CN101056015A - 具有非垂直槽的内置磁体式机器 - Google Patents

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CN101056015A CN200710096368.2A CN200710096368A CN101056015A CN 101056015 A CN101056015 A CN 101056015A CN 200710096368 A CN200710096368 A CN 200710096368A CN 101056015 A CN101056015 A CN 101056015A
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Abstract

本发明涉及一种转子，该转子包括具有旋转中心轴的圆柱形外周和垂直于该中心轴所取的截面，该截面包括：多个内置式永磁体，每个磁体具有大于横向尺寸的纵向尺寸；多个非磁性槽，每个槽与磁体中的一个相关联，每个槽具有大于横向尺寸的纵向尺寸，其中，槽的纵向尺寸的轴不垂直于其所关联的内置式磁体的纵向尺寸的轴。本发明还涉及具有上述转子的机器。

Description

具有非垂直槽的内置磁体式机器
技术领域
本发明一般涉及具有埋藏在转子芯中的永磁体的机器，特别是用于在电子控制下以可变频率运行或以固定频率运行的内置磁体式机器(interiormagnet machine)的开槽转子。
背景技术
内置磁体式机器具有以下特性。
首先，与表面安装磁体式机器(surface mounted magnet machine)相比，许多内置磁体式机器具有较低的功率密度。在埋藏时，磁体的表面积通常被降低，需要更大的电机或发电机来获得相同的输出功率。尺寸更大的电机或发电机可在最终应用时产生封装问题或性能问题。
第二，内置磁体式转子通常产生梯形的气隙磁通分布。在绕组电流为正弦曲线的应用中，梯形的磁通分布产生显著的转矩脉动。转矩脉动在最终应用中促成了振动和噪音。可通过正确的槽与极数的选择使之最小化，但这种解决方案并不总是实用的。
第三，转子磁通分布中的突变促成齿槽转矩(cogging torque)，偏移(skewing)等典型用于降低齿槽转矩的技术导致较低的功率密度。
第四，与表面磁体式机器相比，内置磁体式机器具有较高的平均电感。较高的电感在运行期间降低了机器的功率因数，增大了为产生给定输出转矩需要的、来自驱动器的复功率(VA)。如果必须使用较大的功率器件，增大驱动器的伏安需求可增大驱动器的成本。
内置永磁体式机器的输出转矩与反电动势与绕组电流成比例，在二者同相的条件下。固定总线电压系统中的绕组电流受到反电动势和机器的电阻与电感的限制。导致较高的反电动势或较低的电感的转子几何结构使得匝数能被调节以获得最小的电流消耗。电流的降低可允许使用较小的功率器件，降低系统成本。
现有技术中用于具有大于或等于表面磁体式机器的功率密度的内置磁体式机器的解决方案包括“V”形磁体和轮辐式(spoke)磁体设计。这些设计可能难以磁化并倾向于具有高的齿槽转矩。
现有技术中用于降低梯形转子磁通分布的影响的解决方案包括具有分布式绕组的机器。由于末端线圈，具有分布式绕组的定子倾向于大于单齿绕组，并且可能不能装配在某些应用所需要的封装中。也能使用每个槽的电角度数不等于120或240的单齿绕组。实际的组合的数量受到机器尺寸的限制。
现有技术中用于降低齿槽转矩的解决方案包括偏移以及定子与转子气隙表面的成形。这些解决方案倾向于降低机器的功率密度。
现有技术中用于降低内置磁体式机器的平均电感的解决方案包括向转子极盖添加狭缝(slit)。在大多数情况下，这些狭缝垂直于磁体表面放置。
发明内容
其他的目的和特征部分是显而易见的，部分从下文中指出。
附图说明
图1、2、3、6、9、10、14、15和16为本发明的实施例的截面图，其包括四个内置式磁体，各自具有每磁极两个成角度的槽；
图1A示出了电机或发电机的反电动势，该电机或发电机包括转子，该转子具有如图1所示具有成角度的槽16的叠片结构(lamination)；
图1B示出了电机或发电机的反电动势，该电机或发电机包括转子，该转子具有如图1所示不具有成角度的槽16的叠片结构；
图2A、3A、6A、9A、10A、14A与15A示出了电机或发电机的反电动势，该电机或发电机包括转子，该转子具有分别如图2、3、6、9、10、14与15所示各自包括成角度的槽的叠片结构；
图4、5、7、8、11、12与13为本发明的实施例的截面图，其包括四个内置式磁体，各自具有每磁极四个成角度的槽；
图4A、5A、7A、8A、11A、12A与13A示出了电机或发电机的反电动势，该电机或发电机包括转子，该转子具有分别如图4、5、7、8、11、12与13所示各自包括成角度的槽的叠片结构；
图9B示出了电机或发电机的齿槽转矩，该电机或发电机包括转子，该转子具有如图9所示包括成角度槽172的叠片结构；
图11B示出了电机或发电机的齿槽转矩，该电机或发电机包括转子，该转子具有如图11所示包括成角度槽202的叠片结构；
图17与18为本发明的实施例的截面图，其包括六个内置式磁体，各自具有每磁极两个成角度的槽；
图19与20为本发明的实施例的截面图，其包括两个内置式磁体，各自具有每磁极两个成角度的槽；
图19A示出了电机或发电机的磁通分布，该电机或发电机包括转子，该转子具有如图19所示包括成角度槽364的叠片结构；
图19B示出了电机或发电机的磁通密度分布，该电机或发电机包括转子，该转子具有如图19所示包括成角度槽364的叠片结构；
图21为本发明的实施例的截面图，其包括十二个内置磁体，这些内置式磁体被布置为产生具有每磁极两个成角度槽的六个磁极；
图22为不具有根据本发明的任何成角度槽的、现有技术中的冕状转子(crown rotor)叠片结构的截面图，极表面的冕(crowning)造成不均匀的气隙；
图22A示出了不均匀气隙的电机或发电机的反电动势，该电机或发电机包括转子，该转子具有如图22所示、根据现有技术、不包括任何成角度槽的叠片结构；
图22B示出了不均匀气隙电机或发电机的齿槽转矩，该电机或发电机包括转子，该转子具有如图22所示、根据现有技术、不包括任何成角度槽的叠片结构；
图23示出了不包括槽的、图1中的转子，且图24示出了图23的转子气隙磁通波形；
图25示出了具有槽的图23中的转子，且图26示出了图23的转子气隙磁通波形；
图27示出了磁通密度分布，且图28示出了图27的磁通分布的快速傅立叶变换(FFT)。
贯穿附图，对应的参考标号表示对应的部分。
具体实施方式
在一个实施例中，本发明包括一种机器，该机器具有定子以及与定子磁耦合接合的转子，其中，转子有这样的几何结构：其具有在磁体表面与转子外直径之间的成角度的槽。在另一实施例中，本发明包括一种转子几何结构，其具有被添加在磁体表面与转子外直径之间的槽。槽以这样的角度和位置被放置：其能够增大转子磁通分布的基波分量。槽还能降低齿槽转矩。每磁极添加最少两个槽。尽管这里的实施例示出了任意偶数个槽，本领域技术人员将会想到其他的构造。
槽的添加将转子磁通分布由梯形变为更为正弦的分布。这种更为正弦的分布的基波分量能够大于梯形分布的基波分量，且该分布的谐波失真能被降低。附录1为本发明的数学构造。第一部分示出了不具有槽的均匀(梯形)转子磁通分布。该磁通分布的FFT基波分量为1.433幅值单位。该分布的总谐波失真为11.805％。附录1的下一部分给出了计算槽的位置的方法。所给出的方法将基波分量增大到1.616并将THD减小到4.263％。
图1-21示出了与上述数学模型匹配的槽的可能的实施方式。附录2以及图19A与19B示出了有限元分析法所预测的、具有以及不具有槽的、图19中的转子的转子磁通分布。在添加槽的情况下，磁通的基波分量增大了5.6％。FEA模型还示出了磁通分布的总谐波失真的显著降低。注意，数学模型没有计及槽周围的泄漏。
使用图17所示的转子，可进行数学模型与FEA模型的比较。该转子具有减小的泄漏路径。FEA模型预测到基波磁通中11.5％的增长，而数学模型预测到12.7％的增长。
FEA模型显示出磁通分布形状、磁通分布的基波分量的大小、平均电感、反电动势基波分量大小、齿槽转矩大小、平均转矩以及转矩脉动上的改进。
此时没有对槽的位置和角度进行最优化。需要进一步的工作，以便出于转矩产生以及齿槽转矩降低的目的对这些参数进行最优化。
上面介绍的优点也适用于线路起动永磁体机器。LSPM转子的实例在图19与20中。由于存在鼠笼(cage)，槽的角度与位置可能需要进行调节。
本发明降低了齿槽转矩，同时保持或增大了反电动势和平均转矩产生。这是非常稀有的结果。大多数用于降低齿槽转矩的方法也降低了反电动势与平均转矩。
能够以两种方式利用更高的反电动势。第一，通过增大由固定的电机或发电机尺寸供给的转矩或通过降低产生同样转矩的电机或发电机尺寸，其可用于增大机器的功率密度。
或者，为了保持同样的反电动势，可降低匝数。机器的电感与匝的平方成比例，因此，电感的大大降低是可能的。与不具有槽的转子相比，使用图1所示具有槽的转子的电机或发电机产生大1.9％的转矩。假设转矩与匝数成比例，将匝数减少1.9％以便在具有槽的情况下产生相同的转矩导致平均电感减小3.76％。
图1-21示出了本发明的不同实施例。为便利起见，本发明的转子在截面上被示为具有槽的叠片结构。在使用时，叠片结构的堆叠(stack)将与永磁体一起安装且槽将是敞开的(即空气填充)或用非磁性材料填充。为便利起见，各叠片结构被示为包括内置式永磁体。
因此，图1为根据本发明的转子的一个实施例的典型图示。该转子包括具有旋转中心轴10的圆柱形外周18。垂直于中心轴10取得转子的截面——如图1所示，且其包括以下部分。多个被埋藏(例如内置式)的永磁体14在具有槽的情况下被定位在转子中，各磁体14具有大于横向尺寸的纵向尺寸(例如在截面上为矩形)。多个非磁性槽16与磁体14中的一个相关联，各个槽16具有大于横向尺寸的纵向尺寸，其中，槽的纵向尺寸的轴不垂直于其所关联的内置式磁体的纵向尺寸的轴。各个槽24通常被定位在外周18与槽24所关联的一个内置式磁体14之间。优选为，存在与各磁极相关联的、至少两个的偶数个槽24。各磁体14的纵向轴基本平行于圆柱形外壳的外周18的切线。在一个实施例中，槽16相对于其所关联的内置式磁体14的纵向尺寸的轴处于不等于90度的角度。
图1为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构12的旋转中心轴10的垂线取得。各个内置式磁体14具有在磁体14与叠片结构外周18之间的两个关联槽16，其中，槽的纵轴20相对于其所关联的内置式磁体14的纵轴22处于小于90度的角度。在本实施例中，各个内置式磁体14具有视情况可选的端槽24。槽16和/或端槽24可用空气或其他非磁性材料填充。
在图2-16中，示出了不同的叠片结构实施例，其各自具有四个相同的四分体(quadrant)，如图1的四分体A、B、C、D所示。为简化起见，仅介绍并用参考标号标记出一个四分体。
图2为一截面图，其沿着根据与图1类似的本发明一实施例的转子的叠片结构30的旋转中心轴10的垂线取得。在本实施例中，与图1所示轴20的角度相比，槽34的纵轴32相对于其所关联的内置式磁体38的纵轴36处于较大的角度(但小于90度)。在本实施例中，槽32在长度上短于图1中的槽16。
图3为一截面图，其沿着根据与图1类似的本发明一实施例的转子的叠片结构50的旋转轴10的垂线取得。在本实施例中，与图1所示槽16的轴20的角度相比，槽54的纵轴52相对于其所关联的内置式磁体58的纵轴56处于较小的角度(但大于零度且小于90度)。在本实施例中，槽54在长度上长于图1中的槽16。
图4为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构72的旋转轴10的垂线取得。各个内置式磁体74具有在磁体74与叠片结构外周78之间的四个关联槽76与77，其中，槽的纵轴80和81相对于其所关联的内置式磁体74的纵轴82处于小于90度的角度。在本实施例中，各个内置式磁体74具有可用空气或其他非磁性材料填充的、视情况可选的开槽端84。在本实施例中，与两个内槽77相比，两个外槽76与轴82构成较小的角度，且两个外槽76在长度上短于两个内槽77。
图5为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构92的旋转轴10的垂线取得。各个内置式磁体94具有在磁体94与叠片结构外周98之间的四个关联槽96与97，其中，槽的纵轴100和101相对于其所关联的内置式磁体94的纵轴102处于小于90度的角度。在本实施例中，各个内置式磁体94具有可用空气或其他非磁性材料填充的、视情况可选的开槽端104。在本实施例中，与两个内槽97相比，两个外槽96与轴102构成相同的角度，且两个外槽96在长度上短于两个内槽97。
图6为一截面图，其沿着根据与图1类似的本发明一实施例的转子的叠片结构110的旋转轴10的垂线取得。在本实施例中，与图1所示的角度相比，槽114的纵轴112相对于其所关联的内置式磁体118的纵轴116处于相同的角度。在本实施例中，槽114与图1的槽16为相同的长度。在本实施例中，与图1所示槽16的轴20的角度相比，槽115的纵轴113相对于其所关联的内置式磁体118的纵轴116处于较小的角度。在本实施例中，槽115在长度上比图1中的槽16要长。
图7为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构132的旋转轴10的垂线取得。本实施例与图5相同，除了槽134具有纵轴136、纵轴136相对于槽所关联的内置式磁体140的纵轴138垂直以外。
图8为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构152的旋转轴10的垂线取得。本实施例与图5相同，除了槽154具有纵轴156，且与图5的槽97的轴101的角度相比，纵轴156相对于槽所关联的内置式磁体160的纵轴158处于较小的角度以外。
图9为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构170的旋转轴10的垂线取得。本实施例与图1相同，除了与图1的槽16相比、槽172为一端宽于另一端的泪珠形以外。另外，槽172具有纵轴174，与图1的槽16的轴20的角度相比，纵轴174相对于槽所关联的内置式磁体178的纵轴176处于较小的角度。
图10为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构180的旋转轴10的垂线取得。本实施例与图1相同，除了端槽182在宽度上与图1的端槽24相比较窄以外。
图11为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构200的旋转轴10的垂线取得。本实施例与图4相同，除了与图4的槽76相比、槽202为一端宽于另一端的泪珠形以外。另外，槽202具有纵轴204，与图4的槽76的轴80的角度相比，纵轴204相对于槽所关联的内置式磁体208的纵轴206处于较小的角度。
图12为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构220的旋转轴10的垂线取得。本实施例与图11相同，除了槽222与图11的槽202相比宽度较窄以外。另外，槽222具有纵轴224，与图11的槽202的轴204的角度相比，纵轴224相对于槽所关联的内置式磁体228的纵轴226处于较大的角度。
图13为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构240的旋转轴10的垂线取得。本实施例与图12相同，除了槽242具有纵轴244、与图12的槽222的轴224的角度相比，纵轴244相对于槽所关联的内置式磁体248的纵轴246处于较小的角度以外。
图14为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构260的旋转轴10的垂线取得。本实施例与图1相同，除了两个槽262中的一个——即槽262B——与图1中二者处于同样的形状和位置的槽16相比较长且为泪珠形以外。另外，泪珠形的槽262B与图1的槽16相比沿着轴264B具有较长的长度。另外，与图1的槽16的轴20的角度相比，槽262B相对于其所关联的内置式磁体268的纵轴266处于较小的角度。
图15为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构280的旋转轴10的垂线取得。本实施例与图1相同，除了两个槽282为泪珠形且槽282B与图1中二者处于同样的形状和位置的槽16相比较长以外。另外，泪珠形的槽282B与图1的槽16相比沿着轴284B具有较长的长度。另外，与图1的槽16的轴20的角度相比，两个泪珠形槽282相对于其所关联的内置式磁体288的纵轴286处于较小的角度。
图16为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构290的旋转轴10的垂线取得。本实施例与图1相同，除了与槽16不被连接到用于磁体14的槽的图1相比，两个槽292均被连接到用于所关联的内置式磁体296的槽294以外。另外，与图1的槽16的轴20的角度相比，两个槽292相对于其所关联的内置式磁体296的纵轴298处于较小的角度。
图17为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构300的旋转轴10的垂线取得。图17与图1类似，除了其具有六个内置式磁体302而不是图1中的四个内置式磁体14以外。另外，图17具有S形的槽304而不是通常成形为具有圆角的矩形的、图1中的槽16。
图18为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构340的旋转轴10的垂线取得。在图18中，示出了均匀放置在外周周围的六个内置式磁体342。各个磁体在各端具有梯形端槽344。各个内置式磁体342具有在磁体342与叠片结构340的外周348之间的两个关联槽346，其中，槽346的纵轴350相对于其所关联的内置式磁体342的纵轴352处于小于90度的角度。在本实施例中，各个内置式磁体342被示为具有视情况可选的端槽344。槽346和/或端槽344可用空气或其他非磁性材料填充。另外，如图18所示，槽346不被连接到端槽344中的一个。进一步地，在本实施例中，端槽344的至少一部分具有轴354，其与叠片结构340的半径356同轴。
图19为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构360的旋转轴10的垂线取得。在图19中，示出了在外周内均匀放置的两个平行的内置式磁体362。各个内置式磁体362具有在磁体362与定位在叠片结构360的外周368周围的起动鼠笼槽366之间的两个关联槽364。槽364的纵轴370相对于其所关联的内置式磁体362的纵轴372处于小于90度的角度。槽364和/或起动鼠笼槽366可用空气或其他非磁性材料填充。另外，如图19所示，槽364被连接到起动鼠笼槽366中的一个并与之成为一体。
图20为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构380的旋转轴10的垂线取得。图20与图19相同，除了槽382不被连接到起动鼠笼槽384中的任何一个以外。作为替代的是，在图20中，槽382独立于鼠笼槽384并位于鼠笼槽384与磁体386之间。
图21为一截面图，其沿着根据本发明一实施例的转子的叠片结构400的旋转中心轴10的垂线取得。在上面的图1-20中，内置式磁体被定位为平行于转子叠片结构外周的切线。相反，在图21的叠片结构400中，各内置式磁体402R、402L是V形对的一部分且各自相对于外周切线处于一角度。进一步地，各个磁体402R、402L具有在磁体402R、402L与叠片结构外周406之间的至少一个关联槽404R、404L。在本实施例中，槽404R、404L的纵轴408R、408L相对于其所关联的内置式磁体402的纵轴410R、410L处于小于90度的角度。
在图21的实施例中，各个槽404R、404L的纵轴408R、408L不与叠片结构400的半径412同轴，尽管可以想到轴408R、408L以及半径412可同轴。类似地，在图1-20中，槽不与半径同轴，因为内置式磁体被定位为平行于转子叠片结构外周的切线且槽是成对的、一对中的各个槽面向该对中的另一个槽。因此，槽与内置式磁体组成小于90度的角度。可以想到，槽可相互背向，在这种情况下，槽可以与转子的半径同轴，但槽仍将与内置式磁体处于小于90度的角度。
图22示出了没有任何槽的、根据现有技术的冕状转子。各个内置式磁体420具有端槽422，如同所示出的那样。图1-18的端槽与端槽422相比具有略微不同的形状。特别地，图1-18的端槽被定位为与端槽422距外周具有相同的距离以便保持相同的磁通泄漏。定子430以虚线示出，定子与冕状转子处于磁耦合布置。
表1示出了关于反电动势与齿槽效应(cogging)的有限元建模结果，其用于具有所示槽尺寸的图1、2、3、4、5与22的实施例。槽1指的是两槽构造中的槽以及四槽构造中的外槽。槽2指的是四槽构造的内槽。
表2示出了关于反电动势与齿槽效应的有限元建模结果，其用于具有所示槽尺寸的图6、7、8、9、10与11的实施例。槽1指的是两槽构造中的槽以及四槽构造中的外槽。槽2指的是四槽构造的内槽。
表3示出了关于反电动势与齿槽效应的有限元建模结果，其用于具有所示槽尺寸的图12、13、14与15的实施例。槽1指的是两槽构造中的槽以及四槽构造中的外槽。槽2指的是四槽构造的内槽。
表4示出了关于反电动势与齿槽效应的测试结果，其用于具有所示槽尺寸的图1、9、11与22(冕状)的实施例。
反电动势   冕状图21   图1W/O槽 图1 图2 图3 图4 图5
基波5次谐波7次谐波11次谐波13次谐波THD   2rpm的Vpk％基波％基波％基波％基波％ 0.1050.040.642.650.090.09 0.1062.521.228.530.590.86 0.1091.621.6211.383.661.48 0.1091.681.3611.472.761.51 0.1091.81.795.933.350.69 0.1091.621.611.313.571.47 0.1091.661.610.432.821.21
  齿槽效应   Nmpk   0.085   0.377   0.085   0.377   0.208   0.083   0.06
  极弧(pole arc)   edeg   158.94   158.94   158.94   158.94   158.94   158.94
  槽1尺寸内切弧内半径外切弧外半径 edegmmedegmm N/AN/AN/AN/A N/AN/AN/AN/A 111.80.7587.760.75 111.80.7597.360.75 111.80.7578.160.75 111.80.7587.760.75 111.80.7587.760.75
  槽2尺寸内切弧内半径外切弧外半径 edegmmedegmm N/AN/AN/AN/A N/AN/AN/AN/A N/AN/AN/AN/A N/AN/AN/AN/A N/AN/AN/AN/A 40.880.7523.360.75 53.40.7523.360.75
表1：图1、2、3、4、5与22。
反电动势   图6   图7   图8   图9   图10   图11
基波5次谐波7次谐波11次谐波13次谐波THD   2rpm的Vpk％基波％基波％基波％基波％ 0.1082.241.561.845.930.5 0.1081.791.269.630.331.01 0.1081.681.639.241.430.94 0.1091.621.689.771.571.05 0.1071.732.088.642.830.9 0.1051.911.616.160.430.48
  齿槽效应   Nmpk   0.354   0.386   0.086   0.024   0.13   0.096
  极弧   edeg   158.94   158.94   158.94   158.94   162   158.94
  槽1尺寸内切弧内半径外切弧外半径 edegmmedegmm 111.80.75100.060.75 111.80.7587.760.75 111.80.7587.761.5 111.80.7587.760.75 111.80.7587.761.5
  槽2尺寸内切弧内半径外切弧外半径 edegmmedegmm 53.40.7523.360.75 53.40.7518.360.75 N/AN/AN/AN/A N/AN/AN/AN/A 53.40.7518.360.75
表2：图6、7、8、9、10与11。
反电动势   图12   图13   图14   图15
  基波5次谐波7次谐波11次谐波13次谐波THD   2rpm的Vpk％基波％基波％基波％基波％   0.1071.731.628.161.030.74   0.1051.821.67.120.7090.59   0.1072.710.958.485.741.21   0.1042.750.6312.591.981.73
  齿槽效应   Nmpk   0.068   0.082   0.295   0.232
  极弧   edeg   158.94   158.94   158.4   158.4
  槽1尺寸内切弧内半径外切弧外半径 edegmmedegmm 111.80.7587.761.125 111.80.7587.761.125 111.80.7587.760.75 111.80.7587.761.5
  槽2尺寸内切弧内半径外切弧外半径 edegmmedegmm 53.40.7518.360.75 59.920.7518.360.75 114.480.7540.281.5 111.80.7526.041.5
表3：图12、13、14与15。
反电动势   冕状图22   图1W/O槽 图1 图9 图11
最大值基波5次谐波7次谐波11次谐波13次谐波THD   1000rpm的Vpk1000rpm的Vpk％基波％基波％基波％基波％ 51.150.90.750.422.220.140.059 57.353.51.840.767.931.20.729 62.654.80.931.1811.343.581.46 58.153.41.011.239.181.280.903 53.150.51.191.15.281.090.341
  齿槽效应   Nmpk   0.086   0.281   0.037   0.034   0.031
表4：图1、9、11与22。
已经详细介绍了本发明。将会明了，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，修改和变化是可行的。
在介绍本发明的元件或其优选实施例时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或一个以上的该元件。术语“包含”、“包括”和“具有”是包括性的，并且意味着可能存在除所列元件以外的其它元件。
根据上文，将会看到，实现了本发明的几个目标，并且获得了其它的有益结果。
由于在不脱离本发明的范围的情况下可以在上面的构造、产品和方法中进行不同的修改，上述说明中所包含的以及附图中所示出的所有事物应当被理解为说明性而不是限制性的。
附录1——数学构造
IPM磁通集中(flux concentration)
电机产生的转矩产生于定子与转子磁场的相互作用。大部分转矩由各个场的基波分量产生。对于图23(其为没有槽的图1)所示的内置永磁体式转子，图24所示的转子气隙磁通波形是典型的。
所示波形下的总磁通为：
φr＝A1p1    (1)
其中，A1为气隙磁通的幅值，p1为作为极距(pole pitch)百分数的、磁通波形的宽度。
气隙磁通的基波分量由下式给出：
b 1 = - 2 A 1 π { cos [ π ( 1 + p 1 ) 2 ] - cos [ π ( 1 - p 1 ) 2 ] } - - - ( 2 )
本发明改变了气隙波形的形状，以便增大基波分量。一组槽(图25，其为有槽的图1与23)的添加将转子气隙磁通分布变为图26所示。
由于磁体宽度、长度和运行条件没有改变，总的转子气隙磁通保持不变，或者：
φr＝A2p2+(A3-A2)p3     (3)
该波形的基波分量为：
b 1 = - 2 A 2 π { cos [ π ( 1 - p 3 ) 2 ] - cos [ π ( 1 - p 2 ) 2 ] } - 2 A 3 π { cos [ π ( 1 - p 2 ) 2 ] - cos [ π ( 1 - p 3 ) 2 ] }
- 2 A 2 π { cos [ π ( 1 + p 2 ) 2 ] - cos [ π ( 1 - p 3 ) 2 ] } (4)
在表A1中给出了基波分量由于槽而增大的一个实例。在该实例中，来自磁体的磁通对各个波形是同样的，因为波形下的面积在各种情况下为1.0。基波分量增加了12.8％。气隙磁通的基波分量的增加导致了更大的反电动势和转矩。
气隙磁通分布的改变，如同总谐波失真的改变所示出的那样，也将改变齿槽转矩。
  图24的波形   图26的波形
  A1   1.149   -
  p1   0.87   -
  A2   -   0.6
  p2   -   0.87
  A3   -   1.596
  p3   -   0.48
  波形下的面积   1.0   1.0
  基波   1.433   1.616
  总谐波失真(％)   11.803   4.263
                        表A1
上面的分析忽略了电机非线性、定子槽化效应(slotting effect)以及磁通泄漏。这些都将会影响上面的分析。为了计及这些效应，对槽位置的某些修改是必要的。
附录2转子磁通分布
有限元计算得到的气隙磁通分布的FFT
进行磁通密度对角度的波形的傅立叶变换。
从文件读取数据
no_slot：＝READPRN(“c：\projects\flux_focus\fea\s1r1\no_slot\flux_dist_no_slot.gs”)
slot：＝READPRN(“c：\projects\flux_focus\fea\s1r1\slot\flux_dist_slot.gs”)
从文件提取数据
N：＝rows(no_slot)          M：＝rows(slot)
n：＝0...N-1                m：＝0...M-1
θ ns n : = no _ slo t n , 0 θ s m : = slot m , 0
B ns n : = no _ slo t n , l b s m : = slot m , 1
磁通密度分布的图示见图27，图27的磁通分布的快速傅立叶变换(FFT)的图示见图28。
| B s _ fft 1 | | B ns _ fft 1 | = 1.056 THD_Bns＝10.205％    THD_Bs＝2.505％

Claims (21)

1.一种转子，其包括：
圆柱形外周，其具有旋转中心轴；
垂直于所述中心轴所取的截面，其包括：
多个内置式永磁体，每个磁体具有大于横向尺寸的纵向尺寸；
多个非磁性槽，每个槽与所述磁体中的一个相关联，每个槽具有大于横向尺寸的纵向尺寸，其中，所述槽的所述纵向尺寸的轴不垂直于其所关联的内置式磁体的所述纵向尺寸的轴。
2.根据权利要求1的转子，其中，每个槽一般被定位在所述外周与所述槽所关联的一个所述内置式磁体之间。
3.根据权利要求1的转子，其中，存在与各磁极相关联的至少两个槽。
4.根据权利要求1的转子，其中，与各磁体相关联的所述槽具有不同的长度。
5.根据权利要求1的转子，其中，所述槽中的至少一个具有下列形状中的至少一个：泪珠形和S形。
6.根据权利要求1的转子，其还包括邻近各内置式磁体末端的、另外的非磁性端槽。
7.根据权利要求1的转子，其中，至少一个槽与用于其所关联的内置式磁体的槽成为一体。
8.根据权利要求7的转子，其中，至少部分所述端槽具有与所述转子的半径同轴的轴。
9.根据权利要求1的转子，其还包括构成所述转子的内置式起动鼠笼的起动鼠笼槽。
10.根据权利要求9的转子，其中，至少一个所述槽被连接到所述至少一个起动鼠笼槽。
11.根据权利要求10的转子，其中，所述槽被定位在所述鼠笼与所述磁体之间。
12.根据权利要求1的转子，其中，所述磁体具有V形构造，且所述槽与所述转子的半径同轴。
13.一种机器，其包括：
定子；以及
与所述定子磁耦合接合的转子，所述转子包括具有旋转中心轴的圆柱形外周；
垂直于所述中心轴取的截面，其包括：
多个被埋藏的内置式永磁体，每个磁体具有大于横向尺寸的纵向尺寸；
多个非磁性槽，每个槽与所述磁体中的一个相关联，每个槽具有大于横向尺寸的纵向尺寸，其中，所述槽的所述纵向尺寸的轴不垂直于其所关联的内置式磁体的所述纵向尺寸的轴。
14.根据权利要求13的机器，其中，每个槽一般被定位在所述外周与所述槽所关联的一个所述内置式磁体之间。
15.根据权利要求14的机器，其中，存在与各磁极相关联的至少两个槽。
16.根据权利要求14的机器，其中，所述槽中的至少一个具有下列形状中的至少一个：泪珠形和S形。
17.根据权利要求14的机器，其还包括邻近各内置式磁体末端的、另外的非磁性端槽。
18.根据权利要求14的机器，其中，至少一个槽与用于其所关联的内置式磁体的槽成为一体。
19.根据权利要求14的机器，其还包括构成所述机器的内置式起动鼠笼的起动鼠笼槽。
20.根据权利要求14的机器，其中，所述磁体具有V形构造，且所述槽与所述机器的半径同轴。
21.一种转子，其包括多个叠片结构，每个所述叠片结构具有圆柱形外周，所述圆柱形外周具有旋转中心轴；
垂直于所述中心轴取的截面，其包括：
多个内置式永磁体槽，每个磁体槽具有大于横向尺寸的纵向尺寸；
多个非磁性槽，每个非磁性槽与所述磁体槽中的一个相关联，每个非磁性槽具有大于横向尺寸的纵向尺寸，其中，所述非磁性槽的所述纵向尺寸的轴不垂直于其所关联的内置式磁体槽的所述纵向尺寸的轴。
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