CN102222985A - 电机和永磁体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机和永磁体，特别涉及同步机器。根据本发明，电机包含永磁体和线圈。线圈设置成使其经由空气间隙与永磁体相互作用，空气间隙位于永磁体和线圈之间。永磁体和线圈设置成使得当永磁体或线圈在其彼此的相对位置运动时在线圈内产生电能。永磁体包含表面，该表面对齐于线圈和空气间隙，使得永磁体的磁力经由表面和空气间隙通过磁通量密度分布与线圈相互作用。永磁体包含表面、基底平面和过渡区域。表面的第一侧经由过渡区域被连接到相邻基底平面。表面和相邻基底平面之间的过渡的横截面由Bezier函数确定，其归属于三个点并由这三个点限定。第一点归属于表面，第二点归属于基底平面，而第三点归属于表面和基底平面之间的过渡区域。

Description

电机和永磁体
技术领域
本发明涉及包含永磁体的电机，并且涉及使用的永磁体。本发明特别涉及同步机器。
背景技术
例如发电机的电机包含多个永磁体，所述永磁体与至少一个线圈相互作用从而产生电能。对于使用的磁体而言，需要有所折中。必须最小化或者甚至避免下述问题中的至少一些：
首先，磁体的磁力（磁场强度）将由于其各个特性和容差而变化。如果机器处于“无负载”、“空转”或“满载”状态时将发生周期性转矩脉动。
其次，由于稳定增加的成本的原因，需要最小化使用的永磁体的数量和/或尺寸。
如果机器处于“无负载”状态则上述转矩被表示为“齿槽转矩”（cogging torque），如果机器处于“负载”状态则其被表示为“波动转矩”（ripple torque）。
转矩脉动会导致在机器内部且同样在所用的机器支撑结构内部传播的振动。转矩脉动会损害机械部件和电气部件。
此外，转矩脉动会产生具有低频的噪声。该频率是可被听见的且因而会干扰环境、人类和野生生物。
特别是如果大型直接驱动发电机处于风力涡轮机内时需要减少或甚至避免干扰。
存在一些公知技术来减少“齿槽转矩”或“波动转矩”。例如永磁体被具体成形或者在电机内使用所谓的“哑槽”（dummy slot）。
对于给定电流和所需转矩而言磁体成形是有利的。能够在考虑到最小化所需磁体材料的量的情况下实现磁体成形。
还可以通过磁体的优化成形来减小齿槽转矩和/或波动转矩。
在本领域中已知大量的优化的磁体形状。
一种重要且常用的方式是具有被切除的上磁体角。这被称为倒角。所用的倒角角度可以是45°，不过本领域中同样公知其他可替代的倒角角度。不过这种类型的倒角不会将齿槽转矩和波动转矩减小到令人满意的水平。
文献EP 1076921A1描述了具有横截面几何形状的磁体件。该几何形状对应于正弦曲线的半周期弧线。制造这种几何形状是困难且昂贵的。甚至这种逼近都不会将齿槽转矩和波动转矩减小到满意水平。
发明内容
因此，本发明的目标是提供解决上述问题的改良永磁体，并且提供包含这种改良永磁体的电机。
这个目标是通过权利要求1的特征和权利要求6的特征来实现的。
优选构造是从属权利要求的目标。
根据本发明，电机包含永磁体和线圈。线圈被设置成使得其经由空气间隙而与所述永磁体相互作用，该空气间隙位于所述永磁体和所述线圈之间。所述永磁体和所述线圈被设置成使得当所述永磁体或所述线圈在其彼此的相对位置运动时在所述线圈中产生电能。
永磁体包含一表面，该表面与所述线圈和所述空气间隙对齐成使得所述永磁体的磁力通过磁通量密度分布经由该表面和所述空气间隙与所述线圈相互作用。
永磁体包含表面、基底平面和过渡区域。所述表面的第一侧经由所述过渡区域连接于相邻基底平面。在所述表面和所述相邻基底平面之间的过渡的横截面由Bezier函数确定，该Bezier函数归属于至少三个点且由所述至少三个点限定。
第一点归属于所述表面，第二点归属于所述基底平面且第三点归属于处于所述表面和所述基底平面之间的过渡区域。
该Bezier函数由这三个点限定并且被设置成连接这三个点。
由于这些特征，获得了在空气间隙内且跨过（用于支撑线圈的）槽的优化的磁通量密度分布。
磁体通常呈现定位成与成形表面相对的矩形区域。该矩形区域导致了在磁体的横截面视图中的基线。
对于表面优化而言，应该考虑大量系统参数——应该在考虑如下因素的情况下实现优化：
-机器内减小的磁体体积，
-减小的齿槽转矩，
-减小的谐波，
-改良的转矩，
-增加的通量密度，
-增加的机器效率，等。
由于Bezier函数的原因，可以通过仅几个参数的相关调整来实现磁体体积、机器效率、齿槽转矩、齿槽波动、去磁等之间的最佳折中。因此快速且有效地进行优化。
由于整体机器布局，通常给出多个设计约束：尺寸、磁体占地面积、最小空气间隙距离、转矩、效率等。这些约束的数量也减小了相关优化的复杂性。
本发明能够应用于径向、轴向和线性磁体几何尺寸，即使永磁体相对于例如“带槽定子”几何形状运动也是如此。因此提供了优化的空气间隙通量密度，减小了定子和磁极之间的齿槽力。
由于Bezier状曲线，所以会产生平滑连续的磁表面。
通过如下图所示的对于三点的计算迭代来得到优化表面。这提供了磁体的优化形状使其具有最小齿槽转矩和转矩波动且同时优选地保持了机器的空气间隙的宽度。
最终磁体形状提供了改进的电机输出功率，且同时关于现有技术的其他拓扑结构实现了更窄的磁极。
附图说明
现在借助于一些附图来示出本发明。附图示出了优选构造并且不限制本发明的范围。
图1示出了永磁体的横截面图，其根据本发明被成形，
图2示出了关于图1的永磁体的立体图，
图3示出了带有根据本发明的成形表面的图1和图2中的永磁体，且
图4示出了根据本发明用于设计和优化成形表面的方法。
具体实施方式
图1示出了永磁体PM1的横截面图，其根据本发明被成形。
永磁体PM1的横截面包含三个线性段LBP1、LBP2、LBP3。这些段LBP1、LBP2、LBP3可以属于后面图2所示的矩形区域BP1、BP2、BP3。
永磁体PM1的横截面也包含线LSF。线LSF在其边缘处根据Bezier函数被成形，而边缘归属于磁体的表面和相邻基底平面之间的过渡区域，如后面的图2所示。
因此，线LSF借助于Bezier函数或Bezier曲线被转换到相邻线性段LBP2和LBP3。
表面线LSF属于永磁体PM1的表面SF，如后面图2所示。
成形表面对齐于线圈和空气间隙，该空气间隙位于永磁体PM1和线圈之间。
图2示出了关于图1的永磁体PM1的立体图。
由于Bezier函数，因此实现了在表面SF和其相邻基底平面BP2和BP3之间的平滑过渡。
基底平面BP2和BP3正交于永磁体PM1的基底平面BP1。
图3示出了带有优化表面的图1和图2的永磁体。
如上所述，基于三个点P1、P2和P3计算这三点之间的Bezier函数。
其使用的参数被定义为：
wft 控制值；0<wft<1：这个值用于控制两个点P1之间的宽度且因而控制磁体的平坦顶部的宽度；
hm 磁体的总高度；
mw 磁体的宽度；
msh 是用于点P3的控制值；0<msh<1：这个值控制点P3定义的磁体侧面的最小高度；且点
P2 由参数hm和mw定义。
表面SF和它们的相邻基底平面BP2和BP3之间的过渡由Bezier函数确定、由所述三个点P1、P2和P3限定并且归属于这三个点。
由于这些特征的原因，获得了空气间隙内且跨过槽的优化磁通量密度分布，其中所述槽被用于支撑线圈。
由两个点P1限定或者由乘积“mw * wft”所限定的磁体的平坦顶部对齐于且相邻于空气间隙。
优选地，Bezier状过渡借助于数值设计或迭代来确定或者通过其他分析方法来确定。
图4示出了根据本发明用于设计和优化成形表面的简化方法。
该方法包括如下步骤：
-定义多个离散点来逼近上面定义的函数，
-定义机器布局的设计标准（例如磁体宽度mw、机器转矩、最小空气间隙距离、齿槽转矩、波动转矩等）
-运行优化算法来找出最佳地满足所有标准的磁体形状。

Claims (6)

1.一种电机，
-其中所述电机包含永磁体和线圈，
-其中所述线圈被设置成使得其经由空气间隙与所述永磁体相互作用，该空气间隙位于所述永磁体和所述线圈之间，
-其中所述永磁体和所述线圈被设置成使得当所述永磁体或所述线圈在其彼此的相对位置运动时在所述线圈内产生电能，
-其中所述永磁体包含表面，该表面对齐于所述线圈和所述空气间隙，使得所述永磁体的磁力经由所述表面和所述空气间隙通过磁通量密度分布与所述线圈相互作用，
-其中所述表面的第一侧经由过渡区域连接于相邻基底平面，并且
-其中所述表面和所述相邻基底平面之间的过渡的横截面由Bezier函数来确定，其归属于三个点并由这三个点限定，第一点归属于所述表面，第二点归属于所述基底平面，而第三点归属于在所述表面和所述基底平面之间的所述过渡区域。
2.根据权利要求1所述的电机，其中所述永磁体呈现与成形表面相对的矩形区域。
3.根据权利要求1所述的电机，其中所述电机是同步机器或径向通量机器或线性通量机器或轴向通量机器。
4.根据权利要求1所述的电机，其中所述电机是风力涡轮机的发电机。
5.根据权利要求1所述的电机，其中所述永磁体的所述表面包含与所述空气间隙相邻的平坦顶部。
6.一种永磁体，其用在根据权利要求1-5中一项权利要求所述的机器的内部，
-其中所述永磁体包含表面、至少一个基底平面、以及过渡区域，
-其中所述表面的第一侧经由所述过渡区域被连接到相邻基底平面，
-其中所述表面对齐于所述机器的线圈和空气间隙，使得所述永磁体的磁力经由所述表面和所述空气间隙通过磁通量密度分布与所述线圈相互作用，
-其中所述表面和所述相邻基底平面之间的过渡的横截面由Bezier函数来确定，其归属于三个点并由这三个点限定，第一点归属于所述表面，第二点归属于所述基底平面，而第三点归属于在所述表面和所述基底平面之间的所述过渡区域。
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