CN102422508B - 具有低定位扭矩的三相电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三相电机，其使用高磁能永磁体并具有低定位扭矩。电机包括：转子(2)，其具有N对磁极；以及定子部(1)，其具有从内齿轮(10)径向延伸出的齿(11至16)。所述齿具有绕组(41至43)并且所述齿的端部包括：圆弧(17)，其中点位于半径R1处；以及两个侧边(18和19)，其限定了角α，所述角α的顶点位于半径R2处。比率R2/R1大致上等于(1+/-0.26/N)，并且所述角α在110°和135°之间。

Description

具有低定位扭矩的三相电机
技术领域
本发明涉及使用高效永磁体的具有低定位扭矩(detent torque)的三相电机，尤其用于在工业领域或汽车领域中的高速驱动的应用。
背景技术
在电机体积和效率方面的要求导致使用高能磁体来制造转子，并且所采用的材料的能量增加得越多，就越难控制这些电机的残余扭矩(residualtorque)。
这些电机的成本不但取决于所采用的材料的成本而且还取决于制造各种构件所使用的方法的成本。因此重要的是为配件的制造和这些电机的各种部件的装配实施简单的方案。特别地，残余扭矩的控制可能导致与更经济的绕组方法不兼容的定子的形式。此外，在高速下使用这些电机要求对转子使用少量的磁极对以便降低在电机和电子设备中的损耗。
图5和图6描述了现有技术的电机，使得能够通过具有少量磁极对的转子来获得低残余扭矩。
图5的电机使用了具有2对磁极的转子和具有6个齿的定子(91)。定子磁极占用了90％的可用表面区域因此使得能够获得低残余扭矩。小的凹口宽度造成了长且困难的绕组，因而其是昂贵的且还具有欠佳的体积系数。
图6的电机也使用了具有2对磁极的转子，与图5的电机相比，每个定子磁极被划分为3个齿。此后定子绕组围绕着定子的3个齿以形成单个磁极。18个定子齿占用了70％的可用表面区域因此使得能够获得低残余扭矩，但是要求三相交错式绕组，因而其是长且昂贵的，并且不适于非常大的批量制造。
从本领域的状态中还已知的是呈现正弦磁感应强度的转子的使用，结果，使得能够减小残余扭矩。然而，为了获得例如大多数工业或汽车应用所需的残余扭矩值，这些转子的磁感应强度必须呈现极低的畸变。对于3次谐波、5次谐波和7次谐波，特别是对于后两者，这些转子的磁感应强度的谐波击穿(harmonic breakdown)必须显现出极低的百分率。特别地，通过使用高能磁体，5次谐波和7次谐波的百分率必须小于0.5％。如果5次谐波和7次谐波的百分率达到0.5％或大于0.5％，则有必要将这些转子的方案与适用于减小残余扭矩的定子的方案相结合。
图5和图6的电机有时使用呈现正弦磁感应强度的转子。
发明内容
本发明旨在通过提出一种尤其适合超大规模制造且适于具有极高能量的磁体的电机结构来改善本领域状态的缺陷，所述电机结构使用少量的磁极对(典型地为2对)、数量减少的绕组(典型地为3个)，并且在高速下呈现极低的残余扭矩以及高性能水平。
本发明提出一种坚固的电机，其呈现了低定位扭矩、良好的动态性能水平，并且由于定子和转子的简单结构而特别经济。
通过权利要求1更具体地限定了本发明的电机。
在直接或间接地从属于权利要求1的权利要求中限定了可选而有益的其它特征。
为此，本发明涉及一种由通过电绕组激励的定子部和具有N对磁极的转子形成的三相电机，定子部具有从内齿轮径向延伸出的齿。确定定子磁极的宽度，以便一方面避免在齿中的任何饱和，另一方面消除主磁化谐波(mainmagnetization harmonic)的影响；并且还通过允许将所制造的绕组置于定子的外部来实现经济的绕组。
定子磁极为直齿，其包括位于直齿的端部处的圆弧(17)以及能够在每个侧边(18和19)上被扩大或者减小的空隙，圆弧(17)在齿的中心限定有空隙。这意味着齿的端部可以为凸出形状或凹陷形状。确定定子磁极的宽度以及形成齿的端部的圆弧(17)的半径，以便对于每个齿获得尽可能低的残余扭矩，定子磁极的宽度被限定为在包围整个齿的中心处的角度。根据所使用的磁体的最大能量来限定形成绕组的心的齿的宽度。虽然这一能量能够在6MGOe至40MGOe的范围内变化，但是在所有的情形下，定子磁极表示小于60％的可用表面区域。因此，保证了绕组的便易。
如图12所示，根据磁体的能量以及根据磁化谐波如果齿的端部的几何形状为适宜的，则其通常仍然遵守同一个规则，使得能够限定与定子磁极的侧边(18和19)相切的角α(24)。
因为对于每个齿均分别获得了残余扭矩的消除，所以无需像在现有技术的特定电机中那样去寻求两个齿或一组齿之间的扭矩补偿。在保持残余扭矩、电机扭矩常数以及工业化的便易方面的所有优势的同时，定子齿数量和转子磁极对数量之间的新的组合变得可用，因此尤其对于高速驱动应用表现出在成本和性能方面更佳的折衷。
附图说明
通过参照附图阅读下面对作为非限定性示例所给出的公知的或者本发明特定的实施例的描述，将更好地理解本发明，其中：
图1表示根据本发明的电机的横向剖视图。所述电机包括：定子(1)，其具有6个齿(11至16)；以及转子(2)，其由引入到铁磁轭(3)上的成形磁体(45)构成。
图2表示图1中表示的电机的定子的横向剖视图。磁极宽度(21)为大约30％的定子极距(22)并且齿的端部为凹陷形状。
图3表示根据本发明的电机的横向剖视图。所述电机包括：定子(1)，其具有6个齿(31至36)；以及转子(2)，其由装配在铁磁轭(3)上的四个成形瓦形件(4A、4B、4C和4D)构成。
图4表示图3中表示的电机的定子的横向剖视图。磁极宽度(21)为大约50％的定子磁极距(22)并且齿(25)的端部为凸出形状。
图5表示现有技术的一种电机的横向剖视图。所述电机包括：定子(91)，其具有6个齿；以及转子，其由装配在铁磁轭(92)上的四个成形瓦形件(93)构成。定子磁极占用了大约90％的可用表面区域。
图6表示现有技术的另一种电机的横向剖视图。定子(81)包括占用了大约70％的可用表面区域的18个齿。
图7表示具有2对磁极的转子的横向剖视图，转子由四个瓦形件(4A、4B、4C和4D)构成，所述瓦形件由各向异性的磁性材料制成且被胶合在铁磁轭(3)上。
图8表示具有2对磁极的转子的横向剖视图，转子由环形件(5)构成，所述环形件(5)由各向同性的磁性材料制成，被正弦磁化且被胶合在轭(3)上。
图9表示示出了作为如图7所示的转子的位置的函数的法向磁感应强度和切向磁感应强度的振幅的图表。
图10示出了如图7所示的转子的法向磁感应强度或切向磁感应强度的谐波击穿。
图11表示在定子具有6个齿(11至16)且转子具有2对磁极的情形下，作为定子磁极宽度(21)的函数的由不同的磁化谐波引起的残余扭矩的趋势。
图12表示不同齿的几何形状，并示出了形成齿端部的弧(17)的中点总是位于同一个半径R1(22)处，还示出了同一个角α(24)，角α的顶点位于半径R2(23)处且角α与齿(齿_1至齿_4)的侧边(18和19)相切。
图13表示示出了在定子具有6个齿且转子具有2对磁极的情形下对于不同的定子齿几何形状，作为定子磁极宽度(21)的函数的由5次磁化谐波引起的残余扭矩的趋势的图表。
图14表示示出了作为定子磁极宽度(21)的函数的电机常数Km的趋势的图表，所述Km为电机所能提供的每瓦特平方根的扭矩。
图15表示根据本发明的且包括具有4对磁极的转子的电机的横向剖视图。所述电机包括：定子，其具有12个齿(101至112)；以及转子，其由引入到铁磁轭(3)上的成形磁体(4)构成。
图16表示用于分别包括2、4或8对磁极的转子的电机的不同的定子齿形状。
图17表示根据本发明的电机的横向剖视图。所述电机包括具有6个齿(11至16)的定子(1)以及具有2对磁极的转子(2)；每个齿均带有绕组(141至146)。
图18表示在绕组插入前和插入后的根据本发明的电机的定子(1)的横向剖视图。定子具有6个齿并且每两个齿中的一个带有绕组。3个绕组(41至43)能够被单独地缠绕，随后同时呈现在定子内部并被插入到它们对应的齿上。
图19表示根据本发明的具有外转子的电机的横向剖视图。包括6个齿(211至216)和3个绕组(241至243)的定子(201)位于转子(202)内，所述转子(202)由安装在铁磁轭(203)中的4个磁性瓦形件(204A至204B)构成。
具体实施方式
图7中显示了用于制造转子的方案之一，而且这个转子呈现正弦磁感应强度。四个磁性瓦形件(4A、4B、4C和4D)被胶合在铁轭(3)上。即使每个瓦形件在单一方向上产生磁化，这些瓦形件的外部形状也使得能够接近正弦磁感应强度。然而，由于成本因素，这些瓦形件的几何形状必须保持简单并且制造公差引起了转子的各个磁极之间的差异。在实践中，因此获得了如图9中所示的磁感应强度。而且图10中所示的谐波击穿显出了以下百分率：3次谐波为6.6％、5次谐波为1.2％、7次谐波为0.6％。本发明旨在提出一种简单且经济的电机，将使得能够在获得极低的残余扭矩且不存在由现有技术的方案所引起的关于绕组的缺陷的同时，使用具有这种数量级的磁化谐波百分率的转子。
图11示出了对于定子上具有6个齿且转子上具有2对磁极的电机，在如图12中所示的成形定子磁极(齿_2)的情形下，根据定子磁极宽度的由各个磁化谐波引起的残余扭矩的趋势。对于这种形状(齿_2)，形成了齿的端部的圆弧(17)的半径等于定子基准半径R1(22)。如果考虑相同振幅的谐波，则能够发现：由3次谐波引起的残余扭矩远小于由5次谐波引起的残余扭矩，且同样小于由7次谐波引起的残余扭矩。
对于在30°和35°之间的定子磁极宽度，由3次谐波引起的残余扭矩最大。如果磁极宽度变宽或变窄，则残余扭矩逐渐减小。
对于35°的磁极宽度或5°的极窄磁极，由5次谐波引起的残余扭矩最大。相比之下，对于20°的齿宽，这一残余扭矩为0。
对于38°的磁极宽度或10°的窄磁极，由7次谐波引起的残余扭矩最大。对于26°的磁极宽度，这一残余扭矩为0。
根据本发明的一个可行实施例的且具有成形齿(齿_2)的电机将包括具有6个齿(11至16)的定子(1)，所述定子具有在20°和26°之间的磁极宽度(21)。如图11中所示，在20°和26°之间由5次谐波和7次谐波引起的残余扭矩的符号相反且互补。对于5次谐波多于7次谐波的转子，将选择更接近20°的齿宽。然而，如果7次谐波多于5次谐波，则将选择更接近26°的齿宽。如果5次和7次谐波的百分率为相同的数量级，则将选择23°的磁极宽度。
图14示出了根据定子磁极宽度的电机常数Km的趋势。当齿较窄时，每安匝的扭矩常数减小，但是随着铜的可用体积增大，用Nm每瓦特平方根表示的电机常数Km增大。其在20°和35°之间最大。因此，在使用20°和35°之间的磁极宽度时是有益的。
图1表示本发明的优选实施例。定子(1)由一叠薄磁性板制成。所述定子包括具有在20°和26°之间的相同宽度的6个齿(11至16)。每两个齿中的一个齿带有一绕组(41至43)。具有2对磁极的转子(2)使用具有小于25MGOe的最大磁能的磁性材料。能够通过塑料粘合剂将磁体二次成型在铁轭上来获得转子(2)。这种制造方法使得能够获得磁体的外形，在磁化后其将导致根据所获得的位置的大致上为正弦的磁感应强度。图8表示由以各向同性材料制成的环形件(5)构成的转子的另一个实施例。首先使用特定的设备将这个环形件(5)正弦地磁化，随后将其胶合到可以是或不是铁磁性的轭(3)上。
使用窄齿的弊端仅存在于磁体具有的最大磁能大于25MGOe的情况下，这是因为随后在齿中出现了饱和。而且，在根据本发明的另一个实施例(图3)中，定子磁极宽度将处于28°和36°之间以便通过使用具有的最大能量在25MGOe和40MGOe之间及大于40MGOe的磁体来避免所述饱和。为了获得由5次谐波和7次谐波引起的残余扭矩的消除，齿的端部为凸出的且采用如图12中所示的形状(齿_4)。
事实上，图13中所示的图表示出了磁极宽度必须如何根据齿的形状改变以始终获得由5次谐波引起的残余扭矩的消除。对比形状(齿_2)，能够发现具有较明显的凹陷形状(例如形状(齿_1))的齿将具有略小的磁极宽度以获得残余扭矩的消除。相反，具有例如(齿_3)和(齿_4)的凸出形状的齿将需要较大的磁极宽度以获得残余扭矩的消除。通过示出在同一个附图(图12)上所获得的不同的齿，能够发现，无论何种齿，形成齿端部的圆弧(17)的中点始终位于R1(22)(定子基准半径)处，并且顶点位于半径R2(23)处的同一个角α(24)与齿的两个侧边(18和19)相切。如图16所示，当转子的磁极对的数量N变化时，显而易见的是，如果比率R2/R1根据关系式R2/R1＝1-0.26/N而变化，则磁极宽度与N成反比而角α保持不变。
为了获得由5次谐波引起的残余扭矩的消除，角α(24)必须大致上等于110°。对于7次谐波，能够应用相同的方法，并且为了获得由7次谐波引起的残余扭矩的消除，角α(24)必须大致上等于135°。
因此，根据本发明，如果转子呈现出5次谐波远多于7次谐波，则角α将接近110°，而如果7次谐波远多于5次谐波，则角α将接近135°。如果5次谐波和7次谐波具有相似的振幅，则角α将接近122°。
图19示出了根据本发明的优选实施例。所制造的构造涉及具有外转子(202)的电机，但能够应用相同的关于残余扭矩消除的规则。根据圆弧(17)和角α还限定了齿(211至216)的形状，所述圆弧的中点位于半径R1处，所述角α的顶点位于半径R2处并且角α与齿的侧边(18和19)相切。因为结构是相反的，所以此时半径R2大于半径R1并且联系R1和R2的关系式变为R2/R1＝1+0.26/N。取决于性能的要求，定子可以具有3个绕组(241至243)或6个绕组。转子由四个磁性瓦形件(204A至204D)构成，所述磁性瓦形件具有使得能够获得大致上为正弦的径向磁感应强度和切向磁感应强度的形状。

Claims (13)

1.一种三相电机，包括：转子(2)，其具有N对磁极；以及定子(1)，其具有从内齿轮(10)径向延伸出的3×N个齿(11至16)，所述定子(1)通过电绕组(41至43)激励，每个齿(11至16)在其端部处均具有圆弧(17)和两个侧边(18和19)，所述圆弧(17)的中点位于第一半径(R1)处并且所述两个侧边(18和19)限定了角α(24)，所述角α(24)的顶点位于第二半径(R2)处，其特征在于，所述第一半径(R1)与所述第二半径(R2)限定了大致等于(1+/-0.26/N)的比率R2/R1，并且所述角α在110°和135°之间，其中所述转子呈现法向磁感应强度和切向磁感应强度，所述法向磁感应强度和所述切向磁感应强度中的每个均包含小于20％的3次谐波、小于2％的5次谐波以及小于2％的7次谐波。
2.根据权利要求1所述的三相电机，其特征在于，所述齿的每个端部均具有凸出形状。
3.根据权利要求1所述的三相电机，其特征在于，所述齿的每个端部均具有凹陷形状。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的三相电机，所述定子(1)在每个所述齿上均具有绕组。
5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的三相电机，所述定子(1)对于每两个所述齿中的一个具有绕组。
6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的三相电机，所述绕组被单独地缠绕然后被插入到所述定子中。
7.根据权利要求1所述的三相电机，所述转子(2)由引入到由铁磁性材料制成的轭(3)上的磁体(4)构成。
8.根据权利要求7所述的三相电机，所述转子(2)由四个瓦形件(4A、4B、4C和4D)构成，所述瓦形件由各向异性材料制成并被装配在由铁磁性材料制成的所述轭(3)上。
9.根据权利要求1-3、7、8中的任意一项所述的三相电机，所述转子(2)由各向同性材料制成的环形磁体(5)构成。
10.根据权利要求1-3、7、8中的任意一项所述的三相电机，所述转子(2)由具有极性各向异性的环形磁体(5)构成。
11.根据权利要求1-3、7、8中的任意一项所述的三相电机，其特征在于，所述定子(1)由一叠薄板构成。
12.根据权利要求1-3、7、8中的任意一项所述的三相电机，其特征在于，其包括与所述转子(2)一起作用的位置检测构件。
13.根据权利要求5所述的三相电机，其特征在于，所述绕组被单独地缠绕然后被插入到所述定子中。
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