CN109891710A - 分段磁体和包括分段磁体的永磁电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于永磁电动机的优化的分段磁体。通过按照一连续循环函数在所述分段磁体内建立磁化曲线，能够利用较少的材料实现所述电动机的最佳运行特性。磁化方向在所述分段磁体中的循环形成还能够与按照另一循环函数的成形相结合，以便进一步增强这种效果。

Description

分段磁体和包括分段磁体的永磁电动机

技术领域

本发明涉及一种分段磁体(segment magnet)，特别是一种用于永磁电动机的分段磁体，以及一种具有分段磁体的永磁电动机。

背景技术

磁场在处于转子和定子之间的电动机的气隙中的流动对电动机的性能具有决定性的影响。特别地是，磁场的流动影响电动机的功率密度、扭矩均匀性以及噪声发生。这里，气隙中的磁场的永磁激励旨在同时最大化磁通基波并最小化干扰高次谐波。

对于具有永久激励的电动机，已知具有径向和平行磁化的磁性分段。磁体的边缘处的磁通密度的增加通过力密度的增加而引起不均匀的力矩，这与噪声发生有关。这种效应对于径向磁化的磁体分段尤其明显，在径向磁化的磁体分段中，与平行磁化的磁体相比，能够实现更高的磁通级联(flux concatenation)。

磁性分段的边缘以各种方式斜切处理，以改善电动机中的噪声发生。这导致磁通密度降低。因此，磁体的利用率降低，有利于降低噪声发射。

除了磁体分段的纯粹平行和径向磁化之外，最近多种磁通模式也变得可行。例如，通过所谓的Halbach结构描述了可能的流动。这里，磁体阵列由永磁体的几个局部分段组成，其磁化方向分别在纵向轴线方向上相互倾斜90°。一侧的磁场线移动得较靠近在一起，而在相反一侧，磁场线离得较远，并且磁场在这里变弱。

传统方法确实能够降低电动机产生的噪声，但这通常导致所用的磁性材料的利用率较差。

因此，存在对于用于永久激励的电动机的分段磁体的需要，其能够实现对磁体材料的优化利用，同时能够改善运行特性，诸如减少噪声产生。特别地是，存在对于能够尽可能自由参数化的分段磁体的需要，其参数化既能够在电动机设计中用于磁场计算，也能够用于相应分段磁体所需的制造工艺。

发明内容

根据一个方面，本发明提供一种用于永磁电动机的分段磁体。该所述分段磁体的特征在于，分段磁体的磁化矢量沿分段磁体的外边缘具有与角度相关的方向。该与角度相关的方向在本文中由一连续循环函数描述。

根据另一方面，本发明涉及一种永磁电动机。该永磁电动机包括定子和以可旋转的方式布置在定子处的转子。转子或定子包括具有多个磁极的磁体。特别地是，转子或定子的磁体包括几个根据本发明的分段磁体。

本发明的优点

本发明基于下列认识，即：由于用于使噪声产生最小化的设计措施，如在永磁电动机中以各种方式使用的传统的分段磁体通常仅能够不充分利用所使用的磁体材料。特别地是，诸如对磁体的边缘斜切处理的结构性措施导致磁通密度降低。

因此，本发明基于将这种认识考虑在内的思想，并且为永久激励的电动机提供分段磁体，除了优化的运行特性(诸如噪声降低)之外，该分段磁体使得能够提高对所需的磁体材料的利用率，并且因而使得能够关于所使用的磁体材料实现高磁通密度。此外，本发明提供一种分段磁体，其参数化能够用数学方法描述。通过这种方式，分段磁体的参数能够很容易地馈送到磁场计算中，例如用于电动机的开发或构造，并且此外，这种分段磁体的参数也能够很容易地馈送到制造方法中。这允许实现时间和成本优势。

按照连续循环函数的磁化矢量的与角度相关的变化允许磁化矢量的方向的适当参数化。

特别地是，磁化矢量的与角度相关的对准允许磁化方向很好地适应电动机外壳的轮廓。

根据一个实施例，用于描述沿着分段磁体的外部曲线的磁化矢量的方向的循环函数包括几个循环项的和。循环项特别为周期函数，诸如正弦或余弦函数。

根据一个实施例，用于描述沿分段磁体的外边缘的磁化矢量的方向的循环函数根据以下公式形成：

这里，用描述相对于给定方向的半径矢量的角度。表示磁化矢量相对于相应的半径矢量的方向的角度。p相应于待要实现的永磁电动机的磁极对数。n表示磁化矢量的整数建模度。a_k是磁化矢量的建模系数。这里，上述公式描述了沿着分段磁体的外边缘的磁化矢量的方向的傅立叶表示。

根据一个实施例，第一建模系数a₁具有处于10度和50度之间的角度范围。其它建模系数a₂至a_n优选地小于第一建模系数a₁。通过以这种方式参数化分段磁体，能够实现具有非常好的性能的分段磁体，并且优化利用所使用的磁体材料。

根据一个实施例，分段磁体的外边缘具有与角度相关的外半径。这里，与角度相关的外半径由另一个循环函数描述。通过形成磁化矢量的与角度相关的方向并同时按照循环函数调整分段磁体的外边缘，磁化矢量的方向和外边缘能够彼此最佳地匹配。

根据一个实施例，用于描述分段磁体的外边缘的半径的另一循环函数包括若干循环项的和。如上所述，循环项尤其包括诸如正弦函数或余弦函数的周期函数。

根据一个实施例，根据下列公式形成用于描述分段磁体的外边缘的半径的另一循环函数：

这里，描述了半径矢量相对于给定方向的角度。表示分段磁体外边缘半径的与角度相关的函数。p表示待要使用分段磁体的永磁电动机的磁极对数。m定义半径函数的整数建模度。b_k是半径函数的建模系数。d₀表示永磁电动机的极罐的内径。这里，上述公式描述了用于产生分段磁体的外边缘的形状的傅里叶表示。

根据一个实施例，半径函数的第一建模系数b₁具有处于0.03和0.12之间的数值范围。另外，半径函数的其它建模系数b₂至b_m可以优选地小于半径函数的所选的第一建模系数。

有用时，上述实施例和进一步的实现能够以任何方式彼此组合。本发明的其它实施例、实现和实施方式还包括针对实施例在前面或下面描述的、未明确提及的本发明的特征的组合。特别地是，本领域技术人员还将添加各个方面作为对本发明的相应的基本实现的改进或补充。

附图说明

下面将参考在附图中的示意图中所示的实施例更详细地解释本发明。在附图中：

图1是穿过具有根据实施例的分段磁体的永磁电动机的横截面的示意图；

图2是穿过根据实施例的分段磁体的横截面的示意图；以及

图3是具有根据实施例的分段磁体的永磁电动机中的磁场的磁场线流动的示意图。

具体实施方式

图1示出根据实施例的永磁电动机的示意图。永磁电动机包括外壳2，四个分段磁体1布置在外壳2上。这四个分段磁体1形成电动机的定子。此外，永磁电动机2包括可旋转的转子3。这里示出的实施例示出了四极电动机。然而，以下对四极电动机的描述仅是为了说明，而不将本发明限于给定数量的磁极。

分段磁体1的面向转子3的方向的内侧具有至少近似圆形的表面，使得面向转子3的方向的每个分段磁体1都具有圆柱分段的表面。

面向外壳的方向的分段1的外侧的形状按照连续循环函数设计。下面将更详细地解释这种连续循环函数。特别地是，外壳2适配于面向外壳2的分段磁体1的侧面。

描述分段磁体1的面向外壳2的外侧的循环函数尤其能够是按照傅里叶表示可以描述为几个循环项的和的形式。下面参考图2描述该傅里叶表示的实现。能够根据下列公式描述分段磁体1的面向外壳2的侧面的外边缘到电动机的中心点的距离

角度描述了当前的半径矢量与图2中以虚线示出的分段磁体1的中心轴线之间的角度。p表示电动机的磁极对数。d₀描述了待要实现的电动机的极罐的内径。系数b_k表示半径函数的建模系数，其描述了分段磁体1的面对电动机的外壳2的侧面。求和函数的上限m表示建模度。通常，例如三、四或五个系数的单位数建模度就是足够的。然而，另外也可能存在任何更高的建模度。

第一建模系数b₁能够优选地在处于0.03和0.12之间的范围内选择。能够在处于0.03和0.12之间的范围内选择第一建模系数b₁。特别地是，例如，0.05、0.07或0.1的数值对于第一建模系数b₁是合适的。其它建模系数b₂至b_m通常具有小于第一建模系数b₁的数值的数值。例如，建模系数可以随着序数的增加而减小。

除了上述分段磁体1的成形之外，分段磁体中的磁化矢量的方向也能够由循环函数表示，特别是由傅里叶级数表示。这里给出的分段磁体1的磁化方向不同于传统的磁化形式，诸如径向、平行或Halbach磁化。

图3示出了使用四极电动机的示例的磁路的磁化的示意图。能够根据下列公式描述沿分段磁体1的外边缘的磁化矢量的方向

这里，描述半径矢量的角度。由描述磁化矢量相对于半径矢量的方向。与对分段磁体1的外部几何形状的说明类似，这里的p也表示电动机的磁极对数。a_k描述磁化矢量的方向的建模系数，并且n表示用于对磁化矢量的方向的建模度。

为了在分段磁体1中适当地形成磁化方向，第一建模系数a₁例如能够具有处于10度至50度之间的数值。例如，可以是20度、30度或45度的数值。通常能够选择小于第一建模系数a₁的其它建模系数a₂至a_n。例如，随着序数的增加，建模系数可以具有较小的数值。

通过形成具有上述外部几何形状和磁化方向的分段磁体1，能够形成用于永久激励的电动机的分段磁体，其实现了电动机的优化的操作特性，并且磁体材料的材料输入减少。特别地是，能够改进诸如噪声产生的运行特性。

通过组合以循环函数的形式的外部几何形状并且按照另一循环函数同时调整磁化矢量的方向，能够实现优化的特性。然而，另外也可以仅以循环函数的形式形成磁化矢量的方向，并选择传统形式用于分段磁体的外部几何形状。这里，通过借助于对磁化矢量的方向的构建，已经能够利用传统成形来实现分段磁体1的优化。由于保留下的传统形状，这种优化的分段磁体1能够被集成到已有的电动机几何形状中。这意味着对于现有的电动机几何形状也能够实现优化的运行特性。

总之，本发明涉及一种用于永磁电动机的优化的分段磁体。通过按照连续循环函数设定或调节分段磁体内的磁化流动，能够利用较少的材料输入实现电动机的优化的操作特性。分段磁体中的磁化方向的循环形成也能够与按照另一循环函数的成形相结合，以进一步增强这种效果。

Claims (11)

1.一种用于永磁电动机的分段磁体(1)，其中所述分段磁体(1)的沿所述分段磁体(1)的外边缘(10)的磁化矢量具有按照连续循环函数的与角度相关的方向。

2.根据权利要求1所述的分段磁体(1)，其中所述磁化矢量的所述方向的所述循环函数包括具有多个循环项的和。

3.根据权利要求1或2所述的分段磁体(1)，其中根据下列公式形成所述磁化矢量的所述方向的所述循环函数：

其中：

半径矢量的角度，

所述磁化矢量相对于所述半径矢量的角度，

p：所述电动机的磁极对数，

n：所述磁化矢量的整数建模度，以及

a_k：所述磁化矢量的建模系数。

4.根据权利要求3所述的分段磁体(1)，其中第一建模系数a₁具有处于10度和50度之间的数值范围。

5.根据权利要求4所述的分段磁体(1)，其中其它建模系数a₂至a_n小于所述第一建模系数a₁。

6.根据权利要求1至5任一项所述的分段磁体(1)，其中所述分段磁体(1)的外边缘(10)具有按照另一循环函数的与角度相关的外半径。

7.根据权利要求6所述的分段磁体(1)，其中用于所述分段磁体(1)的半径的所述另一循环函数包括若干循环项的和。

8.根据权利要求6或7所述的分段磁体(1)，其中根据下列公式形成用于所述分段磁体(1)的外边缘(10)的半径的所述另一循环函数：

其中：

所述半径矢量的角度，

所述分段磁体的所述外边缘的半径的与角度相关的函数，

p：所述电动机的磁极对数，

m：所述半径函数的整数建模度，

b_k：所述半径函数的建模系数，

d0：所述永磁电动机的极罐的内径。

9.根据权利要求8所述的分段磁体(1)，其中所述半径函数的第一建模系数b₁具有处于0.03和0.12之间的数值范围。

10.根据权利要求9所述的分段磁体(1)，其中所述半径函数的其它建模系数b₂至b_m小于所述半径函数的所述第一建模系数b₁。

11.一种具有定子和被以可旋转的方式布置在所述定子处的转子的永磁电动机(2)，其中所述定子和所述转子包括具有多个磁极的磁体，并且其中所述磁体包括多个根据权利要求1至10任一项所述的分段磁体(1)。