具有低定位扭矩的三相電機的製作方法

2023-05-30 04:14:46

專利名稱：具有低定位扭矩的三相電機的製作方法
技術領域：
本發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，尤其用於在工業領域或汽車領域中的高速驅動的應用。
背景技術：
在電機體積和效率方面的要求導致使用高能磁體來製造轉子，並且所採用的材料的能量增加得越多，就越難控制這些電機的殘餘扭矩(residual torque)。這些電機的成本不但取決於所採用的材料的成本而且還取決於製造各種構件所使用的方法的成本。因此重要的是為配件的製造和這些電機的各種部件的裝配實施簡單的方案。特別地，殘餘扭矩的控制可能導致與更經濟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要求對轉子使用少量的磁極對以便降低在電機和電子設備中的損
^^ ο圖5和圖6描述了現有技術的電機，使得能夠通過具有少量磁極對的轉子來獲得低殘餘扭矩。圖5的電機使用了具有2對磁極的轉子和具有6個齒的定子(91)。定子磁極佔用了 90%的可用表面區域因此使得能夠獲得低殘餘扭矩。小的凹口寬度造成了長且困難的繞組，因而其是昂貴的且還具有欠佳的體積係數。圖6的電機也使用了具有2對磁極的轉子，與圖5的電機相比，每個定子磁極被劃分為3個齒。此後定子繞組圍繞著定子的3個齒以形成單個磁極。18個定子齒佔用了 70% 的可用表面區域因此使得能夠獲得低殘餘扭矩，但是要求三相交錯式繞組，因而其是長且昂貴的，並且不適於非常大的批量製造。從本領域的狀態中還已知的是呈現正弦磁感應強度的轉子的使用，結果，使得能夠減小殘餘扭矩。然而，為了獲得例如大多數工業或汽車應用所需的殘餘扭矩值，這些轉子的磁感應強度必須呈現極低的畸變。對於3次諧波、5次諧波和7次諧波，特別是對於後兩者，這些轉子的磁感應強度的諧波擊穿(harmonic breakdown)必須顯現出極低的百分率。 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於0. 5%。如果5次諧波和7次諧波的百分率達到0. 5%或大於0. 5%，則有必要將這些轉子的方案與適用於減小殘餘扭矩的定子的方案相結合。圖5和圖6的電機有時使用呈現正弦磁感應強度的轉子。

發明內容
本發明旨在通過提出一種尤其適合超大規模製造且適於具有極高能量的磁體的電機結構來改善本領域狀態的缺陷，所述電機結構使用少量的磁極對(典型地為2對)、數量減少的繞組(典型地為3個)，並且在高速下呈現極低的殘餘扭矩以及高性能水平。本發明提出一種堅固的電機，其呈現了低定位扭矩、良好的動態性能水平，並且由於定子和轉子的簡單結構而特別經濟。
通過權利要求1更具體地限定了本發明的電機。在直接或間接地從屬於權利要求1的權利要求中限定了可選而有益的其它特徵。為此，本發明涉及一種由通過電繞組激勵的定子部和具有N對磁極的轉子形成的三相電機，定子部具有從內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；並且還通過允許將所製造的繞組置於定子的外部來實現經濟的繞組。定子磁極為直齒，其包括位於直齒的端部處的圓弧(17)以及能夠在每個側邊(18 和19)上被擴大或者減小的空隙，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，以便對於每個齒獲得儘可能低的殘餘扭矩，定子磁極的寬度被限定為在包圍整個齒的中心處的角度。根據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的範圍內變化，但是在所有的情形下，定子磁極表示小於60%的可用表面區域。因此，保證了繞組的便易。如圖12所示，根據磁體的能量以及根據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規則，使得能夠限定與定子磁極的側邊(18和19)相切的角 α (24)。因為對於每個齒均分別獲得了殘餘扭矩的消除，所以無需像在現有技術的特定電機中那樣去尋求兩個齒或一組齒之間的扭矩補償。在保持殘餘扭矩、電機扭矩常數以及工業化的便易方面的所有優勢的同時，定子齒數量和轉子磁極對數量之間的新的組合變得可用，因此尤其對於高速驅動應用表現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作為非限定性示例所給出的公知的或者本發明特定的實施例的描述，將更好地理解本發明，其中圖1表示根據本發明的電機的橫向剖視圖。所述電機包括定子(1)，其具有6個齒(11至16)；以及轉子O)，其由引入到鐵磁軛(3)上的成形磁體G5)構成。圖2表示圖1中表示的電機的定子的橫向剖視圖。磁極寬度為大約30%的定子極距02)並且齒的端部為凹陷形狀。圖3表示根據本發明的電機的橫向剖視圖。所述電機包括定子(1)，其具有6個齒(31至36)；以及轉子0)，其由裝配在鐵磁軛C3)上的四個成形瓦形件(4A、4B、4C和4D) 構成。圖4表示圖3中表示的電機的定子的橫向剖視圖。磁極寬度為大約50%的定子磁極距02)並且齒05)的端部為凸出形狀。圖5表示現有技術的一種電機的橫向剖視圖。所述電機包括定子(91)，其具有 6個齒；以及轉子，其由裝配在鐵磁軛(9 上的四個成形瓦形件(9 構成。定子磁極佔用了大約90%的可用表面區域。圖6表示現有技術的另一種電機的橫向剖視圖。定子(81)包括佔用了大約70% 的可用表面區域的18個齒。圖7表示具有2對磁極的轉子的橫向剖視圖，轉子由四個瓦形件(4A、4B、4C和4D)
4構成，所述瓦形件由各向異性的磁性材料製成且被膠合在鐵磁軛C3)上。圖8表示具有2對磁極的轉子的橫向剖視圖，轉子由環形件(5)構成，所述環形件 (5)由各向同性的磁性材料製成，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所示的轉子的位置的函數的法向磁感應強度和切向磁感應強度的振幅的圖表。圖10示出了如圖7所示的轉子的法向磁感應強度或切向磁感應強度的諧波擊穿。圖11表示在定子具有6個齒(11至16)且轉子具有2對磁極的情形下，作為定子磁極寬度的函數的由不同的磁化諧波引起的殘餘扭矩的趨勢。圖12表示不同齒的幾何形狀，並示出了形成齒端部的弧(17)的中點總是位於同一個半徑Rl 02)處，還示出了同一個角α ( )，角α的頂點位於半徑R2Q3)處且角α與齒(齒_1至齒_4)的側邊(18和19)相切。圖13表示示出了在定子具有6個齒且轉子具有2對磁極的情形下對於不同的定子齒幾何形狀，作為定子磁極寬度的函數的由5次磁化諧波引起的殘餘扭矩的趨勢的圖表。圖14表示示出了作為定子磁極寬度的函數的電機常數Km的趨勢的圖表，所述Km為電機所能提供的每瓦特平方根的扭矩。圖15表示根據本發明的且包括具有4對磁極的轉子的電機的橫向剖視圖。所述電機包括定子，其具有12個齒(101至11 ；以及轉子，其由引入到鐵磁軛C3)上的成形磁體⑷構成。圖16表示用於分別包括2、4或8對磁極的轉子的電機的不同的定子齒形狀。圖17表示根據本發明的電機的橫向剖視圖。所述電機包括具有6個齒(11至16) 的定子(1)以及具有2對磁極的轉子O)；每個齒均帶有繞組(141至146)。圖18表示在繞組插入前和插入後的根據本發明的電機的定子(1)的橫向剖視圖。 定子具有6個齒並且每兩個齒中的一個帶有繞組。3個繞組(41至4 能夠被單獨地纏繞， 隨後同時呈現在定子內部並被插入到它們對應的齒上。圖19表示根據本發明的具有外轉子的電機的橫向剖視圖。包括6個齒Qll至 216)和3個繞組041至對3)的定子O01)位於轉子Q02)內，所述轉子Q02)由安裝在鐵磁軛O03)中的4個磁性瓦形件(204A至204B)構成。
具體實施例方式圖7中顯示了用於製造轉子的方案之一，而且這個轉子呈現正弦磁感應強度。四個磁性瓦形件(4A、4B、4C和4D)被膠合在鐵軛(；3)上。即使每個瓦形件在單一方向上產生磁化，這些瓦形件的外部形狀也使得能夠接近正弦磁感應強度。然而，由於成本因素，這些瓦形件的幾何形狀必須保持簡單並且製造公差引起了轉子的各個磁極之間的差異。在實踐中，因此獲得了如圖9中所示的磁感應強度。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%。本發明旨在提出一種簡單且經濟的電機，將使得能夠在獲得極低的殘餘扭矩且不存在由現有技術的方案所引起的關於繞組的缺陷的同時，使用具有這種數量級的磁化諧波百分率的轉子。圖11示出了對於定子上具有6個齒且轉子上具有2對磁極的電機，在如圖12中所示的成形定子磁極(齒_2)的情形下，根據定子磁極寬度的由各個磁化諧波引起的殘餘扭矩的趨勢。對於這種形狀(齒_2)，形成了齒的端部的圓弧(17)的半徑等於定子基準半徑Rl (22)。如果考慮相同振幅的諧波，則能夠發現由3次諧波引起的殘餘扭矩遠小於由5 次諧波引起的殘餘扭矩，且同樣小於由7次諧波引起的殘餘扭矩。對於在30°和35°之間的定子磁極寬度，由3次諧波引起的殘餘扭矩最大。如果磁極寬度變寬或變窄，則殘餘扭矩逐漸減小。對於35°的磁極寬度或5°的極窄磁極，由5次諧波引起的殘餘扭矩最大。相比之下，對於20°的齒寬，這一殘餘扭矩為0。對於38°的磁極寬度或10°的窄磁極，由7次諧波引起的殘餘扭矩最大。對於 26°的磁極寬度，這一殘餘扭矩為0。根據本發明的一個可行實施例的且具有成形齒(齒_2)的電機將包括具有6個齒 (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次諧波引起的殘餘扭矩的符號相反且互補。對於5 次諧波多於7次諧波的轉子，將選擇更接近20°的齒寬。然而，如果7次諧波多於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量級，則將選擇 23°的磁極寬度。圖14示出了根據定子磁極寬度的電機常數Km的趨勢。當齒較窄時，每安匝的扭矩常數減小，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常數Km增大。其在20°和35°之間最大。因此，在使用20°和35°之間的磁極寬度時是有益的。圖1表示本發明的優選實施例。定子(1)由一疊薄磁性板製成。所述定子包括具有在20°和沈°之間的相同寬度的6個齒(11至16)。每兩個齒中的一個齒帶有一繞組 (41至43)。具有2對磁極的轉子(2)使用具有小於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子( 。這種製造方法使得能夠獲得磁體的外形，在磁化後其將導致根據所獲得的位置的大致上為正弦的磁感應強度。圖8表示由以各向同性材料製成的環形件(5)構成的轉子的另一個實施例。首先使用特定的設備將這個環形件( 正弦地磁化，隨後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於磁體具有的最大磁能大於25MG0e的情況下，這是因為隨後在齒中出現了飽和。而且，在根據本發明的另一個實施例(圖幻中，定子磁極寬度將處於和36°之間以便通過使用具有的最大能量在25MG0e和40MG0e之間及大於40MG0e 的磁體來避免所述飽和。為了獲得由5次諧波和7次諧波引起的殘餘扭矩的消除，齒的端部為凸出的且採用如圖12中所示的形狀(齒_4)。事實上，圖13中所示的圖表示出了磁極寬度必須如何根據齒的形狀改變以始終獲得由5次諧波引起的殘餘扭矩的消除。對比形狀(齒_2)，能夠發現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餘扭矩的消除。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餘扭矩的消除。 通過示出在同一個附圖(圖1 上所獲得的不同的齒，能夠發現，無論何種齒，形成齒端部的圓弧(17)的中點始終位於Rl 02)(定子基準半徑)處，並且頂點位於半徑R2 03)處的同一個角α (24)與齒的兩個側邊(18和19)相切。如圖16所示，當轉子的磁極對的數量 N變化時，顯而易見的是，如果比率R2/R1根據關係式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次諧波引起的殘餘扭矩的消除，角α (24)必須大致上等於110°。 對於7次諧波，能夠應用相同的方法，並且為了獲得由7次諧波引起的殘餘扭矩的消除，角 α (24)必須大致上等於135°。因此，根據本發明，如果轉子呈現出5次諧波遠多於7次諧波，則角α將接近 110°，而如果7次諧波遠多於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示出了根據本發明的優選實施例。所製造的構造涉及具有外轉子(20 的電機，但能夠應用相同的關於殘餘扭矩消除的規則。根據圓弧(17)和角α還限定了齒Qll 至216)的形狀，所述圓弧的中點位於半徑Rl處，所述角α的頂點位於半徑R2處並且角 α與齒的側邊(18和19)相切。因為結構是相反的，所以此時半徑R2大於半徑Rl並且聯繫Rl和R2的關係式變為R2/R1 = 1+0.沈/N。取決於性能的要求，定子可以具有3個繞組 (241至Μ3)或6個繞組。轉子由四個磁性瓦形件(204Α至204D)構成，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強度和切向磁感應強度的形狀。
權利要求
1.一種三相電機，包括轉子O)，其具有N對磁極；以及定子部(1)，其具有從內齒輪 (10)徑向延伸出的3XN個齒(11至16)，所述定子部(1)通過電繞組(41至43)激勵，每個齒(11至16)在其端部處均具有圓弧(17)和兩個側邊(18和19)，所述圓弧(17)的中點位於第一半徑(Rl)處並且所述兩個側邊(18和19)限定了角α (M)，所述角α (24)的頂點位於第二半徑(似)處，其特徵在於，所述第一半徑(Rl)與所述第二半徑(似)限定了大致等於(1+/-0. 26/Ν)的比率R2/R1，並且所述角α在110°和135°之間。
2.根據權利要求1所述的三相電機，其特徵在於，所述轉子呈現法向磁感應強度和切向磁感應強度，所述法向磁感應強度和所述切向磁感應強度中的每個均包含小於20%的3 次諧波、小於2%的5次諧波以及小於2%的7次諧波。
3.根據權利要求1或2所述的三相電機，其特徵在於，所述齒的每個端部均具有凸出形狀。
4.根據權利要求1或2所述的三相電機，其特徵在於，所述齒的每個端部均具有凹陷形狀。
5.根據權利要求1至4中的任意一項所述的三相電機，所述定子(1)在每個所述齒上均具有繞組。
6.根據權利要求1至4中的任意一項所述的三相電機，所述定子(1)對於每兩個所述齒中的一個具有繞組。
7.根據前述權利要求中的任意一項所述的三相電機，所述繞組被單獨地纏繞然後被插入到所述定子中。
8.根據權利要求1至7中的任意一項所述的三相電機，所述轉子O)由引入到由鐵磁性材料製成的軛⑶上的磁體⑷構成。
9.根據權利要求1至7中的任意一項所述的三相電機，所述轉子O)由四個瓦形件 (4A、4B、4C和4D)構成，所述瓦形件由各向異性材料製成並被裝配在由鐵磁性材料製成的所述軛⑶上。
10.根據權利要求1至7中的任意一項所述的三相電機，所述轉子( 由各向同性材料製成的環形磁體(5)構成。
11.根據權利要求1至7中的任意一項所述的三相電機，所述轉子O)由具有極性各向異性的環形磁體(5)構成。
12.根據前述權利要求中的任意一項所述的三相電機，其特徵在於，所述定子(1)由一疊薄板構成。
13.根據前述權利要求中的任意一項所述的三相電機，其特徵在於，其包括與所述轉子 (2) 一起作用的位置檢測構件。
全文摘要
本發明涉及一種三相電機，其使用高磁能永磁體並具有低定位扭矩。電機包括轉子(2)，其具有N對磁極；以及定子部(1)，其具有從內齒輪(10)徑向延伸出的齒(11至16)。所述齒具有繞組(41至43)並且所述齒的端部包括圓弧(17)，其中點位於半徑R1處；以及兩個側邊(18和19)，其限定了角α，所述角α的頂點位於半徑R2處。比率R2/R1大致上等於(1+/-0.26/N)，並且所述角α在110°和135°之間。
文檔編號H02K1/14GK102422508SQ201080021066
公開日2012年4月18日 申請日期2010年5月11日 優先權日2009年5月11日
發明者皮特爾-達尼埃爾·普菲斯特, 蒂博·裡夏爾, 達尼埃爾·普魯達姆 申請人:移動磁體技術公司