的直线。当永磁体92移动0.2mm时，上述对接间隙中的磁通量强度最大位置位于假想线99上，该位置围绕轴心61偏移约26分。在五极电动机中26分的角度对应于2度10分的电角度。
磁通量强度最大位置的偏移导致转矩脉动的增加。图4是示出三相电路无刷电动机的一般控制框图的图表。根据一般控制，在从三相实际轴到dq轴的变换中以及从dq轴到三相实际轴的反变换中，产生两次角度误差。图5是示出变换公式和反变换公式的图表。在这些公式中，θ表示转子从d轴移动的角度。磁通量强度最大位置的偏移对应于d轴的偏移。应该注意通过进行变换和反变换不能修正角度误差。在进行反变换时，角度误差可能因为滞后(hysteresis)而增加。
另一方面，根据本实施方式，转子芯51与永磁体52之间的接触面是曲面。当各永磁体52与转子芯51相接，且沿着相对于转子芯51的圆周方向移动时，凹曲线67在转子芯51的第一凸曲线66上滑动。因为第一凸曲线66的曲率半径R1等于第二凸曲线68的曲率半径R2，所以，即使当永磁体52移动时，第二凸曲线68与定子30之间的最小对接间隙的位置也不变。换言之，根据本实施方式，不同于比较例，即使永磁体52沿着圆周方向移动，磁通量强度最大位置也不会偏移。在图3中，两点划线示出的假想线71是连接轴心和第一凸曲线66的中心的直线，假想线72是连接轴心和第二凸曲线68的中心的直线。磁通量强度最大位置位于假想线71上。
如图6中所示，当曲率半径比(R2/R1)为1.0时，与磁通量强度最大位置的偏移相对应的电角度误差变为零。随着曲率半径比(R2/R1)变得更加接近于零，电角度误差变得更大。电角度误差优选为1度或更小。曲率半径比(R2/R1)为0.6时，厚度比(t1/t2)为1.4。
(优势)
如上所述，根据本实施方式，转子50具有转子芯51和多个永磁体52。转子芯51具有基部63和十个凸部64。基部63的横截面是正十边形。各凸部64均被定位在基部63的相邻角部之间。各凸部64均具有单一曲率半径的第一凸曲线66。各永磁体52均为弯曲板，并具有凹曲线67和第二凸曲线68。设置各永磁体52，使得凹曲线67附着在第一凸曲线66上。
根据以上构造，当各永磁体52与转子芯51相接，且沿着相对于转子芯51的圆周方向移动时，凹曲线67在转子芯51的第一凸曲线66上滑动。此时，第二凸曲线68与定子30之间的最小对接间隙的位置不变。特别地，在第一凸曲线66的曲率半径R1等于第二凸曲线68的曲率半径R2的情况下，即使当永磁体52相对于转子芯51移动时，第二凸曲线68与定子30之间的最小对接间隙的位置也不变。因此，根据本实施方式，能够尽可能地限制在转子50与定子30之间的对接间隙中磁通量强度最大位置的偏移。还避免了齿槽转矩和转矩脉动的增加以及电动机10的可控性的恶化。
在本实施方式中，各凸部64的底部不小于基部63的边65的长度的70％。从而，各永磁体52均被准确固定，由此获得稳定的产品。此外，永磁体52的宽度略小于转子芯51的凸部64的宽度，由此使磁负载适当。
在与轴心61垂直相交的横截面中，第一凸曲线66的两端均位于基部63的边65上。因此，当各永磁体52沿着相对于转子芯51的圆周方向移动时，当永磁体52与基部63的边65达到相接触时，就会限制永磁体52的移动。
此外，在本实施方式中，永磁体52的第二凸曲线68是具有单一曲率半径的曲面。转子50还具有与永磁体52的外表面相接的圆柱形罩69，使得至少第二凸曲线68的中央部分附着在圆柱形罩69的内表面上。施加于圆柱形罩69的张力“T”朝向转子芯51的第一凸曲线66而偏置各永磁体52。
在本实施方式中，转子50被用于车辆动力转向装置的电动机10。由于如上所述控制了齿槽转矩和转矩脉动的增加，因此该转子50适用于动力转向装置的电动机10。
[其它实施方式]
在本发明的另一个实施方式中，各凸部64的底部可以小于基部63的边65的长度的70％。在与轴心61垂直相交的横截面中，第一凸曲线66的两端可以不位于基部63的边65上。例如，第一凸曲线66的两端可以在基部63的边65的径向外侧。
曲率半径比(R2/R1)可以小于1.0且大于0.6。采用这种布置，电角度误差能够不大于1度。曲率半径比(R2/R1)可以小于0.6且大于零。采用这种布置，尽管电角度误差超过1度，但是电角度误差能够小于比较例的电角度误差。在与轴心61垂直相交的横截面中，基座63的外部形状不限于正十边形。
定子30的凹槽62的数目不限于六十个。永磁体52可以用粘合剂固定。转子不仅可以被用于车辆动力转向装置的电动机，还能被用于其它技术领域中的其它旋转电机。
本公开内容不限于上述实施方式，并且能够应用于各种实施方式。

Claims (7)

1.一种旋转电机(10)的转子，包括：
铁芯(51)，其相对于轴心(61)的横截面包括具有多个边的多边形基部(63)，以及定位在所述多边形基部(63)的相邻角之间的2×p个凸部(64)，所述边的数目是整数p的二倍，每个所述凸部(64)包括具有单一曲率半径的第一凸曲线(66)；以及
2×p个永磁体(52)，其包括附着在所述第一凸曲线(66)上的凹曲线(67)，以及位于相对于所述第一凸曲线的相对侧上的第二凸曲线(68)。
2.根据权利要求1所述的转子，其中
每个凸部(64)的基部不小于所述多边形基部(63)的边(65)的长度的70％。
3.根据权利要求1或2所述的转子，其中
在与所述轴心(61)垂直相交的横截面中，所述第一凸曲线(66)的两端均位于所述多边形基部(63)的一个边上。
4.根据权利要求1或2所述的转子，其中
在与所述轴心(61)垂直相交的横截面中，所述永磁体(52)的中央部分的厚度被定义为t1，所述永磁体(52)的两个端部的厚度被定义为t2，所述厚度t1和所述厚度t2满足下式：
1.0≤(t1/t2)≤1.4。
5.根据权利要求1或2所述的转子，其中
所述第一凸曲线(66)的曲率半径被定义为R1，所述第二凸曲线(68)的曲率半径被定义为R2，外接于每个永磁体(52)的假想外接圆的曲率半径被定义为R3，所述曲率半径R1、R2、R3满足下式：
0.6≤(R2/R1)≤1.0
R2≤R3。
6.根据权利要求1或2所述的转子，其中
所述第二凸曲线(68)是具有单一曲率半径的曲面，还包括：
圆柱形罩(69)，其与所述永磁体(52)的外表面相接合，使得至少所述第二凸曲线(68)的中央部分附着在所述圆柱形罩(69)的内表面上。
7.根据权利要求1或2所述的转子，其中
所述转子被应用于车辆动力转向装置的电动机。
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