專利名稱：用于智能致動器的優(yōu)化電動機器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實施例總體上涉及雙定子電動機器。
背景技術(shù)：
電動機器通常被設(shè)計成實現(xiàn)特定操作特征。例如，具有拖杯形轉(zhuǎn)子的電動機器具 有非常小的慣性特性。感應(yīng)機器通常具有無轉(zhuǎn)矩波動的特性，而常規(guī)永磁體同步機器具有 大的轉(zhuǎn)矩安培比。不過，實現(xiàn)相應(yīng)的特定操作特征通常導致犧牲其他的操作特征。雖然上 述示例均實現(xiàn)了一個所需操作特征，但是這通常是以不獲得一個其他的相應(yīng)所需操作特征 為代價來實現(xiàn)的。也就是說，上述裝置均不能在單個電動機器中實現(xiàn)所有的所需操作特征
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例的優(yōu)點在于電動機器提供了最佳的操作特征，例如大的轉(zhuǎn)矩安培 比、大的轉(zhuǎn)矩慣量比以及小的轉(zhuǎn)矩波動。一個實施例設(shè)想一種電動機器。該電動機器包括用于產(chǎn)生第一磁場的多個磁體。 磁體保持器保持所述多個磁體。磁體保持器具有圓形構(gòu)造，且多個磁體圍繞磁體保持器的 圓形構(gòu)造均勻定位。第一定子被置于磁體的徑向外部以便產(chǎn)生第二磁場。磁體和第一定子 之間形成第一氣隙。第一定子包括被槽隔開的多個定子極，且每個定子極均包括繞每個相 應(yīng)定子極形成的具有相應(yīng)匝數(shù)的集中繞組。在第一定子中的每個相應(yīng)的集中繞組均包括非 重疊繞組。第二定子被置于磁體的徑向內(nèi)部以便產(chǎn)生第三磁場。磁體和第二定子之間形成 第二氣隙。第二定子包括被槽隔開的多個定子極，且每個定子極均包括繞每個相應(yīng)定子極 形成的具有相應(yīng)匝數(shù)的集中繞組。在第二定子中的每個相應(yīng)的集中繞組均包括非重疊繞 組。磁體保持器和保持在其內(nèi)的磁體可在第一定子和第二定子之間旋轉(zhuǎn)。使用第一定子和 第二定子的集中繞組通過減少端匝長度而增加了封裝尺寸中定子的有效長度，并且因此增 加了轉(zhuǎn)矩密度。集中繞組減小了每個相應(yīng)繞組相對于每個定子的每個定子極的外伸從而提 高了機器效率。本發(fā)明還提供了以下方案方案1 一種電動機器，包括用于產(chǎn)生第一磁場的多個磁體；用于保持所述多個磁體的非磁性磁體保持器，所述磁體保持器具有圓形結(jié)構(gòu)且所 述多個磁體被定位成圍繞所述磁體保持器的所述圓形結(jié)構(gòu)；被置于所述多個磁體的徑向外部以產(chǎn)生第二磁場的第一定子，所述磁體和所述第 一定子具有形成在其間的第一氣隙，所述第一定子包括由槽隔開的多個定子極且每個所述 定子極具有以相應(yīng)匝數(shù)繞每個相應(yīng)定子極形成的集中繞組，在所述第一定子中的每個相應(yīng) 集中繞組包括非重疊相；以及被置于所述多個磁體的徑向內(nèi)部以產(chǎn)生第三磁場的第二定子，所述磁體和所述第 二定子具有形成在其間的第二氣隙，所述第二定子具有由槽隔開的多個定子極且每個所述定子極具有以相應(yīng)匝數(shù)繞每個相應(yīng)定子極形成的集中繞組，在所述第二定子中的每個相應(yīng) 集中繞組包括非重疊相；其中所述磁體保持器和保持在其中的磁體能在所述第一定子和所述第二定子之 間旋轉(zhuǎn)，其中所述第一定子和所述第二定子的所述集中繞組增加了每個相應(yīng)定子的繞組的 有效長度，并且其中所述集中繞組減小了每個相應(yīng)繞組相對于每個定子的每個定子極的外 伸以便提高轉(zhuǎn)矩效率。方案2 根據(jù)方案1所述的電動機器，其中所述磁體保持器和所述磁體形成無芯轉(zhuǎn)子。方案3 根據(jù)方案1所述的電動機器，其中 所述內(nèi)定子包括與外定子相同數(shù)量的定 子極。方案4 根據(jù)方案1所述的電動機器，其中每個相應(yīng)磁體代表相應(yīng)轉(zhuǎn)子極，其中轉(zhuǎn) 子極的數(shù)量和定子槽的數(shù)量的組合具有至少為36的最小公倍數(shù)。方案5 根據(jù)方案4所述的電動機器，其中所述集中繞組包括大于0. 7的繞組因數(shù)。方案6 根據(jù)方案4所述的電動機器，其中磁體極的數(shù)量至少是8。方案7 根據(jù)方案4所述的電動機器，其中定子槽的數(shù)量是偶整數(shù)。方案8 根據(jù)方案1所述的電動機器，進一步包括連接于所述磁體保持器并與所述 磁體保持器同軸的軸，所述軸被構(gòu)造成連接于從動部件，其中由所述磁體、第一定子和第二 定子產(chǎn)生的電磁力被轉(zhuǎn)換成機械轉(zhuǎn)矩，所述機械轉(zhuǎn)矩經(jīng)由所述磁體保持器和軸被施加于所 述從動部件。方案9 根據(jù)方案8所述的電動機器，其中所述磁體保持器適于被連接于主動懸架 系統(tǒng)的致動器。方案10 根據(jù)方案8所述的電動機器，其中所述磁體保持器適于被連接于半主動 懸架系統(tǒng)的致動器。方案11 根據(jù)方案8所述的電動機器，其中所述磁體保持器適于被連接于電動轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)的致動器。方案12 根據(jù)方案8所述的電動機器，其中所述磁體保持器適于被連接于機電制 動系統(tǒng)的致動器。方案13 根據(jù)方案8所述的電動機器可以被用作混合動力推進系統(tǒng)的牽引機器。方案14 根據(jù)方案8所述的電動機器可以被用作燃料電池推進系統(tǒng)的牽引機器。方案15 根據(jù)方案8所述的電動機器可以被用作電動推進系統(tǒng)的牽引機器。方案16 根據(jù)方案1所述的電動機器，其中所述相應(yīng)內(nèi)定子極與相應(yīng)外定子極角 對齊。方案17 根據(jù)方案1所述的電動機器，其中所述相應(yīng)內(nèi)定子極與相應(yīng)外定子極角 偏移。


圖1是電動機器沿直徑平面的截面圖。圖2是電動機器沿橫向平面的截面圖。
圖3是磁體保持器和磁體的截面圖。圖4是三相電動機器的集中繞組結(jié)構(gòu)的電氣示意圖。圖5是電動機器的第一相的集中繞組結(jié)構(gòu)的電氣示意圖。圖6是電動機器的第二相的集中繞組結(jié)構(gòu)的電氣示意圖。圖7是電動機器的第三相的集中繞組結(jié)構(gòu)的電氣示意圖。圖8是現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)重疊繞組的繞組結(jié)構(gòu)的電氣示意圖。圖9是示出轉(zhuǎn)子極和定子槽的優(yōu)化組合的表格。
具體實施例方式參考圖1和圖2，分別示出了電動機器10沿直徑平面和橫向平面的截面圖。如這 里所述的電動機器10被用于需要大轉(zhuǎn)矩和快速響應(yīng)時間的裝置和系統(tǒng)，例如半主動或主 動懸架系統(tǒng)、電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、機電制動系統(tǒng)或類似系統(tǒng)。電動機器10是具有被固定在機器 殼體15中的第一定子12和第二定子14的雙定子電動機器。第一定子12和第二定子14 是在機器殼體15中彼此同軸的并且具有不同直徑。第一定子12和第二定子14具有集中 繞組。集中繞組是將在下面被詳細描述的非重疊繞組。多個磁體16被徑向置于第一定子12和第二定子14之間。多個磁體16被柱形構(gòu) 造的磁體保持器18保持從而可在第一定子12和第二定子14之間形成的空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)。圖3 中大體示出了磁體保持器18和相應(yīng)磁體的截面圖。應(yīng)該理解的是，僅示出磁體保持器的一 種構(gòu)造，并且該磁體保持器不限于所示的磁體保持器。第一定子12被置于多個磁體16的 徑向外部一相應(yīng)距離，從而在其間形成第一氣隙20。第二定子14被置于磁體保持器18的 徑向內(nèi)部一相應(yīng)距離，從而在其間形成第二氣隙22。第一定子12與第二定子14和多個磁 體16相配合來產(chǎn)生所示的通量路徑，從而產(chǎn)生電磁場，所述電磁場被轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩形式的機 械能。第一定子12的定子極和第二定子14的定子極間的排布是彼此角偏移的。應(yīng)該理解 的是，根據(jù)具體電動機器操作的需要，兩個相應(yīng)定子的相應(yīng)定子極可以彼此角對齊或者如 所述彼此角偏移。磁體保持器18在磁體保持器18的第一端被連接到軸24。磁體保持器18在磁體 保持器18的第二端被軸承表面25支撐。所述軸軸向延伸穿過電動機器10并且與多個磁 體16同軸。當軸24延伸穿過機器殼體15時，第一軸承26和第二軸承28支撐軸24。軸延 伸穿過機器殼體15內(nèi)的孔并且被構(gòu)造成連接于電動機器10外部的相應(yīng)部件29從而向相 應(yīng)部件29施加轉(zhuǎn)矩。該部件可以包括主動懸架系統(tǒng)、電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動制動系統(tǒng)或類似 系統(tǒng)的致動器。磁體保持器18優(yōu)選地由非磁性不銹鋼制成?？商鎿Q地，磁體保持器18可 以由提供適當強度以便將機械轉(zhuǎn)矩傳遞到相應(yīng)車輛系統(tǒng)的其他非磁性材料制成。磁體保持 器18與軸承表面25配合以及與軸承26和28所支撐的軸24間的連接保持了第一和第二 定子12和14之間的空間關(guān)系。相應(yīng)的軸承允許磁體保持器18和多個磁體16在第一定子 12和第二定子14之間徑向形成的空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)。如圖1所示的電動機器10省去了通常在常規(guī)電動馬達(例如永磁體電動機器) 中使用的具有一體成形的轉(zhuǎn)子軸的常規(guī)轉(zhuǎn)子。與第二氣隙22配合的第二定子14不僅用作 轉(zhuǎn)子芯來提供磁通量路徑(在標準永磁體馬達中由轉(zhuǎn)子芯來提供)，并且還產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以增 加轉(zhuǎn)矩密度。省去常規(guī)轉(zhuǎn)子芯和一體成形的軸可以減小電動機器的旋轉(zhuǎn)部分的整體重量，從而減少電動機器10的慣量。同時，除了第一定子和無芯PM轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之外，與無芯 轉(zhuǎn)子配合的內(nèi)部第二定子可以產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩以便增加封裝尺寸內(nèi)的轉(zhuǎn)矩密度。如前面所述，第一定子12和第二定子14均具有非重疊集中繞組。圖4-7示出圖 釋了集中繞組的繞組結(jié)構(gòu)。應(yīng)該理解的是，繞組集中的繞組結(jié)構(gòu)僅是示例性的并且這里可 以使用任意結(jié)構(gòu)的集中繞組。電動馬達10是具有第一相(A)、第二相⑶和第三相(C)的 三相馬達。由定子極32和定子極34代表了集中繞組結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)一對接連纏繞的定子極。 繞定子極32和34的繞組被電連接到相A。以集中結(jié)構(gòu)繞定子極32形成第一繞組36，其包 括在引出導線38離開定子極32之前以預(yù)定匝數(shù)連續(xù)纏繞定子極32并且其在到達下一個 定子極34之前保持不中斷。在定子極34處，通過以預(yù)定匝數(shù)連續(xù)纏繞定子極34來形成第 二繞組40。之后，第二繞組40電連接到中性點30。使用集中繞組結(jié)構(gòu)將下一對接連定子 極電連接到相B。類似地，使用集中繞組結(jié)構(gòu)將下一對接連定子極電連接到相C。對于相應(yīng) 定子的剩余的每一對接連定子極，重復(fù)繞組模式。相反，常規(guī)疊置繞組結(jié)構(gòu)包括在進行到下 一個極之前僅使用單匝纏繞相應(yīng)極。接連地進行常規(guī)疊置結(jié)構(gòu)的繞組，從而最終返回到每 個先前纏繞極以增加了繞定子極的附加匝。因此，將接連定子極電連接的引出導線的數(shù)量 將等于在每個定子極上形成的匝數(shù)。在接連極之間的多個引出導線彼此疊置從而產(chǎn)生了從 相應(yīng)定子徑向向外延伸的外伸，如圖8所示。在優(yōu)選實施例中，如圖4所示，僅單條引出導 線電連接相應(yīng)一對定子極。與常規(guī)疊置繞組結(jié)構(gòu)相比，單條非重疊引出導線顯著地減少了 外伸。外伸的減少導致了封裝尺寸內(nèi)定子有效長度的增加從而增加了轉(zhuǎn)矩密度，并且也導 致了繞組占空因數(shù)的增加從而為大的功率密度提供了快速的響應(yīng)時間。也就是說，在集中 繞組結(jié)構(gòu)中，全部繞組中的大多數(shù)被形成作為與連接相應(yīng)匝的引出導線不同的部分匝，從 而將整個繞組的長度集中到每個相應(yīng)定子極。這導致減小了定子銅損失并且提高了電動機 器的效率。對于相同的封裝尺寸而言，減小端匝的長度會導致更長的有效定子長度，從而對 于相同操作范圍而言實現(xiàn)大的轉(zhuǎn)矩安培比或者大的功率密度。由于提高了效率，所以增加 機器的功率密度不會影響其熱性能。在利用具有集中繞組的電動機器時，與常規(guī)轉(zhuǎn)子相比優(yōu)選地可以使用增加數(shù)量的 轉(zhuǎn)子極(即磁體)。增加極的數(shù)量允許減小定子芯的厚度。減小定子芯的厚度，除了省去常 規(guī)的一體成形的轉(zhuǎn)子芯和軸之外，還導致減小了電動機器的整體重量。此外，增加電動機器 中極的數(shù)量還產(chǎn)生了正弦反電動勢，這提供了減小轉(zhuǎn)矩波動的優(yōu)勢。應(yīng)該理解的是，可以選擇相應(yīng)的極/槽組合以便除了減小拉電流能力(current draw)和轉(zhuǎn)矩波動之外還優(yōu)化電動機器的轉(zhuǎn)矩輸出。圖9示出了標示出轉(zhuǎn)子極(即磁體) 和定子槽組合的表格。表格標示了轉(zhuǎn)子極和定子槽組合間的最小公倍數(shù)(LCM)因數(shù)，并且 此外，以某種組合示出了繞組因數(shù)。LCM是可以由每個組合值除盡的最小整數(shù)。LCM因數(shù)越 大，則產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動越小。優(yōu)選地，選擇大于8的轉(zhuǎn)子極數(shù)量并且必須選擇具有至少36 的LCM的轉(zhuǎn)子極和槽組合。繞組因數(shù)被限定為由實際繞組所關(guān)聯(lián)的通量與已經(jīng)由具有相同匝數(shù)的整節(jié)距集 中繞組所關(guān)聯(lián)的通量之間的比。繞組因數(shù)值越大，則轉(zhuǎn)矩密度越大。優(yōu)選地，選擇大于0.7 的繞組因數(shù)。當選擇提供了這里所述優(yōu)點的組合時，應(yīng)該選擇提供了最大LCM和最大繞組因數(shù)
6的組合。不過選擇具有最大LCM和繞組因數(shù)的組合也是有缺點的。例如，具有奇數(shù)定子槽 的那些組合可能引起不平衡磁拉力，這會導致振動。作為可接受選擇的組合是那些用星號 標示的組合。那些具有大LCM值和繞組因數(shù)但可能會振動的組合是那些具有奇數(shù)槽的組合 并且被#標記標出。 雖然已經(jīng)具體描述了本發(fā)明的特定實施例，不過本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將意 識到各種可替換設(shè)計和實施例來實現(xiàn)如所附權(quán)利要求所限定的發(fā)明。
權(quán)利要求
一種電動機器，包括用于產(chǎn)生第一磁場的多個磁體；用于保持所述多個磁體的非磁性磁體保持器，所述磁體保持器具有圓形結(jié)構(gòu)且所述多個磁體被定位成圍繞所述磁體保持器的所述圓形結(jié)構(gòu)；被置于所述多個磁體的徑向外部以產(chǎn)生第二磁場的第一定子，所述磁體和所述第一定子具有形成在其間的第一氣隙，所述第一定子包括由槽隔開的多個定子極且每個所述定子極具有以相應(yīng)匝數(shù)繞每個相應(yīng)定子極形成的集中繞組，在所述第一定子中的每個相應(yīng)集中繞組包括非重疊相；以及被置于所述多個磁體的徑向內(nèi)部以產(chǎn)生第三磁場的第二定子，所述磁體和所述第二定子具有形成在其間的第二氣隙，所述第二定子具有由槽隔開的多個定子極且每個所述定子極具有以相應(yīng)匝數(shù)繞每個相應(yīng)定子極形成的集中繞組，在所述第二定子中的每個相應(yīng)集中繞組包括非重疊相；其中所述磁體保持器和保持在其中的磁體能在所述第一定子和所述第二定子之間旋轉(zhuǎn)，其中所述第一定子和所述第二定子的所述集中繞組增加了每個相應(yīng)定子的繞組的有效長度，并且其中所述集中繞組減小了每個相應(yīng)繞組相對于每個定子的每個定子極的外伸以便提高轉(zhuǎn)矩效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機器，其中所述磁體保持器和所述磁體形成無芯轉(zhuǎn)子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機器，其中所述內(nèi)定子包括與外定子相同數(shù)量的定子極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機器，其中每個相應(yīng)磁體代表相應(yīng)轉(zhuǎn)子極，其中轉(zhuǎn)子極 的數(shù)量和定子槽的數(shù)量的組合具有至少為36的最小公倍數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電動機器，其中所述集中繞組包括大于0.7的繞組因數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電動機器，其中磁體極的數(shù)量至少是8。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電動機器，其中定子槽的數(shù)量是偶整數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機器，進一步包括連接于所述磁體保持器并與所述磁體 保持器同軸的軸，所述軸被構(gòu)造成連接于從動部件，其中由所述磁體、第一定子和第二定子 產(chǎn)生的電磁力被轉(zhuǎn)換成機械轉(zhuǎn)矩，所述機械轉(zhuǎn)矩經(jīng)由所述磁體保持器和軸被施加于所述從 動部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電動機器，其中所述磁體保持器適于被連接于主動懸架系統(tǒng) 的致動器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電動機器，其中所述磁體保持器適于被連接于半主動懸架 系統(tǒng)的致動器。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于智能致動器的優(yōu)化電動機器。電動機器包括用于產(chǎn)生第一磁場的多個磁體。磁體保持器保持多個磁體。第一定子被置于磁體保持器的徑向外部以產(chǎn)生第二磁場。第一定子包括由槽隔開的多個定子極且每個定子極具有以相應(yīng)匝數(shù)繞每個相應(yīng)定子極形成的集中繞組。第二定子被置于磁體保持器的徑向內(nèi)部以產(chǎn)生第三磁場。第二定子包括由槽隔開的多個定子極且每個定子極具有以相應(yīng)匝數(shù)繞每個相應(yīng)定子極形成的集中繞組。磁體保持器和保持在其中的磁體可在第一定子和第二定子之間旋轉(zhuǎn)。
文檔編號H02K1/14GK101847918SQ201010144159
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者B·V·穆爾蒂, C·S·納穆杜里, L·郝 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司