CN1074599C - 永磁性同步电动机 - Google Patents

Abstract

一种同步电机，包含一转子，该转子包含多个与一磁轭固连的齿状物，齿状物被狭槽隔开，狭槽内容入线圈。一感应体，包含多个装在底板上的磁体，且感应体通过气隙与转子隔开。电机的尺寸如下，即转子的齿状物在其整个高度具有不变的截面且靠在齿状物顶部旁边的狭槽的宽度与这些顶部的宽度基本相等从而由于此狭槽而降低了寄生阻滞效应。电机可为线性或旋转的。

Description

永磁性同步电动机

本发明涉及一种同步电动机，其包含一转子，该转子包含一磁轭，多个齿状物，每个齿状物的第一端与所述磁轭固定地连成一体，且在齿状物之间限定出狭槽，而线圈被部分地放置在所述槽内，被布置成当线圈被通电时，以便在齿状物内产生磁通，所述齿状物具有与所述第一端相对的第二端，且其形成具有第一宽度的齿状物顶端，每一所述狭槽具有与所述齿状物顶端大致相当的一第二宽度，所述第一和第二宽度的和决定了齿状物的齿距，所述电机还包含一感应体，其与所述齿状物顶端相对放置，并包含多个永磁体和一通量返回底板，而所述永磁体被放在其上。

按照如上所简述的同步电动机是众所周知的。本发明中的图1,1a,2和3用来阐述现有技术的状况。

图1为根据现有技术制成的线性同步电机的部分截面图。这里，转子60为由铁磁性叠层的叠板形成的定子，其中可以看到磁轭1和齿状物10，齿状物10通常设置成具有齿距τn。转子60还包含多个狭槽2，狭槽2将齿状物10隔开且在狭槽中容入线圈绕组4，线圈绕组4通过绝缘片3与磁轭1和齿状物10绝缘。在此种电机中，齿状物10的顶端通过一展宽的部分或鞋形物10′终结，其目的是产生一宽度减小的开口或前部狭槽6，这样做的原因在下文中会很清楚。绕组4通常稀松地绕制，在无特别精确要求的情况下，可使用绕线机或用手将其通过前部狭槽6插进狭槽2中。为了将绕组放入狭槽2内，需要提供一支撑在鞋状物10′上的可滑动的塞子5。

图1还示出了电机的感应体61，在本例子中，它是可沿轴Y直线运动的电机的可移动的部分。感应体61主要包含多个长方形平行六面体形状的永磁体8，其均匀地以极距τP放置在由铁磁性材料制成的平的通量回流底板9上。转子60和感应体61被气隙7隔开。

图2示出了用特斯拉(T)表示的磁感应B的分量的分布，这里仅表示磁通仅分布在两个极距τp的范围内。必须指出，无论线圈4被通电与否，磁感应B仅是在图1中截面内感应体61的磁体8在转子60的齿状物10处所产生的。在图2中会看到狭槽2的开口6引起在磁感应B的轮廓内明显可见的微扰15和16。这些宽度为bn的开口，造成在永磁电机中众所周知的现象即阻滞效应。此效应产生寄生力或阻滞力Fr，其方向沿Y轴且会干扰电机的正常工作。图3表示出此力Fr的变化曲线。

图3的曲线所依据的电机，其具有12mm的齿间距τn、16mm的极间距τp、1.5mm的狭槽开口和bn/τn的比值为0.125。所示出的τp沿横向坐标轴而阻滞力Fr沿纵坐标轴。τp用毫米(mm)表示而Fr用牛顿(N)表示。图3中的曲线17反映了阻滞力Fr的轮廓而该阻滞力是仅当转子具有一个狭槽时所产生的。此曲线的特点是其具有两个低斜率的不稳定点22和22′及一个高斜率的稳定点21。在点22和22′，狭槽6位于磁体8的中间(-τp/2和+τp/2)而在点21时，狭槽6位于两磁体8之间。如果感应体61例如位于0和3.2之间，其将向右移动并提供一驱动力(斜坡19)并在点21处使其自身稳定。但如果感应体61位于16和12.8之间其将移向同一点21并提供一阻滞力(斜坡20)。图3的曲线18反映了总阻滞力Fr的轮廓，是在一极间距τp内由具有8个狭槽的转子60而产生的。寄生阻滞力连续具有8个寄生的最大值并干扰电机的正常工作，这些力具有16牛顿的量级。如果对此现象不给予重视，那么当阻滞力超过电机通入电流时所提供的最大力时，将会看到电机会变得不稳定。

从文件DE 24 90 91中可知道转轮式发电机的转子具有被线圈围住的恒定截面的齿状物。旋转电感器在其周边具有永磁体，永磁体转动期间在齿状物内感应出可变磁通，在线圈内感应出电流。用金属片封闭住齿状物间的狭槽。这样的金属片一般由低阻磁材料制成从而以便闭合狭槽并降低阻滞效应。这些金属片的结构使转子的制造复杂化而并未大大降低这种发电机的阻滞效应，当封闭狭槽的金属片由高阻滞材料制成的情况下，这种发电机的阻滞效应和未提供金属片一样很大，由于增加了狭槽而造成的阻滞效应补累加，永磁体间的极齿距可与转子的齿状物间的齿距相等。这因此是单相电压发生器而无法作为同步电机一样使用。

为了消除或最大限度地降低此阻滞效应，一种广泛使用的技术包括将形成转子60的各层彼此错开排列从而在如图1a中所示的部分中，齿状物10和狭槽12的用点划线所表示出的纵轴与图1a中未示出的感应体61的运动方向相对于转子60成一非90°的角度。这里须指出，在沿图1的A-A轴的部分图1a中，绕组4和绝缘片3放在未示出的狭槽2内，而形成转子60的各层未单独描绘。

将形成转子60的各层错开的技术又产生了另外的困难，其使生产过程所需的设备更复杂同时也更难将绕组4插入到狭槽2内。

另一个可与前面一个相结合的技术，包括将磁体8倾斜地布置，即按这种方式，使与底板9的平面平行的棱与感应体61相对于转子的运动方向Y60成除0°和90°以外的一角度。这技术同样也使电机的生产复杂化。

在任何情况下，除了以上所提到的技术外总是尽可能想方设法地提供一具有尽可能小的宽度bn的前部狭槽6，从而由于很小的槽宽bn线圈在装入前必须被松散地设置以使它们能够通过前部狭槽6而插入到狭槽2内，因此这使缠绕工作复杂化了。此为组装目的疏松化方法意味着构成绕组4的线被无规则地放置在狭槽2内。结果是，狭槽2的空间填充系数小(为30％的量级)且绕组和磁轭1间的热阻大。这些缺点相应地导致低的电机效率和较差的热电容量。

为克服如上所提到的缺点，根据本发明的电机，其除具有第一段所描述的特征外，还包括所述齿状物在它们的第一与第二端之间具有恒定的截面，且所述第二宽度和所述齿状物齿距的比在0.40和0.55之间。

这些特征的结果，及还将进一步描述的，根据本发明在电机中产生的总阻滞力比现有技术中所存在的电机中的小得多。另外，根据本发明的电机的生产此现有技术的电机简单，并因此而便宜。

通过阅读本发明的几个结构形式会使其特征及优点变得更明显，下面将参考给出实例的相应附图进行描述。

图1为在前面描述中讨论的按照现有技术的线性同步电机的部分截面图；

图1a为沿图1的轴A-A的图1中电机的部分截面图；

图2示出图1电机的磁感应B的轮廓；

图3为表示所产生的阻滞力，一方面其由具有图1中单一狭槽的电机所产生，另一方面由具有8个狭槽的同一电机产生；

图4为根据本发明和按照第一种结构形式的线性同步电机的部分截面图；

图4a为沿图4的轴A-A的图4中电机的部分截面图；

图5示出图4电机的磁感应B的轮廓；

图6为表示所产生的阻滞力，一方面其由具有单一狭槽的图1中电机所产生，另一方面其由具有8个狭槽的同一电机所产生；

图7为根据本发明的同步电机的阻滞力根据狭槽宽与齿状物齿距的变化图；

图8和图9示出根据本发明的两种缠绕同步电机的方法；

图10为根据本发明并按照第二种结构形式的同步电机的转子的部分截面图；

图11和图12示出按照本发明的电机的第三种结构形式，第一为截面图，第二为透视图；

图13和14示出按照本发明的电机的第四种结构形式；及

图15为根据本发明的旋转同步电机的部分截面图。

图4为按照本发明并根据第一种结构形式制造的线性同步电机的部分截面图。与图1中所描述的现有技术的电机一样，此电机包含由层状叠板制成的转子60，还包含一个磁轭1和多个齿状物25，齿状物的一个第一端与磁轭1相连而与第一端相对的第二端形成一齿状物顶部62。齿状物25通常以齿距τn放置。每个齿状物通过狭槽2与另一个隔开，其中狭槽容入图8中用30所表示的线圈的绕组26。齿状物的高度，即第一端与第二端间的距离，用H表示。

电机还包含与齿状物顶部62相对放置的感应体61。感应体61由多个长方形平行六面体形状的永磁体8组装而成并以极距τp均匀放置在由铁磁性材料制成的平的磁回旋板9之上。感应体61和转子60被气隙7隔开。

根据本发明，齿状物25在其整个高度H具有不变的横截面，由于所要解释的，齿状物25的侧边平行且它们的顶部62不具有图1中所示的现有技术中的齿状物的鞋状物(用10′表示)。与现有技术电机的“半关闭”的狭槽相比，狭槽在与感应体61相邻的位置为“全开”的。另外，狭槽2的宽度bn大致与齿状物顶部62的宽度相等。换句话说，由于宽度bd和bn的和与齿状物齿距τn相等，bn/τn的比值大致等于0.5。“大致相等”意思是这里即使bn/τn的比与比值0.5稍微有些差别，按照本发明的电机的性能仍是很满意的。按照此种电机的所做的实验，比值bn/τn为以在0.40和0.55之间。

如果人们针对图4的电机来考虑磁感应B，图5显示出此轮廓被大大地干扰了(参见27和28)其比图2中所示的现有技术的电机高出很多。这将自然地导致致使电机不能稳定工作的大的阻滞效应。现在将会看到，由一个狭槽产生的阻滞效应确实很大，而由多个狭槽产生的阻滞效应会降低到远比现有技术的电机低得多的值。

通过图6来对此现象进行阐述。此图所表示的电机具有12mm的齿距和16mm的极距τp(与上述的现有技术的电机相等)。但这里狭槽的开口bn为6.3mm，从而bn/τn的比值为0.525。在图6中，在横轴上示出了以mm为单位的极距τp而在纵轴上示出了以牛顿为单位的阻滞力。图中的曲线35为转子60仅有一个狭槽时所产生的阻滞力的轮廓，或者说基本阻滞力，其也包含两个不稳定点33和33′及一个稳定点34。此基本力具有可以预料的大于60N的不容忽视强度。然而，曲线35的形状为一正弦波；这归于这样一种事实即狭槽宽bn大致与齿状物顶部62的宽度bd相等。图4中电机的每个狭槽2明显地产生一基本的阻滞力，其形状与图6中曲线35所示的类似，且代表这些基本阻滞力的曲线，其未被示出，沿轴Y彼此交错排列。

如图4中所示的电机中所产生的全部阻滞力明显地等于已被提到的基本阻滞力的和。而后者的每一个都具有接近正弦波的形状，它们的和变得非常小。因此，图6的曲线36代表如图4所示的电机中所产生的全部阻滞力，该电机包含8个狭槽2和6个磁体8。在这种情况下，曲线36所示的全部阻滞力大约为1N，而在前面所描述的具有前部狭槽的此同种电机中，此全部阻滞力的范围在16N左右。因此这里可以看出按照本发明的电机的好处，该电机的最大的优点，正如已经描述的，是其提供了一大致与齿状物宽度相等的开口狭槽，其在整个高度上具有不变的截面。

图7对所述的内容进行了总结。此图是针对具有极距τp与齿状物齿距τn一样比值的电机，例如，各自为16mm和12mm。横轴示出了比值bn/τn而齿状物齿距τn保持恒定。换句话说，狭槽宽度bn随齿状物齿距τn的上升而增大。区域41是参照现有的技术而设置的，其中当bn/τn增大时总的阻滞力Fr也增大(曲线的部分40)。按照本领域中一个通用的概念，此总阻滞力当狭槽宽度bn上升时其会继续增大(曲线的部分42)。本申请人已发现此力通过一个最大值然后在区域45下降(曲线的部分43)到一个最小值，该处狭槽宽度bn基本等于齿状物齿距τn的一半，而根据本发明的电机正是基于此点。从区域45总的阻滞力Fr根据本发明曲线的部分46再次上升。

简而言之，区域41为现有技术中的具有半关闭狭槽的电机，而区域45为根据本发明的具有开口狭槽的电机。

可以证明当狭槽的数目增多时阻滞效应总是会降低。中型到大尺寸的旋转电机(从0.1到1或更大)可以很容易地具有多数目的狭槽从而可以大大地降低其阻滞效应，而对于线性电机会有很多困难因其总长度一般在0.1米到0.5米之间，因此其具有相对较少数目的狭槽。

对于这样一种线性电机的情况下，转子的进出齿状物，通常每个都提供一个斜面，其也可被很好地用来降低总的阻滞力。在具体文献中对进出齿状物的尺寸进行了讨论。感兴趣的读者可以参考尼格拉斯威诺的No219题目为“具有各种多相线圈的同步线性电机的三维尺寸的研究”，瑞士联邦技术研究所，洛桑区，1975。事实上，齿状物端的尺寸和它们斜面的角度这样选择的目的是为了使这样获得的阻滞力的形状和强度可与由狭槽产生的阻滞力大致相等，但正负相反。因此总的阻滞效应可被大大地降低。在线性电机中较少数目的狭槽与旋转电机相比通过端效应的合理使用所补偿，因此对于线性电机使用开口狭槽比旋转电机更适用。

根据本发明的电机中的阻滞效应比现有技术电机中大大的减少了。从而不再需要通过前面所描述的最后权宜之计进行补偿。因此，根据本发明的电机中，形成转子60的各层可彼此对齐。从而，在如图4中所示的截面中，由点划线所描绘的齿状物10和狭槽2的纵轴可与图4a中未示的感应体61的相对于转子60的运动方向Y相垂直。这种结构的结果大大地简化了用于组装形成转子60的叠片的设备。

必须指出，在沿图4的轴A-A的截面图4a中未示出绕组26，而形成转子60的各层并未单独描绘。

此外，磁体8可这样设置，即其与底板9的平面平行的棱可分别与运动方向Y平行和垂直。这种结构最终简化了用于组装磁体8和底板9的所需的工具。

除了目的在于获得一个很小的总阻滞力Fr之外，根据本发明的电机的齿状物25在其整个高度H具有不变的截面且不具有图1中所示的现有技术电机的齿鞋状物10′的事实，还具有能够顺序地和紧密地来缠绕形成线圈的优点。正如图4中可看到的圈是连续的。这可使得狭槽2的空间填充系数为60％或更大，从而另一方面其提高了电机的效率，且很容易地使其自身产生的热量发散。在根据本发明的电机中，每一线圈仅围绕一个齿状物，且由于线圈突伸的减小从而提高效率，从而减低了铜的消耗。

由于齿状物25在其整个高度H具有不变的截面，狭槽2完全打开，从而使得所制成的线圈滑入其位置。为了制造这些线圈，为此目的而使用的线在另一绕线模上被缠绕成为具有连续的圈数，该绕线模具有一长方形芯，该芯的截面与齿状物25的截面基本相等。所用的线通常敷盖上一层粘结剂，当其遇热时会聚合。完成缠绕后，对线通入电流使其加热并导致圈之间彼此粘结。这样所制得的线圈可从绕线模上移走并作为一个单位装入转子齿状物25中。

图8和图9都示出了按照本发明的同步电机的转子60。在图8的转子60中，每一线圈30围住一齿状物25并基本上完全占据了与其所围绕的齿状物相邻的两个狭槽2。其结果很明显两个中只有一个被线圈30围住。

在图9的转子60中，每一线圈31也围住一单个的齿状物，但全部的齿状物25都被线圈31围住。其结果很明显，两相邻的线圈共同基本全部填满了将它们所围的两齿状物25分开的狭槽2。

图10到14特别针对将转子60的绕组绝缘的方法及将这些绕组26所产生的热量发散的方法。

图10示出了根据前述的方法将配有绕组26的转子60插入狭槽2内。该图示出在狭槽2的底端，在磁轭1与绕组26之间，有一个管11，其中循环有冷却液体50。此冷却系统可保证将由绕组26产生的热量快速传递给外部。须指出的是，由于狭槽2直且打开，管11可事先准备成在其端部折叠(未显示)从而形成一种线圈。将会看到，如果将此种冷却器应用到现有技术(图1)，由于窄的前部狭槽6使得管11无法穿过从而管11在被插入狭槽2后不得不彼此相连，因而使电机的组装复杂化。图10还示出了一置于绕组26和齿状物25间的绝缘片3，其会很容易地被插入狭槽2内其原因是狭槽2为打开的。

图11示出了图10非常相似的结构，也具有冷却管11和绝缘片3。另外，图11示出管11至少部分地被片12围住，图12透视图中可以看出，此片还可被夹在齿状物25和绕组26之间并向齿状物25的顶部延伸。片12作为绕组26和冷却管11之间的热转换装置。此片由热导电材料制成，例如铜或铝，或合成材料制成，例如碳化纤维。如果此片由铝制成，后者会被氧化。这使得也可通过去除绝缘片3从而更大地降低热电阻。

如果片12为金属的，而因此为电导的，那么将会看到片2的漏磁通量会在其内产生涡流电流。在所有具有较深狭槽的同步电机中，狭槽漏电感成为主要电感，这一般是一种缺点。一种减少狭槽漏电感的方法是使用同时作为狭槽漏磁通屏蔽的热传导片12。如果此屏蔽过量可如图12中所示，可通过加工狭槽13来对其效应进行调整。这些狭槽13和电机的叠层一样用来减低涡流电流的强度。可通过不是很明显地降低热转换电容的大量的狭槽来消除这些涡流电流。应当注意，对于片12，可使用能在热电导率和电导率之间提供较好平衡的合金来制作。

图13和图14描绘了图11和图12中结构的变更形式。图13和图14的冷却系统14相对于图11和12的导电片12和冷却管11而言结合为一个简单的部分。此系统14可由铝的挤件等制成。

以上的描述特别适合于线性同步电机，但很明显地本发明的一般原则也适用于旋转同步电机。

图15用图解部分地描述了按照本发明的旋转同步电机，其转子50包含电感线圈61。转子50仅用非常简略的图示方式进行了描述，其中用圆圈代表其周边轴55，但明显地它包含多个与图1中电机的磁体8相类似的磁体并象它们一样被设置在由铁磁性材料制成的磁通返回底板上。

图15的电机的定子包含转子60和包含磁轭1及多个轮流用51和51′表示的同样的齿状物。在此实施例中有12个齿状物51,51′，且全部具有与磁轭1紧固的第一端，而与第一端相对的第二端形成与转子50相对的齿状物顶部62。

齿状物51,51′通常设置为具有齿距τm且在其间限定出狭槽2，线圈52和53被容入其中。

根据本发明，齿状物51,51′在它们的整个高度H具有不变的截面，且它们的宽度bd在齿状物顶部62的平面内大致与狭槽2的宽度bn相等。换句话说，比值bn/τn也基本等于0.5。

这些个特性使得图15的旋转电机与同类的公知电机相比具有与如上所述的对于线性电机的同样的优点。特别是，本电机中的由于狭槽2的存在而产生的总阻滞转矩比公知的旋转同步电机小得多，这在同样适用于本实例的图3,6和7中可明显地看出，其中阻滞转矩用牛顿·米表示。

应该明确，由于这里的齿状物仍然具有不变的截面，这对于与磁轭1较接近的而变宽了的狭槽不再适用，当电机直径减小时这种加宽的结构变得更加受重视。因此，为了更好地填充狭槽内的可能的空间，而同时仍然更好地利用在绕线模上制作线圈的优点，建议在一个单独的绕线模上预备好一系列的长方形截面的线圈52和一系列的具有梯形截面的线圈53，而此绕线模具有一长方形芯，该芯的截面与齿状物51,51′的截面基本相等。在将线圈从绕线模上取下后，首先将具有梯形截面的线圈53放在转子60的每一第二齿状物之上。在图15的实施例中，线圈53置于齿状物51′之上，而齿状物51空着。然后将具有长方形截面的线圈52放置在空着的齿状物之上，具有梯形截面的线圈53被放置期间有空着的齿状物，在本实例中为齿状物51。从而狭槽2的空间被填充到了其最大的程度。

在装配完线圈52和53后所遗留的空间54被用来容纳一冷却系统，例如参考图10到图14所描述的其中一种系统。然而很明显地，在很多的电机尤其是大直径电机仅应用由具有长方形截面的线圈。

Claims (11)

1．一种同步电机，包含

一转子(60)，该转子包括一磁轭(1)，多个齿状物(25；51,51′)，每一齿状物有与所述磁轭(1)固定连成一体的一第一端并在其间限定出狭槽(2)，

数个线圈(30；31；52,53)被部分地放置在所述的狭槽(2)内，且分别包围至少一个所述齿状物，

与所述齿状物顶部(62)相对放置的感应体(61)，它包含多个永磁体(8)和一磁通返回底板(9)，其特征在于：上述多个齿按一固定的齿距(τn)有规则地布置，而且上述多个永磁体按固定的极距(τp)有规则地布置，上述齿分别在其自由段限定一个具有第一宽度(bd)的一个头部，而且，上述槽在上述齿顶部的高度上具有一个第二宽度，上述的第一和第二宽度之和构成了上述齿距，此电机的特征在于：上述极距不同于上述齿距，而且，上述的第二宽度(bn)与上述齿距之比位于0.40和0.55之间。

2．如权利要求1所述的同步电机，其特征在于：上述齿各限定了两个互相平行的侧面，因而其横截面在其整个高度上恒定的。

3．根据权利要求1或2所述的同步电机，其特征在于：每一线圈(30)仅围住一个齿状物(25；51,51′)，且基本上填充与其所围住的齿状物(25；51,51′)相邻的两个狭槽(2)，两个中齿状物(25；51,51′)的一个被线圈(30)围住。

4．根据权利要求1或2所述的同步电机，其特征在于：每一线圈(31)围住一齿状物(25；51,51′)，两个相邻的线圈基本上全部填充了将其围住的齿状物分开的狭槽(2)。

5．根据权利要求1-3之一所述的同步电机，其特征在于：所述第一宽度(bd)和所述第二宽度(bn)基本相等。

6．根据权利要求1-3之一所述的同步电机，其特征在于：它还包含冷却装置，该冷却装置包含多个管(11)，每个管都放在线圈(30；31,52,53)和磁轭(1)之间的狭槽(2)内，管(11)彼此相连以使得冷却流体(50)流过。

7．根据权利要求6所述的同步电机，其特征在于：冷却装置还包含多个热传输片(12)，每个热传输片都放在一个狭槽(2)内，狭槽(2)部分地围住管(11)，且热传输片夹在一相邻的齿状物(25；51,51′)和槽(2)内的线圈(30；31；52,53)之间。

8．根据权利要求1-3之一所述的同步电机，其特征在于：此电机为线性的。

9．根据权利要求1-3之一所述的同步电机，其特征在于：此电机为旋转的，其定子由所述转子(60)构成而其转子由所述感应体构成。

10．根据权利要求9所述的同步电机，其特征在于：转子(60)包含偶数个齿状物(51,51′)，每个齿状物被一个线圈(52,53)围住，而其中每一对相邻的齿状物(51,51′)，一个被具有大致长方形截面的线圈(52)围住而另一个被具有至少为梯形截面的线圈(53)围住。

11．一种制造和组装用于权利要求9中的旋转电机的线圈(52,53)的方法，其包含如下的连续步骤：

-在一单独的绕线模上将制成每一线圈的线绕成紧邻的圈，该线圈具有长方形的截面，而绕线模具有一长方形芯，该芯的截面大致与每一所述的齿状物(51,51′)的截面相等，通过以上制成一紧密预成型的线圈；

-在一单独的绕线模上将制成每一线圈的线绕成紧邻的圈，该线圈具有梯形的截面，而绕线模具有一长方形芯，该芯的截面大致与每一所述的齿状物(51,51′)的截面相等，通过以上制成一紧密预成型的线圈；

-将每一具有梯形截面的线圈放在转子的每一第二齿状物(51′)上；及

-将每一具有长方形截面的线圈放在转子的再一余下的齿状物(51)上。

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