CN1377118A - 永久磁铁型转子和永久磁铁型旋转电机 - Google Patents

Abstract

许多使用永久磁铁旋转电机实施例,其中显著降低了接合转矩,由磁通变化所引起的振动也显著降低了。通过将线圈绕组以相等的周向间距设置和将关联的永久磁铁设置成不对称关系,使某些磁铁之间的间隙不等来实现这效果。另外,线圈绕组设置成各相的两个线圈绕组在周向不相邻的。本发明还揭示了一种用于计算最佳间隔的方法。

Description

永久磁铁型转子和永久磁铁型旋转电机

发明背景

本发明涉及使用永久磁铁和围绕与永久磁铁成面对关系的电枢芯子的协同工作线圈绕组的那类旋转电机。

上文中所述类型的电机有很多种。可以利用这些结构作为电动机或发电机，并且磁铁或线圈可以转动或两者可以旋转。如果该装置是一电动机，选择地激励绕组以便产生旋转。如果该装置以一发电机工作，使可相对回转构件旋转而在绕组中感应生成电流。

在此类型的传统结构中，在周向以均匀分开的间距设置若干永久磁铁，并且相对配置它们的极性。电绕组形成在由一其间形成多个槽的构件构成的电枢极上。若干电枢极也在周向以有规律分开间距安装。

对于此类的机构，重要的是希望确保不用较大的功率输入就能产生旋转可转动构件所要求的转矩。实现旋转所必需的转矩称为“接合(cogging)转矩”。如果接合转矩较大并且该装置是发电机，它要求较大的功率驱动该机构而且这样的话会增加振动。如果该装置作为一电动机工作并有较大的接合转矩，在空转时就会消耗较多的功率并且这样也会增加振动。

基本上，接合转矩与转子每一回转中线圈绕组中的峰值脉冲数(称为“接合数”)有关。此接合数一般等于槽数和磁极数的最小公倍数。

此外，多个电枢芯子通常具有以线圈组或相卷绕的许多线圈。在一传统型式的机构中，每相的线圈是相互相邻接设置并相对地卷绕，这具有引起不平衡磁力的缺点，这会引起振动，以及除了有害的噪音之外，还引起机器轴承的过早磨损。

结合图1至4可以很好理解现有技术结构的这些缺点，这些图示出了一现有形式的八极九槽机器。图1示出了一现有电动机或发电机的绕组。图2示出了接合转矩与回转角的关系。图3示出了诸线路和诸相之间的反电动热(MEF)。图4是在这机器一部分回转期间的磁通线的示意图。

在图示实施例中，这机器包括总的以标号21标出的一转子，它包含具有多个永久磁铁22的一个圆盘，永久磁铁围绕圆盘的周边固定，该圆盘固定于转子轴23。磁铁22由铁磁材料和永久磁铁化的磁性材料形式，铁磁材料被组装到该圆盘和安装到轴23上。该组件用树脂粘合在一起。

一协同工作的电枢24具有被间隙或槽25分开的多个电枢芯子。这些间隙或槽25围绕圆周和围绕转子轴23的转动轴线均匀分开。

虽然结合具有旋转磁铁和固定线圈绕组的布置叙述该结构，但显然这种布置可以反过来，其中磁铁保持不旋转而线圈绕组旋转。

形成若干槽25的若干电枢芯子被分成若干组，在这实施例中，这些电枢芯子组成三组，分别具有多个相邻的绕组UUU、VVV、WWW。各个绕组26U、26V和26W围绕相邻芯子相反方向卷绕。因此，磁通是这样的：因为线圈相的相邻绕组以相反方向卷绕以使如图4所示的磁通增加，所以它是不平衡的。

所述的例子使用九个槽和八个磁极，从而接合数为72即9×8。因此，虽然此类型的机器提供了如图2可见的低接合转矩和如图3所示的相当均匀的反电动势，但是它会引起振动，以及由于诸线圈顺序工作，从而在某些情况下趋于相互否定的情况(在下面叙述本发明和以上所述的现有技术之间的比较之中，这将会更明显)，总输出功率不是很大。

因此，本发明的一主要目的是提供一改进的旋转电机，它装有永久磁铁，其中接合转矩保持为较低的数值，同时显著地改进了振动情况和电功率输出。

本发明还有的一个目的是提供一结构，其中能够增加功率输出和能够降低驱动力，而不会有害地影响接合转矩。

将磁铁数减少到例如6个可以降低振动的影响。从而接合数降为18。但是，那么接合转矩不可接受地变得很大。可以减少振动问题的另一种方法是通过提供以并排方式相互倾斜到并且磁与线圈绕组协同工作一系列磁铁。此类型的机器是很难制造的，事实上不可能用高生产量技术进行制造。

所以，本发明的一基本目的也是提供一改进的和最简单的旋转电机，它能在高速机组设备上制造，并将具有所需的性能。

发明概述

本发明的第一特征体现在具有一转子和一定子的一永久磁铁型旋转电机之中。转子和定子的其中一个包括这样设置的多个永久磁铁，使得八个相邻磁铁极性相互不同，转子和定子的其中另一个包括围绕并列于与其协同工作的多个永久磁铁的若干芯子卷绕的多个电线圈。按照本发明的这特征，线圈绕组设置成若干组或若干相，并且它们的绕组用公共端相互连接。每组或每相的两个线圈绕组在圆周方向是不相邻的。

本发明的另一特征也应用在具有一转子和一定子、若干永久磁铁以及围绕芯子的许多线圈绕组的一永久磁铁型旋转电机之中。按照本发明的这特征，芯子和永久磁铁的其中之一是以相对于转子转轴不对称关系设置。

附图简述

图1是按照现有技术结构型式构造的一旋转电机的部分示意图。

图2是对于现有技术结构的以转子的每一度回转角的牛米为单位示出接合转矩的曲线图。

图3是示出相对于现有技术的结构型式的相和各线圈绕组导线的反电动势与转动角之间关系的曲线图。

图4是以与现有技术结构的图1的相同方向观察的表示磁通线的视图。

图5是按照本发明的第一实施例构造的设有线圈绕组的一旋转电机的部分类似图1的视图。

图6是示出转子的每一度转角的接合转矩的一曲线圈。

图7是示出按照本发明的反电动势和相之间以及线路之间的电压的曲线图。

图8是部分类似图5的一示图，但示出了线圈绕组。

图9是在现有技术结构中示出磁通线的一视图。

图10是表示其中磁铁与图9中所示相比较具有不同外形的另一现有技术结构的接合转矩的一曲线图。

图11是用图12中所示的现有技术结构的以转子的每度回转角的牛米为单位的接合转矩的一曲线图。

图12是示出在这现有技术结构中的磁通线的一曲线图。

图13是示出用另一现有技术结构的以转子的每一度回转角的牛米为单位的接合转矩的一曲线图。

图14是示出相对于这另一现有技术结构型式的相和各线圈绕组导线的反电动势与回转角关系的一曲线图。

图15是示出再一现有技术结构的磁通线的一视图。

图16是示出用这再一现有技术结构的以转子的每一度转角的牛米为单位的接合转矩的一曲线图。

图17是示出相对于这再一现有技术结构型式的相和各个线圈绕组导线的反电动势与转角关系的一曲线图。

图18是示出在又一现有技术结构中的磁通线的一视图。

图19是示出用这又一现有技术结构的以转子的每一度回转角的牛米为单位的接合转矩的一曲线图。

图20是示出了相对于又一现有技术结构相和各线圈绕组导线的反电动势与转角的关系的一曲线图。

图21是部分类似于图5的一视图，它示出了本发明的另一实施例。

图22是示出了对本发明的这另一实施例的接合转矩与转角关系的一曲线图。

图23是示出对于这另一实施例的响应转角的相线电压输出的一曲线图。

图24是部分类似于图21的一视图，它示出了一传统现有技术结构型式。

图25是部分类似于图22的一曲线图，它示出了用于与图22所示相比较的，用于这传统技术的接合转矩。

图26是部分类似于图5和21的一视图，它示出了本发明的另一实施例。

图27是部分类似于图5，21和26的一示图，它示出了本发明的再另外一个实施例。

图28是示出这再另外一个实施例的接合转矩的曲线图。

详细描述

首先参阅图5至8的实施例和先看图5和图8，图中示出了按照此实施例构造的一旋转电机，该电机包括含有一转子轴51的一转子，转子以传统方式固定于转子轴，还包括一圆盘52，八个具有一平面形的永久磁铁53的周边嵌在这圆盘之内。将平板53的磁性材料永久磁化，此转子的类型称为“IPM”(内部永久磁铁)型。在这实施例中，每个永久磁铁53的宽度等于45°。

永久磁铁53与总的以标号54示出的一电枢协同工作，电枢设置有在其间形成槽56的多个电枢极。有分开的九个电枢极55和56。

如可在图8中看到那样，该装置是三相型的，但不同于现有结构型式，包含电枢U、V和W的每相是这样布线的：相同相的两个绕组不是相邻设置的。

在这实施例中，永久磁铁53设置成两组，每组三块永久磁铁。在这实施例中，每组的相邻磁铁之间的间隔是等于8.33°，如图5中尺寸“A”所示。但是，两组之间的间隔大得多，如图5中尺寸“B”所示具体为28.34°。在这实施例中，芯子或齿55的顶部的圆周范围延伸一段31.27°的弧。

因而，如在图6中可见的那样，接合转矩虽然比传统型式的机器稍大，但是更均匀，以及反电动势是较均匀的。而且，此结构的效果果，如在图9中所见的，磁通线非常平滑，振动明显降小。同时，因为若干端相线圈互相分开120°设置，噪音如振动一样减小了，轴承的使用寿命也延长了。而且，此结构可以非常容易制造，并且使用板状磁铁可以显著降低成本，又不会降低机器的效率。

图9至20突出了优于现有技术结构型式的实施例的改进。这些图示出了各种磁铁外形，它们利用具有六极和九槽、并带有如图1-4的现有技术中所示的被定相的线圈绕组的现有结构型式。换句话说，这些图示出了本申请人的发明和在六极、九槽结构上使用永久磁铁的各种型式的现有技术结构背对背的比较。

例如，图9示出了在此实施例中具有以标号22示出的弧形永久磁铁的一结构的磁通线，其中同时其它构件以在该现有技术结构中所用的相同标号标注。

如可以见到那样，在图10示出的接合转矩显著大于本发明实施例的接合转矩。并且，将可看到图11的反电动势(EMF)曲线上几乎没有地方如图7中所示的本申请曲线那样光滑。

图12-14类似于图9-11，但示出了图12中以22指出的凸形磁铁的磁通，接合转矩和反电动势。再次可以看到接合转矩明显大于本发明的，同时波形输出很不规则。

图15-17分别示出了利用径向环型式的SPM磁铁结构的一配置的磁通线、接合转矩和反电动势。再一次，接合转矩显著大于申请人的发明，以及反电动热很不规则。

图18-20示出了当利用图中以标号22所指出的传统的板型SPM磁铁时的磁通线，接合转矩和反电动势。该结果再次清楚表明本发明结构的优越性。

图21-23示出了本发明的另一实施例。在此实施例中，转子101具有十二个极性交替设置的板型永久磁铁，在图21中以标号102指出这些永久磁铁和它们的极性。这些永久磁铁以三个一组设置成多组，每组中的永久磁铁是分开的，使该组的两个磁铁之间有26.7°的窄角度节间隙，该组中其余一磁铁和中心磁铁之间有36.6°的较宽节距。在这实施例中，每个磁铁的角度是相同的，并以θθθ示出。

这些特定角度是用可从Ansofr-日本有限公司购得的名为“Maxwell 2DField Simulator”的计算机软件确定的，该公司的主要办公室位于日本静岗县Yokahama市Kitaku 3-18-20 Shin Yokahama。这软件可以计算出作用在它的特定位置处的一零件上的转矩。通过用不同的节距角反复计算，可计算出用于θ1和θ2的最佳节距角。

对于有规则地设置的磁铁，节距角θ1＝26.7°是一节距角θ0＝30°，偏置3.3°(机械角)，因此这角度3.3°称为偏置角θD。在节距角θ1＝26.7°时，节距角θ2的数值必需为33.6°。

在图22中示出了当偏置角θD＝3.3°时和在线圈中没有电流、转动转子101时作用在永久磁铁102上的转矩。因为机器的对称性，所以作用在磁铁N1和N4(见图21)上的转矩是相同的，N1，4代表了这些转矩值的总和。同样，N3，6和N2，5分别代表了磁铁N3、N6的转矩总和以及磁铁N2、N5的转矩总和。并且，S1，4、S3，6和S2，5分别代表磁铁S1、S4、磁铁S3、S6和磁铁S2、S5的转矩总和。图22的水平轴线代表转子101的转角(机械角)。

如图22清楚所示，如果偏置角θD＝3.3°，就产生一现象，其中一组磁铁的转矩值总和的峰值就被另一组磁铁的转矩值总和的底部所抵消。例如N1，4的转矩峰值被N2，5的转矩底部抵消。其结果，当总计所有转矩值时，总转矩，即合成的接合转矩(如图22中以一粗线所示)非常小。这总转矩是当转子旋转、线圈中没有驱动电流时的接合转矩。

这接合转矩在转子101转过10°角的时期内有三个峰值。换句话说，转子101的一个回转(360°)的期间将出现108个峰值，从而接合数达108。这机器有18个槽(S＝18)和12个极(P＝12)，因此这些数值的最小公倍数是36。所以，可以看出接合数是最小公倍数36的三倍，即3×36＝108。

当与现有技术机器型式比较时这结构的优点将变得很明显，其中，如图24中所示，转子21的永久磁铁22是以有规律间隔设置的。图25示出在每个永久磁铁22上所施加的转矩和产生的接合转矩的曲线图。如图24中所见，转子21有12个以相等间节距角θ0(θ0＝30°)设置的永久磁铁22。

利用相同计算机软件可获得图25。作用在每个磁铁N1-N6上的转矩幅值是相同的。同样，作用在各磁铁S1-S6上的转矩幅值是相同的，但是相位与作用在磁铁N1-N6上的转矩相位相差10°(机械角)。这些转矩值的总和或接合转矩是该转矩的六倍，以及产生的接合转矩为图25中所示的数值。

如图25清楚所示，当转子21的永久磁铁22有规则地设置时，接合转矩的两个峰值出现20°的机械角，产生转子21每一回转有36个接合。因此，从接合数的平方的倒数确定接合数是增加了(如前所述)。

图26示出了本发明的另一实施例的结构。类似的构件用以前所使用的相同标号表示。在这实施例中，该旋转电机装有18个槽55(S＝8)和12个磁极102(P＝12)。该机器的定子54有以有规则间隔设置的18个磁极齿56。

在周向设置的磁极齿上是以与图8中的相同顺序卷绕的U、V和W相线圈。这里，所有磁极齿56具有相同的周向节距角。也就是，以有规则间隔在周向设置磁极齿56。

转子101有12个永久磁铁102。如图21所示，永久磁铁102用符号S1-S6和N1-N6和指示它们的位置的数字标注。永久磁铁102设置成为三块永久磁铁一组并且在周向总共设置有四组。即，第一组由N1、S6和N6构＝组成，第二组由S5、N5和S4组成，第三组由N4、S3和N3组成，第四组由S2、N2和S1组成。

在两组中永久磁铁N1、S6、N6、N4、S3和N3的周向节距角相互之间是处于一对称位置。例如，第一和第三组分开26.7°。即，由于有规律设置的永久磁铁102的节距角(参考节距角)是360°/12＝30°，用N1和N4作为参考磁铁，N1和相邻的S6之间的角度和N4和相邻的S3之间的角度各自比参考节距角30°小3.33°，即30.00°-3.33°＝26.67°。同样，S6和S3离开它们的参考位置的偏置角各为6.66°。

在其它组(第二和第四组)内在对称位置的永久磁铁S5、N5、S4、S2、N2和S1的节距角是33.3°。相邻不同组之间的相邻两永久磁铁的节距角是30°。即，永久磁铁N6和S5之间的节距角、S4和N4之间的节距角、N3和S2之间的节距角和S1和N1之间的节距角各为30°。

如在上述实施例中那样，作为在这实施例中的计算机数字分析的结果，已发现接合数是108。即，证明接合数是槽数S＝18和极数P＝12的最小公倍数(36)。

图27是示出本发明再一实施例结构的一视图。图28是示出施加在每块磁铁上的转矩和这实施例的合成接合转矩的一曲线图。此实施例以具有十八槽和十二极并且定子101与图21中所示的相同的一电动机或发电机为例。

它的转子101有十二块永久磁铁102。如图21所示，永久磁铁102以符号S1-S6和N1-N6和指出其位置的数字标注表示。将永久磁铁102设置成为三块永久磁铁组成一组并在周向总共设置四组。即，第一组由N1、S6和N6组成，第二组由S5、N5和S4组成，第二组由N4、S3和N3组成，以第四组由S2、N2和S1组成。

在这实施例中，在每组中三块磁铁的周向节距角是常数28.3°。但是，组之间的节距角是不同的。第一组和第二组之间的角度(磁铁N6和S5之间的角度)是33.3°，第二组和第三组之间的角度(磁铁S4和N4之间的角度)是28.3°，第三组和第四组之间的角度(磁铁N3和S2之间的角度)是33.3°，第四组和第一组之间的角度(磁铁S1和N1之间的角度)是28.3°。

作为用于这实施例的上述计算机分析的结果，计算了施加在各块磁铁上的转矩和合成接合转矩，如图28所示。即，接合数是216。这数字是槽数S＝18和极数P＝12的最小公倍数的六倍。从而，与图26的上述实施例比较接合数加倍，因此能够理解将提供较平稳旋转。

由于在这实施例中不规则地设置永久磁铁102，从而较佳地固定平衡重块，以在周向对转子101补偿。另外，在上述实施例中建成的磁铁之间的角度不需要是精确的，以稍许不同于在这里所建议角度的角度也能够产生所预期的效果，因此，稍许不同的角度也被包含在本发明之中。在不脱离所附的 书所限定的本发明实质和范围的情况下，还可以进行许多其它的变化和修改。

Claims (12)

1.具有一转子和一定子的一永久磁铁型旋转电机，所述转子和所述定子的其中一个包括设置成相邻磁铁的极性相互不同的多个磁铁，所述转子和所述定子的另一个包括围绕与其协同工作的所述永久磁铁并列的多个芯子卷绕的多个电线圈，所述线圈绕组设置成若干组，并以公共端相互连接，每组的两线圈绕组周向不相邻。

2.具有一转子和一定子的一永久磁铁型旋转电机，所述转子和所述定子的其中一个包括设置成相邻磁铁的极性相互不同的多个磁铁，所述转子和所述定子的另一个包括围绕与其协同工作的所述永久磁铁并列的多个芯子卷绕的多个电线圈，诸所述芯子和诸所述永久磁铁中的一个相对于所述定子的旋转轴线不对称设置。

3.如权利要求2所述的永久磁铁型旋转电机，其特征在于，线圈绕组设置成若干组并以用公共端相互连接，每组的两线圈绕组周向不相邻。

4.如权利要求2所述的永久磁铁型旋转电机，其特征在于，所述永久磁铁的形状基本相同，每个永久磁铁偏移一有规则设置位置的周向偏置角是设定成：转子每一回转的接合数等于电绕组芯子之间的槽的数目S和磁极数P的最小公倍数。

5.如权利要求2所述的永久磁铁型旋转电机，其特征在于，用计算机数值分析分别确定施加在各永久磁铁上的转矩的幅值，所述永久磁铁的转矩曲线的峰或底相对于转子的转角是相互偏置的以增加接合数。

6.如权利要求5所述的永久磁铁型旋转电机，其特征在于，线圈绕组设置成若干组，并以公共端相互连接，每组的两线圈绕组在周向不相邻。

7.如权利要求4所述的永久磁铁型旋转电机，其特征在于，槽数S是18，磁极数P是12，十二块永久磁铁分成四组，每组包括三块周向相邻的永久磁铁，每组的三块永久磁铁的周向节距角是26.7°，组之间的相邻两块永久磁铁的周向节距角是36.60°。

8.如权利要求7所述的永久磁铁型旋转电机，其特征在于，线圈绕组设置成若干组，并以公共端互相连接，每组的两线圈绕组在周向不相邻。

9.如权利要求4所述的永久磁铁型旋转电机，其特征在于，槽数S是18，磁极数是12，十二块磁铁分成四组，所述四组的两组包括三块周向相邻的永久磁铁，每组的三块永久磁铁的周向节距角是26.7°，其它两组内的以对称位置设置的永久磁铁的周向节距角是33.3°。

10.如权利要求9所述的永久磁铁型旋转电机，其特征在于，线圈绕组设置成若干组，并以公共端相互连接，每组的两线圈绕组在周向不相邻。

11.如权利要求4所述的永久磁铁型旋转电机，其特征在于，槽数是18，磁极数是12，十二块磁铁分成四组，每组有三块周向邻近的永久磁铁，每组的三块磁铁的周向节距角是28.3°，相邻的不同组之间相邻永久磁铁的周向节距角顺序为33.3°，28.3°，33.3°，28.3°。

12.如权利要求11所述的永久磁铁型旋转电机，其特征在于，绕圈绕组设置成若干组，并以公共端相互连接，每组的两个线圈在周向不相邻。

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