CN102223039A - 电机和永久磁铁 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包含永久磁铁的电机以及涉及所使用的永久磁铁。本发明尤其是涉及一种同步机。该磁铁和线圈通过气隙与永久磁铁相互作用，该气隙位于永久磁铁和线圈之间。所述永久磁铁和线圈按照以下方式来设置，即当该永久磁铁或线圈在它们的位置上相对于彼此移动时，在该线圈中产生电力。所述永久磁铁包含与线圈和气隙按照以下方式对齐的表面，即该永久磁铁的磁力按照磁通量密度分布通过该表面和气隙与所述线圈相互作用。该表面的横截面形状至少部分地近似于正弦函数。

Description

电机和永久磁铁
技术领域
本发明涉及一种包含永久磁铁的电机（electrical machine）以及涉及所使用的永久磁铁。本发明尤其是涉及一种同步机。
背景技术
诸如发电机的电机包含很多永久磁铁，这些永久磁铁与至少一个线圈相互作用以产生电力。对于所使用的磁铁需要找到一种折衷。需要最小化或甚至避免以下问题的至少一些：
首先，这些磁铁的磁力（磁场强度）由于它们的个体特性和容差会改变。如果该电机处于“无负载”、“空闲”或“满负载”状态中，则会出现周期的转矩脉动。
其次，所使用的永久磁铁的数量和/或尺寸由于不断增加的成本而需要被最小化。
如果该电机处于“无负载”状态，则上述转矩被称为“齿槽转矩”（cogging torque），而如果该电机是“负载”状态，则上述转矩被称为“波纹转矩”（ripple torque）。
转矩脉动可能导致振动，这会在该电机内传播，也会在该电机所使用的支撑结构内传播。转矩脉动可能对机械部件和电部件有害。
此外，转矩脉动可能产生具有低频率的噪声。这些频率是可听见的，因此干扰环境、人类和野生动物。
尤其是如果巨大的直接驱动发电机在风力涡轮机内，则需要减小或甚至避免所述干扰。
公知有若干种技术来减小“齿槽转矩”或“波纹转矩”。例如永久磁铁被特别地成形，或者在电机内使用所谓的“哑槽”（dummy slot）。
磁铁成形对于给定的电流和需要的转矩来说是有利的。磁铁成形可以针对所需要的磁铁材料数量的最小化来进行。
还可以通过优化的磁铁成形来减小齿槽转矩和/或波纹转矩。
在现有技术中公知有大量的优化的磁铁形状。
重要且普遍应用的一种磁铁形状展示了被切掉的上磁铁角。这被称为倒角（chamfering）。所使用的倒角可以是45°，但替换的倒角也是现有技术中公知的。然而，这种倒角并没有将齿槽转矩和波纹转矩减小到令人满意的水平。
文献EP 1 076 921 A1描述了一种具有横截面几何形状的磁铁块。该几何形状对应于正弦曲线的半周期弧。制造这种几何形状是非常困难和昂贵的。即使这种近似也没有将齿槽转矩和波纹转矩减小到令人满意的水平。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种改进的永久磁铁来着手解决上述问题，并且提供一种包含该类型的改进的永久磁铁的电机。
该目的通过权利要求1的特征以及通过权利要求9的特征来达到。
优选的配置是从属权利要求的目标。
根据本发明，所述电机包含永久磁铁和线圈。该磁铁和该线圈通过气隙与永久磁铁相互作用，该气隙位于永久磁铁和线圈之间。
所述永久磁铁和线圈按照以下方式来设置，即当该永久磁铁或线圈在它们的位置上相对于彼此移动时，在该线圈中产生电力。
所述永久磁铁包含与所述线圈和所述气隙按照以下方式对齐的表面，即该永久磁铁的磁力按照磁通量密度分布通过所述表面和气隙与所述线圈相互作用。
该表面的横截面形状至少部分地近似于正弦函数。
优选地，以下函数用作正弦函数：
Figure 264385DEST_PATH_IMAGE001
。
所使用的参数定义如下：
m 调制指数；0<m<1：该调制指数用于控制该正弦函数的幅度；
wft控制值；
Figure 243843DEST_PATH_IMAGE002
 ：该值用于控制“平顶比例”宽度。该控制值被分配给这样的轴—在该轴处所述正弦函数振荡，由此平顶的宽度得到控制。
hm磁铁的总高度；
mw磁铁的宽度；以及
theta 角度，优选对于正弦的半周期被设置为π/2—可以选择其它值。
由于这些特征，在用于支撑所述线圈的气隙和横向槽（across slot）中获得基本上正弦的通量密度分布。
根据本发明达到了一种调制水平。该调制水平通过如上定义的参数“m”来改变。这允许调制该通量密度分布，即使是气隙内的也可以。
磁铁的优化形状通过如上定义的系数“
Figure 338094DEST_PATH_IMAGE003
”来修改。这导致磁铁的与气隙对齐且与气隙相邻的平顶。该平顶增大了线圈旁边的通量密度分布，因为磁铁表面的较长部分相对地保持在定子附近。
磁铁典型地展示出矩形区域，该矩形区域位于所成形的表面的对面。该矩形区域导致磁铁横截面视图内的基线。
为了进行表面优化，应当考虑很多系统参数—该优化应当考虑到以下因素来进行：
-在电机内减小的磁铁体积，
-减小的齿槽转矩，
-减小的谐波，
-改进的转矩，
-增加的通量密度，
-增加的电机效率，…，等等。
由于上面定义的函数，仅仅通过迭代地调整几个参数就可以找到磁铁体积、电机效率、齿槽转矩、齿槽波纹、去磁等等之间的最佳折衷。由此所述优化是快速和有效的。
通常由于整体电机布局而给定很多设计限制：尺寸，磁铁占用空间（magnet foot print），最小气隙距离，转矩，效率，…，等等。这么多的限制也降低了迭代优化的复杂度。
本发明可应用于径向的、轴向的和线性的磁铁几何形状，即使永久磁铁相对于例如“槽式定子”几何形状移动。由此提供了正弦的气隙通量密度，减小了定子和磁极之间的齿槽力。
附图说明
现在借助一些附图示出本发明。这些附图示出优选的配置，而且不限制本发明的范围。
图1示出根据本发明成形的永久磁铁PM1的横截面视图，
图2示出也参照图1的永久磁铁PM1的透视视图，
图3示出具有正弦形表面的图1和图2的永久磁铁，而
图4示出根据本发明用于设计和优化该成形的表面的方法。
具体实施方式
图1示出根据本发明成形的永久磁铁PM1的横截面视图。
永久磁铁PM1的横截面包含3个线形截面LBP1,LBP2,LBP3。这些截面LBP1,LBP2,LBP3可以属于下面在图2中示出的矩形区域BP1,BP2,BP3。
永久磁铁PM1的横截面也包含线LSF。线LSF按照其至少部分地近似于正弦函数的方式来成形。线LSF优选地近似于也定义在上面的函数：
Figure 795620DEST_PATH_IMAGE004
。
表面线LSF属于下面在图2中示出的永久磁铁PM1的成形的表面SF。
该成形的表面（图2：SF）与线圈对齐并且与位于永久磁铁PM1和该线圈之间的气隙对齐。
图2示出也参照图1的永久磁铁PM1的透视视图。
由于该成形的表面SF，在基础区域或基础平面BP2和BP3附近，在磁铁PM1的端点上实现了平滑过渡。
基础平面BP2和BP3与永久磁铁PM1的基础平面BP1正交。
图3示出图1和图2的具有优化的正弦形表面的永久磁铁。
如上面定义的，正弦函数优选根据以下函数计算：
Figure 423042DEST_PATH_IMAGE005
。
这些参数定义如下：
m 调制指数；0<m<1：该调制指数用于控制该正弦函数的幅度；
Figure 307821DEST_PATH_IMAGE006
控制值；
Figure 886439DEST_PATH_IMAGE007
 ：该值用于控制“平顶比例”宽度。该控制值被分配给这样的轴—在该轴处所述正弦函数振荡，由此平顶的宽度得到控制。
hm磁铁的总高度；
mw磁铁的宽度；以及
theta 角度，优选对于正弦的半周期被设置为π/2—可以选择其它值。
由于这些特征，在用于支撑线圈的气隙和横向槽中获得基本上正弦的通量密度分布。
根据本发明达到了一种调制水平。该调制水平通过如上定义的参数“m”来改变。
这允许调制该通量密度分布，即使是气隙内的也可以。
磁铁的优化形状通过如上定义的系数“
Figure 147656DEST_PATH_IMAGE003
”来修改。
这导致磁铁的与气隙对齐且与气隙相邻的平顶。
该平顶增大了线圈旁边的通量密度分布，因为磁铁表面的较长部分相对地保持在定子附近。
确定很多的离散点P1,P2,…,P5。这些点描述了正弦的近似。
这些离散点P1,P2,…,P5提供磁铁表面SF的更简单的优化的形状，假定这些坐标是针对表面几何形状的。
优选地，磁铁/表面的形状借助数值设计或迭代或通过其它解析方法来确定。
优化的磁铁形状通过为此而选择的合适数量的点来确定。
所述正弦函数可以通过典型的针对表面的6到10个点来近似。甚至调制函数和提升（lifting）也通过数值的或迭代的解决方案来选择。
优选地，相邻的点通过线性段互连。因此实现了倒角的磁铁表面。这导致容易的磁铁制造过程。
图4示出根据本发明的用于设计和优化所述成形的表面的简化方法。
该方法包括步骤：
-定义很多离散点以近似如上定义的函数，
-定义电机布局的设计标准（例如磁铁宽度
Figure 629584DEST_PATH_IMAGE008
，电机的转矩，最小气隙距离，齿槽转矩，波纹转矩，…，等等），
-运行优化算法，以优化磁铁形状（通过迭代地调整至少调制函数m和/或提升（
Figure 685265DEST_PATH_IMAGE003
），以找到最佳地满足所有这些标准的磁铁形状。

Claims (10)

1. 一种电机，
-其中该电机包含永久磁铁和线圈，
-其中该线圈按照以下方式设置，即该线圈通过位于永久磁铁和线圈之间的气隙与永久磁铁相互作用，
-其中所述永久磁铁和线圈按照以下方式来设置，即当该永久磁铁或线圈在它们的位置上相对于彼此移动时，在该线圈中产生电力，
-其中所述永久磁铁包含与所述线圈和所述气隙按照以下方式对齐的表面，即该永久磁铁的磁力按照磁通量密度分布通过所述表面和所述气隙与所述线圈相互作用，以及
-其中该表面的横截面被按照以下方式成形，即该横截面至少部分地近似于正弦函数，由此在所述气隙中获得基本上正弦的磁通量密度分布。
2. 根据权利要求1所述的电机，其中所述表面的横截面被成形为近似于以下函数
Figure 2011100922513100001DEST_PATH_IMAGE002
，
其中：
m被定义为调制指数，其中0<m<1；同时该调制指数用于控制该函数的幅度；
Figure 2011100922513100001DEST_PATH_IMAGE004
被定义为控制值，其中
Figure 2011100922513100001DEST_PATH_IMAGE006
；同时该值被分配给这样的轴—在该轴处该正弦函数振荡，而且该值用于控制永久磁铁的平顶宽度，同时该平顶与所述气隙相邻；
hm被定义为该磁铁的总高度；
mw被定义为该磁铁的宽度；以及
theta被定义为角度。
3. 根据权利要求1或2所述的电机，其中所述永久磁铁展示出矩形区域，该矩形区域位于所成形的表面的对面。
4. 根据权利要求1所述的电机，其中该电机是同步机或径向通量机或线性通量机或轴向通量机。
5. 根据权利要求1所述的电机，其中该电机是风力涡轮机的发电机。
6. 根据权利要求1所述的电机，其中所成形的表面的横截面是通过很多点定义的直线。
7. 根据权利要求6所述的电机，其中所述点的至少两个通过线性段互连。
8. 根据权利要求1所述的电机，其中所述永久磁铁的成形的表面包含与所述气隙相邻的平顶。
9. 一种用在根据权利要求1至8之一所述的电机内的永久磁铁，
-其中该永久磁铁包含按照以下方式设计的表面，即该永久磁铁的磁力按照磁通量密度分布通过所述表面和气隙与线圈相互作用，以及
-其中该表面的横截面被按照以下方式成形，即该横截面至少部分地近似于正弦函数，由此在所述气隙中获得基本上正弦的磁通量密度分布。
10. 根据权利要求9所述的永久磁铁，其中所述表面的横截面被成形为近似于以下函数
Figure 653408DEST_PATH_IMAGE002
，
其中：
m被定义为调制指数，其中0<m<1；同时该调制指数用于控制该函数的幅度；
被定义为控制值，其中
Figure 9697DEST_PATH_IMAGE006
；同时该值被分配给这样的轴—在该轴处该正弦函数振荡，而且该值用于控制所述永久磁铁的平顶宽度，同时该平顶与所述气隙相邻；
hm被定义为该磁铁的总高度；
mw被定义为该磁铁的宽度；以及
theta被定义为角度。
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