CN102414967B - 具有电枢磁反应补偿的旋转电机 - Google Patents

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Abstract

本发明的电机包括感应器(11)、电枢(10)和用于补偿电枢磁反应的装置。根据本发明，用于补偿电枢磁反应的装置包括至少一个永久磁体(AC)，该永久磁体被插入在感应器的磁极中。根据一个具体实施例，补偿装置包括插入在感应器的每个磁极中的磁体。根据另一实施例，补偿装置包括插入在感应器的每个磁极中的两个磁体。电机可以包括表面或隐藏型补偿永久磁体。

Description

具有电枢磁反应补偿的旋转电机
技术领域
本发明涉及一种用于机动车辆的旋转电机，诸如交流发电机、起动器、或交流发电机-起动器。更具体地，本发明涉及一种装备有用于对电枢磁反应(armature magnetic reaction)补偿的装置的旋转电机。
背景技术
本领域技术人员已知电枢磁反应的现象。电枢磁反应当电流在旋转电机的电枢中循环时发生。
以用于机动车辆的交流发电机为例，在该交流发电机中电枢是电机的定子，感应器是它的转子，电枢磁反应当交流发电机正在使用且放出电流时发生。电流在其中循环的定子线圈于是产生所谓的电枢反应磁场，其可以引起感应器的磁场饱和及使磁场下降。此后，电磁力(emf)畸变(可能饱和)，且交流发电机的性能，特别是就输出而言，被不利地影响。该emf的畸变产生谐波，其引起焦耳损失的增加和电机的铁损。此外，涉及声学振动和电磁兼容性的性能还可以被感应器反应影响。
在具有大功率级的旋转电机的领域中，提供所谓的电枢反应补偿辅助线圈在现有技术中是已知的。这些线圈，其被包括在电机的定子中，产生与电枢反应磁场相反的补偿磁场，从而减少影响。
上述方案可以为在旋转电机中的电枢磁反应提供满意的补偿，但它不适合机动车辆领域，在该领域中重量、紧实性和成本的约束极其严格。
发明内容
由此，期望提出为机动车辆中使用的旋转电机设计的对电枢磁反应补偿的方案。
根据第一方面，本发明提供一种旋转电机，其包括转子形式的感应器，定子形式的电枢，和用于补偿电枢磁反应的装置。根据本发明，用于补偿电枢磁反应的装置包括至少一个永久补偿磁体，该磁体被插入在感应器的磁极中。
根据一具体特征，用于补偿电枢磁反应的装置包括永久补偿磁体，所述磁体被插入在感应器的每个磁极中。
根据另一个具体特征，用于补偿电枢磁反应的装置包括两个永久补偿磁体，其被插入在感应器的每个磁极中。优选地，两个永久补偿磁体中的每一个被插入在相应磁极的一个半部中。
根据具体实施例，永久补偿磁体的长度大约占据相应磁极的一半宽度的30到45％。此外，永久补偿磁体具有0.8至1.4特斯拉的残余磁场，其相对于相应磁极的一个端部被定位在大约2至6mm的距离处。其具有大约1至6mm的长度，和大约1至4mm的厚度。
根据优选的实施例，永久补偿磁体相对于相应磁极的一个端部被定位在等于5.3mm的距离处。其长度等于4.4mm，厚度等于2mm。
根据另一特征，根据已在上面简要描述的本发明的旋转电机还包括渐进气隙。根据具体实施例，该渐进气隙在大约0.4到0.7mm变化。
根据又一特征，根据本发明的旋转电机的永久补偿磁体是表面型或隐蔽(buried)型。
附图说明
本发明的其它特征和优势将从阅读它的其中一个具体实施例的以下描述并连同参考附图而显而易见。其中：
图1示出具有凸极的类型的旋转电机的简化大体结构；
图2A到2C是用于解释电枢磁反应现象的概略图；
图3是存在于电机的气隙中的磁场的真实测量曲线；
图4是根据本发明的旋转电机的横截面局部视图，所述旋转电机装备有用于补偿电枢磁反应的永久磁体；
图5是存在于电机的气隙中的磁场的测量曲线，其示出由永久补偿磁体提供的对电枢磁反应的补偿效果；
图6是示出在电机的相应磁极中的永久补偿磁体的位置的横截面局部视图；
图7是根据本发明的旋转电机的横截面局部视图，该旋转电机装备有用于补偿电枢磁反应的两个永久磁体；
图8示出扭矩曲线，其当旋转电机工作在发动机模式中时、有补偿磁体和无补偿磁体时获得；
图9是根据本发明的旋转电机的横截面局部视图，该旋转电机包括渐进气隙；和
图10是存在于电机的气隙中的磁场的测量曲线，其示出由图9中的电机的渐进气隙提供的对电枢磁反应的补偿效果。
具体实施方式
图1以简化的形式示出具有凸极的类型的旋转电机1的结构。电机1包括定子10和转子11，且没有电流补偿装置。
定子10设置有多个凹口101，所述凹口被设计为接收定子线圈(未示出)。转子11包括四对具有北(N)极和南(S)极的磁极，包括磁极S110、N110、S111、N111、S112、N112、S113和N113。
激励线圈114被设置在电机1的转子11中，且包括八个串联的绕组，E0到E7，所述绕组被分别定位在电机1的八个凸极的位置处。激励电流lex为激励线圈114供电，从而通过在磁极S110、N110、S111、N111、S112、N112、S113和N113的位置处产生所需极性的磁场。
当电机1运行在交流发电机模式中且正在放出电流时，电枢磁反应发生，现在参考图2A、2B和2C描述。
图2A、2B和2C示意性地示出在电机1的气隙e中的磁场，在电机的磁极N的位置处。图2A、2B和2C示出具有激励绕组E的磁极N，以及定子线圈的导体CS，其被容纳在定子中的凹口101(图1)中。
图2A示出磁场FI，其是当电机1运行而没有充电时，即当没有电流在定子线圈中循环时，由磁极N在气隙中产生的磁场。磁场FI的波形于是在相对于磁极N的气隙组件中大致规则。
图2B示出为磁场FRI形式的电枢磁反应的影响，所述磁场是由定子线圈的导体CS在充电电流在导体中循环时产生的电枢反应磁场。如图2B所示，磁场FRI包括正交替(positive alternation)和负交替(negative alternation)。
图2C示出磁场FC，其是当电机放出充电电流时、存在于气隙e中的合成磁场。磁场FC是磁场FI和FRI的和。如图2C所示，与电机1运行而没有充电时产生的磁场FI比较，磁场FC有明显的变形和相移。此外，磁流(cf，图2C中的附图标记SA)的饱和可以作为该电枢磁反应的结果发生。该类型的饱和可以引起性能的实质损失。
图2A、2B和2C中示出的磁场FI、FRI和FC的波形是理论曲线，其为了解释的需要被简化。
图3示出磁力线(magnetic curve)FC的真实测量曲线，所述磁力线存在于具有凸极的旋转电机的气隙中。x轴示出电机的转子的角位置，y-轴示出对应于磁场FC的特斯拉值。磁场FC的波形包括峰，其主要由定子中的凹口的存在引起。该类型的波形包括许多谐波，所述谐波使旋转电机的性能下降。
根据本发明，在旋转电机的转子的磁极中并入装置，用于以永久磁体形式对磁反应进行补偿。由永久磁体产生的磁通量(magnetic flow)于是与电枢磁反应的磁通量相反，由此降低电枢磁反应的影响。
图4示出永久磁体ACN1和ACS1，被包括在具有凸极的旋转电机的两个连续的N和S型磁极中，所述旋转电机诸如图1中的电机1。
永久磁体ACN1和ACS1形成根据本发明的用于补偿电枢磁反应的装置的一部分。在该实施例中，永久磁体AC被包括在旋转电机的磁极的每一个中，在本发明的其它应用中并不一定是这种情况。
永久磁体AC对在电机的气隙中的磁场FC的影响在图5示出。永久磁体AC到磁场FC的加和在图5中的曲线上由PAC部分以粗体示出。永久磁体AC通过校正磁场FC的强度而提供对电枢磁反应的补偿，如图5所示。在减少不利地影响电机性能的谐波的意义上，该校正改善磁场FC的频谱。
为了获得对电枢磁反应的所需补偿，期望优化不同参数，具体是磁极中的永久磁体AC的位置，以及磁体的尺寸特征和残余磁场特征。
通过本发明的构造，已实现了测试和模拟，具体是在用于机动车辆的旋转电机上，所述旋转电机具有40kW的标称功率、200mm的外直径和240mm的长度。
永久磁体AC，其具有0.8至1.4T的残余磁场，对机动车辆应用给出了好的结果。然而，其它残余磁场强度也可以是合适的，取决于应用。
参考图6，磁体AC的尺寸和位置特征由以下参数限定：
La＝磁体AC的长度
Ha＝磁体AC的厚度
Da＝在磁体AC和磁极的一个端部之间的距离
Lp＝磁极的宽度。
在该每个磁极具有单个磁体AC的实施例中，磁体AC位于磁极的第一半宽度1/2LP中。磁极的第一半在这种情况下被认为是对应于由电机转子的旋转方向确定的磁极前部的那一半。
对于上述用于机动车辆的旋转电机，已确定以下优化值：对于为Ha＝2mm的磁体厚度，La＝4.4mm及Da＝5.3mm。
应认识到，由于，取决于应用，不同的值可由本领域技术人员确定，因此上述的优化值是非限制性的。
由此，取决于应用，磁体AC的长度La可表示为磁极的一半宽度1/2LP的大约30到45％。此外，磁体AC可被有利地定位在将大约为2至6mm的距离Da处。磁体AC的长度La可为大约1至6mm，及厚度Ha可为大约1至4mm。
图7示出一实施例，在该实施例中，为每一个磁极设置两个电枢磁反应补偿磁体AC1和AC2。
在图7中的该电机中，磁体AC1和AC2具有相反的磁性，且位于磁极的第一和第二半。由于磁场FC的交替，如图3所示，其中一个磁体，例如AC1，将具有在交替的第一部分中增加磁场FC的强度的效果。而另一磁体，例如AC2，将具有在交替的第二部分中减小强度的效果。磁场波形的由电枢反应引起的失真的校正由此被实现，从而获得更规则的波形，包括更少的谐波。
本发明还提供在机械扭矩方面的明显改进的优势，该机械扭矩当旋转电机在发动机模式中运行时被提供。
根据定子中的电流的密度，图8示出由以3000rpm速度在发动机模式中运行的上述40kW电机提供的扭矩，取决于电机是否装备有用于补偿电枢磁反应的永久磁体。
具有方形点的第一曲线是没有磁体AC的电机的曲线。具有圆形点的第二曲线是具有磁体AC的电机的曲线，且具有高于第一曲线扭矩值的扭矩值。
上述实施例包括表面型永久磁体AC，即其邻接磁极的与气隙相对定位的表面。然而，应注意到隐藏型永久磁体AC也可以用于本发明的一些应用中。
根据本发明，如图9所示的渐进气隙ep，可以与永久磁体AC相关联，用于对电枢反应的补偿。
在图9的实施例中，气隙ep从大约0.4mm到大约0.7mm、从磁极的一端到另一端渐进变化。磁极的与气隙ep和定子中的凹口相对的表面被加工，以获得该渐进气隙ep。
图10示出由渐进气隙ep提供的补偿的示例。渐进气隙ep对磁场的波形的影响由粗体部分PEP示出。图10中的曲线仅示出由渐进气隙ep提供的补偿效果，即没有补偿磁体AC。
还应注意到，可以以分开的方式设置补偿磁体AC，即以被并排布置的、且由磁性材料(转子铁)薄壁隔开的至少两个磁体的形式。该类型的实施例可以减少磁体AC中的损失。
本发明已在特定旋转电机的背景下在此被描述。应清楚，本发明会具有在更宽的领域中的应用，换句话说，同步电机的领域。更加具体地，本发明在具有齿状转子的旋转电机中有重要的应用，即广泛用于机动车辆中的伦德尔(Lundell)型电机。还会注意到，本发明可用于包括极间永久磁体的转子。

Claims (8)

1.一种旋转电机，包括转子（11）形式的感应器、定子（10）形式的电枢，和用于补偿电枢磁反应的装置，其特征在于，所述用于补偿电枢磁反应的装置包括至少一个永久补偿磁体（AC），该磁体被插入在所述感应器的磁极中；
其中所述永久补偿磁体（AC）的长度（La）占据相应磁极的一半宽度（1/2LP）的30到45%。
2.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述用于补偿电枢磁反应的装置包括永久补偿磁体（AC），所述磁体被插入在所述感应器的每个磁极中。
3.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述用于补偿电枢磁反应的装置包括两个永久补偿磁体（AC），所述磁体被插入在所述感应器的每个磁极中，所述两个永久补偿磁体（AC）的每一个被插入在相应磁极的一个半部中。
4.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述永久补偿磁体（AC）具有0.8至1.4特斯拉的残余磁场，所述磁体相对于相应磁极的一个端部被定位在2至6mm的距离（Da）处，所述磁体具有1至6mm的长度（La）和1至4mm的厚度（Ha）。
5.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述永久补偿磁体（AC）相对于相应磁极的一个端部被定位在等于5.3mm的距离（Da）处，所述磁体具有等于4.4mm的长度（La）和等于2mm的厚度（Ha）。
6.如权利要求1所述的电机，其特征在于，其包括渐进气隙（ep）。
7.如权利要求6所述的电机，其特征在于，所述气隙（ep）在0.4至0.7mm渐进地变化。
8.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述永久补偿磁体（AC）是表面型或隐藏型。
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