CN108886277A - 使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置和利用其的永磁铁发电机及永磁铁电动机 - Google Patents

使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置和利用其的永磁铁发电机及永磁铁电动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置和利用其的永磁铁发电机及电动机，更详细而言，不使用费用增加的以往用于减小齿槽转矩的多种方法，借助于单纯考虑极数与槽的组合及永磁铁的适宜排列，用于使包括电动机或发电机等使用的定子及转子而构成的永磁铁旋转装置的齿槽转矩实现最小化。通过本发明，使极数与槽数的组合及槽的齿下端宽和永磁铁与永磁铁之间的隔开距离相同，当应用适宜的绕线方法和间隔时，提供使齿槽转矩最小化的效果。

Description

使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置和利用其的永磁铁发电 机及永磁铁电动机
技术领域
本发明涉及使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置和利用其的发电机及电动机，更详细而言，涉及一种不使用斜度和齿加工等费用增加的以往用于减小齿槽转矩的各种方法，借助于单纯考虑极数与槽的组合及永磁铁间的适宜排列以及相位角和波形而使得能够出现最大限度接近正弦波的波形的绕线方法，使齿槽转矩实现最小化的永磁铁旋转装置和利用其的永磁铁发电机与永磁铁电动机。
背景技术
最近，为了减少作为地球变暖罪魁祸首的二氧化碳排放，在新再生能源领域进行了大量研究。
特别是，如果是有风的地方便可以以较少费用安装发电机而获得电力的风力发电领域，正保持持续的成长趋势。
迄今为止，在陆上大型风力发电方面，加装齿轮型感应电动机的风力发电机占据主导地位，但最近，随着海上风力发电市场快速成长，市场正在从维护费高昂的齿轮型同步发电机向加装了维护费少的无齿轮型永磁铁发电机的风力发电机转换。
特别是在功率变动严重的小型风力发电中，大部分使用要求低RPM、高TORQUE的永磁铁发电机。
可是，低RPM、高TORQUE的永磁铁发电机由于永磁铁的高磁通密度及铁芯与永磁铁间的磁场不均衡，具有齿槽转矩高、初始同步困难的缺点。
因此，最近在小型风力发电机方面，为了使启动转矩和齿槽转矩实现最小化，即使在低风速下也能够启动叶片，去除了铁芯的无铁芯型AFPM(Axial Flux PermanentMagnet，轴向磁通永磁体)发电机或虽有铁芯但无槽的无槽型RFPM(Radial FluxPermanent Magnet，径向磁通永磁体)发电机的使用正在增加。
但是，去除了铁芯的无铁芯型AFPM(Axial Flux Permanent Magnet)发电机或虽有铁芯但无槽的无槽型RFPM(Radial Flux Permanent Magnet)发电机，与有槽的RFPM(Radial Flux Permanent Magnet)发电机相比，具有磁通泄漏高、输出电压下降、效率减小的缺点。
另外，由于结构复杂、永磁铁使用个数增加，因而成本上升，由于发电机本身的结构性问题，不易实现大容量化。
有槽的RFPM(Radial Flux Permanent Magnet)发电机虽然具有结构简单、输出电压和效率高、可实现小型/轻量化的优点，但由于齿槽转矩大，因而存在初始启动困难、即使在额定运转时也发生振动的缺点。
最近，为了将有槽的RFPM发电机用于风力发电机，进行了将BLDC电动机技术应用于RFPM发电机而使齿槽转矩最小化的作业，但大部分为高RPM用，因而存在需象同步发电机一样使用增速齿轮的问题。
齿槽转矩可以定义为在由转子永磁铁和定子铁芯、气隙构成的磁路中，因试图向磁阻最小方向维持的倾向而发生的脉动转矩，一般而言，在永磁铁发电机或永磁铁电动机中，可以称为转子进行驱动时因磁场不均衡而发生的转矩最大值与最小值的差异值。
最近，在电动机领域，随着利用永磁铁的超级优质电动机的需求的增加，提出了用于减小成为振动和噪声主要原因的齿槽转矩的多样方法，如果整理迄今用作减小齿槽转矩所需方法的方法，则有增加气隙长度、增加槽数和极数、使用辅助槽、变化定子齿的形状、定子或电枢的倾斜(skew)、使用分数槽或极、减小槽开口幅、变化磁铁形状、变化磁极的磁化、使用低磁通密度的磁铁、弧分数(Arc Fraction)等。
可是，用于减小齿槽转矩的所述方法成为了减小永磁铁电动机和永磁铁发电机的功率和效率或增加制造成本的主要原因。
因此，开发在使功率与效率减小实现最小化的同时不使制造成本增加的齿槽转矩减小方法，成为了迫切的课题。
发明内容
(要解决的问题)
本发明正是鉴于如上所述的以往技术问题而研发的，本发明目的是提供一种永磁铁旋转装置，通过使用能够改善极数与槽数的组合及插入于转子的永磁铁间的隔开距离并出现最大限度接近正弦波的波形的绕线方法，适宜地设计线圈截面积和线圈匝数(绕组)，从而在使功率和效率实现最大化的同时，不增加制造成本地使齿槽转矩实现最小化，飞跃性地减小振动和噪声。
本发明另一目的在于，使齿槽转矩导致的初始启动转矩减小，使永磁铁电动机的初始启动更容易，从而体现LSPM(Line-Start Permanent Magnet，异步启动永磁体)同步电动机。
(解决问题的手段)
为了达成本发明要解决的课题，本发明的使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置作为永磁铁旋转装置，其特征在于，包括：
轴110；
转子200，在其中央结合有轴，按既定间隔形成有多个永磁铁210；
定子铁芯部300，其按既定间隔形成有多个槽310，供线圈绕线于各个槽中；且
为了使齿槽转矩最小化，永磁铁的极数和槽的个数根据下述计算式1确定；
转子200的永磁铁210与永磁铁210之间的隔开距离a形成得达到所述定子铁芯部300的齿下端宽b的70％～130％；
所述定子铁芯部300的绕线是各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分按180°相向排列，各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分在各相间，按60°角度距离均一排列，线圈间隔达到5的绕线；
绕线的线圈的每1mm2截面积额定电流为6A；
绕线的匝数根据下述计算式2决定。
[计算式1]
P＝S/3-2(P：极数、S：槽数)
[计算式2]
匝数(绕组)＝{额定电压(Vac)×K}/{旋转角速度(rad/s)×磁通密度(T)}
/槽数(S)/定子铁芯层叠长度(mm)
(以上K为常数，是0.84～1.56范围的值)
(发明的效果)
具备本发明的使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置的发电机和电动机由于启动转矩非常低，因而提供以较小的力便可启动的效果。
因此，当将本发明的发电机加装于风力发电机时，可以将启动风速降低到1m/s以下，当应用于永磁铁电动机时，即使在高速下，也可以使齿槽转矩和转矩波动最小化，能够体现即使不使用驱动器或逆变器也可以启动及运转的LSPM同步电动机。
另外，本发明提出的根据极数与槽数的组合及磁铁间隔开距离与齿(Teeth)下端宽的比率而开发的永磁铁旋转装置，由于永磁铁和槽无倾斜地排列成一直线，因而提供即使不减小发电机或电动机的功率和效率，也能够使齿槽转矩最小化的效果。
另外，由于不需要斜度和齿加工等追加加工，因而提供可以在制造成本不上升的情况下使齿槽转矩最小化的效果。
另外，由于可以与气隙和磁通密度无关地使齿槽转矩最小化，因而可以使用厚的永磁铁或使气隙最小化，提供与以往的永磁铁电动机或发电机相比可以实现小型、轻量化的效果。
附图说明
图1是概略地显示本发明实施例的使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置的剖面图。
图2是显示本发明一个实施例的使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置的齿下端宽和永磁铁与永磁铁之间的隔开距离的示例图。
图3是显示以往的3相绕线方法的示例图。
图4是显示本发明一个实施例的使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置的绕线方法的示例图。
图5显示本发明一个实施例的根据三相绕线法而绕线的各相线圈中两个线圈接连绕线的部分按180度相向的示例的示例图。
图6是显示本发明的线圈间隔的示例图。
(附图标记说明)
110：轴
200：转子
210：永磁铁
300：定子铁芯部
310：槽
320：齿
a：永磁铁与永磁铁之间的隔开距离
b：槽下端齿宽
c：转子与槽之间的气隙
具体实施方式
下面参照附图及具体实施例，对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置和利用其的永磁铁发电机及永磁铁电动机的特征在于，包括：
轴110；
转子200，在其中央结合有轴，按既定间隔形成有多个永磁铁210；
定子铁芯部300，其按既定间隔形成有多个槽310，供线圈绕线于各个槽中；且
为了使齿槽转矩最小化，永磁铁的极数和槽的个数根据下述计算式1确定。
[计算式]
P＝S/3-2
在所述计算式中，P＝极数，S＝槽数。
一般而言，永磁铁发电机和永磁铁电动机大致根据六种要素设计，第一是槽与极数的组合，第二是磁铁间的隔开距离，第三是绕线方法，第四是线圈间隔，第五是线圈的截面积，第六是线圈匝数。
在这六种要素中，哪怕只有一个设计错误，在齿槽转矩、输出密度、效率、功率因数、振动等方面也会出现显著差异，因此，整体上具有一贯性的设计非常重要。
本发明的使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置及利用其的永磁铁电动机及永磁铁发电机也基本上根据六种要素而构成，可以与永磁铁电动机及永磁铁发电机的容量等无关，实现具有一贯性的设计。
首先是通过极数P与槽数S的组合而使齿槽转矩减小的方法。
如果查看迄今为止发表的以往技术，已经提出了通过极数与槽数的多样组合而使齿槽转矩减小的方法，没有既定的公式，只说明了使极数和槽数增多，或极数与槽数的最小公倍数越大则齿槽转矩越减小。
齿槽转矩在极数与槽数相同，或永磁铁的中心与齿的中心一致，或槽数为极数的倍数、槽从永磁铁中心左右对称地配置时达到最大，这是因为此时永磁铁与槽的引力最稳定地配置。
因此，为了使齿槽转矩最小化，将永磁铁与槽间引力的稳定排列变换成不稳定排列，使齿的中心从永磁铁中心起，不处于左右对称的位置即可。
在极数与槽数的多样组合中，齿槽转矩最低的组合是极数与槽数的最小公倍数最高的组合。
可是，即使说极数与槽数的最小公倍数最高，在大部分的发电机或电动机采用的3相绕线困难或不可能的情况下，也无法称为正确的组合。
因此可以说，为了使齿槽转矩最小化，要求既可实现3相绕线，同时又要求最小公倍数最高的极数与槽数的组合。
为了能够3相绕线并使磁场不均衡最小化，槽数应为3的倍数，应为偶数。
当将既为3的倍数又为偶数的槽数称为S时，在既可实现3相绕线，同时最小公倍数最高而可以使齿槽转矩最小化的极数P，如所述计算式所示，为S/3–2(S为槽数)。
此时，越是最小公倍数大的组合，齿槽转矩越进一步最小化。
本发明的图1示例性图示了槽数为72个的旋转装置，根据计算式P＝S/3-2，极数为22个。另一方面，虽然形成极数与槽数的最小公倍数高且可3相绕线的极数与槽数的组合P(S/3-2)：S，但仅以该组合难以完全消除齿槽转矩。
即，以往使用按既定角度倾斜地排列永磁铁或定子铁芯的斜度(skew)、作为磁铁宽与磁铁间隔间比率的弧分数(Arc Fraction)等技法来减小齿槽转矩，这种方法也作为减小功率和效率、使成本上升的因素进行作用。
因此，在本发明中，为了以仍然保持功率和效率而没有成本上升的方法来使齿槽转矩最小化，利用处于槽310与槽310之间的齿(Teeth)的下端宽b和永磁铁与永磁铁之间的隔开距离a来解决该问题。
即，如图2所示，
形成得使永磁铁与永磁铁之间的隔开距离a达到定子铁芯部300齿下端宽b的70％～130％，更优选地，形成得使永磁铁与永磁铁之间的隔开距离a和定子铁芯部300齿下端宽b达到1:1。
具体而言，在定子铁芯部300形成有齿320，齿的下端如图2所示构成有下端宽b。
如果齿下端宽b位于构成转子的永磁铁与永磁铁之间，则在齿下端与转子之间发生斥力，使得转子向一个方向自行移动。
因此，与转子位置无关，增多发生斥力的区间即可实现齿槽转矩最小化。
换句话说，与转子位置无关，应增多磁铁与磁铁之间位于齿下端宽下方部分的数字。
在本发明提出的极数与槽数的组合中，如果使齿下端宽与磁铁之间的隔开距离相同，则发生斥力的区间实现最大化，相反，齿槽转矩实现最小化。
此时，发生斥力的区间与极数成比例，如果极数多，则发生斥力的区间增加，使齿槽转矩最小化的效果增大，如果极数少，则发生斥力的区间减少，使齿槽转矩最小化的效果微弱。
因此，在计算式P＝S/3―2中，为了使齿槽转矩最小化，优选将S定为30以上，但根据发电机或电动机的大小、功率等，即使将S设计成不足30，也发生使齿槽转矩最小化的效果。
另一方面，永磁铁与永磁铁之间的隔开距离a和齿下端宽b按1:1构成是最理想的，但在设计上不如意时，优选在齿下端宽b的70％～130％范围内形成永磁铁间隔开距离a。
如果永磁铁间的隔开距离a超过齿下端宽b的70％～130％范围，则齿槽转矩减小效果显著下降。
例如，在齿下端宽b为10mm的情况下，永磁铁与永磁铁之间的隔开距离a应在7mm～13mm范围内设置，如果超出该范围，则齿槽转矩减小效果下降。
另一方面，即使转子和定子铁芯设计适当，如果绕线不正确，电动机和发电机也无法启动及运转，或功率和效率显著减小。
截至现在考查的极数与槽的组合、磁铁之间的隔开距离等，是在发电机和电动机中决定结构的硬件性概念。
相反，在设计发电机和电动机方面，绕线方法、线圈间隔、线圈截面积及线圈匝数(绕组)作为软件性概念，在决定功率密度和效率、功率因数、振动等方面非常重要。
特别是当不是体现相位角120°的槽与极数的组合而是变形的槽与极数的组合时，绕线方法非常重要。
就绕线而言，即使是相同的槽与极数的组合，每个电动机和发电机制造商也稍有差异，这是因为在绕线方法中并未确定既定的规则，大部分是根据经验性诀窍来实现绕线。
一般而言，除特殊情况外，永磁铁发电机或永磁铁电动机以3相绕线为基本。
图3显示了以往的3相绕线法，示例性图示了36槽12极的绕线方法。
以往的3相绕线由于各相的相位角固定为120°，因而磁场构成平衡状态，实现对称，功率和效率达到最高，振动和噪声实现最小化。
为了各相的相位角固定为120°，理想的是极数准确地达到槽数的1/3。
因此，如果槽为36，则按12个极数绕线，如果槽为48，则按16个极数绕线，如果槽为72，则按24个极数绕线。
另外，就3相绕线而言，与槽个数的1/3相应的极数是相位角120度的基本三相绕线所需的极数，如果将该基本极数除以2或3而得到偶数，则该极数也可以3相绕线。
例如，如果槽为24个，则可实现具有相位角120度的三相绕线的基本极数为槽1/3的8极，如果将作为基本极数的8极除以2，则为4极，如果将4极除以2，则为2极，因而在24槽中可三相绕线的极数为8级、4极、2极。此时，4极的相位角为60度，2极的相位角为30度，在相同的频率下，RPM分别增加2倍、4倍。
如果以相同的原理计算36槽，则可三相绕线的极数为12极、6极、2极。
大部分的感应电动机使用12槽、24槽、36槽、48槽等，因而可三相绕线的极数由2极、4极、6极、8极等构成。
如图3所示，如果在36槽的情况下进行绕线，则为了3相绕线而需要12极，因此，如图3所示，在间隔为4的情况下，将1相的1线圈、2相的1线圈、3相的1线圈当作1组，在1槽中，以1相的1线圈为起点，绕线至4槽，在2槽中，以2相的1线圈为起点，绕线至5槽，在3槽中，以3相的1线圈为起点，绕线至6槽，如果以这种方式绕线至12组，则完成具有相位角120度的三相绕线。
这种三相绕线法是一般众所周知的技术，因而即使通过上述程度的说明也是可以充分理解的。
可是，就本发明提出的使齿槽转矩最小化的极数和槽数的各种组合所需的绕线而言，如果直接应用以往3相绕线法进行绕线，则由于极数错误，无法形成120°相位角。
因此，因磁场不均衡而导致发电机及电动机无法启动及运转，或功率和效率急剧减小，噪声和振动增加。
因此，需要适合本发明说明的极数与槽数组合的绕线法，接近120°地体现相位角，且功率和效率、振动和噪声保持与以往3相绕线法相同的水平，这是本申请发明的绕线法的核心。
适合使本发明齿槽转矩最小化的极数与槽数组合的绕线法，基本上是线圈间隔大于磁极间隔的长节卷、线圈缠绕于2个以上槽的分布卷、线圈个数与槽数相同的双层卷。
图4和图5是图示本发明的绕线法的示例图。
具体参照图4进行说明。
在线圈间隔为5的情况下，1组将1相的1线圈从1槽开始绕线至5槽，将1相的2线圈从2槽开始绕线至6槽，将2相的1线圈从3槽开始绕线至7槽，将3相的1线圈从4槽开始绕线至8槽，完成1组绕线。
然后，2组将1相的3线圈从5槽开始绕线至9槽，将2相的2线圈从6槽开始绕线至10槽，将3相的2线圈从7槽开始绕线至11槽，将3相的3线圈从8槽开始绕线至12槽，完成2组绕线。3组将1相的4线圈从9槽开始绕线至13槽，将2相的3线圈从10槽开始绕线至14槽，将3相的4线圈从11槽开始绕线至15槽，完成3组的绕线。4组将1相的5线圈从12槽开始绕线至16槽，将2相的4线圈从13槽开始绕线至17槽，将2相的5线圈从14槽开始绕线至18槽，将3相的5线圈从15槽开始绕线至19槽，完成4组的绕线。5组将1相的6线圈从16槽开始绕线至20槽，将2相的6线圈从17槽开始绕线至21槽，将3相的6线圈从18槽开始绕线至22槽，完成5组的绕线。
如果如此依次使各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分的间隔相同地绕线，则各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的角度必须构成60度，相同的相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的组必须按180度实现对称。此时，各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的组的绕线顺序按1相、3相、2相的顺序，设置既定间隔地配置。
此时，各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的组数始终固定为6个，其顺序根据槽和极数的组合而异。例如，在槽对极数为36：10的组合中，两个线圈接连绕线的部分配置的组数为6个组，各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的顺序为1相、3相、2相的顺序，在极数为48：14的组合中，各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的组数为6个组，但各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的顺序为1相、2相、3相的顺序，这是为了将各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的组保持60°角度。结果，利用所述绕线方法进行绕线，从而完成本发明的绕线方法。
如果说明图5，在与0度相向的180度，分别在1相中配置两个线圈接连绕线的部分，在与60度相向的240度，分别在3相中配置两个线圈接连绕线的部分，在与120度相向的300度，分别在2相中配置两个线圈接连绕线的部分。而且，使各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的组如图5所示，按1相、3相、2相的顺序排列。
其中，如果再次考查具有槽数对极数为36：10的组合的永磁铁电动机的绕线方法，则如下。
首先，其特征在于，利用三相绕线，且以1相～3相为一组，构成10个组，特征在于，1组将1相的1～2线圈、2相的1线圈、3相的1线圈依次绕线，2组将1相的3线圈、2相的2线圈、3相的2～3线圈依次绕线，3组将1相的4线圈、2相的3线圈、3相的4线圈依次绕线，4组将1相的5线圈、2相的4～5线圈、3相的5线圈依次绕线，5组将1相的6线圈、2相的6线圈、3相的6线圈依次绕线，6组将1相的7～8线圈、2相的7线圈、3相的7线圈依次绕线，7组将1相的9线圈、2相的8线圈、3相的8～9线圈依次绕线，8组将1相的10线圈、2相的9线圈、3相的10线圈依次绕线，9组将1相的11线圈、2相的10～11线圈、3相的11线圈依次绕线，10组将1相的12线圈、2相的12线圈、3相的12线圈依次绕线。
如上所述，本发明的使齿槽转矩最小化的旋转装置及利用其的永磁铁发电机及永磁铁电动机的绕线法，优选设置既定间隔，适当地排列因极数减少而剩余的余量线圈，以便各相的相位角保持相似而可以实现磁场不平衡的最小化。
以往的3相绕线，每相具有S(槽)/3个线圈个数。
即，1相的线圈个数为S/3，2相的线圈个数为S/3个，3相的线圈个数为S/3个，如果将1相、2相、3相的线圈个数全部合算，则为槽S数，如果1相、2相、3相依次绕线，则均匀绕线于槽。
可是，根据本发明提出的计算式而多样地导出的极数始终比以往可3相绕线的极数少2极。因此，如果以以往3相绕线方法进行绕线，则转子的极数为S/3-2，定子铁芯的绕线极数为S/3，因磁场不均衡，电动机及发电机无法启动及运转，或成为功率和效率下降的原因。
因此，需要将定子铁芯的极数形成为S/3-2，为了将极数形成为S/3-2，无法将各相的线圈个数形成为S/3-2。
这是因为，如果使各相的线圈个数为S/3-2，则全体线圈个数为(S/3-2)*3，始终比定子铁芯槽个数少六个，线圈不均衡地绕线。
本发明的使齿槽转矩最小化的槽数与极数组合比S：P(＝S/3-2)中的绕线也一样，各相的线圈个数为S(槽)/3。
为了将各相的线圈个数S/3绕线成S/3-2极数，应将相同的相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的组按适当角度分配，如图5所示，最理想的角度是按180°相向地配置。
即，将1相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的组分别按180°相向地配置，
将2相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的组分别按180°相向地配置，
将3相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的组分别按180°相向地配置，
此时，各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的组的角度保持60°即可，
顺序可以为1相-2相-3相，或1相-3相-2相。
图4是上述说明的本发明的绕线法示例图，图5是将相同的相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的组按180度相向地配置、各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分配置的组的角度按60°排列的示例图。
在图4中显示了槽数与极数的组合按72：14应用的绕线示例，只图示了以上说明中作为对1、2极的绕线法的1极：1相、1相、2相、3相与2极：1相、2相、3相，未图示对3～14极的绕线法。
在本发明的槽、极数的组合中，相同地应用这种原理的绕线方法。
根据如上所述的绕线法，可以使功率和效率最大化，实现磁场均衡，使振动最小化。
本发明的使齿槽转矩最小化的装置，与槽数及极数的组合无关，当线圈间隔为5时，齿槽转矩达到最小。
图6是线圈间隔为5的绕线示例图。
线圈间隔在绕线线圈方面，是指绕线与下个绕线之间的距离，一般用槽的个数代表。
并非线圈间隔也有既定的法则，根据槽数与极数、定子铁芯的内径等而稍稍不同地设计。
即使在根据本发明提出的计算式而导出的极数及槽数的组合中，也可以考虑槽数和极数、定子铁芯的内径而设计多样的线圈间隔。
但是，在根据本发明提出的计算式而导出的极数及槽数的组合中，当与槽数和极数、定子铁芯的内径无关地将线圈间隔始终设计为5时，可以使功率和效率最大化。
因此，根据本发明提出的极数和槽数的计算式P＝S/3-2而导出的极数及槽的组合和线圈间隔5，可视为具有既定的规则性。
在设计发电机和电动机方面，线圈的截面积及线圈匝数(绕组)也是决定电动机及发电机性能的最重要要素。
最近，发电机和电动机设计程序正在多样地问世，只输入各种参数便可以简单地求出线圈的截面积和线圈匝数。
以往的设计程序是考虑到此前所知的参数而设计的程序，因而不适合作为具有发生斥力的结构的本发明提出的永磁铁发电机和永磁铁电动机设计程序。
在本发明提出的旋转装置及利用其的永磁铁电动机及永磁铁发电机中可以确认，对线圈的截面积和线圈匝数进行多样实验的结果，在功率及效率方面呈现较大差异。
因此，在本发明提出的旋转装置及利用其的永磁铁电动机及永磁铁发电机中，优选以如下方法，决定线圈的截面积和线圈匝数。
线圈的截面积是决定电流大小的参数，一般用mm2单位表示，设计每1mm2的电流量。
在本发明中，当将每1mm2额定电流量设计为6A时，功率和效率最高。
即，在永磁铁发电机或永磁铁电动机中，如果额定电流为6A，则将1相、2相、3相的线圈截面积设置为1mm2即可。
此时，线圈匝数(绕组)根据如下计算公式决定。
匝数(绕组)＝{额定电压(Vac)×K}/{旋转角速度(rad/s)×磁通密度(T)}
/槽数(S)/定子铁芯层叠长度(mm)
其中，K为常数，{额定电压(Vac)×常数}/{旋转角速度(rad/s)×磁通密度(T)}代表线圈长度，除常数K之外的所有参数是在设计发电机或电动机时默认提供的，不需要特别的诀窍。
不过，与常数K相应的部分属于发电机或电动机制造商保有的固有设计参数。
常数K值成为无负载电压和额定负载时决定电压的重要要素。一般而言，所有发电机如果接入负载，则发生电压下降，基本而言，越是电压下降小的发电机，效率越高。
因此，正在进行旨在使电压下降实现最小化的各种研究，在本发明中，以每1mm2线圈截面积6A为基准，当将常数K值设计为1.2时，可以使功率和效率最大化。
其中，常数K从1.2越向上下远离，功率和效率越逐渐减小，因此，尽可能将常数确定设计为1.2是有利的，但在作为1.2的70％～130％值范围的0.84～1.56内使用常数K也无妨。
另外，本发明的永磁铁210的厚度可以在1mm～50mm范围内选定。
即，由于永磁铁越厚则磁通密度越高，因而功率和效率提高，但以往如果永磁铁加厚，则齿槽转矩增加，因而存在厚度的界限。
但是，在本发明的情况下，利用极数与槽的最小公倍数组合、齿320下端宽b和永磁铁与永磁铁之间的隔开距离a来使齿槽转矩最小化，因而在既定部分，在转子与定子铁芯部300之间发生斥力，因而与永磁铁厚度和气隙无关，齿槽转矩实现最小化。
因此，如果首先设计具有适当厚度的永磁铁转子，再设计符合转子磁通密度的定子铁芯部，则可以使发电机和电动机的小型化、轻量化实现最大化。
另外，如图3所示，所述转子200的永磁铁与定子铁芯部300的齿下端宽b间的气隙c应在0.1mm～2mm范围以内设置，如果超出所述范围，则发生功率和效率下降的问题。
如果按如上所述构成旋转装置，则发生与相同容量的以往发电机或电动机相比可以大幅减小大小和重量的效果。
作为使永磁铁固定于转子的方法，有表面附着型(SPM)和埋设型(IPM)，使齿槽转矩最小化的方法无论是表面附着型还是埋设型，均与本发明提出的方法相同。
如果制作了本发明提出的使齿槽转矩最小化的旋转装置、本发明提出的同时满足间隔、绕线法、绕线规格等的永磁铁电动机及永磁铁发电机，则不仅带来功率密度提高、效率增加、振动和噪声减少的效果，而且发生以往永磁铁同步电动机无法体现的新现象。
其中最典型的现象是已知在永磁铁同步电动机中不可能的异步启动(Line-Start)，在本发明提出的永磁铁同步电动机中变得可能。
异步启动电动机是指利用常用电源便可启动及运转的电动机，典型的电动机是感应电动机。
相反，永磁铁同步电动机由于不能异步启动，因而为了启动及运转，需使用驱动器或无传感器矢量控制逆变器等。
可是，本发明提出的使齿槽转矩最小化的旋转装置及同时满足间隔、绕线法、绕线规格等的永磁铁电动机，即使不使用驱动器或无传感器矢量控制逆变器等，也可以象感应电动机一样，仅以常用电源便可启动及运转。
这是因为，根据本发明提出的各种要素，在转子与定子铁芯之间发生斥力，该斥力仅以定子铁芯中发生的旋转磁场，便能够使转子启动。
感应电动机虽然功率密度及效率、功率因数等比永磁铁同步电动机低，但广泛使用的理由是因为相对低廉的价格和异步启动。
相反，永磁铁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor)虽然功率密度及效率、功率因数等较高，但无法广泛使用的理由是因为相对较贵的价格，价格昂贵的理由中最大的要素是由于无法异步启动，因而需追加购买启动及运转所需的装置。
因此，开发既能异步启动又具有永磁铁同步电动机的功率密度和效率、功率因数的电动机，可以说意义非常大。
最近，旨在开发能异步启动的永磁铁同步电动机(LSPMSM)的先行研究如火如荼，代表性技术是感应启动型永磁铁同步电动机。
感应启动型永磁铁同步电动机将感应电动机的启动技术接轨于无法异步启动的永磁铁同步电动机，是以感应电动机方式启动、以永磁铁同步电动机方式运转的电动机。
可是，结构复杂并插入于转子的用于感应启动的装置(铝杆(Bar)或铜杆(Bar))，发生妨碍永磁铁磁场等问题，现在无法实现大众化。
但是，本发明提出的使齿槽转矩最小化的旋转装置、本发明提出的同时满足间隔、绕线法、绕线规格等的永磁铁电动机，在与永磁铁同步电动机相同的结构中，可以同时体现感应电动机的异步启动优点和永磁铁同步电动机的高功率密度、高效率、高功率因数的优点。
因此，本发明提出的永磁铁电动机可以在感应电动机领域和永磁铁同步电动机领域广泛应用。
以上说明的本发明并非由前述发明内容、使用例及附图所限定，在不超出下述权利要求书记载的本发明的思想及领域的范围内，相应技术领域的从业人员进行的多样修订及变更，当然也包含于本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种使齿槽转矩最小化的旋转装置，作为永磁铁旋转装置，其特征在于，包括：
轴(110)；
转子(200)，在其中央结合有轴，按既定间隔形成有多个永磁铁(210)；
定子铁芯部(300)，其按既定间隔形成有多个槽(310)，供线圈绕线于各个槽中；且
为了使齿槽转矩最小化，永磁铁的极数和槽的个数根据下述计算式1确定；
转子(200)的永磁铁(210)与永磁铁(210)之间的隔开距离(a)形成得达到所述定子铁芯部(300)的齿下端宽(b)的70％～130％；
所述定子铁芯部(300)的绕线是各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分按180°相向排列，各相的线圈中两个线圈接连绕线的部分在各相间，按60°角度距离均一排列，线圈间隔达到5的绕线；
绕线的线圈的每1mm2截面积额定电流为6A；
绕线的匝数根据下述计算式2决定。
[计算式1]
P＝S/3-2(P：极数、S：槽数)
[计算式2]
匝数(绕组)＝{额定电压(Vac)×K}/{旋转角速度(rad/s)×磁通密度(T)}
/槽数(S)/定子铁芯层叠长度(mm)
(以上K为常数，是0.84～1.56范围的值)
2.根据权利要求1所述的使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置，其特征在于，
形成得所述转子(200)的永磁铁(210)与永磁铁(210)之间的隔开距离(a)与定子铁芯部(300)齿下端宽(b)之比达到1:1。
3.根据权利要求1所述的使齿槽转矩最小化的永磁铁旋转装置，其特征在于，
常数K的值为1.2。
4.一种具备权利要求1至3中任意一项所述的永磁铁旋转装置的永磁铁发电机。
5.一种具备权利要求1至3中任意一项所述的永磁铁旋转装置的永磁铁电动机。
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