CN1659767A - 具有多个偏斜定子极和/或转子极的旋转电机 - Google Patents

Abstract

一种旋转式电动机，具有定子(22)，该定子具有多个分立的且铁磁隔离的电磁体芯部分，该电磁体芯部分围绕旋转轴共轴安置。诸如软透磁介质的芯材料适合于形成多种特定形状。芯部分由非铁磁结构支撑。转子(10)包括多个具有面对使其与定子隔开的气隙的表面的永磁体，该表面具有共同的几何配置。定子极表面几何配置和转子磁体表面几何配置关于彼此相互偏斜。该偏斜布置的作用在于抑制顿转扭矩的幅度变化的速率，该顿转扭矩是在永磁体经历其旋转路线时由转子磁体与未赋能定子电磁体的极之间相互作用而产生。

Description

具有多个偏斜定子极和/或转子极的旋转电机

相关申请

本申请包含的主题涉及Pyntikov等人于2000年5月16日提交的共同未决的美国申请No.09/571,174、Maslov等人于2001年4月5日提交的共同未决的美国申请No.09/826,423、Maslov等人于2001年4月5日提交的共同未决的美国申请No.09/826,422、Maslov等人于2001年10月1日提交的美国申请No.09/966,101和Maslov等人于2002年2月7日提交的共同未决的美国申请No.10/067,305，所有的上述申请与本申请一起被转让。这些申请的公开内容在此处并入列为参考。

发明领域

本发明涉及旋转式电动机，更具体地，涉及包括多个转子极和定子极的永磁电机，这些转子极和定子极具有几何上相互偏斜的表面。

发明背景

上文所确认的Maslov等人的共同未决的美国专利申请No.09/826,423确认并针对改进的电机的需要，该改进电机适合于简化地制造并且能够具有有效的和灵活的操作性能。例如，在车辆驱动环境中，非常需要的是，在宽的速度范围中获得平稳的操作，同时在最小功率消耗下维持高的扭矩输出能力和低的纹波。该车辆电机驱动器应有利地提供了对多种结构部件的方便的接触，用于以最小的不便替换这些部分。上文确认的相关共同未决的美国申请描述了作为配置在环形环中的隔离透磁结构的电磁体芯部分的形成。相比于现有技术的实施例，通过这样的配置可以集中磁通量以提供有利的效果。

如上文确认的Maslov等人的申请中所述，电磁体芯部分的隔离允许在磁芯中独立地集中磁通量，且具有最小的磁通量损失或者使对其他电磁体部件的有害互感干扰的影响最小。通过将单一极对配置为隔离的电磁体组可以获得操作上的优点。在开关对极对绕组的赋能时，独立极对与其他极组的磁路隔离消除了对相邻组的磁通量互感的影响。在组中没有额外的极避免了该组中的任何该影响。所描述的进一步的益处来自于使用三维面向的电机结构，诸如以下这样的结构化配置，其中轴向对准的定子极和轴向对准的转子磁体在机器的有效气隙中提供了高度集中的磁通量密度分布。相比于具有相同气隙直径的传统的电机，该配置提供了更多的具有相同独立有效气隙表面面积的极和/或更大的总有效气隙表面面积。

除了通过上文所述的配置而获得的磁通量集中的优点，最近提出的钕-铁-硼(NdFeB)磁材料可以产生比先前在无刷电机中使用的其他永磁材料更大的磁通量密度。在包括大量极的电机中使用高密度产生永磁体提出了对改善由顿转扭矩所引入的不需要的影响的关注。顿转扭矩是通过安装有永磁体的转子和那些不处于选择性磁化状态的定子极之间的磁吸力而产生的。该吸力使转子磁体向与定子极成对准的平衡位置移动，用以使其之间的磁阻最小。当通过向定子的赋能而驱动转子旋转时，由磁体与未赋能的电磁体部分相互作用而产生的顿转扭矩的幅度和方向周期性地改变，与由赋能定子部分产生的扭矩相反。在没有补偿的情况下，顿转扭矩可以以突然的方式改变转子旋转的方向。如果顿转扭矩具有很大的幅度，则其变成旋转的障碍和机械振动源，这对精确速度控制和平稳操作的目标是有害的。

现有技术领域中存在多种顿转扭矩最小化技术。该技术尝试减小相对于转子位置的磁阴变化的速率，减小机器中的磁通量，或者移动该极使得由独立极产生的顿转扭矩彼此相消。可以使用电子方法控制发生在永磁体和电磁体表面之间的电磁相互作用的强度。该方法的缺陷在于，它们涉及了复杂的控制算法，该算法与电机控制算法同时实现并且有降低电机整体性能的趋势。而其他可替换的方法将降低磁路中的磁通量密度。磁通量密度的减少牺牲了通过较新的永磁体材料和上文确认的共同未决申请的磁通量集中技术而获得的优势。

其他方法涉及通过改变定子极的形状来修改电机的构造。传统上由层叠的叠层制成的现有技术的定子极不容易适于被修改。用于对该叠片结构进行有限范围修改所需的机器制造工艺是复杂的和高成本的。

因此存在以下需要，即在具有高磁通量密度幅度和集中度的电机中进行有效的顿转补偿，而不会损坏电机的有效操作和控制能力，同时提供了节约成本的可行性和应用。

发明内容

通过使用适合于形成多种特殊形状的诸如软透磁介质的芯材料，至少部分地获得了本发明的优点。例如，芯材料可以由软磁体等级的Fe、SiFe、SiFeCo、SiFeP粉末状材料制成，该每种材料具有唯一的功率损耗，磁导率和饱和度。可以在不需要形成叠层的情况下形成具有相关容差的定子元件的芯几何形状和芯尺寸，并且因此可被制成用于优化在转子永磁体和定子电磁体的耦合极之间建立的磁位梯度。通过利用由软铁材料提供的挠性来配置多种形状，可以细微地改变磁位梯度，由此使顿转扭矩的变化不那么突然。因此在不降低电机控制扭矩产生能力的前提下可以获得较平缓的操作。

本发明的一个优点在于，可以调节定子极和转子极之间的关系以控制磁通量分布，该磁通量分布将永磁体元件和未赋能电磁体极链接起来作为此两者之间相对位置的函数。本发明的一种该配置的结构特征被具体化在一种电机中，该电机包括转子和定子，该每个转子和定子都安置在环形环配置中并且通过环形径向气隙彼此隔开。该定子包括多个围绕旋转轴轴向安置的分立的整体电磁体芯部分。每个芯部分包括两个或者更多的整体地链接在一起的极。在该链接部分上形成了绕组，用于在通过电流赋能时在相邻定子极中建立具有相反极性的极。

定子芯部分固定到非铁磁支撑结构上并且在彼此之间没有铁磁接触的情况下分布在定子环中。因此，通过向另一个铁磁隔离的芯部分的绕组赋能，具有未赋能绕组的芯部分将不具有在其中产生的磁通量。然而，未赋能的电磁体芯部分将受到在转子永磁体接近并通过面对定子极的气隙部分时由该转子永磁体移动而产生的磁通量的影响。

根据本发明的一个方面，所有的定子极具有在气隙上的共同的表面几何配置。转子包括多个永磁体，其具有面对该气隙的具有共同几何配置的表面。定子极表面的几何配置和转子磁体表面的几何配置关于彼此是相互偏斜的。定子极配置和转子磁体配置中的一个或者两者可以相对于旋转轴是偏斜的。该偏斜配置的作用在于，在永磁体横越其旋转路线时，抑制了由转子磁体和未赋能定子电磁体的极之间的相互作用而产生的顿转扭矩的变化速率。

本发明可以将这些优点应用到在上文确认的申请中公开的多种结构实施例中。包括高磁通量产生材料的永磁体定位在面对气隙的具有偶极极性磁化强度的转子表面上。可以实现转子磁体表面和定子极表面之间的偏斜关系，用以缓解具有单一的轴向对准的磁体和定子极行的电机中的顿转扭矩现象，在具有较大量的磁体和定子极的电机中，诸如那些其中每个定子极部分与旋转轴平行的电机，该偏斜关系有效地补偿了潜在大的顿转扭矩扰动。在前文确认的共同未决的申请中例示了后者电机的一般结构。两个或者更多的轴向隔开的分立转子永磁体环可以沿气隙在圆周方向安置，环的数目在数量上等于在轴向对准的定子芯部分中的定子极的数目。永磁体行在轴向上相互隔开，在其各自环和轴向行中，每个转子永磁体具有同相邻永磁体的磁极性相反的磁极性。

本发明的另一优点在于，通过以不同于永磁体表面配置的几何图形配置定子极表面，可以调节定子极和转子极之间的关系，用以控制产生顿转扭矩的磁通量分布。例如，转子磁体可以形成为矩形表面图形，而定子极表面可以形成为任何规则的或者不规则的几何图形，使特定图形的选择适合于给定电机应用所需的磁通量分布。

通过下文的详细描述，对于本领域的技术人员，本发明的另外的优点将变得更易于理解，其中简单地通过说明执行本发明的最佳模式，示出和描述了本发明的优选实施例。如将认识到的，在不偏离本发明的前提下，本发明能够具有其他的和不同实施例，并且在多种显著方面能够修改其几处细节。因此，附图和描述应在实质上被认为是说明性的，而非限制性的。

附图简述

在附图的图示中，本发明是作为示例，而非作为限制而被描述，并且在附图相似的参考数字表示相似的元件，其中：

图1是示出了电机的转子和定子元件的示例性示图，诸如共同未决的申请09/826,422中所公开的。

图2是图1元件的局部平面布局，示出了在电机操作过程中三个时刻的定子极表面和转子表面相对位置。

图3是根据本发明的定子极表面和转子表面相对位置的局部平面布局。

图4是根据本发明的另一实施例的定子极表面和转子表面相对位置的局部平面布局。

图5是对于多种结构配置的相对角度的每相扭矩的曲线图。

图6是根据本发明的另一实施例的定子极表面和转子表面相对位置的局部平面布局。

图7是图6元件的三维分解结构图。

图8是根据本发明的另一实施例的定子极表面和转子表面相对位置的局部平面布局。

图9是关于图8实施例的转子和定子结构的局部三维示图。

图10(A)～10(F)示出了多种可替换的定子芯元件极对，具有不同几何表面图形配置，取代了图3和8的偏斜定子极配置。

发明详述

图1是示出了电机的转子和定子元件的示例性示图，诸如共同未决的申请09/826,422中所公开的，其公开内容在此处并入。为使说明清晰，仅示出了那些有益于解释本发明的元件。为了更加详细的解释本发明适用的多种例示电机中一部分的实施例，参考了上文确认的共同未决的申请。

转子部件10是具有永磁体12的环形环结构，该永磁体12基本上均匀地沿圆柱状支撑板14分布。该永磁体是沿环形环内圆周交替改变磁极性的转子极。支撑板可以包括透磁材料，其用作相邻永磁极12之间的磁回路。转子环绕定子部件20，转子和定子部件由环形环径向气隙隔开。定子20包括多个具有相同构造的电磁体芯部分，其沿气隙均匀地分布。每个芯部分包括一般为U形的磁结构24，其形成了具有面对气隙的表面26的两个极。该极对的支腿由绕组28缠绕。可替换地，芯部分可被构造为容纳单一的、形成在链接极对的部分上的绕组。

每个定子电磁体芯结构是分立的，并且同相邻的定子芯元件是磁隔离的。定子元件24固定到非透磁支撑结构上，由此形成环形环配置。该配置消除了来自相邻定子极组的杂散互感磁通量影响的发散。

图2是两个相邻定子芯元件22的局部平面布局，其具有标注为A～D的极，在操作期间与标注为0～5的转子磁体相关。在转子从左向右移动的周期中，在三个时刻(t₁～t₃)在(A)～(C)示出了转子磁体的位置。在时刻t₁，通过按照在A处形成强南极和在B处形成强北极的方向上流动的电流来向A-B定子极对的绕组赋能。C-D定子极对的绕组未赋能。在(A)示出了转子的位置。北磁体1和南磁体2与定子极A重叠。南磁体2和北磁体3与定子极B重叠。在该时刻，磁体3接近与极C相重叠的位置。南磁体4基本上与极C对准，而北磁体5基本上与极D对准。在该时刻，通过南极A和北极磁体1之间的吸引力、北极B和南极磁体2之间的吸引力、以及北极B和北极磁体3之间的排斥力来产生了顿转扭矩。极C和D具有由磁体4和5的吸引所导致的各自微弱的北和南的磁化强度。倾向于维持最小的磁阻的该吸引与电机驱动扭矩相反。

在时刻t₂，转子移动到(B)处所示的位置。对极对A-B绕组的赋能被转换为关闭。C-D极对的绕组未赋能。磁体1和2基本上分别与极A和B对准。北磁体3和南磁体4与极C重叠。南磁体4和北磁体5与极D重叠。极A和B分别具有微弱的南和北的磁化强度。定子极C和D受到北和南转子磁体两者的影响。极C处于北极磁体3和南极磁体4之间的磁通路线中。极D处于南极磁体4和北极磁体5之间的磁通路线中。因此所建立的顿转扭矩与电机驱动扭矩相反，并且随着转子磁体从与未赋能定子极直接对准位置向部分对准位置的移动而改变幅度。

在时刻t₃，转子移动到(C)处所示的位置。颠倒A-B极对绕组的赋能，引起了极A处的强北极和B处的强南极。C-D极对的绕组未赋能。北磁体1和南磁体2与定子极B重叠。南磁体0和北磁体1与定子极A重叠。在该时刻南磁体2接近与极C相重叠的位置。北磁体3基本上与极C对准，而南磁体4基本上与极D对准。

如上文所述，相反的顿转扭矩以进行旋转时相对于相关角度位置而改变的方式影响电机扭矩。在转子磁体将要跨越气隙面对定子极时，该顿转扭矩在转变点处最为显著。在通常是矩形的永磁体表面前缘接近矩形定子极的平行边缘时，发生了顿转扭矩的突然变化。使用诸如钕-铁-硼(NdFeB)磁材料的强永磁体材料(其在转子永磁体的邻近区域的气隙中引入了大的磁通量密度)在很大程度上增加了这一不需要的影响。

图3是根据本发明的定子极表面和转子表面相对位置的局部平面布局。在定子极的表面配置上，图3的实施例在结构上与图2的电机不同。转子磁体表面具有共同的矩形配置。定子极表面具有共同的几何配置，其相对于转子磁体表面的矩形方向是偏斜的。即，定子极的矩形表面变化为非矩形的平行四边形，由此使其边缘不再与旋转轴或者与转子磁体的矩形表面的边缘平行。磁体的前缘和从其中(例如北极3)引出的磁通量必须经历其同极D下边缘的第一交点(如图所示)和其同极D上边缘的第一交点之间的有限的距离。这样，在转子磁体越过气隙接近同定子极的重叠关系时，在转变点的顿转扭矩的变化相比于图2实施例中的扭矩变化更加缓和。应当理解，具体的说明是作为示例，而偏斜的程度和方向可被修改用以根据需要改变影响。

图4是根据本发明的另一实施例的定子极表面和转子表面相对位置的局部平面布局。在转子磁体的表面配置上，图4的实施例在结构上与图2的电机不同。定子极表面具有共同的矩形配置。转子磁体表面具有共同的几何配置，其相对于定子极表面的矩形方向是偏斜的。转子磁体的矩形表面是非矩形的平行四边形，其边缘不再与旋转轴或者与定子极的矩形表面的边缘平行。磁体的前缘和从其中(例如北极3)引出的磁通量必须经历其同极D下边缘的第一交点(如图所示)和其同极D上边缘的第一交点之间的有限的距离。这样，在转子磁体越过气隙接近同定子极的重叠关系时，在转变点的顿转扭矩的变化相比于图2实施例中的扭矩变化更加缓和。偏斜的程度和方向可被修改用以根据需要改变影响。

图5是对于多种结构配置的相对于角度的每相扭矩的曲线图。在这些特定实例中，在18和28度之间的范围中，顿转扭矩对顿转扭矩的影响是最显著的。通过调节偏斜的程度，可以使该范围中的大的扭矩振荡变得平缓达到可接受的程度。在图3和4的实施例中，定子极表面配置和转子磁体表面配置是关于彼此相互偏斜的。在每个说明中，不论是转子磁体表面配置(图3)还是定子极表面配置(图4)均未关于旋转轴偏斜。然而，在本发明的概念中，转子磁体表面配置和定子极表面配置均可以关于旋转轴偏斜，只要它们关于还彼此相互偏斜。

图6是根据本发明的另一实施例的定子极表面和转子表面相对位置的局部平面布局。定子22包括多个分立的整体电磁体芯部分，该电磁体芯部分具有多个轴向对准的极。转子10包括多个沿气隙在圆周方向分布并且环绕定子的偶极磁体的轴向行。尽管为了说明目的示出了三组定子极部分和磁体行，但是应当理解，不同数目的定子极部分和转子磁体行也在本发明的概念之中。

定子极表面具有公共的矩形配置。使用与图4实施例相似的方式，转子磁体表面具有共同的几何配置，其相对于定子极表面的矩形方向是偏斜的。转子磁体表面形成了非矩形的平行四边形，其在圆周方向上的边缘不与旋转轴或者不与定子极矩形表面的边缘平行。磁体的前缘和从其中引出的磁通量必须经历其同其轴向对准的定子极下边缘的第一交点(如图所示)和其同其轴向对准的定子极上边缘的第一交点之间的有限的距离。如图4中的实施例，在转子磁体越过气隙接近同定子极的重叠关系时，在转变点的顿转扭矩的变化相比于在定子和转子的矩形表面发生的扭矩变化更加缓和。使顿转扭矩的扰动平缓特别有利于在多个极和磁体中出现的大量的转变过程。

图7是图6元件的三维分解结构图。多个轴向隔开的转子偶极磁体行10在沿圆柱状气隙在圆周方向上分布，并且环绕定子芯部分22。转子磁体在沿气隙在圆周方向上交替改变磁极性。在每个轴向对准的转子磁体行中，在气隙表面处的中心磁体呈现出与侧面磁体的磁极性相反的磁极性。定子包括多个分立的整体电磁体芯部分，该电磁体芯部分具有多个轴向对准的极。绕组可以形成在该极上或者形成在链接极的芯部分上。对于这些转子和定子元件，关于其支撑结构的详细讨论参考了共同未决的申请10/067,305，其中包括用于定子芯元件的非铁磁支撑结构。

图8是根据本发明的另一实施例的定子极表面和转子表面相对位置的局部平面布局。在与图6的布局相似的布局中，定子22包括多个分立的整体电磁体芯部分，该电磁体芯部分具有多个轴向对准的极。转子10包括多个围绕气隙在圆周方向分布并且环绕定子的偶极磁体的轴向行。尽管为了说明目的示出了三组定子极部分和磁体行，但是应当理解，不同数目的定子极部分和转子磁体行也在本发明的概念之中。

转子磁体表面具有公共的矩形配置。使用与图3实施例相似的方式，定子极表面具有共同的几何配置，其相对于转子磁体表面的矩形方向是偏斜的。定子极表面形成了非矩形的平行四边形，其在圆周方向上的边缘不与旋转轴或者不与转子磁体矩形表面的边缘平行。磁体的前缘和从其中引出的磁通量必须经历其同其轴向对准的定子极上边缘的第一交点(如图所示)和其同其轴向对准的定子极下边缘的第一交点之间的有限的距离。在转子磁体越过气隙接近同定子极的重叠关系时，在转变点的顿转扭矩的变化相比于在定子和转子的矩形表面发生的扭矩变化更加缓和。

图9是关于图8实施例的转子和定子结构的局部三维示图。如从图中可以看到的，转子磁体行10和定子芯部分22与旋转轴平行对准。然而，定子极表面关于轴偏斜。

图10(A)～10(F)示出了多种可替换的定子芯元件极对，具有不同几何表面图形配置，取代了图3和8的偏斜定子极配置。如同其他图中的，每个极对是铁磁隔离芯的一部分，并且可以如图6～9中所示在平行于旋转轴的方向上对准，或者如图1～4所示与旋转轴垂直。转子磁体优选地具有矩形表面配置。随着转子从左向右移动，磁体的前缘和从其中引出的磁通量可变地重叠了定子极，用以使顿转扭矩的影响平缓。取决于应用，可以使几何图形适合于提供所需的影响。

在本公开内容中，仅示出和描述了本发明的优选实施例以及数个其多功能的示例。应当理解，本发明能够用于多种其他组合和环境，并且能够在本文所表述的本发明概念的范围中进行变化或修改。例如，图10(A)～10(F)所示的配置可以形成为转子磁体，而定子极表面具有矩形的或者不同表面几何配置。

尽管说明了定子芯元件的特定几何配置，但是应当认识到，本文的本发明概念涵盖了这些配置的众多的变化方案，而实质上使用粉末金属技术可以形成任何形状。因此，可以使特定的芯配置适合于所需的磁通量分布。

尽管本发明的描述示出了由转子环绕的定子，但是本发明的概念等效地适用于由定子环绕转子的电机。

Claims (16)

1.一种旋转式电动机，包括：

定子，包括多个分立的铁磁隔离的电磁体芯部分，该电磁体芯部分围绕旋转轴共轴安置，用以形成环形的圆柱状定子环，每个芯部分包括多个极；和

圆柱状环形转子，其与定子同心并且由圆柱状气隙与该定子隔开，所述转子包括多个具有面对该气隙的表面的永磁体；其中

定子芯部分的极在气隙处具有共同的表面几何配置；

永磁体表面具有共同的几何配置；并且

定子极表面配置和转子磁体表面配置关于彼此相互偏斜。

2.权利要求1的旋转式电动机，其中定子极配置关于旋转轴偏斜。

3.权利要求1的旋转式电动机，其中转子磁体配置关于旋转轴偏斜。

4.权利要求1的旋转式电动机，其中定子芯部分固定在非铁磁支撑结构上，并且在彼此之间没有铁磁接触的情况下分布在定子环中。

5.权利要求1的旋转式电动机，其中每个定子芯部分的相邻极通过链接部分整体地相互接合，并且在该链接部分上形成有绕组，用于在利用电流赋能时在相邻的定子极中建立具有相反极性的磁极。

6.权利要求1的旋转式电动机，其中每个定子部分的多个极在与旋转轴平行的方向上对准。

7.权利要求1的旋转电动机，其中所有的定子极在与旋转轴垂直的方向上对准，并且轴向上的定子环的尺度范围是一个定子极。

8.权利要求6的旋转式电动机，其中每个芯部分包括至少三个极。

9.权利要求6的旋转式电动机，其中多个转子永磁体形成轴向隔开的分立磁体环，其沿气隙在圆周方向安置，所述环的数目在数量上等于定子芯部分中的定子极的数目；并且

该环中对应的磁体是按行来轴向对准。

10.权利要求9的旋转式电动机，其中每个转子永磁体在其各自的环和轴向行中具有同相邻的永磁体的磁极性相反的磁极性。

11.权利要求1的旋转式电动机，其中电磁体芯部分由粉末状金属材料形成。

12.权利要求1的旋转式电动机，其中每个永磁体是磁偶极，其在面对气隙的表面上具有一种磁极性，在背向气隙的表面上具有相反的磁极性，由此在与气隙垂直的方向上形成了磁极方位。

13.一种用于旋转式电动机的定子，包括：

多个分立的电磁体芯部分，其围绕旋转轴共轴安置，用以形成具有内径和外径的环形圆柱状定子环；其中

每个芯部分包括多个通过链接部分整体地彼此连接的极；

每个所述极包括位于下面的基部和关于旋转轴偏斜的极靴部分；

并且

定子芯部分固定在非铁磁支撑结构，并且在彼此之间没有铁磁接触的情况下分布在定子环中。

14.一种旋转式电动机，包括：

定子，包括多个分立的铁磁隔离的电磁体芯部分，该电磁体芯部分围绕旋转轴共轴安置，用以形成环形的圆柱状定子环，每个芯部分包括多个极；和

圆柱状环形转子，其与定子同心并且由圆柱状气隙与该定子隔开，所述转子包括多个具有面对该气隙的表面的永磁体；其中

所有定子芯部分的极在气隙处具有共同的表面几何配置；

所有永磁体表面具有与定子极表面几何配置不同的共同的几何配置；

15.权利要求14的旋转式电动机，其中每个定子部分的多个极在旋转轴的平行方向上对准。

16.权利要求14的旋转式电动机，其中所有的定子极在与旋转轴垂直的方向上对准，并且在轴向上的定子环的尺寸范围是一个定子极。

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