專利名稱：具有非垂直槽的內(nèi)置磁體式機器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及具有埋藏在轉(zhuǎn)子芯中的永磁體的機器，特別是用于在電子控制下以可變頻率運行或以固定頻率運行的內(nèi)置磁體式機器(interiormagnet machine)的開槽轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
內(nèi)置磁體式機器具有以下特性。
首先，與表面安裝磁體式機器(surface mounted magnet machine)相比，許多內(nèi)置磁體式機器具有較低的功率密度。在埋藏時，磁體的表面積通常被降低，需要更大的電機或發(fā)電機來獲得相同的輸出功率。尺寸更大的電機或發(fā)電機可在最終應(yīng)用時產(chǎn)生封裝問題或性能問題。
第二，內(nèi)置磁體式轉(zhuǎn)子通常產(chǎn)生梯形的氣隙磁通分布。在繞組電流為正弦曲線的應(yīng)用中，梯形的磁通分布產(chǎn)生顯著的轉(zhuǎn)矩脈動。轉(zhuǎn)矩脈動在最終應(yīng)用中促成了振動和噪音?？赏ㄟ^正確的槽與極數(shù)的選擇使之最小化，但這種解決方案并不總是實用的。
第三，轉(zhuǎn)子磁通分布中的突變促成齒槽轉(zhuǎn)矩(cogging torque)，偏移(skewing)等典型用于降低齒槽轉(zhuǎn)矩的技術(shù)導(dǎo)致較低的功率密度。
第四，與表面磁體式機器相比，內(nèi)置磁體式機器具有較高的平均電感。較高的電感在運行期間降低了機器的功率因數(shù)，增大了為產(chǎn)生給定輸出轉(zhuǎn)矩需要的、來自驅(qū)動器的復(fù)功率(VA)。如果必須使用較大的功率器件，增大驅(qū)動器的伏安需求可增大驅(qū)動器的成本。
內(nèi)置永磁體式機器的輸出轉(zhuǎn)矩與反電動勢與繞組電流成比例，在二者同相的條件下。固定總線電壓系統(tǒng)中的繞組電流受到反電動勢和機器的電阻與電感的限制。導(dǎo)致較高的反電動勢或較低的電感的轉(zhuǎn)子幾何結(jié)構(gòu)使得匝數(shù)能被調(diào)節(jié)以獲得最小的電流消耗。電流的降低可允許使用較小的功率器件，降低系統(tǒng)成本。
現(xiàn)有技術(shù)中用于具有大于或等于表面磁體式機器的功率密度的內(nèi)置磁體式機器的解決方案包括“V”形磁體和輪輻式(spoke)磁體設(shè)計。這些設(shè)計可能難以磁化并傾向于具有高的齒槽轉(zhuǎn)矩。
現(xiàn)有技術(shù)中用于降低梯形轉(zhuǎn)子磁通分布的影響的解決方案包括具有分布式繞組的機器。由于末端線圈，具有分布式繞組的定子傾向于大于單齒繞組，并且可能不能裝配在某些應(yīng)用所需要的封裝中。也能使用每個槽的電角度數(shù)不等于120或240的單齒繞組。實際的組合的數(shù)量受到機器尺寸的限制。
現(xiàn)有技術(shù)中用于降低齒槽轉(zhuǎn)矩的解決方案包括偏移以及定子與轉(zhuǎn)子氣隙表面的成形。這些解決方案傾向于降低機器的功率密度。
現(xiàn)有技術(shù)中用于降低內(nèi)置磁體式機器的平均電感的解決方案包括向轉(zhuǎn)子極蓋添加狹縫(slit)。在大多數(shù)情況下，這些狹縫垂直于磁體表面放置。

發(fā)明內(nèi)容
其他的目的和特征部分是顯而易見的，部分從下文中指出。


圖1、2、3、6、9、10、14、15和16為本發(fā)明的實施例的截面圖，其包括四個內(nèi)置式磁體，各自具有每磁極兩個成角度的槽；圖1A示出了電機或發(fā)電機的反電動勢，該電機或發(fā)電機包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有如圖1所示具有成角度的槽16的疊片結(jié)構(gòu)(lamination)；圖1B示出了電機或發(fā)電機的反電動勢，該電機或發(fā)電機包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有如圖1所示不具有成角度的槽16的疊片結(jié)構(gòu)；圖2A、3A、6A、9A、10A、14A與15A示出了電機或發(fā)電機的反電動勢，該電機或發(fā)電機包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有分別如圖2、3、6、9、10、14與15所示各自包括成角度的槽的疊片結(jié)構(gòu)；
圖4、5、7、8、11、12與13為本發(fā)明的實施例的截面圖，其包括四個內(nèi)置式磁體，各自具有每磁極四個成角度的槽；圖4A、5A、7A、8A、11A、12A與13A示出了電機或發(fā)電機的反電動勢，該電機或發(fā)電機包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有分別如圖4、5、7、8、11、12與13所示各自包括成角度的槽的疊片結(jié)構(gòu)；圖9B示出了電機或發(fā)電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，該電機或發(fā)電機包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有如圖9所示包括成角度槽172的疊片結(jié)構(gòu)；圖11B示出了電機或發(fā)電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，該電機或發(fā)電機包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有如圖11所示包括成角度槽202的疊片結(jié)構(gòu)；圖17與18為本發(fā)明的實施例的截面圖，其包括六個內(nèi)置式磁體，各自具有每磁極兩個成角度的槽；圖19與20為本發(fā)明的實施例的截面圖，其包括兩個內(nèi)置式磁體，各自具有每磁極兩個成角度的槽；圖19A示出了電機或發(fā)電機的磁通分布，該電機或發(fā)電機包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有如圖19所示包括成角度槽364的疊片結(jié)構(gòu)；圖19B示出了電機或發(fā)電機的磁通密度分布，該電機或發(fā)電機包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有如圖19所示包括成角度槽364的疊片結(jié)構(gòu)；圖21為本發(fā)明的實施例的截面圖，其包括十二個內(nèi)置磁體，這些內(nèi)置式磁體被布置為產(chǎn)生具有每磁極兩個成角度槽的六個磁極；圖22為不具有根據(jù)本發(fā)明的任何成角度槽的、現(xiàn)有技術(shù)中的冕狀轉(zhuǎn)子(crown rotor)疊片結(jié)構(gòu)的截面圖，極表面的冕(crowning)造成不均勻的氣隙；圖22A示出了不均勻氣隙的電機或發(fā)電機的反電動勢，該電機或發(fā)電機包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有如圖22所示、根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)、不包括任何成角度槽的疊片結(jié)構(gòu)；圖22B示出了不均勻氣隙電機或發(fā)電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，該電機或發(fā)電機包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有如圖22所示、根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)、不包括任何成角度槽的疊片結(jié)構(gòu)；
圖23示出了不包括槽的、圖1中的轉(zhuǎn)子，且圖24示出了圖23的轉(zhuǎn)子氣隙磁通波形；圖25示出了具有槽的圖23中的轉(zhuǎn)子，且圖26示出了圖23的轉(zhuǎn)子氣隙磁通波形；圖27示出了磁通密度分布，且圖28示出了圖27的磁通分布的快速傅立葉變換(FFT)。
貫穿附圖，對應(yīng)的參考標(biāo)號表示對應(yīng)的部分。
具體實施例方式
在一個實施例中，本發(fā)明包括一種機器，該機器具有定子以及與定子磁耦合接合的轉(zhuǎn)子，其中，轉(zhuǎn)子有這樣的幾何結(jié)構(gòu)其具有在磁體表面與轉(zhuǎn)子外直徑之間的成角度的槽。在另一實施例中，本發(fā)明包括一種轉(zhuǎn)子幾何結(jié)構(gòu)，其具有被添加在磁體表面與轉(zhuǎn)子外直徑之間的槽。槽以這樣的角度和位置被放置其能夠增大轉(zhuǎn)子磁通分布的基波分量。槽還能降低齒槽轉(zhuǎn)矩。每磁極添加最少兩個槽。盡管這里的實施例示出了任意偶數(shù)個槽，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會想到其他的構(gòu)造。
槽的添加將轉(zhuǎn)子磁通分布由梯形變?yōu)楦鼮檎业姆植?。這種更為正弦的分布的基波分量能夠大于梯形分布的基波分量，且該分布的諧波失真能被降低。附錄1為本發(fā)明的數(shù)學(xué)構(gòu)造。第一部分示出了不具有槽的均勻(梯形)轉(zhuǎn)子磁通分布。該磁通分布的FFT基波分量為1.433幅值單位。該分布的總諧波失真為11.805％。附錄1的下一部分給出了計算槽的位置的方法。所給出的方法將基波分量增大到1.616并將THD減小到4.263％。
圖1-21示出了與上述數(shù)學(xué)模型匹配的槽的可能的實施方式。附錄2以及圖19A與19B示出了有限元分析法所預(yù)測的、具有以及不具有槽的、圖19中的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子磁通分布。在添加槽的情況下，磁通的基波分量增大了5.6％。FEA模型還示出了磁通分布的總諧波失真的顯著降低。注意，數(shù)學(xué)模型沒有計及槽周圍的泄漏。
使用圖17所示的轉(zhuǎn)子，可進行數(shù)學(xué)模型與FEA模型的比較。該轉(zhuǎn)子具有減小的泄漏路徑。FEA模型預(yù)測到基波磁通中11.5％的增長，而數(shù)學(xué)模型預(yù)測到12.7％的增長。
FEA模型顯示出磁通分布形狀、磁通分布的基波分量的大小、平均電感、反電動勢基波分量大小、齒槽轉(zhuǎn)矩大小、平均轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩脈動上的改進。
此時沒有對槽的位置和角度進行最優(yōu)化。需要進一步的工作，以便出于轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生以及齒槽轉(zhuǎn)矩降低的目的對這些參數(shù)進行最優(yōu)化。
上面介紹的優(yōu)點也適用于線路起動永磁體機器。LSPM轉(zhuǎn)子的實例在圖19與20中。由于存在鼠籠(cage)，槽的角度與位置可能需要進行調(diào)節(jié)。
本發(fā)明降低了齒槽轉(zhuǎn)矩，同時保持或增大了反電動勢和平均轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。這是非常稀有的結(jié)果。大多數(shù)用于降低齒槽轉(zhuǎn)矩的方法也降低了反電動勢與平均轉(zhuǎn)矩。
能夠以兩種方式利用更高的反電動勢。第一，通過增大由固定的電機或發(fā)電機尺寸供給的轉(zhuǎn)矩或通過降低產(chǎn)生同樣轉(zhuǎn)矩的電機或發(fā)電機尺寸，其可用于增大機器的功率密度。
或者，為了保持同樣的反電動勢，可降低匝數(shù)。機器的電感與匝的平方成比例，因此，電感的大大降低是可能的。與不具有槽的轉(zhuǎn)子相比，使用圖1所示具有槽的轉(zhuǎn)子的電機或發(fā)電機產(chǎn)生大1.9％的轉(zhuǎn)矩。假設(shè)轉(zhuǎn)矩與匝數(shù)成比例，將匝數(shù)減少1.9％以便在具有槽的情況下產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致平均電感減小3.76％。
圖1-21示出了本發(fā)明的不同實施例。為便利起見，本發(fā)明的轉(zhuǎn)子在截面上被示為具有槽的疊片結(jié)構(gòu)。在使用時，疊片結(jié)構(gòu)的堆疊(stack)將與永磁體一起安裝且槽將是敞開的(即空氣填充)或用非磁性材料填充。為便利起見，各疊片結(jié)構(gòu)被示為包括內(nèi)置式永磁體。
因此，圖1為根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子的一個實施例的典型圖示。該轉(zhuǎn)子包括具有旋轉(zhuǎn)中心軸10的圓柱形外周18。垂直于中心軸10取得轉(zhuǎn)子的截面——如圖1所示，且其包括以下部分。多個被埋藏(例如內(nèi)置式)的永磁體14在具有槽的情況下被定位在轉(zhuǎn)子中，各磁體14具有大于橫向尺寸的縱向尺寸(例如在截面上為矩形)。多個非磁性槽16與磁體14中的一個相關(guān)聯(lián)，各個槽16具有大于橫向尺寸的縱向尺寸，其中，槽的縱向尺寸的軸不垂直于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體的縱向尺寸的軸。各個槽24通常被定位在外周18與槽24所關(guān)聯(lián)的一個內(nèi)置式磁體14之間。優(yōu)選為，存在與各磁極相關(guān)聯(lián)的、至少兩個的偶數(shù)個槽24。各磁體14的縱向軸基本平行于圓柱形外殼的外周18的切線。在一個實施例中，槽16相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體14的縱向尺寸的軸處于不等于90度的角度。
圖1為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)12的旋轉(zhuǎn)中心軸10的垂線取得。各個內(nèi)置式磁體14具有在磁體14與疊片結(jié)構(gòu)外周18之間的兩個關(guān)聯(lián)槽16，其中，槽的縱軸20相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體14的縱軸22處于小于90度的角度。在本實施例中，各個內(nèi)置式磁體14具有視情況可選的端槽24。槽16和/或端槽24可用空氣或其他非磁性材料填充。
在圖2-16中，示出了不同的疊片結(jié)構(gòu)實施例，其各自具有四個相同的四分體(quadrant)，如圖1的四分體A、B、C、D所示。為簡化起見，僅介紹并用參考標(biāo)號標(biāo)記出一個四分體。
圖2為一截面圖，其沿著根據(jù)與圖1類似的本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)30的旋轉(zhuǎn)中心軸10的垂線取得。在本實施例中，與圖1所示軸20的角度相比，槽34的縱軸32相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體38的縱軸36處于較大的角度(但小于90度)。在本實施例中，槽32在長度上短于圖1中的槽16。
圖3為一截面圖，其沿著根據(jù)與圖1類似的本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)50的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。在本實施例中，與圖1所示槽16的軸20的角度相比，槽54的縱軸52相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體58的縱軸56處于較小的角度(但大于零度且小于90度)。在本實施例中，槽54在長度上長于圖1中的槽16。
圖4為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)72的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。各個內(nèi)置式磁體74具有在磁體74與疊片結(jié)構(gòu)外周78之間的四個關(guān)聯(lián)槽76與77，其中，槽的縱軸80和81相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體74的縱軸82處于小于90度的角度。在本實施例中，各個內(nèi)置式磁體74具有可用空氣或其他非磁性材料填充的、視情況可選的開槽端84。在本實施例中，與兩個內(nèi)槽77相比，兩個外槽76與軸82構(gòu)成較小的角度，且兩個外槽76在長度上短于兩個內(nèi)槽77。
圖5為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)92的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。各個內(nèi)置式磁體94具有在磁體94與疊片結(jié)構(gòu)外周98之間的四個關(guān)聯(lián)槽96與97，其中，槽的縱軸100和101相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體94的縱軸102處于小于90度的角度。在本實施例中，各個內(nèi)置式磁體94具有可用空氣或其他非磁性材料填充的、視情況可選的開槽端104。在本實施例中，與兩個內(nèi)槽97相比，兩個外槽96與軸102構(gòu)成相同的角度，且兩個外槽96在長度上短于兩個內(nèi)槽97。
圖6為一截面圖，其沿著根據(jù)與圖1類似的本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)110的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。在本實施例中，與圖1所示的角度相比，槽114的縱軸112相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體118的縱軸116處于相同的角度。在本實施例中，槽114與圖1的槽16為相同的長度。在本實施例中，與圖1所示槽16的軸20的角度相比，槽115的縱軸113相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體118的縱軸116處于較小的角度。在本實施例中，槽115在長度上比圖1中的槽16要長。
圖7為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)132的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。本實施例與圖5相同，除了槽134具有縱軸136、縱軸136相對于槽所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體140的縱軸138垂直以外。
圖8為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)152的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。本實施例與圖5相同，除了槽154具有縱軸156，且與圖5的槽97的軸101的角度相比，縱軸156相對于槽所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體160的縱軸158處于較小的角度以外。
圖9為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)170的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。本實施例與圖1相同，除了與圖1的槽16相比、槽172為一端寬于另一端的淚珠形以外。另外，槽172具有縱軸174，與圖1的槽16的軸20的角度相比，縱軸174相對于槽所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體178的縱軸176處于較小的角度。
圖10為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)180的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。本實施例與圖1相同，除了端槽182在寬度上與圖1的端槽24相比較窄以外。
圖11為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)200的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。本實施例與圖4相同，除了與圖4的槽76相比、槽202為一端寬于另一端的淚珠形以外。另外，槽202具有縱軸204，與圖4的槽76的軸80的角度相比，縱軸204相對于槽所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體208的縱軸206處于較小的角度。
圖12為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)220的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。本實施例與圖11相同，除了槽222與圖11的槽202相比寬度較窄以外。另外，槽222具有縱軸224，與圖11的槽202的軸204的角度相比，縱軸224相對于槽所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體228的縱軸226處于較大的角度。
圖13為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)240的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。本實施例與圖12相同，除了槽242具有縱軸244、與圖12的槽222的軸224的角度相比，縱軸244相對于槽所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體248的縱軸246處于較小的角度以外。
圖14為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)260的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。本實施例與圖1相同，除了兩個槽262中的一個——即槽262B——與圖1中二者處于同樣的形狀和位置的槽16相比較長且為淚珠形以外。另外，淚珠形的槽262B與圖1的槽16相比沿著軸264B具有較長的長度。另外，與圖1的槽16的軸20的角度相比，槽262B相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體268的縱軸266處于較小的角度。
圖15為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)280的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。本實施例與圖1相同，除了兩個槽282為淚珠形且槽282B與圖1中二者處于同樣的形狀和位置的槽16相比較長以外。另外，淚珠形的槽282B與圖1的槽16相比沿著軸284B具有較長的長度。另外，與圖1的槽16的軸20的角度相比，兩個淚珠形槽282相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體288的縱軸286處于較小的角度。
圖16為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)290的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。本實施例與圖1相同，除了與槽16不被連接到用于磁體14的槽的圖1相比，兩個槽292均被連接到用于所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體296的槽294以外。另外，與圖1的槽16的軸20的角度相比，兩個槽292相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體296的縱軸298處于較小的角度。
圖17為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)300的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。圖17與圖1類似，除了其具有六個內(nèi)置式磁體302而不是圖1中的四個內(nèi)置式磁體14以外。另外，圖17具有S形的槽304而不是通常成形為具有圓角的矩形的、圖1中的槽16。
圖18為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)340的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。在圖18中，示出了均勻放置在外周周圍的六個內(nèi)置式磁體342。各個磁體在各端具有梯形端槽344。各個內(nèi)置式磁體342具有在磁體342與疊片結(jié)構(gòu)340的外周348之間的兩個關(guān)聯(lián)槽346，其中，槽346的縱軸350相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體342的縱軸352處于小于90度的角度。在本實施例中，各個內(nèi)置式磁體342被示為具有視情況可選的端槽344。槽346和/或端槽344可用空氣或其他非磁性材料填充。另外，如圖18所示，槽346不被連接到端槽344中的一個。進一步地，在本實施例中，端槽344的至少一部分具有軸354，其與疊片結(jié)構(gòu)340的半徑356同軸。
圖19為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)360的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。在圖19中，示出了在外周內(nèi)均勻放置的兩個平行的內(nèi)置式磁體362。各個內(nèi)置式磁體362具有在磁體362與定位在疊片結(jié)構(gòu)360的外周368周圍的起動鼠籠槽366之間的兩個關(guān)聯(lián)槽364。槽364的縱軸370相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體362的縱軸372處于小于90度的角度。槽364和/或起動鼠籠槽366可用空氣或其他非磁性材料填充。另外，如圖19所示，槽364被連接到起動鼠籠槽366中的一個并與之成為一體。
圖20為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)380的旋轉(zhuǎn)軸10的垂線取得。圖20與圖19相同，除了槽382不被連接到起動鼠籠槽384中的任何一個以外。作為替代的是，在圖20中，槽382獨立于鼠籠槽384并位于鼠籠槽384與磁體386之間。
圖21為一截面圖，其沿著根據(jù)本發(fā)明一實施例的轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)400的旋轉(zhuǎn)中心軸10的垂線取得。在上面的圖1-20中，內(nèi)置式磁體被定位為平行于轉(zhuǎn)子疊片結(jié)構(gòu)外周的切線。相反，在圖21的疊片結(jié)構(gòu)400中，各內(nèi)置式磁體402R、402L是V形對的一部分且各自相對于外周切線處于一角度。進一步地，各個磁體402R、402L具有在磁體402R、402L與疊片結(jié)構(gòu)外周406之間的至少一個關(guān)聯(lián)槽404R、404L。在本實施例中，槽404R、404L的縱軸408R、408L相對于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體402的縱軸410R、410L處于小于90度的角度。
在圖21的實施例中，各個槽404R、404L的縱軸408R、408L不與疊片結(jié)構(gòu)400的半徑412同軸，盡管可以想到軸408R、408L以及半徑412可同軸。類似地，在圖1-20中，槽不與半徑同軸，因為內(nèi)置式磁體被定位為平行于轉(zhuǎn)子疊片結(jié)構(gòu)外周的切線且槽是成對的、一對中的各個槽面向該對中的另一個槽。因此，槽與內(nèi)置式磁體組成小于90度的角度?？梢韵氲?，槽可相互背向，在這種情況下，槽可以與轉(zhuǎn)子的半徑同軸，但槽仍將與內(nèi)置式磁體處于小于90度的角度。
圖22示出了沒有任何槽的、根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的冕狀轉(zhuǎn)子。各個內(nèi)置式磁體420具有端槽422，如同所示出的那樣。圖1-18的端槽與端槽422相比具有略微不同的形狀。特別地，圖1-18的端槽被定位為與端槽422距外周具有相同的距離以便保持相同的磁通泄漏。定子430以虛線示出，定子與冕狀轉(zhuǎn)子處于磁耦合布置。
表1示出了關(guān)于反電動勢與齒槽效應(yīng)(cogging)的有限元建模結(jié)果，其用于具有所示槽尺寸的圖1、2、3、4、5與22的實施例。槽1指的是兩槽構(gòu)造中的槽以及四槽構(gòu)造中的外槽。槽2指的是四槽構(gòu)造的內(nèi)槽。
表2示出了關(guān)于反電動勢與齒槽效應(yīng)的有限元建模結(jié)果，其用于具有所示槽尺寸的圖6、7、8、9、10與11的實施例。槽1指的是兩槽構(gòu)造中的槽以及四槽構(gòu)造中的外槽。槽2指的是四槽構(gòu)造的內(nèi)槽。
表3示出了關(guān)于反電動勢與齒槽效應(yīng)的有限元建模結(jié)果，其用于具有所示槽尺寸的圖12、13、14與15的實施例。槽1指的是兩槽構(gòu)造中的槽以及四槽構(gòu)造中的外槽。槽2指的是四槽構(gòu)造的內(nèi)槽。
表4示出了關(guān)于反電動勢與齒槽效應(yīng)的測試結(jié)果，其用于具有所示槽尺寸的圖1、9、11與22(冕狀)的實施例。

表1圖1、2、3、4、5與22。

表2圖6、7、8、9、10與11。

表3圖12、13、14與15。

表4圖1、9、11與22。
已經(jīng)詳細(xì)介紹了本發(fā)明。將會明了，在不脫離所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍的情況下，修改和變化是可行的。
在介紹本發(fā)明的元件或其優(yōu)選實施例時，冠詞“一”、“一個”、“該”和“所述”旨在表示存在一個或一個以上的該元件。術(shù)語“包含”、“包括”和“具有”是包括性的，并且意味著可能存在除所列元件以外的其它元件。
根據(jù)上文，將會看到，實現(xiàn)了本發(fā)明的幾個目標(biāo)，并且獲得了其它的有益結(jié)果。
由于在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以在上面的構(gòu)造、產(chǎn)品和方法中進行不同的修改，上述說明中所包含的以及附圖中所示出的所有事物應(yīng)當(dāng)被理解為說明性而不是限制性的。
附錄1——數(shù)學(xué)構(gòu)造IPM磁通集中(flux concentration)電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生于定子與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用。大部分轉(zhuǎn)矩由各個場的基波分量產(chǎn)生。對于圖23(其為沒有槽的圖1)所示的內(nèi)置永磁體式轉(zhuǎn)子，圖24所示的轉(zhuǎn)子氣隙磁通波形是典型的。
所示波形下的總磁通為φr＝A1p1(1)其中，A1為氣隙磁通的幅值，p1為作為極距(pole pitch)百分?jǐn)?shù)的、磁通波形的寬度。
氣隙磁通的基波分量由下式給出b1=-2A1π{cos[π(1+p1)2]-cos[π(1-p1)2]}---(2)]]>本發(fā)明改變了氣隙波形的形狀，以便增大基波分量。一組槽(圖25，其為有槽的圖1與23)的添加將轉(zhuǎn)子氣隙磁通分布變?yōu)閳D26所示。
由于磁體寬度、長度和運行條件沒有改變，總的轉(zhuǎn)子氣隙磁通保持不變，或者φr＝A2p2+(A3-A2)p3(3)該波形的基波分量為
b1=-2A2π{cos[π(1-p3)2]-cos[π(1-p2)2]}-2A3π{cos[π(1-p2)2]-cos[π(1-p3)2]}]]>-2A2π{cos[π(1+p2)2]-cos[π(1-p3)2]}]]>(4)在表A1中給出了基波分量由于槽而增大的一個實例。在該實例中，來自磁體的磁通對各個波形是同樣的，因為波形下的面積在各種情況下為1.0?；ǚ至吭黾恿?2.8％。氣隙磁通的基波分量的增加導(dǎo)致了更大的反電動勢和轉(zhuǎn)矩。
氣隙磁通分布的改變，如同總諧波失真的改變所示出的那樣，也將改變齒槽轉(zhuǎn)矩。

表A1上面的分析忽略了電機非線性、定子槽化效應(yīng)(slotting effect)以及磁通泄漏。這些都將會影響上面的分析。為了計及這些效應(yīng)，對槽位置的某些修改是必要的。
附錄2轉(zhuǎn)子磁通分布有限元計算得到的氣隙磁通分布的FFT
進行磁通密度對角度的波形的傅立葉變換。
從文件讀取數(shù)據(jù)no_slot＝READPRN(“c\projects\flux_focus\fea\s1r1\no_slot\flux_dist_no_slot.gs”)slot＝READPRN(“c\projects\flux_focus\fea\s1r1\slot\flux_dist_slot.gs”)從文件提取數(shù)據(jù)N＝rows(no_slot) M＝rows(slot)n＝0...N-1m＝0...M-1θnsn:=no_slotn,0]]>θsm:=slotm,0]]>Bnsn:=no_slotn,l]]>bsm:=slotm,1]]>磁通密度分布的圖示見圖27，圖27的磁通分布的快速傅立葉變換(FFT)的圖示見圖28。
|Bs_fft1||Bns_fft1|=1.056]]>THD_Bns＝10.205％THD_Bs＝2.505％
權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)子，其包括圓柱形外周，其具有旋轉(zhuǎn)中心軸；垂直于所述中心軸所取的截面，其包括多個內(nèi)置式永磁體，每個磁體具有大于橫向尺寸的縱向尺寸；多個非磁性槽，每個槽與所述磁體中的一個相關(guān)聯(lián)，每個槽具有大于橫向尺寸的縱向尺寸，其中，所述槽的所述縱向尺寸的軸不垂直于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體的所述縱向尺寸的軸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其中，每個槽一般被定位在所述外周與所述槽所關(guān)聯(lián)的一個所述內(nèi)置式磁體之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其中，存在與各磁極相關(guān)聯(lián)的至少兩個槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其中，與各磁體相關(guān)聯(lián)的所述槽具有不同的長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其中，所述槽中的至少一個具有下列形狀中的至少一個淚珠形和S形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其還包括鄰近各內(nèi)置式磁體末端的、另外的非磁性端槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其中，至少一個槽與用于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體的槽成為一體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的轉(zhuǎn)子，其中，至少部分所述端槽具有與所述轉(zhuǎn)子的半徑同軸的軸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其還包括構(gòu)成所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)置式起動鼠籠的起動鼠籠槽。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的轉(zhuǎn)子，其中，至少一個所述槽被連接到所述至少一個起動鼠籠槽。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的轉(zhuǎn)子，其中，所述槽被定位在所述鼠籠與所述磁體之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其中，所述磁體具有V形構(gòu)造，且所述槽與所述轉(zhuǎn)子的半徑同軸。
13.一種機器，其包括定子；以及與所述定子磁耦合接合的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括具有旋轉(zhuǎn)中心軸的圓柱形外周；垂直于所述中心軸取的截面，其包括多個被埋藏的內(nèi)置式永磁體，每個磁體具有大于橫向尺寸的縱向尺寸；多個非磁性槽，每個槽與所述磁體中的一個相關(guān)聯(lián)，每個槽具有大于橫向尺寸的縱向尺寸，其中，所述槽的所述縱向尺寸的軸不垂直于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體的所述縱向尺寸的軸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的機器，其中，每個槽一般被定位在所述外周與所述槽所關(guān)聯(lián)的一個所述內(nèi)置式磁體之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的機器，其中，存在與各磁極相關(guān)聯(lián)的至少兩個槽。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的機器，其中，所述槽中的至少一個具有下列形狀中的至少一個淚珠形和S形。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的機器，其還包括鄰近各內(nèi)置式磁體末端的、另外的非磁性端槽。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的機器，其中，至少一個槽與用于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體的槽成為一體。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的機器，其還包括構(gòu)成所述機器的內(nèi)置式起動鼠籠的起動鼠籠槽。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的機器，其中，所述磁體具有V形構(gòu)造，且所述槽與所述機器的半徑同軸。
21.一種轉(zhuǎn)子，其包括多個疊片結(jié)構(gòu)，每個所述疊片結(jié)構(gòu)具有圓柱形外周，所述圓柱形外周具有旋轉(zhuǎn)中心軸；垂直于所述中心軸取的截面，其包括多個內(nèi)置式永磁體槽，每個磁體槽具有大于橫向尺寸的縱向尺寸；多個非磁性槽，每個非磁性槽與所述磁體槽中的一個相關(guān)聯(lián)，每個非磁性槽具有大于橫向尺寸的縱向尺寸，其中，所述非磁性槽的所述縱向尺寸的軸不垂直于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體槽的所述縱向尺寸的軸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括具有旋轉(zhuǎn)中心軸的圓柱形外周和垂直于該中心軸所取的截面，該截面包括多個內(nèi)置式永磁體，每個磁體具有大于橫向尺寸的縱向尺寸；多個非磁性槽，每個槽與磁體中的一個相關(guān)聯(lián)，每個槽具有大于橫向尺寸的縱向尺寸，其中，槽的縱向尺寸的軸不垂直于其所關(guān)聯(lián)的內(nèi)置式磁體的縱向尺寸的軸。本發(fā)明還涉及具有上述轉(zhuǎn)子的機器。
文檔編號H02K1/28GK101056015SQ200710096368
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月14日
發(fā)明者K·I·霍曼, T·A·瓦爾斯 申請人:艾默生電氣公司