CN1379533A - 永磁电机 - Google Patents
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Abstract
一种永磁电机,它包括一个定子,以及一个永磁磁铁转子,该永磁磁铁转子面对定子,其间带有一个间隙;定子具有多个顺着径向朝着转子的周边表面延伸的定子磁极、s个形成于每个定子磁极末端上的小定子齿,以及围着定子磁极缠绕的m相的磁励绕组;转子具有筒形永磁磁铁,该磁铁具有顺着其周边方向以相等间距交错地安置的N磁极件和S磁极件,其中,小定子齿的间距比转子磁极对的间距大1±1/(2ms)倍。小定子齿的宽度为磁极间距的37%至47%。形成于邻接的各个小定子齿之间的那条槽的深度比定子铁心与转子之间的气隙的长度大15倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及永磁电机，尤其是具有永磁环形磁铁转子的电动机，该转子能减小齿槽效应转矩，并能增大磁通量。
背景技术
一种具有永磁环形磁铁转子的常规三相混合式步进电机，在JapanesePatentApplicationLaid-Open第14514/94号和JapanesePatentApplicationLaid-Open第131968/95号中公开了。
然而，就此种三相步进电机而言，还未获得有效的方式，来减小齿槽效应转矩以及增大磁通量。
根据与具有永磁环形磁铁转子的常规三相混合式步进电机有关的磁场进行的二维分析来看，能观察到出乎意料的磁通量流量，且发现了磁极的形态是可以改进的。
图1显示先前设计样式的永磁型步进电机的结构。该步进电机包括定子铁心1和转子4。定子铁心1包括一个筒形定子架、6个从定子架周边表面上径向延伸的磁极2、多个形成于每个磁极2的末梢一端上的小定子齿3，以及磁励的绕组(未显示)，每个绕组均围着每个磁极2缠绕。转子4被安置得与定子铁心1同心，并包括筒形的永磁磁铁5以及与永磁磁铁5的内周边表面紧密接触的磁材料的底座架(backyoke)6，永磁磁铁5的外周边表面面对着有间隙的内周边表面，该内周边表面形成于小定子齿3的内周边表面上。永磁磁铁5具有交错地顺着其周边方向上以相同间隔安置的P片N磁极和P片S磁极。
形成于小定子齿3之间的一条槽，其深度为0.4mm；定子铁心1的小定子齿3的内周边表面与转子4的外周边表面之间的气隙，其长度为0.06mm。
永磁磁铁5具有32个由钕束(neodymium bond)制成的径向各向异性的磁极件。据认为永磁磁铁5的形状，例如正方形或局部的切割，不会影响计算结果，从而，为了节俭地计算，此种形状是不被考虑的。
对于有效单元法(FEM)的计算来说，只考虑磁铁的上半部分以便利用周期性，且气隙被以0.25°的间隔来分隔开，以便确保齿槽效应转矩的精确性，而穿过绕组的互连磁通量，以及齿槽效应转矩，是以在0.75°的间隔之内转动得直到22.5°为一个周期来计算的。
图2A与2B显示分析后所获得的磁通量流量。根据这些图纸来看，可得到下列结果：
(1)较大的磁通量穿过小定子齿3之间的槽；
(2)在邻接的各个磁极之间的磁通量是紧密的；
(3)穿过绕组的总的互连磁通量的75％进入中央那个齿，而总的互连磁通量的25％进入两侧的齿；
(4)穿过中央那个齿的磁通量是波动的，同时又穿过有槽的部分，且还穿过两侧的齿。
已经考虑到使磁路形成得让磁通量几乎不穿过有槽的部分，但有效磁通量却对等地在每个小定子齿中穿过。然而，在实际的电机中，却发现产生了上述那种出乎意料的磁通量流量。互连磁通量的3.36E-5(Wb)这个值，与根据实际测量到的感应电压值而计算出来的互连磁通量的3.18E-5(Wb)这个值相吻合，从而计算的有效性是可靠的。
现在来讨论显示在表1中的所提出的设计方案。
表1
| 项目 | 常规设计○ | 第一方案① | 第二方案② | 第三方案③ | 推荐值 | |
| 各小齿的距离 | 20° | 22.5° | 21.25° | 21.25° | 21.25° | |
| 小齿宽度 | 2.0 | 1.6 | 1.6 | 2.2 | 2.2 | |
| 槽深度 | 0.4 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | |
| 底座架的厚度 | 1.0 | 1.75 | 1.75 | 1.75 | 1.0 | |
| 磁极肩部的厚度 | 1.1 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 0.9 | |
| 计算结果 | 互连磁通量 | 3.36E-5(Wb) | 4.74E-5 | 4.46E-5 | 4.6E-5 | 4.6E-5 |
| 齿槽效应转矩 | 40.5(gfcm) | 319.3 | 17.2 | 22.3 | 22.0 | |
在此，○是常规设计方案，①是第一方案，②是第二方案，且③是第三方案。
在第一方案中，邻接的各个小定子齿之间的距离，从常规设计方案那88.9％的短间距，变为相似于磁极周期的全间距；小定子齿的宽度，以及邻接的各个小定子齿之间那条槽的深度，被确定得使从槽部分泄露出的磁通量最小；且每个底座架以及用于连接磁极各个小齿的肩部部分的厚度，被确定得使磁性饱和的作用最小。
结果，互连磁通量就增大40％，然而，由于齿槽效应转矩增大了约8倍，第一方案并非良好的方案。齿槽效应转矩的波形的计算数值显示于图8中。
表1显示得明白，齿槽效应转矩就像其他三相混合式步进电机一样，具有第六谐波(harmonic)的振动。在正常的m相电机的情况下，齿槽效应转矩具有第二谐波。在此情况下，为了去除第六谐波，就选择第六谐波平面中的偏移角(120°/2m/p＝1.25°)，在该偏移角上各个矢量被平衡(360°/s＝120°)。
在第二和第三方案中，采用360°/p(1-1/2ms)＝21.25°的间距。在此处，s为每个带绕组的磁极的小齿的数目，m为相数，而p为磁极对的数目＝16。结果，齿槽效应转矩就相似于常规设计方案的齿槽效应转矩，但互连磁通量却可增大30％或更多。相应地，由于该转矩与互连磁通量成比例，输出量就能增大得多于30％。另外，小定子齿的宽度能被增大到某种程度。在此情况下，就选择由于偏移角而较小的间距，该间距小于转子磁极对那个间距360°/p。然而，如果由于偏移角而使360°/p(1+1/2ms)＝23.75°这个间距大于所选择的间距，则可获得同样的结果。
如上所述，可以假设最优数值接近小齿间距为21.25°的第二与第三方案。然而，必须确定最优数值是考虑到下列几点的：
(1)更佳的小齿宽度；
(2)更佳的槽深度；
(3)更佳的底座架厚度；以及
(4)更佳的肩部厚度，该肩部使磁极的各个小齿与绕组连接。
下面，通过磁场分析，来探讨由于小齿宽度等等而对互连磁通量产生的作用。根据表1中最佳的第三方案③，使小齿宽度等等变化而计算互连磁通量，得出随后的结果。
(小齿宽度的作用)
图4显示在小齿宽度从1.6mm变为2.4mm的情况下，所计算出的互连磁通量及齿槽效应转矩的数值。
在此，小齿间距为0.944mm，小齿深度为1.0mm，肩部厚度为1.5mm，底座架厚度为1.75mm。
当小齿宽度为2.2mm时互连磁通量最大，它与22.5°的磁极间距的比率为0.431。齿槽效应转矩并不这么受小齿宽度的影响。
(邻接的各小齿之间的那条槽的作用)
图5显示在小齿部分处的槽的深度从0.4mm变为1.6mm的情况下，所计算出的互连磁通量对应于常规设计方案的比率之间的关系。
在此，小齿间距为0.944mm，小齿宽度为2.2mm，肩部厚度为1.5mm，底座架厚度为1.75mm。
可看出，互连磁通量相应于槽深度的增大而均匀地增大。
如果槽的深度变大，其作用就饱和了，从而，最好槽的深度约为1.0mm。如果就是1.0mm，那么，互连磁通量就比常规设计方案的互连磁通量增大约35％。
(肩部部分及底座架的厚度的作用)
图6与图7分别显示磁极肩部部分的厚度及底座架厚度对于互连磁通量的作用。
要注意，在图6与图7所示肩部厚度及底座架的范围内，互连磁通量并不受影响。大于0.9mm的底座架厚度是必要的，因为厚度为0.75mm时，互连磁通量微微减小。
如上述结果那样，在表1的推荐数值那一列中显示的数值是最好的。图8显示在对应于常规设计方案或先前方案的情况下，感应电压的波形。图8明白地显示出，振幅增大了约37％，且波形接近正弦波。
图9显示磁通量的流量。在每个小齿处的磁通量的分布都有改进，且穿过那条槽的波动的磁通量，比起图2B中所示常规设计方案中的磁通量来减少了。另外，磁极肩部部分0.9mm的厚度，从磁路的角度来看是充足的。然而，肩部部分的厚度能被增大，就像在常规设计方案中考虑到机械强度那样。
本发明就是通过这些新知识而达成的。
发明内容
本发明的目的，是提供一种永磁电机，它包括一个定子，以及一个以二者之间的间隙面对着定子的永磁磁铁转子；定子具有多个顺着径向朝着转子的周边表面延伸的定子磁极、s个形成于每个定子磁极末梢一端上的小定子齿，以及围着定子磁极缠绕的m相的磁励绕组；转子具有筒形永磁磁铁，该磁铁具有顺着其周边方向以相等间距交错地安置的N磁极件和S磁极件，其中，小定子齿的间距，比转子磁极对的间距，大1±1/(2ms)倍。
本发明的另一个目的，是提供一种永磁电机，它包括一个定子，以及一个以二者之间的间隙面对着定子的永磁磁铁转子；定子具有多个顺着径向朝着转子的周边表面延伸的定子磁极、s个形成于每个定子磁极末梢一端上的小定子齿，以及围着定子磁极缠绕的三相的磁励绕组；转子具有筒形永磁磁铁，该磁铁具有顺着其周边方向以相等间距交错地安置的N磁极件和S磁极件，其中，小定子齿的间距，比转子磁极对的间距，大1±1/(6s)倍。
小定子齿的宽度为磁极间距的37％至47％。
形成于邻接的各个小定子齿之间的那条槽的深度，比定子与转子之间的气隙的长度，大15倍。
本发明的上述目的、特性及优点，从以下用附图显示的对本发明的推荐实施例所做的更为详尽的说明中，就可明白。
附图说明
图1显示用于说明磁场分析的永磁型步进电机的结构；
图2A显示通过分析得到的磁通量的流量；
图2B显示图2A所示磁通量的一个部分的放大视图；
图3显示齿槽效应转矩的波形；
图4的曲线图，显示小齿宽度、互连磁通量以及齿槽效应转矩之间的关系；
图5的曲线图，显示槽的深度与互连磁通量之间的关系；
图6的曲线图，显示磁极肩部部分的厚度与互连磁通量之间的关系；
图7的曲线图，显示底座架的厚度与互连磁通量之间的关系；
图8的曲线图，显示对应于推荐数值及常规设计方案的数值的感应电压的波形；
图9是磁通量流量的放大视图。
具体实施方式
符合本发明的永磁电机，包括定子铁心1以及以二者之间的间隙面对着定子铁心1的永磁磁铁转子4。定子铁心1包括一个筒形定子架、多个从定子架周边表面上径向延伸的定子磁极2、s个形成于每个磁极2的末梢一端上的小定子齿3，以及围着定子磁极缠绕的磁励绕组。
转子4包括筒形的永磁磁铁5，该磁铁具有顺着其周边表面以相等间距被交错地安置的p片N磁极和p片S磁极。
小定子齿3的间距，比转子磁极对的间距大1±1(2ms)倍。在此，m为本发明的永磁电机的相数。
在本发明的另一个实施例中，小定子齿的间距，比转子磁极对的间距大(1±1/6s)倍。
小定子齿的宽度为磁极间距的37％至47％。形成于邻接的各个小定子齿之间的那条槽的深度，比定子铁心1与转子4之间的气隙的长度大15倍。
在本发明中，小齿8的宽度，被设定为2.2mm，而常规设计方案的该宽度为2.0mm。
邻接的各个小定子齿之间的那条槽的深度设定得不大于1.0mm，而常规设计方案的该深度为0.4mm。
连接着邻接的各个小定子齿的那个磁极肩部，其厚度设定得约为0.9mm，而常规设计方案的该厚度为1.1mm。
底座架的厚度设定为1.0mm，而常规设计方案的该厚度为1.0mm。
根据本发明，如上所述，互连磁通量就能够增大，且齿槽效应转矩能被减小。
尽管已经参照附图对本发明专门显示并说明了，但专业人员都明白，只要不背离如随附的权利要求书所限定的本发明的宗旨与范围，就可以在形式和细节上对本发明做各种各样的修改。
Claims (4)
1.一种永磁电机，它包括一个定子，以及一个永久磁铁转子，该永磁磁铁转子面对定子，其间带有一个间隙；定子具有多个顺着径向朝着转子的周边表面延伸的定子磁极、s个形成于每个定子磁极末端上的小定子齿，以及围着定子磁极缠绕的m相的磁励绕组；转子具有筒形永磁磁铁，该磁铁具有顺着其周边方向以相等间距交错地安置的N磁极件和S磁极件，其中，小定子齿的间距，比转子磁极对的间距大1±1/(2ms)倍。
2.一种永磁电机，它包括一个定子，以及一个永磁磁铁转子该永磁磁铁转子面对定子，其间带有一个间隙；定子具有多个顺着径向朝着转子的周边表面延伸的定子磁极、s个形成于每个定子磁极末端上的小定子齿，以及围着每个定子磁极缠绕的三相的磁励绕组；转子具有筒形永磁磁铁，该磁铁具有顺着其周边方向以相等间距交错地安置的N磁极件和S磁极件，其中，小定子齿的间距比转子磁极对的间距大1±1/(6s)倍。
3.根据权利要求1或2所述的永磁电机，其特征在于：小定子齿的宽度为磁极间距的37％至47％。
4.根据权利要求1、2或3所述的永磁电机，其特征在于：形成于邻接的各个小定子齿之间的那条槽的深度，比定子铁心1与转子之间的气隙的长度大15倍以上。
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