專利名稱：具有低定位扭矩的三相電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用高效永磁體的具有低定位扭矩(detent torque)的三相電機(jī)，尤其用于在工業(yè)領(lǐng)域或汽車領(lǐng)域中的高速驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在電機(jī)體積和效率方面的要求導(dǎo)致使用高能磁體來制造轉(zhuǎn)子，并且所采用的材料的能量增加得越多，就越難控制這些電機(jī)的殘余扭矩(residual torque)。這些電機(jī)的成本不但取決于所采用的材料的成本而且還取決于制造各種構(gòu)件所使用的方法的成本。因此重要的是為配件的制造和這些電機(jī)的各種部件的裝配實(shí)施簡(jiǎn)單的方案。特別地，殘余扭矩的控制可能導(dǎo)致與更經(jīng)濟(jì)的繞組方法不兼容的定子的形式。此外， 在高速下使用這些電機(jī)要求對(duì)轉(zhuǎn)子使用少量的磁極對(duì)以便降低在電機(jī)和電子設(shè)備中的損
^^ ο圖5和圖6描述了現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)，使得能夠通過具有少量磁極對(duì)的轉(zhuǎn)子來獲得低殘余扭矩。圖5的電機(jī)使用了具有2對(duì)磁極的轉(zhuǎn)子和具有6個(gè)齒的定子(91)。定子磁極占用了 90%的可用表面區(qū)域因此使得能夠獲得低殘余扭矩。小的凹口寬度造成了長(zhǎng)且困難的繞組，因而其是昂貴的且還具有欠佳的體積系數(shù)。圖6的電機(jī)也使用了具有2對(duì)磁極的轉(zhuǎn)子，與圖5的電機(jī)相比，每個(gè)定子磁極被劃分為3個(gè)齒。此后定子繞組圍繞著定子的3個(gè)齒以形成單個(gè)磁極。18個(gè)定子齒占用了 70% 的可用表面區(qū)域因此使得能夠獲得低殘余扭矩，但是要求三相交錯(cuò)式繞組，因而其是長(zhǎng)且昂貴的，并且不適于非常大的批量制造。從本領(lǐng)域的狀態(tài)中還已知的是呈現(xiàn)正弦磁感應(yīng)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)子的使用，結(jié)果，使得能夠減小殘余扭矩。然而，為了獲得例如大多數(shù)工業(yè)或汽車應(yīng)用所需的殘余扭矩值，這些轉(zhuǎn)子的磁感應(yīng)強(qiáng)度必須呈現(xiàn)極低的畸變。對(duì)于3次諧波、5次諧波和7次諧波，特別是對(duì)于后兩者，這些轉(zhuǎn)子的磁感應(yīng)強(qiáng)度的諧波擊穿(harmonic breakdown)必須顯現(xiàn)出極低的百分率。 特別地，通過使用高能磁體，5次諧波和7次諧波的百分率必須小于0. 5%。如果5次諧波和7次諧波的百分率達(dá)到0. 5%或大于0. 5%，則有必要將這些轉(zhuǎn)子的方案與適用于減小殘余扭矩的定子的方案相結(jié)合。圖5和圖6的電機(jī)有時(shí)使用呈現(xiàn)正弦磁感應(yīng)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)子。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在通過提出一種尤其適合超大規(guī)模制造且適于具有極高能量的磁體的電機(jī)結(jié)構(gòu)來改善本領(lǐng)域狀態(tài)的缺陷，所述電機(jī)結(jié)構(gòu)使用少量的磁極對(duì)(典型地為2對(duì))、數(shù)量減少的繞組(典型地為3個(gè))，并且在高速下呈現(xiàn)極低的殘余扭矩以及高性能水平。本發(fā)明提出一種堅(jiān)固的電機(jī)，其呈現(xiàn)了低定位扭矩、良好的動(dòng)態(tài)性能水平，并且由于定子和轉(zhuǎn)子的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)而特別經(jīng)濟(jì)。
通過權(quán)利要求1更具體地限定了本發(fā)明的電機(jī)。在直接或間接地從屬于權(quán)利要求1的權(quán)利要求中限定了可選而有益的其它特征。為此，本發(fā)明涉及一種由通過電繞組激勵(lì)的定子部和具有N對(duì)磁極的轉(zhuǎn)子形成的三相電機(jī)，定子部具有從內(nèi)齒輪徑向延伸出的齒。確定定子磁極的寬度，以便一方面避免在齒中的任何飽和，另一方面消除主磁化諧波(main magnetization harmonic)的影響；并且還通過允許將所制造的繞組置于定子的外部來實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的繞組。定子磁極為直齒，其包括位于直齒的端部處的圓弧(17)以及能夠在每個(gè)側(cè)邊(18 和19)上被擴(kuò)大或者減小的空隙，圓弧(17)在齒的中心限定有空隙。這意味著齒的端部可以為凸出形狀或凹陷形狀。確定定子磁極的寬度以及形成齒的端部的圓弧(17)的半徑，以便對(duì)于每個(gè)齒獲得盡可能低的殘余扭矩，定子磁極的寬度被限定為在包圍整個(gè)齒的中心處的角度。根據(jù)所使用的磁體的最大能量來限定形成繞組的心的齒的寬度。雖然這一能量能夠在6MG0e至40MG0e的范圍內(nèi)變化，但是在所有的情形下，定子磁極表示小于60%的可用表面區(qū)域。因此，保證了繞組的便易。如圖12所示，根據(jù)磁體的能量以及根據(jù)磁化諧波如果齒的端部的幾何形狀為適宜的，則其通常仍然遵守同一個(gè)規(guī)則，使得能夠限定與定子磁極的側(cè)邊(18和19)相切的角 α (24)。因?yàn)閷?duì)于每個(gè)齒均分別獲得了殘余扭矩的消除，所以無需像在現(xiàn)有技術(shù)的特定電機(jī)中那樣去尋求兩個(gè)齒或一組齒之間的扭矩補(bǔ)償。在保持殘余扭矩、電機(jī)扭矩常數(shù)以及工業(yè)化的便易方面的所有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，定子齒數(shù)量和轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)量之間的新的組合變得可用，因此尤其對(duì)于高速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用表現(xiàn)出在成本和性能方面更佳的折衷。


通過參照附圖閱讀下面對(duì)作為非限定性示例所給出的公知的或者本發(fā)明特定的實(shí)施例的描述，將更好地理解本發(fā)明，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的橫向剖視圖。所述電機(jī)包括定子(1)，其具有6個(gè)齒(11至16)；以及轉(zhuǎn)子O)，其由引入到鐵磁軛(3)上的成形磁體G5)構(gòu)成。圖2表示圖1中表示的電機(jī)的定子的橫向剖視圖。磁極寬度為大約30%的定子極距02)并且齒的端部為凹陷形狀。圖3表示根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的橫向剖視圖。所述電機(jī)包括定子(1)，其具有6個(gè)齒(31至36)；以及轉(zhuǎn)子0)，其由裝配在鐵磁軛C3)上的四個(gè)成形瓦形件(4A、4B、4C和4D) 構(gòu)成。圖4表示圖3中表示的電機(jī)的定子的橫向剖視圖。磁極寬度為大約50%的定子磁極距02)并且齒05)的端部為凸出形狀。圖5表示現(xiàn)有技術(shù)的一種電機(jī)的橫向剖視圖。所述電機(jī)包括定子(91)，其具有 6個(gè)齒；以及轉(zhuǎn)子，其由裝配在鐵磁軛(9 上的四個(gè)成形瓦形件(9 構(gòu)成。定子磁極占用了大約90%的可用表面區(qū)域。圖6表示現(xiàn)有技術(shù)的另一種電機(jī)的橫向剖視圖。定子(81)包括占用了大約70% 的可用表面區(qū)域的18個(gè)齒。圖7表示具有2對(duì)磁極的轉(zhuǎn)子的橫向剖視圖，轉(zhuǎn)子由四個(gè)瓦形件(4A、4B、4C和4D)
4構(gòu)成，所述瓦形件由各向異性的磁性材料制成且被膠合在鐵磁軛C3)上。圖8表示具有2對(duì)磁極的轉(zhuǎn)子的橫向剖視圖，轉(zhuǎn)子由環(huán)形件(5)構(gòu)成，所述環(huán)形件 (5)由各向同性的磁性材料制成，被正弦磁化且被膠合在軛(3)上。圖9表示示出了作為如圖7所示的轉(zhuǎn)子的位置的函數(shù)的法向磁感應(yīng)強(qiáng)度和切向磁感應(yīng)強(qiáng)度的振幅的圖表。圖10示出了如圖7所示的轉(zhuǎn)子的法向磁感應(yīng)強(qiáng)度或切向磁感應(yīng)強(qiáng)度的諧波擊穿。圖11表示在定子具有6個(gè)齒(11至16)且轉(zhuǎn)子具有2對(duì)磁極的情形下，作為定子磁極寬度的函數(shù)的由不同的磁化諧波引起的殘余扭矩的趨勢(shì)。圖12表示不同齒的幾何形狀，并示出了形成齒端部的弧(17)的中點(diǎn)總是位于同一個(gè)半徑Rl 02)處，還示出了同一個(gè)角α ( )，角α的頂點(diǎn)位于半徑R2Q3)處且角α與齒(齒_1至齒_4)的側(cè)邊(18和19)相切。圖13表示示出了在定子具有6個(gè)齒且轉(zhuǎn)子具有2對(duì)磁極的情形下對(duì)于不同的定子齒幾何形狀，作為定子磁極寬度的函數(shù)的由5次磁化諧波引起的殘余扭矩的趨勢(shì)的圖表。圖14表示示出了作為定子磁極寬度的函數(shù)的電機(jī)常數(shù)Km的趨勢(shì)的圖表，所述Km為電機(jī)所能提供的每瓦特平方根的扭矩。圖15表示根據(jù)本發(fā)明的且包括具有4對(duì)磁極的轉(zhuǎn)子的電機(jī)的橫向剖視圖。所述電機(jī)包括定子，其具有12個(gè)齒(101至11 ；以及轉(zhuǎn)子，其由引入到鐵磁軛C3)上的成形磁體⑷構(gòu)成。圖16表示用于分別包括2、4或8對(duì)磁極的轉(zhuǎn)子的電機(jī)的不同的定子齒形狀。圖17表示根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的橫向剖視圖。所述電機(jī)包括具有6個(gè)齒(11至16) 的定子(1)以及具有2對(duì)磁極的轉(zhuǎn)子O)；每個(gè)齒均帶有繞組(141至146)。圖18表示在繞組插入前和插入后的根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)的定子(1)的橫向剖視圖。 定子具有6個(gè)齒并且每?jī)蓚€(gè)齒中的一個(gè)帶有繞組。3個(gè)繞組(41至4 能夠被單獨(dú)地纏繞， 隨后同時(shí)呈現(xiàn)在定子內(nèi)部并被插入到它們對(duì)應(yīng)的齒上。圖19表示根據(jù)本發(fā)明的具有外轉(zhuǎn)子的電機(jī)的橫向剖視圖。包括6個(gè)齒Qll至 216)和3個(gè)繞組041至對(duì)3)的定子O01)位于轉(zhuǎn)子Q02)內(nèi)，所述轉(zhuǎn)子Q02)由安裝在鐵磁軛O03)中的4個(gè)磁性瓦形件(204A至204B)構(gòu)成。
具體實(shí)施例方式圖7中顯示了用于制造轉(zhuǎn)子的方案之一，而且這個(gè)轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)正弦磁感應(yīng)強(qiáng)度。四個(gè)磁性瓦形件(4A、4B、4C和4D)被膠合在鐵軛(；3)上。即使每個(gè)瓦形件在單一方向上產(chǎn)生磁化，這些瓦形件的外部形狀也使得能夠接近正弦磁感應(yīng)強(qiáng)度。然而，由于成本因素，這些瓦形件的幾何形狀必須保持簡(jiǎn)單并且制造公差引起了轉(zhuǎn)子的各個(gè)磁極之間的差異。在實(shí)踐中，因此獲得了如圖9中所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度。而且圖10中所示的諧波擊穿顯出了以下百分率3次諧波為6. 6%,5次諧波為1. 2%,7次諧波為0. 6%。本發(fā)明旨在提出一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)的電機(jī)，將使得能夠在獲得極低的殘余扭矩且不存在由現(xiàn)有技術(shù)的方案所引起的關(guān)于繞組的缺陷的同時(shí)，使用具有這種數(shù)量級(jí)的磁化諧波百分率的轉(zhuǎn)子。圖11示出了對(duì)于定子上具有6個(gè)齒且轉(zhuǎn)子上具有2對(duì)磁極的電機(jī)，在如圖12中所示的成形定子磁極(齒_2)的情形下，根據(jù)定子磁極寬度的由各個(gè)磁化諧波引起的殘余扭矩的趨勢(shì)。對(duì)于這種形狀(齒_2)，形成了齒的端部的圓弧(17)的半徑等于定子基準(zhǔn)半徑Rl (22)。如果考慮相同振幅的諧波，則能夠發(fā)現(xiàn)由3次諧波引起的殘余扭矩遠(yuǎn)小于由5 次諧波引起的殘余扭矩，且同樣小于由7次諧波引起的殘余扭矩。對(duì)于在30°和35°之間的定子磁極寬度，由3次諧波引起的殘余扭矩最大。如果磁極寬度變寬或變窄，則殘余扭矩逐漸減小。對(duì)于35°的磁極寬度或5°的極窄磁極，由5次諧波引起的殘余扭矩最大。相比之下，對(duì)于20°的齒寬，這一殘余扭矩為0。對(duì)于38°的磁極寬度或10°的窄磁極，由7次諧波引起的殘余扭矩最大。對(duì)于 26°的磁極寬度，這一殘余扭矩為0。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可行實(shí)施例的且具有成形齒(齒_2)的電機(jī)將包括具有6個(gè)齒 (11至16)的定子(1)，所述定子具有在20°和沈°之間的磁極寬度01)。如圖11中所示，在20°和26°之間由5次諧波和7次諧波引起的殘余扭矩的符號(hào)相反且互補(bǔ)。對(duì)于5 次諧波多于7次諧波的轉(zhuǎn)子，將選擇更接近20°的齒寬。然而，如果7次諧波多于5次諧波，則將選擇更接近26°的齒寬。如果5次和7次諧波的百分率為相同的數(shù)量級(jí)，則將選擇 23°的磁極寬度。圖14示出了根據(jù)定子磁極寬度的電機(jī)常數(shù)Km的趨勢(shì)。當(dāng)齒較窄時(shí)，每安匝的扭矩常數(shù)減小，但是隨著銅的可用體積增大，用Nm每瓦特平方根表示的電機(jī)常數(shù)Km增大。其在20°和35°之間最大。因此，在使用20°和35°之間的磁極寬度時(shí)是有益的。圖1表示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。定子(1)由一疊薄磁性板制成。所述定子包括具有在20°和沈°之間的相同寬度的6個(gè)齒(11至16)。每?jī)蓚€(gè)齒中的一個(gè)齒帶有一繞組 (41至43)。具有2對(duì)磁極的轉(zhuǎn)子(2)使用具有小于25MG0e的最大磁能的磁性材料。能夠通過塑料粘合劑將磁體二次成型在鐵軛上來獲得轉(zhuǎn)子( 。這種制造方法使得能夠獲得磁體的外形，在磁化后其將導(dǎo)致根據(jù)所獲得的位置的大致上為正弦的磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖8表示由以各向同性材料制成的環(huán)形件(5)構(gòu)成的轉(zhuǎn)子的另一個(gè)實(shí)施例。首先使用特定的設(shè)備將這個(gè)環(huán)形件( 正弦地磁化，隨后將其膠合到可以是或不是鐵磁性的軛C3)上。使用窄齒的弊端僅存在于磁體具有的最大磁能大于25MG0e的情況下，這是因?yàn)殡S后在齒中出現(xiàn)了飽和。而且，在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例(圖幻中，定子磁極寬度將處于和36°之間以便通過使用具有的最大能量在25MG0e和40MG0e之間及大于40MG0e 的磁體來避免所述飽和。為了獲得由5次諧波和7次諧波引起的殘余扭矩的消除，齒的端部為凸出的且采用如圖12中所示的形狀(齒_4)。事實(shí)上，圖13中所示的圖表示出了磁極寬度必須如何根據(jù)齒的形狀改變以始終獲得由5次諧波引起的殘余扭矩的消除。對(duì)比形狀(齒_2)，能夠發(fā)現(xiàn)具有較明顯的凹陷形狀(例如形狀(齒_1))的齒將具有略小的磁極寬度以獲得殘余扭矩的消除。相反，具有例如(齒_3)和(齒_4)的凸出形狀的齒將需要較大的磁極寬度以獲得殘余扭矩的消除。 通過示出在同一個(gè)附圖(圖1 上所獲得的不同的齒，能夠發(fā)現(xiàn)，無論何種齒，形成齒端部的圓弧(17)的中點(diǎn)始終位于Rl 02)(定子基準(zhǔn)半徑)處，并且頂點(diǎn)位于半徑R2 03)處的同一個(gè)角α (24)與齒的兩個(gè)側(cè)邊(18和19)相切。如圖16所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)的數(shù)量 N變化時(shí)，顯而易見的是，如果比率R2/R1根據(jù)關(guān)系式R2/R1 = 1-0. 26/Ν而變化，則磁極寬度與N成反比而角α保持不變。為了獲得由5次諧波引起的殘余扭矩的消除，角α (24)必須大致上等于110°。 對(duì)于7次諧波，能夠應(yīng)用相同的方法，并且為了獲得由7次諧波引起的殘余扭矩的消除，角 α (24)必須大致上等于135°。因此，根據(jù)本發(fā)明，如果轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)出5次諧波遠(yuǎn)多于7次諧波，則角α將接近 110°，而如果7次諧波遠(yuǎn)多于5次諧波，則角α將接近135°。如果5次諧波和7次諧波具有相似的振幅，則角α將接近122°。圖19示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。所制造的構(gòu)造涉及具有外轉(zhuǎn)子(20 的電機(jī)，但能夠應(yīng)用相同的關(guān)于殘余扭矩消除的規(guī)則。根據(jù)圓弧(17)和角α還限定了齒Qll 至216)的形狀，所述圓弧的中點(diǎn)位于半徑Rl處，所述角α的頂點(diǎn)位于半徑R2處并且角 α與齒的側(cè)邊(18和19)相切。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)是相反的，所以此時(shí)半徑R2大于半徑Rl并且聯(lián)系Rl和R2的關(guān)系式變?yōu)镽2/R1 = 1+0.沈/N。取決于性能的要求，定子可以具有3個(gè)繞組 (241至Μ3)或6個(gè)繞組。轉(zhuǎn)子由四個(gè)磁性瓦形件(204Α至204D)構(gòu)成，所述磁性瓦形件具有使得能夠獲得大致上為正弦的徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度和切向磁感應(yīng)強(qiáng)度的形狀。
權(quán)利要求
1.一種三相電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子O)，其具有N對(duì)磁極；以及定子部(1)，其具有從內(nèi)齒輪 (10)徑向延伸出的3XN個(gè)齒(11至16)，所述定子部(1)通過電繞組(41至43)激勵(lì)，每個(gè)齒(11至16)在其端部處均具有圓弧(17)和兩個(gè)側(cè)邊(18和19)，所述圓弧(17)的中點(diǎn)位于第一半徑(Rl)處并且所述兩個(gè)側(cè)邊(18和19)限定了角α (M)，所述角α (24)的頂點(diǎn)位于第二半徑(似)處，其特征在于，所述第一半徑(Rl)與所述第二半徑(似)限定了大致等于(1+/-0. 26/Ν)的比率R2/R1，并且所述角α在110°和135°之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相電機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)法向磁感應(yīng)強(qiáng)度和切向磁感應(yīng)強(qiáng)度，所述法向磁感應(yīng)強(qiáng)度和所述切向磁感應(yīng)強(qiáng)度中的每個(gè)均包含小于20%的3 次諧波、小于2%的5次諧波以及小于2%的7次諧波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三相電機(jī)，其特征在于，所述齒的每個(gè)端部均具有凸出形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三相電機(jī)，其特征在于，所述齒的每個(gè)端部均具有凹陷形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任意一項(xiàng)所述的三相電機(jī)，所述定子(1)在每個(gè)所述齒上均具有繞組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任意一項(xiàng)所述的三相電機(jī)，所述定子(1)對(duì)于每?jī)蓚€(gè)所述齒中的一個(gè)具有繞組。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的三相電機(jī)，所述繞組被單獨(dú)地纏繞然后被插入到所述定子中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任意一項(xiàng)所述的三相電機(jī)，所述轉(zhuǎn)子O)由引入到由鐵磁性材料制成的軛⑶上的磁體⑷構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任意一項(xiàng)所述的三相電機(jī)，所述轉(zhuǎn)子O)由四個(gè)瓦形件 (4A、4B、4C和4D)構(gòu)成，所述瓦形件由各向異性材料制成并被裝配在由鐵磁性材料制成的所述軛⑶上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任意一項(xiàng)所述的三相電機(jī)，所述轉(zhuǎn)子( 由各向同性材料制成的環(huán)形磁體(5)構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任意一項(xiàng)所述的三相電機(jī)，所述轉(zhuǎn)子O)由具有極性各向異性的環(huán)形磁體(5)構(gòu)成。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的三相電機(jī)，其特征在于，所述定子(1)由一疊薄板構(gòu)成。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的三相電機(jī)，其特征在于，其包括與所述轉(zhuǎn)子 (2) 一起作用的位置檢測(cè)構(gòu)件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三相電機(jī)，其使用高磁能永磁體并具有低定位扭矩。電機(jī)包括轉(zhuǎn)子(2)，其具有N對(duì)磁極；以及定子部(1)，其具有從內(nèi)齒輪(10)徑向延伸出的齒(11至16)。所述齒具有繞組(41至43)并且所述齒的端部包括圓弧(17)，其中點(diǎn)位于半徑R1處；以及兩個(gè)側(cè)邊(18和19)，其限定了角α，所述角α的頂點(diǎn)位于半徑R2處。比率R2/R1大致上等于(1+/-0.26/N)，并且所述角α在110°和135°之間。
文檔編號(hào)H02K1/14GK102422508SQ201080021066
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月11日
發(fā)明者皮特爾-達(dá)尼埃爾·普菲斯特, 蒂博·里夏爾, 達(dá)尼埃爾·普魯達(dá)姆 申請(qǐng)人:移動(dòng)磁體技術(shù)公司