CN102714451B - 具有较高可容忍偏心的永磁体电机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是一种具有定子(14)和与该定子相距气隙(δ₁)的转子(12)的永磁体同步电机。在轴上以转动方式支撑该转子，并且对于该定子与该转子之间的偏心确定了最大值。该值大于该气隙的十分之一。用装配在该转子(12)中的永磁体来配置该同步电机的磁化，以便创建经由该定子(14)、该气隙(δ₁)和该转子(12)封闭的磁通量(φ)。根据本发明，在该永磁体的厚度与偏心的最大值ε之间应用关系H≥(10*ε-δ)*μ_r。在该关系中，δ是该气隙的尺寸值并且μ_r是该永磁体的相对磁导率。

Description

具有较高可容忍偏心的永磁体电机

技术领域

本发明涉及用永磁体激励的同步电机以及用于制造和安装该电机的方法。

背景技术

旋转电机的目的在于使与定子相关联的转子的偏心尽可能的小。如果旋转轴偏离中心轴，则该电机的性能和可靠性下降，因为在整个旋转圆周区域中该定子与该转子之间该电机的气隙不是恒定的。偏心可以是圆柱形的，在该情况中，定子和转子的轴线平行。在该情况中，该气隙的尺寸贯穿该电机的轴线的全长以相同的方式偏离。在圆锥形偏心中，定子和转子的轴线的方向彼此偏离，在该情况中当沿轴线移动时该气隙的变化改变。在实施中，偏心通常是圆柱形偏心与圆锥形偏心的组合。

偏心可以是静态的或动态的。在静态偏心中，转子的旋转轴可能在其位置中但是偏离该定子的中心线。在动态偏心中，该转子的对称轴围绕该定子的对称轴旋转。静态和动态偏心也可以同时存在。

如果定子和转子的表面形状不相似，则在定子和转子之间的整个区域中该气隙是不恒定的。例如如果转子的横截面的横切是轻度椭圆的或者如若不然相对于圆形变形并且偏离，则在该转子的气隙中存在变化。当该定子的朝向该转子的侧面变形时，这也是有效的。在该情况中，即使定子和转子的对称轴是一致的，气隙也可以被变形。

该气隙的偏心和变形减弱了电机的性能和特性，导致例如强烈振动。在这种意义上，电机的特性偏离很大，并且例如当偏心大于气隙的长度的百分之五时异步电机可能具有强烈电气振动。在同步电机中，当偏心大约是气隙的长度的百分之十时存在类似的电气振动。

气隙的增长导致对于激励功率的极大需求，在该情况中，激励绕组的损失无效率地变大。小的电机具有相对小的气隙，该相对小的气隙仅允许小的机械偏心。在这种意义上，装配有激励绕组的同步电机优选的是异步电机，因为该激励绕组是分离的并且大的气隙所需要的激励电流未拉紧功率绕组。但是装配有激励绕组的同步电机中的激励电流的增长可能导致昂贵并且复杂的技术方案并且降低负载能力。

在永磁体同步电机中，用永磁体形成激励功率。该永磁体即使对于大的气隙也可以产生足够的激励功率，而不会损害该电机的性能。

尺寸和制造说明通常是零公差的，即定子的中心轴和转子的中心轴是一致的，在该情况中转子将精确地围绕定子的中心轴旋转，并且该定子与该转子之间的气隙贯穿该转子的外圆周与该定子的内圆周之间的整个区域是恒定的。相应地，具有外部转子的电机中的气隙在转子的内圆周和定子的外圆周之间的区域是恒定的。但是，在实际应用中，可能存在因为由于制造技术或应用导致不能达到完美的中心性该要求可能不得不打折扣的情况。在具有小的气隙的大型并且慢速电机中，即使轻微的偏心也可能导致气隙的大百分比的振动。在电机的定子和转子被分离安装或者转子形成设备的一部分的应用中，若没有昂贵的附加工作或结构则难以或者不可能达到所需要的安装精确度。

发明内容

本发明的目的在于开发一种新的永磁体同步电机，其允许转子与定子之间的气隙的大的变化。

根据本发明，一种永磁体同步电机包括：定子，以及与该定子具有气隙的转子，其中以旋转的方式将该转子支撑在轴上。该定子与该转子之间的偏心ε具有定义的最大值，该定义的最大值大于该气隙的十分之一，并且用转子安装的永磁体来配置该同步电机的激励，其中该转子安装的永磁体在磁通量方向中具有厚度H，并且该转子安装的永磁体创建磁通量(φ)，其中经由该定子(14)、该气隙(δ₁)和该转子(12)封闭磁通量(φ)。在该永磁体厚度H与偏心ε的该最大值ε_max之间应用公式：

H≥(10*ε_max-δ)*μ_r，

其中，δ是该气隙的尺寸值并且μ_r是该永磁体的相对磁导率。结合本专利，应该理解该气隙的该尺寸值意味着在该电机的设计中使用的该定子与该转子之间的该气隙的测量值。

在根据本发明的一种用于制造和安装永磁体同步电机的方法中，该同步电机包括定子以及转子，其中以旋转的方式支撑该转子，该转子与该定子具有气隙，该转子可与该定子具有偏心ε关系地安装。在该方法中，为了制造和安装永磁体同步电机，该同步电机包括定子，并且以旋转的方式支撑转子以与该定子具有气隙。该转子以这样一种方式与该定子具有偏心ε安装关系，其中在该方式中该转子的最大允许偏心ε_max至少是该气隙的十分之一，并且该转子包括在该磁通量的方向中具有厚度H的永磁体。以这样一种方式来制造和安装该转子，其中在该磁通量方向该永磁体厚度H、该转子的该最大允许偏心ε_max以及该气隙的该尺寸值形成公式：

H≥(10*ε_max-δ)*μ_r，

其中，μ_r是该永磁体的相对磁导率。

在由永磁体激励的电机中，对于该电机的特性和操作有影响的有效气隙显著偏离该电机的物理气隙。该有效气隙不仅受到在该定子与该转子之间可以检测并且测量的该物理气隙本身的影响，而且如果该磁通量路径中的其它部分具有与空气的磁导率非常相似的磁导率则还受到该磁通量路径中的该其它部分的影响。当定义该允许偏心ε时利用到该观察，在该情况中，该物理气隙的显著的百分比改变导致该有效气隙中百分比小得多的改变。在某种程度上，该电机的定子“看到”该气隙大于该定子与该转子之间实际具有的该物理气隙。

在该情况中，当在有效气隙中允许0.1的偏离时，可能对于最大允许偏心ε_max与有效气隙的关系创建以下公式：

0.1*(H/μ_r+δ)≥ε_max，

其中，H是在该磁通量方向中该永磁体的厚度，μ_r是该永磁体的相对磁导率并且δ是该定子与该转子之间的平均物理气隙。用该公式能够验证当一个人想允许对于该同步电机的特定偏心ε时该永磁体的该厚度是否足够。相应地，当将同步电机的该转子装配到该定子中时并且该永磁体的特性和厚度以及该气隙的尺寸是已知的，则可以定义安装期间该允许的偏心。

附图说明

在下文中，将通过参考附图，在特定实施方式的帮助之下更详细地描述本发明，其中：

图1示出了偏心电机的横截面；

图2示出了根据本发明的偏心电机的横截面；

图2a示出了图2的部分放大；

图3示出了根据本发明的另一个电机的横截面；

图4示出了根据本发明的连接到设备的同步电机。

具体实施方式

图1示出了电机的偏心ε，该电机包括定子、转子和它们之间的气隙在轴向方向中的横截面。用公知的方式支撑该电机的定子并且将其附着到该电机的框架或者对应的支撑结构上，并且该定子的内圆周2形成具有中心点6的圆形圆周。以旋转的方式将转子3安装并且支撑在定子内部，并且该转子的外圆周4与该定子的内圆周具有气隙δ。中心点8距定子的中心点6移动了偏心ε的距离。当转子围绕它的中心点8旋转时，气隙δ的尺寸根据偏心ε的量，在最小值δ_m与最大值δ_M之间偏离。在图1的情况中，偏心ε大约是气隙δ的尺寸的一半。根据电机的尺寸，转子以这样一种方式位于定子中间，其中该方式使得它们的中心点一致。这在图中用圆周4’来显示，圆周4’与定子的内圆周2的距离是气隙尺寸值δ_D。在图1的实例中，气隙δ的尺寸与气隙尺寸值δ_D大约偏离50％，在电机没有严重的故障和损坏或者对连接到该电机的设备没有损坏风险的情况下，这对于电机而言通常是不允许的。

图2示出了根据本发明实现的同步电机10的横截面，该视图包括转子12的一个磁极26以及定子14的圆周的对应长度。定子包括由导磁片制成的板片包16，该包包括槽18，定子绕组装配在该槽18上。转子12包括导磁核心部分20，导磁核心部分20具有由永磁体24制成的孔22。将两个永磁体24以V型位置安装在转子的磁极26的边缘上，在该情况中，两个永磁体24的名称类似的磁极朝向磁极26。当转子不具有偏心ε时，转子磁极中心28与定子内圆周30的距离是该同步电机的物理气隙δ₁，但是转子是围绕它的中心点32旋转的并且转子的中心点32同时是定子的内圆周的中心点。在图中，用通量线φ来描述磁通量的流动，其中通量线φ通过定子齿、定子背、气隙、转子核心部分、永磁体以及转子磁极部分闭合。当在转子中存在偏心ε时，其中在该情况中旋转轴与转子的中心点偏离距离ε，气隙的尺寸相应地改变。当偏心ε的值是0.1*δ时，物理气隙的尺寸在转子磁极的中心偏离0.9...1.1*δ。可以将偏心ε的该数量和变化范围视为结构中的一般设计，并且作为同步电机的可靠性和性能特性无风险的允许公差。

在根据本发明的应用中，对于偏心ε允许高得多的值，如0.5*δ，在该情况中气隙的量级可以从0.5*δ变化到1.5*δ。图2a示出了用附图标记36来标记最高偏心值ε_max＝0.5*δ并且用附图标记34来标记允许范围之中的偏心的情况。由于其所导致的该偏心和气隙变化超过了无害电气振动可能允许的值，所以将永磁体24的厚度H在磁通量方向设定为使得当从定子观察时电磁总气隙足够大。该电磁总气隙包括该物理气隙和沿该转子中的主磁通量的路径的层。该层的相对磁导率与空气的相对磁导率具有相同的量级。基于通常使用的稀土金属的永磁体的相对磁导率比转子中使用的铁磁片的相对磁导率小得多，并且与空气的相对磁导率具有相同的量级。例如，NdFeB磁体(钕铁硼磁体)的相对磁导率μ_r约为1-3.5。当对于偏心ε可以允许高的值时，确保永磁体的厚度H满足所要求的条件。基于用于电机的要求集合来确定与电机的功率和性能有关的永磁体的量级以及它的厚度。

假设永磁体磁导率为μ_r＝1并且物理偏心ε为ε＝0.5*δ，则允许电磁气隙是δ’＝0.1*(H+δ)，并且可以得出以下方程式

0.1*(H+δ)≥ε＝0.5*δ，

基于该方程式，永磁体的足够的厚度的值是H≥4*δ。

根据卡特系数，实际气隙的磁影响高于它的机械值，这意味着永磁体的较小的值是可能的。永磁体的磁导率还影响尺寸。根据本发明的教导，因此当对于同步电机的转子的允许偏心ε为ε＝0.5*δ时，图2中所示的该实施方式中的永磁体的厚度可以等于或高于3*δ。

图3示出了根据本发明的另一个永磁体同步电机，其中用安装在转子的外圆周的表面上的永磁体来实现磁化。转子40围绕它的旋转中心轴42旋转，其中旋转中心轴42旋转与定子44的中心46偏离偏心ε。将永磁体48固定到转子的外圆周50上。转子的最外部即永磁体48的表面52与定子的内表面之间的距离(气隙)从δ_min变化到δ_max。因此，该电机的物理气隙变化到远高于所允许的程度，以确保无干扰操作。如本发明所指示的，有效气隙从H_s+δ_min变化到H_s+δ_max，在该情况中，有效气隙的变化处于允许范围内。

通过在定子绕组中安装平行的分支或者调节组件，可以进一步增加偏心公差。

图4示出了根据本发明的永磁体同步电机54。将该电机的转子56装配到工作机器58的轴60上。转子56与定子62圆柱形偏心，在该情况中，定子的中心轴64和转子的中心轴66是平行的，但是彼此相距距离ε。用轴承68将工作机器以旋转方式支撑在基座上，在该情况中，还用轴承68来支撑同步电机54的转子56，其中轴承68与同步电机的支撑及其定子62分开。可以独立地制造和安装包括轴60和与其校准的同步电机转子56的工作电机54，并且同步电机定子62和转子56仅仅在操作场所彼此电磁连接。在根据本发明的装置中，可以允许定子与转子之间的偏心ε。相应地，转子可以圆锥形偏心，在该情况中，定子和转子的中心轴略微在不同方向上，并且在该轴的纵向上，该偏心改变。

本发明也适用于除了定子与转子轴之间的偏心之外的其它不规则气隙变化。因此，在根据本发明的装置中可以补偿由朝向气隙的定子或者转子表面引起的气隙改变。

在上文中，已在特定实施方式的帮助之下描述了本发明。但是不应该将说明书视为限制专利保护的范围；本发明的实施方式可以在所附权利要求的范围内改变。

Claims (11)

1.一种永磁体同步电机，包括定子(14)和位于与所述定子相距气隙(δ₁)的距离处的转子(12)，其中，在轴上以转动方式支撑所述转子，从而对于所述定子与所述转子之间的偏心ε指定了最大值，所述最大值大于所述气隙的尺寸值的十分之一，其中所述气隙的所述尺寸值是在转子与定子的中心点一致的情况下转子的圆周与定子的内圆周的距离，从而用装配在所述转子(12)中的永磁体(24)来配置所述同步电机的磁化，其中，所述永磁体在磁通量的方向中具有厚度H，并且其中，所述永磁体用于创建经由所述定子(14)、所述气隙(δ₁)和所述转子(12)封闭的磁通量，其特征在于，在所述永磁体的厚度H与偏心ε的最大值ε_max之间应用公式

H≥(10*ε_max-δ)*μ_r，

其中，δ是所述气隙的尺寸值并且μ_r是所述永磁体的相对磁导率。

2.如权利要求1所述的同步电机，其特征在于，所述偏心ε的最大值ε_max是所述气隙的所述尺寸值的一半。

3.如权利要求1或2所述的同步电机，其特征在于，所述永磁体的相对磁导率μ_r小于3.5，并且所述永磁体(24)的厚度(H)最多是所述气隙的所述尺寸值的十倍。

4.如权利要求1到2中的任意一个所述的同步电机，其特征在于，所述偏心ε的最大值ε_max是所述气隙的所述尺寸值的一半，所述永磁体的相对磁导率μ_r约为1，并且所述永磁体(24)的厚度大于所述气隙的尺寸值乘以因子3。

5.如权利要求1到2中的任意一个所述的同步电机，其特征在于，所述定子与所述转子之间的所述偏心ε的范围在0.2乘以所述气隙的尺寸值与0.5乘以所述气隙的尺寸值之间。

6.如权利要求1到2中的任意一个所述的同步电机，其特征在于，在连接到所述同步电机(54)的驱动机器(58)的轴(60)上支撑所述同步电机(54)的所述转子(56)。

7.如权利要求1到2中的任意一个所述的同步电机，其特征在于，将所述永磁体(48)装配到所述转子的外表面(50)上。

8.如权利要求1到2中的任意一个所述的同步电机，其特征在于，将所述永磁体(24)嵌入到所述转子(12)的导磁的核心(20)中。

9.如权利要求8所述的同步电机，其特征在于，将所述永磁体(24)以V形装配在所述转子(12)中。

10.一种用于制造和安装永磁体同步电机的方法，该同步电机包括定子(14)以及转子(12)，其中以旋转的方式支撑该转子，该转子与该定子具有气隙(δ1)，该转子可与该定子具有偏心ε安装关系，使得最大允许偏心ε_max至少是该气隙的尺寸值的十分之一，其中所述气隙的所述尺寸值是在转子与定子的中心点一致的情况下转子的圆周与定子的内圆周的距离，并且该转子具有在磁通量的方向中具有厚度H的永磁体，其特征在于，该转子被制造并安装，使得在该永磁体(24)的厚度H、该转子的该最大允许偏心ε_max以及该气隙的尺寸值δ之间应用公式：

H≥(10*ε_max-δ)*μ_r，

其中，μ_r是该永磁体的相对磁导率。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，用这样一种公差来制造与该定子相关的转子支撑，其中该公差使得该转子的最大允许偏心ε_max的范围在所述气隙的所述尺寸值的0.2倍与所述气隙的所述尺寸值的0.5倍之间。