專利名稱：具有受控齒槽效應的電動機轉子的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電動機，更具體地說，涉及具有受控齒槽效應的電動機轉子以及包括該轉子的電動機和動力轉向裝置。
背景技術：
一般來說，許多電磁機器，尤其是永磁電動機，當轉子相對于定子旋轉時都顯示出轉矩不規則性。這類不規則性產生非均勻的轉矩輸出，并因此產生轉子的非均勻旋轉。這些轉矩不規則性可能是由給定機器的物理結構引起的。它們可能由，例如插在給定的轉子位置中的軸承造成，或者事實上是由于機器的電磁特性，轉子往往會偏愛某些相對于定子的角位置。由永磁電機的電磁特性所造成的轉矩不規則性通常稱之為轉矩脈動，而將即使定子繞組不通電時也存在的部分稱之為“齒槽效應”。
由于對某些電動機的應用(包括汽車動力轉向應用)來說，一般不希望有齒槽效應，所以已研究了一些技術來減少齒槽效應。例如，已經應用一些優化技術來鑒別產生減少的齒效應的磁極的幾何狀形。然而，正如上述優化技術發明者所承認的，這些已知技術不能預測電動機中的齒槽效應隨磁極的幾何形狀而變化的情況，并因此不依賴于選擇在電動機中產生所希望的齒槽效應水平的設計參數值。
發明內容
本實用新型的發明人在設計一種確定磁極的幾何形狀的方法以用于控制電動機中的齒槽效應方面獲得了成功。根據該方法，本實用新型提供一種電動機轉子，所述轉子具有一個直徑和多個永久磁鐵，每個永久磁鐵都有一個磁鐵離中心半徑(decenter radius)值Rmo和一個磁極距值Bm，其特征在于Bm和Rmo滿足下列關系Bm＝6n+π(Rmo/Rad1)2-(7π/3)*(Rmo/Rad1)+(5π/3)±1機械度，其中Rad1是轉子的直徑，及n是大于1的整數。
本實用新型還提供一種包括上述轉子的電動機。
本實用新型還提供一種包括上述電動機的動力轉向裝置。
下面通過參照附圖及后面示范性實施例的詳細說明，可以更充分地充分理解本實用新型。
圖1是根據本實用新型一個實施例的確定磁極幾何形狀用于控制電動機中齒槽效應的方法流程圖；圖2(a)示出了一種電動機的示意圖，所述電動機具有一個轉子，該轉子具有用圖1方法確定的磁極幾何形狀；圖2(b)是圖2(a)所示轉子的磁極幾何形狀示意圖；圖3-7是用有限元分析(FEA)模型產生用于圖2電動機的預測的齒槽效應曲線圖；圖8是從圖3-7數據產生的預測峰間齒槽效應的曲線圖；圖9是包括在圖2電動機中動力轉向裝置的方框圖；在附圖中，相應的標號表示對應的部件。
具體實施方式
圖1示出了確定磁極幾何形狀用于控制根據本實用新型的示范性實施例的電動機中齒槽效應的方法，并用標號100表示。如圖1所示，方法100包括利用至少一個設計參數限定磁極幾何形狀的步驟102。方法100還包括預測齒槽效應隨設計參數而變的步驟104。在步驟106處，利用預測的齒槽效應來選定一個用于設計參數的數值，所述數值對應于所希望的電動機中齒槽效應的水平。例如，在其中齒槽效應一般不希望有的電動機應用情況下，可以用預測的齒槽效應來選定一個用于設計參數的數值，所述數值對應于電動機用最小或零齒槽效應值。可供選擇地，可以用預測的齒槽效應來選定一個設計參數值，如果希望的話，所述設計參數值將產生一個較高的電動機齒槽效應值。
圖1的步驟102中稱的設計參數，可以是任何限定磁極幾何形狀(亦即磁極的尺寸和形狀)的參數，并且它們的數值可以按希望選定和優化。此外，可以用多個設計參數而不是用一個設計參數來限定磁極幾何形狀。在這種情況下，優選的是預測齒槽效應隨多個設計參數而變，然后，用這種預測的參數來選定用于各設計參數的數值，這些數值對應于電動機中一個理想的齒槽效應水平。
進一步參見圖1中的步驟104，在本實用新型中利用電動機的有限元分析(FEA)模型預測齒槽效應，不過也可以使用預測齒槽效應的其它方法。另外，在一個實施例中，預測的齒槽效應是峰間齒槽效應(也稱之為齒槽效應幅值)，不過這不是絕對必要的。
現在將參照圖2-8說明圖1所示方法100的一個示例性執行程序。這個特定的執行程序是用于10極/12槽無刷式永磁(BPM)電動機200，上述無刷式永磁電動機200被大致示于圖2(a)中。然而，應該理解，方法100可應用于其它的極/槽組合，及應用于其它類型的電動機。
如圖2(a)所示，電動機200包括一個定子202和一個轉子204，所述轉子204設置在定子202內。轉子204包括若干磁極206-224，同時每個磁極都具有相同的幾何形狀。可供選擇地，轉子204可以這樣設計，以使其各磁極中有兩個或多個磁極具有不同的幾何形狀，但這將增加設計的復雜性。正如在圖2(b)中所最佳示出的，在這個特定實施例中，每個磁極206-224的幾何形狀由兩個設計參數限定，即限定每個磁極的角寬度的磁極矩BetaM和磁鐵離中心半徑Rmo，上述磁鐵離中心半徑Rmo限定每個磁極的曲率。可供選擇地(或者另外)，磁極的幾何形狀可以比如用一個多項式函數限定。圖2(b)還示出了參數Rad1，該參數Rad1代表轉子204的外徑。
在這個特定的實施例中，圖2中所示的電動機200的齒槽效應將用電機200的參數FEA模型及用于設計參數BetaM和Rmo的預先規定的可能值進行預測。這些可能值可以限定為離散值，或者更優選的是限定為能可靠地用于規定的電機構造中的BetaM和Rmo的數值范圍。為此例的目的，假定BetaM的值可以在26-32機械度范圍內，而Rmo值可以在8.225-20.225毫米范圍內。正如本領域的技術人員所了解的，用任何合適的FEA軟件都可以產生電動機的參數FEA模型。
若用FEA模型和用于設計參數BetaM和Rmo的限定值范圍，則電動機中的齒槽效應隨設計參數而變進行預測。在一個優選實施例中，首先預測并標繪峰間齒槽效應(亦即隨角位置而變的轉矩)。這一般在圖3-7中示出，圖3-7預測用于各種BetaM和Rmo值的電動機齒槽效應曲線圖。具體地說，圖3示出了對BetaM用一26機械度的值，和8.225、12.225、16.225和20.225毫米Rmo值的齒槽效應曲線圖。圖4-7示出了用同樣Rmo值的齒槽效應曲線圖。圖4-7示出了用同樣Rmo值和對BetaM分別用27.5、29、30.5和32機械度的類似曲線圖。
利用圖3-7中所預測的齒槽效應曲線圖中各數據點，電動機中的齒槽效應可以隨設計參數而變進行預測和標繪，如圖8所示。更具體地說，在圖8中，峰間齒槽效應標繪成圖3-7中所用的4個Rmo值之中每一個Rmo值隨BetaM值而變的曲線。
預測的峰間齒槽效應隨設計參數BetaM和Rmo而變之后，可以選定這些設計參數對應于電動機中所希望的齒槽效應水平。例如，從圖8中可以看出，用一27機械度的BetaM值和8.225mm的Rmo值產生一個預測的齒槽效應值為零。可供選擇地，對設計參數BetaM和Rmo可以選定這些值對應于一較高的預測齒槽效應水平，如果希望的話。
當進一步參見圖7時，應該注意，所預測的齒槽效應曲線圖一般是正弦曲線。因此，可以推導出一個方程，以便將在電動機中產生所希望的齒槽效應水平的各設計參數之間的關系定義如下齒槽效應＝f(參數1，參數2，...)
＝f(參數1，參數2，...)*sin(f2(參數1，參數2，...))在希望零齒槽效應情況下，關系可以簡化如下0＝sin(f2(參數1，參數2，...))，或180n＝sin(f2(參數1，參數2，...))，式中n是代表零齒槽效應波形的一個特別零交叉的整數。用圖8中對應于電動機200中零交叉的BetaM和Rmo值得到下面表達式Bm＝6n+π(Rmo/Rad1)2-(7π/3)*(Rmo/Rad1)+(5π/3)±1機械度這樣，用上述方程來選定BetaM和Rmo的值，產生一種如圖2所示的轉子204磁體極幾何形狀，當轉子204包括在圖2的電動機200中時，上述磁體極幾何形狀產生一個最小或零峰間齒槽效應。正如本領域的技術人員將會理解的，n值越高對應于一個越寬的磁鐵，并因此電動機200的輸出轉矩越高。因此，若希望較高的轉矩，則4≤n≤6，其中最大可能的n值(對于討論中的10極/12槽電機)是6。
在本實用新型的一個優選應用中，圖2的電動機200包括在動力轉向裝置800中，如一般在圖8中所示。通過用上述方程選擇BetaM和Rmo值，使電動機中的齒槽效應減至最小，同時使它用于動力轉向裝置800中變得特別理想。
在說明本實用新型或本實用新型優選實施例的元件時，冠詞“a”，“an”，“the”和“上述”意指一個或多個這種元件。術語“包含”、“包括”和“具有”意指除了所引用的那些元件之外還可以有其它元件。
由于在不脫離本實用新型范圍的情況下，可以在上述構造方面進行各種改變，所以上述說明中所包含的或附圖中所示出的所有內容都是示例性的并且沒有限制的意思。
權利要求1.一種具有受控齒槽效應的電動機的轉子，其特征在于，具有一個直徑和多個永久磁鐵，每個永久磁鐵都有一個磁鐵離中心半徑值Rmo和一個磁極距值Bm，其中Bm＝6n+π(Rmo/Rad1)2-(7π/3)*(Rmo/Rad1)+(5π/3)±1機械度，Rad1是轉子的直徑，及n是大于1的整數。
2.根據權利要求1的具有受控齒槽效應的電動機的轉子，其特征在于4≤n≤6。
專利摘要一種電動機的轉子以及包括該轉子的電動機及動力轉向裝置，所述轉子具有一個直徑和多個永久磁鐵，通過確定磁極幾何形狀來控制電動機中的齒槽效應。每個永久磁鐵都有一個磁鐵離中心半徑值Rmo和一個磁極距值Bm，其中Bm＝6n+π(Rmo/Rad1)
文檔編號H02K15/03GK2884661SQ20042000035
公開日2007年3月28日 申請日期2004年1月7日 優先權日2003年1月7日
發明者R·E·小哈茨弗里德 申請人:美國艾默生電氣公司