CN1008582B - 减小齿槽效应转矩的旋转电机 - Google Patents

Abstract

旋转电机有圆形永久磁铁和磁性材料的电枢铁芯。永久磁铁有若干交替分布在电机转轴边的N和S极，其数目是偶数P。电枢铁芯有许多齿，各齿由电枢铁芯两相邻绕组槽形成，齿数是≮2P整数T。其铁芯绕组槽内有多相的交叠绕组线圈，其相数是≮2的整数H。电枢铁芯至少有对短和长块，每块至少有个齿且是依次排列的齿组。各短块至少有一短齿且无长齿，各长块至少有一长齿而无短齿，各短齿有效间距＜D＝(360/T)度，各长齿有效间距＞D。因此永久磁铁1极距周期上电枢铁芯绕组槽的相位不同，而使旋转电机齿槽效应转矩变小。可取的是至少在电枢铁芯长齿面配有假槽。

Description

本发明与旋转电机有关，确定地说，是关于这样的一种旋转电机，它包含一个由磁性材料做成的电枢铁芯，铁芯上有许多齿和若干个多相交叠绕组线圈，还有一个励磁永久磁铁部件，永久磁铁有多个交替的N和S极，布置在所说电枢铁芯齿的对面，N和S极的数目为一个偶数P，齿的数目为T，且T不小于2P。

一个由磁性材料做成的有许多齿的电枢铁芯和在齿的对面有磁化极的永久磁铁所组成的旋转电机，因为它的效率高，所以被广泛地应用着。但由于永久磁铁的磁极和电枢铁芯的齿之间的相互作用，会产生出较大的齿槽效应转矩，所以通常的旋转电机常发生一个有害的振动问题。这种齿槽效应转矩使旋转电机不能平滑地旋转。为了减小齿槽效应转矩，在某些情况下采用了斜曲的电枢铁芯。但这种斜曲的电枢铁芯很难制造，并且靠斜曲的电枢铁芯，有时仍难把齿槽效应转矩减小到足够小的程度。为了得到平滑的旋转，采用没有齿的电枢是不实际的，因为它的效率很低，从而必须增大电机的尺寸。

在美国专利4，280，072中或日本公开专利申请55-71163中已经透露了一种减小齿槽效应转矩的旋转电机。在这两份专利说明书中，为了减小齿槽效应转矩，采用了凹状部分。例如在美国专利4，280，072中的图1、图5及图6那样的旋转电机中，齿的数目T小于N和S极数目P的两倍，即T＜2P，这种方法 非常有效，因为每个齿的齿面相当宽，足以提供凹状部分。但对于美国专利4，280，072图8中的旋转电机，其中T不小于2P，上法还不能把齿槽效应转矩减得足够小。（日本公开专利申请55-71163中透露了同样的旋转电机。）

现把通常的旋转电机说明如下：

图1是通常的旋转电机在T＝6P时的一个截面图。在图1中，磁性材料做的转子2的外圈固定有一个园柱形永久磁铁3，永久磁铁3与转子2一起围绕着旋转轴1旋转。永久磁铁3具有4个交替的N和S极，各占90°等角位置。亦就是P＝4。电枢铁芯4上有齿6，每个齿都由两个相邻的绕组槽5形成，且都面对着永久磁铁3的各个磁极。转子2的旋转轴1由电枢铁芯4支持着，但可以转动。因此，电枢铁芯4的齿6和永久磁铁3各磁极间的相对位置随着转子2的旋转而变动。

图2是图1通常的电机按线段X-X′及Y-Y′展成直线时的展开图。电枢铁芯4有24个绕组槽a至x，它们彼此间隔一个相等的角度15°，相邻两个绕组槽之间形成一个齿，共有24个齿，即T＝24。交叠绕组线圈A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃、B₄、C₁、C₂、C₃及C₄都绕在绕组槽a至x内。每个绕组线圈A₁至C₄围绕电枢铁芯4的5个齿。亦即是，A₁绕在绕组槽a及f内，A₂在绕组槽g及l内，A₃在绕组槽m及r内，A₄在绕组槽s及x内，B₁在绕组槽e及j内，B₂在绕组槽k及P内，B₃在绕组槽g及v内，B₄在绕组槽w及d内，C₁在绕组槽i及n内，C₂在绕组槽o及t内，C₃在绕组槽u及b内，以及C₄在绕组槽c及h内。绕组线圈A₁、A₂、A₃及A₄接成串联，形成 第一相绕组A，绕组线圈B₁、B₂、B₃及B₄接成串联，形成第二相绕组B，绕组线圈C₁、C₂、C₃及C₄接成串联，形成第三相绕组C。绕组A、B、及C之间的相位差等于120el（电气度数），其中180el相当于永久磁铁3上的1个极距，即360/P度。在图1中，P＝4，于是180el相当于90°（机械度数）。因此，对这三相绕组A、B及C供入三相电流，即能得出使转子2加速的一个转矩。

图3是另一个通常旋转电机的截面图，此时T＝3P。图3所示通常电机的结构，除了T与P之间的关系以及绕组间距外，其余都与图1通常电机的结构相似。园柱形永久磁铁13固定在磁性材料做的转子12的外周，永久磁铁13亦随转子12绕着旋转轴11旋转。永久磁铁13有4个交替的N和S极，这些磁极在位置上彼此分开一个相等的角度90°，即P＝4。电枢铁芯14有齿16，每个齿都由两个相邻的绕组槽15形成，且都面对着永久磁铁13的各个磁极。转子12的旋转轴11由电枢铁芯14支持着，但可以旋转。因此，电枢铁芯14的齿16和永久磁铁13的各磁极间的相对位置随着转子12的旋转而变动。

图4是图3的通常电机按线段X-X′及Y-Y′展成直线时的展开图。电枢铁芯14有12个绕组槽a至l，它们之间彼此间隔一个相等的角度30°，相邻两个绕组槽之间形成一个齿，共有12个齿即T＝12。交叠绕组线圈A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃、B₄、C₁、C₂、C₃、及C₄都绕在绕组槽a至l内。每个绕组线圈A₁至C₄围绕电枢铁芯14的3个齿。亦即是，A₁绕在绕组槽a及d内，A₂在绕组槽d及g内，A₃在绕组槽g及j内， A₄在绕组槽j及a内，B₁在绕组槽C及f内，B₂在绕组槽f及i内，B₃在绕组槽i及l内，B₄在绕组槽l及c内，C₁在绕组槽e及h内，C₂在绕组槽h及k内，C₃在绕组槽k及b内，C₄在绕组槽b及e内。绕组线圈A₁、A₂、A₃及A₄接成串联，形成第一相绕组A，绕组线圈B₁、B₂、B₃及B₄接成串联，形成第二相绕组B，绕组线圈C₁、C₂、C₃及C₄接成串联，形成第三相绕组C。绕组A、B及C之间的相位差等于120el。在图3中，P＝4，于是180el相当于90°（机械度数）。因此，对这三相绕组A、B及C供入三相电流，即能得出使转子12加速的一个转矩。

发明的概述：

本发明的一个目的是提供一种齿槽效应转矩较小、效率高的杰出和改进的旋转电机。

本发明的另一个目的是提供这样一种旋转电机，它包含一个由磁性材料做成的有T个齿的电枢铁芯以及一个有P个永久磁化N和S极的励磁永久磁铁部件，其中T不小于2P，并且它具有减小了的与电枢铁芯及磁铁的几何位置有关的齿槽效应转矩。

利用这件发明提供的下述旋转电机，可以达到本发明的这些目的，本发明的旋转电机包括：一个具有永久磁化N和S极的圆形励磁永久磁铁部件，N和S极交替地布置在所说电机的旋转轴四周，所说N和S极的数目为P，P是一个偶数;以及一个由磁性材料做成的电枢铁芯，它有许多齿，这些齿各由两个相邻的绕组槽形成，绕组槽内绕有若干个多相绕组的交叠绕组线圈，所说齿的数目为T，T不小于2P， 所说多相绕组的相数为H，H不小于2;其中所说电枢铁芯至少有一对短块和长块，这一对对的短块和长块也都交替地布置在所说旋转轴的四周。每个短块至少具有两个短齿但没有长齿，每个长块至少有一个长齿而没有短齿。每个短齿的有效间距小于D＝（360/T）度，而每个长齿的有效间距大于D。

利用本发明提供下述的旋转电机，也能达到本发明的这些目的，本发明的旋转电机包括：一个具有永久磁化N和S极的圆形励磁永久磁铁部件，这些N和S极交替地布置在所说电机的旋转轴四周，所说N和S极的数目为P，P是一个偶数;以及一个由磁性材料做成的电枢铁芯，它有许多齿，这些齿各由两个相邻的绕组槽形成，绕组槽内绕有若干个多相绕组的交叠绕组线圈，所说齿的数目为T，T不小于2P，所说多相绕组的相数为H，H不小于2;其中所说电枢铁芯至少有一对短块和长块，这一对对的短块和长块也都交替地布置在所说旋转轴的四周。每个短块至少具有一个短齿但没有长齿，每个长块至少有两个长齿而没有短齿。每个短齿的有效间距小于D＝（360/T）度，而每个长齿的有效间距则大于D。

利用本发明提供下述的旋转电机，也能达到本发明的这些目的，本发明的旋转电机包括：一个具有永久磁化N和S极的圆形励磁永久磁铁部件，这些N和S极交替地布置在所说电机的旋转轴四周，所说N和S极的数目为P，P是一个偶数;以及一个由磁性材料做成的电枢铁芯，它有许多齿，这些齿各由两个相邻的绕组槽形成，绕组槽内绕有若干个多相绕组的交叠绕组线圈，所说齿的数目为T，T不小于2P，所说多相绕组的相数为H，H不小于2;其中所说电枢铁芯至少有一个短齿和至少有一个长齿。每个短齿的有效间距小于D＝ （360/T）度，每个长齿的有效间距则大于D。所说电枢铁芯上依次L个齿的整个有效间距等于或差不多等于（360/P）Q度，其中L是比H大的一个整数，Q是不小于2的整数。这些齿的有效间距中的最小值与在所说依次L个齿内第m齿的有效间距之比为R∶R+Vm，其中R是不小于1的整数，Vm是包括零的一个整数，从m＝1至m＝L，Vm的和为W，W不等于Qd的整倍数，其中Qd是Q的除数且大于1。

利用本发明提供下述的旋转电机，也能达到本发明的这些目的，本发明的旋转电机包括：一个具有永久磁化N和S极的园形励磁永久磁铁部件，这些N和S极交替地布置在所说电机的旋转轴四周，所说N和S极的数目为P，P是一个偶数;以及一个由磁性材料做成的电枢铁芯，它具有许多齿，这些齿各由两个相邻的绕组槽形成，绕组槽内绕有若干个多相绕组的交叠绕组线圈，所说齿的数目为T，T不小于2P，所说多相绕组的相数为H，H不小于2;其中所说的齿中至少有一齿具有至少一个空槽，以及所说的电枢铁芯至少有一个第一槽组和一个第二槽组。所说第一槽组内的空槽和绕组槽都被布置得彼此相隔一个相等的或差不多相等的第一间距的角度，所说第二槽组内的空槽和绕组槽在位置上亦被布置得彼此相隔一个相等或差不多相等的第一间距的角度。所说第一槽组和所说第二槽组的相邻绕组槽之间的第二间距不等于所说第一间距的整倍数。

考虑了下列的详细说明及其附图，就能清楚知道本发明的上述和其它的目的以及它的特色。

附图的简单说明：

图1是通常的旋转电机在T＝6P情况下的截面图;

图2是图1的通常旋转电机在线段X-X′及Y-Y′处的展开图;

图3是T＝3P情况下另一个通常的旋转电机的截面图;

图4是图3的通常旋转电机在线段X-X′及Y-Y′处的展开图;

图5是T＝6P情况下本发明旋转电机的一个实施例的截面图;

图6是图5中永久磁铁的磁通密度的分布图;

图7是图5的旋转电机在线段X-X′及Y-Y′处的展开图;

图8是图5旋转电机所用的电子配电器的方框图;

图9（a）至（c）是供给图5旋转电机三相绕组中的三相电流I₁、I₂及I₃的波形图;

图10是图5及图7本发明旋转电机中在永久磁铁的1极距周期上电枢铁芯的绕组槽及空槽的相位图;

图11是图5及图7本发明旋转电机中的复合磁变化;

图12是图1及图2通常旋转电机中的复合磁变化;

图13是T＝3P情况下，本发明旋转电机另一个实施例的截面图;

图14是图13的旋转电机在线段X-X′及Y-Y′处的展开图;

图15是图13及图14本发明旋转电机中在永久磁铁的1极距周期上电枢铁芯的绕组槽及空槽的相位图;

图16是图13及图14本发明旋转电机中的复合磁变化;

图17是图3及图4通常旋转电机中的复合磁变化;

图18是T＝3P情况下本发明旋转电机又一个实施例的截面图;

图19是图18的旋转电机在线段X-X′及Y-Y′处的展开图;

图20是图18及图19的本发明旋转电机中在永久磁铁的1极距周期上电枢铁芯的绕组槽及空槽的相位图;

图21是图18及图19本发明旋转电机中的复合磁变化。

T＝6P情况下的本发明实施例

图5表明在T＝6P情况下本发明的一种无刷DC电机实施例的截面图且它相当于图1及图2所示的通常的旋转电机。在图5中，一个园柱形永久磁铁23固定在由磁性材料做成的转子22的外周上，并且永久磁铁23随同转子22一起绕旋转轴21旋转。永久磁铁23有4个交替的N和S极，它们在位置上彼此间隔相等的角度90°，即P＝4，其中P是永久磁铁23的磁极的数目。图6表明这永久磁铁23的磁通密度的分布。电枢铁芯24上有齿26，每个齿由两个相邻的绕组槽25形成，它们都面对着永久磁铁23的磁极。转子22的旋转轴21由电枢铁芯24支持，但可以转动。因此，电枢铁芯24的齿26和永久磁铁23的磁极之间的相对位置将随着转子22的旋转而改变。

图7是图5的无刷DC电机在线段X-X′及Y-Y′处展成直线时的展开图。电枢铁芯24有24个绕组槽a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o、p、q、r、s、t、u、v、w及x，以及每两相邻绕组槽提供出一个齿，共有24个齿， 即T＝24，其中T是电枢铁芯24的齿数。电枢铁芯24还有三个空槽a′、b′、及c′，它们是在面对永久磁铁23的某些齿的地方，空槽中没有绕组线圈。交叠绕组线圈A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃、B₄、C₁、C₂、C₃、及C₄均绕在绕组槽a至x内。每个绕组线圈A₁至C₄围绕电枢铁芯24的五个齿。亦即是，A₁绕在绕组槽a及f内，A₂在绕组槽g及l内，A₃在绕组槽m及r内，A₄在绕组槽s及x内，B₁在绕组槽e及j内，B₂在绕组槽k及p内，B₃在绕组槽q及v内，B₄在绕组槽w及d内，C₁在绕组槽i及n内，C₂在绕组槽o及t内，C₃在绕组槽u及b内，以及C₄在绕组槽c及h内。绕组线圈A₁、A₂、A₃及A₄接成串联，形成第一相绕组A，绕组线圈B₁、B₂、B₃、及B₄接成串联，形成第二相绕组B，绕组线圈C₁、C₂、C₃、及C₄接成串联，形成第三相绕组C。下面将要说明，绕组A、B、及C之间的相位差正好等于120el（电气度数），其中180el相当于（360/P）度即一个磁距。在图5中P＝4，于是180el相当于90°（机械度数），这和图1通常的电机中的角度是一样的。因此，对这三相绕组A、B、及C供入三相电流，即能得出使转子22加速的一个转矩。

图8表示本发明无刷DC电机使用的一个电子配电器30。电子配电器30有一个驱动器31及一位置检测器32，并以三相电流I₁I₂及I₃分别供电至星形连接的三相绕组A、B及C。位置检测器32能测出电枢铁芯24与永久磁铁23之间的相对位置，并且利用检测永久磁铁23的磁通量的方法输出三相正弦信号P₁、P₂及P₃，这三个正弦信号将随着转子22的旋转而变化。驱动器31输出三 相电流I₁、I₂及I₃，三相电流I₁、I₂及I₃各与一个指令信号F乘以输出信号P₁、P₂及P₃成比例。于是，由于永久磁铁23的磁通量与三相电流I₁、I₂及I₃对绕组A、B及C的相互作用就产生一个使转子22起加速作用的转矩，下面将要详细说明这个由三相电流引起的电磁转矩。

在图7中，因为绕组槽a至x在位置上彼此相隔并不都是相等的角度。所以各齿的有效间距并不相同，一个齿的“有效间距”定义为形成该齿的相邻两绕组槽的中心之间的角度。在T等于6P＝24（P＝4）的情况下，当所有的绕组槽彼此相隔一个相等的角度时，标准的有效间距为D＝（360/T）＝15度。因此在本说明中，其有效间距小于D的齿称为“短齿”，而有效间距大于D的齿叫做“长齿”，并且一个齿是用形成该齿的相邻两绕组槽来命名的。例如，齿a至b是指由绕组槽a及b形成的一个齿。在图7中，齿a-b、b-c、c-d、d-e、e-f、f-g、g-h、i-j、j-k、k-l、l-m、m-n、n-o、o-p、q-r、r-s、s-t、t-u、u-v、v-w及w-x都是短齿，而齿h-i、p-q及x-a都是长齿。

在本说明中，如果一个块至少有一个短齿并且没有长齿且位置上是连贯的，这样的块叫做“短块”，如果一个块至少有一个长齿并且没有短齿且在位置上是连贯的，这种块叫做“长块”。一个块是用该块两端的绕组槽来命名的。例如，块<a，h>是指齿a-b、b-c、c-d、d-e、e-f、f-g及g-h的一块。在图7中，有三个短块<a、h>，<i，p>及<q、x>，也就是齿a-b、b-c、c-d、d-e、e-f、f-g及g-h的短块、齿i-j j-k、k-l、l-m、m-n、n-o及o-p的短块以及齿q-r、r-s、s-t、t-u、u-v、v-w、w-x的短块。还有三个长块<h，i>、<p，q>及<x，a>，也就是齿h-i的长块、齿p-q的长块以及x-a的长块。须注意块不是按齿的数目来分类，而是根据其所包含的齿的性质进行区分的。

短块<a，h>、<i，P>及<q，x>中，每个短块有7个短齿，而在长块<h，i>，<p，q>及<x，a>中，每个长块只有一个长齿。图5及图7所示的本发明无刷DC电机的电枢铁芯24有三对短块和长块，它们交替地分布在旋转轴21的周围，并且这三对短块和长块，对于旋转轴21来说，是对称分布的。

短齿a-b、b-c、c-d、d-e、e-f、f-g、g-h、i-j、j-k、k-l、l-m、m-n、n-o、o-p、q-r、r-s、s-t、t-u、u-v、v-w及w-x中，每一齿的有效间距是等于或差不多等于（360/27）＝13.333度，而长齿h-i、p-q及x-a中，每一齿的有效间距是等于或差不多等于（720/27）＝26.667度。因此，每个短齿的有效间距与每个长齿的有效间距之比是1∶2。长齿h-i在其中心部位面对永久磁铁23的磁极有一个空槽a′，长齿p-q在其中心部位有一空槽b′以及长齿x-a在其中心部位有一空槽c′。因此，绕组槽a至x和空槽a′至c′在位置上彼此相隔一个相等或差不多相等的角度（360/27）＝13.333度。

下面将说明图5所示本发明实施例的齿槽效应转矩。齿槽效应转矩产生于永久磁铁和电枢铁芯之间的相互作用，确定地说，这种转矩是由于永久磁铁和电枢铁芯之间的相对旋转运动使存贮在空气隙中的磁 能有所改变而产生的，齿槽效应转矩按照它们的相对位置而作周期性变化，基本周期为360°（旋转一周）。对于旋转电机的平滑旋转来说，有这种转矩的存在是有害的。但齿槽效应转矩受面对永久磁铁的电枢铁芯的形状的影响，还受永久磁铁磁极中磁荷分布的影响。电枢铁芯的形状可以在基本周期360°上用傅里叶级数展开的形状谐波来表示，这种形状谐波就是电枢铁芯形状的本性。磁分布也可以在基本周期360°上用傅里叶级数展开的磁谐波来代表，磁谐波就是永久磁铁中磁荷分布的本性。

数学上讲，齿槽效应转矩决定于形状谐波与磁谐波的卷积，并且也能在基本周期360°上展成傅里叶级数。齿槽效应转矩每个分量（循环/转）的幅度，是正比于与齿槽效应转矩同样度数的形状谐波分量和磁分布谐波分量的乘积。

由于空气隙中的磁能正比于永久磁铁的磁通密度的平方，且图6所示的磁通密度的分布在极性上是对称的，所以永久磁铁23的磁分布谐波是以1磁距（360/P）＝90°为周期的周期函数。因此，电枢铁芯24以1磁距为周期的形状谐波的复合磁变化比较小时，齿槽效应转矩也比较小。

图10是在永久磁铁23的1极距周期上电枢铁芯24的绕组槽a至x和空槽a′至c′的相位图。绕有绕组A线圈A₁、A₂、A₃及A₄的绕组槽a、f、g、l、m、r、s及x和空槽c′放置得使有（1极距）/27的相位差。即绕组槽a、f、g、l、m、r、s及x和空槽c′的相位彼此相差（1极距）/27，而绕组槽a、f、g、l、m、r、s及x的相位范围都在（1极距）/3之内。同样，绕有绕组B线圈B₁、B₂、B₃及B₄的绕组槽d、e、j、 k、p、q、v及w和空槽b′放置得使有同样的（1极距）/27的相位差，且绕组槽d、e、j、k、p、q、v及w的相位范围是在（1极距）/3之内。同样，绕有绕组C线圈C₁、C₂、C₃及C₄的绕组槽b、c、h、i、n、o、t及u和空槽a′放置得使有同样的（1极距）/27的相位差，且绕组槽b、c、h、i、n、o、t及u的相位范围是在（1极距）/3之内。此外，绕组A的绕组槽（a、f、g、l、m、r、s、x），绕组B的绕组槽（d、e、j、k、p、q、v、w）和绕组C的绕组槽（b、c、h、i、n、o、t、u）三者之间的相位差正好等于（1极距）/3。作为以上所述的结果即是，三相绕组A、B及C三者之间的相位差正好等于120el度。绕组槽a至x和空槽a′至c′的相位都不相同，各相差（1极距）/27，这就预期到在1极距周期上复合的磁变化能够变小。

图11说明了绕组槽a至x和空槽a′至c′的磁变化波形和电枢铁芯24的复合磁变化Tv的波形。每个绕组槽和空槽的磁变化相当于每个开孔宽度而平滑地改变，且每个空槽a′、b′和c′具有与每个绕组槽a至x同样的磁的影响。由于绕组槽和空槽的相位彼此相差（1极距）/27，所以复合的磁变化Tv变得很小。

图12是图1和图2通常旋转电机的电枢铁芯4的复合磁变化Tv′的波形。在通常的旋转电机情况下，绕组槽a、g、m及s的相位均相隔1极距而彼此相同，绕组槽b、h、n及t的相位彼此相同，绕组槽c、i、o及u的相位彼此相同，绕组槽d、j、p及v的相位彼此相同，绕组槽e、k、q及w的相位彼此相同以及绕组槽f、l、r及x的相位也都彼此相同。所以复合磁的变化Tv′很大。比较一下 图11的复合磁变化Tv和图12的复合磁变化Tv′可以知道，本发明电机的Tv比通常电机的Tv′要小得多。因此，图5所示本发明的无刷DC（直流）电机的实施例只有很小的齿槽效应转矩。值得注意，图5的无刷DC电机在没有空槽时，其齿槽效应转矩也是很小的，这是因为没有空槽时，电枢铁芯24的复合磁变化也小于图12中通常电枢铁芯4的复合磁变化Tv′。

其次，下面将说明图5所示本发明无刷DC电机的电磁转矩。电磁转矩是由三相电流I₁、I₂及I₃供至三相绕组A、B及C时所产生出的转矩之和，而每一个由电流I₁、I₂及I₃产生的三相绕组A、B及C的转矩是该电流与磁通密度的乘积。因此，电磁转矩Tor是

Tor＝G（B_aI₁+B_bI₂+B_cI₃） ……（1）

其中G是一个常数，B_a，B_b及B_c各为三相绕组A、B及C的等效磁通密度。这里假定永久磁铁23的分布是正弦形的，即

B（x）＝B₁sin（x） ……（2）

其中x是一个角度（电角度）。于是，等效磁通密度B_a，B_b和B_c也是正弦形的，即

B_a（z）＝KB₁sin（z） ……（3a）

B_b（z）＝KB₁sin（z-120el） ……（3b）

B_c（z）＝KB₁sin（z-240el） ……（3c）

其中K是一个常数，z是电枢铁芯24的一个参考点与永久磁铁23的一个参考点之间的相对角度（电气度数）。当三相电流I₁、I₂I₃为正弦变化时，

I₁（z）＝I_psin（z） ……（4a）

I₂（z）＝I_psin（z-120el） ……（4b）

I₃（z）＝I_psin（z-240el） ……（4c）

其中I_p是与指令信号F成比例的电流的峰值。于是，产生的转矩为

T_or＝（3/2）（GK）B₁I_p……（5）

即本实施例的电磁转矩T_or是平滑的且没有波动转矩。

但图6永久磁铁23的实际分布中有3次、5次、7次等高次的分量。这些高次分量，特别是3次、5次和7次，产生出一个波动转矩，而这波动转矩和齿槽效应转矩一样，都妨碍电机去做平滑的旋转。然而由于（1极距）/3内每个绕组A、B或C的绕组槽的相位均不相同，所以等效磁通密度B_a、B_b及B_c的3次、5次、7次等分量都被减小。假定永久磁铁23的磁通密度分布为：

B（x）＝B₁sin（x）+B₃sin（3x）+B₅sin（5x）+B₇sin（7x） ……（6）

于是，等效的磁通密度B_a、B_b及B_c就成为：

B_a（z）＝K{K₁B₁sin（z）+K₃B₃sin（3z）+K₅B₅sin（5z）+K₇B₇sin（7z）} ……（7a）

B_b（z）＝B_a（z-120el） ……（7b）

B_c（z）＝B_a（z-240el） ……（7c）

其中K₁＝0.95，K₃＝0.595，K₅＝0.093，及K₇＝-0.283。因此，K₁/K₁＝1（标称化），K₃/K₁＝0.62，K₅/K₁＝0.098及K₇/K₁＝-0.30。由于系数K₃/K₁，K₅/K₁及K₇/K₁的绝对值均比1小得多，所以永久磁铁23的高次分量B₃，B₅，B₇的影响都被减小，以上实施例无刷DC电机的波动转矩亦就变小了。因此，图5所示本发明无刷DC电 机的齿槽效应转矩和波动转矩都小，从而得到较平滑的旋转。

在以上实施例中，电枢铁芯24的绕组线圈A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃、B₄、C₁、C₂、C₃及C₄都能用一绕线机自动绕制，因为这些绕组线圈的绕组间距都差不多等于永久磁铁23的1极距的5/6，其中一个绕组线圈的绕组间距就是该绕组线圈所绕的两绕组槽中心之间的角度。绕组线圈A₁至C₄的绕组间距都为133.3el或160el。确切地说，绕组线圈A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃、B₄、C₁、C₂、C₃及C₄的绕组间距分别为133.3el、160el、160el、133.3el、160el、133.3el、133.3el、160el、133.3el、160el及133.3el。

在以上的实施例中，还采用了一个电子配电器，它以多相正弦电流供给多相绕组，但这配电器的结构与齿槽效应转矩无关（这配电器与波动转矩有关）。所以，图8所示的电子配电器可以代替机械的电刷型换向器。此外，虽然图5的永久磁铁23做成连续的园形形式，但在本发明中，也可采用中间有空隙分开的磁铁部件。

前面讲过，即使去掉空槽，本发明旋转电机的齿槽效应转矩也是小的。一般地说，如果提供出下述的旋转电机，就能减小齿槽效应转矩，这种旋转电机包含有：一个园形的励磁永久磁铁部件和一个由磁性材料做成的电枢铁芯，所说的磁铁部件具有永久磁化的N和S极，后两者交替地分布在所说旋转电机的旋转轴四周，所说N和S极的数目为P，P是一个偶数，所说的电枢铁芯有许多齿，每个齿由相邻两个绕组槽形成，绕组槽中绕有多相绕组的交叠绕组线圈，所说齿的数目为T，T不小于2P，所说多相绕组的数目为H，H不小于2，其 中所说电枢铁芯至少有一对短块和长块，交替地分布在所说旋转轴的四周，每个所说的短块至少有两个短齿且没有长齿，每个所说的长块至少有一个长齿而没有短齿，所说的短齿中每一个短齿的有效间距都小于D＝（360/T）度，所说的长齿中每一个有效间距都大于D。

可取的方法是一对对短块和长块的数目取成H的整倍数。依次H对短块和长块的总的有效间距取成等于或差不多等于（360/P）Q度，在所说依次的H对中，一对相邻的短块和长块内所说齿的数目取成Q的整倍数，亦都是可取的，其中Q是不小于2的一个整数并且最好不等于H的整倍数。还有一种可取的方法是在相邻一对短块和长块中所说齿的数目取成不等于H的一个整倍数。还有可取的是每个所说短齿的有效间距与每个所说长齿的有效间距之比为R∶R+1，其中R是一个整数且最好不大于4。还有可取的是至少有一个长齿在其面对所说磁铁部件的面上至少有一个空槽。还有可取的是每个所说短齿的有效间距与每个所说长齿的有效间距之比为R∶R+1，其中R是一个整数，并且所说的空槽和所说的绕组槽都围绕了所说的旋转轴分布在相等或差不多相等的角度上。

能减小齿槽效应转矩的本发明旋转电机的其它结构如表1所示，表内列出各齿的有效间距。

表1

（A）222222232222222322222223

（B）333333343333333433333334

（C）111111141111111411111114

（D）111111231111112311111123

（E）333333453333334533333345

在表1内，排列（A）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的另一种安排。每个短齿的有效间距现变成等于2个角单位，每个长齿的有效间距变成等于3个角单位，其中1个角单位是（360/51）＝7.06度。在短齿和长齿的面上都置以空槽，使绕组槽和空槽彼此都相隔1个角单位。

排列（B）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的又一种安排。每个短齿的有效间距现变成等于3个角单位，每个长齿的有效间距变成等于4个角单位，其中1个角单位是（360/75）＝4.8度。在短齿和长齿的面上都置以空槽，使绕组槽和空槽彼此相隔1个角单位。

排列（C）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的又一种安排每个短齿的有效间距等于1个角单位，每个长齿的有效间距等于4 个角单位，其中1个角单位是（360/33）＝10.909度。在长齿的面上置以空槽，使绕组槽和空槽彼此相隔1个角单位。

排列（D）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的又一种安排。每个短块有6个短齿而每个长块有2个长齿。每个短齿的有效间距等于1个角单位，长齿的有效间距则等于2或3个角单位，其中1个角单位是（360/33）＝10.909度。在长齿的面上置以空槽，使绕组槽和空槽彼此相隔1个角单位。

排列（E）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的又一种安排。每个短块有6个短齿而每个长块有2个长齿。每个短齿的有效间距等于3个角单位，长齿的有效间距则等于4或5个角单位，其中1个角单位是（360/81）＝4.444度。在短齿和长齿的面上都置以空槽，使绕组槽和空槽彼此相隔1个角单位。

在以上实施例中，每个短块内齿的数目是大于每个长块内齿的数目，但能减小齿槽效应转矩的本发明旋转电机的结构不限于以上这些情况。一般地说，如果提供出下述的旋转电机，就能减小齿槽效应转矩，这种旋转电机含有：一个园形励磁永久磁铁部件，它有永久磁化的N和S极，后两者交替地分布在所说旋转电机旋转轴的四周，所说N和S极的数目为P，P是一个偶数;以及一个由磁性材料做成的电枢铁芯，电枢铁芯上有许多齿，每个齿由相邻两个绕组槽形成，绕组槽内绕有多相绕组的交叠绕组线圈，所说齿的数目为T，T不小于2P，所说多相绕组的相数为H，H不小于2;其中所说的电枢铁芯至少有一对短块和长块，短块和长块交替地分布在所说旋转轴的四周，每一短块至少有一个短齿而没有长齿，每个长块至少有两个长齿且没有短齿，每个短齿的有效间距小于D＝（360/T）度，每个 长齿的有效间距则大于D。

这里可取的方法是一对对短块和长块的数目取成H的整倍数。依次H对短块和长块的总的有效间距取成等于或差不多等于（360/P）Q度，在所说依次的H对中，一对相邻的短块和长块内所说齿的数目取成Q的整倍数，亦都是可取的，其中Q是不小于2的一个整数并且最好不等于H的整倍数。还有一种可取的方法是在相邻一对短块和长块中所说齿的数目取成不等于H的一个整倍数。还有可取的是每个所说短齿的有效间距与每个所说长齿的有效间距之比为R∶R+1，其中R是一个整数且最好不大于4。还有可取的是至少有一个长齿在其面对所说磁铁部件的面上至少有一个空槽。还有可取的是每个所说短齿的有效间距与每个所说长齿的有效间距之比为R∶R+1，其中R是一个整数，并且所说的空槽和所说的绕组槽都围绕了所说的旋转轴分布在相等或差不多相等的角度上。

能减小齿槽效应转矩的本发明旋转电机的其它结构如表2所示，表中列出了各齿的有效间距。

表2

（A）222222212222222122222221

（B）333333323333333233333332

（C）444444414444444144444441

（D）333333123333331233333312

（E）444444234444442344444423

在表2内，排列（A）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的另一种安排。每个长块有7个长齿而每个短块有1个短齿。每个短齿的有效间距等于1个角单位，长齿的有效间距则等于2个角单位，其中1个角单位是（360/45）＝8度。在长齿的面上置以空槽，使绕组槽和空槽彼此相隔1个角单位。

排列（B）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的又一种安排。每个长块有7个长齿而每个短块有1个短齿。每个短齿的有效间距等于2个角单位，每个长齿的有效间距则等于3个角单位，其中1个角单位是（360/69）＝5.217度。在短齿和长齿的面上均置以空槽，使绕组槽和空槽彼此相隔1个角单位。

排列（C）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的又一种安排。每个长块有7个长齿而每个短块有1个短齿。每个短齿的有效间距等于1个角单位，每个长齿的有效间距则等于4个角单位，其中1个角单位是（360/87）＝4.138度。长齿的面上置以空槽，使绕组槽和空槽彼此相隔1个角单位。

排列（D）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的又一种安排。每个长块有6个长齿而每个短块有2个短齿。短齿的有效间距等于1个角单位或2个角单位，长齿的有效间距都等于3个角单位，其中1个角单位是（360/63）＝5.714度。在长齿和短齿面上都置以空槽，使绕组槽和空槽彼此相隔1个角单位。

排列（E）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的又一种安排。每个长块有6个长齿而每个短块有2个短齿。短齿的有效间距等于2或3个角单位，长齿的有效间距都等于4个角单位，其中1个角单位是（360/87）＝4.138度。在短齿和长齿面上都置以空槽，使绕组槽和空槽彼此相隔1个角单位。

在以上实施例中，围绕旋转轴对称地布置3对短块和长块，但能减小齿槽效应转矩的本发明旋转电机的结构不限于以上这些情况。一般地说，如果提供出下述的旋转电机，就能减小齿槽效应转矩，这种旋转电机含有：一个园形励磁永久磁铁部件，它有永久磁化的N和S极，后两者交替地分布在所说旋转电机旋转轴的四周，所说N和S极的数目为P，P是一个偶数;以及一个由磁性材料做成的电枢铁芯，电枢铁芯上有许多齿，每个齿由相邻两个绕组槽形成，绕组槽内绕有多相绕组的交叠绕组线圈，所说齿的数目为T， T不小于2P，所说多相绕组的相数为H，H不小于2;其中所说的电枢铁芯至少有一个短齿和至少有一个长齿，每个短齿的有效间距小于D＝（360/T）度，每个长齿的较小的有效间距是大于D;并且其中所说电枢铁芯依次L个齿总的有效间距是等于或差不多等于（360/P）Q度，其中L是一个比H大的整数，Q是一个不小于2的整数，这些齿的有效间距中的最小值与在所说依次的L个齿中第m齿的有效间距之比为R∶R+Vm，其中R是不小于1的一个整数，Vm是包括0的一个整数，从m＝1到m＝L时Vm的和是W，W不等于Qd的整倍数，其中Qd是Q的一个除数且大于1。

W＝Qd-1或W＝Qd+1均是可取的。W＝Qm-1或W＝Qm+1也是可取的，其中Qm是Q的整倍数。还可取的方法是至少一个所说的长齿至少有一个面对着所说磁铁部件的空槽。还可取的是所说的空槽和所说依次L个齿的所说绕组槽，都围绕着所说的旋转轴分布在相等或差不多相等的角度上，这角度为所说依次L个齿中所说齿的有效间距最小值的1/R。

例如，在图5的实施例情况下，Q＝P＝4，L＝24，R＝1及W＝Q-1＝3;在表1的排列（E）中，Q＝4，L＝24，R＝3及W＝2Q+1＝9;在表2的排列（A）情况下，Q＝4，L＝24，R＝1及W＝5Q+1＝21;在表2的排列（E）情况下，Q＝4，L＝24，R＝2及W＝10Q-1＝39。

能减小齿槽效应转矩的本发明旋转电机的其它结构如表3所示，表中列出了各齿的有效间距。

表3

（A）111111121111111111111111

（B）111111141111111111111111

（C）222222232242222222222222

（D）222222212222222222222222

（E）444444414444444444444444

（F）333333323313333333333333

在表3内，排列（A）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的另一种安排。这个电枢铁芯只有一对短块和长块。长块有一个长齿而短块有23个短齿。每个短齿的有效间距等于1个角单位，长齿的有效间距则等于2个角单位，其中1个角单位是（360/25）＝14.4度。因此，Q＝4，L＝24，R＝1及W＝1。在长齿的面上置以一个空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（B）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的又一种安排。这个电枢铁芯只有一对短块和长块。长块有一个长齿而短 块有23个短齿。每个短齿的有效间距等于1个角单位，长齿的有效间距则等于4个角单位，其中1个角单位是（360/27）＝13.333度。因此，Q＝4，L＝24，R＝1及W＝3。在长齿的面上置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（C）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的又一种安排。这个电枢铁芯有两对短块和长块。每个长块有一个长齿而短块有2个短齿或20个短齿。每个短齿的有效间距等于2个角单位，长齿的有效间距则等于3或4个角单位，其中1个角单位是（360/51）＝7.059度。因此，Q＝4，L＝24，R＝2及W＝3。在短齿和长齿的面上都置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔1个角单位。

排列（D）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的又一种安排。电枢铁芯只有一对短块和长块。长块有23个长齿而短块有一个短齿。每个长齿的有效间距等于2个角单位，短齿的有效间距等于1个角单位，其中1个角单位是（360/47）＝7.660度。因此，Q＝4，L＝24，R＝1及W＝23。长齿的面上都置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔1个角单位。

排列（E）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的又一种安排。电枢铁芯只有一对短块和长块。长块有23个长齿而短块有一个短齿。每个长齿的有效间距等于4个角单位，短齿的有效间距等于1个角单位，其中1个角单位是（360/93）＝3.871度。因此，Q＝4，L＝24，R＝1及W＝69。长齿的面上都 置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔1个角单位。

排列（F）列出了图5及图7所示的电枢铁芯24各齿的又一种安排。电枢铁芯有两对短块和长块。每个短块有一个短齿，长块有2个或20个长齿。每个长齿的有效间距等于3个角单位，短齿的有效间距则等于1个角单位或2个角单位，其中1个角单位是（360/69）＝5.217度。因此，Q＝4，L＝24，R＝1及W＝45。在长齿的面上和有一短齿面上置有空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔1个角单位。

T＝3P情况下的本发明实施例

图13表明在T＝3P情况下本发明的一种无刷DC电机实施例的截面图，它相当于图3及图4所示的通常的旋转电机。在图13中，一个园柱形永久磁铁43固定在由磁性材料做成的转子42的外周上，并且永久磁铁43随同转子42一起绕一旋转轴41旋转。永久磁铁43有4个交替的N和S极，它们在位置上彼此间隔相等的角度90°，即P＝4。永久磁铁43的磁通密度的分布和图6中的是相同的。电枢铁芯44上有齿46，每个齿由两个相邻的绕组槽45形成，它们都面对着永久磁铁43的磁极。转子42的旋转轴41由电枢铁芯44支持，但可以转动。因此，电枢铁芯44的齿46和永久磁铁43的磁极之间的相对位置将随着转子42的旋转而改变。

图14是图13本发明无刷DC电机在线段X-X′及Y-Y′处展成直线时的展开图。电枢铁芯44有12个绕组槽a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、及l，以及每两相邻绕组槽提 供出的12个齿，即T＝12。电枢铁芯44还有3个空槽a′、b′及c′，它们是在面对永久磁铁43的某些齿的地方，空槽中没有绕组线圈。交叠绕组线圈A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃、B₄、C₁、C₂、C₃及C₄均绕在绕组槽a至l内。每个绕组线圈A₁至C₄围绕电枢铁芯44的3个齿。亦即是，A₁绕在绕组槽a及d内，A₂在绕组槽d及g内，A₃在绕组槽g及j内，A₄在绕组槽j及a内，B₁在绕组槽c及f内，B₂在绕组槽f及i内，B₃在绕组槽i及l内，B₄在绕组槽l及c内，C₁在绕组槽e及h内，C₂在绕组槽h及k内，C₃在绕组槽k及b内，以及C₄在绕组槽b及e内。绕组线圈A₁、A₂、A₃及A₄接成串联，形成第一相绕组A，绕组线圈B₁、B₂、B₃及B₄接成串联，形成第二相绕组B，绕组线圈C₁、C₂、C₃及C₄接成串联，形成第三相绕组C。下面将要说明，绕组A、B及C之间的相位差正好等于120el（电气度数），其中180el相当于（360/P）度即1个磁距。在图13中，P＝4，于是180el相当于90°（机械度数），这和图3通常的电机中的角度是一样的。因此，对这三相绕组A、B及C供入三相电流，即能得出使转子42加速的一个转矩。图8中的电子配电器也可用于图13本发明的无刷DC电机。

在图14中，因为绕组槽a至l在位置上彼此相隔并不都是相等的角度，所以各齿的有效间距并不相同。在T＝3P＝12（P＝4）情况下，当所有的绕组槽彼此相隔一个相等角度时，标准的有效间距为D＝（360/T）＝30度。因此，短齿具有小于D的有效间距，长齿具有大于D的有效间距。在图14中，齿 a-b、b-c、c-d、e-f、f-g、g-h、i-j、j-k及k-l都是短齿，而齿d-e、h-i及l-a都是长齿。图中有三个短块<a，d>，<e，h>及<i，l>，也就分别是齿a-b、b-c及c-d的短块、齿e-f、f-g及g-h的短块以及齿i-j、j-k及k-l的短块。还有三个长块<d，e>，<h，i>及<l，a>，也就分别是齿d-e的长块、齿h-i的长块以及齿l-a的长块。

短块<a，d>，<e，h>及<i，l>中，每个短块有三个短齿，而在长块<d，e>，<h，i>及<l，a>中，每个长块只有一个长齿。图13及图14所示的本发明无刷DC电机的电枢铁芯44有3对短块和长块，它们交替地分布在旋转轴41的周围，并且这三对短块和长块，对于旋转轴41来说，是对称分布的。

短齿a-b、b-c、c-d、e-f、f-g、g-h、i-j、j-k及k-l中，每一齿的有效间距是等于或差不多等于（360/15）＝24度，而长齿d-e、h-i及l-a中，每一齿的有效间距等于或差不多等于（720/15）＝48度。因此，每个短齿的有效间距与每个长齿的有效间距之比是1∶2。长齿d-e在其中心部位面对永久磁铁43的磁极有一个空槽a′，长齿h-i在其中心部位有一空槽b′以及长齿l-a在其中心部位也有一空槽c′。因此，绕组槽a至l和空槽a′至c′在位置上彼此相隔一个相等或差不多相等的角度（360/15）＝24度。

下面将说明图13所示本发明实施例的齿槽效应转矩。图 15表明了永久磁铁43的1极距周期上电枢铁芯44的绕组槽a至l和空槽a′至c′的相位。绕有绕组A线圈A₁、A₂、A₃及A₄的绕组槽a、d、g及j和空槽c′都被放置得使有（1极距）/15的相位差。即绕组槽a、d、g及j和空槽c′的相位彼此相差（1极距）/15，而绕组槽a、d、g及j的相位范围是小于（1极距）/3。同样，绕有绕组B线圈B₁、B₂、B₃及B₄的绕组槽c、f、i及l和空槽b′放置得使有同样的相位差（1极距）/15，且绕组槽c、f、i及l的相位范围是小于（1极距）/3。同样，绕有绕组C线圈C₁、C₂、C₃及C₄的绕组槽b、e、h及k和空槽a′放置得使有同样的相位差（1极距）/15，且绕组槽b、e、h及k的相位范围是小于（1极距）/3。此外，绕组A的绕组槽（a、d、g、j），绕组B的绕组槽（c、f、i、l）和绕组C的绕组槽（b、e、h、k）三者之间的相位差正好等于（1极距）/3。作为上述的结果，三相绕组A、B及C三者之间的相位差正好等于120el度，并且利用了图8的配电器30，可以得出平滑的转矩。

绕组槽a至l和空槽a′至c′所有的相位都不相同，彼此各相差（1极距）/15，这就预期到在1极距周期上复合的磁变化能够变小。图16说明了绕组槽a至l和空槽a′至c′的磁变化波形和电枢铁芯44的复合磁变化Tv的波形。每个绕组槽和空槽的磁变化相当于每个开孔宽度而平滑地改变，且每个空槽a′、b′及c′具有与每个绕组槽a至l同样的磁影响。由于绕组槽和空槽的相位彼此相差（1极距）/15，所以复合的磁变化Tv变得很小。

图17是图3和图4通常旋转电机的电枢铁芯14的复合磁变 化Tv′的波形。在通常的旋转电机情况下，绕组槽a、b、g及j的相位均相隔1极距而彼此相同，绕组槽b、e、h及k的相位都彼此相同，绕组槽c、f、i及l的相位也都彼此相同。所以复合磁变化Tv′是很大的。比较一下图16的复合磁变化Tv和图17的复合磁变化Tv′可以知道，本发明电机的Tv比通常电机Tv′要小得多。因此，图13所示本发明的无刷DC电机的实施例只有很小的齿槽效应转矩。值得注意，图13的无刷DC电机在没有空槽时，其齿槽效应转矩也是很小的，这是因为没有空槽时，电枢铁芯44的复合磁变化也小于图17中通常电枢铁芯14的复合磁变化Tv′。

在以上实施例中，电枢铁芯44的绕组线圈A₁、A₂、A₃A₄、B₁、B₂、B₃、B₄、C₁、C₂、C₃及C₄都能用一绕线机自动绕制，因为这些绕组线圈的绕组间距都差不多等于永久磁铁43的1个极距。绕组线圈A₁至C₄的绕组间距都为144el或192el。确切地说，绕组线圈A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃、B₄、C₁、C₂、C₃及C₄的绕组间距分别为144el、192el、192el、192el、192el、192el、144el、192el、144el、192el、192el及192el。

能减小齿槽效应转矩的本发明旋转电机的其它结构如表4所示，表内列出了各齿的有效间距。 表4

（A）222322232223

（B）333433343334

（C）111411141114

（D）112311231123

（E）334533453345

在表4内，排列（A）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的另一种安排。每个短齿的有效间距现变成等于2个角单位，每个长齿的有效间距变成等于3个角单位，其中1个角单位是（360/27）＝13.333度。因此，Q＝4，L＝12，R＝2及W＝3。在短齿和长齿的面上都置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（B）列出图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的又一种安排。每个短齿的有效间距变成等于3个角单位，每个长齿的有效间距变成等于4个角单位，其中1个角单位是（360/39）＝9.231度。因此Q＝4，L＝12，R＝3及W＝3。在短齿和长齿的面上都置以空槽，使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1 个角单位。

排列（C）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的又一种安排。每个短齿的有效间距等于1个角单位，每个长齿的有效间距变成等于4个角单位，其中1个角单位是（360/21）＝17.143度。因此，Q＝4，L＝12，R＝1及W＝9。在长齿面上都置以空槽，使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（D）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的又一种安排。每个短块有2个短齿，每个长块有2个长齿。每个短齿的有效间距等于1个角单位而长齿的有效间距等于2或3个角单位，其中1个角单位是（360/21）＝17.143度。因此，Q＝4，L＝12，R＝1及W＝9。在长齿面上都置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（E）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的又一种安排。每个短块有两个短齿，每个长块有2个短齿。每个短齿的有效间距等于3个角单位而长齿的有效间距等于4或5个角单位，其中1个角单位是（360/45）＝8度。因此，Q＝4，L＝12，R＝3及W＝9。短齿和长齿面上都置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

在T＝3P的以上实施例中，每个短块中齿的数目是大于每个长块中齿的数目，但能减小齿槽效应转矩的本发明旋转电机的结构并不限于这些情况。

能减小齿槽效应转矩的本发明旋转电机的其它结构如表5所示，表内列出了各齿的有效间距。

表5

（A）222122212221

（B）333233323332

（C）444144414441

（D）331233123312

（E）442344234423

在表5中，排列（A）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的另一种安排。每个长块有3个长齿，每个短块有1个短齿。每个短齿的有效间距等于1个角单位，每个长齿的有效间距等于2个角单位，其中1个角单位是（360/21）＝17.143度。因此，Q＝4，L＝12，R＝1及W＝9。在长齿的面上都置以空槽，使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（B）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的又一种安排。每个长块有3个长齿，每个短块有1个短齿。每个短齿的有效间距等于2个角单位，每个长齿的有效间距等于3个角单位，其 中1个角单位是（360/33）＝10.909度。因此，Q＝4，L＝12，R＝2及W＝9。短齿和长齿面上都置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（C）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的又一种安排。每个长块有3个长齿，每个短块有1个短齿。每个短齿的有效间距等于1个角单位，每个长齿的有效间距等于4个角单位，其中1个角单位是（360/39）＝9.231度。因此，Q＝4，L＝12，R＝1及W＝27。在长齿面上都置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（D）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的又一种安排。每个长块有2个长齿，每个短块有2个短齿。短齿的有效间距等于1个角单位或2个角单位，长齿的有效间距都等于3个角单位，其中1个角单位是（360/27）＝13.333度。因此，Q＝4，L＝12，R＝1及W＝15。长齿和短齿面上都置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（E）列出了图13和图14所示的电枢铁芯44各齿的又一种安排。每个长块有2个长齿，每个短块有2个短齿。短齿的有效间距等于2或3个角单位，长齿的有效间距都等于4个角单位，其中1个角单位是（360/39）＝9.231度。因此，Q＝4，L＝12，R＝1及W＝15。短齿和长齿面上都置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

在T＝3P的以上实施例中，围绕了旋转轴对称地布置3对短块和长块，但能减小齿槽效应转矩的本发明旋转电机的结构并不限于这些情况。

能减小齿槽效应转矩的本发明旋转电机的其它结构如表6所示，表内列出了各齿的有效间距。

表6

（A）111211111111

（B）111411111111

（C）222322422222

（D）222122222222

（E）444144444444

（F）333233133333

在表6内，排列（A）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的另一种安排。这个电枢铁芯只有1对短块和长块。长块有1个长齿，短块有11个短齿，每一个短齿的有效间距等于1个角单位，长齿的有效间距等于2个角单位，其中1个角单位是（360/13）＝27.692度。因此，Q＝4，L＝12，R＝1及W＝1。在长齿面上置一个空槽，以使这些绕组槽和这个空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（B）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的 又一种安排。电枢铁芯只有一对短块和长块。长块有1个长齿，短块有11个短齿。每一个短齿的有效间距等于1个角单位，长齿的有效间距等于4个角单位，其中1个角单位是（360/15）＝24度。因此，Q＝4，L＝12，R＝1及W＝3。长齿面上置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（C）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的又一种安排。电枢铁芯有两对短块和长块。每个长块有1个长齿，短块有2个短齿或8个短齿。每个短齿的有效间距等于2个角单位，长齿的有效间距等于3或4个角单位，其中1个角单位是（360/27）＝13.333度。因此，Q＝4，L＝12，R＝2及W＝3。短齿和长齿面上都置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（D）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的又一种安排。电枢铁芯只有一对短块和长块。长块有11个长齿，短块有1个短齿。每个长齿的有效间距等于2个角单位，短齿的有效间距等于1个角单位，其中1个角单位是（360/23）＝15.652度。因此，Q＝4，L＝12，R＝1及W＝11。长齿的面上都置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（E）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的又一种安排。电枢铁芯只有一对短块和长块。长块有11个长齿，短块有1个短齿。每个长齿的有效间距等于4个角单位，短齿的有效间距等于1个角单位，其中1个角单位是（360/45）＝8度。因此，Q＝4，L＝12，R＝1及W＝33，长齿面上 都置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

排列（F）列出了图13及图14所示的电枢铁芯44各齿的又一种安排。电枢铁芯有两对短块和长块。每个短块有1个短齿，长块则有2或8个长齿。每个长齿的有效间距等于3个角单位，短齿的有效间距等于1个角单位或2个角单位，其中1个角单位是（360/33）＝10.909度。因此，Q＝4，L＝12，R＝1及W＝21。长齿的面上和一个短齿的面上置以空槽，以使这些绕组槽和空槽彼此相隔都是1个角单位。

图18表明在T＝3P情况下本发明另一种无刷DC电机实施例的截面图，它相当于图3及图4所示的通常的旋转电机。在图18中，一个园柱形永久磁铁53固定在由磁性材料做成的转子52的外周上，并且永久磁铁53随同转子52一起绕一旋转轴51旋转。永久磁铁53有4个交替的N和S极，它们在位置上彼此间隔相等的角度90°，即P＝4。永久磁铁53的磁通密度的分布和图6中的是相同的。电枢铁芯54上有齿56，每个齿由两个相邻的绕组槽55形成，它们都面对着永久磁铁53的磁极，转子52的旋转轴51由电枢铁芯54支持，但可以转动。因此，电枢铁芯54的齿56和永久磁铁53的磁极之间的相对位置将随着转子52的旋转而改变。

图19是图18本发明无刷DC电机在线段X-X′及Y-Y′处展成直线时的展开图。电枢铁芯54有12个绕组槽a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k及l，以及每两相邻绕组槽提供出的12个齿，即T＝12。电枢铁芯54还有6个空槽a′、b′、c′、d′、e′及f′，它们在面对永久磁铁53的某些齿的地 方，空槽内没有绕组线圈。交叠绕组线圈A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃、B₄、C₁、C₂、C₃及C₄均绕在绕组槽a至l内。每个绕组线圈A₁至C₄围绕电枢铁芯54的3个齿。亦即是，A₁绕在绕组槽a及d内，A₂在绕组槽d及g内，A₃在绕组槽g及j内，A₄在绕组槽j及a内，B₁在绕组槽c及f内，B₂在绕组槽f及i内，B₃在绕组槽i及l内，B₄在绕组槽l及c内，C₁在绕组槽e及h内，C₂在绕组槽h及k内，C₃在绕组槽k及b内，以及C₄在绕组槽b及e内。绕组线圈A₁、A₂、A₃及A₄接成串联，形成第一相绕组A，绕组线圈B₁、B₂、B₃及B₄接成串联形成第二相绕组B，绕组线圈C₁、C₂、C₃及C₄接成串联形成第三相绕组C。下面将要说明，绕组A、B及C之间的相位差正好等于120el（电气度数），其中180el相当于（360/P）度。即1个磁距。在图18中，P＝4，于是180el相当于90°（机械度数），这和图3通常的电机中的角度是一样的。因此，对这三相绕组A、B及C供入三相电流，即能得出使转子52加速的一个转矩。图8中的电子配电器也可用于图18本发明的无刷DC电机。

在图19中，因为绕组槽a至l在位置上彼此相隔并不都是相等的角度，所以各齿的有效间距并不相同。在T＝3P＝12（P＝4）情况下，当所有的绕组槽彼此相隔一个相等角度时，标准的有效间距为D＝（360/T）＝30度。因此，短齿具有小于D的有效间距，长齿具有大于D的有效间距。在图19中，齿a-b、c-d、e-f、g-h、i-j及k-l都是短齿，而齿b-c、d-e、f-g、h-i、j-k及l-a都是长齿。这里有6个短 块<a，b>，<c，d>，<e，f>，<g，h>，<i，j>及<k，l>以及6个长块<b，c>，<d，e>，<f，g>，<h，i>，<j，k>及<l，a>。每个短块只有一个短齿，每个长块也只有一个长齿。图18及图19所示的本发明无刷DC电机的电枢铁芯54具有6对短块和长块，它们交替地分布在旋转轴51的周围。

短齿a-b、c-d、e-f、g-h、i-j及k-l中，每一齿的有效间距是等于或差不多等于（360/18）＝20度，在长齿b-c、d-e、h-i及j-k中，每一齿的有效间距等于或差不多等于（720/18）＝40度，长齿f-g的有效间距等于或差不多等于（1+5/4）20＝45度，而长齿l-a的有效间距等于或差不多等于（1+3/4）20＝35度，每一个长齿b-c、d-e、f-g、h-i、j-k及l-a在其面对永久磁铁53的磁极的齿面上，各有一个空槽a′、b′、c′、d′、e′及f′。绕组槽a、b、c、d、e及f和空槽a′、b′及c′形成第一槽组，它们在位置上依次地相隔一个相等的角度，即第一间距20度。绕组槽g、h、i、j、k及l和空槽d′、e′及f′形成第二槽组，它们在位置上也依次地相隔第一间距。第一槽组和第二槽组两边相邻绕组槽之间的间距为35度或45度，后两者都不等于第一间距20度的整倍数。

下面将说明图18所示本发明实施例的齿槽效应转矩。图20表明了永久磁铁53的1极距周期上电枢铁芯54的绕组槽a至l和空槽a′至f′的相位。绕有绕组A线圈A₁、A₂、A₃、及A₄的绕组槽a、d、g及j和空槽c′及f′都布置得使有 （1极距）/18的相位差。即绕组槽a、d、g及j和空槽c′及f′的相位彼此相差（1极距）/18，而绕组槽a、d、g及j的相位范围是小于（1极距）/3。同样，绕有绕组B线圈B₁、B₂、B₃及B₄的绕组槽c、f、i及l和空槽a′及d′都布置得使有相同的（1极距）/18的相位差，且绕组槽c、f、i及l的相位范围小于（1极距）/3。同样，绕有绕组C线圈C₁、C₂、C₃及C₄的绕组槽b、e、h及k和空槽b′及e′都布置得使有同样的相位差（1极距）/18，且绕组槽b、e、h及k的相位范围小于（1极距）/3。此外，绕组A的绕组槽（a，d，g，j），绕组B的绕组槽（c、f、i、l）和绕组C的绕组槽（b、e、h、k）三者之间的相位差正好等于（1极距）/3。作为上述的结果，三相绕组A、B及C三者之间的相位差正好等于120el度，并且利用图8的配电器30，可以得出平滑的转矩。

绕组槽a至l和空槽a′至f′所有的相位都不相同，彼此各相差（1极距）/18，这就预期到在1极距周期上复合的磁变化能够变小。图21说明了绕组槽a至l和空槽a′至f′的磁变化波形和电枢铁芯54的复合磁变化Tv的波形。每个绕组槽和空槽的磁变化相当于每个开孔宽度而平滑地改变，且每个空槽a′、b′、c′、d′、e′及f′具有与每个绕组槽a至l同样的磁影响。由于绕组槽和空槽的相位彼此相差（1极距）/18，所以复合的磁变化Tv变得相当小。比较一下图21的复合磁变化Tv和图17的复合磁变化Tv′就可知道，本发明电机的Tv比通常电机的Tv′要小得多。因此，图18所示本发明的无刷DC电机的实施例只有很小的齿槽效应转矩。

在以上图18的实施例中，电枢铁芯中有两个槽组，但能减小齿槽效应转矩的本发明旋转电机的结构并不限于这种情况。一般地说，如果提供出下述的旋转电机，就能减小齿槽效应转矩，这种旋转电机含有：一个园形励磁永久磁铁部件和一个由磁性材料做成的电枢铁芯，所说的磁铁部件有永久磁化的N和S极，后两者交替地分布在所说旋转电机旋转轴的四周，所说N和S极的数目为P，P是一个偶数，所说电枢铁芯上有许多齿，每个齿由相邻两个绕组槽形成，绕组槽内绕有多相绕组的交叠绕组线圈，所说齿的数目为T，T不小于2P，所说多相绕组的相数为H，H不小于2;其中至少有一个所说的齿至少具有一个空槽，所说的电枢铁芯至少有一个第一槽组和一个第二槽组，所说第一槽组内的所说空槽和所说绕组槽都被布置得彼此相隔一个相等的等于或差不多等于第一间距的角度，所说第二槽组内的所说空槽和所说绕组槽亦被布置得彼此相隔等于或差不多等于第一间距，且所说第一槽组和所说第二槽组相邻绕组槽之间的第二间距不等于所说第一间距的整倍数。

可取的方法是第二间距与第一间距之比等于（1+N/M）或（1-N/M），其中M是一个不小2的整数，N是一个不小于1的整数，且N不等于M的整倍数。还可取的是所说的电枢铁芯至少有一对短块和长块，短块和长块交替地分布在所说旋转轴的四周，每一所说的短块至少有一个短齿而没有长齿，每一所说的长块至少有一个长齿且没有短齿，其中每个所说短齿的有效间距小于D＝（360/T）度，且每个所说长齿的有效间距大于D。还可取的是在每个所说短块内所说齿的数目是不小于在每个所说长块内所说齿的数目。

上面已经说明了本发明的某些实施例，但应该知道，这些实施 例仅是对本发明的一种理解，不能作为本发明范围的一种限制。在不离开由所附权项定义的本发明范围的情况下，还可以作出许多修饰和改变。

Claims (9)

1、一种旋转电机，它包括：

一个实际上呈圆形的励磁永久磁铁部件(23；43)，它具有围绕所述旋转电机的旋转轴(21；41)交替地布置的永久磁化的N极和S极，所述磁铁部件(23；43)的磁极数P是一个偶数，用磁性材料制成的电枢铁心(24；44)其多个绕组槽(25；45)的相邻两个绕组槽之间制有多个齿(26；46)，所述绕组槽内绕有多相绕组(A，B，C)的多个交叠绕组线圈(A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，C4)，所述齿(26，46)是与所述磁铁部件(23；43)的磁极相对的，所述齿(26；46)的数目T不小于2P，所述多相绕组(A，B，C)的相数H不小于2。

其特征在于：所述电枢铁心(24；44)是由短齿(a-b，b-c，c-d，d-e，e-f，f-g，g-h，i-j，j-k，k-l，l-m，m-n，n-o，o-p，q-r，r-s，s-t，t-u，u-v，v-w，w-x；a-b，b-c，c-d，e-f，f-g，g-h，i-j，j-k，k-l)和长齿(h-i，p-q，x-a；d-e，h-i，l-a)所组成的，各短齿的有效间距小于D=360/T，各长齿的有效间距大于D，所述电枢铁心(24，44)的依次L个齿(a-b，b-c，……，w-x，x-a；a-b，b-c，……，k-l，l-a)的总有效间距等于或差不多等于(360/p)Q度，其中，一个齿的有效间距定义为形成该齿的相邻对槽的入口部分的中心之间的角，L是大于H的整数，以及Q是不小于2的整数；

其中，各齿的有效间距中的最小值与所述依次L个齿(a-b，b-c，……，w-x，x-a；a-b，b-c，……，k-l，l-a)中的第m个齿的有效齿距之比为R∶R+Vm，式中R是不小于1的整数，Vm是包括零在内的整数；

其中从m=l到m=L的Vm的和是W，W不等于Qd的整数倍，其中Qd是Q的一个除数，且不小于2。

2、根据权利要求1的旋转电机，其特征在于W＝Qd-1。

3、根据权利要求1的旋转电机，其特征在于W＝Qd+1。

4、根据权利要求1的旋转电机，其特征在于W＝Qm-1，式中Qm是Q的整数倍。

5、根据权利要求1的旋转电机，其特征在于W＝Qm+1，式中Qm是Q的整数倍。

6、根据权利要求1的旋转电机，其特征在于Q＝P。

7、根据权利要求1的旋转电机，其特征在于H＝3。

8、根据权利要求1的旋转电机，其特征在于，所述依次L个齿（a-b，b-c，……，w-x，x-a;a-b，b-c，……，k-l，l-a）中的的至少两个所述齿（26;46）在其表面上设有与所述磁铁部件（23;43）相对的空槽部分（a′，b′，c′;a′，b′，c′）。

9、根据权利要求8的旋转电机，其特征在于，所述依次L个齿（a-b，b-c，……，w-x，x-a;a-b，b-c，……，k-l，l-a）中的所述空槽部分（a′，b′，c′;a′，b′，c′）和所述绕组槽（a，b，……，x;a，b，……l）的入口部分的中心是绕所述旋转轴以相等或差不多相等于所述依次L个齿中的所述齿的有效间距最小值的1/R的角度而布置的。

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