CN1551462A - 磁场型旋转电气装置 - Google Patents

Abstract

旋转电动机的几个实施例，通过分开永磁体和/或轴向分开部分中的线圈绕组的极，减小齿槽效应转矩，同时减小反电动势失真，提高具有减小转矩波动的转矩特性，该轴向分开部分彼此相对的沿圆周移动。

Description

磁场型旋转电气装置

发明背景

本发明涉及一种磁场型旋转电气装置例如电动机和发电机，尤其涉及一种提高这些装置性能的设置。

众所周知，这种类型的装置通常由共同转动的、相对旋转的部分组成，其中一部分具有多个圆周地隔开的永磁体、另一部分具有多个缠绕减小齿槽效应转矩的电动线圈的极齿，这种类型的装置在平滑转动中具有低的噪音和振动是另人满意的。齿槽效应转矩的产生与边界区域和极齿及极齿线圈相关的永磁体的设置有关。为了实现上述目的已经提出各种类型的设置。然而，能够而且应该做出更多来提高其性能。

例如，几种用来减小齿槽效应转矩的现有技术的直流电动机作为参考，其还有许多待改进之处。作为现有技术方法的第一个例子，日本公开专利申请JP-A-Heill-136886公开了一种以偏斜关系放置永磁体来减小齿槽效应转矩的设置。这种结构使用通过间隙间隔分开的多个近似弓形的永磁体。在永磁体之间的间隙相交的斜拱角设置为比不相交的斜拱角小，从而减小齿槽效应转矩。使用这种类型的解决方案，实现可变的斜拱角和好的精确度的磁化是困难的。

日本公开专利申请JP-A-2001-359266公开了另一种通过轴向地把转子分成许多部分减小齿槽效应转矩的方法，每个部分按照与每个齿槽效应转矩相关的半个周期对应的机械角度绕旋转轴圆周地移动。该解决方案的问题是转子在轴向上只分成两部分并且只能按照齿槽效应转矩的半个周期移动。转子不能分成更多数量的段，也不能确定一个适当的位移角。因此，不能有效的减小齿槽效应转矩。

还有另一种方法在日本公开专利申请JP-2000-308287中公开，其中将转子铁心分成了许多块，每一块在旋转方向上移动，在块之间插入非磁性材料薄板以形成一个整体。这种结构防止磁通在转子铁心的分开块中泄漏。然而，一定数量的分开段之间的位移角不能准确的确定，并且齿槽效应转矩不能有效的减小。

除了在现有技术结构中已经出现的前述缺陷外，还没有考虑抑制反向电动势波形的失真。因为这个附加的问题，这种性能不会明显的改善。

因此本发明的主要目的是提供一种不仅能减少齿槽效应转矩而且可抑制反向电动势波形失真的装置。

发明内容

本发明适用于包括由绕轴相互相对转动的一个转子和一个共同转动的定子组成的磁场型旋转电动装置。转子和定子中的一个由许多沿圆周隔开的永磁体组成，转子和定子中的另一个由多个沿圆周隔开、缠绕线圈绕组的极齿组成。按照本发明，将多个沿圆周隔开的永磁体和多个沿圆周隔开的、缠绕线圈绕组的极齿中的至少一种在轴向上分成多个段(n)。这些段围绕该轴以相互间隔θ度角沿圆周移动。位移角θ可表示为θ＝360°/(A*n)，其中，A是极齿数和磁体数的最小公倍数。

附图的简要说明

图1是实施本发明的一个旋转电动机的转子的分解透视图；

图2是表示转子磁体重叠关系和它们交错关系的转子展开图；

图3是一个段的电动机齿槽效应转矩的曲线图；

图4的曲线图表示第一个实施例中所有段的齿槽效应转矩和合成齿槽效应转矩以示出由交错关系的影响减小；

图5是曲线图，如图3，该图表示了该单段电动机的齿槽效应转矩和对单个齿槽效应周期的波分析形；

图6是曲线图，如图4，该图表示了该实施例中所有段的齿槽效应转矩和对单个齿槽效应周期的波分析形；

图7-9表示了用傅立叶变换导出的单段电动机波形大小的12个波次；

图10-12表示了用傅立叶变换导出的所有段的电动机波形大小的12个波次；

图13表示了单段电动机的反向电动势(BEFM)；

图14表示了该实施例中所有段的反向电动势(BEFM)及其总和，以示出该形状是多么的平滑；

图15是本发明6段实施例的转子侧视图；

图16是图15中所示的每一段的一组端视图，以解释所有段中磁体的角度偏移；

图17是部分类似于图16的一组端视图，但是表示了相互叠加的邻近段和所有段的叠加。

图18是表示如何通过改变偏移段的数量而影响齿槽效应转矩的曲线图；

图19是表示反向电动势与偏移段的数量之间相互关系的曲线图。

详细的说明

现在详细参考附图，首先参考图1，其示出了本发明三段偏斜的转子铁心的一个分解透视图，转子铁心通常由附图标记21表示。仅仅示出了相关旋转电动机的转子21，而电动机的其它部分可以是任何合适的结构。也就是说，相信下面的描述容易使所属领域的技术人员在完整的电机中实现本发明，该电机是电动机或发电机。虽然上述描述属于轴向隔开地沿圆周交错关系设置的永磁体的实施例，如将要描述的一样，缠绕电动线圈的铁心周围也可以以形成交错地轴向隔开的关系形成或者元件都可以这样一种形式形成。

在这个实施例中，转子铁心21由沿轴C的轴线放置的三个轴向隔开的圆柱铁心部分21a、21b、21c组成。每个分开的铁心部分21a、21b、21c由层压的钢片组成，该钢片上具有沿圆周边部分以均匀的间隔嵌入例如12片同样的板状永磁体22以构成相同分布的IPM型三段斜转子21。由于具有该铁心部分，每一部分的磁体都看成是相同的(22a、22b、22c)。

每个铁心片21分别具有用于插入转子轴(未示出)的轴孔23。每个分开的铁心部分21a、21b和21c分别通过键槽23a、23b、23c的方式以各自的键(未示出)的方式不旋转地固定到转子轴上。

分开的铁心部分21a、21b、21c按位移角α沿箭头D所示的那样沿圆周交错。例如，在最上面的铁心部分21a中永磁体22a从一个参考位置(例如键槽23a)以α角固定。在第二铁心部分21b中类似的对应永磁体22b以α+θ的位移角放置。在最下面的铁心部分21c中最后对应的永磁体22c按照α+20的位移角放置。

磁体的这种圆周交错在展开图2中更好的示出，如图2所示，构成三段的一个斜度的三个磁体22a、22b、22c相对于相邻的磁体按照一个3.33度的角放置。这样，上述第三段磁体22c从上述磁体22b按照3.33度和从上述磁体22a按照6.66度放置。

当图1所示的实例中的电动机有12个极并配合一个有18个缠绕极齿定义18个槽的铁心时，齿槽效应转矩的一个周期T如下：T＝360°/(槽和极的数量的最小公倍数)＝360°/36＝10°。

这样，在三段偏斜的情况中θ角近似等于周期T除以3，即10°/3＝3.33°。

换句话说，假定槽数和极数的最小公倍数是A，转子铁心分度数是n，位移角如下：θ＝360°/(A*n)。

三段中具体的斜转子的影响可以通过参照图3和图4理解，其中，图3是没有偏斜、有一个不分开的转子铁心的单段转子曲线图，图4是三段偏斜的转子曲线图。如图3所示，上述单段电动机的齿槽效应波形在10度的一个周期下重复。该波形的垂直(峰值到峰值)宽度是0.662Nm。该垂直宽度和齿槽效应转矩强度一致。

如图4所示，本发明的该实施例中，用虚线表示的波形a，b，c分别从三个分开的铁心部分产生。虚线波形a，b，c按3.33度角相互移动，每个虚线波形有一个10度角的周期。对整个转子，用黑体线的波形d表示来自上述三个波形a，b和c总和(a+b+c)的结果。与齿槽效应转矩强度一致的波形d的垂直(峰值到峰值)宽度是0.013Nm。换句话说，这说明通过三段中偏斜磁体23大大地减小了齿槽效应转矩。

图5和图6分别示出了分析图3和图4中所示的齿槽效应波形的一种方法。这种方法是采用离散傅里叶变换(DFT)的一种频率分析。图5是没有偏斜、有一个不分开的转子铁心的传统的单段转子曲线图。图6是依照图1和图2的实施例中三段中偏斜一个转子的曲线图。

现在特别参考这些附图，当图5中齿槽效应波形的一个周期用DFT分析时，齿槽效应在每个波次(水平轴)中出现。在单段的情况下，所有波次的齿槽效应部分合并为整体的一个齿槽效应转矩，这些将通过参照图7-9简短的描述可看到。

另一方面，图1和图2描述的实施例和如图6所示，齿槽效应只在3，6，9……的3的倍数的波次数中出现。在其它波次数中的齿槽效应部分象分开的齿槽效应波形中的偏移一样消失。作为一个结果，通过参照图10-12的简短描述，三段中偏斜的整体齿槽效应的减小变的明显。

当图5中的单段转子用傅里叶变换分析时，图7-9示出了每个波次中齿槽效应的正弦波形模式。如所示的一样，齿槽效应在第1-12个波次的每一个波次中出现。各个波次中齿槽效应波形按与上面描述的图5的曲线图中各个波次的齿槽效应波形相一致。

当图6中三段偏斜的转子用傅立叶变换分析时，图10-12示出了各个波次中齿槽效应的正弦波形模式。如图所示的一样，除了三的倍数以外的波次：第1，第2，第4，第5，第7，第8，第10，第11的波次中，将分开的3个波形(用细线)进行叠加时，如用粗线所示它们等于0。另一方面，在第3，第6，第9和第12波次中，将所有分开的三个波形(用细线)叠加，如粗线所示作为3倍大小的和出现。因此，齿槽效应出现在3的倍数的波次上。该齿槽效应与上面描述的图6的曲线图中3的倍数的波次数中的齿槽效应相一致。

图13和图14示出了反电动势(back EMF)波形。图13是不带偏斜的传统单段转子的曲线图。图14是图1和2的实施例中三段中偏斜的转子的曲线图。如图13所示，上述波形相对于正弦波形大大地失真。另一方面，如图14所示，象图1和2实施例中用粗线所示的三段相位差的波形与图13中波形相比较是接近的正弦波形，具有1.429％的大大地减小反电动势失真率。

按照本发明的另一个实施例，现在参照图15-17示出了六段偏斜的转子结构。在这个实施例中又仅通过转子来说明，转子通常用附图标记31表示。与先前描述的带有图1和2的实施例相同，转子能与任何传统的或期望的结构中的缠绕铁心配合。

由6个分开的片组成的转子铁心31与转子轴30整体地固定。转子铁心31由用一种合适的方式，如铆钉32，不旋转的连接在一起的6个轴向分开的段31a组成，铆钉32通过每段31a中排列的孔。每个分开的铁心部分31a用穿过各自段31a的迭片结构的排列孔的小铆钉33连接在一起的层压钢板制成。在相互沿圆周的移动的位置提供相邻段的小铆钉33。铆钉位置相反的分开的铁心部分钻一个间隙孔34以除去连接相邻段31a的迭片结构的铆钉33头部。

在这个实施例中，在每个分开的铁心截面31a的周围部分形成十二个磁体接收孔35，以接收并保持类似平板状的永磁体(未示出)。

如以前记载的一样，定子(未示出)围绕转子铁心31的外圆周放置，这样以构造出如直流电动机。定子(未示出)具有一个定子铁心，如带有18个极齿从绕有18个线圈的转子的外圆周放射状延伸的定子铁心。这样线圈绕组延伸组成18个槽。每个线圈的磁体平面面向转子永磁体放置。从而，形成带有18个槽和12个磁极的直流电动机。

如图16所示，每个分开的铁心部分31a钻有通孔。它们包括3个用于连接全部6段的贯穿铆钉32的插入贯通孔36；3个用于将每一段的迭层钢板连接在一起的小铆钉33的插入贯通孔37；3个用于除去相邻段的小铆钉33的头部的清除孔34。

如图16所示，当插入到插入孔36的贯通铆钉32固定在合适的位置时，每个分开的铁心段31a(磁体接收孔35)的永磁体的位置从一段到另一段按照1.667度逆时针方向放置。因此，如图16所示，当这些段通过相邻对重叠时，如图17所示，磁体接收孔35沿圆周放置。

如结合图1和2的实施例描述的，位移角θ可定义为θ＝360°/(A*n)。在本实施例中，A(槽数和极数的最小公倍数)＝36，n(分开段的数量)＝6，这样θ＝360°/(36*6)＝1.667°。

图18是表示齿槽效应转矩和偏斜段数量之间关系的曲线图。从该图中可以看出，齿槽效应转矩能够通过使段的数量为3或更多来减小到最大范围。

图19是运动电动势(反电动势)失真率(THD)和斜段的数量之间的关系的曲线图。也可看到，反电动势失真率能够使制成段的数量为3或更多来减小到最大范围。

从在前的描述中容易明白，由于从多个偏斜的分开的铁心部分中制成永久磁体元件，因此通过根据分开段的数量而得到的分开铁心部分的位移角θ的合适确定来减小齿槽效应转矩是可能的。总之，由于根据分开段的数量设定位移角θ，能够减小或消除反电动势。因此，与本发明相一致，通过采用n个段中偏斜的设置，补偿或消失除了一个周期内齿槽效应波形的第n个波次的倍数部分以外的谐波，齿槽效应转矩大大地减小。这种设置也使得减小反电动势的失真率、使电动势波形接近正弦波形、改进具有减小转矩脉动的齿槽效应特性、限制产生振动和噪音、提高运行性能成为可能。

如前所述，通过偏斜多个缠绕极齿轴向分开的段或两者的结合也可得到这种效果。

因此，所属领域的技术人员容易知道，所述的实施例的描述只是本发明可以采用的代表性的多种形式，在没有脱离本发明的精神和范围内可以采用各种形式的变换和改进，如附加的权利要求所限定的。

Claims (8)

1、一种磁场型旋转电气装置，由绕轴互相相对旋转的转子和共同转动的定子组成，所述转子和所述定子中的一个由多个沿圆周隔开的永磁体组成，所述转子和所述定子中的另一个具有多个缠绕线圈绕组的沿圆周隔开的极齿，所述多个沿圆周隔开的永磁体和所述多个缠绕线圈绕组的沿圆周隔开的极齿的至少一种在轴向上分成多个段(n)，其中每一段沿所述轴相互间相对于间隔一个θ角度沿圆周隔开，所述位移角θ表示成θ＝360°/(A*n)，其中，A是极齿数量和磁体数量的最小公倍数。

2、如权利要求1所述的一种磁场型旋转电气装置，其特征在于n≥3。

3、如权利要求1所述的一种磁场型旋转电气装置，其特征在于所述永磁体轴向分开。

4、如权利要求3所述的一种磁场型旋转电气装置，其特征在于每个部分的永磁体用叠层铁心安装。

5、如权利要求4所述的一种磁场型旋转电气装置，其特征在于每个单独的铁心部分的迭片通过第一扣件相互连接，所有的铁心部分通过第二扣件在它们的圆周位移上粘贴在一起。

6、如权利要求5所述的一种磁场型旋转电气装置，其特征在于扣件由铆钉组成，该部分相邻的第一扣件互相沿圆周偏移。

7、如权利要求6所述的一种磁场型旋转电气装置，其特征在于每个相邻部分由间隙孔形成以除去另一相邻部分的第一扣件上的铆钉。

8、如权利要求7所述的一种磁场型旋转电气装置，其特征在于n＞3。

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