CN1412912A - 永久磁铁型旋转电机 - Google Patents

Abstract

用于旋转电机机构的多个实施例中，机械的齿槽效应转矩可以通过产生一消除齿槽效应转矩进行有效地消除掉，这既可以通过机械的方式也可以通过电的方式来完成，且在某些实施例中，当齿槽效应不带来任何突出问题时，消除机构将不再起作用。

Description

永久磁铁型旋转电机

背景技术

本发明涉及一种旋转电机，例如包含永久磁铁转子的无刷直流电动机或发电机，具体地涉及消除或减少这些机械不良特性的装置。

众所周知，采用永久磁铁的无刷直流电动机的输出转矩的周期性变化是由于一种被称为“齿槽效应转矩”的状况而产生的。该齿槽效应转矩由永久磁铁与其上形成有绕组的磁极或磁齿间的吸力和排斥力产生。该齿槽效应转矩的周期由永久磁铁的磁极数和在磁齿间形成的槽数的最小公倍数来确定。

例如在电动机中，当处于低速或低的输出转矩时，该齿槽效应转矩非常明显。比如，在一应用中，如电能辅助转向装置，其采用一电动机，用于提供转向力。当转向角和转向力小时，例如在高速运转或类似的情况中，所述的齿槽效应转矩会使转向产生不舒适感。这仅是由齿槽效应转矩导致性能降低或性能不良情形中的一个例子。

因此本发明的首要目的在于提供一种永久磁铁型旋转电机，其具有被降低的齿槽效应转矩，从而使实现平滑旋转。

发明概要

本发明的第一个特征适于在一种旋转电机中体现，该旋转电机包括一初级装置(primary device)，该初级装置包括一对相对可转动的组件，其中一组件包括多个在周边按一定间隔设置的极性交替的永久磁铁；另一组件包括多个沿半径延伸的磁极，该磁极具有与所述永久磁铁相协作的末端，并被线圈绕组缠绕，并且磁极之间确定多个槽。该初级装置的组件的相对转动产生齿槽效应转矩，该齿槽效应转矩由所述磁铁和所述槽的数量的最小公倍数确定。本发明提供了一种齿槽效应转矩消除装置，其用于产生与所述初级组件(primary assembly)异相位的齿槽效应转矩，从而基本上消除所述初级组件的齿槽效应转矩。

根据该发明的进一步的特征，所述的齿槽效应转矩消除装置可选择地操作。

附图说明

图1是一显示齿槽效应转矩和根据本发明产生的消除齿槽效应转矩以及所得到的转矩的图表。

图2是旋转电机，如应用本发明第一实施例的无刷直流电动机的横截面图。

图3是第一实施例沿3-3线的横截面图。

图4是第一实施例沿4-4线的横截面图。

图5是本发明第二实施例的横截面图，其中部分与图2相似。

图6是图5沿6-6线所得的横截面图。

图7是图5沿7-7线所得的横截面图。

图8是是本发明第三实施例的横截面图，其中部分与图2和图5相似。

图9是是图8沿9-9线所得的横截面图。

图10是图8沿10-10线所得的横截面图。

图11是根据本发明的第四实施例的另一种用于消除齿槽效应转矩的装置的视图。

图12是图11沿12-12线所得的横截面图。

图13是图11中画圈处的放大图，展示了各元件之间的关系以说明消除力是如何产生的。

发明详述

概念概述

本发明的原理在图2-4，5-7，8-10和11和12的特定实施例中都有体现，将首先参考图1进行描述。图1展示了一旋转电机的实施例，该电机有18个形成于磁极齿之间的间隙或空间，且该磁极齿上缠绕有线圈，该磁极齿与多个在周边间隔排列的极性交替的永久磁铁相协作。在这个实施例，共有12个磁极。

该机器(machine)的齿槽效应转矩可以用一正弦曲线来描述，在360度的“电角”(electrical angel)的变化过程中，该正弦曲线完成一个完整周期。该360度“电角”被定义为当存在一个完整的电功率(electrical power)周期时的相对旋转角度。当所述的360度电角存在时，相对旋转的实际机械角度通过360度除以齿槽效应值来确定。

齿槽效应值是机器的周转过程中出现的完整周期数。这个齿槽效应值通过槽数和磁极数的最小公倍数来确定。在这里，由于有18个槽和12个磁极，因此齿槽效应值为36。

因此，在机械的整转过程中共有36个周期出现，也可以说成每旋转10度的机械角一周期。这个齿槽效应转矩曲线如曲线A所示。根据该发明，可以采用如图2-4，5-7，8-10，11，12所示的前述实施例中的齿槽效应转矩消除装置。

在每一实施例中，一个正弦的消除齿槽效应转矩被产生，并与主齿槽效应转矩错开，从而实际上将它抵消。因此，给出了这样一个例子：将齿槽效应消除装置的输出相对于主或初级机械错开5度，该主或初级机械(primarymechanism)包括线圈，磁极的铁芯以及永久磁铁。

结果，如图中实心线曲线所示，总转矩消除了并提供了一非常平滑的输出。现在将完成这的方式在不同和特定的实施例进行说明。

如前所述的图2-5A的实施例，可以非常明显地看到，尽管图示的实施例皆包括电动机，但是该发明可以被应用于旋转电动机或旋转发电机中。在第一实施例中，体现本发明的电动机21，包括一机壳22，在机壳22中，有第一电动机，或初级电动机(primary motor)23，其与齿槽效应转矩消除电动机24同心设置。即在该实施例中，包括第二电动机。

在该实施例中，电动机23和24分别包括定子，这些定子分别由一磁极装置25，26构成，每一定子分别拥有各自的极齿27和28(如图3和4)。电线圈29和31未在图3，4中示出，而是示出在图2中，其缠绕在这些极齿上。

在这个实施例中，两个电动机23和24的物理特性是相同的，因此，它们拥有相同数量的磁极齿，该磁极齿之间有18个槽。根据该发明以及以上的描述的例子，这些线圈绕组29，31和磁极齿27和28分别与12个在周边以一定间隔配置的且极性交替的永久磁铁32和33相协作。磁铁32和33以相同的间隔配置在电动机输出轴34的周围，并且与输出轴34以任何合适的方式固定。

然而，电动机24的极齿28相对于电动机23的极齿27偏移5度的机械角，从而提供如图1所示的齿槽效应曲线。

控制电路35和36分别与线圈相连，以使流向线圈的电流得到控制。例如本领域技术人员所公知的霍尔传感器37，其与位于电动机23或24一末端上的磁探测器38相协作。

因此，与本实施例有关，电动机包括一齿槽效应消除机构，该机构不仅减少了整个机械的齿槽效应转矩，而且有助于获得更大的电功率。当然，该电功率不如两个处于完整相位的电动机产生的电功率大，但是功率的损失要比由齿槽效应转矩的减少引起的偏移(offset)要大。

图5-7的实施例

如迄今为止已描述的实施例，减少齿槽效应转矩并且改善电动机的性能是可能的。然而，在许多应用中，如前文中所述，齿槽效应转矩问题仅在低速和低转矩的情况下是显著的。因此，图5-7展示了另一实施例，可以在选择的时间进行操作，以产生齿槽效应消除作用。

这一实施例大体上与前述实施例相同。然而在该实施例中，电动机51使用了一个更小的齿槽效应消除机构52。电动机壳体以及第一电动机的构造与前述的发明实施例相同。因此这些元件使用了与前述实施例中相同的附图标记，且仅在对理解该实施例的结构和运行时才给予重述.

在这一实施例中，齿槽效应转矩消除机构包括一定子芯53。该定子芯包括两个电枢铁芯54和55，每一电枢铁芯具有各自的极齿56和57。在该实施例中，在每一铁芯54和55上的极齿数为18，所以极齿的总数为36，也就是齿槽效应值。

这些极齿56和57被绕组58环绕。通过使用在每一铁芯上具有较少数量极齿的分裂铁芯，并使他们稍微错开，从而使保持较大的缝隙并仍然有同样数量的有效极齿是可能的。因此使得机构具有更加紧密的结构和更大的缠绕程度。绕组在相邻的极齿上以相反的方向延伸。在该实施例中，轴34设置有与极齿56和57的数量相同的两个永久磁铁排59和61。轴54的该部分如附图标记62所示。

在该实施例中，当电动机23在低速和低负载下运行的时候，绕组58被提供给电能，从而产生如图1所示的齿槽效应消除转矩。随着速度和负载的增加，当齿槽效应转矩已经不再引起任何突出的问题时，电流逐渐减少并最终在期望的电动机速度时消失。

图8-10的实施例

图8-10表示一电动机进一步的实施例。该电动机包括根据发明另一实施例的齿槽效应消除机构，该消除机构也可以选择地被充电。在该实施例中，电动机71，包括一个如前述实施例中的第一电动机，该第一电动机使用与前述实施例相同的附图标记23。该主或第一电动机23的部件与前述相同，因此与前述相同或实质上相同的部件使用相同的附图标记。除非有助于理解该实施例的结构与运行，这些相同的部件将在这一部分中不再重述。

如图10中所示，在该实施例中，齿槽效应消除机构72包括定子铁芯73，该定子铁芯具有多个极齿74。在该实施例中，总共在周边间隔设置36个极齿，并相对第一电动机23的极齿27偏移一个小的角度，比如5度。这些极齿被线圈绕组75沿相反的方向缠绕。

极齿75与极性交替的永久磁铁76相协作，该永久磁铁76形成在延伸部分上，即电动机轴34，其延长部分如附图标记77所示。与图5-7中实施例类似，当齿槽效应可能变得有害时，线圈绕组75仅在较低速度和负载范围内需要被使用或通电。

如图11-13所示的实施例

在迄今为止所有的实施例中，齿槽效应的消除力由另一旋转电机产生，该电动机用于产生一齿槽效应转矩，该转矩与主电动机的转矩的相位互相错开，从而抵消它。接着我们将描述一个实施例，如图11-13所示，在这里，齿槽效应消除力由机械方式产生。

在该实施例中，初级机器(primary machine)与前述的实施例中图示和描述的相同，因此，对于本领域技术人员实施本发明来说，对初级机器进一步的图例说明并不必要。在该实施例中，包括一位于输出轴34上的凸轮81，其上形成有一个具有正弦外形的表面83，该表面拥有一定数量的波谷和波峰。其数量与齿槽效应值相同，如前例中的36个。

在表面83之上啮合有许多球体84，这些球体的边缘位置被一旋转固定的挡圈85支撑。线圈压缩弹簧86安装在外部环87上，该外部环87被固定以防止相对于机械的外部壳体旋转。弹簧86推动球体84，从而使其与表面83啮合。因此，当轴34旋转时，球体84将会提供一个不断变化的力，该力具有正弦波形，从而倾向于阻止旋转。这种阻力与齿槽效应力具有相同的波形。这个力被设计成为与齿槽效应转矩曲线相位相错从而消除该力，并使机械的运转更加平稳。

如图12所示，棘轮82的表面有一部分88未被构造成正弦波形，而是圆柱形状。在沿轴34的轴向移动该棘轮82时，该棘轮与轴通过花键连接是可能的，从而可以消除由于对球体84的操作而产生的阻力(force drag)。此外，挡圈85，弹簧86，外部环87可以沿轴向移动，从而使球体84与圆柱部分88相配，以避免所述力的产生。因此，借助这一机械系统，在低速和低转矩时提供齿槽效应消除效果是可能的。

因此，如上所述，所述的实施例已经提供了非常有效的手段以消除旋转电机的齿槽效应的作用，这是显而易见的。此外，其中几个实施例允许对齿槽效应消除装置进行选择性地操作。当然，上述的描述是该发明的优化实施方案，未偏离本发明精神和范围的各种变化和修正都在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1、一种旋转电机包括一初级装置和一齿槽效应转矩消除装置，所述初级装置具有一对相对旋转的组件，其中一个组件包括多个沿周边间隔设置的极性交替的永久磁铁，所述的一对组件的另一个包括多个沿半径延伸的磁极，该磁极具有与所述永久磁铁相协作的末端，并被线圈绕组所缠绕，且在所述磁极间确定槽，所述的一对组件的相对旋转产生一齿槽效应转矩，该齿槽效应转矩由所述磁铁和所述槽的数目的最小公倍数确定，所述齿槽效应转矩消除装置用于产生与所述初级组件不同相位的齿槽效应转矩，并且从而基本上消除初级组件的齿槽效应转矩，所述的齿槽效应转矩消除装置具有第二对相对旋转的组件。

2、如权利要求1所述的旋转电机，所述的齿槽效应转矩消除装置可选择地操作，以选择地产生其齿槽效应转矩。

3、如权利要求2所述的旋转电机，所述的齿槽效应转矩消除装置仅在初级装置旋转速度较低时工作。

4、如权利要求1所述的旋转电机，所述的齿槽效应转矩消除装置通过电的方式产生一消除齿槽效应的转矩。

5、如权利要求4所述的旋转电机，所述的齿槽效应消除装置的第二对相对旋转的组件的一组件包括多个沿周边间隔设置且极性交替的永久磁铁，所述的齿槽效应消除装置的一对相对旋转的组件中的另一组件包括多个沿半径延伸的磁极齿，该磁极齿具有一个末端，该末端与所述的永久磁铁相协作，该磁极齿被线圈缠绕，并在其之间形成槽，所述的第二对相对旋转的组件的相对旋转产生一消除齿槽效应转矩，该消除齿槽效应转矩由所述磁铁和所述槽的数目的最小公倍数确定。

6、如权利要求5所述的旋转电机，所述第一对和第二对相对旋转的组件具有基本上相同的构造，且彼此相位不同。

7、如权利要求6所述的旋转电机，所述的第一和第二对相对旋转组件之间的相位差等于第一相对旋转组件的齿槽效应转矩的单相机械旋转角的一半。

8、如权利要求5所述的旋转电机，在单个旋转过程中，所述的第二对相对旋转组件的磁极齿的数量等于所述的第一对相对旋转组件做单个旋转时的齿槽效应值。

9、如权利要求8所述的旋转电机，所述的第二对相对旋转组件的磁极齿被等间隔地排列。

10、如权利要求9所述的旋转电机，所述的齿槽效应转矩消除装置可选择地操作，以选择地产生其齿槽效应转矩。

11、如权利要求10所述的旋转电机，所述的齿槽效应转矩的消除装置的选择操作是通过控制第二对相对旋转组件的线圈绕组中的电流来实现的。

12、如权利要求8所述的旋转电机，所述的第二对相对组件的磁极齿由两组环组成，每组环具有与第一对相对旋转组件相同数量的磁极齿，该磁极齿等距隔开，且在周边方向上稍微错开。

13、如权利要求12所述的旋转电机，所述的齿槽效应转矩消除装置可选择地操作，以选择地产生其齿槽效应转矩。

14、如权利要求13所述的旋转电机，所述的齿槽效应转矩的消除装置的选择操作是通过控制第二对相对旋转组件的线圈上的电流来实现的。

15、如权利要求13所述的旋转电机，其中齿槽效应转矩消除装置通过机械的方式产生消除齿槽效应转矩。

16、如权利要求15所述的旋转电机，所述的第二对相对旋转组件包括一凸轮机构，该凸轮机构产生一阻止相对旋转的正弦波形力，该力与第一对相对旋转组件的齿槽效应转矩相等。

17、如权利要求16所述的旋转电机，所述的凸轮机构包括一在多个球状从动体上作用的旋转凸轮，

18、如权利要求17所述的旋转电机，所述的齿槽效应转矩消除装置可选择地操作，以选择地产生其齿槽效应转矩。

19、如权利要求18所述的旋转电机，所述的齿槽效应转矩消除装置的可选择操作是通过将动作中的旋转凸轮与球状从动体移动到脱离接触而实现的。

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