CN1208894C - 具有永久性磁体的电动机 - Google Patents

Abstract

一种电动机，它包括一具有多个其上具有诸绕组的齿和连接于该齿的轭的定子；以及一具有诸永久性磁体和通过一空气间隙面对所述定子的转子。每一面对所述转子的齿的沿旋转方向的尾后部分的空气间隙大于在其它部分的空气间隙。这种结构可减少空气间隙处的磁通量密度间断地增长所产生的振动和噪声。

Description

具有永久性磁体的电动机

发明领域

本发明涉及一种具有诸永久性磁体(永久磁铁)的电动机；这种电动机的运行效率高，噪音低。更具体地说，在本发明的心脏部分，在电动机的定子的齿和转子之间具有形状独特的空气间隙。

发明背景

图8是一具有永久性磁体的传统电动机的平面图。

在图8中，定子580包括如下的元件：

六个包括六个具有绕组线圈(未示出)的齿581和六个连接于相应齿581的轭582；这六个单元在连接处583彼此相连，由此形成一环形定子。

各线圈可独立地缠绕在各自的齿581上，从而在齿上形成常规的绕组。其结果是，得到了高密度的低绕线电阻的绕组。

转子590包括如下的元件：

形状近似圆筒形的转子芯子591；

设置在转子芯子591中心的轴594；

四个安装在转子芯子591外壁上的永久性磁体592；以及

由例如薄不锈钢制成的覆盖永久性磁体592以防止磁体散开的管子593。

在上述的这样一个传统电动机中，各齿581与转子590之间的空气间隙，其宽度大约相同，如图8所示。

由穿过定子580绕组的电流产生的旋转磁场转动轴594上的转子590。旋转磁场是这样产生的：相邻的齿彼此具有不同的相位，因此，定子绕组是三相绕组。在正常的运行中，一驱动线路探测转子的位置，依次转换通电的相位。在这种情况下，每隔120电角度使每一相位通电，而一个相位总是保持不供电，从而产生旋转磁场。

在上述的具有永久性磁体的传统电动机中，在六齿中的两对有源绕组的相邻齿之间产生相对的磁场。因此在槽口部分584的磁通量易于短路。槽口部分是相邻两齿的齿顶之间的间隙，槽的敞开部分是由相邻两齿形成的。

图9示出了产生在上述电动机的空气间隙处的麦克斯韦应力分布。箭头标记表示应力分布。箭头标记表示在空气间隙的磁通量提供给定子的力的分布。当永久性磁体5929是S极时，电流流过绕组，使齿5811磁化成S极，齿5812磁化成N极。于是转子590以如图8所示的旋转方向R旋转。在这种情况下，在磁体5929(S)与齿5812(N)之间产生强的吸引力，由此在其间产生的应力587就变成较大的不连续性。

图10示出了在电动机槽口周围的空气间隙处的磁通量密度相对转子旋转角度的变化情况。换句话讲，图10示出了在图8的槽口584周围的空气间隙的磁通量密度随时间的变化情况。在图10中，X轴代表转子590在旋转方向R的旋转角度(机械角)。当磁通量密度取正值时，转子被极化成N极，当磁通量密度取负值时，转子呈S极。磁通量密度似乎在平稳地变化，但是，在旋转角度45度处的20度范围中磁通量密度突兀地上升。这种突兀变化对应于图9所示的应力587，其应力587的不连续性变大，这在电动机运行中引起振动和噪声。

发明概要

本发明旨在解决上述问题，其目的是提供一种具有空气间隙的电动机，该空气间隙位于定子齿与转子之间，使得噪声下降，对退磁的承受力增强。

根据本发明，提供一种内转子型电动机，它包括：一定子，该定子包括多个其上具有若干绕组的齿和连接于齿的轭；一具有若干永久性磁体和通过一空气间隙面对所述定子的转子；所述空气间隙位于每一齿的沿转子旋转方向的尾后部分并大于在其它部分的空气间隙；齿的内壁包括一弧形部，该弧形部从相邻齿之间的槽口部分的中心沿反旋转方向延伸90/N度；其中，所述内壁包括一直线，该直线从尾后部分的槽口部分的中心沿旋转方向延伸30/N度，直线在与尾后部分的槽口部分的中心间隔30/N的点与弧形部相切，其中N表示一不小于1的整数。

这样，齿的面对转子的齿的旋转尾后部分的一部分空气间隙形成得比空气间隙的其它部分大。这种结构可以防止空气间隙处的磁通量密度突兀地上升，由此降低振动和噪声。

附图简要说明

图1是本发明第一实施例的电动机的剖视图。

图2是图1所示电动机的定子芯子的展开图。

图3示出了图1所示的角度A与转矩以及角度A与转矩波动之间的关系。

图4示出了图1所示电动机的麦克斯韦应力分布。

图5示出了图1所示电动机的槽口部分周围的空气间隙的磁通量密度相对转子旋转角度的变化。

图6是本发明第二实施例的电动机的剖视图。

图7是本发明第三实施例的电动机的剖视图。

图8是传统电动机的剖视图。

图9示出了传统电动机的麦克斯韦应力分布。

图10示出了传统电动机槽口部分周围的空气间隙的磁通量密度相对转子旋转角度的变化。

较佳实施例的说明

下面结合附图说明本发明的实施例。

(实施例1)

图1是本发明第一实施例的具有永久性磁体的电动机的剖视图。

在图1中，定子10包括如下元件：

多个硅钢片层叠形成一定子芯子(此后称分段芯子)。分段芯子包括齿11和连接于齿11的轭12。在齿11设置一集中绕组(未示出)。六个具有绕组的分段芯子彼此通过连接部13相连，形成一环形的定子10。

齿11的内壁包括如下元件：

相对于转子90的旋转中心的弧形部155，以及

在弧形部端部的一点160相切于弧形部155的平的部分157。

弧形部155从点160画到旋转方向R的前面部分，平的部分从点160画到沿旋转方向R的尾后部分。在尾后部分的空气间隙的宽度较之前面部分的宽。从接壤弧形部155和平的部分157的点160画出一条至转子90旋转中心的线，经尾后部分的槽口部分14的中心画出一条至转子90的旋转中心的线。这两条线形成一角度A，该角度A定为15度。当齿的数量是3N，转子极的数量是2N时，角A由如下等式给出：A＝(30/N)度，其中N是不小于1的整数。

图3示出了角A与转矩之间以及角A与转矩波动之间的关系。这些关系以转矩和转矩波动在角A＝0度时分别取1的条件下进行标准化(归一化)。角A＝0度对应于空气间隙保持在宽度像传统电动机那样的相等的情况下。如图3所示，转矩基本保持不变，不受角A影响，但是，转矩波动在角A＝15度时到达最小值。只要以120度的矩形波给定子上的绕组通电，就可以容易地获得这种优点。以正弦波驱动电动机在某种程度也有这种优点。角A的公差最好在A-D与A+D之间，其中D是相邻两齿边缘之间的空隙相对转子中心测量的角度。

在图1中，四个永久性磁体92固定安装在转子90的形状大约是圆筒形的转子芯子91的外壁上。诸磁体92设置成在各相应的表面上沿旋转方向相继显示N，S，N和S极。各个磁体92的边缘被一由例如薄不锈钢片制成的管子93所覆盖。管子93防止磁体92散开。流过定子绕组的电流产生旋转磁场，从而，转子90在轴94上旋转。

定子10各齿上的导线以如下方式卷绕：首先，将线绕在每一分段芯子上，然后弯曲六个分段芯子形成一环形。绕线的另一方式如图2所示：首先，将线绕在一串六个与连接部13相连的分段芯子上，然后弯曲该串芯子形成一环。一串芯子不限于6个分段芯子，也可多于6个芯子。将线绕在各芯子之后，从该串芯子中割取一定数量的芯子(在第一实施例中，需要6个芯子)，然后弯曲割取的芯子形成一环。

这些绕线方法可用在常规的绕组，因此，可实现高密度绕线及低绕线电阻。这些绕线方法使槽口部分的空隙比传统方法所形成的空隙窄。因此，该实施例的角D可以较小。从而可降低由于旋转磁通量穿过槽口部分14而引起的振动和噪声。传统的绕线方法是将一绕线嘴插入已形成一环的定子芯子的槽口部分，然后将线绕在每一齿上。

诸绕组形成三相绕组，其中相邻齿彼此具有不同的相位。在常规运行中，一驱动线路通过探测转子的极性转换诸相位以相继通电。这里，每一相位每隔一120电角度通电，而且，总是保持一个相位不通电，由此形成旋转磁场。

在已有技术中，当一转子极性与流过面对该转子极性的定子齿上绕组的电流所产生的极性相反时，该处的空气间隙的磁通量密度如图9所示突兀地上升。但是，在本实施例中，平的部分151对应于该处，从而空气间隙扩展，使得磁通量不是突兀地而是适度地改变。

图4示出了用箭头标记示出了麦克斯韦应力分布。在第一实施例中，应力产生在电动机的空气间隙中。图4中没有如已有技术那样的磁通量密度的突兀上升。图5示出了槽口部分14的空气间隙的磁通量密度与时间的关系曲线。X轴表示转子的旋转角度(机械角)，在该图中显示出了适度的变化而没有任何尖锐的转折。结果是，降低了电动机运行中的振动和噪声。

实施例2

图6是第二实施例的电动机的剖视图。

在图6中，定子20包括如下的元件：

一分段芯子包括与第一实施例相同的齿21和连接于齿21的轭22，以及设置在齿21上的集中的绕组(未示出)。六个具有绕组的分段芯子彼此相连形成一环形的定子20。转子90的结构与第一实施例的结构相同，在此省略对它的说明。

第二实施例在以下方面不同于第一实施例：

齿21的内壁包括如下元件：

相对于转子90的旋转中心的弧形部855，以及

在弧形部端部的一点860相切于弧形部855的平的部分257。

弧形部855从点860画到旋转方向R的前面部分，平的部分257从点860画到旋转方向R的尾后部分。在尾后部分的空气间隙的宽度较之前面部分的宽。

在该第二实施例中，每一齿的尾后部分的端部262形成在靠近每一相邻齿的前面部分的端部266处，端部262与266之间的距离不大于磁性空气间隙的最小值G。磁性空气间隙是从一转子的磁体或转子芯子到定子的磁性距离，当由非磁性材料制成的管子93位于其间时，磁性空气间隙是管子93的板的厚度和机械空气间隙之和。在图6中，机械空气间隙是从管子93的外壁至齿21的内壁的空间距离。

在上述结构中，当大的电流流过定子绕组时，磁通量在远离磁体92的槽口部分24短路。结果是，对磁体92的退磁影响下降了，即磁体92对退磁的承受力变大了。

接壤弧形部855和平的部分257的点860最好位于平的部分257相对旋转中心形成15度角B的位置处。

实施例3

图7是本发明第三实施例的具有永久性磁体的电动机的剖视图。

在图7中，定子30与第一和第二实施例不同，没有被分开，它包括九个齿31和连接于齿31的外壁的轭32。各个齿31上都绕有绕组(未示出)。

转子40包括基本上是圆筒形的转子芯子41和六个固定地安装在转子芯子41的外壁上的永久性磁体42。这些磁体42设置成能够提供交替的磁性，即在它们的表面上沿旋转方向相继显示N，S，N，S，N，S。管子43覆盖诸磁体42的外壁，以防诸磁体42散开。流过定子绕组的电流产生旋转磁场，从而，转子40在轴44上旋转。

定子30与转子40之间的空气间隙在齿31面对转子40处具有两部分，即，在沿旋转方向的尾后部分357上的一部分比在另一部分355上的另一部分宽。

转子40的轴44的中心与槽口部分34的中心之间的线与轴中心与一点360之间的另一条线形成角度C，而沿尾后部分的空气间隙从该点360开始增加。当齿的数量是3N，转子磁极的数量是2N时，角度C由如下等式给出：C＝(30/N)度，其中，N是一不小于1的整数。因此，角度C最好是10度。

该第三实施例描述了如下的情况，即当齿数大于实施例1和2的齿数，或由于不分开的定子和绕组时，槽口部分的宽度应该大于实施例1和2的宽度。在这种情况下，槽口部分宽度与面对转子的齿的宽度之比变大。因此，槽口部分宽度的一半与角度C之比变得比实施例1和2的要大。这种结构使得空气间隙的磁通量密度突兀上升的区域比具有较窄的槽口的情况要小。结果是，空气间隙比其它部分大的那部分357可具有一较窄的宽度。该第三实施例具有与第一和第二相同的优点。

在上述的三个实施例中齿的数量是6，极性的数量是4，或9和6。揭示了分开的定子与齿和不分开的定子。关于分开方法，分离齿和轭可以是分开方法中的一个。

电动机可以是外转子型的，即转子绕定子旋转。在这样一种情况下，在齿尾后部分的空气间隙也应该比在其它部分的空气间隙大，以便获得与上述实施例相同的优点。下面的方法是形成这样一个结构的例子：一定子的一齿的外边缘由齿的弧形部和一半径比弧形部小的局部弯曲部分所形成，其中弧形部的中心与旋转中心相同，弧形部平滑地连接于局部弯曲部分。

必要时，在面对转子的齿上可以设置用以焊接的诸槽，或用于降低振动和噪声的诸辅助槽。具有安装在转子外壁上的永久性磁体的转子，即表面磁体型，能够有效地降低振动和噪音。但是，本发明也可应用于永久性磁体在转子芯子的诸槽中的转子，即内磁体型。

任何驱动方法和任何位置探测器都可采用，而危及本发明的优点，对本发明所作的任何变动都仍然在本发明的范围之内。

上述的本发明的电动机包括如下元件：

一定子，包括多个其上具有诸绕组的齿和连接于该齿的轭；

一具有诸永久性磁体和通过一空气间隙面对定子的转子。

每一齿的沿旋转方向的尾后部分的空气间隙大于在其它部分的空气间隙。这样的结构可以防止空气间隙的磁通量密度突兀地上升。由此降低振动和噪音。

此外，电动机有3N个齿，其上设置集中的绕组，转子有2N个极性，使得在对绕组通电时，相邻两个齿被异极性磁化。结果是，槽口部分的磁通量的集中度比较缓和。

还有，从尾后部分上的槽口部分的中心、范围为或延伸30/N度的空气间隙形成得比其它部分的空气间隙大，从而更有效地减少振动和噪声。

再有，在一内转子型电动机中，每一齿的内壁从旋转方向的前面部分的槽口部分的中心形成一范围在90/N度的弧形部。另一方面，每一齿的其余内壁成形在从旋转方向的尾后部分的槽口部分的中心形成一范围在30/N度的直线。直线在从尾后部分的槽口部分的中心间隔30/N的点与弧形部相切，这种结构由于每一齿的光滑的内壁使磁通量的突变变得缓和。

表面安装磁体型转子可以更有效地减少振动和噪声。

在一由分开的齿形成的定子上或在与轭分离的齿中可以获得高密度的绕组，而且，槽口部分的形状在这些类型中更具灵活性。结果是，振动和噪声得到了更进一步的降低，改进了对退磁的承受力。

另一种结构，即相邻两齿的端部彼此靠得很近，离空气间隙较远，使它对退磁的承受力增强。这些端部形成在面对转子的齿上。

另一结构即端部彼此靠得很近，其间距不大于最小空气间隙，是较可取的。

工业应用

本发明涉及一种具有永久性磁体的电动机，这种电动机运行效率高，噪声低。电动机包括如下元件：

一定子，包括多个其上具有诸绕组的齿和连接于该齿的轭；以及

一具有诸永久性磁体和通过一空气间隙面对定子的转子。

每一面对转子的齿的沿旋转方向的尾后部分处的空气间隙大于在其它部分的空气间隙。这样的结构可以减少由于在空气间隙处的不连续地增长的磁通量密度所产生的振动和噪声。

Claims (7)

1.一种内转子型电动机，它包括：

一定子(10，20)，包括多个其上具有若干绕组的齿(11，21)和连接于齿(11，21)的轭(12，22)

一具有若干永久性磁体(92)和通过一空气间隙面对所述定子(10，20)的转子(90)；

所述空气间隙位于每一齿的沿转子旋转方向的尾后部分并大于在其它部分的空气间隙；

齿的内壁包括一弧形部，该弧形部从相邻齿之间的槽口部分的中心沿反旋转方向延伸90/N度；

其特征在于

所述内壁包括一直线，该直线从尾后部分的槽口部分的中心沿旋转方向延伸30/N度，直线在与尾后部分的槽口部分的中心间隔30/N的点与弧形部相切，其中N表示一不小于1的整数。

2.如权利要求1所述的电动机，其特征在于

齿(11，21)的数量是3N，各个齿设置有集中绕组，所述转子(90)的极性数量是2N。

3.如权利要求2所述的电动机，其特征在于

从所述槽口部分的中心沿旋转方向延伸30/N度的空气间隙比其它部分的空气间隙大。

4.如权利要求1至3中的任何一项所述的电动机，其特征在于，永久性磁体(92)设置在所述转子(90)的转子芯子(91)的壁上。

5.如权利要求1至3中的任何一项所述的电动机，其特征在于，所述定子(10，20)通过将多个分段芯子接合在一起而形成，每一分段芯子包括一齿(11)和一连接于该齿(11)的轭(12)，还通过将一个齿部分和一个轭部分连接在一起。

6.如权利要求5所述的电动机，其特征在于，彼此相邻的和面对所述转子(90)的齿(11)的端部靠得很近。

7.如权利要求6所述的电动机，其特征在于，这些端部之间的空隙不大于空气间隙的最小宽度。

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