CN1901334A - 带嵌入式磁体及梯形走向电磁力的永磁激励无刷同步电机 - Google Patents

带嵌入式磁体及梯形走向电磁力的永磁激励无刷同步电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带有一个定子和一个转子的永磁激励无刷同步电机。转子可旋转运动地支承在定子内。转子具有多个其中嵌入永磁体的空隙。在定子和转子之间设置了气隙。如此构造转子的朝向定子的外轮廓，使得在单齿定子绕组中因感应而引起的电磁力呈梯形走向。在30°到90°之间的电角度范围内连续存在电磁力的最大值。

Description

带嵌入式磁体及梯形走向电磁力的 永磁激励无刷同步电机
技术领域
本发明涉及一种带有一个定子和一个转子的永磁激励无刷同步电机，其中转子可旋转运动地支承在定子内部，转子具有多个其中嵌入了永磁体的空隙，且在定子和转子之间设置了间隙。
背景技术
在DE 198 51 883 A1中公开了一种永磁激励同步电机，它带有一个由薄板分层的其中嵌入永磁体的转子叠片。在这种已知的同步电机中，永磁体由至少一个磁板所组成，至少在用于容纳一个永磁体的空隙与同步电机的气隙之间设置了磁通量闭锁，它们作为缝隙或材料空隙实现。此外，这种已知的同步电机还包括一些机构，这些机构在气隙中产生正弦形励磁场。其实现方式为，如此构造转子叠片的朝向气隙的轮廓，使得产生所期望的正弦形励磁场。
发明内容
根据现有技术，本发明的任务是提供一种功率较高且交轴电感(Quadraturinduktanz)减少的永磁激励无刷同步电机。
此任务通过一种具有在权利要求1中所述特征的永磁激励无刷同步电机得以解决。在从属权利要求中对本发明优选的结构方案和改进方案进行了说明。
具有在权利要求1中所述特征的永磁激励无刷同步电机的优点尤其在于，由于电磁力呈梯形走向且交轴电感减小，此电机的功率与已知的电机相比提高了12％甚至更高。此外，通过梯形走向的电磁力确保仅仅出现比较低的转矩波动。另外，具有在权利要求1中所述特征的同步电机与磁体被固定在转子表面上的电机相比、以及与具有嵌入转子中的永磁体的、且转子外轮廓为圆形的电机相比，具有更小的止动力矩。可以简单地设置相绕组，尤其是一种同心的绕组，从而可以简单地对根据本发明的无刷同步电机进行批量生产。
本发明的进一步的优点在于，由于永磁体被转子材料全方位包围，这就很好地防止永磁体遭到腐蚀，并且永磁体与磁体被定位在转子表面上的电机相比，能够更好地防止退磁。此外，在实践中，围住各自永磁体的保险环也省去了，而在已知的电机中则设置这种保险环，目的是为了防止永磁体从转子上松动。
如果设置在相邻永磁体之间的径向定向的隔片很薄，那么两个相邻永磁体或磁极之间的磁通量分配就减少。这里仅仅必须注意，这些隔片应有足够的厚度，以应对在运行中出现的机械负荷。
附图说明
本发明其它有利的特征从借助于附图对本发明的示例性解释中获得。
附图示出：
图1示出了在转子中带有永磁体的无刷同步电机的一种实施例；
图2示出了对未绕组状态下的定子进行说明的横截面图；
图3示出了联接定子的相绕组的实施方式；
图4示出了对转子的外轮廓进行说明的转子片段的横截面图；
图5示出了一张图表，它对取决于电角度αel的电磁力EMK的变化曲线进行了说明；以及
图6示出了一张图表，它对取决于转子转动速度的同步电机的输出功率的变化曲线进行了说明。
具体实施方式
图1示出了无刷同步电机的一种实施例。此同步电机具有一个定子1和一个转子2。转子2可旋转运动地支承在定子1的内部，其中在转子和定子之间有气隙3。
转子2设有多个空隙4，在这些空隙中嵌入了永磁体5。永磁体优选具有矩形横截面并且完全为转子材料所包围。空隙4在垂直于径向的方向上分别大于永磁体。此外，空隙位于转子2的外边缘的附近，并且在总体上大致环形围绕着转子轴6布置。在每两个相邻的空隙4之间，设置了一个径向定向的隔片9，在下面根据图4对其作详细说明。而彼此相邻的永磁体5则构成转子2的磁极。这里的北极和南极交替设置，在图1中分别用字母N和S表示北极和南极。
定子1具有多个定子齿7，在这些定子齿之间是定子槽8。这些定子齿配有比如由三个相绕组组成的定子绕组。
图2示出一个横截面图，用以对图1中的定子1进行说明。此定子在所示实施例中一共具有十二个定子齿7，且因此也具有十二个定子槽8。定子齿配有定子绕组，这里的定子绕组由三个以特定方式彼此联接的相绕组所组成。每个相绕组有四个线圈，其中每个线圈都按照单齿绕组绕在其中一个定子齿上。
图3示出了联接定子的相绕组的实施方式。根据图3a，三个相绕组以星形彼此联接。根据图3b，三个相绕组以三角形彼此联接。
在大多数已知的永磁激励无刷电机中，转子的外轮廓都设计成圆形。
在开头所述的DE 198 51 883 A1中，如此构造以转子叠片的形式实现的转子的外轮廓，使得在转子和定子之间的气隙内产生正弦形励磁场。在DE 198 51 883 A1中所描述的解决方案中，与转子的外轮廓为圆形的无刷同步电机相比，总体来讲在额定电流相同的情况下，提高了转矩并以此提高了同步电机的额定功率。
本发明的发明者现在发现，如果将转子的朝向定子的外轮廓如此进行造型，使得在定子绕组中因感应引起的电磁力EMK呈梯形走向，并且电磁力的最大值连续地存在于30°到90°的电角度范围内，那就可以进一步提高同步电机的额定功率。通过所述的转子的外轮廓的这种造型，还额外地以有利的方式降低了电机的交轴电感。按本发明，电磁力的梯形走向意味着，电磁力具有陡峭的上升沿、很长的平顶区及陡峭的下降沿。平顶区-如前所述-连续地存在于30°到90°的电角度αel范围内。
图4示出了一个转子片段的横截面图，用以对该片段范围内的转子的外轮廓进行说明。在本图中，用R表示一个位于转子外边缘上的点P到转子轴的中心M的距离，且用αm表示连接点M和P的直线与确定磁极中心的直线之间的夹角。通过以下关系式对转子的外轮廓进行描述：
R ( α m ) = R 1 - G X 0 + X 1 cos 1 p · α m ± X 3 cos 3 p · α m ± . . . ± X 11 cos 11 p · α m
其中：
R1           定子的内半径
R，αm       一个位于转子的外边缘上的点在球面坐标系中的坐标
p             极偶的数目
G             转子和定子之间最小的气隙宽度以及
X0...X11    谐波振幅
此外，从图4中还可看出，空隙4在图中上面和下面都超出永磁体5，并且不仅在上面而且在下面都受到一个薄的径向定向的隔片9的限定，此隔片由转子材料也就是由分层薄板所制成。在与隔片9相垂直的方向上或者在相对于隔片9的直角上，在其径向外端上设置了另一个隔片10。这个隔片10限制了空隙4朝转子的外边缘方向超出永磁体5的部分，并且同时在该区域构成转子的外边缘。两个隔片都很薄。以此就可以减少两个相邻的磁极之间的磁通量分布。这里仅仅必须注意，所述的隔片应该具有足够的厚度，以应对在运行中出现的机械负荷。
图5示出的图表，对在定子的相绕组中因感应所引起的电磁力EMK根据电角度αel的变化曲线进行说明。电角度αel定义如下：
αel＝p·αm，
其中αel为电角度，p为极偶的数目，而αm则如图4所示为机械角度。
在图5中，沿着纵坐标绘出电磁力EMK，且沿着横坐标绘出电角度αel。其中的实线表示在按本发明的同步电机中电磁力的变化曲线，而虚线则表示在已知的电机中电磁力的变化曲线。由此可以看出，在按本发明的同步电机中，电磁力的上升很陡，在30°到90°之间的电角度范围内连续存在很长的平台区，然后其下降也很陡。
图6示出的图表，对同步电机的输出功率PA根据转子转速v的变化曲线进行了说明。其中，分别用实线和虚线示出按本发明的同步电机和已知的同步电机的输出功率的变化曲线。从中可以看出，按本发明的同步电机的输出功率在很宽的转速范围内大于已知的同步电机的输出功率。尤其是，按本发明的同步电机的额定功率的最大值大约比已知电机的额定功率的最大值高出12％。

Claims (9)

1.带有一个定子和一个转子的永磁激励无刷同步电机，其中定子配备一个具有多个相绕组的单齿定子绕组，转子可旋转运动地支承在定子内，转子具有多个其中嵌入永磁体的空隙，并且在定子和转子之间设置了气隙，其特征在于，对转子(2)的朝向定子(1)的外轮廓如此进行造型，使得在定子绕组中因感应而引起的电磁力(EMK)呈梯形走向，并且在30°到90°之间的电角度范围内连续存在电磁力的最大值。
2.按权利要求1所述的永磁激励无刷同步电机，其特征在于，所述定子(1)具有三个相绕组，它们彼此星形联接(图3a)。
3.按权利要求1所述的永磁激励无刷同步电机，其特征在于，所述定子(1)具有三个相绕组，它们彼此三角形联接(图3b)。
4.按权利要求2或3所述的永磁激励无刷同步电机，其特征在于，每个相绕组都具有多个串联的线圈，其中每个线圈都按照单齿绕组绕在所述定子齿中的一个定子齿上。
5.按前述权利要求中的任一项所述的永磁激励无刷同步电机，其特征在于，所述永磁体(5)是矩形的。
6.按前述权利要求中的任一项所述的永磁激励无刷同步电机，其特征在于，所述永磁体(5)各自被转子材料全方位包围。
7.按权利要求6所述的永磁激励无刷同步电机，其特征在于，所述空隙(4)在垂直于径向的方向上分别大于对应的永磁体(5)，空隙(4)设置在转子(2)的外边缘附近，并且在相邻的空隙之间设置了径向定向的隔片(9)。
8.按权利要求7所述的永磁激励无刷同步电机，其特征在于，所述径向定向的隔片(9)分别在其径向外部终端区内过渡到在垂直于径向定向的隔片(9)的方向上延伸的外部隔片(10)中。
9.按前述权利要求中的任一项所述的永磁激励无刷同步电机，其特征在于，所述转子的外轮廓通过以下关系式得到确定：
R ( α m ) = R 1 - G X 0 + X 1 cos 1 p · α m ± X 3 cos 3 p · α m ± . . . ± X 11 cos 11 p · α m .
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