本發(fā)明涉及一種內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)。更具體地，本發(fā)明涉及一種能夠降低齒槽轉(zhuǎn)矩(cogging torque)的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子。

背景技術(shù)：

一般而言，混合動(dòng)力車輛或電動(dòng)車輛是由電動(dòng)機(jī)(下文稱之為“驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)”)驅(qū)動(dòng)，以便通過電能獲取旋轉(zhuǎn)力?；旌蟿?dòng)力車輛在作為純電動(dòng)車模式的電動(dòng)車(EV)模式下，利用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力行駛，或者在混合動(dòng)力電動(dòng)車(HEV)模式下，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩二者作為動(dòng)力行駛。此外，一般的電動(dòng)車輛利用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩作為動(dòng)力行駛。

作為環(huán)境友好型車輛的動(dòng)力源運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通常使用永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM：permanent magnet synchronous motor)。永磁同步電動(dòng)機(jī)包括定子、與定子以預(yù)定間隙間隔開的轉(zhuǎn)子和嵌入轉(zhuǎn)子中的永磁體。根據(jù)將永磁體安裝在轉(zhuǎn)子中的方法，永磁同步電動(dòng)機(jī)可分為兩種類型，包括永磁體安裝在轉(zhuǎn)子的表面的表面式永磁同步電動(dòng)機(jī)(SPMM：surface permanent magnet synchronous motor)；以及永磁體被安裝在轉(zhuǎn)子中的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)(IPMSM：interior permanent magnet synchronous motor)。

在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，由于表面式同步電動(dòng)機(jī)具有D軸與Q軸之間的電感差為0(D軸的電感與Q軸的電感相等)的凸極比(saliency ratio)，因此不產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。然而，因?yàn)閮?nèi)置式同步電動(dòng)機(jī)由于凸極比而產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，所以內(nèi)置式同步電動(dòng)機(jī)適用于要求高效率和高輸出密度的混合動(dòng)力車輛或電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

同時(shí)，如上所述的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)定子線圈的繞組型式，分為集中繞組型內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)和分布式繞組型內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)。其中，集中繞組型內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)用在環(huán)境友 好型車輛中，并且應(yīng)用于混合動(dòng)力車輛的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。例如，集中繞組型內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能可基于齒槽轉(zhuǎn)矩來確定。

當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)在空載狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)矩值周期性改變，該轉(zhuǎn)矩被定義為齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩是在環(huán)境友好型車輛逐漸加速/減速中性能劣化的主要因素之一，并且是在環(huán)境友好型車輛的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中考慮的主要性能參數(shù)之一。齒槽轉(zhuǎn)矩由于基于轉(zhuǎn)子位置的定子和轉(zhuǎn)子的靜態(tài)磁拉力而產(chǎn)生。一旦環(huán)境友好型車輛逐漸加速/減速，也就是說，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)中要求低載荷的條件下，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的嘯叫噪聲的大小可基于齒槽轉(zhuǎn)矩的大小而改變。

一般而言，集中繞組型內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)比分布式繞組型內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生更大的齒槽轉(zhuǎn)矩。在本領(lǐng)域中，在利用集中繞組型內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的環(huán)境友好型車輛中，需要設(shè)計(jì)最小化的齒槽轉(zhuǎn)矩，以便一旦逐漸加速/減速，可降低噪聲。

特別地，在由三相電源驅(qū)動(dòng)并且磁極數(shù)/槽數(shù)之比為2/3的結(jié)構(gòu)的集中繞組型內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)中，齒槽轉(zhuǎn)矩是基于定子的槽數(shù)和轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)的最小公倍數(shù)×旋轉(zhuǎn)頻率所產(chǎn)生的。例如，具有16個(gè)磁極和24個(gè)槽所構(gòu)成的定子的集中繞組型內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)中的齒槽轉(zhuǎn)矩(例如，約5.4Nm)，可引起作為機(jī)械旋轉(zhuǎn)頻率的第48分量頻率的可由駕駛者感知或聽到的音頻噪聲。

在本節(jié)中所公開的上述信息僅用于增強(qiáng)對本發(fā)明的背景的理解，因此，可能包含未形成已由本國本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子，其中該電動(dòng)機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：通過改進(jìn)齒結(jié)構(gòu)和槽開口長度，使電動(dòng)機(jī)的性能劣化最小化的同時(shí)，降低齒槽轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明的示例性實(shí)施例提供了在內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)中的與轉(zhuǎn)子以預(yù)定間隙間隔開的定子，該定子可包括：定子齒，其以預(yù)定距離被周向地間隔開，同時(shí)其間插置與轉(zhuǎn)子的外徑面對應(yīng)的槽；以及定子靴，其在定子齒的端部形成，并且包括面對轉(zhuǎn)子的外徑面的具有預(yù)定直徑的內(nèi)徑面。此外，具有(例如，定子靴的 內(nèi)直徑×1.0287×24/槽數(shù))mm的直徑的圓與定子齒之間的交叉點(diǎn)作為定子齒的齒端(tooth end)起始點(diǎn)。

相對于定子靴的兩端部的定子齒的齒端角可設(shè)置為約125.0°～125.4°的范圍。定子靴的兩端部與相鄰定子靴的兩端部之間的槽開口長度可設(shè)置為，例如(定子靴的內(nèi)直徑×0.01685×24/槽數(shù))mm。定子齒兩端部的側(cè)面可布置成平行于相鄰定子齒的側(cè)面。當(dāng)定子配置為16個(gè)磁極和24個(gè)槽，并且基于轉(zhuǎn)子中心的齒端起始點(diǎn)的直徑約為207.6mm時(shí)，槽開口長度可為約3.4mm。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的主要使用區(qū)域的效率設(shè)置為約94.5％或更大的基準(zhǔn)值時(shí)，可滿足約94.66％的主要使用區(qū)域的效率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的最大輸出設(shè)置為約44KW或更大的基準(zhǔn)值時(shí)，可滿足約45.13KW的最大輸出。此外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩設(shè)置為約5.38Nm或更小的基準(zhǔn)值時(shí)，可滿足約3.79Nm的齒槽轉(zhuǎn)矩。

附圖說明

在以下的詳細(xì)說明中，簡單地通過圖例方式已示出并說明了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中：

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子的示意圖；

圖2A～圖2B示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例以及比較示例的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子的齒槽轉(zhuǎn)矩分析結(jié)果的示例性曲線圖；

圖3A～圖3D示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子的運(yùn)轉(zhuǎn)效果的示例性圖表；以及

圖4A～圖4B示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例以及比較示例的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子的噪聲改善效果的示例性曲線圖。

附圖標(biāo)記的說明：

1：轉(zhuǎn)子

3：永磁體

5：定子線圈

11：定子齒

21：定子靴(stator shoe)

31：槽

41：槽開口部

51：圓

53：齒端起始點(diǎn)

具體實(shí)施方式

可以理解，本文所使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或者其他相似術(shù)語包括一般的機(jī)動(dòng)車輛，例如客運(yùn)汽車，包括運(yùn)動(dòng)型多用車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車輛、包括各種船和艇在內(nèi)的水運(yùn)工具、航空器，等等，并且包括混合動(dòng)力交通車輛、電動(dòng)車輛、插電式混合電動(dòng)車輛、氫動(dòng)力車輛和其他替代燃料車輛(例如，從石油以外的資源取得的燃料)。本文所提到的混合動(dòng)力車輛是指使用兩種或多種動(dòng)力源的車輛，例如汽油和電力混合動(dòng)力車輛。

本文所使用的術(shù)語是僅為了說明特定實(shí)施例的目的，而無意限制本發(fā)明。如本文所使用的單數(shù)形式“一個(gè)”、“一種”和“該”也用來包括其復(fù)數(shù)形式，除非上下文中另外明確指出。還可理解的是，當(dāng)在本說明書中使用時(shí)，術(shù)語“包括”和/或“包含”指明所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或其組合的存在或添加。如本文所使用的術(shù)語“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)列出項(xiàng)的任何和所有組合。

除非從上下文中明確指出或可以明顯看出，如本文所使用的術(shù)語“約”可以理解為在本技術(shù)領(lǐng)域公差范圍內(nèi)，例如平均值的2倍標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)?！凹s”可以理解為標(biāo)注值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％范圍內(nèi)。除非在上下文中另外明確指出，文中所提供的所有的數(shù)值都可由術(shù)語“約”來修飾。

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子的示意圖。參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的定子100應(yīng)用于永磁體可嵌入定子中的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)(IPMSM)。

內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)可適用于諸如混合動(dòng)力車輛等環(huán)境友好型車輛的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，以通過電能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此外，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的定子100可適用于集中繞組型內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)。 例如，內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)可以是內(nèi)轉(zhuǎn)子型同步電動(dòng)機(jī)，并且可包括根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的定子100、轉(zhuǎn)子1和嵌入轉(zhuǎn)子1中的多個(gè)永磁體3，其中轉(zhuǎn)子1可旋轉(zhuǎn)地安裝于定子100的內(nèi)側(cè)，以預(yù)定間隙與定子100間隔開。

特別地，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子100可包括層壓有多個(gè)鋼板的定子芯(stator core)，并且定子100的定子芯可包括定子齒11和定子靴21。定子齒11可由定子線圈5卷繞，并以預(yù)定距離被周向地間隔開，同時(shí)在其間插置與轉(zhuǎn)子1的外徑面對應(yīng)的槽31。

定子靴21可在定子齒11的端部形成，并且可形成面對轉(zhuǎn)子1的外徑面的具有預(yù)定直徑的內(nèi)徑面。此外，定子靴21的端部可突向相鄰定子靴21的端部。換言之，每個(gè)定子靴21可形成有關(guān)于定子齒11的中心，即基于轉(zhuǎn)子1的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的連接中心線對稱形成的兩側(cè)(附圖中的右側(cè)和左側(cè))。具體地，如上所述，因?yàn)槎ㄗ友?1的兩端部可突向相鄰定子靴21的兩端部，所以在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，相鄰的定子靴21可形成窄的間隙，該間隙足夠用以在定子齒11上卷繞定子線圈5。下文中，在相鄰定子靴21的兩端部之間的間隙是指槽開口部41。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子100可具有這樣一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可通過改進(jìn)定子齒11的結(jié)構(gòu)和槽開口部41的長度，使電動(dòng)機(jī)的性能劣化最小化的同時(shí)，降低齒槽轉(zhuǎn)矩。相應(yīng)地，內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子100可在具有(定子靴的內(nèi)直徑×1.0287×24/槽數(shù))mm的直徑的圓和定子齒之間設(shè)置交叉點(diǎn)，作為定子齒11的齒端起始點(diǎn)53。特別地，基于轉(zhuǎn)子1的中心的直徑可定義為齒端起始點(diǎn)53的直徑。此外，常數(shù)1.0287可以是根據(jù)定子100和轉(zhuǎn)子1的設(shè)計(jì)過程導(dǎo)出的值。

下文中，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的定子100可具有16個(gè)磁極和24個(gè)槽的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將被描述為用于設(shè)置基于轉(zhuǎn)子1的中心的齒端起始點(diǎn)53的直徑約為207.6mm的前提。因此，當(dāng)齒端起始點(diǎn)53的直徑設(shè)置為約207.6mm時(shí)，考慮到基于轉(zhuǎn)子1的中心的直徑為(轉(zhuǎn)子靴的內(nèi)直徑×1.0287×24/槽數(shù))mm，定子靴21的內(nèi)直徑可約 為201.80mm。換言之，轉(zhuǎn)子1的中心可由下面的公式來定義：

(轉(zhuǎn)子靴的內(nèi)直徑×1.0287×24/槽數(shù))mm。

此外，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，相對于定子靴21的兩端部的定子齒11的齒端角θ可設(shè)置為約125.0°～125.4°的范圍，并且上述槽開口部41的長度可設(shè)置為(定子靴的內(nèi)直徑×0.01685×24/槽數(shù))mm。特別地，常數(shù)0.01685可以是根據(jù)定子100和轉(zhuǎn)子1的設(shè)計(jì)過程導(dǎo)出的常數(shù)值。因此，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，作為定子靴21的兩端部和相鄰定子靴21的兩端部之間的間隙的槽開口部41的槽開口長度，可滿足約3.4mm。

此外，定子齒11的兩端部的側(cè)面可布置成平行于相鄰定子齒11的側(cè)面。因此，根據(jù)上述構(gòu)造的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子100，基于如下的假設(shè)，即結(jié)構(gòu)為16個(gè)磁極和24個(gè)槽的定子齒11的齒端起始點(diǎn)53的直徑設(shè)置為約207.6mm，定子靴21的兩端部之間的槽開口長度可設(shè)置為約3.4mm，并且定子齒11的齒端角θ可設(shè)置為約125.0°～125.4°的范圍。

因此，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，在上述假設(shè)條件下，通過將定子靴21的槽開口長度和定子齒11的齒端角限定至特定數(shù)值，可控制定子100和轉(zhuǎn)子1的靜態(tài)磁拉力(magnetic pull)，與根據(jù)如圖2A中所示的比較示例中的一般驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的空載齒槽轉(zhuǎn)矩相比，從圖2B可以看出，齒槽轉(zhuǎn)矩改善約30％或更多。特別地，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，根據(jù)上述限定數(shù)值的電動(dòng)機(jī)的性能和齒槽轉(zhuǎn)矩的降低效果列于圖3A～圖3D中。

在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，由于如上所述的定子100的配置結(jié)構(gòu)，如圖3A所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的主要使用區(qū)域效率設(shè)置為約94.5％或更大的基準(zhǔn)值時(shí)，定子100的主要使用區(qū)域的效率表現(xiàn)為約94.66％。

此外，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，如圖3B所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)最大輸出設(shè)置為約44KW或更大的基準(zhǔn)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出約45.13KW的最大輸出。此外，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，如圖3C所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩紋波設(shè)置為約2.8％或更小的基準(zhǔn)值時(shí)，表現(xiàn)出約2.72％的轉(zhuǎn)矩紋波。如圖3D所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩設(shè)置為約5.38Nm或更小的基準(zhǔn)值時(shí)，可表現(xiàn)出約3.79Nm的齒槽轉(zhuǎn)矩。

因此，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，由于通過改進(jìn)定子齒11的結(jié)構(gòu)和槽開口部41的長度可在保持電動(dòng)機(jī)的性能和效率的同時(shí)，降低齒槽轉(zhuǎn)矩，因此根據(jù)如圖4A所示的車輛的逐漸加速段1和如圖4B所示的車輛的減速段1，與比較示例相比，由齒槽轉(zhuǎn)矩所引起的噪聲可改善約5dB.

雖然已結(jié)合目前考慮的示例性實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不局限于所公開的示例性實(shí)施例，而相反，本發(fā)明意在覆蓋包括在所附權(quán)利要求的構(gòu)思和范圍內(nèi)的各種變型和等效布置。