CN1412920A - 永磁式旋转电机 - Google Patents

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Abstract

按照本发明的永磁式旋转电机有一定子、一三个、四个或五个相的绕组(3)、两组转子(2)和两个永久磁铁(51)。该定子有一环形磁性构件和从环形磁性构件沿径向延伸的三个、四个、五个或六个定子磁极(1)，该绕组每个都绕各自的定子磁极(1)缠绕，该转子沿轴向彼此相邻地布置并面向定子，在其间有一气隙，该永久磁铁沿轴向被磁化。每个定子磁极(1)在其尖端有许多(Nr)磁性齿，每组转子(2)由两个转子元件(21、22)组成，每个元件在其外周表面上有Nr个小齿，每个永久磁铁(51)被两个转子元件(21、22)夹持在每组转子(2)中，每组转子(2)中的两个转子元件(21、22)沿周向彼此按小的转子齿的1/2齿距偏离，以使两个相邻的转子(2)组的相邻转子元件(21、22)的小转子齿在极性上是相同的。Nr为3n±1、4n±1或6n±1(其中，n为正整数)。

Description

永磁式旋转电机
本发明涉及永磁式旋转电机，更具体一些，涉及在办公室的自动设备或类似物中使用的混合(HB)式永磁旋转电机或步进电动机。
三相永磁式步进电动机的振动小于两相永磁式步进电动机。在三相步进电动机的两极式驱动电路中所用的晶体管数目为6，而在两相永磁式步进电动机的两极式驱动电路中所用的晶体管数目则为8。因此，按一般的观点，三相电动机比两相电动机好。不过，即使在三相电动机中，由于极齿数的结果，在由永久磁铁形成的磁场磁通中包括一调和数，以致产生振动和噪声，即使转子的极对数增加，即使提高了定位精度和电动机在低速时的旋转波动，也是如此。三的倍数如3、6、9或12等，都可以作为三相电动机的定子主磁极的数目来考虑。作为廉价的三相电动机，考虑到结构上的简单性，采用三个定子主磁极。此外，为了加大转矩，最好减少定子主磁极数，这是因为，如果主磁极数减少，每个主磁极的联链磁通就增加。在具有六个定子主磁极的三相电动机的情况下，永磁式转子的总磁通量Φ与具有三个定子主磁极的三相电动机时的相同，只要永磁式转子彼此相同。假设具有六个定子主磁极的电动机的每个相的绕组的圈数N与具有三个定子主磁极的电动机的相同，并且用T6、Φ/6和N/2分别代表具有六个定子主磁极的电动机的每一个相的转矩、每个定子主磁极的联链磁通和每个定子主磁极的绕组的圈数，用T3、Φ/3和N分别代表具有三个定子主磁极的电动机的每个相的转矩、每个定子主磁极的联链磁通和每个定子主磁极的绕组的圈数。在具有六个定子主磁极的电动机中，一个相由两个定子主磁极组成，故可以得到下列式子。
T6＝k(Φ/6)(N/2)I×2＝k(ΦNI/6)                     (1)其中，I代表电流。
在具有三个定子主磁极的电动机中，一个相由一个定子主磁极组成，故可以得到下列式子。
T3＝k(Φ/6)NI×1＝k(ΦNI/3)                    (2)
比较两个式子(1)和(2)后，显然可以得出，具有三个定子主磁极的电动机的转矩大于具有六个定子主磁极的电动机的转矩。
对应于日本专利No.3140814的美国专利No.5289064公开了这种传统的旋转电机。
在具有三个定子主磁极和一混合型(HB)转子的传统的旋转电机的情况下，当旋转电机被通电时，沿径向产生一不平衡的电磁力，以致在转子齿数多时，产生谐波，从而加大低速变动转矩，而且可能由于不平衡的电磁力和气隙中的偏心而加大振动和低速变动转矩。因此，要求在性能和成本方面改进旋转电机。
在广泛使用的两相旋转电机中，定子的主磁极数为8，不产生不平衡的电磁力。不过，如果极数为4，则旋转电机的结构和绕组的缠绕工作变得简单，以致成本可以降低。在定子主磁极数为8的情况下，所得到的转矩T8可用式(3)表示。
T8＝k(Φ/8)(N/4)I×4＝k(ΦNI/8)                 (3)
在极数为4的情况下，所得到的转矩T4可用式(4)表示。
T4＝K(Φ/4)(N/2)I×2＝k(ΦNI/4)                 (4)
显然，从两个式子(3)和(4)的比较可以得出，转矩T4大于转矩T8，不过，在极数为4的情况下，在定子和转子之间产生径向的不平衡的电磁力，以致振动和噪声加大，定位精度降低。
在广泛使用的五相旋转电机中，定子的主磁极数为10，不产生不平衡的电磁力。不过，如果极数为5，则旋转电机的结构和绕组的缠绕工作变得简单，以致成本可以降低。此外，具有五个定子主磁极的电动机的转矩大于具有十个定子主磁极的电动机的转矩，不过，要在定子和转子之间产生径向的不平衡的磁力，以致振动和噪声加大，定位精度降低。
也就是说，由于在轴承的外圈与轴承座之间有小的气隙，以及在轴承的内表面与轴的外周表面之间有小的气隙，而这些气隙都是变化的，故转子和定子之间的气隙变成不均匀的，以致在电动机被通电时，低速变动转矩和振动都加大，而噪声也加大。永磁式HB旋转电机中的气隙通常小至约50×10-6m，以致当气隙由于轴承的小的振摆而变成不均匀时，振动和噪声就变大。下面将参考普通的例子解释产生不平衡的电磁力的机理。
美国专利5289064公开了具有三个定子主磁极和一HB型转子的三相旋转电机，转子的齿数Nr为3n±1，其中，n为正整数。为了简化说明起见，转子的极对数作为1确定。在Nr＝3n±1的情况下，n＝0，Nr＝1，旋转电机的垂直剖面侧视图可如图7所示，而三相旋转电机在被通电时的定子与转子之间的关系可如图8所示，该图示出旋转电机的垂直剖面。如图7所示，一永久磁铁5沿转轴4的方向被磁化，以便形成两个极。在图7中，参考数字1代表沿径向以一环形磁轭延伸的三个定子主磁极，2代表HB型磁性转子，3代表三相定子绕组，每个绕组都绕各自的定子主磁极缠绕，6和7分别代表用非磁性材料如铝做的前、后轴承座，而8则代表轴承。转子2的S极被向上吸，而转子2的N极则被往下吸，以致转轴4接受一力矩力，而且，如果在转轴4与轴承8之间存在任何的气隙，则定子磁极1和转子2之间的气隙成为不均匀的。图9示出矢量，该矢量表明图8所示的不平衡力的上、下方向。在图9中，F1示出图8所示的定子1的U相和转子2的S极之间所产生的吸力。转子是HB型的，因此，来自永久磁铁的磁通的形状不是正弦波。因此，如果在U、V和W相的气隙中的磁通密度基本相同，则分别在转子2的N极与定子1的V相之间和在N极与定子1的W相之间形成的总吸力为F2。F1在数值上基本等于F2，但是F1的方向与F2相反。
图10A和图10B示出具有四个定子主磁极的两相电动机的HB型转子。图10A示出例如定子和转子的N极之间的关系。当绕组的一个相被通电时，转子小齿与四个定子主磁极之间的关系示于图11中。如图11所示，一个相的主磁极①被磁化成S极，而一个相的主磁极③则被磁化成N极，在此情况下，如图10B所示，产生不平衡力Fn和Fs，一力矩力作为载何作用在轴承上，以致气隙成为不均匀的。在HB型步进电动机中，因为气隙小，上述作用变大。
上述在旋转电机中产生的不平衡力不能通过使用两组HB型转子来消除。
图12示出在每组HB型转子中，转子元件21被磁化成S极，而转子元件22被磁化成N极的情况。参考数字9代表非磁性构件，它插在相邻的HB型转子组的不同极性的相邻转子元件21和22之间，以便将它们磁绝缘。如果按顺序分别在转子元件21、22、21、22上作用有径向力F1、F2、F3和F4，左侧轴承8的中心与径向力F1的作用点之间的距离为L1，F1与F2之间的距距离为L2，F2与F3之间的距离为L2，F3与F4之间的距离为L4，而且F1＝F2＝F3＝F4，L2＝L4，就可得到式(5)。M＝L1F1+(L1+L2+L3)F3-(L1+L2)F2-(L1+L2+L3+L4)×F4＝-(L2+L4)F                 (5)
从上面可以看出，不平衡力矩M不能消除。
为了解决传统的旋转电机中的上述问题，本发明的目的为提供一永磁式旋转电机，它包括一定子、一三个相的绕组、两组转子和两个永久磁铁，该定子有一环形磁性构件和从环形磁性构件沿径向延伸的三个定子磁极，该绕组每个都绕各自的定子磁极缠绕，该转子沿轴向彼此相邻地布置并面向定子，在其间有一气隙，该永及磁铁沿轴向被磁化，其特征为，每个定子磁极在其尖端有许多磁性齿，每组转子由两个转子元件组成，每个元件在其外周表面上有Nr个小齿，每个永久磁铁被两个转子元件夹持在每组转子中，每组转子中的两个转子元件沿周向彼此按小的转子齿的1/2齿距偏离，以使两个相邻的转子组的相邻转子元件的小转子齿在极性上是相同的。
本发明的另一目的为提供一永磁式旋转电机，它包括一定子、一两个相的绕组、两组转子和两个永久磁铁，该定子有一环形磁性构件和从环形磁性构件沿径向延伸的四个定子磁极，该绕组每个都绕各自的定子磁极缠绕，该转子沿轴向彼此相邻地布置并面向定子，在其间有一气隙，该永久磁性沿轴向被磁化，其特征为，每个定子磁极在其尖端有许多磁性齿，每组转子由两个转子元件组成，每个元件在其外周表面上有Nr个小齿，每个永久磁铁被两个转子元件夹持在每组转子中，每组转子中的两个转子元件沿周向彼此按小的转子齿的1/2齿距偏离，以使两个相邻的转子组的相邻转子元件的小转子齿在极性上是相同的。
本发明的又一目的为提供一永磁式旋转电机，它包括一定子、一五个相的绕组、两组转子和两个永久磁铁，该定子有一环形磁性构件和从环形磁性构件沿径向延伸的五个定子磁极，该绕组每个都绕各自的定子磁极缠绕，该转子沿轴向彼此相邻地布置并面向定子，在其间有一气隙，该永久磁铁沿轴向被磁化，其特征为，每个定子磁极在其尖端有许多磁性齿，每组转子由两个转子元件组成，每个元件在其外周表面上有Nr个小齿，每个永久磁铁被两个转子元件夹持在每组转子中，每组转子中的两个转子元件沿周向彼此按小的转子齿的1/2齿距偏离，以使两个相邻的转子组的相邻转子元件的小转子齿在极性上是相同的。
本发明的再一目的为提供一永磁式旋转电机，它包括一定子、一三个相的绕组、两组转子和两个永久磁铁，该定子有一环形磁性构件和从环形磁性构件沿径向延伸的六个定子磁极，该绕组每个都绕各自的定子磁极缠绕，该转子沿轴向彼此相邻地布置并面向定子，在其间有一气隙，该永久磁铁沿轴向被磁化，其特征为，每个定子磁极在其尖端有许多磁性齿，每组转子由两个转子元件组成，每个元件在其外周表面上有Nr个小齿，每个永久磁铁被两个转子元件夹持在每组转子中，每组转子中的两个转子元件沿周向彼此按小的转子齿的1/2齿距偏离，以使两个相邻的转子组的相邻转子元件的小转子齿在极性上是相同的。
相邻的定子磁极的尖端的相邻端面彼此连接在一起。
Nr为3n±1、4n±1或6n±1，其中，n为正整数。
在联系下面的说明和附图考虑时，本发明的这些和其它方面和目的将可以得到更好的认识和理解。不过，应当明白，虽然下面的说明指出了本发明的优选的实施例，但是它是作为说明给出的，而不是作出限制。可以在本发明的范围内作出许多更改与改进，而不脱离其精神，而且本发明包括所有这种改进。
图1为本发明的第一实施例的永磁式旋转电机的正视图。
图2为图1所示的永磁式旋转电机的垂直剖面侧视图。
图3为用于说明本发明的原理的视图。
图4A为用于说明按照本发明的第二实施例的永磁式旋转电机的视图。
图4B为图4A所示的永磁式旋转电机的垂直剖面侧视图。
图5为用于说明图4B所示的永磁式旋转电机的视图。
图6为按照本发明的第三实施例的永磁式旋转电机的正视图。
图7为传统的永磁式旋转电机的垂直剖面侧视图。
图8为图7所示的永磁式旋转电机的正视图。
图9为用于说明图8所示的永磁式旋转电机的矢量的图。
图10A为用于说明另一传统的永磁式旋转电机的视图。
图10B为图10A所示的永磁式旋转电机的垂直剖面侧视图。
图11为用于说明图10B所示的永磁式旋转电机的视图。
图12为另一永磁式旋转电机的垂直剖面侧视图。
现在参考图1和图2说明本发明的第一实施例。
图1为一永磁式旋转电机的正视图，而图2则为图1所示的永磁式旋转电机的垂直剖面侧视图。
电动机的与图7至图12所示的传统电动机的对应部分相似的部分给以相应的参考数字，而且不进一步说明。
在本发明的第一实施例中，定子由一环形磁性构件、三个定子磁极1、三个相的绕组3和许多在每个定子磁极1的尖端的磁性齿，该磁极沿径向从环形磁性构件延伸，该绕组的每一个绕各自的定子磁极1缠绕。转子2由两组转子组成，它们沿轴向彼此相邻地布置并面向定子，在其间有一气隙。
每组转子由两个转子元件21和22组成，每个元件在其外周表面上有Nr个小齿，一永久磁铁51沿轴向被磁化并在每组转子中被两个转子元件21和22夹持。每组转子中的两个转子元件21和22沿周向彼此按小的转子齿的1/2齿距偏离，而两个相邻的转子组的相邻转子元件22和21的小转子齿在极性上是相同的。
并不总是需要使两个相邻的转子组的两个相邻的转子元件22和21彼此接触，并且可在其间形成一气隙或插入一磁性绝缘构件。
图3示出在三相永磁式旋转电机在激磁时的径向力F1～F4。在此实施例中，不平衡的力矩力M可以用式(6)表示。M＝L1F1+(L1+L2+L3+L4)F4-(L1+L2)F2-(L1+L2+L3)F3＝(L4-L2)F＝0
如上所述，在具有三个定子主磁极的旋转电机中产生的不平衡的力矩力M可以基本上消除。通过将本发明用至具有三个定子主磁极的三相旋转电机上，并且Nr为3n±1，则可以得到大的转矩和高的精度。
图4A和图4B示出一按照本发明的一个实施例的具有四个定子主磁极的两相旋转电机。如式(4)所说明的那样，此两相旋转电机可产生最大的转矩。在此情况下，不平衡的力矩可以同式(1)那样被消除。
在三相旋转电机中，不平衡的力矩可以通过三相激磁基本被消除。同样，在两相旋转电机中，不平衡力矩可以完全用一相激磁消除，而且与三相旋转电机相比，驱动条件的自由度得到加强。
图5示出四个定子主磁极①～④的每一个与转子元件21和22的转子小齿的位置关系。在具有对称的四个彼此偏离90度的两相旋转电机的情况下，转子小齿数Nr可以由式(7)得到。
90°/Nr＝-/+{360°/4-360°n/Nr}            (7)
式(7)的每一边代表一步进角，并可从其得出式(8)
Nr＝4n±1                                  (8)
例如，Nr为75，则可在n为19时得到步进角1.2°，而Nr＝125，则可在n＝31时得到步进角0.72°。在具有四个定子主磁极的两相旋转电机中，按照式(8)，则转子可以通过叠置许多板并移动90°形成，而且精度可以提高。
在一五相HB型步进电动机中，如果定子主磁极数为10，就不产生不平衡力，不过，在一具有五个定子主磁极的五相HB型步进电动机中，虽然通过与三相或两相旋转电机的情况相同的理由加大了转矩，但是产生了不平衡力。为了消除不平衡力，最好采用与三相旋转电机相似的结构。详细的说明略去。
图6示出本发明的另一实施例的旋转电机。在此实施例中，定子主磁极的数目比传统的旋转电机减少一半，相邻的定子主磁极的相邻端彼此连接，而每个定子主磁极的基础端则配合在定子的环形磁性部分中，以使不平衡力得以消除，而转矩则可如式(2)和(4)所示加大至传统的旋转电机的两倍。
在上述实施例中，磁通通过相邻的定子主磁极的相邻端的接触部分泄漏。不过，每个定子主磁极可以插入每个绕一线轴缠绕的绕组中。因此，与绕组的线经过一槽口绕磁极缠绕的情况相比，绕组的空间系数可以提高，而且绕组的线可以以高速绕一线轴缠绕，以致工作步骤数可以减少，因而成本可以降低。上述结构可以同样用于两相、三相或五相旋转电机中。
在具有六个定子主磁极和奇数Nr的转子齿的三相旋转电机的情况下，产生一不平衡力。不过，如果按式(9)确定奇数Nr，就可以提高精度。
60°/Nr＝-/+{360°/6-360°n/Nr}             (9)
式(9)的每一边代表一步进角，并可从其得出式(10)。
Nr＝6n±1                                   (10)
例如，Nr为25，则可在n为4时得到步进角24°，而Nr＝125，则可在n为21时得到步进角0.48°。
在要求有一大转矩的具有六个定子主磁极的旋转电机的情况下，采用了轴向长度大于其直径的转子。这种较长的转子可用两组串联的转子元件形成，不过，必须如图12所示，在两组转子元件间插入磁缘板9，以使转矩减小。因此，在本发明的另一实施例中，本发明的结构用于具有六个定子主磁极的旋转电机。详细的说明略去。
有了上面所说的这种构形，按照本发明的永磁式旋转电机有如下的优良作用：
(1)在具有减少的定子主磁极数的三相、两相或五相旋转电机中产生的径向不平衡力可以抵消，而且与传统的旋转电机的相比，转矩可以加大一倍。
(2)按照具有三个其尺寸与传统的旋转电机相同的定子主磁极，可以在理论上得到最大的转矩。
(3)按照具有四个定子主磁极的两相旋转电机，在广泛使用的两相旋转电机中，可以得到最大的转矩，并且即使在一个相激磁时，也不产生径向不平衡力。
(4)通过分部地分割的芯子的组合，铜量可以增加，并且可以以低成本保持大转矩。
(5)即使在具有六个定子主磁极和具有奇数转子齿的高转矩旋转电机中，也可以消除径向不平衡力。
(6)本发明可以用于任何外转子型旋转电机中。
虽然本发明是专门参考其优选的实施例示出并描述的，但是对于熟悉本技术的人，应当明白，可以在其中在形状和细节上作出各种更改而不脱离由所附权利要求书所规定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一永磁式旋转电机，它包括一定子、一三个相的绕组(3)、两组转子(2)和两个永久磁铁(51)，该定子有一环形磁性构件和从环形磁性构件沿径向延伸的三个定子磁极(1)，该绕组每个都绕各自的定子磁极(1)缠绕，该转子沿轴向彼此相邻地布置并面向定子，在其间有一气隙，该永久磁铁沿轴向被磁化，其特征为，每个定子磁极(1)在其尖端有许多(Nr)磁性齿，每组转子(2)由两个转子元件(21、22)组成，每个元件在其外周表面上有Nr个小齿，每个永久磁铁(51)被两个转子元件(21、22)夹持在每组转子(2)中，每组转子(2)中的两个转子元件(21、22)沿周向彼此按小的转子齿的1/2齿距偏离，以使两个相邻的转子(2)组的相邻转子元件(21、22)的小转子齿在极性上是相同的。
2.如权利要求1的永磁式旋转电机，其特征为，Nr为3n±1(其中，n为正整数)。
3.一永磁式旋转电机，它包括一定子、一两个相的绕组(3)、两组转子(2)和两个永久磁铁(51)，该定子有一环形磁性构件和从环形磁性构件沿径向延伸的四个定子磁极(1)，该绕组每个都绕各自的定子磁极(1)缠绕，该转子沿轴向彼此相邻地布置并面向定子，在其间有一气隙，该永久磁铁沿轴向被磁化，其特征为，每个定子磁极(1)在其尖端有许多(Nr)磁性齿，每组转子(2)由两个转子元件(21、22)组成，每个元件在其外周表面上有Nr个小齿，每个永久磁铁(51)被两个转子元件(21、22)夹持在每组转子(2)中，每组转子(2)中的两个转子元件(21、22)沿周向彼此按小的转子齿的1/2齿距偏离，以使两个相邻的转子(2)组的相邻转子元件(21、22)的小转子齿在极性上是相同的。
4.如权利要求3的永磁式旋转电机，其特征为，Nr为4n±1(其中，n为正整数)。
5.一永磁式旋转电机，它包括一定子，一五个相的绕组(3)、两个转子(2)和两个永久磁铁(51)，该定子有一环形磁性构件和从环形磁性构件沿径向延伸的五个定子磁极(1)，该绕组每个都绕各自的定子磁极(1)缠绕，该转子沿轴向彼此相邻地布置并面向定子，在其间有一气隙，该永久磁铁沿轴向被磁化，其特征为，每个定子磁极(1)在其尖端有许多(Nr)磁性齿，每组转子(2)由两个转子元件(21、22)组成，每个元件在其外周表面上有Nr个小齿，每个永久磁铁(51)被两个转子元件(21、22)夹持在每组转子(2)中，每组转子(2)中的两个转子元件(21、22)沿周向彼此按小的转子齿的1/2齿距偏离，以使两个相邻的转子(2)组的相邻转子元件(21、22)的小转子齿在极性上是相同的。
6.如权利要求1、3或5的永磁式旋转电机，其特征为，相邻的定子磁极(1)的尖端的相邻端面是连接在一起的。
7.一永磁式旋转电机，它包括一定子、一三个相的绕组(3)、两组转子(2)和两个永久磁铁(51)，该定子有一环形磁性构件和从环形磁性构件沿径向延伸的六个定子磁极(1)，该绕组每个都绕各自的定子磁极(1)缠绕，该转子沿轴向彼此相邻地布置并面向定子，在其间有一气隙，该永久磁铁沿轴向被磁化，其特征为，每个定子磁极(1)在其尖端有许多(Nr)磁性齿，每组转子(2)由两个转子元件(21、22)组成，每个元件在其外周表面上有Nr个小齿，每个永久磁铁(51)被两个转子元件(21、22)夹持在每组转子(2)中，每组转子(2)中的两个转子元件(21、22)沿周向彼此按小的转子齿的1/2齿距偏离，以使两个相邻的转子(2)组的相邻转子元件(21、22)的小转子齿在极性上是相同的。
8.如权利要求7的永磁式旋转电机，其特征为，Nr为6n±1(其中，n为正整数)。
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