同步機器設計及製造技術
2023-07-18 05:08:36 2
專利名稱：同步機器設計及製造技術
方法
技術領域：
本申請案主張2001年10月1日申請的、名稱為「同步機器設計及製造」的美國序列號60/326,278的優先權利益，該專利的內容以引用方式併入本文。
本專利是關於設計及製造直線及旋轉同步電動機及發電機。本發明應用於幾乎所有同步機器，尤其對於那些為場的目的而使用永久磁鐵的同步機器。
背景技術：
設計及製造同步電動機已經進行超過100年了，但是其應用一直主要對於必需同步的低功率電動機，以及對於效率及尺寸優勢勝過其它劣勢的高功率電動機。
1888年，尼古拉斯·泰斯拉(Nicola Tesla)發明了感應式電動機，也稱為異步電動機，且從那時起，感應式電動機支配著旋轉電動機市場。對於電業產生動力的電動機來講，感應式電動機一直是較佳選擇，因為它們構造及控制起來一直更便宜，而對於大多數變速應用場合它們是不划算的。
逐漸增加使用同步電動機是由於專門為電動機控制而設計的微處理器的發展；可使用更划算的供能的電子裝置；較好的永久磁鐵；及逐漸增加的共識即變速操作使得性能有優勢。例如，永久磁鐵旋轉同步電動機正作為用於電動車輛驅動及用於低速、高轉矩應用場合的候選對象而受到真正注意，在該低速、高轉矩的應用場合，選擇感應式電動機就顯得笨重、低效及昂貴。此電動機的直線形式，也稱作直線同步電動機(LSM)，現在應用於直線感應式電動機(LIM)不能有效應用的場合，及作為驅動輪子的旋轉電動機的一替代物。
應認識到在設計一電動機與設計一發電機(或交流發電機)之間通常只有非常微小之差別。因此，在此處所有討論中，應將術語電動機理解為暗含電動機及發電機與設計以執行兩者功能的機器。
還有若干電動機設計者必需處理的問題減小尺寸及重量、增加效率、降低成本、消除頓轉力或波動力、以及簡化製造。已經發行了許多專利，其試圖表示如何改善同步機器的這些因數6,081,058(具有一永久磁鐵電動機的電動機結構，其帶有若干槽以減小轉矩波動)；5,990,592(包含有磁鐵型交流電動機以及設計該類型電動機的方法)；5,757,100(在一電動機中用於減小接頭轉矩的方法及設備)；5,723,917(平直線電動機)；5,523,637(具有低磁阻轉矩的永久磁鐵發電機)；5,521,451及5,126,606(廉價步進或同步電動機及電驅動電動機，尤其用於控制及調節)；5,519,266(高效直線電動機)；5,444,341(用於轉矩波動補償的方法及設備)；5,214,323及5,032,746(具有減少的接頭的直線電動機及具有驅動設備的直線電動機)。在這些專利的每一個中，其焦點都在於解決一單一問題，且在電動機性能和/或製造成本的一些其它方面其效果變差。
上面確定的問題如此重要以至其在關於同步電動機設計的參考書籍中比較詳細地涉及，而沒有充分解決。這些參考書籍實例包括Gieras、Jacek與Piech、Zbigniew，直線同步電動機，輸送及自動控制系統(Linear Synchronous Motors，Transportation and Automation Systems)，CRC出版社，2000；Nassar，直線電動機(Linear Motors)，Wiley出版社，1994；Hughes、Austin，電動機及驅動基本原理，類型及應用(ElectricMotors and DrivesFundamentals，Types and Applications)，第二版，Butterworth-Heinemann出版社，1993。
考慮到上面的描述，本發明的一個目的是提供改進的同步機器，其包括同步電動機及設計及製造同步電動機的方法，該改進後的同步機器具有改進的性能及較低製造成本。
發明內容
本發明提供新穎的同步機器以及設計與構造該同步機器的方法，更特別地，例如，以多種組合為基礎以提高性能及降低成本，這些組合為(i)選擇磁鐵及繞組槽尺寸以消除頓轉力，(ii)使用一繞組，該繞組由非重疊線圈組成以簡化製造並允許較深槽；(iii)省略極端上的增大部分，以便可將預先纏繞的線圈插入此極端上，由此減小繞組的電阻及電感；以及(iv)減少用於繞組的槽數。
通過非限制實例的方式，本發明在驅動用於物料處理及運輸的車輛、組合的磁懸浮及推進方面具有應用。本發明也應用於旋轉及直線同步機器以及應用於帶有一永久磁鐵或電磁場的機器。
由於下列原因的任一個或多個，根據本發明的同步機器在降低成本情況下提供改進的性能。
i.有磁性的及鐵磁的部件的形狀消除了接頭或波動力，而不需要使用偏斜槽或其它使性能退化的裝置。
ii.主繞組由非重疊線圈構成，以減小末匝的長度；iii.主要鐵磁結構使用沒有(或大體上沒有)極端增大部分的磁極，以便可將預先纏繞的線圈插到磁極上；以及/或iv.用於繞組的槽的數量大大少於大多數同期的設計。
本發明特別提供在各種組合中使用這些方法，以至獲得一較高的性能成本比。於是，根據本發明的一方面，其提供了帶有有磁性的部件及鐵磁部件的同步機器及電動機，該有磁性的部件及鐵磁部件的形狀設計為消除接頭或波動力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的裝置)，該同步機器及電動機另外具有一主繞組，該主繞組由不重疊線圈構成以減小末匝的長度。
根據本發明一相關方面，其提供了帶有有磁性的部件及鐵磁部件的同步機器及電動機，該有磁性的部件及鐵磁部件的形狀設計為消除接頭或波動力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的裝置)，該同步機器及電動機另外具有一帶有磁極的主鐵磁結構，該磁極沒有(或大體上沒有)極端增大部分。
根據本發明另一相關方面，其提供了帶有有磁性的部件及鐵磁部件的同步機器及電動機，該有磁性的部件及鐵磁部件的形狀設計為消除接頭或波動力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的裝置)，該同步機器及電動機另外具有數量減少的用於繞組的若干槽。
本發明的另一方面提供帶有一主繞組的同步機器及電動機，該主繞組由非重疊線圈構成以減小末匝長度，以及該同步機器及電動機另外具有一主鐵磁結構，該主鐵磁結構具有若干磁極，所述磁極沒有(或大體上沒有)極端增大部分。
本發明的一相關方面提供帶有一主繞組的同步機器及電動機，該主繞組由非重疊線圈構成以減小末匝長度，以及該同步機器及電動機另外具有一數量減少的用於繞組的若干槽。
本發明的另一方面提供帶有一主鐵磁結構的同步機器及電動機，該主鐵磁結構不具有(或大體上不具有)極端增大部分，以及該同步機器及電動機另外具有一數量減少的用於繞組的若干槽。
本發明再一方面提供了帶有有磁性的部件及鐵磁部件的同步機器及電動機，該有磁性的部件及鐵磁部件的形狀設計為消除接頭或波動力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的裝置)，該同步機器及電動機另外具有一主繞組，該主繞組用非重疊線圈構成以減小末匝長度，以及該同步機器及電動機進一步具有一主鐵磁結構，該主鐵磁結構不具有(或大體上不具有)極端增大部分。
本發明的再一方面提供了帶有有磁性的部件及鐵磁部件的同步機器及電動機，該有磁性的部件及鐵磁部件的形狀設計為消除接頭或波動力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的裝置)，以及該同步機器及電動機另外具有一主繞組，該主繞組用非重疊線圈構成以減小末匝長度，以及該同步機器及電動機進一步具有一數量減少了的用於繞組的若干槽。
本發明的再一方面提供了帶有一主繞組的同步機器及電動機，該主繞組用非重疊線圈構成以減小末匝長度，該同步機器及電動機還帶有一主鐵磁結構，該主鐵磁結構沒有(或大體上沒有)極端增大部分以便可將預先纏繞的線圈插到磁極上，該同步機器及電動機還具有一數量減少了的用於繞組的若干槽。
本發明的進一方面提供了帶有有磁性的部件及鐵磁部件的同步機器/電動機，該有磁性的部件及鐵磁部件的形狀設計為消除接頭或波動力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的裝置)，該同步機器/電動機還具有一主繞組，該主繞組用非重疊線圈構成以減小末匝長度，該同步機器/電動機還帶有一具有若干磁極的主鐵磁結構，該等磁極沒有(或大體上沒有)極端增大部分以便可將預先纏繞的線圈插到磁極上，且該同步機器/電動機還具有一數量減少了的用於繞組的若干槽。
根據本發明的再一方面，其提供了若干車輛，該等車輛由根據前面所述的同步直線電動機驅動。
本發明的另一方面提供一車輛，該車輛由上面所述類型的直線電動機驅動，該直線電動機帶有一永久磁場且位於車輛上。相對既較少且較深組合的繞組槽使得每單位面積上有較大的力，而不會過熱。該磁鐵尺寸設計為幾乎消除頓轉力且使磁鐵成本最小。對該車輛上一給定推進力，該組合在定子發動機與車輛之間產生一比正常比率更低的吸引力。
根據本發明的另一方面，其提供一根據前面所述而構造的旋轉電動機，該旋轉電動機具有一高的轉矩相對於電動機質量比率。通過在比正常直徑大轉子上使用相對小的永久磁鐵，但不需要使用窄槽以減小頓轉力來實現該旋轉電動機。
本發明的這些及其他方面在圖示及下面的描述中表示的很清楚。
可通過參考下面的描述結合附圖達到對本發明更完整的理解，其中圖1表示一傳統直線同步機器與一根據本發明的直線同步機器的橫截面的比較；圖2表示一傳統旋轉同步機器與一根據本發明的旋轉同步機器的橫截面的比較；圖3為一圖解表示在一直線同步電動機(LSM)中頓轉力的起源。
圖4表示根據本發明構造的一直線同步電動機(LSM)的兩實例的磁場線圖4A表示一簡單的僅具有y方向磁鐵的磁鐵排列，圖4B表示一改進的具有x與y兩個方向磁鐵的霍氏(Halbach)排列；圖5表示力的諧函數的峰值振幅，其作為圖4中設計的直線同步電動機(LSM)的磁鐵長度的一函數，且具有典型的導磁率值；
圖6表示本發明的一實例，其將電磁場應用於一直線同步電動機(LSM)；圖7表示力的諧函數的峰值振幅，其作為圖6中設計的直線同步電動機(LSM)的磁鐵長度的一函數；以及圖8表示根據本發明的一直線同步電動機的磁通量分布圖，將場(或電動機定子)端部磁鐵布置為終止磁力線及最小化頓轉力。
具體實施例方式
工作原理申請者的發明使用若干設計技術的組合以對各種類型同步機器實現高性能及較低的製造成本。開始的討論及圖示涉及帶有永久磁場的直線機器，但是所傳授內容可應用於一較寬種類旋轉及直線機器及包括使用超導的機器，該旋轉及直線機器帶有永久磁場或電磁場。
圖1A是先前技術直線同步電動機(LSM)的一實例，圖1B是根據本發明的一應用的直線同步電動機(LSM)的一實例。在此圖中，場結構由後鐵11a、11b及永久磁鐵12a、12b組成。該場(或「場結構」)及電樞均是2λ長，此處的波長λ在圖中定義。該場具有三個完整磁極及兩個半磁極，在場的端部使用半磁極的目的是為了最小化端部效應。在一實際電動機中，該場通常比2λ長且是波長長度的一整數倍。對於直線電動機來說，電樞通常比場長，但是反過來場比電樞長也可正確。對於旋轉電動機來說，將電樞及場限制在一圓內，且其通常一樣長。這些電樞鐵芯疊片具有齒13a、13b，且在這些齒之間的槽容納多相繞組。該電樞的後鐵15a、15b容有齒間的磁力線。將這些繞組14a、14b纏繞在這些電樞鐵芯疊片中的槽中。在傳統電動機的情況下，這些齒具有末端16a，但是這些末端在建議設計的一樣式中被省略掉了。
在圖1A中每波長有6個槽，且這些繞組為半波長長度。注意末匝必需向下彎曲，以使得每一槽具有儘可能多的匝數；對末匝偏斜的要求限制了這些槽的實際深度。為了減小頓轉力及提高性能，通過在這些齒上的末端使這些槽部分閉合。
圖1B每波長僅具有三個槽及不重疊繞組。其每波長具有一半繞組數，且很顯然更易於纏繞。由於其結果證明是不合理的原由，設計者曾經避免該方法。本發明者已發現在圖1B中圖解說明的具體實施例獲得較佳性能及較低的製造成本，其中的一些原因在下面討論中是顯而易見的。
為了最小化所需要的磁鐵體積，傳統的知識建議一個人必需具有部分閉合的用於繞組的槽，但是本發明者已發現如果永久磁鐵具有幾乎一致導磁率或氣隙相對較大，那麼磁場線可幾乎同樣容易穿過槽的側部進入電樞齒。通過不使用部分閉合槽，其就有更多用於繞組的空間，繞組電感就越低，就越容易用最小長度的導線線匝來纏繞該電樞。
傳統的想法也提出圖1B的設計將具有非常大的頓轉力。本發明者已進一步發現如果適當選擇磁鐵尺寸，就會有非常小的頓轉力，而且，減小接頭的適當尺寸也將產生一經濟上划算的設計。
最後，傳統想法提出使用不重疊繞組將由於繞組節距的減小而導致低效率運行。然而通過每波長使用較少的槽且在繞組中沒有重疊，就可能使用更深的用於該繞組的槽，且該等繞組的末匝阻抗得到充分的減小。由於較短的末匝及開放的槽，該線圈電感就較低，所以就可能使用一較短磁極節距，其導致較高的頻率激勵。這減小了所需要的後鐵的質量，且導致一較輕的電動機，尤其在場通過永久磁鐵提供的情況下。
該圖解表示的具體實施例的一優點是，對於一給定驅動力在場與電樞之間有較小的吸引力。這是由於事實上一些磁場線從側部而不是從頂部進入電樞齒，所以它們不會產生一吸引力。在直線電動機的情況下，這可是一重要優點，尤其當非常大的吸引力對於輪及支撐結構產生附加成本時。
圖2表示圖1中所示的同一結構的一旋轉形式。已經省略了這些繞組，然而在其它設計方面卻非常類似於等價的直線電動機。注意也可將旋轉電動機構造為場磁鐵在內部而電樞繞組在外部。以旋轉或直線形式及將電樞或場作為移動部件來構造電動機的技巧是眾所周知的事，所以對於本專利，其焦點在於直線電動機，但是其方法可同樣地應用於旋轉電動機。
減小頓轉力圖解表示的具體實施例通過適當選擇尺寸減小頓轉力，特別地，例如，當對於電動機的每一波長其具有相對少的槽及齒的情況下。傳統的思想告知不要使用每波長僅三個齒，這是由於這種情況可產生強頓轉力，特別當在齒上沒有末端時。該接頭問題是由於場磁鐵與齒交互感應引起的，且與繞組無關。圖3表示一實例，此處磁鐵尺寸選擇得不好且選擇場與電樞的相對位置來圖解說明頓轉力的起源。在圖3A中，系統在一「勢阱」中處於穩定平衡，且如果將場結構向左或右推，其就會有一回復力。這是由於磁鐵的北極與南極相對於這些齒對稱放置。相反，在圖3B中，磁鐵的北極向左拉，且南極向右拉。通過對稱，且由於有限數量磁極而忽略端部影響，很顯然沒有淨力，但是如果將場結構向左或右移動，就會存在一沿那個方向趨向進一步移動的力。簡言之，圖3B中所示的位置是其中一個不穩定平衡位置。當場相對該電樞移動時，在這些平衡位置之間，其將產生波動的力。將這些有節奏跳動的力稱作頓轉力或波動力。在旋轉電動機的情況下，將其稱作轉矩波動。
典型場設計圖4表示本發明此方面的兩個具體實施例。除了永久磁鐵場結構外，這兩個實例是相同的。在此兩種情況下都有三個相位，相位A電流被標為A+及A-，相位B與C與相位A類似。
在圖4A中，場僅使用帶有交替磁鐵極性的y方向磁鐵。在圖4B中，y與x方向磁鐵都有，一般稱作改進的霍氏排列(通常假定霍氏排列不具有後鐵)。在這兩幅圖中，選擇磁鐵尺寸以使頓轉力最小。霍氏排列產生稍微更大的力，但是其使用更多的永久磁鐵。使用霍氏排列則後鐵可更薄從而場可更加輕及產生更大力。
可使用其它類型磁鐵排列以得到好處。例如，通過調整場，就可能同時減小頓轉力及磁阻力。
分析在一同步機器中的力在任何同步機器中都有三類力由於繞組電流與場的相互作用而產生的力，該力與電樞電流及場強的乘積成比例；由於該繞組的變化的磁阻而產生的力，該力與電樞電流的平方成比例；由於場與電樞的鐵磁結構相互作用而產生的頓轉力，該力與場磁鐵的強度平方成比例。儘管存在各種情況，此情況下磁阻力或頓轉力可以是期望的，但是由於電樞鐵磁結構與場磁鐵的交互作用，所以圖解表示的具體實施例抑制這些力的大部分。
在下面的討論中，我們作某些關於電動機結構的假設·其假定每波長上有兩個相同的場磁極結構，且他們在x方向上對稱且具有相等且相對的磁極。
·每波長上有n個齒，在x方向上每一齒都均衡且用一分離的電線纏繞。
·通過將相繼的繞組連接至相繼的相位，所述繞組從一n-相交流電源獲得供電，從而產生一移動的磁場。
·該鐵磁結構具有一非常高的導磁率且該導磁率的準確值不會對場結構產生主要影響，因此可使用一直線模型。
·將場磁鐵強度定義為在電樞的表面測量的磁場。
這些假設允許使用傅立葉方法來分析這些力。由於該模型被假定為直線性，所以就可能在這些力的傅立葉分析中將該三類力的每一類與特定諧函數相關聯。表示這些力的本質的一種方式為在繞組中輸入一電流，該電流對應於時間中一特定點，接著相對該電樞移動場。在理想情況下，力將隨位置正弦變化。
如一實例，假定永久磁鐵的導磁率與自由空間的導磁率相同，因此就沒有磁阻力。力的傅立葉分析表明僅存在的諧函數為1、5、6、7、11、12、13、…我們可將這些力分成兩類6的倍數及所有其它。進一步分析表明6的倍數的力與場磁鐵的強度的平方成比例，而其它力與電樞電流乘以場強成比例。如果磁鐵的導磁率與自由空間的導磁率不同，則由於磁阻力就存在另外的頻率。表1給出了對於每一類力及對於不同相位數的諧函數。在此表中，參數p是繞組槽數，假定繞組槽數與相位數相同，m是p與2(因為在場中有兩個對稱磁極)的最小公倍數。不管對電樞如何纏繞都不要緊，只要繞組用p相位激勵，以便如果場移動1/p乘以波長，則場將保持不變，僅時間移動1/p周期。
表1是用於三類力及不同相位數的諧函數；m是p與2的最小公倍數，i是任意正整數。
在許多實際情況下，僅重要的頓轉力是最小諧函數，也即，當存在三個相位時第6個諧函數是最小諧函數，因此一關鍵思想是選擇消除此成分的磁鐵尺寸。圖5A與5B表示所有重要頻率的幅值，這些幅值作為圖4A與4B中所示的場結構的磁鐵長度的函數。可以看到對於每一結構有兩個磁鐵長度，對這兩個磁鐵長度沒有第6個諧函數，且對於所有磁鐵尺寸其它諧函數都非常小。因此，通過將磁鐵長度選擇為可消除第6個諧函數力的兩個值之一，將出現頓轉力可被忽略的的情況。在一些情況下，如當磁鐵成本或重量非常重要，或引力必須最小化，則期望使用較小的磁鐵長度，但是在大多數情況下，較大的長度將產生較好的總體性能。
注意如果用一個因子將所有尺寸放大，則最適宜的磁鐵長度也將以相同的因子放大。而且，發明者已發現最適宜的磁鐵尺寸對氣隙尺寸或槽的深度不是很敏感。因此對於圖4的結構在沒有第6諧函數頓轉力情況下的相對尺寸可用作電動機設計範圍的近似值。這些相關比率在表2中給出。例如，用簡單磁鐵排列及為達到最高力，則磁鐵長度應為波長的0.766倍，以及如果將磁鐵長度選擇為達到最大力(即λ/2)，則基頻力為其本來應達到值的92.3％。表2中的值在一定程度上依賴於鐵磁體的導磁率及槽尺寸的假設，但是其可用作初始設計的指導。
表2對於圖4結構沒有頓轉力的磁鐵尺寸
前面所述的一實際應用是在3相位系統中每波長有三個齒，但是如果其需要極其低的頓轉力，則可期望使用不同數量的齒或相位。例如，使用5相位激勵且每波長有5個齒則將會提供異常低的頓轉力。
在改進的霍氏場結構下，可出現不會產生磁阻力情況。然而，在大多數情況下，場是由高能量磁鐵構成，該高能量磁鐵在磁化方向上的導磁率與垂直於磁化方向的方向上的導磁率不同。例如，對於高能量釹鐵硼(NdFeB)磁鐵，在磁化方向上相對導磁率一般為1.06，而對於任何垂直方向，相對導磁率為大約1.2。這兩個值都充分接近一致，所以在實際中磁阻力非常小。
如前所述這些繞組可以是非重疊的，或用每一繞組圈起兩個或多個齒來進行纏繞。假如相位滿足給定的假設，則線圈的特性不會影響磁鐵尺寸的適當選擇。
在直線電動機中或分段旋轉電動機中使端部效應最小對於大多數旋轉電動機，場及電樞環繞在電動機的整個周圍，因此兩個結構都表現理想的周期性。對於直線電動機及分段旋轉電動機，至少其中一個結構具有端部，該端部破壞周期性，如果不採取步驟來解決端部效應，電動機可能會無法充分地發揮作用。為了下面討論的目的，假定磁鐵排列是有限的，但是電樞表現為其好象是無限長。如果反過來是正確的，則可適用於類似分析。
存在兩個明顯的問題，當為一磁鐵排列設計端部磁鐵時可解決這兩個問題，這兩個問題是終止來自相鄰周期磁鐵排列的磁力線及減小或消除與端部磁鐵相關聯的頓轉力。在本來周期排列的每一端部使用半長度磁鐵可部分解決這兩個問題。特別地，其留下一頓轉力，該頓轉力在來自周期排列的頓轉力的一半頻率處具有其主頻率部分。例如，對於一周期排列，每波長有三個槽，則頓轉力頻率為基頻力頻率的六倍，以及來自端部磁鐵的主項為基本頻率的三倍。一較佳方法消除了第三諧函數項而不會增加第六諧函數項。
為了進一步消除主頓轉力項，理想情況是調節端部磁鐵尺寸及位置。推薦的設計程序如下1.選擇用於周期排列的參數，其與假定沒有端部效應的設計一致。
2.選擇端部磁鐵的尺寸及其自周期排列的間距以保持周期性且同時消除頓轉力。
在大多數情況下，可通過調節該等端部磁鐵的高度及長度以及這些磁鐵與其相鄰磁鐵距離來完成。圖8(其中水平及垂直比例不同)表示一設計實例，該設計就是通過此方式完成。注意在中間磁鐵中的磁力線的表現就如同該排列是周期的。詳細的分析表明其具有相對很小的第三或第六諧函數頓轉力。在此圖中此結構的相對尺寸為
這些尺寸是基於二維分析得到，由於這些取決於磁鐵寬度相對磁間隙的比率，所以必須進行一些調整以處理3維影響。
帶有電磁場的機器上面所述的實施例已使用永久磁場，但是本發明也可應用於帶有電磁場的電動機。對於非常大的電動機及對於需要控制場強的電動機這就非常重要。圖6表示帶有電磁場的一直線電動機的實例。其具有該永久磁鐵實例兩倍的波長，且具有一由F+及F-指示的直流電電流激勵的激勵繞組。由於其將用過量激勵能以控制一具有一大的間隙的電磁場，所以其氣隙小於具有一永久磁場的氣隙。圖7表示相對於極間距的諧函數的曲線。除了磁阻力更大外其類似於對於永久磁場的情況。然而通過使用在此專利中描述的方法，可極大地減小頓轉力。通過修整磁極及通過控制繞組電流的波形，可減小或補償磁阻力。
上面所述的是同步電動機及其中滿足期望目標的機器。當然，對於所屬領域的技術人員，會理解該圖解表示的實施例僅是本發明的若干實例，且其它包含另外改進的其它實施例也落入由所附權利要求限定的本發明的範圍中。
權利要求
1.一種同步電動機，其包括一個或多個場結構及一個電樞，該場結構具有若干磁極，該電樞具有若干齒，此等齒間具有若干槽，若干線圈繞組纏繞在那些槽中，其改進為其中所述磁極與齒彼此相關聯確定尺寸以使所選擇的力諧函數最小化，那些所選擇的力諧函數與磁極強度的平方成比例。
2.根據權利要求1所述的同步電動機，其進一步改進為其中所述磁極確定一波長為λ的磁場，其進一步的改進還為磁鐵長度相對λ/2的比率大體上為0.77∶1或0.45∶1。
3.根據權利要求1或2所述的同步電動機，其進一步的改進為其中所述磁極確定一波長為λ的磁場，其進一步的改進還為其中齒數相對波長的比率為3∶1。
4.根據權利要求1或2所述的同步電動機，其進一步改進為其中多個齒的末端沒有增大部分。
5.根據權利要求1或2所述的同步電動機，其進一步改進為其中所述磁極與齒彼此相關聯確定尺寸以使在它們之間的第六力諧函數最小化。
6.一種同步電動機，其包括一個或多個場結構以及一個或多個電樞，該場結構具有若干確定一磁場的磁極，以及該電樞具有若干齒，在所述齒之間有若干槽，且若干線圈繞組纏繞在那些槽中，其改進為其中將在至少一個場結構端部的磁極布置為使在場結構與電樞間的第三力諧函數最小化，而不會在它們之間增加第六諧函數。
7.根據權利要求6所述的同步電動機，其中該場結構的磁極確定了一波長為λ的磁場，其進一步改進為其中場結構的相對尺寸選擇為大體上與下表一致參數尺寸波長 60磁間隙4周期磁鐵長度 23周期磁鐵高度 5端部磁鐵長度 14端部磁鐵高度 4端部磁鐵與其鄰近磁鐵間間距11
8.一種同步電動機，其包括一個和多個場結構以及一個或多個電樞，該場結構具有用於產生磁場的磁極，該電樞具有由槽隔開的齒，所述槽中設有線圈繞組，其改進如下A.多個齒的末端沒有增大部分，B.所述線圈繞組包括一連串的線圈繞組，在線圈繞組串中，任一線圈繞組都不與相鄰的線圈繞組重疊，C.多個所述線圈繞組中的每一個都在被置於所述槽中之前被預先繞製成，D.選擇磁極對於齒的相對尺寸，以使頓轉力的最小諧函數項不起作用，該頓轉力是由磁場和電樞的相互作用產生的，並與磁場強度的平方成正比，以及E.在至少一個場結構的端部設有半磁極。
9.一種同步電動機，其包括一個和多個場結構以及一個或多個電樞，該場結構具有用於產生磁場的磁極，該電樞具有由槽隔開的齒，所述槽中設有線圈繞組，其改進如下A.多個所述線圈繞組中的每一個都在被置於所述槽中之前被預先繞製成，B.多個所述線圈繞組中的每一個都不與置於所述槽中的相鄰繞組線圈相重疊，C.選擇磁極對於齒的相對尺寸，以使頓轉力的最小諧函數項最小化，該頓轉力是由磁場和電樞的相互作用產生的，並與磁場強度的平方成正比，以及D.在至少一個場結構的端部設有半磁極。
10.一種同步電動機，其包括一個和多個場結構以及一個或多個電樞，該場結構具有用於產生磁場的磁極，該電樞具有由槽隔開的齒，所述槽中設有線圈繞組，其改進如下A.多個齒的末端沒有增大部分，B.所述線圈繞組包括一連串的線圈繞組，在線圈繞組串中，任一線圈繞組都不與相鄰的線圈繞組重疊，C.多個所述線圈繞組中的每一個都在被置於所述槽中之前被預先繞製成，D.選擇磁極對於齒的相對尺寸，以使頓轉力的最小諧函數項不起作用，該頓轉力是由磁場和電樞的相互作用產生的，並與磁場強度的平方成正比，以及E.進一步的改進為，磁極確定了長度為λ的磁場，至少一個場結構的磁極排列成霍氏排列，且至少對於所述結構的選定磁極而言，磁鐵長度相對於λ/2的比例大致為0.35∶1或0.67∶1。
11.一種同步電動機，其包括一個和多個場結構以及一個或多個電樞，該場結構具有用於產生磁場的磁極，該電樞具有由槽隔開的齒，所述槽中設有線圈繞組，其改進如下A.多個齒的末端沒有增大部分，B.所述線圈繞組包括一連串的線圈繞組，在線圈繞組串中，任一線圈繞組都不與相鄰的線圈繞組重疊，C.多個所述線圈繞組中的每一個都在被置於所述槽中之前被預先繞製成，D.選擇磁極對於齒的相對尺寸，以使頓轉力的最小諧函數項不起作用，該頓轉力是由磁場和電樞的相互作用產生的，並與磁場強度的平方成正比，以及E.進一步的改進為，磁極確定了長度為λ的磁場，且在相對運動方向上磁鐵長度相對於λ/2的比例大致為0.77∶1或0.45∶1。
12.一種同步電動機，其包括一個和多個場結構以及一個或多個電樞，該場結構具有用於產生磁場的磁極，該電樞具有由槽隔開的齒，所述槽中設有線圈繞組，其改進如下A.多個齒的末端沒有增大部分，B.所述線圈繞組包括一連串的線圈繞組，在線圈繞組串中，任一線圈繞組都不與相鄰的線圈繞組重疊，C.多個所述線圈繞組中的每一個都在被置於所述槽中之前被預先繞製成，D.選擇磁極對於齒的相對尺寸，以使頓轉力的最小諧函數項不起作用，該頓轉力是由磁場和電樞的相互作用產生的，並與磁場強度的平方成正比，以及E.進一步的改進為，對至少一個場結構的端部上的磁極進行排列，以使場結構和電樞之間的第三力諧函數最小化，同時並不增大其間的第六諧函數。
13.一種同步電動機，其包括一個和多個場結構以及一個或多個電樞，該場結構具有用於產生磁場的磁極，該電樞具有由槽隔開的齒，所述槽中設有線圈繞組，其改進如下A.多個齒的末端沒有增大部分，B.所述線圈繞組包括一連串的線圈繞組，在線圈繞組串中，任一線圈繞組都不與相鄰的線圈繞組重疊，C.多個所述線圈繞組中的每一個都在被置於所述槽中之前被預先繞製成，D.選擇磁極對於齒的相對尺寸，以使頓轉力的最小諧函數項不起作用，該頓轉力是由磁場和電樞的相互作用產生的，並與磁場強度的平方成正比，以及E.場結構的磁極形成了波長為λ的磁場，其進一步的改進在於，場結構的相對尺寸實際是按照下表進行選擇的參數尺寸波長60磁間隙 4周期磁鐵長度23周期磁鐵高度5端部磁鐵長度14端部磁鐵高度4端部磁鐵和相鄰磁鐵之間的間隙11
14.一種同步電動機，其包括一個和多個場結構以及一個或多個電樞，該場結構具有用於產生磁場的磁極，該電樞具有由槽隔開的齒，所述槽中設有線圈繞組，其改進如下A.多個所述線圈繞組中的每一個都在被置於所述槽中之前被預先繞製成，B.多個所述線圈繞組中的每一個都不與置於所述槽中的相鄰繞組線圈相重疊，C.選擇磁極對於齒的相對尺寸，以使頓轉力的最小諧函數項最小化，該頓轉力是由磁場和電樞的相互作用產生的，並與磁場強度的平方成正比，以及D.進一步的改進為，磁極確定了長度為λ的磁場，至少一個場結構的磁極排列成霍氏排列，且至少對於所述結構的選定磁極而言，磁鐵長度相對於λ/2的比例大致為0.35∶1或0.67∶1。
15.一種同步電動機，其包括一個和多個場結構以及一個或多個電樞，該場結構具有用於產生磁場的磁極，該電樞具有由槽隔開的齒，所述槽中設有線圈繞組，其改進如下A.多個所述線圈繞組中的每一個都在被置於所述槽中之前被預先繞製成，B.多個所述線圈繞組中的每一個都不與置於所述槽中的相鄰繞組線圈相重疊，C.選擇磁極對於齒的相對尺寸，以使頓轉力的最小諧函數項最小化，該頓轉力是由磁場和電樞的相互作用產生的，並與磁場強度的平方成正比，以及D.磁極確定了長度為λ的磁場，且在相對運動方向上磁鐵長度相對於λ/2的比例大致為0.77∶1或0.45∶1。
16.一種同步電動機，其包括一個和多個場結構以及一個或多個電樞，該場結構具有用於產生磁場的磁極，該電樞具有由槽隔開的齒，所述槽中設有線圈繞組，其改進如下A.多個所述線圈繞組中的每一個都在被置於所述槽中之前被預先繞製成，B.多個所述線圈繞組中的每一個都不與置於所述槽中的相鄰繞組線圈相重疊，C.選擇磁極對於齒的相對尺寸，以使頓轉力的最小諧函數項最小化，該頓轉力是由磁場和電樞的相互作用產生的，並與磁場強度的平方成正比，以及D.進一步的改進為，對至少一個場結構的端部上的磁極進行排列，以使場結構和電樞之間的第三力諧函數最小化，同時並不增大其間的第六諧函數。
17.一種同步電動機，其包括一個和多個場結構以及一個或多個電樞，該場結構具有用於產生磁場的磁極，該電樞具有由槽隔開的齒，所述槽中設有線圈繞組，其改進如下A.多個所述線圈繞組中的每一個都在被置於所述槽中之前被預先繞製成，B.多個所述線圈繞組中的每一個都不與置於所述槽中的相鄰繞組線圈相重疊，C.選擇磁極對於齒的相對尺寸，以使頓轉力的最小諧函數項最小化，該頓轉力是由磁場和電樞的相互作用產生的，並與磁場強度的平方成正比，以及D.場結構的磁極形成了波長為λ的磁場，其進一步的改進在於，場結構的相對尺寸實際是按照下表進行選擇的參數尺寸波長60磁間隙 4周期磁鐵長度23周期磁鐵高度5端部磁鐵長度14端部磁鐵高度4端部磁鐵和相鄰磁鐵之間的間隙1全文摘要
根據本發明的同步電動機在較高效率、較低成本、減小的體積及減小的頓轉力下運行。選擇磁鐵尺寸，使得即使其比正常情況具有較少槽，也可減小頓轉力至可忽略的大小。也可能視情況使用非重疊繞組與更深及敞開的槽。本方法可應用於旋轉及直線電動機及在場結構中使用永久磁鐵或電磁鐵的電動機。該方法尤其適用於具有一大的氣隙的直線或旋轉電動機，以及適用於小的電動機，該小電動機必需傳遞一高的推力或轉矩相對電動機體的比率。
文檔編號H02K15/02GK101083419SQ20071010890
公開日2007年12月5日 申請日期2002年10月1日 優先權日2001年10月1日
發明者理察·D·桑頓, T·M·克拉克 申請人:麥克納莫紳有限公司