CN1575537A - 单相同步交流电机 - Google Patents

Abstract

单相同步交流电机包括承载单相绕组(3，4)的叠片铁心定子(1)和位于定子内腔(5)中的永磁转子(2)。定子内腔是拉长形状的并且大体上关于短轴(13)和长轴(14)对称。永磁反应转矩消除由于单相绕组形成的二次电频率转矩脉动。当施加额定负载转矩时，在所有的转子位置得到基本上恒定的转矩。电机可以如此设计使得对于任何额定的负载转矩值能够获得恒定转矩，该负载转矩等于永磁反应转矩的幅值的一部分。对于来自交流电源的操作，电机能够被设计来获得有用的输出/额定转矩比。

Description

单相同步交流电机

技术领域

本发明涉及具有带绕组的定子和永磁转子的单相同步交流电机。利用永磁反应转矩来至少部分地消除这种电机的二次电子频率转矩脉动特性。

背景技术

以单独的励磁绕组工作的任何类型的单相交流电机都产生被描述成驻波的电流密度分布的基波分量。这个驻波能够被分解成两个在相反方向交替的行波，从而允许单相电机或者以顺时针方向运转、或者以反时针方向运转。这既可应用于异步(感应)运行电机，也可应用于同步运行电机。与交替方向为相反方向的电流密度波动在两倍的电子频率处产生脉动转矩。这种脉动转矩在所有类型的单相交流电机中导致振动和噪音。

附加的第二或辅助绕组的位置和电流分别在空间和时间上相对于第一绕组移位，消除或减小反向行波并且加强前向波，模拟多相电机。第二绕组中电流的时间位移可以通过使用电容器获得。通常，与负载转矩的值相对应，电容器将被定大小(sized)来将反向行波减到最小，从而将脉动转矩减到最小。使用具有高阻抗/电抗比的辅助绕组，或者通过使用校正线圈，可以不是很高效和有效地减小脉动转矩。

带永磁转子和单相绕组铁心叠片定子的单相同步电机具有经得起用于小型家用设备检验的特性。这些电机通常不包括辅助绕组、电容、或校正线圈。这些电机的优点可以被总结如下：

*简单的低成本结构

*每单位体积的功率输出高

*高可靠性和低电磁噪声——无刷

*由于永磁励磁，所以效率高

*同步转速

如果没有减小反向行波的装置，由定子和转子磁场互相作用产生的脉动转矩较大。脉动转矩的幅值能够大于负载转矩，导致转子瞬时速度调制的幅值典型地介于同步转速的20％-40％之间。如果转子和定子磁极相互对准，则没有可利用的转矩来通过激励定子绕组启动电机。为了使这种电流转矩能够起到允许自启动的作用，需要一种使转子和定子磁极不重合的方法。但是，由于开槽而形成的永磁反应转矩或起动转矩产生了防止磁极不重合的效果。普遍采用异步磁阻变化来克服这个问题，通过由于开槽形成的起动转矩引起相移来使转子和定子磁极不重合。在绕组激励之前，永磁反应转矩通过位移角γ使转子和定子磁极不重合，导致转子静止在反应转矩为零的稳定的转子位置。为了获得足够大的位移γ值，不对称地形成定子气隙。依据单相绕组的激磁，形成电流转矩来将起动瞬变量启动。在电流、转子位置、和转子速度的状态达到适当的配合的时刻，转子进行同步转速的加速，并且必须具有足够大的加速，以便在小于一个电周期的一半时间内完成同步。

这种电机在小型家用设备之外的更广阔的应用被下面的特征所限制：

1.转子和负载的转动惯量必须足够小来允许同步。这给转子直径和额定功率设置了极大的限制。

2.除非使用机械较正装置，否则对旋转的最后方向没有控制。

3.摩擦转矩必须足够小，以便转子能够静止在可以起动的位置。通常，位移角γ是有限的。

4.设计稳定运转的电机是很难的。速度依赖于阻尼的负载是最合适的。

5.二次电子频率转矩脉动能够导致波动和噪音问题。

已经建议了使用辅助绕组或校正线圈在具有永磁转子的单相同步电机中减小脉动转矩的可选择的方法。在US4812691中建议了消除二次电子频率转矩脉动的机械方法。单相永磁电机的电磁转矩由电流转矩产生的二次电子频率脉动和交变永磁反应转矩组成。这个电磁转矩可以分解成直流分量和二次电频率的交变分量。在US4812691中，使用在负载传输路径之外作用的机械装置对交变分量的相位和幅值进行补偿。该装置包括凸轮和从动轮机构，包括设置在转子轴上的凸轮和弹性压靠在凸轮上的凸轮从动轮。从动轮通过压紧弹簧的方式被压靠在凸轮上。反向旋转增强了而不是削弱了交变转矩，因此需要仅允许正向旋转的附加机械阻挡装置。这个建议提供了上面描述的问题2至5的解决方法。能够提供在所有的转子位置等于负载转矩的净驱动转矩(net driving torque)，包括电流转矩为零时，转子和定子磁极对准的转子位置。但是，作为附加补偿机械装置的结果，整体结构变得更笨重、更复杂、效率低和可靠性低。

在GB1119492中建议了消除二次电子频率转矩脉动的可选择的电磁方法。永磁反应转矩被用来补偿在一个旋转方向的电流转矩的交变分量。通过安装在轴上的附加的永磁体及它自己的铁心磁通回路轭来获得所需的反应转矩的相位和幅值。其实施还要求由相互移位90°的两个元件组成主要的转子磁体，这会以因数

将绕组耦合的有用的磁通削减。这减小了电机功率。进一步，附加磁体的体积必须基本上获得所需的反应转矩的幅值。更高的总转动惯量导致电机的起动能力被实质上被降低。作为附加补偿机械装置的结果，整体结构变得更笨重和复杂，该补偿机械装置实际上构成了没有绕组的第二电机结构。

EP0358806建议了具有闭合的定子内腔的单相永磁电机，该闭合的定子内腔在定子磁极中心区域具有加宽的气隙。这提供了位移角γ＝90°，它将在稳定的磁阻静止位置的锁定转子转矩最大化以便用于起动。但是，当γ＝90°时，不稳定的静止位置与转子和定子磁极相对准的零电流转矩位置相符。因此，如果在这个磁极对准位置出现摩擦转矩，则没有可利用的反应转矩来克服摩擦力从而使转子和定子磁极不重合来允许起动。

JP10-108450建议了包含具有椭圆形气隙的永磁转子的装置，作为发电机或步进电机用于例如手表的小型电子装置。目的是生成非正旋波的反应转矩来提高发电或步进电机性能，包括步进动作的更高的效率和可靠性。气隙的几何定位相应于γ＝0°或γ＝90°。

会议公开文件“具有外转子的单相同步电机的设计”，C.Koechli，M.Jufer，附加运动控制系统和设备，旧金山，2000年，第33-39页，(‘Design of a single phase synchronous motor with external rotor’，C.Koechli，M.Jufer，Incremental Motion Control Systems and Devices，SanFrancisco，2000，pp.33-39)建议了外转子型单相永磁电机，其定子具有一对用于绕组的槽和通过在定子表面的一对槽口提供的不对称气隙。槽口将起动转矩或由于槽而形成的永磁反应转矩相移。得到的永磁反应转矩用来减小电流转矩脉动。如在后面将变得清楚，净反应转矩(netreluctance torque)越大，能够被消除的电流转矩脉动就越大。仅仅使用局部槽口或使用台阶状不对称来阻止获得较大的反应转矩，从而确保在高转矩输出消除电流转矩脉动。进一步，在位移角γ的更高值，由于取消了槽口和槽的基波分量，定子槽将净反应转矩削弱。例如：通过槽口与槽之间有70°的位移，获得了净位移角γ＝45°，槽口的反应转矩成分必须大于槽的反应转矩成分的1.3倍。在这种情况下，净反应转矩的幅值被削弱到仅为槽口成分的64％。这个问题对于更高的γ值来说更糟。

这些复合特性限制获得平滑的转矩时的转矩输出，考虑到永磁材料的等级或剩余磁通密度的利用。另外，如下面将要描述的，为了获得更好的输出(pullout)与额定输出的比，需要γ的值大于45°。但是，由于定子槽的存在很难获得较高的净反应转矩值和较高的位移角γ值，从而不能容易地获得较好的输出率(pullout ratio)和较高的额定转矩。

JP11-098720描述了一种与上面描述的电机等效的内转子电机，它也使用由于槽形成的相移起动转矩来减小电流转矩脉动，并具有相似的限制。在这种凸极定子结构中，每个线圈的内径与每个定子磁极的宽度是相同的，允许简单地将预先缠绕好的线圈插入到每个磁极。但是，在小电机中，绕组I²R损耗显著地对减小效率作出贡献，以及较长的端绕组(end-winding)能够贡献这种损耗的最大的部分。在这种结构中，可以通过减小定子磁极宽度而减小端绕组损耗和铜的体积，但是这进一步限制了位移角γ。

US3,873,897建议了具有永磁转子的、气隙沿定子圆周以波动的方式变化的无刷直流电机，在这种方式中，气隙最小值和最大值之间的间距变化来产生非正旋波反应转矩，该非正旋波反应转矩消除脉冲调制的和非连续的电流转矩，该电流转矩是由于脉冲调制的和非连续的电流产生的。该电流通过DC逆变器被反馈到双线绕组。

发明内容

本发明的目的是构造单相同步永磁电机，该电机提供了对上面描述的问题2-5的解决方法，并同时提供了高转矩输出和输出比，或至少将有用的选择提供给公众。

根据本发明的第一方面，提供的单相同步交流电机包括：

定子，具有在其上形成的内腔；

一个或一个以上的线圈，形成用于在定子内生成磁通的单相绕组，和

永磁转子，安置在内腔的内部，其中转子和定子之间的磁阻随角度位置以这样的方式变化，使得反应转矩基本上与电流转矩的基波分量反相。

通过改变定子在不同区域的磁导率，或者通过与角度位置一起改变转子和定子之间的气隙，磁阻可以变化。优选地，定子内腔基本上是拉长的形状，并且相对于短轴和长轴是对称的，以便以基本方式调制反应转矩的相位和幅值。转子是或近似是Halbach磁化圆筒。优选地，定子内腔的短轴相对于电机的机械定子d轴偏移15°至90°。气隙调制的角度优选地介于40°和180°之间。气隙调制比优选地介于0.1到2之间。

根据本发明的另外的方面，提供的单相同步交流电机包括：

定子；

一个或一个以上的线圈，用于在定子内部生成磁通；和

转子，具有在其上形成的内腔来容纳定子，并具有一个或一个以上的、安置在内腔周围的、形成转子磁极的永磁体，其中，转子和定子之间的磁阻随角度位置以这样的方式变化，使得反应转矩基本上与电流转矩的基波分量反相。

通过随角度位置改变转子和定子之间的气隙尺寸，或者通过改变形成定子的材料的磁导率，磁阻可以变化。优选地，在气隙变化的位置，定子在横截面上基本上是拉长的形状，并且相对于短轴和长轴是对称的。转子是或者近似是Halbach磁化圆筒。优选地，定子横截面形状的长轴相对于电机的机械定子d轴偏移15°至90°。气隙调制的角度优选地介于40°和180°之间。气隙调制比优选地介于0.1到2之间。

附图简要说明

图1示出了根据本发明第一实施例的电机。

图2示出了本发明电机的电机转矩分量和合成转矩，以及电流和EMF/转矩函数。

图3示出了具有连续变化的、蜗牛形曲线形状的气隙的实施例。

图4示出了利用定子磁极之间气隙的实施例。

图5示出了利用具有不同导磁率部分的定子的实施例。

图6示出了根据进一步的实施例的电机。

图7示出了根据更进一步的实施例的电机。

图8示出了具有内定子和外转子的电机。

图9示出了电机的电机转矩分量和合成转矩，电机的电流超前EMF/转矩函数，以及电流和EMF/转矩函数。

图10示出了根据进一步的实施例的电机，用于根据图9的波形工作。

图11示出了电机的电机转矩分量和合成转矩，电机的电流滞后EMF/转矩函数，以及电流和EMF/转矩函数。

图12示出了根据进一步的实施例的电机，用于根据图11的波形工作。

图13示出了根据更进一步的实施例的电机。

实施本发明的模式

现在，将参考图1和2对根据本发明第一实施例的电机的工作进行描述。电机的主要部件是定子1、永磁转子2和由线圈3和4形成的单相绕组。容纳永磁转子2的内腔5是拉长的形状，并具有短轴13和长轴14。内腔的短轴相对于机械定子d轴(由“d”表示)偏移角度γ。角度γ由45°移位加上角度β₁组成。在机械定子q轴(由“q”表示)附近提供饱和桥6和7。

单相同步永磁电机的瞬时电磁转矩通过下式被高精确度地描述：

$T_e=i\frac{d{\mathrm{\λ}}_m}{\mathrm{d\θ}}-\frac{\mathrm{dW}(i=0)}{\mathrm{d\θ}}----\left(1\right)$

第一项描述电流转矩，由于转子磁体和励磁单相绕组之间的互相耦合而产生。这一项是瞬时绕组电流i和数值dλ_m/dθ的乘积。单相绕组的永磁体磁链由λ_m表示，它的关于转子位置的导数是dλ_m/dθ，并且应该被称为EMF/转矩函数。瞬时角速度和EMF/转矩函数dλ_m/dθ的乘积也给出了在绕组中由于转子动作而感应出的瞬时电动势(EMF)。第二转矩项给出了永磁体反应转矩，当绕组不施加电压时，作为永磁体存储的磁能的导数而获得。

电流i和EMF/转矩函数dλ_m/dθ都是正旋曲线。电机以这样的方式被设计和机械地施加负载，以便当运转时，EMF/转矩函数15(或EMF)和电流16被带入图2所示的各自的相。这就形成了在每个电周期内完成两个周期的正弦平方形状的脉动电流转矩17。通过具有适当的相位和幅值的正弦永磁反应转矩来消除脉动转矩，从而产生恒定的合成转矩19。为了产生恒定的转矩，永磁反应转矩的幅值必须被设置为等于脉动电流转矩峰值的一半。永磁反应转矩的幅值还等于额定负载转矩的幅值。对于恒定的转矩，反应转矩的相位角被如此设置使得反应转矩的正幅值与EMF/转矩函数或EMF的过零点相符。因此，在EMF/转矩函数或EMF的过零点，可以获得额定转矩，虽然，电流转矩在这些位置为零。图2中转矩的重叠相应于正向旋转。在任何情况下，正向旋转的方向应该被定义为：在EMF/转矩函数的过零点由正号永磁反应转矩所决定。对于反向旋转，脉冲电流转矩的符号是反向的，产生电流转矩和反应转矩的重叠，它加强了转矩脉动。

为了获得简单的和紧凑的电机结构，电流转矩和永磁反应转矩都在具有相同磁体的相同的气隙中形成。

对于图1中所示的两极电机，永磁转子是，或至少大约是Halbach磁化圆筒。在这种情况下，理想的两极外磁场Halbach磁化是正相反的(diametrical)。特别对于具有两个以上磁极的转子，Halbach磁化作用也可以近似使用分段Halbach圆筒，在该分段Halbach圆筒中的每极至少有一段。为了获得反应转矩，调制径向气隙长度来调制磁阻。反应转矩在每个电气周期内完成两个周期，要求每电极节距的气隙调制的周期。使用Halbach磁化圆筒形的转子确保反应转矩基本上为正弦曲线。气隙调制的每个周期以形成可区分的短轴和长轴的方式变化，使得气隙在横截面上通常是拉长的。优选地，气隙调制关于长轴和短轴都对称，并且可以连续地或不连续地变化。气隙能够沿整个周长被调制，或至少沿定子内腔的重要部分。调制整个周长的连续形状的范例是a+bcos(2θ)形式的蜗牛形曲线和椭圆形。图1示出了气隙沿内腔的一部分以矩形方式被调制的范例。对于气隙调制的每半个周期，被调制的定子内腔部分通过气隙调制角ψ被定义。对于图1中的气隙，ψ近似为120度，并且如果ψ＝180度，定子内腔成为矩形。任何有益的气隙调制应该提供较高的定子绕组永磁磁链和较高的反应转矩。可以通过对比磁链和反应转矩的乘积评价气隙形状的有效性。与图1中的形状相似的气隙调制特别有益，具有ψ的值介于40和180度之间。ψ的值介于70和150度之间对于提供高反应转矩同时还提供高磁链更有用。图13示出了有用的气隙调制的另一个范例，在该范例中，为清楚起见，省略了单相绕组和定子回路轭，沿内腔固定半径的弧部分调制气隙。

单相绕组的激磁在定子气隙的圆周上形成相反极性的定子磁极。分开这些磁极的槽是闭合的，形成饱和桥6和7。定子内腔的闭合形式允许气隙调制的定位被简单地调节到任意值，并且从而以位移角γ定义的永磁反应转矩的相位被简单地调节到任意值。无需由于槽的起动转矩的相移。

定子可以用钢叠片或类似的介质制成。但是，也可以使用其它适于传导磁通例如软磁复合材料的介质。

对于连接到主电源的小型和低输出功率的电机，可能需要由成千上万匝组成的单相绕组。为了简化结构，承载单相绕组的绕线筒9和10在装配之前被缠绕。定子叠片在一端部形成开口铁芯11和12，从而允许绕线筒9和10被插入定子铁芯11和12。然后，通过在定子铁芯之间插入叠片回路轭8，磁路被闭合。叠片回路轭8可以以不同的形状实现，并且以跨接开口铁芯11和12的不同方式被固定。饱和桥6和7还为定子铁芯提供机械支撑。

转子位置和相位角参考机械定子d轴(由“d”表示)，反过来d轴又参考机械定子q轴(由“q”表示)根据90度电角度位移。而机械定子q轴由标记饱和桥和定子内腔边缘的交叉点最窄的部分的点的连接线所决定。形成饱和桥的形状的半圆形孔的中心被如此定位，以至于造成每个饱和桥相对于机械定子q轴对称变窄，这可能造成一个半圆形孔具有在机械定子q轴的下面的中心，而另一个半圆形孔在其上，如图3的蜗牛形曲线气隙所示。在图3中，为了强调定子和转子的形状，单相绕组和定子回路轭被省略了。

当电流从零上升的时候，饱和桥通过定子磁场迅速磁饱和，防止永磁磁通将单相绕组短路。电流是造成饱和的主要原因。

随单相绕组停止励磁或开路，转子旋转生成非正弦形状的开路EMF。在定子绕组励磁的情况下，由于饱和桥的饱和，由于转子旋转形成的闭合回路EMF是正弦曲线并且具有比开路EMF更大的基频幅值。

气隙调制的幅值和定位还影响EMF和EMF/转矩函数。气隙调制不会影响闭合回路EMF和EMF/转矩函数的正弦形状，但是会给闭合回路EMF和EMF/转矩函数15的基波分量引入相位滞后β₁，如图2所示。这个相位滞后的结果是将电轴从机械轴移位。参考图3，其中旋转的正向是顺时针方向，然后基本闭合电路EMF和EMF/转矩函数在电气定子d轴38滞后机械定子d轴角度β₁处过零点。类似地，电气定子q轴39滞后机械定子q轴角度β₁。并且在转子角度θ＝β₁时，基频永磁磁链到达最高点。

在图2中，位移角γ相应于反应转矩在稳定的静止位置过零的转子位置。为了获得恒定转矩，介于闭合回路EMF/转矩函数的过零点和反应转矩的稳定的静止位置之间的相位角是45电角度。这个45度相位关系通过由于气隙调制的相位滞后β₁被减小。这导致转矩波动。45度电角度相位关系可以通过增加或补偿气隙定位、或位移角γ重新建立，以便

γ-β₁＝45  电角度          (2)

相位滞后β₁以拟正弦(quasi-sinusoidal)方式变化，在γ＝0°和γ＝90°的气隙定位点过零。γ的正确值通过迭代解法获得。比较好的精确解法通过第一迭代法获得：

γ｀＝45°+β₁(γ＝45°)    (3)

对于正确的解，β₁的范围典型地从3到20度电角度，从而生成γ的正确解答范围为48到65度电角度，由气隙调制的幅值而定。对于γ值介于45°到70°之间还可以获得有用的结果，虽然最好的效果是通过γ值介于50°到60°之间获得的。

对于单相同步永磁电机，在起动之前，永磁反应转矩在转子和定子磁极对准的位置必须足够高，来克服摩擦从而将转子移动到电流转矩不为零的可起动位置。对于本发明，在转子和定子磁极对准的对应位置，在此位置电流转矩为零，反应转矩等于它的幅值T_r，从而提供可能的最大移动转矩。此外，移动转矩的幅值是较大的，等于额定负载转矩。

当电流开始从零增加时，由于饱和桥的饱和，定子绕组感应系数迅速下降。这导致了在电周期内感应系数的调制。在连接到AC电源的期间，感应系数调制引起三次谐波电流。三次谐波电流造成转矩波动。但是，转矩质量依然较高。对于足够小的、通过直接连接到AC电源来同步的电机，转速调制的幅值被减小到少于同步转速的2％。所有内部电压是理想的正弦曲线使得本发明能够连接到正弦电压源。单相绕组的匝数是特定的，以便闭合回路的EMF和电流在额定负载时同相。使反应转矩的幅值大小合适来与额定负载相匹配。

在直接连接到AC电源的情况下，旋转方向能够自动修正到正向。如果负载转矩的相当大的部分由速度决定，并且如果永磁反应转矩的幅值与总转动惯量的比值足够高，那么旋转方向自动修正。为了自动修正，与通过直接连接到AC电源的自起动的传统设计相比，给与转动惯量最大值更大的限制。因此，自动修正设计将比传统的设计更小。自动修正能力通过增加永磁材料的剩磁、增加极数、以及减小转子直径被提高。

包含自动修正能力从而使本发明能够解决开始时描述的问题2至5。

对于太大以至于不能自动修正其旋转方向、但是足够小从而能够依靠直接连接到AC电源自起动和同步的设计，对于电源电压接通角的随意分布，反向的同步在统计学上是优选的。这要求负载具有阻碍反向旋转的能力，或使用机械装置来妨碍反向旋转。本发明可以使用的应用包括干燥旋转剃须刀和用于家庭中央供暖系统的热水循环泵。

对于运转电容型单相感应电机，反向行波在负载的额定值被理想地消除，将转矩波动最小化。在模拟方式，本发明在额定负载消除转矩波动。类似地，当负载增加到超过额定负载、或减小到接近没有负载时，转矩波动变大。电机的容量可以增加到大于通过直接连接到AC电源可以自起动的容量，通过包括电子起动电路。对于更高的转子和负载转动惯量能够出现同步的低成本起动电路的范例由用于转子位置检测的霍尔传感器、与AC电源串联的三端双向可控硅元件、以及用于直接AC到AC频率变换的电机组成。这允许单相AC电机的解决方案能够以简单的结构实现，具有较低的振动和噪声、并且效率高，打算用于多种使用单相感应电机的应用。成本较高的起动电路的范例是三端双向可控硅元件被单相逆变器取代，单相逆变器还提供增强的转矩—速度控制。

在所有转子位置上的恒定转矩解决方案还在机械负载转矩T₁的值小于永磁反应转矩T_r的幅值的情况下存在。通常，恒定转矩解决方案在额定负载转矩值的情况下存在，以便

T₁＝kT_r，    0≤k≤1    (4)

K＝1的解决方案确定到现在为止描述的实施例，其中电流和EMF/转矩函数同相，如图2所示。通常，对于恒定转矩，单相同步永磁电机的瞬时电磁转矩与恒定负载转矩相等：

$i\frac{d{\mathrm{\λ}}_m}{\mathrm{d\θ}}-\frac{\mathrm{dW}(i=0)}{\mathrm{d\θ}}=T_1---\left(5\right)$

通过忽略气隙调制造成的相移β₁，闭合回路EMF/转矩函数，dλ_m/dθ，通过下式精确地描述：

$\frac{d{\mathrm{\λ}}_m}{\mathrm{d\θ}}=p{\mathrm{\λ}}_m\sin -\left(\mathrm{p\θ}\right)---\left(6\right)$

其中p＝极磁对数

    λ_m＝永磁磁链的幅值

    θ＝参考定子机械d轴的转子机械角度

正弦永磁反应转矩由下式说明：

$-\frac{\mathrm{dW}(i=0)}{\mathrm{d\θ}}=-T_r\sin \left[2p(\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ})\right]----\left(7\right)$

其中δ＝未补偿的永磁磁阻位移角

需要得到恒定转矩的电流波形通过把等式(4)、(6)和(7)代入等式(5)而得到：

$i=\frac{T_r\{k+\sin [2p(\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ})\left]\right\}}{p{\mathrm{\λ}}_m\sin \left(\mathrm{p\θ}\right)}----\left(8\right)$

为了得到有限电流波形

k＝sin(2pδ)             (9)

然后，对于k的每一个值，作为位移角δ的允许值存在两种解决方案：

${\mathrm{p\δ}}_1=\frac{\arcsin \left(k\right)}{2}----\left(10\right)$

pδ₂＝90°-pδ₁    (11)

其中，在正弦函数的第一象限计算arcsin(k)。将(9)代入(8)得到

$i=\frac{{2T}_r}{p{\mathrm{\λ}}_m}\cos \left[p(\mathrm{\θ}-2\mathrm{\δ})\right]----\left(12\right)$

等式(12)示出了使用正弦电流能够在任何情况下获得恒定转矩。电流的相位角通过位移角的值或气隙定位δ被确定。反过来，气隙定位又是k的值的函数。

对于同步运动，通过将等式(6)给出的EMF/转矩函数与机械角速度ω_e/p相乘而得到闭合回路EMF。通过比较等式(6)和(12)，EMF峰值e_pk和电流峰值i_pk之间的相位差由下式给出：

σ＝90°-2pδ          (13)

移相器的质量可以参考端电压。端电压表示成时间t的函数是：

v＝v_pksin(ω_et)        (14)

并且v_pk和e_pk之间的相位角通过负载角θ₀来定义。因此，v_pk和i_pk之间的相位角是

φ＝θ₀+σ             (15)

然后，端电压可以由电阻、电感和EMF电压构造。恒定转矩解决方案分类如下。对于k＝1，由等式(10)和(11)给出的未补偿的位移角生成了δ₁＝δ₂＝45°电角度的单一解决方案。等式(13)示出了这种情况，e_pk和i_pk同相，或它们的各自的RMS移相器的值E和I同相，如前面描述的。这种解决方案在表1示出。对于相应于根据等式(10)的未补偿的位移角δ₁的0≤k＜1，出现一组恒定转矩解决方案。δ₁解答的范围在表1中示出。等式(13)示出了δ₁的范围，电流I超前EMF E。相应于根据等式(11)的未补偿的位移角δ₂的0≤k＜1，出现第三组恒定转矩解决方案。δ₂的解答范围也示于表1中，并且特征在于I滞后E。

表1  恒定转矩解决方案集(所有角度都是电角度)

K	δ	特征在于	β1	γ
					0≤k＜1	0≤δ1＜45°	I超前E	0-25°	0°-70°
1	δ1＝δ2＝45°	I和E同相	0-25°	45°-70°
					0≤k＜1	45°＜δ2≤90°	I滞后E	0-25°	45°-90°

如前面描述的k＝1的解决方案，为了获得恒定转矩，在闭合电路EMF/转矩函数的过零点和反应转矩的稳定静止位置之间的相位角是δ＝45°电角度。类似地，通常对于所有的解决方案，为了获得恒定转矩，在闭合电路EMF/转矩函数的过零点和反应转矩的稳定静止位置之间的相位角要求是δ的电角度。δ相位关系通常通过由气隙调制形成的相位滞后β₁来减小，气隙调制生成转矩脉动。与前面描述的相似的方式，通过增加或将气隙定位补偿到位移角γ，δ相位关系能够被重新建立，以便

γ-β₁＝δ电角度             (16)

相位滞后β₁是γ和气隙调制的幅值和形状的函数。γ的修正值通过迭代算法获得。比较好的精确解决方案由第一迭代法得到：

γ｀＝δ+β₁(γ＝δ)         (17)

对于正确的解决方案，β₁的范围典型地是从3到20度电角度，但是可以延伸到从0到25度。后面的β₁的范围被包含在表1中的每个恒定转矩解决方案集中来获得补偿的位移角γ范围。γ值定义气隙的物理定位。β₁的值在0.75＜k≤1的范围内典型地大于恒定转矩解决方案。

用k＝0，δ₁＝0，以及从而γ＝0表示的I超前E的解决方案，当稳定静止位置与转子和定子磁极对准相重合时，不具有自起动能力。

对于用k＝0，δ₂＝90°，以及从而γ＝90°表示的I滞后E的解决方案，当不稳定静止位置与转子和定子磁极对准相重合时，摩擦转矩的出现能够阻止自起动。因此，通常应该避免在γ＝0°或γ＝90°附近的恒定转矩解决方案以便允许自起动。对于这两种解决方案的任一旋转方向的工作特性是相同的。

对于k＝0.75的范例的恒定转矩解决方案证明如下。对于I超前E的解决方案，k＝0.75得到δ₁＝24.3°。等式(13)的应用示出了I以σ＝41.4°超前E。这个相移在图9中示出，电流16以σ＝41.4°超前EMF/转矩函数15。这产生了具有起负转矩作用的部分的正弦平方形的脉动电流转矩17。在特定的γ＝δ₁+β₁的适当相位角，反应转矩18的重叠得到幅值为永磁反应转矩的75％的恒定合成转矩19。

对于k＜1的解决方案的实施例，几何学上与例如图1和3说明的k＝1的解决方案是相同的，除了气隙的定位可能不同之外。图10示出了具有如图9所示的工作波形的实施例，其中省略了单相绕组和定子回路轭来强调基本特征。

对于I滞后E的解决方案，k＝0.75得到δ₂＝65.7°，等式(13)的应用示出了I以σ＝41.4°滞后E。这个相位滞后在图11中示出，其中电流16滞后EMF/转矩函数15。转矩的重叠得到幅值为反应转矩18的75％的恒定合成转矩19。图12示出了具有如图11所示的工作波形的实施例，其中省略了绕组和定子回路轭来强调基本特征。

在任何情况下，输出转矩出现在I超前E的角度。当I以90°滞后E时没有负载出现。从而，对于I滞后E的解决方案，以输出转矩和额定(恒定)转矩的比定义的输出比可能比较高。I滞后E的解决方案的特征在于超出45°的位移角γ的值较高，如表1所示。不考虑气隙的拉长的形状，对于由γ给出的所有的气隙定位的值，永磁磁链仍然是基本恒定的。在γ值较高时没有磁链的衰减提供切实可行的I滞后E的解决方案。这允许获得的输出比等于感应电机的额定转矩比的制动。当本发明连接到固定电压的AC电源时这是很重要的，作为好的输出比允许家庭使用中预期的电机负载变化。制动转子电流还可以趋向于较高，这可以提高起动能力。I超前E的解决方案的特征在于位移角γ的值较低，如表1所示。当要求的γ值较低时，可以使用传统的有槽制动转矩相移电机设计实施这种解决方案。

输出比是比较低的。依靠电机参数，存在k的阈值、从而γ的阈值，低于这些阈值时，I超前E的解决方案是不可实现的，因为额定负载角超过了输出负载角。低于额定负载的效率可能较高。

对于所有的解决方案，与具有开槽圆形内腔的传统的设计相比，永磁磁链幅值λ_m可能保持竞争性，功率输出和效率不会受到过度的影响。

有益的解决方案必须在输出比、输出、和效率之间提供平衡。关于上面描述的特征，平衡的解决方案应该避免具有较低的k值，并且应该趋于具有逼近于1的k值。k＝1的解决方案最好利用可利用的永磁反应转矩来提供最大的额定转矩。

表2描述了三种解决方案集的每一个的有益的参数范围。

表2  有用的恒定转矩解决方案

K	δ	特征在于	β1	γ
					0.5≤k＜1	15°≤δ1＜45°	I超前E	0-25°	15°-70°
1	δ1＝δ2＝45°	I和E同相	0-25°	45°-70°
					0.5≤k＜1	45°＜δ2≤75°	I滞后E	0-25°	45°-90°

表3描述了优选的参数范围。

表3  优选的恒定转矩解决方案

K	δ	特征在于	β1	γ
					0.7≤k＜1	22°≤δ1＜45°	I超前E	0-20°	22°-65°
1	δ1＝δ2＝45°	I和E同相	0-20°	45°-65°
					0.7≤k＜1	45°＜δ2≤67°	I滞后E	0-20°	45°-87°

根据下面的定义在表4中描述有益的气隙调制范围：

气隙调制比(AMR)＝(径向气隙长度-气隙间隙)/(磁体外半径-磁体内半径)(18)

气隙调制比沿长轴测量。

表4  气隙调制比

	AMR
		有用的范围	0.1-2
优选的范围	0.3-1

如果使用低等级的永磁材料例如铁氧体，每单位转子体积的转矩(TRV)典型地介于2到10kNm/m³之间，并且更典型地介于3到8kNm/m³之间，单位转子体积的转矩(TRV)可以在恒定转矩出现的时侯获得。

图4示出了图3所示的定子结构的变化，在定子磁极22和23之间提供气隙20和21。转子24被置于具有拉长形状的内腔25中。短气隙20和21减小感应相对于电流的变化从而减小转矩波动。这些气隙保持较小来确保反应转矩不会被过度地影响。

现在参考图5，示出了与图3中所示的实施例的进一步的差别。在这种情况下，定子由具有不同导磁率的材料形成，而不是调制气隙的形状。定子26具有在其上提供的圆形内腔27，但是，定子26的区域28具有与定子26的其它部分不同的导磁率，从而形成所需的反应转矩的调制。孔29还可能包含具有与定子26不同导磁率的材料。

图6阐明了另一个实施例，其中迭片定子30从定子磁极部分被装配，定子磁极部分具有定子内腔31和用于容纳定子线圈34和35的径向磁极冲槽32和33。环形回路轭36提供了磁路的回路。

现在参考图8，示出了反向电机设计。在这种情况下，在内部提供定子50并且转子51绕其旋转。单相绕组是单个线圈52绕在绕线筒53上的形式。绕线筒53安装在回路轭54上。提供孔55和56来形成饱和桥57和58。

在这种情况下，不是调制在定子上的孔，而是定子的外部形状通常是形成短轴和长轴62的拉长形。这在定子和转子之间制造了气隙，提供了所需的反应转矩的调制。定子的外部形状优选地是关于长轴和短轴都对称，并且可能连续地或非连续地变化。定子表面可以在整个周边被调制，或至少在重要的部分。转子51是在转子回路轭61内部的永磁体59和60的形式。转子磁化是理想的内磁场型Halbach磁化。这种设计能够适合电扇等的使用。

图7示出了与图1所示的实施例相似的实施例，除了单相绕组是在定子42的回路轭回路41上提供的单个线圈40的形式之外。在基本上为拉长的形状的内腔44中提供永磁转子43，如图1中的实施例。

对于不同的定子设计，可以对单相绕组线圈的放置和迭片回路轭的设计作各种各样的变化。转子可以包括一个或以上安装在轴上的磁体、或者可以包括一个或以上安装在铁或软磁轭上的磁体。

前面描述的本发明的对于k＝1的解决方案的同步和控制旋转方向的方法也适用于k的值小于1的情况。但是，对于小型电机，当k减小到k＝0时，自动修正或单向能力降低，此时的解决方案是双向的。

虽然在上面的实施例中本发明是结合两个磁极来阐明的，但是，应该理解到结合两个以上磁极的实施对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且被结合在本发明的范围内。

从而，提供了单相交流电机，能够生成大幅值和大相移的正弦永磁反应转矩。在AC电源频率使用低等级的例如铁氧体的永磁材料，电机获得了较大的反应转矩来确保在输出功率等级的恒定转矩，与传统的单相交流电机(例如感应电机)相比，可能具有竞争力。能够获得每单位转子体积的转矩值和在恒定转矩的气隙切应力，它们与相似尺寸和使用材料的传统电机相似。与单相感应电机的制动和额定转矩的比相比，电机生成足够大相位的反应转矩来获得有用的输出比。这是通过采用对称的和拉长的气隙来调制气隙磁阻、以及从而调制反应转矩的幅值和相位而实现的，以达到最大效果。如此做，还提供了克服如此大的气隙调制造成的EMF内的β₁相移的解决方案。在分离的定子铁芯上设置线圈允许匝数较高的简单的应用，如果需要用于电源电压。在分离的铁芯上设置线圈还允许端绕组(end-winding)间隔最小化，因此，将铜的用量最小化并且电机效率最大化。

从而，本发明提供了单相同步交流电机，具有简单、紧凑和低成本的结构，并具有高效率和低波动、低噪音。电机提供对于任何转子位置基本恒定的输出转矩，便于容易地起动电机。对于小型电机，电机旋转方向还自动修正并且从而无需附加的部件来控制电机方向。电机还具有高可靠性和低电磁噪音。对于选定的应用，能够设计电机来获得所需的输出比。

在前面的描述中，提及了整体或部件具有已知的替代物，那么，这种替代物在此引作参考相当于单独地被阐明。

虽然已经通过范例的形式对本发明进行了描述，但是，应当认识到，可以在不背离本发明的范围和精神的条件下进行改进和/或修改。

Claims (77)

1.一种单相同步AC电机，其包括：

定子，具有在其上形成的内腔；

一个或以上线圈，形成用于在定子内生成磁通的单相绕组；和

永磁转子，设置在内腔中，其中，转子和定子之间的磁阻随着角位如此变化，使得在使用中反应转矩基本上与电流转矩的交变部分呈反相。

2.如权利要求1所要求的电机，其中，磁阻随着角位的变化通过如此调制内腔的半径、使得内腔基本上关于短轴和长轴对称而得到。

3.如权利要求1或权利要求2的电机，其中，通过沿内腔周边的相当大的部分调制内腔的半径得到磁阻随着角位的变化。

4.如权利要求3所要求的电机，其中，沿内腔周边一半以上调制内腔的半径。

5.如权利要求3所要求的电机，其中，基本上沿内腔的整个周边调制内腔的半径。

6.如上述任一权利要求所要求的电机，其中，定子内腔是拉长的。

7.如上述任一权利要求所要求的电机，其中，气隙调制角(如这里所定义的)介于40到180°之间。

8.如上述任一权利要求所要求的电机，其中，气隙调制角(如这里所定义的)介于70到150°之间。

9.如上述任一权利要求所要求的电机，具有气隙调制比(如这里所定义的)介于0.1到2之间。

10.如上述任一权利要求所要求的电机，具有气隙调制比(如这里所定义的)介于0.3到1之间。

11.如上述任一权利要求所要求的电机，在气隙调制角(如这里所定义的)大于40°的范围，具有大于0.1的气隙调制比(如这里所定义的)。

12.如权利要求1到10中的任一权利要求所要求的电机，在气隙调制角(如这里所定义的)大于40°的范围，具有大于0.3的气隙调制比(如这里所定义的)。

13.如权利要求1到10中的任一权利要求所要求的电机，在气隙调制角(如这里所定义的)大于70°的范围，具有大于0.1的气隙调制比(如这里所定义的)。

14.如权利要求1到10中的任一权利要求所要求的电机，在气隙调制角(如这里所定义的)大于70°的范围，具有大于0.3的气隙调制比(如这里所定义的)。

15.如上述任一权利要求所要求的电机，其中，定子内腔包括沿内腔的轴通常是矩形截面的区域。

16.如权利要求1到7和9到10中的任意一项所要求的电机，其中，内腔的半径沿内腔的周边基本上被连续地调制。

17.如权利要求1到7和9到10中的任意一项所要求的电机，其中，定子内腔在横截面上、在内腔的轴向上大体是蜗牛形曲线。

18.如权利要求1到7和9到10中的任意一项所要求的电机，其中，定子内腔在横截面上、在内腔的轴向上是蜗牛形曲线。

19.如上述任一权利要求所要求的电机，其中，定子内腔的短轴关于电机的机械定子d轴偏移15到90°之间。

20.如上述任一权利要求所要求的电机，其中，定子内腔的短轴关于电机的机械定子d轴偏移45到70°之间。

21.如权利要求20所要求的电机，其中，定子内腔的短轴关于电机的机械定子d轴偏移50到60°之间。

22.如权利要求19所要求的电机，其中，定子内腔的短轴关于电机的机械定子d轴偏移45到90°之间。

23.如权利要求22所要求的电机，其中，定子内腔的短轴关于电机的机械定子d轴偏移45到87°之间。

24.如权利要求19所要求的电机，其中，定子内腔的短轴关于电机的机械定子d轴偏移15到70°之间。

25.如权利要求24所要求的电机，其中，定子内腔的短轴关于电机的机械定子d轴偏移22到65°之间。

26.如上述任一权利要求所要求的电机，其中，一个或以上线圈位于定子内腔的外部，以便内腔里的任何一个槽都不容纳线圈。

27.如上述任一权利要求所要求的电机，其中，定子是闭合回路的形式，闭合回路具有形成在一个臂上的内腔以及在一个或以上的其它臂上提供的一个或以上的线圈。

28.如权利要求27所要求的电机，其中，在定子的臂上提供饱和桥。

29.如上述任一权利要求所要求的电机，其中，定子内腔关于短轴和长轴对称。

30.如上述任意一项权利要求所要求的电机，其中，转子包括永磁材料，该材料形成或近似是Halbach磁化圆筒。

31.如权利要求30所要求的电机，其中，永磁材料是铁氧体。

32.如权利要求31所要求的电机，其中，在恒定转矩出现时，每单位转子体积的转矩介于2到10KNm/m³之间。

33.如上述任意一项权利要求所要求的电机，其中，定子包括通过气隙桥接的一对磁极。

34.如上述任意一项权利要求所要求的电机，其中，定子包括两个以上的磁极。

35.如权利要求1所要求的电机，其中，定子导磁率是变化的来获得所需的磁阻调制。

36.一种单相同步AC电机，其包括：

定子；

一个或多个线圈，用于在定子内生成磁通；和

转子，在其上形成的内腔来容纳定子，并包括位于内腔的一个或以上的、形成转子磁极的永磁体，其中，转子和定子之间的磁阻随着角位如此变化，使得在使用中反应转矩基本上与电流转矩的交变部分呈反相。

37.如权利要求36的电机，其中，通过如此调制定子的半径、使得定子大体上关于短轴和长轴对称而得到磁阻随着角位的变化。

38.如权利要求36或权利要求37的电机，其中，邻近转子的定子表面的基本部分是调制的来获得磁阻随角位的变化。

39.如权利要求38的电机，其中，定子表面在定子的超过一半的圆周上是调制的。

40.如权利要求38的电机，其中，基本上沿整个周边调制定子的表面。

41.如权利要求36到40的任意一项所要求的电机，其中，定子是拉长的。

42.如权利要求36到41的任意一项所要求的电机，其中，定子的表面具有介于40到180°之间的气隙调制角(如这里所定义的)。

43.权利要求36到42的任意一项所要求的电机，其中，定子的表面具有介于70到150°之间的气隙调制角(如这里所定义的)。

44.权利要求36到43的任意一项所要求的电机，具有介于0.1到2之间的气隙调制比(如这里所定义的)。

45.权利要求36到44的任意一项所要求的电机，具有介于0.3到1之间的气隙调制比(如这里所定义的)。

46.权利要求36到45的任意一项所要求的电机，在气隙调制角(如这里所定义的)大于40°的范围，具有大于0.1的气隙调制比(如这里所定义的)。

47.如权利要求36到45中的任意一项所要求的电机，在气隙调制角(如这里所定义的)大于40°的范围，具有大于0.3的气隙调制比(如这里所定义的)。

48.如权利要求36到45中的任意一项所要求的电机，在气隙调制角(如这里所定义的)大于70°的范围，具有大于0.1的气隙调制比(如这里所定义的)。

49.如权利要求36到45中的任意一项所要求的电机，在气隙调制角(如这里所定义的)大于70°的范围，具有大于0.3的气隙调制比(如这里所定义的)。

50.如权利要求36到49中的任意一项所要求的电机，其中，定子表面包括沿转子内腔的轴大体是矩形横截面的孔。

51.如权利要求36到42和44到45中的任意一项所要求的电机，其中，定子的表面沿定子的周边基本上被连续地调制。

52.如权利要求36到42和44到45中的任意一项所要求的电机，其中，定子在内腔轴向的横截面上大体是蜗牛形曲线。

53.如权利要求36到42和44到45中的任意一项所要求的电机，其中，定子在内腔轴向的横截面上是蜗牛形曲线。

54.如权利要求36到53中的任意一项所要求的电机，其中，定子横截面形状的长轴关于电机的机械定子d轴偏移15到90°之间。

55.如权利要求36到54中的任意一项所要求的电机，其中，定子横截面形状的长轴关于电机的机械定子d轴偏移45到70°之间。

56.如权利要求55所要求的电机，其中，定子横截面形状的长轴关于电机的机械定子d轴偏移50到60°之间。

57.如权利要求54所要求的电机，其中，定子横截面形状的长轴关于电机的机械定子d轴偏移45到90°之间。

58.如权利要求57所要求的电机，其中，定子横截面形状的长轴关于电机的机械定子d轴偏移45到87°之间。

59.如权利要求54所要求的电机，其中，定子横截面形状的长轴关于电机的机械定子d轴偏移15到70°之间。

60.如权利要求59所要求的电机，其中，定子横截面形状的长轴关于电机的机械定子d轴偏移22到65°之间。

61.如权利要求36到60中的任意一项所要求的电机，其中，一个或以上的线圈如此位于定子的内部，以便定子表面的任何一个槽都不容纳线圈。

62.如权利要求36到61中的任意一项所要求的电机，其中，在定子上提供饱和桥。

63.如权利要求36到62中的任意一项所要求的电机，其中，定子关于短轴和长轴对称。

64.如权利要求36到63中的任意一项所要求的电机，其中，转子包括永磁材料，该材料形成或近似是Halbach磁化圆筒。

65.如权利要求64所要求的电机，其中，永磁材料是铁氧体。

66.如权利要求65所要求的电机，其中，在恒定转矩出现时的每单位转子体积的转矩介于2到10kNm/m³之间。

67.如权利要求36到66中的任意一项所要求的电机，其中，定子包括通过气隙桥接的一对磁极。

68.如权利要求36到67中的任意一项所要求的电机，其中，定子包括两个以上的磁极。

69.如权利要求36所要求的电机，其中，定子导磁率是变化的来获得所需的磁阻调制。

70.如上述任意一项权利要求所要求的电机，包括连接到一个或以上线圈的导体，用于直接连接到AC电源。

71.如上述任意一项权利要求所要求的电机，包括连接到一个或以上的线圈的AC电压电源或功率源。

72.如权利要求71所要求的电机，其中，交流电源是单相逆变器。

73.如权利要求71所要求的电机，其中，AC电源直接是AC到AC的频率变换器。

74.如上述任意一项权利要求所要求的电机，于是在起动之后，施加到电机的一个或多个线圈的AC电压和频率基本上与干线AC电源的一致。

75.基本上作为在此参考附图1、3、4到8、10、12和1 3中的任意一幅图所描述的电机。

76.如权利要求32或66所要求的电机，其中，在恒定转矩出现时的每单位转子体积的转矩介于3到8kNm/m³之间。

77.一种操作如上述任意一项权利要求所要求的电机的方法，该方法包括将正弦励磁电压或正弦电流施加到一个或以上的电机线圈的步骤。

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