CN1667922A - 有成形为环形线圈的定子绕组的交流电机及电机控制装置 - Google Patents

Abstract

一种同步交流电机，具有的定子具有设置成多个圆周延伸的定子极组的定子极，每个定子极组具有一对相应的圆周延伸的环形定子绕组，在两侧相邻设置或单个的这种绕组在一侧相邻设置，相邻的定子极组相对于具体的电相角度相互圆周移位一个固定量。通过给这个绕组应用各自的多相交流电压产生一个旋转磁场，这样相反方向的电流流入每一对。

Description

有成形为环形线圈的定子绕组 的交流电机及电机控制装置

技术领域

本发明涉及一种同步交流电机，其适于安装到机动车辆中，还涉及一种用于该交流电机的控制装置。

背景技术

在现有技术中，各种同步交流电机，尤其是各种无刷交流电机，众所周知具有紧密堆叠形成的定子绕组层，缠绕在定子极上，例如由日本公开专利No.6-261513(第3页和附图1到3)所描述的，将在下文参考文件1中说明。图40和41是分别沿电机轴以及相对电机轴成直角的截面图，示出了这种现有技术中无刷电机的常规结构。这个例子是4极6槽型无刷电机，具有形成在定子上的补偿绕组，和绕到定子极上的各个定子相绕组(下文中简称为相绕组)。图42是沿定子内圆周绕360°获得的概念视图(此类视图在下文中称为圆周展开图)，示出了定子绕组是如何根据相应的定子极进行设置的。图42的圆周展开图的360°范围等于720°的电角度。这个无刷电机的转子2具有两个用数字7表示的永磁体，其具有在该转子2外表面上的N(北)极作为转子2的N极，以及两个用数字8表示的永磁体，其具有在该转子外表面上的S(南)极作为转子2的S极，如图所示N极7和S极8绕转子2的外圆周交替连续设置。定子4具有U相定子极TBU1，该TBU1上具有分别绕在其上的U相定子绕组WBU1、WBU2，类似地定子还具有V相定子极TBV1，该TBV1上具有分别绕在其上的V相定子绕组WBV1、WBV2，以及还具有W相定子极TBW1，TBW1上具有分别绕在其上的W相定子绕组WBW1、WBW2。

无刷电机的这种结构目前广泛用于工业和家庭应用中。然而这种无刷电机具有复杂的结构，原因是需要形成缠绕在每个定子极上的绕组，每个绕组设置在定子槽内。因此，其制造生产率很低。

另外，很难将这种类型的无刷电机加工成小型尺寸，或者以低成本制造。

应当注意到，虽然本发明在下文参考同步交流电机型无刷电机进行的描述，其中该交流电机中的转子极由永磁体构成，或参考磁阻型同步交流电机进行的描述，但是本发明的原理同样适用于具有场绕组的同步交流电机，其中该场绕组由励磁电流驱动以为转子极提供磁通。

发明内容

本发明的目的在于通过提供一种同步交流电机，尤其是一种具有简单结构并易于制造的无刷电机，来克服上述缺陷，这种电机可以制成小型电机，可以高效运行，并具有低成本。还有一个目的就是提供一种控制这种电机的装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种同步交流电机，包括一个具有多个在圆周上形成的磁极的转子，其中N极和S极相互交替；一个定子，具有多个围绕内圆周形成的定子极，设置成N定子极组(这里N为复数)，每个相邻的N定子极组对的圆周位置相差一定量，还包括多个在定子圆周上形成的环形定子绕组，每个环形定子绕组直接与N定子极组中的一个(相对于转轴方向)相邻设置。

基于以下事实使这种环形定子绕组的使用成为可能，采用一种传统形式的定子绕组，将每个绕组绕多个定子极中的每一个连续缠绕几次，位于相邻极之间中间位置的那些定子绕组部分产生了可相互抵消的磁力，这是因为等量且方向相反的电流分别流入定子绕组的这些部分。因此，这就相当于没有电流流过定子绕组这些部分的情况，因此它们是可以省略掉的。使用根据本发明的环形定子绕组具有这样的好处，可以大体上减少形成该定子绕组所需的铜量，(因为现有技术中的无刷电机中的前述位于每对相邻极之间的绕组部分省略掉了)，另外，使电机可以实现增加的输出转矩和增加的效率。还有，可以降低制造成本，例如由于不必再将定子绕组绕到定子极上因而简化了制造过程，以及电机的重量可以更轻。

另外，事实上由于省略了现有技术同步交流电机中的相邻定子极每对之间的上述绕组部分，因此与现有技术的电机相比，根据本发明的同步交流电机的定子极数可以增加。

另外，由于实际情况是，定子极沿两个转子轴方向以及绕定子内圆周以平衡方式分布，而不是有很少量的定子极沿单一的圆周路径设置，所以可以获得更多的益处。尤其是，通过转子极作用在定子上的磁力吸引作用是以分散的方式施加的，进而降低了这些力使定子变形的趋势。因此，由这种变形而引起的振动和噪音可以降低了。

这种同步交流电机可以这样构造，每个定子极组具有在每侧(相对于转子轴向)相邻靠近设置的相应环形定子绕组对，相反方向的电流流入这个绕组对。这样的结构具有这样的优点，全部定子极根据产生的磁通可以尽可能有效的得到利用。

另外，这种交流电机可以这样构造，两个定子极组分别定位于定子的相对外端(即对应于转轴轴向)，每个仅有一个单独的相应环形定子绕组直接靠近设置，从定子极相应外端开始定位于定子极组的相对侧上。其余的(居间的)每个定子极组具有一个相应的环形定子绕组对，位于两侧相邻靠近设置，方向相反的电流分别经过它们。

这种结构之所以可能是基于这样的实际情况：如果每个定子极组在两侧具有相应的环形定子绕组对分别相邻靠近设置，那么两个最外侧的环形定子绕组(即相对于转轴方向)基本上位于转子铁心的外侧上具有很高磁阻值的区域中。因此，这些绕组对电机的运行没有很明显的电磁作用，所以可以省略掉它们而不会严重的降低电机输出转矩或者输出功率。这种结构还具有这样的优点，可以进一步降低定子绕组所需的铜量，实现改善的效率。还有，往定子上安装定子绕组变得简单，这样制造过程中对电机的组装相应的简化了。还有，电机重量可以更轻并具有更紧凑的尺寸。

如果两个最外侧的环形定子绕组如前所述那样省略掉了，那么剩下的结构就是每个相邻定子极组对具有置于它们之间的一对环形定子绕组。还有的变形方式是，可以用一个单独的环形定子绕组来代替每个绕组对，也就是说，只有一个单独的绕组置于每个相邻定子极组对之间。如果驱动电压产生的适当相电流和幅值分别施加到这些定子绕组上，下文将描述，那么可以实现与采用一对定子绕组所类似的操作。这还进一步简化了电机结构以及组装这样电机的过程，还可以使形成定子绕组的铜量降低。

总之，通过由N相交流电压驱动环形定子绕组，与根据本发明的同步交流电机各个不同的N定子极组直接相邻设置的环形定子绕组由交流电压驱动，这些交流电压分别相差360/N度相角。

为了实现这种诸如无刷电机的同步交流电机，可以将转子上设置有多个永磁体，绕转子以等间距圆周设置，在磁体外表面设置N极的永磁体和在磁体外表面上设置S极的永磁体之间交替设置。尤其是，转子极可以这样简单的构造，即通过使每个这样的永磁体形成具有弧形的外轮廓并相对于转子轴固定贴附磁体。

还有，多个永磁体可以绕转子以等间距圆周设置，固定到转子上以使每个磁体的N和S极在转子表面产生相应的N和S极，将磁体设置成这些极绕转子圆周连续交替出现。

另一方面，这种同步交流电机可以形成这样的结构，定子极分别从定子内圆周表面突出，其中定子具有多个设置在其内圆周表面上的极块，位于没有由定子极所占用的位置上。这有助于吸收到达定子表面的转子极发出的漏磁通，即允许这些通量很容易的连回转子极，使输出转矩增加。

另一方面，定子和/或转子的铁心部分至少部分地通过模铸，例如压铸，一种为软磁材料的磁性金属粉末而制成。由于这种材料每个颗粒的表面可以利用氧化等而很容易的预先制成，以使电绝缘，可以防止磁路中的涡流沿三维的任一方向流动。进而可以减少磁路中的铁损，因此实现了更高效率的运行。

还有，这种构成方法具有这样的优势，组成磁路部分的定子部件可以在电机组装之前基本上形成好了各自的最终形状，可以大大的降低或省去制造这种部件所需的加工量。因此这种用于产生三维磁场的部件可以以低成本制造，即使它们形状上比较复杂。

另一方面，电机的定子极可以以各自的圆周位置设置在定子上，这样在N定子极组每个相邻对之间存在沿圆周方向的特定相对位移量，这个特定的位移量等于360/N度的电角度。按照这种方式，通过给对应于各种定子极组的环形绕组施加各自的多相交流电压，可以产生旋转磁场进而使电机旋转。

对于这种同步交流电机，在每个N定子极组中，其上的定子极分别形成特殊的形状，使定子极组各个单元电压的波形基本上相同，使各个单元电压的幅值基本上相同(即这里单元电压指的是与定子极组连接的磁通的转动角速度)，在各个定子极组之间保持大致360/N度的相差。这样的措施可使由这种同步交流电机产生的转矩脉动量降低，而不会降低定子极产生的磁通最大值，也就是不会降低电机转矩的平均值。另外，这可以使电机的外直径减小，也有助于降低相邻定子极之间的漏磁通量。

还有，当需要降低m次转矩脉动时，也就是m次谐波的转矩脉动(这里m为一个整数)，每个N定子极组中的定子极可以分成n个子组，以及在这些子组之间沿定子圆周方向形成的特定的相对位置位移量。这个特殊的相对位置位移量等于一相移动360/(m×n)电角度的整数倍(这里的每个定子极组中的定子极圆周间距对应于360度电角度)。按照这样的方式，当例如所公知的那样在电机运行期间很可靠地产生m次转矩脉动的基本量时，电机可以设计成有效降低特殊型的转矩脉动。

还有，可以实现降低m次转矩脉动类似的效果，是通过将转子的N极分成n个子组，转子S极也分成n个子组，并在子组之间沿圆周方向形成特殊的相对位置位移量，这个特殊的相对位置位移量是360/(m×n)度的整数倍的相角。

一些情况中，由各个流过某些环形定子绕组的电流产生的磁力合成后可产生一组磁力的净量，其是沿转轴方向作用的。因此，从另一方面，这种同步交流电机可以设置有辅助绕组，与比如与轴线同轴的转子轴相邻靠近设置，交流电施加到这个辅助绕组中，这个辅助绕组具有适当的频率、相和幅值以在辅助绕组中产生一个沿轴轴线方向作用的磁力来抵消由各个流过环形定子绕组的电流合成而产生的一组磁力净量。那样，沿转子轴向方向作用的磁力可以消除了。

另一方面，本发明提供了一种控制具有上面描述形式的同步交流电机的控制装置，这种电机中每个定子极组具有一个相应的在每一侧相邻靠近设置的环形定子绕组对，方向相反的电流流过这对绕组，或者前面描述的那种形式电机中，两个轴向最外侧的定子极组中的每一个仅设有一个单个的相应的(即相邻靠近的)环形定子绕组，以及其余定子极组中的每一个设有一个相应的相邻环形定子绕组对。控制装置用于通过控制流入环形定子绕组的各个电流的幅值I达到某一值，使由N定子极组产生的各个转矩T值的总和与一个预定的共有转矩值相等。

特别是，这种控制装置包括计算每个N定子极组各个转矩T值的装置，比如W×E×I，这里E是与每个定子极组相关的磁通的转动角速度，W是对应于定子极组的环形定子绕组总匝数。

通过使用这种控制装置来控制流入环形定子绕组中的各个电源电流值，依据本发明的同步交流电机可以很容易的得到控制以产生所需的转矩目标值。

控制装置也可以类似地设定成按前面描述的那样控制同步交流电机，具有的定子结构是在每个定子极组的相邻对之间设置一个单独的绕组。这种的控制装置通过控制分别流入环形定子绕组中的(N-1)个电流的每一个幅值I达到某一值，使基于(N-1)个环形定子绕组产生的各个转矩T总和等于转矩目标值。

特别是，这种控制装置包括计算对应于每个(N-1)环形定子绕组各个转矩T值的装置，比如W×E×I，这里E是与每个定子极组连接的磁通的转动角速度，W是每个环形定子绕组总匝数。

还是本发明的一方面，一个或多个环形定子绕组可以形成为一个环的结构，这个环部分围绕定子内圆周延伸，部分沿转子轴线方向延伸，也就是一个或多个定子极突出穿过环的中心孔。这具有简化组装定子过程的优点。

还有一方面，这种同步交流电机可以形成具有定子极的极面，每个具有一定尺寸，如沿转子轴向测量出来的，这个尺寸要比定子极组的间距长。这使定子极可围绕定子内圆周形成而在定子极组相邻极之间不会有相互位置干涉，这样简化的定子结构。另外，可以采用更多的定子极，这样电机的输出转矩可以增加。

还可以使多个根据本发明的同步交流电机结合在一起，例如，具有一个共同的电机轴，或者具有通过条带或齿轮等互相联接的电机轴，以驱动一个共同的负载。按照这种方式，通过将一定数量的电机按照所需灵活的组合在一起，其可以驱动大量的负载。

附图说明

图1是一个三相无刷电机实施例的截面图，是通过沿经过转子轴向平面而获得的。

图2是图1中无刷电机转子外围圆周展开视图；

图3是图1中无刷电机定子内围圆周展开视图；

图4是图1中无刷电机定子绕组的圆周展开视图；

图5是对应于图1的截面图，用于描述组装图1中无刷电机定子的方法；

图6是相对转子轴线方向一定角度获得的截面图，通过了图5中VI-VI线；

图7是相对转子轴线方向一定角度获得的截面图，通过了图5中VII-VII线；

图8是相对转子轴线方向一定角度获得的截面图，通过了图5中VIII-VIII线；

图9和10是图1中无刷电机普通形式定子绕组的图表；

图11是无刷电机定子极外面的圆周展开图，用于描述分别采用环形绕组作为定子绕组来代替普通定子绕组的原理；

图12是图1中无刷电机的定子绕组电流、电压和输出扭矩之间关系的矢量图；

图13是图1中无刷电机其它形式定子绕组的圆周展开概念视图，其像具有两个环形定子绕组的二相电机那样运行；

图14是图1中无刷电机定子第一种变形方式的内围圆周展开视图，其具有用于吸收漏磁通的定子极块；

图15是图1中无刷电机定子第三种变形方式的内围圆周展开视图，其具有定子极的变形结构；

图16是图1中无刷电机定子第四种变形方式的内围圆周展开视图，其具有定子极的变形结构；

图17是图1中无刷电机定子第五种变形方式的内围圆周展开视图，其具有定子极的变形结构；

图18是图1中无刷电机定子第六种变形方式的内围圆周展开视图，其具有定子极的变形结构；

图19是图1中无刷电机定子第七种变形方式的内围圆周展开视图，其具有基于图18中定子极的变形结构；

图20是沿转子轴向方向获得的平面视图，示出了图1中无刷电机定子极的其它形状；

图21是沿经过图20中线E-E的平面获得的部分截面图；

图22是组成图1中无刷电机转子极的永磁体沿圆周固定的布置方式的截面图；

图22是组成图1中无刷电机转子极的永磁体第一种布置方式的截面图；

图23是组成图1中无刷电机转子极的永磁体第二种布置方式的截面图；

图24是组成图1中无刷电机转子极的永磁体第三种布置方式的截面图；

图25是组成图1中无刷电机转子极的永磁体第四种布置方式的截面图；

图26是使图1中无刷电机像磁阻电机那样运行的定子极结构的截面图；

图27是使图1中无刷电机像磁阻电机那样运行的定子极其它结构的截面图；

图28和29是转子外围圆周展开视图，以适当角度观察图28，用于描述组成转子极的永磁体可减少图1中无刷电机转矩脉动的其它结构；

图30是定子极位置移位布置方式的概念视图，这种布置方式用于降低转矩脉动；

图31是由永磁体组成的转子极位置移位布置放置的概念视图，这种布置方式用于降低转矩脉动；

图32是沿经过转子轴向平面获得的图1中无刷电机其它形式的截面图，具有一个辅助绕组用于消除沿转子轴向方向作用的磁力；

图33是图1中三相无刷电机的控制装置实施例的系统框图；

图34是用于图1中无刷电机其它(二相)形式的控制装置实施例的系统框图，具有如图13中所示的定子绕组；

图35是沿经过转子轴向平面获得的图1中无刷电机另一种形式的截面图，其为四相无刷电机；

图36是图35中四相无刷电机定子内围的圆周展开视图；

图37是图35中四相无刷电机定子绕组的圆周展开视图；

图38是一对互连的环形定子绕组的斜视图，每个沿转子轴线方向部分地延伸，其实现了一对圆周设置的环形定子绕组的功能；

图39是沿经过转子轴线平面获得的两个无刷电机的组合物截面图，其具有共同转轴以及各个定子绕组磁场是对称极性相反的；

图40是沿经过转子轴线平面获得的现有的无刷电机的截面图；

图41是沿相对于转子轴线方向一适当角度获得的图40中无刷电机的截面图；

图42是图40中现有的无刷定子极和定子绕组之间关系的圆周展开视图；

图43是在图1和4中示出的U、V、W定子绕组连接布置的第一实施方式概念电路图；

图44、45是用于描述根据本发明通过采用三相交流电压驱动一个二相无刷电机的方法的概念电路图。

具体实施方式

图1是沿一个实施方式中的无刷电机的电机轴剖开的截面图，电机用数字100表示。这是一个3相8极电机，具有固定在轴承3上的转轴11，一个具有永磁体12的转子10和一个定子14，这些装入壳体61中。

转子10具有绕其外围圆周设置的永磁体12，其中N极和S极绕转子10的外周连续交替设置，如图2的圆周展开图中所示。转子10的圆周360°相当于1440°的电气角度。

定子14具有四个U相定子极19，四个V相定子极20和四个W相定子极21，每一个定子极朝转子10的外围径向向内突出。图3是定子14的圆周展开图，示出了这些定子极之间的位置关系。如图所示，U相定子极19围绕一个共同的圆周轨道以均匀间距设置。V相定子极20也类似的绕一个共同圆周轨道设置，与U相定子极19的定子极相邻，W相定子极21也围绕一个共同圆周轨道设置，邻接于V相定子极20的定子极。下文中，这四个U相定子极19将称为定子极组19，将四个V相定子极20称作定子极组20，将四个W相定子极21称作定子极组21。这些定子极中，将位于外端位置上(相对于转轴11的方向)的定子极组19和定子极组21将称为边缘位置定子极组，而将定子极组20成为中间定子极组。

如图3所示，定子极组19、20、21沿圆周方向和转子轴向分别相互错位一个特定量。在这个实施例中，圆周位移量为30°(机械)的角度，相当于120°的电角度(即相差)，因为圆周定子极距(每个定子极组之内)相当于360°的相变。

图3中虚线示出的轮廓分别表示转子10的永磁体12的位置(即一个特定转子10的角位置)，与定子14的永磁体12相邻设置并直接对着永磁体12。

永磁体12的节距(即两个相邻N极或两个相邻S极之间的角位移)相当于360°的电角度。类似的，正如前面提到的，每个定子极组中的定子极的节距也相当于360°的电角度。

U相定子绕组15和V相定子绕组16连续(沿转轴方向)设置在定子14的定子极组19和定子极组20之间，即U相定子绕组15和V相定子绕组16各自连接于定子极组19和定子极组20，而V相定子绕组17和W相定子绕组18类似的连续设置，该V相定子绕组17与定子极组20紧密相邻，W相定子绕组18与定子极组21紧密相邻。如图4所示，图4为展开圆周图，示出了这些绕组设置在定子14上的方式。每个U相定子绕组15、V相定子绕组16、V相定子绕组17和W相定子绕组18形成为环形结构，绕定子14内圆周伸展360°。

每相连续相差120°的3相交流电，下文称作Iu、Iv和Iw，分别流入U相定子绕组15、V相定子绕组16、V相定子绕组17和W相定子绕组18。流入相绕组电流的方向(在任何精确时刻)都是顺时针的(沿电机轴方向)，将任意地指定为电流方向的正向，沿逆时针方向流动的电流指定为负方向。假设负电流(-Iu)流入U相定子绕组15。这种情况下，正电流(+Iv)流入V相定子绕组16，负电流(-Iv)流入V相电子绕组17，正电流(+Iw)流入W相定子绕组18。

定子极和相绕组的结构将在下文参考图5中示出的沿平行于轴线剖开的无刷电机100截面图进一步详细描述。图6是沿图5中的VI-VI线所作的平面剖开的简化截面图，相对转子轴向偏转直角。图7是沿图5中的VII-VII线所作的平面剖开的类似截面图，图8是沿图5中的VIII-VIII线所作的平面剖开的类似截面图。如这些图所示，定子极组19、定子极组20和定子极组21中的每个极都具有一个径向向内突起的结构，正如前面描述过的，在一个极组的极与那些直接相邻的组的极之间，也就是定子极组19和定子极组20之间以及定子极组20和定子极组21之间，有一个120°的相差，对应于30°的机械角差。

图9和10示出了U相定子绕组15的物理结构。如图所示，是以圆环的形式，其第一端将称为绕组起始端U，第二端将成为绕组末端N。V相定子绕组16、V相定子绕组17和W相定子绕组18中的每一个具有类似的结构，每个V相定子绕组16和V相定子绕组17具有一个绕组起始端V和一个绕组末端N，而W相定子绕组18具有一个绕组起始端W和一个绕组末端N。假设相绕组连接成3相Y结构，U相定子绕组15、V相定子绕组16、V相定子绕组17和W相定子绕组18每一个的绕组末端N都相互连接。流入相绕组15、16、17和18中的电流Iu、Iv、Iw用于控制各个相的定子极19、20、21与转子10的永磁体12之间形成的转矩的值，该转矩是基于这些电流之间的相位关系而确定的。另外，将电流控制成Iu+Iv+Iw＝0。

相电流Iu、Iv、Iw与由这些相电流在定子极19、20、21中分别产生的磁力之间的关系将在下文描述。图11是对应于前面描述过的图3的展开圆周图，描述了各个相绕组的布置情况，正如从转子10气隙侧看到的。首先，正如虚线部分(6)、(10)、等表示的，U相绕组可以围绕每个定子极19圆周沿同一方向缠绕，这样在每个U相定子极19中就产生了同一方向的磁力。例如，如图11中所见，绕在从左数第二个U相定子极19上的U相绕组由含有以(3)、(4)、(5)、(6)表示的部分的导体构成，这些部分绕U相定子极19中的一个缠绕(按此规则)。在相邻U相定子极19之间构成连接引线的导体部分用(2)和(7)等表示，并且它们没有电磁作用。

将流入这样的U相绕组的电流在下面进行分析，以解释其为何能够利用环形结构而不是普通型定子绕组的基本原理，普通型定子绕组是像图42示出的现有技术那样连续围绕各个定子极缠绕的。等量的但是相反方向的电流流入U相绕组的导体部分(1)和(3)，如图11所示，这样这些绕组的安匝可以相互抵消，这就相当于在这些导体部分中流入了零电流。类似的，导体部分(5)和(8)的安匝也相互抵消，也产生了相当于往这些导体部分流入零电流的情况。基于设置在相邻U相定子极19之间的导体部分流过的电流相互抵消的事实，实际上就不再需要流过这种电流了。因此，可以省略这些导体部分。

结果，如果U相电流Iu沿围绕定子14中圆周轨迹循环流动，流过诸如(10)和(6)等的导体部分，与此同时，等量的相反方向的电流(-Iu)也沿定子14中圆周轨迹循环流动，流过诸如(4)和(9)等的导体部分那么可以获得相同效果。因此，这些导体部分可以由一对环形定子绕组代替，设置在定子极组19的两侧，也就是每个环沿定子内部圆周延伸。

还有，流过导体部分(6)和(10)的相电流Iu相当于一个电流在环形定子绕组中流动的效果，这个环形定子绕组大体位于定子14一个端面(即相对于定子轴向)上，也就是大体定子铁心的外侧。定子铁心的外部由气体或其它具有低导磁能力的材料组成，这样电流Iu通过外部环路的流动几乎没有对无刷电机100产生电磁作用。因此，对应于这些导体部分(6)、(10)等的环形定子绕组可以省略，而不会影响电机的运行。

因此，图4和5中示出的环形U相定子绕组15的作用就相当于图11中示出的绕各自定子极19外周缠绕的U相绕组的作用效果。

还有，与U相绕组方式相同，图11中示出了V相绕组绕每个V相定子极20缠绕。流入导体部分11和13的电流是等量相反方向的，这样这些导体部分各自的安匝可以互相抵消。因此，也就相当于没有向两个导体部分流入电流的情况。类似的，流入导体部分15和18的电流是等量相反向的，这样这些导体部分各自的安匝相互抵消。

因此，如果V相电流Iv沿围绕定子14中圆周轨迹循环流动，流过导体部分(20)和(16)，与此同时，等量的相反方向的电流(-Iu)也沿定子14中圆周轨迹循环流动，流过导体部分(14)和(19)，那么可以获得相同效果，。

结果，如图4和5所示的两个环形V相绕组16和17的共同作用就相当于图11中分别绕在定子极20外圆周的V相绕组的作用效果。

类似的，图11中示出的W相绕组绕每个W相定子极21缠绕。流入导体部分21和23的电流是等量相反方向的，这样这些导体部分各自的安匝将相互抵消。因此，这就相当于没有向两个导体部分流入电流的效果。还有，流入导体部分25和28的电流是等量相反方向的，这样这些导体部分各自的安匝将相互抵消。

因此，如果W相电流Iw沿围绕定子14中圆周轨迹循环流动，流过导体部分(30)和(26)，与此同时，等量的相反方向的电流(-Iw)也沿定子14中圆周轨迹循环流动，流过导体部分(24)和(29)，可以获得相同效果，。

然而流过导体部分(24)和(29)的电流在作用效果方面与流入定子铁心大体外部上环路的W相电流(-Iw)相同。因此，根据前面描述过的与U相绕组有关的相同原因，可以省略对应于这些导体部分(24)和(29)的环形定子绕组，而不会影响电机的运行，也就是不必设置一个环形定子绕组来承载该相电流(-Iw)。

然而应当注意的是如果需要可以同样接合这种最外侧的U相和W相定子绕组。

从前面可以理解，可以在定子14上设置每个为单环形结构的定子绕组，以取得与绕在每个定子极上的定子绕组相同的效果，也就是，根据上面的实施例，六个环形定子绕组可以与分别绕在每个U相定子极19、每个V相定子极20和每个W相定子极21上的普通型三相绕组取得相同的效果。还有，正如前面描述过的，属于六个环形定子绕组中的，两个位于三组定子极19、20、21的组合的相对端(相对于电机转轴方向)的定子绕组大体位于定子铁心外部，可以省略这两个定子绕组而不会明显影响定子绕组的作用效果。

结果，在这个实施例中，通过采用一组四个环形定子绕组来代替三个普通的定子绕组，可以大致减少构成无刷电机100定子绕组所需铜的量。进而可以提高效率，也可以提高转矩。

还有，由于不必再设置仅用于在相邻定子极之间传导电流的导体部分(作为定子绕组一部分)这样的事实，比如在图11中示出的实施例为导体部分(2)、(7)等，则可以围绕定子内圆周获得更多的空间以容纳定子极。因此，通过省去现有技术中的无刷电机大量的仅用于在定子极之间传导电流的导体部分，可以采用比现有技术更多数量的定子极，并同时实现更佳的运行效率。

由于定子绕组的整个结构可以得到简化，与现有技术相比，可以大体提高制造这种类型无刷电机的生产率，因此实现了低成本制造。

通过U、V、W相定子极的磁通φu、φv和φw一起通过定子的背轭部分，三相磁通值总和为零，即φu+φv+φw＝0。根据图41中示出的现有技术结构，一共有六个定子极，即三相中的每一相对应两个极。每个极产生的电磁反应和转矩量与前面实施例中无刷电机100的极所产生的是一样的。然而由于现有技术中无刷电机的结构，不可能省略定子绕组部分或者简化定子绕组布置，而这在前面实施例里的无刷电机100是可以实现的。

无刷电机100的运行将在下文更详细的描述。图12是一副矢量表，示出了这个实施方式的电流、电压和输出转矩之间的关系。X轴和Y轴分别为实轴和虚轴。相对于X轴顺时针方向的角度假定为相角矢量。

下文中，各个相的在定子14的定子极19、20、21中的磁通φu，φv，φw的角位移率将用这些相的各个单元电压Eu、Ev、Ew来表示，表达为：Eu＝dφu/dθ、Ev＝dφv/dθ，Ew＝dφw/dθ。

图3示出了定子14的定子极组19、20、21的相对圆周位置是如何设置的。如图所示，每个定子极19按照相当于机械角30°的量设置的，也就是，从定子极20中直接相邻的一个开始偏离120°电角度，而每个定子极20也同样以120°电角度设置，这个角度也是从定子极21中直接相邻的一个开始偏离的角度。每个绕组15到18的每一匝上所具有的单元电压Eu、Ev、Ew在图12中以三相电压表示。

假设以dθ/dt＝s1的固定速率转动，将组成每个环形定子绕组15、16、17、18的匝数分别设定成Wu、、Wv、Ww，假设它们具有共同值Wc，在环形定子绕组15、16、17、18中分别降低的电压Vu、Vv、Vw可以用下式表示：

Vu＝Wu×(-dφu/dt)

＝-Wu×dφu/dθ×dθ/dt

＝-Wu×Eu×S1  .......(1)

Vv＝-Wv×Ev×S1.......(2)

Vw＝-Ww×Ew×S1.......(3)

尤其是，绕组和电压之间的关系如下文所述。U相单元电压Eu为反向电压，即为如图1和4所示的U相定子绕组15一匝中表现出的电压。U相电压Vu也是一个反向电压，即是U相定子绕组15中表现出的电压。V相单元电压Ev是由V相定子绕组16中的一匝与V相定子绕组17(即沿与V相定子绕组16中的一匝相反方向缠绕的)中的一匝构成的串联组合所表现出的电压。V相电压Vv是由V相定子绕组16和V相定子绕组17(沿与绕组16相反方向缠绕的)的串联组合所表现出的电压。W相单元电压Ew是一个反向电压，即是W相定子绕组18中的一匝所表现出的电压，W相电压Vw也是一个反向电压，即是W相定子绕组15所表现出的电压。

为了用无刷电机100实现产生转矩的高效率，必须在具有单元电压Eu、EV、Ew的相中通入各个相电流Iu、Iv、Iw。在图12中，假设Iu、Iv、Iw分别流入了具有单元电压Eu、EV、Ew的相中。因此，为了简化转矩图，一相的电压矢量和该相的电流矢量由同一箭头表示。

将该无刷电机100的输出功率设定成Pa，将对应于U、V和W相的输出功率值分别用Pu、Pv、Pw表示，这些可以用下式表达：

Pu＝Vu×(-Iu)＝Wu×Eu×S1×Iu     ......(4)

Pv＝Vv×Iv＝Wv×Ev×S1×Iv        ......(5)

Pw＝Vw×Iw＝Ww×Ew×S1×Iw        ......(6)

Pa＝Pu+Pv+Pw＝Vu×Iu+Vv×Iv+Vw×Iw......(7)

将该无刷电机100的输出转矩用Ta表示，各相转矩值分别用Tu、Tv、Tw表示，具有下列表达式：

Tu＝Pu/S1＝Wu×Eu×Iu......(8)

Tv＝Pv/S1＝Wv×Ev×Iv......(9)

Tw＝Pw/S1＝Ww×Ew×Iw......(10)

Ta＝Tu+Tv+Tw＝Wu×Eu×Iu+Wv×Ev×Iv+Ww×Ew×Iw＝Wc×(Eu×Iu+Ev×Iv+Ew×Iw)    ......(11)

本实施例中该无刷电机100的电压、电流和转矩值矢量表与图40到42中示出的现有技术中无刷电机对应的矢量表是一致的。

如参考图11所描述的，在上述实施例中没有采用环形绕组，这个实施例与普通定子绕组的诸如(6)和(10)的U相定子绕组部分以及诸如(24)和(29)的W相定子绕组部分具有等同的效果，其中这些普通绕组是大体设置在定子铁心外侧的。然而，对于上述实施例或是由此变形的定子，虽然没有在附图中示出，来自U相绕组15的第二环形U相定子绕组设置在图3中示出的定子极组19相反侧上，电源电流沿与U相绕组15方向相反的方向(即沿与U相绕组15相反方向缠绕的方向)流过这个第二环形U相定子绕组。类似的，来自W相绕组18的第二环形W相定子绕组设置在定子极组21的相反侧上，电源电流沿与W相绕组18方向相反的方向流过该第二环形W相定子绕组。对于这个实施例，定子极19和21加工成这样的形状，即分别容纳这些附加的环形绕组，即位于定子绕组15到18的相同圆周位置上。

下面将描述可提供改进效率的上述实施例另一个变形形式。对于上述实施例，如图4所示，定子绕组15和16是分别置于定子极组19和定子极组20之间的环形绕组。这两个环形绕组可以由一个单个环形绕组代替。类似的，置于定子极组20和定子极组21之间的定子绕组17和18可以由一个单个环形绕组代替。

图13是上述实施例变形方式中的定子绕组的圆周展开视图，其中定子绕组15和16由单个环形M相绕组38代替以及定子绕组17和18由单个环形N相绕组39代替。这个流入M相绕组38的M相电流Im(＝-Iu+Iv)等于上述实施例中分别流入U相定子绕组15和V相定子绕组16的各个电流(-Iu)和Iv的总和。因此，由M相绕组38产生的磁通的状态与U相定子绕组15和V相定子绕组16分别产生的合成磁通的状态是一样的，因此，单个M相绕组38在电磁方面等同于U相定子绕组15和V相定子绕组16的合成物。

类似的，流入N相绕组39的N相电流In(＝-Iv+Iw)等于上述实施例中分别流入V相定子绕组17和W相定子绕组18的各个电流(-Iv)和Iw的总和。因此，由N相绕组39产生的磁通的状态与V相定子绕组17和W相定子绕组18分别产生的合成磁通的状态是一样的，因此，单个N相绕组39在电磁方面等同于V相定子绕组17和W相定子绕组18的合成物。

上面示出了图12中的矢量图，其中M相绕组38的单元电压Em和N相绕组39的单元电压En分别用下式表示：

Em＝-Eu＝-dφu/dθ

En＝Ew＝dφw/dθ

另外，功率P和转矩T的矢量方程式如下所示：

Vm＝Wc×Em×S1              ...................(12)

Vn＝Wc×En×S1              ...................(13)

Pm＝Vm×Im＝Wc×(-Eu)×S1×(-Iu+Iv)

＝Wc×Eu×S1×(-Iu+Iv)      ...................(14)

Pn＝Vn×In＝Wc×Ew×S1×(-Iv+Iw)     ..........(15)

Pb＝Pm+Pn＝Vu×(-Iu+Iv)+Vw×(-Iv+Iw)   ........(16)

Tm＝Pm/S1＝Wc×(-Eu)×(-Iu+Iv)        .........(17)

Tn＝Pn/S1＝Wc×Ew×(-Iv+Iw)           .........(18)

Tb＝Tm+Tn＝Wc×((-Eu×Im)+Ew×In)    ..........(19)

＝Wc×(-Eu×(-Iu+Iv)+Ew×(-Iv+Iw)

＝Wc×Eu×Iu+Wc×Iv×(-Eu-Ew)+Wc×Ew×Iw

＝Wc×(Eu×Iu+Ev×Iv+Ew×Iw)         ..........(20)

Eu+Ev+Ew＝0                         ...........(21)

在上面的方程式(11)中，由方程式表示的转矩是一个三相转矩。然而方程式(19)表示一个二相转矩。表示这两种转矩方程式的方法是不同的，但是通过展开方程式(19)，可以得到方程式(20)，因此方程式(11)和(19)在数学上是等价的。在这种情况中，电压Vu、Vv、Vw以及电流Iu、Iv、Iw组成了一个平衡三相交流布置方式，由方程式(11)表示的转矩Ta是一个固定值。在同样的条件下，从方程式(19)中得到的转矩Tb是正弦函数二次方的和，这样Tm和Tn之间的相差Kmn是90°，因此，转矩Tb也是固定的。

方程式(19)应用于一个二相电机，但是方程式(11)和(21)表示的是一个三相电机的形式，尽管从这些方程式中可以得到相同的转矩值。然而，在方程式(19)的情况中，当电流(-Iu+Iv)经过M相绕组38时，电流-Iu和Iv分别经过U相定子绕组15和V相定子绕组16，然后虽然它们是电磁等效的，但是构成定子绕组所需的铜的量对于这两种情况而言是不同的。

如图12的矢量图所示，经过M相绕组38的电流Im的实轴分量减少了对应于Im乘以cos30°的一个量，也就是，由电流流经M相绕组38而导致的铜损量可以降低到由流经U相定子绕组15和V相定子绕组16的电流引起的铜损量的75％，因此，采用图13中所示的定子绕组的变形形式，铜损总量可以降低25％。因此，可以实现基本上改善无刷电机的运行效率。

下面描述改善图1中无刷电机100的性能的方法。无刷电机100的基本原理是与各个定子14极19、20、21邻近相对设置的永磁体12的部分磁通经过这些定子极，而永磁体12的其它部分磁通没有对定子极19、20、21起作用(或，至少仅有很微弱的作用)。然而在相邻永磁体12之间间隙中有一定量的进入定子和转子间气隙的漏磁通，这些漏磁通对定子极19、20、21有不利的作用，这个作用趋于降低无刷电机100具有的转矩量。

图14是定子14的极19、20、21的圆周展开图，正如从转子10上所看到的，示出了减少上述问题的定子14的改进了的形式。如图所示，由磁性材料构成的极块(即附加极)60设置在定子14的表面上，定子极从定子14的表面上突出，这些极块位于未被定子极19、20、21所占的空间中。按照这种方式，吸收了永磁体12产生的漏磁通(即没有经过定子极19、20、21的磁通)，防止了这种漏磁通引起的不利效果。无刷电机100的输出转矩进而可以得到增加。

值得注意的是，附加极60可以加工成这样，即永磁体12的S极和N极之间的每个漏磁通流量通过经过(也就是构成环形)附加极60本身的方式得到吸收，或者是通过使漏磁通绕定子14的背轭区成环而得到吸收，其中这些漏磁通是在永磁体12的极面处产生的。

下面将描述图1中无刷电机100的磁路结构。对于这个实施例，由于磁通是由一个相的定子极(即一个定子极组的极)产生的，同时这些磁通朝另一个定子极组(即朝其它相定子极)的方向定向，这个磁通的一部分沿转子轴11的轴向定向。因此，由每个定子极组的定子极产生的磁通沿三个方向定向，也就是，沿转轴11的轴向、沿径向(即相对于转轴11轴向的径向)以及沿圆周方向。在现有技术中，为了使涡流最少化以提高电机效率，采用在一个磁性电枢上构成的多层线圈来组成定子绕组，定子绕组的磁路通常设计成仅有二维磁通通路，这是因为最好是沿某一方向以适当角度通过绕组层的磁通量要尽可能的少。

然而对于像图1中实施例里的无刷电机，可以在定子内提供三维磁通通路，而使产生的涡流最小，使最后产生的额外的电流流入定子绕组。这能够在避免使构成定子极和定子铁心的方法复杂化的同时实现，这是现有技术中基本上将磁通通路限制为仅二维所需要解决的问题。特别是，对于本发明，全部的或部分的定子14也包括转子10(而不包括永磁体12)可以通过压制(例如用金属模)一个磁性粉末材料来制造，这种磁性粉末材料为一种软磁物质，具有有电绝缘材料薄膜覆盖的粉末颗粒表面，也就是说，磁性粉末通过模铸工艺受到固化。

具有很高电阻的薄膜的构成可以例如通过采用一种粉末形式的适当金属而轻易地实现，其中这种金属放置暴露于大气中可在粉末颗粒的表面上形成一个氧化膜。

如果必要，在定子14和转子10的元件由一种磁性粉末材料通过上面描述的模制工艺最初构成之后，最后固化后的模铸块可以加工成精确的所需形状和尺寸。

另外，可以通过直接加工固化后的磁性粉末材料块而使承载磁路的定子14和转子10的每个部件形成它们的最终形状。

利用上述方法，可以容易的制造该无刷电机的部件，其中该电机可以存在三维磁通路，而不会由于涡流损耗而过多的降低效率，同时制造过程可以以低成本完成，即使是在其必须要形成的形状会相对复杂的时候。

下面将参考附图5描述制造无刷电机100的定子14的特别可行的方法。首先，定子14的定子铁心可以由三种单个的环形段构成，其中一个段从定子14的上部分延伸，如图5所示，延伸到经过图5中线VI和线VII之间的位置的平面(垂直于转轴11的轴线)，第二段从后一个面延伸到经过线VII和线VIII之间位置的平面(垂直于转轴11的轴线)，以及第三段从后一个面延伸到图5中定子14的下部分。

前述经过线VI和线VII之间的位置的平面优选位于靠近槽孔的位置，例如，位于图3中所见的定子极组19和20之间中间的位置。类似的，前述经过线VII和线VIII之间位置的平面位于图3中定子极组20和21之间的位置将是有利的。

在定子铁心这三个环形段(分别结合定子极组19、20、21)形成好之后，例如，通过采用前面描述的模铸磁性粉末的制造工艺，它们将相互贴附以形成图5中所示的定子14的结构。

在组装前述定子铁心的三个环形段之前，可以单独制造环形定子绕组15、16、17和18。定子绕组15和16将插入到位于前述三个环形段中的第一和第二段中的适当位置，这两个段随后相互贴紧，同时定子绕组17和18类似地插入到前述三个环形段中的第二和第三段的适当位置中，以及这两个段随后相互贴紧，进而获得了带有图5中示出的环形定子绕组15到18的定子14。

按照这种方式，利用简单的实施工艺，可以容易的制造定子14。

还有，不是采用单独的步骤形成每个环形定子绕组15、16、17和18与定子铁心段，而是在这些段相互贴附以形成完整的定子14之前，可以将这些定子绕组直接缠绕到前述三个定子铁心段中适当的一个段上。

为了能够将定子铁心段正确组装成一个完整的定子铁心，优选在每个定子极段上适当地形成邻接面，例如，形成在极段上的相邻端面上的一个或多个突起，以及对应形成在相邻段的邻接面上的槽，这样它们在放在一起时可以正确的相互对准。另外或者还有，可以采用连接销以及对应的用于接收该连接销的穴或通孔以使将定子铁心段组装成完整定子铁心的工艺简单。

还有，每个前述定子铁心环形段可以进一步分成一对环形子段，其中一个具有绕其内圆周形成的定子极组中的极的一半，是在交替具有槽隙的位置上(每个间隙对应于一个定子极位置)，另一个段类似地具有绕其内圆周形成的定子极组中的极的剩下那一半。这两个环形子段随后可以相互贴附以形成一个单独的段，其承载全部定子极组的极，位于适当圆周位置上。

这种利用子段构成及组装定子的方法在定子极是结构复杂时以及采用了上面提到的用模铸磁性粉末材料制造的工艺是特别有利的，其中上述子段中的每一个都只承载一个定子极组中的一半的极。在这种情况中，由于每个模子仅需要形成定子极组中的交替的极，因此在模铸工艺期间会降低相邻极之间干扰的危险性，也就是由于它们间隔的比其它方式的情况更远。因此模铸工艺可以更简单。

根据制造目的定子铁心还有另外一种结构，它将分成一个外定子铁心外围部分(即圆柱形)、U相定子极组19、V相定子极组20和W相定子极组21，例如，每个定子极组中的极绕一个环形段的内圆周一体形成，该环形段具有的外圆周小于前述外定子铁心外围部分的内圆周。

采用这种设置方式，可以通过前面描述的压铸磁性粉末材料来形成每个定子极组，然后通过将每个预先形成的定子极组沿转子轴线方向连续压配进该圆柱形定子铁心外围部分以组装该定子铁心，也就是说，定子极组的全部极同时移动到它们的最终位置上。为了实现无刷电机100的高输出转矩，在定子极形状制造得比较复杂时采用这种方法是很有利的。

也应该注意到，采用一种磁性金属粉末材料和磁性钢板的整体组合物而不是单一的磁性金属粉末材料来制造定子14的定子铁心也是可以的。这种情况下，可以获得两个类型材料的各自的优点，即有关的磁特性以及金属强度。尤其是，如果在这种组合物中采用了各向异性硅钢，那么可以实现沿某一方向很高的磁通密度，同时该磁性金属粉末材料允许磁通沿三维方向穿过。通过将这种各向异性硅钢板和磁性金属粉末材料组合在一起，可以生产出组合了这两种类型材料各自优点的定子。

下文将描述无刷电机100的定子极的其它形状的实施例，尤其是与气隙一起构成边界的定子极部分的其它形状，即定子极的各个极面。它们的形状对无刷电机的转矩特性有很大影响，也影响了齿轮转矩脉动，其中该转矩脉动是由感应电流流动引起的。下面将描述定子极结构从而解释为何针对每个定子极组的单元电压(如前面所定义的)的波形和幅值会是大体相同的，以及各个定子极组的单元电压的连续相会相差一个电角度，该角度大体约为120°。这通过适当改变各个定子极组中的极面的形状可以实现。

除了极面外，定子极的形状可以，例如基本上参考图3和4所描述的，也就是，每个极部分(“齿”部分)贴附到定子铁心上，该定子铁心加工成在一侧可容纳对应环形定子绕组的形状，或在另一侧可容纳一对对应绕组。

图15是定子内圆周的圆周展开图，示出了无刷电机定子极的其它设置方式。在图15中，由三个定子极组对应于各个相，这三个组的极分别用22、23和24表示。在这个实施例中，定子极的极面沿转子轴线方向平行定向，属于同一组(即属于同一相)的全部定子极为相同的极面结构。按与上述图3的实施例相同的方式，定子极组分别在圆周上相对于彼此以相应的120°电角度(即每个定子极组中圆周极距对应于360°电角度的地方)的量设置。

定子极22、23、24的这种结构可以使每个定子极通过转子发出的大量磁通而连接起来，但是可能会引起产生转矩脉动的基本量。然而这通过使每个定子极形成一个具有曲线凸起形状的表面轮廓(如沿转子轴线方向看到的)的极面可以得以减轻。这引起了相邻极之间的分界线处的电磁作用以平滑方式变化，因此减少了转矩脉动。

图15中沿水平方向的角度值表示沿圆周方向的机械角，图表中从左侧到右侧的距离对应于360°(机械)角度。

图16是诸如无刷电机100的无刷电机定子极极面的另一种结构的圆周展开视图，三个定子极组的极分别用22、23和24表示。在图16中，每个定子极相对于转子轴线方向偏斜一定量，该量对应于大约相对于图15中实施例里的每个定子极位置60°的电角度。这有效的降低了转矩脉动的量。还因为每个相的每个定子极面的宽度比相应的180°电角度的量要窄，所以穿过每个定子极25、26、27的磁通最大部分没有减少，这样定子极偏斜结构的最后结果是没有降低转矩的平均值。

应该注意到对于图15和16中示出的定子极的形状，也必须使定子极构成具有间隙的结构以容纳各个相的定子绕组15、16、17，也必须在定子极和转子之间提供气隙。因此就会存在以下问题：提供这样的间隙将会导致无刷电机的外形尺寸与图3中示出的简化结构相比会增加。

图17是根据本发明的无刷电机定子极的另一种结构的圆周展开图，三个定子极组的极分别用28、29和30表示。这个无刷电机的定子极极面形状设计成可以减少上述问题，也就是可以使无刷电机的外形尺寸变得最小化。用Eu(＝dφu/dθ)表示U相单元电压(即U相定子极28的磁通φu的角旋转速度)，用Ev(＝dφv/dθ)表示V相单元电压(即V相定子极29的磁通φv的角旋转速度)，用Ew(＝dφw/dθ)表示W相单元电压(即W相定子极30的磁通φw的角旋转速度)，定子极分别加工成图17所示的形状，这样三个相的单元电压的波形和幅值基本上相同的了，并且这些单元电压分别相差120°电角度。

定子极具有这样的形状，每个定子极28、29、30气隙区的较大部分位于靠近对应定子极齿部分的中央位置，转子10的磁通穿过每个定子极的极面，随后穿过该极齿部分的中央，穿过定子14的背轭区，因此磁通可以顺利穿过。因此，通过分别与图16和17的实施例示出的定子极结构相比，可以减少每个定子绕组15、16、17、18与定子/转子气隙之间(即每个定子绕组与对应定子极外面之间)的间距。因此，可以减小无刷电机的外部尺寸。

图18是定子极另一种结构的圆周展开图，三个定子极组的极分别用31、32和33表示。这是图17中示出的定子极结构的变形方式。使用附图18中的结构，U和W相定子极31和33的每一个沿圆周方向伸展一个宽度，其对应于180°的电角度。与图17中示出的基本结构相比，U和W相定子极31和33中每个的顶部(即每个定子极31的上顶部以及每个定子极32的下顶部，如图18所示)都已经去除了，这是因为很难制造出极窄的极部分。每个V相定子极32的形状如图所示，以使能够对应于定位在任一侧上的U和W定子极31、33的形状达到平衡。

采用这种定子极结构，每个相的各个相的单元电压Eu、Ev、Ew(即对于每个相，在那个相的极表面上的磁通角转动速度)基本上是相同的，但是对于相来说是不同的，且可以穿过很高的有效磁通。还有，制造具有这种定子极结构的定子会比较地简单。

图19是定子极另一种结构的圆周展开图，三个定子极组的极分别用34、35、36表示。对于图15到18中示出的定子极结构的实施例，仅示出了极的基本设置方式，用于描述每个实施例的原理，同时忽略了流过相邻定子极之间的漏磁通效应。然而在实际操作中，这种漏磁通会导致输出转矩的降低，所以应当避免出现这种情况。为了克服这些问题，如图19所示的是对图18中示出的定子极结构进行改进，在相邻定子极极面之间设置有间隙。按照这样的方式，流过定子极之间的漏磁通量可以减少，并且电机的输出转矩相应的增加。还有，采用这种定子极偏斜结构，转矩脉动也可以降低。

图20和21示出了定子结构另一种变形，假设其采用了图3、4中所示出那样的定子极结构和定子绕组结构，其中图20是沿转子轴线方向获得的视图，图21是沿经过图20中线E-E获得的部分截面图。为了简化附图，在附图21中仅示出了一个定子极与一个定子绕组相关的部分。图20中，定子极的基本形状(即常规形状)由虚线轮廓72表示。采用这种变形结构，每个定子极73加工成这样的形状，从其极面开始朝其基部(即最靠近定子铁心的部分)宽度逐渐的增加。这有助于降低定子极内的磁通密度。

另外，每个定子极基部加宽的结果是，如图21所示，其可以加宽其中设置有定子绕组的定子极的面积。尤其是，在图21中，标记74表示当前述基本结构72用于每个定子极时对应于定子绕组的截面区，而阴影区75对应于当采用了另一种结构73情况时的定子绕组。如图所示，采用另一种结构，可以使每个定子绕组的截面宽度(沿转子轴线方向)从“f”所表示的量增加到用“g”所表示的量。结果，由于所增加的截面面积可以提供给每个定子绕组，所以可以供给更高值的电流以驱动电机，这样可以实现输出转矩增加。

另外，从定子14的永磁体12开始穿过定子极的磁通穿过定子的后轭区，随后穿过其它相的定子极，沿转轴11的方向，再返回到永磁体12。因此，磁通是以有效的方式穿过的，这样无刷电机的输出转矩可以增加或者电机可以制造得更小。

下文将参考图22到27描述转子10结构的特殊实施例。它们中的每一个都是沿垂直于转轴11轴线的平面获得的截面图。图22中示出的转子10具有图1和2中示出的无刷电机100的基本结构。8个永磁体12都绕转子10固定，每个磁体的外表面形成围圆弧形，每个在其外表面具有一个(N或S)极。永磁体12相对于转轴11同轴固定(以及相对于转轴11固定贴附)，进而构成了转子10的外围。永磁体这样设置，即在外表面具有N极的那些永磁体与外表面具有S极的那些永磁体绕转子10的圆周连续交替，这样N和S极可以绕转子10的圆周方向交替。

在图23的实施例中，转子10A具有八个沿圆周固定的永磁体50，每个永磁体沿径向延伸，以等角度间隔开。每个永磁体50在其一侧具有一个N极(相对于磁体定向所沿的径向)以及在另一侧具有一个S极。永磁体50这样设置，即在其左侧(相对于磁体定向所沿的径向)具有N极的那些永磁体与在其左侧具有S极的那些永磁体连续交替，这种变形方式中N和S极可以绕转子10A的圆周方向连续出现。由强磁材料构成的极块51设置在永磁体50的相邻对之间，有助于收集永磁体50的磁通进而增加转子10A表面的磁通密度。另外，磁通可以经过转子10A的内部，经过每个极靴51，这样即使定子极不均衡地分布(即在定子表面气隙处)，如图3或18所示出的例子，永磁体50的磁通可以有效的从转子10A转移到定子极，这样电机可以获得增大的输出转矩。

转子10A也可以一体具有八个极靴52，连续圆周设置在永磁体50的下面。这些极靴52还有转子轴11都是由非磁性材料制成的。每个永磁体50的下端靠近两个相邻极靴52之间的界面，这有助于基本上降低转子的互相相邻的永磁体50之间的漏磁通量。

另外，可以采用八个永磁体来代替非磁性极靴52。这种情况下，这些永磁体应该具有图23中所示的极性(在它们的外表面上)。如果是这样的话，在转子10A的外表面上可以实现基本上更高的磁通密度。

采用图24中示出的转子10B的结构，在转子的内部圆周(即与转轴11是同轴的)设置了八个永磁体53，这称作IPMSM结构。从每个永磁体53的每一端开始朝着转子10B的外围径向延伸形成了空腔54。值得注意的是，可以往这些空腔中填充非磁性材料。

采用转子10B的结构，既可以获得由永磁体53产生的转矩，还可以获得由转子10B的非永磁体而是软磁材料构成的部分所产生的磁阻转矩。另外，通过对流入定子14中的相电流进行控制，相对于转子的角位置，可以对场磁通大小进行控制，也就是说，可以实施所谓的弱场控制，这样在电机转速变高时该场磁通是减少的。因此可以获得恒定功率的运行特性。

还有，如果空间54具有插入其中的各个永磁体来代替磁性材料，那么可以在转子表面产生更高的磁通密度，所以可以实现更高的输出转矩。

采用具有图25中所示出结构的转子10C，八对永磁体55靠近转子的外围沿圆周排列，每个永磁体相对于转轴11轴线径向延伸，各个转子磁体85进而可以由每对永磁体55在转子10C表面上形成。转子10C的本体由磁性材料制成。如图所示，每对中的相邻永磁体按相同极性方向定向(即在一对中的永磁体在其左手侧具有N极在其右手侧具有S极，或者在该对中每个永磁体的左手侧具有S极在右手侧具有N极，正如从转轴11轴线处看到的)以及相邻永磁体对55具有互相相反的极性。另外，在每个永磁体55对之间形成了空腔56。

另一种变形，其同样地可以在每个空腔56中填入非磁性材料。

采用转子10C，当定子绕组产生了场磁通时，转子磁体85之间的相互作用和场磁通的磁力作用产生了转矩。产生转矩的方式可以用各种方式表示。例如，假设由于d轴电流分量而在转子磁铁85中形成的场磁通，以及由于q轴电流分量而产生转矩，可以认为没有场磁通沿q轴方向定向，结果转子磁体85内的场磁通不容易受q轴电流影响，这样通过对d轴电流的控制而实现的转子磁通等级的控制程度得到了提高。特别是，这对于实现恒定功率控制是有效的，在电机转速变高时，定子绕组的激励电压降低，进而降低了场磁通的等级。

使用具有图26中所示结构的转子10D，八个突出部分绕转子外围在等距位置上形成，其是由磁性材料构成，也就是采用了一种突出极转子结构，从而实现磁阻型无刷电机。将假设定子绕组为三相Y连接方式来描述这个例子。然而也可采用其它形式的定子绕组结构，以获得不同的电机运行特性。对于这个例子，流过U、V、W定子绕组的电流可以分别分开控制，以使更有效的产生转矩。对于现有技术中的磁阻型电机，沿径向的吸引力可以像大致朝着圆周方向移动的方式变化，这会引起振动和噪音。然而对于采用了具有图26中转子10D转子结构的转子的无刷电机，吸引力(朝向定子)沿径向施加到转子的整个外围，这样(对于具有环形形状的定子)由径向吸引力组成的负载绕转子的外围均匀分布。因此，振动和噪音可以降到最小。另外，该转子可以承受极高的转速。还有，不会产生明显的嵌齿转矩脉动。

采用具有图10D所示出那种形式的转子也可以使无刷电机的转子具有很简单的结构，因为它仅需要将磁性材料体形成一个预定形状。

还有，通过使转子极和定子极适当成形，无刷电机的尺寸可以制造得更紧凑。另外，可以降低制造成本，这是因为不必使用永磁体，提供永磁体以及组装都是很昂贵的。

采用图27中示出的转子10E，其也用于实现一种磁阻型无刷电机，采用了一种被称作磁通障碍物的结构。尤其是，转子10E具有由磁性材料制成的本体，并采用各个磁通障碍物58，每一个形成为就像是转子本体内部的空腔那样的形状，或者可以填入非磁性材料。磁通障碍物58的位置限定出八个转子极86，绕转子10E的圆周等间距定位，也就是说，每个转子极86可以设置在两个相邻磁通障碍物58之间。这个例子中，58x设置成三个八组，每组中的磁通障碍物从接近转子10E的表面位置开始逐渐延伸，每个磁通障碍物基本上为圆弧形状(如沿转子10轴线所看到的)，三个每组中的磁通障碍物基本上是同心的。每一组中，每个相邻磁通障碍物58对间隔开一窄的区域，这个区域限定出磁通路径59。

这种转子10E具有极好的特性，类似于前面描述过的转子10D所具有的那些特性。

图28是转子10外围的圆周展开视图，但是每个永磁体12的形状(如以适当角度观察图28所见到的)如在图29中所示出的截面图。图28示出了转子的全部外围，也就是对应于360°的机械角度。如图所示，永磁体12的N极和S极在沿转子10的表面的交替位置上出现。各个极靴37，由强磁材料制成，设置在永磁体12的每个外表面上。极靴37促进了磁通的移动，这样即使定子极气隙面分布不均匀(如图3或图18中的例子)，转子10发出的磁通可以有效的转移到定子极，因此可以实现提高电机的输出转矩。

虽然在附图中没有示出，但是应该提供一定间隙量来分隔开相邻的极靴37对，这是为了减少极靴37之间的漏磁通量。如果每个极靴37的外表面形成为弧形凸起轮廓(如图29中所见的，即沿转轴11轴线方向)，那么在永磁体12外表面上的磁通分布(特别是，在极靴37的外表面处)将会从极到极按大体为正弦曲线的方式改变。因此，转矩脉动的量进而可以减少，无刷电机运行中的振动和噪音也可以降低。

下文将描述通过恰当地形成定子来降低无刷电机100转矩脉动的方法。对于图3中示例所示出的U相定子极19各个位置，定子极组的极以各自的角位置这样定位，即每个组中的相邻极对之间的距离(角位移)等于360°电角度。为了简化下文的说明，针对极的角位置将称为它们各自的参考位置。为了减少第RN1次转矩脉动(这里RN1为整数)，将定子极组19分成N1个子组，在这些子组对之间建立360°/N1的相对相移(即电角度与360°的差值)。

对图30的说明，其示出了U相定子极19的各个圆周位置，沿水平轴划分相应的电角度值，四个U相定子极19用U-1、U-2、U-3和U-4表示。这个例子中，为了减少6次转矩脉动谐波分量(即RN1＝6)，四个U相定子极19分成两个子组，优选是U-1和U-3这对以及U-2和U-4这对。N1＝2的情况下，U相定子极19的两个子组之间相对相移为360°/(RN1×N1)＝360°/(6×2)＝30°。因此，定子极U-2、U-3的圆周位置从它们的参考位置(如前面定义的)开始移动相当于30°电角度的量，如图30所示。

结果，在由极U-1、U-3对与极U-2和U-4对所引起的6次转矩脉动分量之间将会出现180°的相差。因此，在无刷电机100产生的输出转矩中，6次转矩脉动谐波分量可以互相抵消。

V相定子极20和W相定子极21可以采用相同的布置方式。

还有，一旦上面的定子极布置方式已经建立好了，则可以进一步调整定子位置，比如要抑制5次转矩脉动谐波分量。作为优选实施例，U相定子极19可以分成子组U-1、U-2以及子组U-3、U-4。这种情况下，U相定子极19的两个子组之间的相对相移为360°/(RN1×N1)＝360°/(5×2)＝36°。因此，定子极U-3、U-4的圆周位置应该移动(即从它们各自的参考位置)相当于36°电角度的量。这通过向右或者向左移动这些定子极得以实现(如图30所见)。

然而，因为定子极U-2、U-4已经向右移动了，那么定子极U-3、U-4的向左移动对于转矩脉动的缩减量没有向右移动有效。因为这样的原因，U相定子极19的位置应按照下面的方式调整：

极U-1保持在其参考位置上；

极U-2从其参考位置开始向右移动30°(如图30所示)；

极U-3从其参考位置开始向右移动36°；

极U-4从其参考位置开始向左移动6°(即30-36)。

这样转矩脉动的5次分量和6次分量都可以减小了。

这种降低转矩脉动的方法可以容易的应用到具有大量极的无刷电机中，这是因为这些极可以容易的按组设置。如果需要减少大量的不同次的转矩脉动谐波分量，那么将会降低效率，其依赖于极分配到各个极组中的方式。因此必须要保证由多种不同移动方式所获得的位置移动作用效果不会互相抵消。例如，如果极分成八组G1到G8，且如果三种不同次的转矩脉动谐波分量没有减少，则首先要给组G1到G8应用一个预定的角位移量以降低RN1次谐波分量。可以认为组G1和G5的RN1次谐波分量将会互相抵消。类似的，可以认为组G2和G6、组G3和G7、组G4和G8的各自的RN1次谐波分量将会互相抵消。

因此，即使组G3和G7以及组G4和G8分别以可降低RN2次转矩脉动谐波分量的方式移动，它们降低的效率也不会比前述应用的移动结果差。因此，RN1次和RN2次转矩脉动谐波分量都可以降低了。

类似的，如果RN3次转矩脉动谐波分量也需要降低，则可以采用与前面描述的相同的考虑来防止干扰，也就是说，组G2、G6、G4和G8每一个可以移动一个适当的角量以实现消除RN3次谐波分量。

按照这样的方式，可以实现三种不同类型的极移位，它们的作用效果之间几乎没有可能存在相互影响，因此可以有效地降低三种不同类型的转矩脉动谐波分量。

在上面描述移位方法中，假设在转矩脉动谐波分量之间建立了180°的相差，从而实现使它们的作用相互抵消。然而这相当于可以将极分成三个子组，其实际在相上相差120°(即这里每个子组相邻对在绕定子圆周方向的角位置上相差对应于120°电角度的量)，或者可以将极分成比三多的组数，实现了有效的消除了转矩脉动的谐波分量。

下面将描述加工无刷电机100的转子以降低转矩脉动的方法。为了减少转矩脉动的RN1次谐波分量，转子极(例如由转子10的永磁体12组成的)可以这样设置，每个N极组和S极组分成N1个子组，这些子组中的每一个相对于相邻子组在圆周位置上相差一定量，这个量对应于是360°/(RN1×N1)整数倍的相差，也就是说，不同的圆周位置对应于360°/(RN1×N1)的电角度。

基本上，降低转矩脉动的方法类似于前面描述的降低定子极转矩脉动的方法，转矩脉动的RN1次谐波分量可以在每个定子极组中消除。

图31示出了布置方式的优选实施例，这里将定子极(永磁体)移位以降低转矩脉动。在这个实施例中具有八个永磁体(例如，对应于图1中示出的永磁体12)，分别用标记76到83表示，当然，四个永磁体76、78、80、82在其外表面具有它们各自的N极，而永磁体对76、80表示N极的子组，永磁体78、82表示第二N极子组。一个子组78、82的永磁体在圆周方向上的(相对于第二子组78、82的极)移位对应于30°电角度的量。如图31所示，四个永磁体77、79、81和83应用了相同的布置方式，永磁体中的每一个具有定位于其外表面上的S极。

这样，消除了转矩脉动的6次谐波分量。

值得注意的是，通过在转子上固定一个环形永磁体(即其已经具有所示出的交替N和S极的布置方式)，或者通过在转子制造最后阶段中将转子磁化成N和S极的图案，可以将转子加工成图22所示出的那样的结构，永磁体绕转子表面设置。

下文将描述减小沿转轴11作用的磁力大小的方法。使用前面描述过的无刷电机100，例如采用图3中示出的定子绕组布置方式，各个相反方向的电流，优选流入V相定子绕组16和V相定子绕组17。因此，沿转轴11方向作用的合成磁力互相抵消。然而流入U相定子绕组15和W相定子绕组18的电流引起产生了沿转轴11轴线方向作用的磁力。许多情况下这不会带来问题。然而在其会引起问题的情况中，部分或全部转轴11可以由诸如不锈钢的非磁性材料制成。还有，辅助绕组可以安装在邻近转轴11的定子14上，电流流经这个绕组以产生沿轴线方向作用的磁力，这个磁力将抵消掉由U相绕组15和W相绕组18产生的磁力总量。

图32中所示布置方式的实施例，其是沿平行于转子轴向的平面获得的截面图，是无刷电机其它的实施方式，该无刷电机用100C表示，这里为了消除前述由于流经U相绕组15和W相绕组18的电流而产生的沿转轴11方向作用的磁力的目的，增加了一个辅助定子绕组。这个辅助绕组90绕转轴11的圆周设置，如图所示。另一方面，无刷电机100A的结构与图1中无刷电机100的结构是相同的。辅助绕组90与U相定子绕组15和W相定子绕组18中的每一个具有相同的匝数。转轴11的外部直径要比U相定子绕组15或W相定子绕组的外部直径小，这样辅助绕组90的重量较轻。

通过使具有适当相、方向和幅值的电流流过辅助绕组90以产生沿转子轴线方向的磁通，这个磁通与那组由流过U相绕组15和W相绕组18的电流所合成产生的磁力的净量(即在每个连续角位置上由转子获得的)是相等的量但是极性是相反的，那组沿转轴11作用的磁力量可以有效的消除掉了。

下文将描述控制根据本发明的无刷电机比如图1中示出的无刷电机100的控制装置。由这种无刷电机产生的输出转矩由前面的方程式(11)表示。因此，针对无刷电机100的控制装置可以这样运行，检测流入相绕组15到18中的各个电流，根据方程式(11)比如产生一个输出转矩必要值，例如这个值由转矩命令表示。为了控制无刷电机以特定转速运行，下文中假设应用了转矩控制，其由一个速度命令值规定。

图33是针对无刷电机100的控制装置200实施例的电路图，这种控制装置200与一个检测无刷电机100转轴11的角位置的译码器113联合使用。假设无刷电机100就像图4中示出的那样具有四个定子绕组，也就是说，一个U相定子绕组15、一对V相定子绕组16、17和一个W相定子绕组18。

在下文对图33和图34的说明中，为了缩短说明书，当规定三个量(分别对应于U、V和W相)用于表示“各个相绕组15到18”时，可以理解这些量分别表示U相定子绕组15、V相定子绕组对16、17的合成物和W相定子绕组18。

控制装置200由一个速度控制单元102、一个电流命令单元104、一个电压控制单元106、一个功率放大单元108以及一个检测电路114组成。检测电路114基于编码器113所发出的角位置值来检测无刷电机100的转速，并输出一个速度检测信号101。一个速度命令信号300，表示无刷电机100所需的转速值，施加到200x，以及从速度命令信号C100中减去速度检测信号101以获得速度误差量，其施加到速度控制单元102。应用诸如比例积分控制等的方法，速度控制单元102可根据速度误差量进行工作以取得转矩命令信号103。电流命令单元104基于转矩命令信号103和无刷电机100的各种参数，并根据检测电路114发出的旋转位置信号116，发出针对每个相绕组15到18的电流命令信号105。电压控制单元106根据相绕组15到18的电流检测信号110、111、112、电流命令信号105以及检测电路114发出的旋转位置信号115，计算电流控制误差量，进而产生对应于相绕组15到18的电压命令107，表示施加到这些相绕组中的各个电源电压值。这些电压命令107施加到功率放大单元108中，其取得对应的PWM(脉宽调制)信号，其用于控制三相功率变换电路(即DC到AC功率变换器)以确定分别供给U相定子绕组15、每个V相定子绕组16和V相定子绕组17、W相定子绕组18的电源电压有效值。

由于这种类型的三相功率变换器(例如，采用连成桥形的功率晶体管)是众所周知的，所以省略了这部分的详细说明。

流入U相定子绕组15、每个V相定子绕组16、17和W相定子绕组18的分别用Iu、Iv、Iw表示的各个相电流值由各个相的电源电压确定，以达到将减少所需转矩(由转矩命令信号103表示)与实际输出转矩(对应于三个定子极组的各个转矩量的总和)之间误差量的值。

下文将描述电流命令单元104根据方程式(11)的控制方法，定子14的U、V、W定子极19、20、21中的各个磁通值用φu、φv、φw表示，三种磁通的各个位移旋转速度用Eu＝dφu/dθ，Ev＝dφv/dθ，Eq＝dφw/dθ表示。U、V、W相定子绕组的各个匝数用Wu、Wv、Ww表示，流入U、V、W相定子绕组的各个电流值用Iu、Iv、Iw表示。

控制相电流Iu、Iv、Iw，这样得到了转矩总量，用Ta表示，其将对应于所需转矩(由转矩命令信号103表示)，这些电流和Ta之间具有下列关系：

Ta＝Wu×Eu×Iu+Wv×Ev×Iv+Ww×Ew×Iw

无刷电机100的性能在图1等中，由前述方程式(1)到(11)表示。无刷电机100的转子10的转动(角)位置用θm表示，假设在由下列方程式所表示的理想无刷电机实际性能的基础上可以获得针对三个相的各个单元电压Eu、Ev、Ew的值，三相中每一相的系数E1是相同的，则可以建立下面的方程式：

Eu＝E1×cos(θm)            ..................(22)

Ev＝E1×cos(θm+120°)      ..................(23)

Ew＝E1×cos(θm+240°)      ..................(24)

将控制转子10极转动方向的电流之间的相差用电流相角θi表示，每一个相电流Iu、Iv、Iw可以用下列方程式表示：

Iu＝Ia×cos(θm+θi)        ..................(25)

Iv＝Ia×cos(θm+120°+θi)  ..................(26)

Iw＝Ia×cos(θm+240°+θi)  ..................(27)

如下可以从方程式(11)中获得转矩Ta：

Ta＝Tu+Tv+Tw＝Wc+(Eu×Iu+Ev×Iv+Ew×Iw)

＝Wc×(E1×cos(θm)×Ia×cos(θm+θi)+E1×cos(θm+120°)×Ia×cos(θm+120°+θi)+E1×cos(θm+240°)×Ia×cos(θm+240°+θi))

＝Wc×Ia×Ei×(3/2)×cosθi          .........(28)

上述等式中，Wc是三个相的每个定子绕组的匝数(即它们是假设各自相等的)，E1是与各个定子绕组连接的磁通位移旋转速度系数，它们作为电机参数预先已知。从下列方程式中可以获得电流幅值Ia：

Ia＝(2/3)×Ta/(Wc×E1×cosθi)      ...........(29)

如果没有应用像减弱电机磁场这样的控制的话，则通常电流相角θi可以假定为零，这样实际上，对上述实施例而言，电流命令的作用是单元104仅需要执行方程式(29)的计算。

然而，基于特殊类型的无刷电机的设计思想，相绕组可以采用各个不同的匝数。另外，单元电压Eu、Ev、Ew不是必须按三相对称方式布置的，它们可以按其它方式在相上各自不同或具有分别具有不同的幅值。这样的情况下，方程式(11)针对三相(U、V、W)中每一相的计算是各自分开执行的，通过在方程式中带入适当的值以获得相应的电流幅值Ie和相θi的值。

一个复杂情况的实施例，如果各个相绕组15到18的单元电压Eu、Ev、Ew不是三相对称关系，那么由于产生了谐波分量这样的情况，也就是说如果这里出现了转矩脉动的情况，则也是在这样的情况下，如果获得了各个(U、V、W)相的单元电压Eu、Ev、Ew的准确性能，那么通过应用方程式(11)，根据转子10的转动位置θm可以确定电流值Ia和电流相θi的适当值。进而可以应用降低转矩脉动的控制。

值得注意的是，组成200x的每个电路单元可以采用各种变化形式。例如，可以使编码器113和检测电路114由一个未采用传感器的电路来代替，其是根据无刷电机100的电压和电流值来获取位置检测信号的。

还有，前面描述的内容可以同样准确地应用到一种具有四或八相多相交流电机中。

在一个无刷电机具有一对环形定子绕组的情况下，每一个定子绕组定位于对应的定子极组对之间，就像前面描述的图13中的绕组38和39，可以应用两相运行方式。这两相用m相和n相表示，可以给各个定子绕组直接施加两相驱动电压，它们按照图44中的概念电路图所示出的那样连接，其中相同方向的电流Im和In流入了M和N相定子绕组。然而由于三相功率变换器(即DC到AC功率变换器)比两相功率变换器有效，所以两相电机优选采用三相对称交流电驱动。它的基本内容在图45中的电路图中示出，其中三相交流电由Im、(-In)和(-Im+In)表示，分别在相上差120°，两相电流Im和In分别施加到m和n相定子绕组中。

下文将参考图34描述执行上述功能的控制装置。图34中，控制装置200A控制着两相无刷电机100A，例如，具有就像图13中两相无刷电机的M相绕组38和N相绕组39的M和N相定子绕组，具有U、V和W定子极19到21组。该控制装置200A的结构和运行方式基本上类似于前面描述过的控制装置200，但是不同之处在于M和N相定子绕组38、39受到功率放大单元208的控制。电压控制单元206根据M和N相绕组38、39的电流检测信号117、118、电流命令单元204发出的电流命令信号205以及检测电路114发出的旋转位置信号115来计算电流控制误差量，进而发出对应于相绕组38、39、施加到这些相绕组中的电源电压各个指定值的电压命令207。

这些电压命令207施加到功率放大单元208中，其获取对应的PWM(脉宽调制)信号用于控制两相功率变换电路以确定分别施加到M相绕组38和N相绕组39中的电源电压的有效值。

定子14的U、V、W相定子极的各个磁通值用φu、φv、φw表示，U、V、W相的各个单元电压(即各个磁通位移旋转速度)用Eu＝dφu/dθ，Ev＝dφv/dθ，Ew＝dφw/dθ表示。M相绕组38匝数用Wm表示、N相绕组39匝数用Wn表示，控制装置200A对M相绕组38的M相电流In和N相绕组39的N相电流进行控制以产生输出转矩值Tb，其对应于由转矩命令信号103表示的值，这里：

Tb＝Wm×Eu×Im+Wn×Ew×In

作为简单的实施例，U、V、W定子极19到21的值Eu、Ev和Ew可以从前述方程式(22)、(23)和(24)中得到，并假设M相绕组38和N相绕组39具有相同的匝数，用Wc表示，定子绕组中的各个两相电流值可以从下式中获得，通过使用上述方程式(14)和(15)，将从三相对称定子绕组结构的三相电流值取得的值简单转变成两相电流值。这种情况下，从方程式(19)：

Tb＝Tm+Tn＝Wc×(-Eu×Im)+Ew×In)

＝Wc×(-E1×cos(θm)×1.732×Ia×cos(θm+150°)+E1×cos(θm+240°)×1.732×Ia×cos(θm+270°)

＝Wc×Ia×E1×(3/2)       .............(30)

因此

Ia＝(2/3)×Tb/(Wc×E1)    .............(31)

Im＝1.732×Ia×cos(θm+150°)

In＝1.732×Ia×cos(θm+270°)

方程式(31)提供了在在方程式(28)中电流相角θi等于零的情况下的值。通过这个例子，容易理解需要由电流命令单元204执行的唯一函数可以简单的根据方程式(31)计算。

然而唯一的必需条件是方程式(19)必须满足，因此，M相电流Im和N相电流In的组合值可以随意的确定。另外，单元电压Eu、Ev、Ew不是必须按三相对称方式布置，它们可以按其它方式在相上各自不同，或分别具有不同的幅值。这样的情况下，方程式(91)的计算可以通过向方程式中带入实际的单元电压值，这样对方程式(30)、(31)的计算得到了执行，进而得到了相电流Im合In以及相θi的值。

举例来说，如果各个相绕组15到18的单元电压Eu、Ev、Ew不是三相对称关系，这是由于产生了谐波分量这样的原因，也就是说如果这里出现了转矩脉动的情况，则也是在这样的情况下，如果获得了各个(U、V、W)相的单元电压Eu、Ev、Ew的准确值，那么通过应用方程式(11)，根据转子10的转动位置θm可以确定电流Im、In和电流相θi的适当值。进而可以应用降低转矩脉动的控制。

值得注意的是，本发明不限于前面描述的实施例和变形结构，对本发明的各种落入本发明权利要求范围内的其他形式也是允许的。特别是，已经描述过了对于无刷电机具有三相或两相定子绕组的无刷电机的实施例，然而本发明同样适用于N1相多相无刷电机，这里N1是4或更大的整数。如上文在图11中所示的三相无刷电机实施例所描述的，各个相的每个定子绕组可以由一对环形定子绕组代替，这对于任何的N1相无刷电机也是可以的。因此，可以省略掉那些置于相邻定子极之间的定子绕组部分。

还有，在最外侧的(即第一个和第N1个)环形定子绕组对中，可以省掉位于定子铁心端面上的绕组，也就是位于最外侧极的轴向向外侧上。按照这样的方式，与现有技术的无刷电机相比，可以减少构成定子绕组所需的铜量，即使在相数为4或更高时，无刷电机可以采用简单的环形绕组作为定子绕组。

图35、36和37是四相无刷电机100B的实施方式的图，这些图分别对应于前面描述的图1、3和4中的三相无刷电机100。无刷电机100B的定子14B具有四个定子极组，也就是U相定子极组68、V相定子极组69、W相定子极组70和X相定子极组71，并具有六个环形定子绕组，也就是一个U相绕组62、一对V相绕组63，64、一对W相绕组65、66和X相绕组67。定子绕组连接起来以接收各个相的电源电压，这样一个负向电流(如前面在描述无刷电机100运行中定义的)(-Iu)流入U相绕组62、一个正电流Iv流入V相绕组63、一个负电流(-Iv)流入V相绕组64、一个正电流Iw流入W相绕组65，一个负电流(-Iw)流入W相绕组66，以及一个正电流Ix流入X相绕组67。

按照与图1中无刷电机100相同的方式，设置在定子端面上的两个环形绕组(即一个U相绕组和一个X相绕组)可以省略掉了(因为前面参考图11描述的原因以及图4中所示出的定子绕组结构)。

因此，U相定子极68和X相定子极71(即两组相对于转子轴线方向分别与定子14B外端相邻定位的定子极)中每一个具有相应的与其直接相邻设置的单个环形定子绕组，而其它的定子极组每一个具有在其任一侧上直接相邻设置的环形定子绕组对。

值得注意的是，由于与前面针对无刷电机100描述过的相同的原因，参考图14中示出的其它定子绕组结构，可以用各个单个的环形绕组代替每个互相邻接的定子绕组(即定子绕组对62、63、定子绕组对64、65、定子绕组对66、67)。也就是说，分别流入定子绕组对(例如定子绕组62、63)的两个电流(分别属于相反方向，正如前面参考图3中无刷电机100的定子绕组结构)相互叠加，这个定子绕组对置于两个不同极性的定子极之间，这样单个环形绕组也可以提供相当于相邻环形绕组对的电作用效果。通过按这种方式代替了每个相邻的环形绕组对，可以简化定子14B的结构，并且可以减少形成定子绕组所需的铜量。

对于前面描述的第一实施例，具有图1和3中所示的定子极结构，即具有三个定子极组，定子14具有下列尺寸关系。定子长度(沿转子轴线方向10测得的)用Lam表示，定子极每个极面的宽度(是沿转子轴线方向测得的)用Las表示，定子极组的间距(即相邻定子极组对中心之间的距离，是沿转子轴线方向测得的，其是无刷电机100沿转子轴线方向有效电磁长度的1/3)用Lap表示，Las的值要少于Lap。Lam要是Lap的大约三倍，Las要少于Lam/3。这样，可以确保各个定子极组的极19、20、21不会沿转子轴线方向重叠，这样沿圆周方向的各个定子极组之间不会有相互的干扰，同时可以简化具有大量定子极的定子的结构，所以可以采用大量的定子极以获得增加的电机输出转矩。

如果无刷电机100变成一个两相电机，即图3中示出的三个定子极组由仅两个定子极组代替，那么Lam的值将是间距Lap的值的大约两倍，Las的值将少于Lam/2。类似的，四相无刷电机的情况下，Lam可以是Lap值的大约四倍，Las要少于Lam/4。

在前面图15到19所示实施例中的定子极组中，为了增加穿过定子极的磁通的旋转角速度，每个定子极极面的宽度Las要大于定子极组的间距Lap，每一个间距是沿转子轴线方向测得的(即Las＞Lap)。对于图15、16和17每个附图中的实施例，Las的值是Lap值的三倍(Las＝3×Lap)，而对于图18和19每个附图中的实施例，Las的值是Lap的值的两倍(Las＝2×Lap)。按照这样的方式，通过增加每个定子极的轴向长度Las，作用在每个定子极上的磁通量会增加，这样电机可以产生更高的转矩。

如果Las大于Lap，那么定子结构会变得更复杂。然而可以获得相应的更高的输出转矩。

如果上述实施例的无刷电机100要做成尺寸很小，则组成定子14的磁性元件可以例如通过剪切钢板而形成，或者通过加工形成。如果磁性元件最初是通过剪切磁性钢板而形成的预定形状，那么随后电机绕组(即U、V、W相定子绕组等)可以形成其上，然后这个磁性元件弯成它们所需的最终形状。因此，这种无刷电机可以通过一种简单的工艺制造，可以生产出一个低廉、紧凑的无刷电机。

无刷电机100的上述实施例已经描述了这样的情况，即采用的定子绕组是大体为圆环的各个环形绕组，如图1、9和10所示。然而一般来说，每个定子绕组的形状可以根据组成电机定子的磁性元件的形状并基于可用空间的考虑而改变。例如，每个定子绕组可以具有径向或沿转子轴线方向延伸的凹或凸部分。尤其是，出于特殊电机设计方面的考虑，每个绕组的一个或多个部分可以具有弯曲凸起或凹回的部分，或者具有直角过渡形状等，那些前面描述过的采用环形定子绕组的情况也会获得类似的结果。

作为其它形式，一个或多个定子绕组可以形成为一个局部沿转子轴线方向延伸局部沿圆周方向延伸的环，这样转子轴线不会穿过该环的中心开口。这在图38中的实施例中示出。这里，图4和5中示出的两个V相定子绕组16、17，即相反方向等幅值的电流像前文描述的那样所经过的两个环形绕组，由两个环形绕组120和121代替。如图所示，每个绕组120、121最初形成为大体矩形环，其弯成大体半圆形，这样当安装到定子铁心上时，每个绕组120、121局部沿转子轴线方向延伸部分地沿圆周方向延伸，绕组120、121相对于转子轴线直径相反设置。

通过电磁作用，绕组120、121的局部沿圆周延伸的部分130、131一起对应于图4、5中示出的V相绕组，而局部沿圆周延伸的部分132，133一起对应于V相绕组17。

采用这样的布置方式，绕组120、121的中心孔可以设置成V相定子极可以突出穿过它们。

可以扩展上述原理，例如，进一步将每个绕组120、121分成多个具有基本类似于绕组120、121结构的绕组。

可以以类似方式代替每个与定子端面相邻设置的定子绕组，例如，U和W相绕组。然而，因为将会需要更多的铜来构成这些定子绕组中的每一绕组，所以同采用了环形结构的绕组相比，这会引起重量增加。

可以设置多个根据本发明的无刷电机互相相邻设置，它们的绕组互相连接。例如，这些电机可以使它们的转子轴线沿同一方向定向以及转轴联在一起这样来定位，或者电机可以并排设置。后一种情况中，必须提供齿轮或驱动带，用于使各种电机的各个转轴机械联接。

另外，组成定子的磁性元件可以形成具有凹回或凹形部分，这是因为需要提供用于连接电机绕组引线的空间。另外，在磁性元件中可以形成通孔，以允许这种引线穿过。还有其它变形方式，部分定子极可以省略掉，以提供这样的空间，虽然这会造成电机的输出功率有一定量的降低。

根据本发明的无刷电机可以采用各种变形结构。例如，定子可以设置在电机的内部，由转子围绕，也就是电机可以具有外转子结构。

这样，需要组成绕组的铜量可以减少，电机的铜损也减少了。然而对于这种结构，电机磁路会变得更复杂。另一方面，在电机内部提供空间会变得更简单，气隙的半径变得更大，这样可以产生更高的磁场通量，但是这些优点必然带来以下缺点：转子整个结构变复杂，转子惯性更大。

也可以使定子相对于转轴倾斜定向。特别是，如果定子和定子分别这样成形，即它们之间的气隙为锥形形状，那么可以采用单独的装置以改变定子和转子的相对位置(沿转子轴线方向位移)，这样可以任意调整气隙的长度。按照这样的方式，可以实现对磁场磁通的控制，进而可以控制电机的输出功率。

消除沿转子轴线方向作用的前述磁力的方法，使用根据本发明的无刷电机，做成将两个沿转子轴线连接的无刷电机合成一体的电机结构，(例如，共用一个公共转轴)，对于这两个电机的定子绕组这样连接，即从一个电机中发出的沿转子轴线方向作用的磁力由从另一个电机中发出的沿转子轴线方向作用的磁力抵消。这也就是说，两个电机设置成可以产生各自的方向相反的定子绕组磁场。

图39中示出了一种具体实施例，其中定子绕组137与U相绕组15串联，但是沿与U相绕组15相反的方向缠绕，类似的定子绕组136与V相绕组16串联，但是沿相反方向缠绕，定子绕组135与V相绕组17串联，但是沿相反方向缠绕，定子绕组134与W相绕组18串联，但是沿相反方向缠绕。正如从图39中所了解到的，这种布置方式相当于两个具有共同转子的电机，对于两个电机的各个U相绕组、各个V相绕组和各个W相绕组每一个可以相对于位于中央的点划线位于相对对称的位置，其中点划线是相对于图39中转子轴线方向适当角度画出的，其中每个绕组对的电流方向相反。结果，沿转轴11作用的磁力总量为零。

这也就是说，由图39中的定子极19和140产生的磁通量的大小是相等的但是方向是相反的，定子极20和139以及定子极21和138也是这样的。

值得注意的是，同样可以将定子极21和138组合成一个定子极。另外，各种将绕组134、135、136、137等组合成U、V、W定子绕组的其它方法都是可以的，这样可以具有各种不同的结构。

采用图39的实施例，两个电机使它们各自的定子组合成一个单独的单元，也使它们各自的转子组成一个单独的单元。也同样可以使大量的无刷电机组合，每一个电机都是相同的形状。尤其是在组合两个电机的情况下，其中这两个电机沿共同的转子轴线方向设置，两个电机所产生的各自的磁场是方向相反并相对于两电机之间的分界面是对称相对的(即由图39的实施例中的中心点划线表示)，也可以连接两个电机各个定子的磁路或者连接两个电机各个转子的磁路。

还有其它变形方式，两个无刷电机可以构成像一个外电机和一个内电机组合物那样的结构，后者按照与外电机同轴关系设置。这样，外电机可以为内转子结构，而内电机可以为外转子的结构，各个转子相邻设置，这样转子可以与其它转子连接，或者组成一个单独的单元。

采用多个无刷电机组合物的优点在于可以实现高输出转矩和高输出功率。

还应该注意到，虽然无刷电机转子的各种形状前面已经描述过了，就像图22到27中示出的结构，假设采用永磁体作为转子极，同步交流电机也同样可以采用这种原理，这种同步交流电机采用了电磁转子极，即具有转子极的励磁绕组。

根据本发明无刷电机的控制装置前面已经描述过了，其利用通过计算取得的值进行操作，这个计算是基于方程式(29)和(30)等而实现的。然而值得注意的是，其同样可以测量各个输出转矩的值，这个输出转矩是由无刷电机在各种转速和电源电流不同组合的条件下所产生的，进而获得了相对于所需转矩值的对应误差值，将所获得的信息存储起来。这个信息随后可以用于控制这种电机，也就是建立了与所需转矩值有关的电源电流值，就像给相应误差量(已知)的补偿。

还有，前面描述过的降低转矩脉动方法的其它方法，可以适当调整相电流的幅值，这个相电流在每个转子角位置处要施加给各个(U、V、W)定子绕组，这个位置上实际的输出转矩不同于所需的转矩值。这就是说，如果例如输出转矩大于所需转矩，在某些转子角位置上，那么各个相的电源电流可以每一个都减少相同的量。

作为具体的布置方式，在转子的各种不同转子角位置上实际产生的各个转矩值可以预先测量并存储在存储器里，以表格的形式，与相应的转速值和电源电流值一起。存储的信息随后可以用来(即与转速传感器一起)控制定子绕组电源电流的幅值，以获得任意转速下所需的输出转矩值，同时降低转矩脉动的值。

因此可以理解，无刷电机的控制方法，以及根据方程式(28)、(30)等实现的计算方法，确定电机运行期间电源电流幅值的适当值，或者将从这种计算所获得的值事先存储在表格存储器中(即与对应的转速和电源电流幅值组合一起)，以随后在电机运行期间所采用，以上内容全部落入本发明的范围内。

Claims (23)

1、一种同步交流电机，包括：

一个具有多个磁极的转子，其中N(北)极和S(南)极沿圆周以等间距交替设置；

一个具有N个定子极组的定子，其中N为大于一的整数，每个所述定子极组在所述定子上沿圆周形成，并且每个定子绕组包括多个定子极，每个所述N个定子极组的相邻对圆周位置相差相等的量，以及

多个在所述定子上圆周形成的环形定子绕组，每个所述环形定子绕组与对应的所述N个定子极组中的一个相对于所述转子的轴向直接相邻设置。

2、根据权利要求1的同步交流电机，其中每个定子极组相对于所述转子轴线方向具有相应的与其直接相邻并在各自相对侧上设置的所述环形定子绕组对。

3、根据权利要求1的同步交流电机，其中一对最外侧的所述定子极组，相对于所述转子轴线方向分别位于所述定子的相对外端，每个定子极组具有一个相应的与其直接相邻设置的所述环形定子绕组，每个所述相应的环形定子绕组相对于所述转子轴线方向距离所述定子的外端位于所述每个最外侧环形定子绕组的相对侧，

每个所述定子极组，除所述最外侧定子极组之外，相对于所述转子轴线方向具有一个相应的与其直接相邻并在各自相对侧上设置的所述环形定子绕组对，以及

方向相反的电流流过所述位于定子极组相对侧上的环形定子绕组对。

4、根据权利要求1的同步交流电机，其中每个所述环形定子绕组设置在互相相邻的相应所述定子极组对之间。

5、根据权利要求1的同步交流电机，其中所述环形定子绕组由N相交流电压驱动，其中对应于各个不同的所述N个定子极组的环形定子绕组由相角分别相差360/N度的交流电压驱动。

6、根据权利要求1的同步交流电压，其中所述转子包括多个安装在其外部的永磁体，沿圆周以等间距设置，所述永磁体的各个磁极组成了所述交替的所述转子的N和S极。

7、根据权利要求1的同步交流电机，其中所述转子包括多个安装在所述转子内部的永磁体，沿圆周以等间距设置，所述永磁体的各个磁极作用用于在所述转子的外周表面上产生所述转子的所述交替的N和S极。

8、根据权利要求1的同步交流电机，其中所述定子极分别从所述定子的圆周表面突出，其中所述定子包括多个设置在所述圆周表面上的极块，这些极块是在未被所述定子极所占用的位置上。

9、根据权利要求1的同步交流电机，其中至少一个所述定子和所述转子包括的至少局部是通过应用于金属粉末的模制工艺制造的，这个金属粉末为一种软磁材料。

10、根据权利要求1的同步交流电机，其中所述定子极设置在各个圆周位置上，这里在所述N个定子极组的每个相邻对之间存在圆周方向上的特定位移量，所述特定的位移量相当于360/N度的电角度。

11、根据权利要求10的同步交流电机，其中在每个所述定子极组中，所述定子极的各个极面形成为特定的形状，使得所述定子极组的各个单元电压波形大体相同，并且使得所述单元电压的各个幅值大体相等，这里每个所述单元电压是磁通旋转角速度，这个磁通与每个所述定子极组相关，用于保持所述定子极组之间的相差基本上等于360/N度的电角度。

12、根据权利要求1的同步交流电机，其中将所述同步交流电机需要降低的转矩脉动的次数用m表示，这里m是一个大于一的整数，每个所述N定子极组中，将每个所述定子极组中的所述定子极分成n个子组，在各个所述子组之间建立了沿所述定子圆周方向的特定相对位置位移量，所述特定相对位置位移量相当于360/(m×n)度电角度的整倍数。

13、根据权利要求1的同步交流电机，其中将所述同步交流电机需要降低的转矩脉动的次数用m表示，这里m是一个大于一的整数，所述转子的N极分成n个子组，所述转子的S极分成n个子组，在所述相邻子组之间建立了相对于圆周方向的在所述转子上的特定相对位置位移量，所述特定相对位置位移量相当于360/(m×n)度整倍数的相角。

14、根据权利要求1的同步交流电机，包括一个与所述转子轴相邻靠近设置的辅助绕组，其中交流电施加给所述辅助绕组，其具有适当的频率值、相和幅值，用于在所述辅助绕组中产生沿所述轴轴线方向作用的磁力，以抵消沿所述轴线方向作用的由流经所述环形定子绕组的各个电流的组合电流所产生的磁力。

15、一种控制权利要求2所要求的同步交流电机的控制装置，所述控制装置控制流入所述多个环形定子绕组的各个电流的每一个的幅值I达到某一值，这里各个由所述N个定子极组产生的转矩值T的总和等于特定转矩命令值，其中所述控制装置包括用于按照(W×E×I)计算所述各个转矩值中每一个转矩值T的元件，这里E是与所述每个定子极组有关的磁通的旋转角速度，W是对应于所述每个定子极组的所述环形定子绕组的总匝数。

16、一种控制权利要求4所要求的同步交流电机的控制装置，所述控制装置控制分别流入所述多个环形定子绕组的(N-1)个电流中每一个电流的幅值I达到某一值，这里各个由所述N个定子极组产生的转矩值T的总和等于特定的转矩命令值，其中所述控制装置包括用于计算所述N个定子极组中每一个的所述转矩值T的元件，是按照(W×E×I)计算，这里E是与所述每个定子极组有关的磁通的旋转角速度，W是与所述每个定子极组相邻设置的环形定子绕组的匝数。

17、根据权利要求1的同步交流电机，其中每个所述定子极具有一个极面，这个极面具有沿所述转子轴线方向测得的尺寸，这个尺寸大于所述相邻的定子极组各自中心位置之间的距离，此距离是沿所述轴线方向测得的。

18、根据权利要求1的同步交流电机，其中每个所述环形定子绕组形成为一个单独的绕所述定子圆周延伸与所述转子同轴的圆环。

19、根据权利要求2的同步交流电机，其中至少一个分别对应于所述定子极组的所述环形定子绕组对包括两个环形绕组串联连接的组合物，每一个组合物形成为单独的绕所述定子圆周延伸与所述转子同轴的圆环。

20、根据权利要求1的同步交流电机，其中至少一个所述环形定子绕组形成为一个环，其成形为部分沿所述定子圆周方向部分地延伸以及部分沿所述转子轴向延伸的形状。

21、根据权利要求2的同步交流电机，其中至少一个分别对应于所述定子极组的所述环形定子绕组对包括两个环形绕组串联连接的组合物，每一个组合物形成为一个环，其成形为部分沿所述定子圆周方向部分地延伸以及部分沿所述转子轴向延伸的形状，所述两个环形绕组相对于所述转子的中心轴线相对设置。

22、多个同步交流电机的组合，每一个电机如权利要求1中所要求的，相互连接可以驱动单独的负载。

23.根据权利要求22的多个同步交流电机的组合，其中所述多个同步交流电机的各自定子绕组的至少一部分是相互连接的。

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