CN1157675A - 多项无刷交流电机 - Google Patents

Abstract

一种多相无刷交流电机，包含定子结构和转子结构，定子结构的表面设有交替配置的平行的槽和伸出件，每个槽口与对应槽的最宽宽度一样；转子结构的表面装有永久磁化装置，其具有的和个表面单元面向槽和伸出件。磁化装置的所有表面单元产生一定的磁通密度，它的垂直于定子的对应表面的分量的平均幅值Br(θ)按下式确定：Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv(θ)，其中La(θ)由上式确定，其中θ是相对于在转子结构上的一个参考位置按弧度计算的角位置；Br(θ)是在角位置θ处的分量的平均幅值；Lv(θ)是在位置角θ处的伸出件和转子结构的表面之间的间隙距离；Mr(θ)是在角位置θ处的磁化装置的剩余磁感应强度的一个垂直于对应的定子表面的分量，Mr(θ)随对应于4π/K的周期变化；K是代表所有的表面单元的一个偶数，C是一任选的常数。本发明还涉及一种多相无刷交流电机的运行方法。

Description

多相无刷交流电机

本发明涉及一种具有定子结构和转子结构的多相无刷电机。

在本技术领域中公知有一种具有外转子和内定子的圆柱形旋转电机。在这种电机中，磁铁固定在电机的钢制圆柱形头部的内壁上。这些磁铁产生利用钢制伸出件引导环绕一系列的导体的磁场。电流通过导体产生环流并反作用于由磁铁产生的磁场以产生转矩。通过控制这些电流，能够控制转矩的大小和方向。

正如在本技术领域中所公知的，有一于1994.7.5授权给COUTURE等人的序号为5327034号美国专利。在这个专利中所表示的电驱动的车轮组件更具体地说是用于将电机包含在轮内的一种驱动系统。转子未经电接触直接驱动支承轮胎的轮辋。定子固定在轮的中心部分。这种电机的运行性能，一方面取决于所用磁路的几何参数，另一方面，取决于由电流和由磁铁产生的磁场的特性。为了确定这种电机的性能，必须考虑几个因素。

首先，我们必须考虑由导体中的电流产生的磁场强度对于在定子结构中的磁通密度分布的影响。定子的磁路是由按非线性磁化曲线工作的金属片构成的。这一曲线具有高的起始导磁率，一直到达到一定的磁势值为止，在该点该导磁率数值下降到等于空气的导磁率。在金属片中的磁通分布是由在导体中的电流产生的以及由磁铁产生的磁场强度的叠加按照磁化曲线决定的。当电机运行在磁化曲线的高导磁率区时，磁通密度的增加与导体中的电流的增加成比例，该电流的增加又增加形成的转矩。在这种情况下，由这两个来源的和所形成的磁场维持，所有磁路区域均低于饱和阈值之下。导体中的电流可能增加到这样一个数值，使得总的磁势超出饱和阈值，磁通密度不再按相同的比例变化。这种现象产生在两种磁势累加的磁路区域。在这一点，转矩开始畸变，不再线性增加，随着导体电流的增加趋于饱和。

其次，定子金属片中磁通密度的变化是一个因素，导致形成与磁滞效应和涡流电流有关的损耗。这些损耗与包含在磁通密度中的谐汉成比例。

第三点，应当考虑在转子旋转过程中在每个磁铁和伸出件之间的引力引起的齿槽转矩。因而，由导体电流与磁铁的磁场的积产生的谐波转矩叠加到齿槽转矩上。

第四，在槽中的可利用的空间的铜导体填充百分率影响电机的重量和铜导体与钢片之间的导热性。

第五，磁路的几何参数的选用必须以最大程度引导磁通密度然而不会使其饱和，按照这种方式将电机的总重量降至最小。

因此，我们认为当电机运行时，必须考虑同时产生的几种因素，以便提高电机的效率。当电机用作一电动驱动轮时，所有这些因素都明显地影响电机的性能。

正如在本技术领域所公知的，有一本由JR.Hendershot.Jr的著作，名称为“无刷永磁电动机的设计”，为了具体消除上述问题，提出了不同的几何参数。在这一著作中，提出了一些用于设计具有外转子的磁化式电机的标准。转子是由装有矩形磁铁的圆柱形圆筒头部构成的。定子是由倾斜的各伸出件构成的，各伸出件是沿相对于转子的伸出件各自的轴线长度按一个槽的节距歪斜的。定子的各伸出件必须形成有局部覆盖槽的曲线形的尖端，以便使一用于将导体逐个地嵌入到相应槽中的开口尺寸最小。该曲线的尖端必须具有相对均匀的厚度，以防止磁铁的磁场饱和。

在这种电机中，每个定子槽的偏斜部分降低了齿槽转矩。偏斜的槽产生沿每个定子伸出件的长度的齿槽转矩的逐渐变化的相位移，因而，总体上所有的谐波被抵消了。偏斜的槽已经用在序号为5327034号美国专利中介绍的组件中。这种解决方案看起来简单，但是从实际的观点看来，它增加了结构的复杂性。此外，这种解决方案在沿定子转轴的轴线长度相对短的情况下难于实现。这是由于曲线形的尖端，它要能够引导磁场磁通的主要部分，同时还要使产生环绕导体的磁场所需的磁铁的数量最少。但是，由于利用这些相同的曲线形尖端，导体必须得逐个地插入相应的槽中。因此，使用矩表断面的导体几乎是不可能的，因为难于按顺序将各导体堆放在槽中。此外，由于这些曲线形的尖端，不可能利用大的矩形断面的导体。

此外，由于这些曲线形的尖端。增加了由导体电流产生的磁场强度，这样导致由相同的曲线形的尖端产生漏磁通。由于叠加由磁铁产生的磁场强度，在累加的区域的总的磁场强度在较低的电流数值下就达到饱和阈值。电机的转矩对于电流的曲线的线性部分限于一个低的电流值下。

正如本技术领域中所公知的，在IEEE No.0018-9464188/1100-2901的一篇文章中，介绍了一种直线电动机，它的定子相对于转子是非偏斜的。在这种类型的电机中，使用均匀磁化的矩形磁铁。这样的磁铁与装有伸出件而无带有曲线形尖端的槽的非偏斜式定子使用。磁铁的宽度W等于(n+0.14)P，其中n是一个整数，P代表槽节距比率y/P等于0.5，y/P为在每极节距的范围内的定子伸出件的宽度y。经过对应磁铁两侧的其中之一的伸出件的磁阻转矩的基波分量抵消由下一个伸出件的磁阻转矩的基波分量，这第二个基波分量从另一侧接近该磁铁。那样，仅余下较低幅值的谐波转矩。当比率y/p为0.5时，得到最好的效果。利用这种解决方案，电机结构被简化了，但所有上述的不良影响并没有消除。应当指出，在旋转的过程中，由定子的伸出件产生的磁通按梯形展开。这种形状来源于磁铁的矩形。在伸出件和在定子的其余部分的磁通密度包含一个以上的谐波。每个谐波产生涡流电流，它产生的损耗本身又附加到电机的总损耗中。这些损耗附加到由基波分量引起的损耗中。此外，由绕组所匝连的磁通的形状取决于定子绕组怎样卷绕。采用简单的绕组，意指每槽每极为一相，如果在各相中的电流是正弦的，则出现引起转矩纹波的磁通谐波。通过增加在每极下的槽数。或者彼此配合的绕组以便滤除磁通谐波，总能降低该纹波，但是在这种情况下，组件的复杂性增加了。最后，比率y/p限制了可能选用的几何参数。

正如在本技术领域所公知的，在1992.11的Symposium proceedings，EVS(EVS学术会议论文集)中公开了一篇题为“用于电力车辆的新颖的高功率密度永久磁铁式电动机驱动器”的文章。这种电机装有矩形磁铁和采用另一种技术来防止齿槽转矩。这种矩形磁铁粘接到转子的内壁。定子包含带有局部覆盖槽的曲线形的尖端。槽用圆形导体来填充。转子极数对于定子槽数的比为11/10。

在这个文献中提出的方案的目的是降低齿槽转矩。转子极数对于定子极数的比导致形成一种分布。在定子范围内每个转子磁极产生的各转矩的和形成的总转矩是均匀的。但总是出现在金属片中与磁通谐波相关的损耗问题。当电机带载运行时，为了得到均匀的转矩，绕组中的电流必须按梯形分布。这些电流谐波由于集肤效应(开尔文效应)产生附加损耗。应指出，这种电机也采用形成有曲线形尖端的伸出件和槽。

正如本技术领域所公知的，有一序号为3604961的美国专利。在这一专利中所介绍的电机是一种直流电机，它的定子磁极具有一定形状的永久磁铁，以便当转子结构旋转时降低齿槽转矩。该电机的转子形成有伸出件和不被曲线形尖端覆盖的槽。定子磁极按恒定的气隙覆盖了转子的周边部分。电机的齿槽转矩是由连续的各槽和在转子每个磁极的正面通过的转子伸出件产生的导磁率变化形成的。一个磁极产生具有正负最大相同幅值的交变齿槽转矩。在这种类型的标准电机中，各磁极彼此分开180 °的电角度。每个极产生的齿槽转矩的正负最大值都影响总的齿槽转矩的增加。可以使两个极当中的一个极相移一个固定的角度，使半数磁极的正的最大齿槽转矩对应于另半数磁极的负的最大齿槽转矩。因此，由半数磁极产生的齿槽转矩之和抵消了另半数磁极产生的齿槽转矩的和。所提出的磁极的几何尺寸在于由每个磁极除去一部分。所除去的部分由一个磁极到另一个磁极是相互邻近的。因此，能够得到磁极的相位移，但并没有从体形上使整个磁极相位移。按照这种方法，电机的结构简化了。然而，由于磁极的扁平外形轮廓，沿着磁路产生谐波磁通使损耗增加。

正如在本技术领域所公知的，有一些序号分别为5162684、5206556、5170084以及5204569的美国专利。所有这些专利都提出用于在电刷式直流电机的转子结构的每个极内产生基本上的正弦磁通的装置。这些正弦磁通是由安装在定子结构上的磁铁产生的。在运行中，这种方法使齿槽转矩能够降低。然而，在这些专利中所述的采用电刷的电机，增加了这些电机的复杂性，需要更多地维护。

正如在本技术领域所公知的，有如下美国专利：4940912、4994702、4341969、5142179、4980594、4876472、5105113、3234416和2695370。这些专利没有一个同时解决齿槽转矩的问题和与谐波产生相关的铁损问题。

本发明的第一目的是提出一种多相无刷交流电机，在大的电流范围内，转矩对电流的曲线是线性的。

本发明的第二目的是提出一种多相无刷交流电机，由于使定子结构内部的磁通密度的谐波畸变而降低损耗。

本发明的第三目的是提出一种多相无刷交流电机，在负载和空载两种状态都能降低转子结构和定子结构之间的齿槽转矩。

根据本发明，提供的一种多相无刷交流电机包含：

定子结构，它的表面设有交替配置的平行的槽和伸出件，每个槽具有开向所述表面的开口，每个所述开口与对应的槽的最大宽度一样宽；以及

转子结构，它的表面装有永久磁化装置其具有的各个表面单元面向所述的槽和伸出件，每个所述表面单元面向所述槽的数目对应于所述电机的相数，所述磁化装置的所有所述表面产生的磁通强度的一个平均幅值为Br(θ)的分量垂直于定子的对应表面，Br(θ)由下式确定：

Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv(θ)其中La(θ)由下式确定： $L_a\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{abs}\left[\frac{C\·L_v\left(\mathrm{\θ}\right)}{M_r\left(\mathrm{\θ}\right)}\sin \left(\frac{K\·\mathrm{\θ}}{2}\right)\right],$

其中：θ是相对于在所述转子结构上的一个参考位置按弧度计算的位置；  Br(θ)是在所述角位置θ处的所述分量的平均幅值；Lv(θ)是在所述角位置θ处的所述伸出件和所述转子结构的所述表面之间的间隙距离；Mr(θ)是在所述角位置θ处的所述磁化装置的剩余磁感应强度分量，Mr(θ)垂直于定子结构的对应表面，Mr(θ)按与4π/K对应的周期变化；K是代表所有所述表面单元的一个偶数；C是一任选常数；因此，在运行中，所述转子结构与所述定子结构形成磁耦合，并且由于使在所述定子结构内部的磁通密度的谐波畸变能够降低损耗，转矩对电流的曲线在大的电流范围内是线性的，并降低了所述定子结构和所述转子结构之间的齿槽转矩。

另外，根据本发明，提供使多相无刷交流电机运行的方法，包含的步骤有：

使装有绕组的定子结构与转子结构形成磁耦合，定子结构的表面设有交替配置的平行的槽和伸出件，每个所述槽具有开向所述表面的开口，每个所述开口与对应槽的最宽宽度一样宽，转子结构的表面装有永久磁化装置，它的各自的表面单元面向所述的槽和伸出件，每个所述表面单元面对所述槽的数目对应于所述电机的相数，所述磁化装置的所有所述表面单元产生的磁通密度有一垂直于定子结构的对应表面的平均幅值为Br(θ)的分量，Br(θ)按下式确定：

Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv(θ)其中La(θ)按下式确定： $L_a\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{abs}\left[\frac{C\·L_v\left(\mathrm{\θ}\right)}{M_r\left(\mathrm{\θ}\right)}\sin \left(\frac{K\·\mathrm{\θ}}{2}\right)\right],$ 其中θ为相对于所述转子结构上的一个参考位置按弧度计算的一个角位置，Br(θ)是在的述角位置θ处的所述分量的平均幅值；Lv(θ)是在所述角位置θ处的所述伸出件和所述转子结构的所述表面之间的间隙距离；Mr(θ)是在所述角位置θ处的所述磁化装置的剩余磁感应强度的一个分量，其垂直于定子结构的对应表面，Mr(θ)按对应于4π/K的周期变化，K是一个代表所有所述表面单元的一个偶数；C是一任意常数；对定子绕组进行励磁。借此，在运行时，所述转子结构与所述定子结构形成磁耦合，由于使在所述定子结构内部的磁通密度的谐波畸变降低了损耗，同时在大的电流范围内转矩对电流的关系曲线是线性的并降低了所述定子结构和所述转子结构之间的齿槽转矩。

通过参照附图，阅读对本发明的非限定的各优选实施例的详细介绍，将会更好地理解本发明的目的、优点和其它特征。

图1是根据本发明的第一优选实施例的多相无刷交流电机的定子结构和转子结构的局部侧视断面图；

图2是根据本发明的第二优选实施例的多相无刷交流电机的定子结构和转子结构的局部侧视断面图；

图3是根据本发明的第三优选实施例的多相无刷交流电机的定子结构和转子结构的局部侧视断面图；

图4是根据本发明的第四优选实施例的多相无刷交流电机的定子结构和转子结构的局部侧视断面图；

图5是根据本发明的第五优选实施例的多相无刷交流电机的定子结构和转子结构的局部侧视断面图；

图6是根据本发明的第六优选实施例的多相无刷交流电机的定子结构和转子结构的局部侧视断面图；

图7是根据本发明的第七优选实施例的多相无刷交流电机的定子结构和转子结构的局部侧视断面图；

图8是根据本发明的第八优选实施例的多相无刷交流电机的定子结构和转子结构的局部侧视断面图；

图9是根据本发明的第九优选实施例的多相无刷交流电机的定子结构和转子结构的局部侧视断面图；

图10是根据本发明的一个优选实施例的沿图1中所示的线X-X所取的局部断面图；

图11是根据本发明的另一优选实施例的沿图1中所示的线X-X所取的局部断面图；

图12是表示当电机运行时电流I和转矩T之间的相互关系的曲线图。

需注意，为本说明书表述的需要，对于在各附图中相似的元件使用相同参照数码来标注。

图1表示一种多相无刷交流电机的定子和转子结构的局部侧视断面图。这一电机包含一个设有交错配置的平行的各槽8和伸出件7的表面的定子结构2。每个槽8具有朝向定子结构2的表面的开口40。每个开口40的宽度基本与相应槽8的最宽宽度相同。

电机还包含转子结构1，它的表面44设有永久磁化装置3。它的各自表面单元42面向槽8和伸出件7。每个表面单元42面向槽8的数目对应于电机的相数。最好，在本实例中，每个表面元件42面向3个槽8。这样它就是一个三相电机。

磁化装置3的所有表面单元42产生的磁通密度有一个与相应的定子2的表面相垂直的平均幅值为Br(θ)的分量，按照如下公式确定：

Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv(θ)其中La(θ)是按照如下公式确定的： $L_a\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{abs}\left[\frac{C\·L_v\left(\mathrm{\θ}\right)}{M_r\left(\mathrm{\θ}\right)}\sin \left(\frac{K\·\mathrm{\θ}}{2}\right)\right]$ 其中θ为相对于在转子单元1的参考位置以弧度表示的角位置。Br(θ)是在角位置θ处的平均幅值的分量。Lv(θ)是在角位置θ处在伸出件7和转子结构1的表面44之间的间隙距离。Mr(θ)是在角位置θ处的磁化装置3的剩磁感应的分量。Mr(θ)垂直于定子2的相应表面。Mr(θ)按与4π/K相对应的周期变化。K是代表所有表面元件42的一个偶数，C是任选的常数。

由于具有上述特征，能够得到这样一种无刷多相交流电机，它的转矩与电流的曲线在很大的电流范围内是线性的。

还可以得到这样一种无刷交流电机，由于在定子结构内部的磁通密度的谐波畸变，使得损耗低。

还可以得到这样一种无刷交流电机，在有载和空载状态下，在转子结构和定子结构之间产生很小的齿槽转矩。

还可以得到这样一种无刷交流电机，它可以采用由方形截面的导体绕在定子结构2上的线圈。

最好，定子结构2呈圆柱形。设有平行槽8和伸出件7的表面构成为定子结构2的外表面。转子结构1呈圆形。装有永久磁化装置的表面44构成转子结构1的内表面。

最好，平均幅值的分量Br(θ)是一径向分量。每个槽8具有矩形断面。永久磁化装置包含一系列的由均一材料构成的永久磁铁3。每个磁铁3的相对于角度位置θ的厚度按照La(θ)确定。每个伸出件7端部为方形。

在使用时，如图1所示的多相无刷交流电机的使用方法包含的步骤是使装有绕组6的定子结构2与转子结构1磁耦合，并向定子2的绕组6通电励磁。因此，在使用运行时，转子结构1与定子结构2磁耦合，由于在定子结构2中的磁通密度分布使得能够降低损耗，对于很大的电流范围转矩对于电流的曲线是线性的，并降低了在定子结构2和转子结构1之间的齿槽转矩。

根据一个优选实施例，圆柱形转子1包含一个圆柱形的钢制的头部4，和安装在圆柱形头部4内表面上的数目为K的磁铁3。转子1的圆柱形头部4与圆柱形的定子2间隔距离Lv。由磁性金属片5制成的定子2形成一系列的非偏斜的伸出件7和槽8。这些槽开向转子1。

最好，将矩形截面的导体6装入槽8中。安装在同一槽8内的所有导体6属于同一相。相数可以由2到N改变，N是大于2的整数。定子2对于转子1上的每个磁铁3具有N个槽8。槽8或伸出件7的总数等于N·K。

最好，每个磁铁3的材料具有高度均匀的固有矫顽力和与空气相等的导磁率。圆柱形的头部4和金属片5是由高导磁率的材料制成的。每个圆柱形头部4和金属片5的磁化曲线是非线性的，并达到一饱和阈值，在该阈值下，导磁率降低到与空气相同的数值。每个磁铁3具有与转子1的内圆周面相配合的弧形轮廓9。每个磁铁3还具有第二反面的轮廓10，它的径向厚度La按照这样一种方式确定： $L_a\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{abs}\left[\frac{C}{M_r\left(\mathrm{\θ}\right)}\sin \left(\frac{K\·\mathrm{\θ}}{2}\right)\right]$ 其中θ是相对于转子1上的一个参考位置以弧度表示的角位置。La(θ)是在角位置θ处的磁铁3的径向厚度。Mr(θ)是在角位置θ处磁铁3的剩余磁感应强度径向分量，并随与4π/K相对应的周期变化。K是代表所有在转子1周边上的磁铁3的偶数。C是一个常数。

由一个伸出件7引导的磁通密度是由位于在相应的伸出件7的端部和圆柱形头部4之间的体积内所包含的磁铁部分所产生的。在该体积11部分中的磁通密度径向分量Br(θ)由下式确定：

Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv其中Lv是定子2的伸出件7和转子1的圆柱形头部4之间的间隙距离。由于Mr(θ)从一个磁极到另一个磁极变化180°，Br(θ)按正弦变化。可以按下列公式确定Br(θ)： $B_r\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{C}{L_v}\sin (K\·\mathrm{\θ}/2)$

当转子1旋转时，Br(θ)的分布形状呈正弦形。在电机运行在钢磁化曲线的直径部分的状态下，这个公式是有效的。在图1中所示磁铁3的实例中，由于Mr(θ)被认为是恒定的。La(θ)相对于角位置θ按正弦变化。

通过导体6环流的电流产生的磁场本身叠加到由磁铁3产生的磁场。总的磁通密度对应于由磁铁3产生的磁通密度和由通过导体6的电流产生的磁通密度的矢量和。如在图12中所示，本发明能够得到一种旋转电机，它的转矩对于电流的曲线在电流范围(a)内是线性的，这一电流范围大于在对现有技术部分介绍的同类电机的电流范围。利用根据本发明的电机产生的转矩是在气隙半径处产生的作用力的切线分量。这个力是由导体电流与由磁铁3产生的磁场的矢量积产生的。

在运行时，槽8中的相电流随由伸出件7引导的磁通变化，产生相同方向的转矩。只要电机运行在钢磁化曲线的线性部分内，该矢量积与流经导体6的电流成比例。由磁铁3产生的磁场本身叠加到由通过导体6的电流产生的磁场。随着增加电流，在二磁场的和是累加的区域内形成磁通密度的饱和。

受饱和影响的这些区域影响电机内磁场的分布，从而限制了可能出现的转矩增加。当导体中的电流增加时，转矩不再线性增加。由槽8中的导体产生的磁通部分经过它的开口形成漏磁。在本实例中，由于在槽的开口处没有曲线形的尖端，能够使漏磁通的磁路磁阻达到最大。在远为更高的电流下才会产生饱和，对于由具有带曲线形尖端的槽的同类电机产生的转矩相比，在更大的电流范围内转矩对电流的曲线仍为线性的。

在本实例中，最好采用具有较高剩磁感应强度的磁铁，以便补偿由于在槽开口处因没有曲线形的尖端带来的影响。

根据本发明的另一个目的，提出本发明的一个优选实施例，定子2的开口槽8使得能够利用基本上为矩形断面的绕组导体。因此，能够得到优于利用圆形断面导体的填充系数。这样槽的断面可以更窄，用于导引磁通的伸出件可以更短。因此，能够得到由在现有技术部分所介绍的电机产生的同样的转矩的电机的重量降低了。

还可以利用全宽的矩形断面导体来增加铜导体和钢金属片之间的导热性，因为在铜导体和槽8的壁之间的接触表面增加了。因此，能够增加将由于导体6发热产生的热能向外部的传输能力。

按照如下的方式可以解释怎样降低本发明的电机的铁损。定子2的钢芯引导随转子1旋转而变化的磁通。磁通的这种变化一方面由于磁化曲线的磁滞效应产生相关的焦尔热损耗，另一方面则由于在钢金属片中感应的涡流电流。由涡流电流产生的损耗的量值与振荡频率以及在钢料中的磁通密度的幅值成比例。损耗的总数值与由在钢料内部每个谐波磁通密度产生的损耗的和成比例。

在其中一个伸出件7内部的一个特定位置的磁通密度与Br(θ)成比例。因此，磁通密度随转子1的旋转遵循正弦变化。定子2的金属片5的内部区域用作在相邻伸出件7中感应磁场的反馈磁路。引导的磁通密度对应于二正弦磁通的和，因此，这个和也是正弦的。在定子2的金属片与内部由不同于基波分量的谐波产生的损耗相对于由于基波分量产生的损耗是可以忽略的。因而，电机运行铁损降低。

本发明能得到这样一种旋转电机，在运行过程中负载或空载时具有低的纹波转矩。按如下的方式解释这一结果。转子1相对于定子2的旋转在磁铁3和伸出件7之间产生引力。在电机旋转时这一引力与在每个伸出件7和圆柱形头部4之间的气隙和磁铁体积11内部包含的磁场中储存的能量变化相关。

对于每个伸出件7的这一吸引力的切线分量叠加到转矩上。转矩T是按照如下的方式确定的：

T＝dw/dθ其中W是包含在体积11内部的能量，按下式确定： $W={\∫}_v\frac{B_v{\left(\mathrm{\θ}\right)}^2}{2{\mathrm{\μ}}_0}\mathrm{dv}$ 只要钢是不饱和的，这个转矩就正确的。在磁铁3内部的相对导磁率约等于在体积11内部的空气导磁率，对于总的体积使用μ₀。作用在定子2的每个伸出件7上的转矩与从一个伸出件的另一个伸出件无关。

该能量是径向分量Br(θ)与沿着越过体积11的径向单元的角位移ω的电机轴向长度相乘的积分。按照如下方式确定这一积分： $W=\underset{-\mathrm{\ω}/2}{\overset{\mathrm{\ω}/2}{\∫}}\frac{\frac{C^2}{L_v^2}{\sin }^2\left(\frac{k}{2}\right[\mathrm{\θ}+\mathrm{\φ}\left]\right)}{2{\mathrm{\μ}}_0}\·\frac{P\·(R_{\mathrm{ic}}^2-R_{\mathrm{es}}^2)}{2}\mathrm{d\φ}$ 其中P是沿着电机旋转轴线的电机轴向长度，Ric是转子1的圆柱形头部4的内径，Res是定子2的金属片5的外径。

通过解出这一积分，可以得到： $W=\frac{C^2\·P\·(R_{\mathrm{ic}}^2-R_{\mathrm{es}}^2)}{4L_v^2\·{\mathrm{\μ}}_0}[\frac{\mathrm{\ω}}{2}-2\sin \left(\frac{K\·\mathrm{\ω}}{2}\right)\·\cos (K\·\mathrm{\θ})]$ 这一转矩T是W对于θ的导数。转矩T按下式确定： $T=\frac{K\·C^2\·P\·(R_{\mathrm{ic}}^2-R_{\mathrm{es}}^2)}{2L_v^2\·{\mathrm{\μ}}_0}\sin \left(\frac{K\·\mathrm{\ω}}{2}\right)\·\sin (K\·\mathrm{\θ})$

在每个伸出件7上的齿槽转矩因此也是正弦的，并在1/(2πK)范围内是周期性的。当电机空载时总的齿槽转矩是作用在定子2的每个伸出件7上的齿槽转矩的和。当在整个定子2上有N×K个伸出件7时，总的齿槽转矩Tr等于： $T_r=\frac{K\·C\·P\·(R_{\mathrm{ic}}^2-R_{\mathrm{es}}^2)}{2L_v\·{\mathrm{\μ}}_0}\sin \left(\frac{K\·\mathrm{\ω}}{2}\right)\·\underset{n=1}{\overset{N\·K}{\mathrm{\Σ}}}\·\sin (K\·[\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\Πn}}{N\·K}\left]\right)$

对于N·K＞1，这一个和总是等于0。期望维持在钢料内部的正弦磁通密度的磁铁3的外形轮廓同时降低了齿槽转矩，这种转矩通常当电机处在空载状态时在旋转的过程中是存在的。

由磁铁3在定子的伸出件7中产生的磁通密度是按正弦分布的。构成电机一相的线圈所匝连的磁通对应于由对应绕组卷绕的伸出件所引导的磁通的和。这一磁通的和也是按正弦变化的。每相形成的转矩的和对于正弦的相电流是恒定的，这些相电流本身相对于所引导的磁通以相似的方式形成相位移。因而，电机在运行时没有齿槽转矩。此外，正弦电流降低了在铜中的焦耳损耗部分，这种损耗与开尔文效应(集肤效应)相关。当在铜中的电流谐波部分仅含一个分量时，损耗是最小的。

图2表示一种多相无刷交流电机，最好其特征在于，每个伸出件7端部是方形的，每个磁铁的端部是截头的。在磁铁3的每个端部处被除去的磁性材料的体积附加到接进这一相同被截头的端部上，采用这种方式在于增加端部的厚度。因此，每个磁铁的被截头的端部加厚了，因而具有大约相同数量的磁性材料，好像端部没有截头。由于这种改进，能够使形成的磁铁端部与没有被截头的磁铁相比脆弱等程度降低。这些截头的磁铁还易于安装在转子1的圆柱形头部4上。对于磁通密度的磁性能的影响可以忽略。

图3表示的多相无刷交流电机最好其特征在于，每个伸出件7的端部是圆弧形的，每个磁铁3的端部是截头的。正像在图2中表示的实施例一样，通过将被截头的体积的磁性材料对应地附加到其上，磁铁3的端部变厚了。

由于伸出件7具有圆弧形的端部28，能够消除使得在伸出件17中产生磁通饱和的磁通密度的“集中”效应。当伸出件具有方形端部时，这种集中效应有增加谐波分量幅值的作用。此外，降低了由导体中的电流产生的漏磁通。

最好，由具有较高磁化性能的磁铁产生在伸出件7中引导的磁通以便补偿伸出件7的圆弧形端部的影响。

图4表示一种多相无刷交流电机，最好其特征在于，定子结构2的内表面48具有与各自的伸出件7相对准的凹槽30。此外，每个伸出件7有圆弧形的端部，每个磁铁3具有截头的端部。正像图2所示的实施例一样，磁铁3的端部由于分别附加到其上的被截头的体积的磁性材料更变厚。转子结构1的外表面50具有的凹槽29与各自的磁铁3的中心部分基本对准。

本发明的另一目的是提供一种减轻重量的电机。如图4所示，通过将磁通密度低的区域去除可以实现重量的降低。在最大磁通密度低的区域29和30去除某些钢料。因此，在邻近区域29和30的其余部分中的磁通密度增加到的数值与在一般电机中产生的相应数值相近。

图4中所示的实施例还达到了本发明的另一目的，所得到的无刷多相交流电机其定子磁路的几何尺寸较小。因而按照这一实施例，能够降低电机的总重量。

图5表示的多相无刷交流电机最好其特征在于，转子结构1具有圆柱形的外表面50。每个伸出件7的端部是圆弧形的，转子结构1的内表面44形成有向内弯曲的外套，用于分别容纳永久磁铁3。

图6表示的多相无刷交流电机最好其特征在于转子结构1具有圆柱形的外表面50。每个伸出件具有圆弧形的端部。每个磁铁3具有截头的端部。正如图2所示的实施例一样，由于将被截头的体积的磁性材料相应地附加到其上，使得磁铁的端部变厚。转子结构1的内表面44形成有向内弯曲的外套，以便容纳各自的永久磁铁3。

图7表示的多相无刷交流电机最好其特征在于定子结构2具有波纹状的内表面48，其限定与各自的伸出件7相对准的凹槽30。每个槽以圆弧形底端终止。每个伸出件7具有圆弧形端部，每个磁铁具有截头的端部。正如图2扣所示的实施例中一样，每个磁铁3由于将被截头的体积的磁性材料相应地附加到其自身上而使磁铁3的端部变厚。

图8表示的多相无刷交流电机最好其特征在于，定子结构2有内表面48并形成有与各自的伸出件7相对准的横向内腔52。每个内腔52位于在相应的伸出件7的下端和定子结构2的内表面48之间的距离的中点处。每个内腔52基本上为三角形，顶点54对着对应的伸出件7。每个槽8以圆弧形底端终止。每个伸出件7具有圆弧形的端部、每个磁铁3具有被截头的端部。正像在图2所示的实施例一样，由于将被截头的体积的磁性材料相应地附加到其上，使磁铁的每一端更厚。

图9示出的多相无刷交流电机的特征在于，每个伸出件7具有方形端部，每个磁铁3具有被截头的端部。正像图2所示的实施例一样，由于分别将被截头的磁性材料附加到其上，而使磁铁3的每个端部变厚。转子结构1的外表面50具有的凹槽29与各自的磁铁3的中心部分对准。

图10和11每个都表示多相无刷交流电机，最好其特征在于，定子结构2由一系列的周边部分形成各伸出件7的相邻的金属片54构成。金属片54的这些周边部分的厚度朝其周边是断缩的。在图10中所示的定子的周边部分是相同的，具有相同的对称的渐缩的形状，而在图11中所示的相应部分具有非对称的断缩的形状。在图1中所示实施例的定子结构2和转子结构1的侧视断面图中，每个伸出件17的根部似乎比其端部要窄。需要这种形状在于维持矩形导体6和槽8的侧壁的体形接触，以便增加导热性。朝每个伸出件17的根部的这种变窄，结合具有均匀厚度的定子金属片，迫使由每个伸出件7引导的磁通密度本身在其根部比在其端部密度更高。

然而，在图10和11中，形成每个伸出件的每个定子金属片的厚度并不是均匀的，而是从其根部到其端部呈渐缩形，使得沿着每个伸出件的磁通密度变得更均匀。

因此，能够降低每个伸出件中的钢料数量，消除作用在磁力线上的集中效应，增加在每个伸出件中的最大磁通密度，使得在每个伸出件的整个体积内部磁通密度基本均匀。通过去除部分钢料，如图4中所示，以及利用厚度断缩的金属片，如图10和11所示，作为磁通引导介质，定子的钢料是按照它的全部容量被利用的。因此，能够降低电机重量，但没有影响磁通密度的谐波含量。

根据本发明，磁铁用于在旋转电机中产生磁场，该电机带有一组由多相正弦交流电流励磁的导体。最好，磁铁是由均一材料制成的呈一定形状的磁铁，并安装在圆柱形转子的内壁上，它们面向各伸出件和槽，槽的开口没有曲线形的尖端。

根据本发明，在每极部分产生正弦波形的磁场，降低了除了基波以外的谐波分量，因而降低了损耗。因此，得到高的转矩和很低的齿槽转矩。每极部分的重量也被降低。

根据本发明的各优选实施例，能够利用沿全部轴线长度具有矩形断面的导体，使得能够达到高的填充系数。通过利用带圆弧形端部的伸出件可以减少磁通的集中，因此降低了由于磁场饱和引起的谐波损耗。通过去除低感应磁通经过的定子的部分，还能够降低定子重量。此外，通过去除低感应磁通经过的转子的部分，还能够降低转子重量。

虽然在上面已经详细解释了并在附图中表示了本发明的各优选实施例，但本发明并不局限于这些实施例，本技术领域的熟练人员可以在本发明的范围内进行很多变化和改进。

Claims (13)

1.一种多相无刷交流电机，包含：

定子结构，它的表面形成有交错配置的平行的槽和伸出件，每个所述的槽具有开向所述表面的开口，每个所述开口与对应槽的最宽宽度一样宽；以及

转子结构，它的表面装有永久磁化装置，它所具有的各个表面单元面向所述各槽和各伸出件，每个所述表面单元面向所述槽的数目对应于所述电机的相数，所述磁化装置的所有表面单元产生的磁通密度具有垂直于相应定子表面的平均幅值Br(θ)的分量，其由如下公式来确定：

Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv(θ)其中La(θ)按下式来确定： $L_a\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{abs}\left[\frac{C\·L_v\left(\mathrm{\θ}\right)}{M_r\left(\mathrm{\θ}\right)}\sin \left(\frac{K\·\mathrm{\θ}}{2}\right)\right],$ 其中：θ为相对于在所述转子结构上的一个参考位置按弧度计算的角位置；

Br(θ)是在所述角位置θ处的所述分量的平均幅值；

Lv(θ)是在所述角位置θ处的所述伸出件和所述转子结构的所述表面之间的间隙距离；

Mr(θ)是在所述角位置处的所述磁化装置的剩余磁感应强度的分量，Mr(θ)垂直于定子结构的相应表面，Mr(θ)按照与4π/K相对应的周期变化，

K是代表所有所述表面单元的一个偶数；

C是一个任选常数。

2.根据权利要求1所述的多相无刷交流电机，其中：

定子结构呈圆柱形，表面上设有作为定子结构外表面的平行的槽和伸出件；

转子结构呈圆柱形，表面装有作为转子结构的内表面的永久磁化装置；

平均幅值Br(θ)是一径向分量；

每个槽具有矩形断面；

永久磁化装置包含一系列的由均一材料制成的永久磁铁，每个磁铁的相对于角位置θ的厚度按照La(θ)确定。

3.根据权利要求2所述的多相无刷交流电机，其中：

每个伸出件有一方形端部；

每个磁铁有一被截头的端部，由于将与被截头的部分对应的体积的磁性材料附加到其上，磁铁的每个端部变厚。

4.根据权利要求2所述的多相无刷交流电机，其中：

每个伸出件具有圆弧形的端部；

每个磁铁具有截头的端部，由于将与被截头的部分对应的体积的磁性材料附加到其上，磁铁的每个端部变厚。

5.根据权利要求2所述的多相无刷交流电机，其中：

定子结构的内表面具有与各自伸出件相对准的凹槽；

每个伸出件具有圆弧形的端部；

每个磁铁具有截头的的端部，由于将与被截头的部分对应的体积的磁性材料附加到其上，磁铁的每个端部变厚，转子结构的外表面具有与各自的磁铁的中心部分基本对准的凹槽。

6.根据权利要求2所述的多相无刷交流电机，其中：

转子结构具有圆柱形外表面；

每个伸出件具有圆弧形端部；以及

转子结构的内表面形成向内弯曲的外套，用于容纳各自的永久磁铁。

7.根据权利要求2所述的多相无刷交流电机，其中：

转子结构具有圆柱形外表面；

每个伸出件具有圆弧形端部；

每个磁铁具有截头的端部，由于将与被截头的部分基本相对应的体积的磁性材料附加到其上，使得磁铁的每个端部变厚，转子结构的内表面形成朝向弯曲的外套，用于容纳各自的永久磁铁。

8.根据权利要求2所述的多相无刷交流电机，其中：

定子结构的内部波纹表面形成有各个与各自的伸出件基本对准的凹槽；

每个槽以圆弧形底部终止；

每个伸出件具有圆弧形的端部，以及

每个磁铁具有截头的端部，由于将与被截头的部分基本对应的体积的磁性材料附加到其上，使磁铁的每个端部变厚。

9.根据权利要求2所述的多相无刷交流电机，其中：

定子结构具有内表面，定子结构设有基本与各自的伸出件对准的横向内腔，每个内腔位于在对应的伸出件的下端和定子结构的内表面之间距离的中点，每个内腔基本上呈三角形，顶点朝向对应的伸出件

每个槽以圆弧形底部终止；

每个伸出件具有圆弧形的端部，以及

每个磁铁具有截头的端部，通过将与被截头的部分基本相对应的体积的磁性材料附加到其上，使磁铁的每个端部变厚。

10.根据权利要求2所述的多相无刷交流电机，其中：

每个伸出件有方形的端部，以及

每个磁铁具有截头的端部，通过将与被截头的部分基本对应的体积的磁性材料附加到其上，使磁铁的每个端部变厚，转子结构的外表面具有与各自的磁铁的中心部分基本对准的凹槽。

11.根据权利要求2所述的多相无刷交流电机，其中：

定子结构由一系列的具有形成伸出件的周边部分的相邻金属片构成；

金属片的所述周边部分的厚度朝向其周边是渐缩的。

12.根据权利要求2所述的多相无刷交流电机，其中每个伸出件有方形的端部。

13.一种使多相无刷交流电机运行的方法，包含的步骤有：

使装有绕组的定子结构与转子结构形成磁耦合，定子结构的表面设有交替配置的平行的槽和伸出件，每个所述槽具有开向所述表面的开口，每个所述开口与对应槽的最宽宽度基本一样宽，转子结构表面装有永久磁化装置，它的各个表面单元面向所述槽和伸出件，每个所述表面单元面向所述槽的数目对应于所述电机的相数，所述磁化装置的所有所述表面单元产生磁通密度，它的垂直于定子结构表面的分量的平均幅值Br(θ)如下式确定：

Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv(θ)其中La(θ)由下式确定： $L_a\left(\mathrm{\θ}\right)=\mathrm{abs}\left[\frac{C\·L_v\left(\mathrm{\θ}\right)}{M_r\left(\mathrm{\θ}\right)}\sin \left(\frac{K\·\mathrm{\θ}}{2}\right)\right],$ 其中：θ是相对于在所述转子结构上的一个参考位置的按弧度计算的角位置；Br(θ)是在所述角位置θ处的所述分量的平均幅值；Lv(θ)是在所述角位置θ处的所述伸出件和所述转子结构的所述表面之间的间隙距离；Mr(θ)是在所述角位置θ处的所述磁化装置的剩余磁感应强度的一个分量，其垂直于定子结构的对应表面，Mr(θ)随对应于4π/K的周期变化，K是代表所有所述表面单元的偶数；C是一任选的常数；以及

使定子绕组励磁，借此，在运行过程中使所述转子结构与所述定子结构形成磁耦合。

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