CN102884714B - 具有圆周歪斜的转子磁极和定子线圈的电机 - Google Patents

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Abstract

为了解决齿槽问题，一种用于电机的转子（200）包括多个磁极段（201），在每个磁极段（201）之内的相邻的磁极（202）按第一均匀磁极距（203）隔开。属于不同的磁极段（201）的相邻的磁极（202）在每个磁极段（201）的一端按第二(更小的)磁极距（204）隔开，并且在每个磁极段（201）的另一端按第三(更大的)磁极距（205）隔开。可替换地，可以在电机的定子（300）中进行线圈节距（305）、（306）和（307）的相应调整。

Description

具有圆周歪斜的转子磁极和定子线圈的电机
技术领域
本发明涉及具有非均匀转子磁极模式和/或非均匀定子齿模式的电机。
背景技术
根据图1，常规电机100的转子101包括沿转子外围均匀分割的多个磁性转子磁极102。两个相邻的转子磁极(中心线)之间的角距离被称为磁极距103，并且它们都有相等的值α。类似地，常规电机100的定子110包括由定子槽112分隔的多个均匀分布的定子齿111。导体113在定子槽中延伸，两个相邻导体(中心线)之间的角距离被称为线圈节距114。在根据图1的常规电机中，导体从而按值β的均匀的线圈间距114隔开。
永磁极的转子具有由被称为齿槽的周期性力矩所引起的转矩脉动。齿槽产生自转子和定子在最小磁阻位置对齐自身的倾向，并且即使在不带电的机器中，这种现象也存在。当转子磁极移动到定子齿的边缘上方时，齿槽效应发生。齿槽的大小的是单独的转子磁极和定子齿之间的相互作用的总和，并且它取决于转子磁极的数量和定子齿的数量之间的关系。
以往通过调整转子磁极来处理齿槽问题。例如在永磁电机中，当转子磁极包括在轴向方向上延伸的按行排列的多个磁体时，人们知道在圆周方向上关于彼此歪斜单个磁体。人们也知道塑造永久磁体，以便使定子齿边缘上的移动更平滑。此外，众所周知调整相邻定子磁极的角距离使得距离变得不均匀。也可以将相应的调整措施应用于定子齿，但很多时候，调整转子磁极在实践中比调整定子齿更可行。
US 4,751,416公开了在转子上具有非均匀分布的磁极的永磁式电动机。磁极通过对应于一部分定子槽距的角度布置，即，相邻的定子齿边缘之间的角距离。在US 4,751,416的一些实施例中，作用在转子上的磁力是不平衡的，而在其他的实施例中，磁力平衡。在平衡的实施例中，磁极被有效地成对调整。
US 6,285,104公开了永磁式电动机和在转子上具有非均匀分布的磁极的同步磁阻电机。US 6,285,104还公开了具有非均匀分布的定子齿的定子。根据US 6,285,104的所有实施例，磁极和定子齿被移动使得作用在转子上的磁力不平衡。
不平衡的磁力显然是不期望的，因为不平衡引起的振动可能会变强到令人无法接受。由于成对地调整转子磁极的复杂性，从制造的角度来看，这样的调整也是不期望的。因此，希望提供磁极的成对调整的磁平衡的替代。
JP8251847公开了在转子上具有不均匀分布磁极的永磁式电机。磁极通过对称地调整磁极组的圆周位置而以平衡的方式调整。转子由单个不分割的分段组成。
JP2005137117公开了一种永磁式电机，其中把转子分成多个离散的分段。
JP3284148公开了一种电机，其中通过在顺时针或者逆时针方向上转移定子极靴组而同时将线圈保持在均匀的周边间隔上来实现齿槽转矩。
发明内容
本发明的一个目的提供一种电机，其中以制造友好的方式解决了齿槽问题(cogging problem)。
这一目的由根据所附权利要求1的装置来达到。
根据本发明的第一方面，提供一种用于电机的转子，所述转子包括nps个磁极段，nps是至少四的偶数。每个磁极段包括np个磁极，np是大于一的整数。在每个磁极段之内的相邻的磁极按值α1的第一磁极距隔开。属于不同的磁极段的相邻的磁极在每个磁极段的一端按值α2的第二磁极距隔开，并且在每个磁极段的另一端按值α3的第三磁极距隔开。所有的值α1、α2和α3各不相同。通过提供具有均匀磁极距的磁极段，并且通过偏离磁极段之间的磁极距，可以解决齿槽问题，而不需要单独地或成对地调整磁极。
根据本发明的一个实施例，所述值α2小于所述值α1，并且所述值α3大于所述值α1。在组中以圆周地歪斜磁极的简单方式来实现这一实施例，并且它提供优选的齿槽特性。
根据本发明的一个实施例，磁极绕所述转子的中心轴线以实质上对称的方式对齐。磁极的对称对齐能够实现平衡的磁力，并且从而实现电机的振动自由操作。
根据本发明的一个实施例，所述转子沿不同的磁极段之间的界面被分成多个离散的分段。通过这一措施，转子部件变小和变轻，并且从而易于处理。
根据本发明的一个实施例，所有的转子分段具有实质上相同的结构。这一条件假定沿转子横截面的对称轴线将转子分成分段，并且假定转子是在轴向方向上对称。通过提供具有相同结构的转子分段，不相同的转子部件的数目变少。
根据本发明的第二方面，提供一种用于电机的定子，所述定子包括ncs个线圈段，ncs是至少四的偶数。每个线圈段包括nc个导体，nc是大于一的整数。在每个线圈段之内的相邻的导体按值β1的第一线圈节距隔开。属于不同的线圈段的相邻的导体在每个线圈段的一端按值β2的第二线圈节距隔开，并且在每个线圈段的另一端按值β3的第三线圈节距(307)隔开。所有值β1、β2和β3各不相同。通过提供具有均匀线圈节距的线圈段，并且通过偏离线圈段之间的线圈节距，可以以简单的方式解决齿槽问题。
根据本发明的一个实施例，所述值β2小于所述值β1，并且所述值β3大于所述值β1。在组中以圆周地歪斜定子线圈的简单方式来实现这一实施例，并且它提供优选的齿槽特性。
根据本发明的一个实施例，所述导体绕所述定子的中心轴线以实质上对称的方式对齐。导体的对称对齐能够实现平衡的磁力，并且从而实现电机的振动自由操作。
根据本发明的一个实施例，所述定子沿不同的线圈段之间的界面被分成多个离散的分段。通过这一措施，定部件变小和变轻，并且从而易于处理。
根据本发明的一个实施例，所有的定子分段具有实质上相同的结构。这一条件假定沿定子横截面的对称轴线将转子分成分段，并且假定定子是在轴向方向上对称。通过提供具有相同结构的定子分段，不相同的定子部件的数目变少。
根据本发明的一个实施例，按第一线圈节距隔开的相邻的导体被第一定子齿分隔，并且按第二线圈节距隔开的相邻的导体被第二定子齿分隔，所述第二定子齿比所述第一定子齿窄，或者省略所述第二定子齿。调整定子齿的宽带是圆周地歪斜定子线圈的简单方式。通过省略定子齿，避免了制造不切实际地窄的定子齿。
根据本发明的一个实施例，按第一线圈节距隔开的相邻的导体被第一定子齿分隔，并且由第三线圈节距隔开的相邻的导体被第三定子齿分隔，所述第三定子齿比所述第一定子齿宽。调整定子齿的宽带是圆周地歪斜定子线圈的简单方式。
根据本发明的第三方面，提供一种用于解决包括转子的现有电机的齿槽问题的方法。所述方法包括以下步骤：把转子磁极之间的转子分成多个径向分段；从一个分段端移除一个转子铁扇区；在相对的分段端添加一个转子铁扇区；将修改后的分段组合在一起以形成转子(200)。通过这一措施，可以以简单的方式修改现有电机的转子，以解决齿槽问题。
根据本发明的第四方面，提供一种用于解决包括定子的现有电机的齿槽问题的方法。所述方法包括以下步骤：把跨定子齿之间的定子分成多个径向分段；从一个分段端移除一个定子铁扇区；在相对的分段端添加一个定子铁扇区；将修改后的分段组合在一起以形成定子。通过这一措施，可以以简单的方式修改现有电机的定子，以解决齿槽问题。
附图说明
将参考附图更加详细地解释本发明，其中：
图1示出了现有技术的电机，其在转子中具有均匀的磁极距，在定子中具有均匀的线圈节距；
图2示出了根据本发明的转子；以及
图3示出了根据本发明的定子。
具体实施方式
参照图2，示出了用于电机的转子200，其包括四个磁极段201。每个磁极段201包括四个磁极202，在每个磁极段201之内的相邻的磁极202按值α1的第一磁极距彼此隔开，α1＝22.5°。属于不同的磁极段201的相邻的磁极202在每个磁极段201的一端按值α2的第二磁极距隔开，α2＝20°，并且在每个磁极段201的另一端按值α3的第三磁极距隔开，α3＝25°。因此可以认为与图1的均匀分布的磁极102相比，在每个第二磁极段201内的所有磁极202被顺时针移位通过1.25°的角度，而在剩余磁极段201内的所有磁极202被逆时针移位通过系统的角度。
根据图2的转子200可以沿着不同磁极段201之间的界面被分成四个离散的分段。结果，实现了包括相等地隔开的磁极202的四个转子分段。实际上，当沿着转子横截面的对称轴进行分割时，所得的相邻转子分段成为镜像图像。这意味着只要转子分段在轴向方向上对称，则所有的转子分段成为相同的结构。从制造的角度来看，将将转子200组合在一起而不使用具有均匀磁极距203的相同的分段而是调整单独地调整每个磁极，这是非常有利的。将转子200分割成分段的附加优点在于单独的电机部件的大小变得更小，并且从而更易于处理和运输。
从图1的常规转子101开始，根据本发明的转子200通过如下步骤来实现：把转子磁极102之间的常规转子101分成四个相同的分段；在两个相对分割的界面处，从每个分段端移除1.25°转子铁扇区；在两个剩余分割的界面处，向每个分段端添加1.25°转子铁扇区；将修改的分段组合在一起以形成根据本发明的转子200。当然，移除的和添加的转子铁扇区的大小可以根据主题转子的配置而变化。
参照图3，示出了用于电机的定子300，其包括四个线圈段301。每个线圈段301包括在定子槽303延伸的限定在定子齿304之间的十二个导体302。这些十二个导体302代表在三个电相中的线圈，每相两个线圈，每个线圈包括从定子300的第一轴向端延伸到定子的第二轴向端的第一导体302，并且每个线圈还包括从定子300的第二轴向端延伸到定子的第一轴向端的第二导体302。在实践中，每个线圈由在两个不同的定子槽303中延伸的单个环组成，但为了描述本发明的目的，位于不同定子槽303中的单个环的部件被认为是单独的导体302。
在本示例中，在每个线圈段301内的相邻的导体302按值β1的第一线圈节距305彼此隔开，β1＝7.5°。属于不同线圈段301的相邻的导体302在每个线圈段301的一端按值β2的第二线圈节距306隔开，β2＝5°，并且在每个线圈段301的另一端按值β3的第三线圈节距307隔开，β3＝10°。因此可以认为与图1的均匀分布的导体113相比，在每个第二线圈段301内的所有导体302被顺时针移动通过1.25°的角度，而在剩余线圈段301内的所有导体302被逆时针移动通过相同的角度。在实践中，这种移动导致在线圈段301之间的每个第二界面处的较窄的定子齿304，以及在线圈段301之间的在剩余界面处的相应地较宽的定子齿304。在图3中，较窄的齿304已被完全省略。
应选择在每个线圈段301内的导体302的数目使得属于相同线圈的所有导体302在相同的线圈段301之内。以这种方式，没有线圈穿过两个线圈段301之间的界面，并且可以容易地沿线圈段界面把定子300分成离散的分段。在本示例中，定子300也可以包括8个线圈段301，每个线圈段具有6个导体302，即每相一个线圈。将定子300分割成若干离散的分段使得单独的电机部件的大小变得更小，并且从而更易于处理和运输。与转子200一样，沿着定子横截面的对称轴分割定子300，只要定子300在轴线方向上对称，则所得的定子分段的结构成为相同的。在优选的实施例中，沿着不同线圈段301之间的界面把定子300分成多个分段。
从图1的常规定子110开始，根据本发明的定子300通过如下步骤来实现：把跨定子齿111的定子110分成四个相同的分段；在两个相对分割的界面处，从每个分段端移除1.25°定子铁扇区；在两个剩余分割的界面处，向每个分段端添加1.25°定子铁扇区；将修改的分段组合在一起以形成根据本发明的定子200。由于移除了定子铁，剩余的定子齿可能变得非常窄。在某些情形下，例如图3所示的情形，可以省略这些窄齿304。当然，移除的和添加的定子铁扇区的大小可以根据主题定子的配置而变化。
注意到根据以上描述通过移动转子磁极202和通过移动定子线圈都可以实现减小齿槽的相同的效果。根据本发明的转子200可以与具有均匀导体分布的常规定子110一起使用，并且根据本发明的定子300可以与具有均匀磁极分布的常规转子101一起使用。此外，根据本发明的转子200可以与根据本发明的定子300一起使用。在这种组合中，转子200和定子300分别具有非均匀分布的磁极202和导体302。此外，磁极段的数目可以不同于线圈段的数目。
本发明不限于以上所示的实施例，本领域技术人员当然可以在由权利要求所限定的本发明的范围内以各种方式对它们进行修改。因此，本发明不限于永磁式电机，而是可以应用于电励磁电机或者磁阻电机。此外，磁极段201和线圈段301的数目以及对应的段的数目不限于上述示例中所提及的那些，而实际上很多时候有利地可以大于段的数目。

Claims (6)

1.一种用于电机的定子(300)，所述定子(300)包括ncs个线圈段(301)，ncs是至少为四的偶数，每个线圈段(301)包括nc个导体(302)，nc是大于一的整数，在每个线圈段(301)之内的相邻的导体(302)按值β1的第一线圈节距(305)隔开，
属于不同的线圈段(301)的相邻的导体(302)在每个线圈段(301)的一端按值β2的第二线圈节距(306)隔开，并且在每个线圈段(301)的另一端按值β3的第三线圈节距(307)隔开，所述值β1、β2和β3互不相同，
其中所述值β2小于所述值β1，并且所述值β3大于所述值β1，并且所述定子(300)沿不同的线圈段(301)之间的界面被分成多个离散的分段。
2.根据权利要求1所述的定子(300)，其中，所述导体(302)绕所述定子(300)的中心轴线以实质上对称的方式对齐。
3.根据权利要求1所述的定子(300)，其中，所有的定子分段具有实质上相同的结构。
4.根据权利要求1或2所述的定子(300)，其中，按第一线圈节距(305)隔开的所述相邻的导体(302)被第一定子齿(304)分隔，并且按第二线圈节距(306)隔开的所述相邻的导体(302)被第二定子齿(304)分隔，所述第二定子齿(304)比所述第一定子齿(304)窄，或者省略所述第二定子齿(304)。
5.根据权利要求1或2所述的定子(300)，其中，按第一线圈节距(305)隔开的所述相邻的导体(302)被第一定子齿(304)分隔，并且由第三线圈节距(307)隔开的所述相邻的导体(302)被第三定子齿(304)分隔，所述第三定子齿(304)比所述第一定子齿(304)宽。
6.一种包括根据前述权利要求任一项所述的定子(300)的电机。
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