CN102067419A - 旋转电机、特别是用于机动车的起动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及直流旋转电机，特别是用于机动车的起动器(1)，其中所述电机包括：磁化结构，包括至少第一类型扇区(41；42)，该第一类型扇区具有磁化矢量，该磁化矢量以径向方向限定一角度，该角度在沿磁化结构的圆周移动时变化，该扇区的磁化至少局部地具有与定子的径向(F1)和直辐射(F2)方向不同的方向，气隙中与磁化结构的该扇区关联的感应磁场和转子电枢磁反应具有异号的法向分量，由磁化结构的该扇区产生的感应磁场被选择，以便在电枢磁反应的作用与磁化结构的作用相反的位置处，具有通过磁通集中获得感应作用的分布，以便至少局部地削弱电枢磁反应的不利影响，其中磁化结构包括至少一个第二类型扇区(43；44)，该第二类型扇区具有磁化矢量，该磁化矢量以定子的径向方向限定一角度，该角度在沿磁化结构的圆周移动时大致恒定，气隙中与磁化结构的该扇区相关联的感应磁场和电枢磁反应具有同号的法向分量。

Description

旋转电机、特别是用于机动车的起动器
技术领域
本发明涉及一种旋转电机，特别是用于机动车的起动器。
背景技术
专利EP-B1-985334描述了一种起动器，包括设置有多个磁极的定子，该多个磁极设置在架子的内圆周表面上。每个磁极由永磁体形成，以径向地呈现北极和南极，该永磁体由磁化铁氧体(magnetised ferrite)制造。辅助磁体可被设置在上述磁体之间。这些辅助磁体由铁氧体制造并被磁化，以圆周地呈现北极和南极。每个辅助磁体和架子之间设置有空间。这种设置可减少磁漏。
已经确定的是，在电刷式直流电机、特别是在非常低的电压中具有高强度磁通势(magnetomotive force)(mmf)和超过1kW输出的起动器中，强电枢磁反应(armature magnetic reaction)可造成电机性能下降。在一些情况下，电刷的角位移和/或补偿线圈(bucking coil)或辅助换向(commutation)的线圈被用于减轻与电枢磁反应有关的不利影响。电刷的角位移仅对预定强度的电流是最佳的。另外，上述补偿线圈通常是庞大的。
此外，通过名为“The application of Halbach cylinders to brushless ACservo motors”，K.Atallah和D.Howe，IEEE Transactions On Magnetics，Vol.34，No.4，1998年7月的论文已知，无刷式电机中气隙中感应强度(induction)相对于电角度(electrical angle)的变化是正弦的。论文“New concept ofpermanent magnet excitation for electrical machines，Analytical and numericalcomputation”，M.Marinescu和N.Marinescu，IEEE Transactions On Magnetics，Vol.28，No.2，1992年3月提到无槽类型电机中的磁化，磁激励在电机的转子或其定子上。
发明内容
本发明特别地用于提供一种改进的，特别是高性能旋转电机。
本发明的目的因此在于一种直流旋转电机，特别用于机动车起动器，该电机包括：
-定子，包括永久磁化的磁化结构，该磁化结构沿(in line)定子的圆周布置并被设置来产生感应磁场，
-转子，其在电机运行期间，在磁化结构和转子之间的在英语中所谓的air gap(气隙)中产生电枢磁反应，
-一套电刷，被设置为可通过转子部分中电流的换向给转子供电，
该电机的特征在于：
-磁化结构包括至少第一类型扇区，该第一类型扇区具有磁化矢量，该磁化矢量以径向方向限定一角度，该角度在沿磁化结构的圆周移动时变化，该扇区的磁化至少局部地具有与定子的径向和直辐射方向不同的方向，气隙中关联于磁化结构的该扇区的感应磁场和转子电枢磁反应包括异号的法向分量，由磁化结构的该扇区产生的感应磁场被选择，以便至少局部地削弱或甚至消除电枢磁反应的不利影响，并且在于
-磁化结构包括至少一个第二类型扇区，该第二类型扇区具有磁化矢量，该磁化矢量以定子径向方向限定一角度，该角度在沿磁化结构的圆周移动时大致恒定，气隙中与磁化结构的该扇区关联的感应磁场和电枢磁反应具有同号的法向分量。
定子，特别是磁化结构，有利地不具有由软磁材料制造的部分，该由软磁材料制造的部分可被磁场透过并用于通量集中和磁通量的分流(进一步地在英语中叫做shunt(分路器)的部分)。
根据本发明的磁化结构优选地包括由硬磁材料制造的磁体，磁场不可透过该磁体。
由于本发明，在空载时，不考虑气隙中存在的其他场，例如电枢磁反应，由定子的磁化结构产生的感应磁场具有在电枢磁反应的作用与磁化结构的作用相反的(各法向分量异号)的位置处引起感应作用(contribution)(通过磁通量集中)的分布(profile)。
此外，特别地在磁化结构的作用和电枢磁反应的作用相互叠加的位置处，感应作用局部地减少或甚至不存在。
通过合成磁场的分布，可优化电机的电磁转矩并从而优化其性能。
这可例如借助麦克斯韦应力张量解释，使切向应力产生的麦克斯韦应力张量(Maxwell stress tensor)可以积分∫Bn(θ).Ht(θ).dθ表示(在负载情况下，也就是有电枢反应的情况下)。
在本发明的例子中，磁化结构的第一类型扇区中的磁化矢量和定子的径向方向之间的角度在沿磁化结构的圆周移动时阶段地变化。例如，该第一类型扇区包括永磁体的接续结构，每个永磁体具有均匀(uniform)的磁化方向。
在变体中，磁化结构的第一类型扇区中的磁化矢量和定子的径向方向之间的角度在沿磁化结构的圆周移动时大致不间断地(without cessation)变化。
如果需要，磁化结构的第一类型扇区中的磁化矢量在沿磁化结构的圆周移动时在该扇区的两个端部之间从直辐射方向向径向方向变化。
换言之，沿第一扇区，磁化方向的转变可以是90°。
对于具有仅一对磁极的电机，磁化结构可以包括两个第一类型扇区，与两个第二类型扇区交替，其中一个第一类型扇区的角范围特别地大于其中一个第二类型扇区的角范围。
具有两对磁极的电机可以每个类型包括四个扇区。
每个类型的扇区的数量因此取决于电机的磁极的数量。
对于具有仅一对磁极的电机，磁化结构的第一类型扇区可以覆盖超过60°或90°的角度，特别是大致等于120°的角度。
有利地，在磁化结构的第二类型扇区中，磁化矢量具有大致的径向方向。
在本发明的例子中，对于具有仅一对磁极的电机，磁化结构包括两个第二类型扇区，每个该扇区跨过小于90°的角度，特别是大致等于60°的角度。
优选地，包括第一和第二类型扇区的磁化结构沿定子的整个圆周布置，特别地以连续的方式。
优选地，磁化结构或磁结构在第一类型扇区和第二类型扇区之间具有磁化角度中的至少一个角间断，该角间断特别地对应于45°至135°的磁化角度的变化，特别是对应于大致等于90°的磁化角度的变化。
例如，磁化方向中的角间断在从第一扇区到第二扇区通过时对应于从径向到直辐射的磁化方向的摆动。
优选地，磁化结构和特别地其磁化矢量在第一组件和第二组件之间不对称，该第一组件包括第一类型的第一扇区和第二类型的第二扇区，该第二组件包括第一类型的第二扇区和第二类型的第二扇区。
有利地，由磁化结构产生的感应磁场和转子电枢磁反应合成的磁场包括法向分量，该法向分量沿第一类型扇区的主要部分具有符号恒定的非水平斜率。
在本发明的例子中，与磁化结构的第一类型扇区相关联的感应磁场的法向分量的最大幅度大于与第二类型扇区相关联的该最大幅度。
如果必要，电枢轴线和感应器轴线之间的角位移被选择，以便减少负载情况下磁中性线的位移的影响。
该中性线可被限定为感应器的两个连续磁极之间合成感应强度被抵偿(cancel out)的位置。
对于具有六个磁极的电机，所述角位移(机械角)例如为10°至20°，特别地为13.5°至19.5°。角位移例如是16.5°。
中性线可根据电机负载的强度相对于磁极移位，例如以便通过使电刷移位辅助换向。
在本发明的例子中，磁化结构的至少一个磁化扇区包括并排放置的多个永磁体，特别地抵靠机器的架子。
根据本发明的电机可被设置为以在例如500W至2000W的最大功率运行。
附图说明
通过阅读本发明非限定例子的以下详细描述和查看附图可以更好地理解本发明，其中：
-图1示意地和部分地示出了根据本发明例子的机动车起动器，
-图2示意地和部分地示出了安装到图1的起动器的磁化结构，以及
-图3和4示意地示出了图1电机的气隙中各不同磁场的法向分量的变化，
-图5示意地和部分地示出了根据现有技术的磁化结构，以及
-图6和7示意地示出了与图5的磁化结构关联的各不同磁场的法向分量的变化。
具体实施方式
用于机动车内燃机的起动器1已在图1中非常示意地示出。
该直流起动器1一方面包括可绕轴线X旋转的转子2，也称为电枢，以及另一方面包括定子3，也称为感应器。
该定子3包括承载永久磁化的磁化结构5的架子4。
转子2包括转子本体7和缠绕在转子本体7的凹部中的绕组8。
在示出的例子中，由起动器1形成的旋转电机是具有一对磁极的类型。
绕组8在转子本体7的两侧形成前引出线9和后引出线10。
转子2在后部处设置有换向器12，该换向器包括多个接触部件，电连接到绕组8的传导元件，在所考虑的本例为由导线形成。
一套电刷13和14被设置用于绕组8的供电，其中一个电刷13连接到起动器1的接地端，并且另一电刷14经由导线16连接到接触器17的电端子15。例如有四个电刷。
电刷13和14在转子2旋转时摩擦换向器12，使转子2可通过转子2的部分中电流换向而被供电。
起动器1还包括驱动组件19，该驱动组件以滑动方式安装到驱动轴18并可被转子2绕轴线X旋转地驱动。
减速齿轮组件20被以本质上已知的方式插置于转子2和驱动轴18之间。
在变体中，起动器1可以是“直接驱动(direct drive)”类型，不带有任何减速齿轮。
驱动组件19包括驱动元件，该驱动元件由齿轮21形成并被用于与未示出的内燃机的驱动部件接合。该驱动部件例如是环齿轮。
驱动组件19还包括自由轮22和垫圈滑轮23，该自由轮和垫圈滑轮之间限定有沟槽24，用于接收叉状件27的端部25。
该叉状件27通过例如模制塑料材料制造。
叉状件27由接触器17促动，以使驱动组件19相对于驱动轴18在第一位置和第二位置之间沿轴线X位移，驱动组件19在第一位置经由齿轮21驱动内燃机，在第二位置与内燃机脱开。
除了连接到电刷14的端子15，接触器17还包括经由电连接元件连接到车辆电源的端子29，该电连接元件特别是导线30，该电源特别是电池。
在图2中，用来安装至起动器1的根据本发明例子的磁化结构5已经示出。
在该例子中，磁化结构5包括多个永磁体40，该永磁体的数量等于24。
这些永磁体40以连续方式沿定子3的整个圆周设置。
当然，本发明不限于该数量的磁体。
例如，磁体的数量可以被减少到四个，在其中一些磁体中，磁化方向大致连续变化。
定子的磁化结构5包括：
-两个第一类型扇区41和42，其具有在沿扇区41和42的每一个的圆周移动时相对于径向方向F1变化的方向的磁化，这些扇区的磁化至少局部地具有与定子的径向方向F1和直辐射(orthoradial)方向F2不同的方向，
-两个第二类型扇区43和44，其具有仅径向方向F1的磁化，这些扇区中的一个限定北极，而另一个限定南极。
每个扇区41和42包括八个永磁体，而每个扇区43和44包括四个永磁体。
在变体中，每个扇区41到44可由单个永磁体形成。
磁化方向在沿磁化扇区41和42中的一个从一个圆周端部圆周地移动到另一个圆周端部时，从径向方向向直辐射方向变化。
换言之，沿每个扇区41和42，磁化方向的转变对应于90°。
如图2可见，沿扇区43的磁化方向是仅径向的，指向定子的内圆周，而沿扇区44的磁化方向是仅径向的，指向定子的外圆周。
还如图2可见，沿扇区41的磁化方向在直辐射磁化方向和指向定子内圆周的径向磁化方向之间实现90°转变，而沿扇区42的磁化方向在直辐射磁化方向和指向定子外圆周的径向磁化方向之间实现90°转变。
在考虑的例子中，扇区41和42中磁化方向的变化阶段地(in stages)发生，这是由于在其内使用具有均匀(uniform)磁化的多个永磁体40。
在另一未示出的例子中，每个扇区41和42中磁化方向的变化大致地连续。
磁化扇区41到44是交替的，也就是扇区41和42分别设置在扇区43和44之间，在从扇区44到扇区41或从扇区43到扇区42逆时针方向通过时，造成磁化方向的间断(break)。
在所述的例子中，角间断对应于磁化方向从径向F1到直辐射F2的摆动。该间断因此是90°。
因此，由第一组件和第二组件及特别地该结构的磁化矢量形成的磁化结构是不对称的，该第一组件包括扇区41和43，该第二组件包括扇区42和44。
当电机包括仅一对磁极时，如该例子所述，每个扇区41或42覆盖大于或等于90°的角度。
在考虑的例子中，每个扇区41；42覆盖120°，并且每个扇区43；44覆盖60°。
当然，磁化结构5可以包括更多对磁极，例如四对或八对。
如图2所示，电枢轴线A2和感应器轴线A1之间的角位移被选择，以便减少中性线位移的影响。
如此，可减少电枢磁反应的影响。
对于具有一对磁极的电机，该角位移例如为0至60°。
图3和4的图表示出了图2的磁化结构5的场的法向分量根据角度的变化，也就是Bn.no-load(由磁化结构产生的空载感应强度(no-load induction))、Bn.arm.reac(与电枢反应联系的感应强度)和Bn.result(Bn.no-load和Bn.arm.reac的合成感应强度)。
由磁化结构产生的感应磁场和转子电枢磁反应的合成磁场包括法向分量Bn.result，该法向分量Bn.result沿第一类型扇区41或42的主要部分具有符号恒定的非水平斜率，如图4的图可见。
与磁化结构的第一类型扇区41或42相关联的感应磁场的法向分量Bn.No-load的最大幅度大于与第二类型扇区43或44相关联的相应最大幅度。
如图3和4的图所示，通过由磁化结构的扇区41和42产生的感应磁场Bn.No-load，可以局部地补偿电枢磁反应Bn.arm.reac的不利影响。
换言之，在空载时，不考虑气隙中存在的其他场，例如电枢磁反应，由定子的磁化结构产生的感应磁场Bn.no-load具有在电枢磁反应Bn.Arm.reac的作用与磁化结构的作用相反的位置处(各法向分量Bn.no-load和Bn.Arm.reac异号)引起感应作用(通过磁通量的集中)的分布，特别是在0°和180°角附近。
在磁化结构的作用和电枢磁反应的作用相互叠加的位置处，感应作用变小或消失。
事实上，如图3和4可见，磁化结构在该第一扇区41和42具有磁化矢量，使磁能集中以便增加磁能水平，第一扇区41和42在空载情况下预先为负载情况获得预先超额感应，换言之，获得感应储备，在预计的负载情况(under load case)下，电枢磁反应的不利影响特别地包括降低来自永磁体感应器的有用感应水平。
换言之，通过根据本发明的磁化结构，可以在其不利于旋转电机的性能的位置处抗衡电枢反应的消磁作用，也就是在相应一半感应磁极处，而不在电枢反应沿与感应器的作用相同的方向磁化的那一半磁极上起作用。
本发明特别地包括在机器负载运行期间的减小之前，在空载时增加一些感应，由于本发明，负载时可获得具有令人满意的合成感应强度分布的运行。
图5中已经示出根据现有技术的磁化结构50。
该结构50包括两个扇区51和52，该扇区51和52形成两极并且每个扇区具有相同的磁化方向，也就是径向方向。
图6和7的图表示出了在电枢磁反应Bn.Arm.reac的作用与磁化结构Bn.no-load的作用相反的位置处，没有来自磁化结构50的任何明显的感应作用。
特别地在180°周围，场Bn.result缺乏感应。

Claims (15)

1.一种直流旋转电机，特别是机动车起动器(1)，该电机包括：
-定子(3)，包括永久磁化的磁化结构，沿定子的圆周布置，所述磁化结构被设置为产生感应磁场，
-转子(2)，在电机运行期间，在磁化结构和转子之间的气隙中产生电枢磁反应，
-一套电刷(13、14)，被设置为可通过转子部分中电流的换向为转子供电，
所述电机的特征在于：
-磁化结构包括至少第一类型扇区(41；42)，该第一类型扇区具有磁化矢量，该磁化矢量以径向方向限定一角度，该角度在沿磁化结构的圆周移动时变化，所述扇区的磁化至少局部地具有与定子的径向方向(F1)和直辐射方向(F2)不同的方向，气隙中与磁化结构的该扇区相关联的感应磁场和转子电枢磁反应包括异号的法向分量，由磁化结构的该扇区产生的感应磁场被选择，以便在电枢磁反应的作用与磁化结构的作用相反的位置处具有通过磁通量集中引起感应作用的分布，以至少局部地削弱电枢磁反应的不利影响，并且在于
-所述磁化结构包括至少一个第二类型扇区(43；44)，该第二类型扇区具有磁化矢量，该磁化矢量以定子的径向方向限定一角度，该角度在沿磁化结构的圆周移动时大致恒定，气隙中与磁化结构的该扇区相关联的感应磁场和电枢磁反应具有同号的法向分量。
2.根据前一项权利要求所述的电机，其特征在于，磁化结构特别地以连续方式沿定子(3)的整个圆周布置。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，磁化结构的磁化矢量在第一组件和第二组件之间不对称，该第一组件包括第一类型的第一扇区(41)和第二类型的第一扇区(43)，该第二组件包括第一类型的第二扇区(42)和第二类型的第二扇区(44)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，磁化结构的第一类型扇区(41；42)中的磁化矢量和定子的径向方向之间的角度在沿磁化结构的圆周移动时阶段地变化。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，磁化结构的第一类型扇区中的磁化矢量在该扇区的两个端部之间沿磁化结构的圆周移动时从直辐射方向(F2)向径向方向(F1)变化。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，该电机具有仅一对磁极，其特征在于，磁化结构包括两个第一类型扇区，其与两个第二类型扇区交替，其中一个第一类型扇区的角范围大于其中一个第二类型扇区的角范围。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，该电机具有仅一对磁极，其特征在于，磁化结构的第一类型扇区(41；42)覆盖超过60°或90°的角度，特别是大致等于120°的角度。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，在磁化结构的第二类型扇区中，磁化矢量具有大致的径向方向。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，该电机具有仅一对磁极，其特征在于，磁化结构包括两个第二类型扇区，每个该扇区覆盖小于90°的角度，特别是大致等于60°的角度。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，磁化结构在第一类型扇区和第二类型扇区之间具有磁化角度中的至少一个角间断，该角间断特别地对应于45°至135°的磁化角度的变化，特别是对应于大致等于90°的磁化角度的变化。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，由磁化结构产生的感应磁场和转子电枢磁反应合成的磁场包括法向分量，该法向分量沿第一类型扇区的主要部分具有符号恒定的非水平斜率。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，与磁化结构的第一类型扇区相关联的感应磁场的法向分量的最大幅度大于与第二类型扇区相关联的该最大幅度。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，电枢轴线和感应器轴线之间的角位移被选择以便减少中性线的位移。
14.根据前一项权利要求所述的电机，其特征在于，对于具有六个磁极的电机，所述角位移为10°至20°，特别地为13.5°至19.5°。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的电机，其特征在于，磁化结构的至少一个磁化矢量包括并排地，特别抵靠机器的架子(4)放置的多个永磁体(40)。
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