專利名稱：永磁旋轉(zhuǎn)電設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永磁旋轉(zhuǎn)電設(shè)備或者電機，例如一個電動機和發(fā)電機，和一種改進的制造這種機器的方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，旋轉(zhuǎn)電機，例如無刷直流電動機和發(fā)電機，使用了一個在上面固定有許多永磁體的永磁元件。該永磁元件和一個有許多繞有線圈繞組的電柱的元件并置在一起，并且支撐著該元件相對旋轉(zhuǎn)。在一個電動機里，由線圈繞組形成的磁場可以被控制以至于影響旋轉(zhuǎn)。在一個發(fā)電機里，相對轉(zhuǎn)動在線圈繞組上產(chǎn)生電壓。
在這些機器里，永磁體被等間隔的布置在一個圓周上。芯齒之間的齒槽也是等間隔的分布在一個圓周上。當(dāng)這個機器被作為一個發(fā)電機使用時，理想的是，在發(fā)電機的輸出為零時，旋轉(zhuǎn)所必須的轉(zhuǎn)矩(稱為變動轉(zhuǎn)矩)盡可能小。增加的轉(zhuǎn)矩就會使引擎或類似的東西必須用一個更大的驅(qū)動力來轉(zhuǎn)動發(fā)電機，這樣就導(dǎo)致了更大的震動和負(fù)荷。如果它作為一個電動機使用，機器空轉(zhuǎn)時的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩變得更大，導(dǎo)致了能量損失也隨之增加了。
我們通常認(rèn)為變動轉(zhuǎn)矩與被稱作轉(zhuǎn)矩變動數(shù)的平方成反比。轉(zhuǎn)矩變動數(shù)是機器的每一轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的基本轉(zhuǎn)矩變動的數(shù)目。這也是每一轉(zhuǎn)中磁芯柱通過永磁體的次數(shù)。
因此，一個現(xiàn)有技術(shù)的方法通過使用增加磁極數(shù)目，來減小在旋轉(zhuǎn)過程中的變動轉(zhuǎn)矩或者變化。例如，在一個電機或發(fā)電機中，繞有線圈繞組的磁極之間的齒槽數(shù)目S為9，磁極數(shù)目P是8，也就是一個常知的9槽8極結(jié)果的系統(tǒng)。在這種情況下，轉(zhuǎn)矩變動頻率或轉(zhuǎn)矩變動數(shù)有一個相當(dāng)高的值72/轉(zhuǎn)。因此變動轉(zhuǎn)矩變得相當(dāng)小了。
然而這種方法必須增加磁極數(shù)目P和齒槽數(shù)目S，并且增加P或S后結(jié)構(gòu)就變得更復(fù)雜了，進一步導(dǎo)致組成部分的數(shù)目增加和生產(chǎn)組裝的成本升高。
另一個現(xiàn)有技術(shù)，通過使用與轉(zhuǎn)軸傾斜設(shè)置的磁場和齒槽(即產(chǎn)生所謂的“斜交”)來減小變動轉(zhuǎn)矩。這個方法通過使用平滑磁場周圍的分布變化來減小變動轉(zhuǎn)矩。
在這個方法中，必須制造特殊形狀的永磁體，這就增加了制造成本，并且不適合生產(chǎn)和組裝的自動化。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的基本目的是提供一個永磁旋轉(zhuǎn)電設(shè)備和制造這種能夠有效的減小變動轉(zhuǎn)矩并且適合于生產(chǎn)的自動化而不增加成本的設(shè)備的方法。
本發(fā)明的第一個特征適合于以一個減少的變動轉(zhuǎn)矩的永磁旋轉(zhuǎn)電機實施。這個電機有包括在周向上具有交替極性的許多永磁體的永磁元件。這些永磁體的形狀基本相同，并且在周向上等間隔設(shè)置。一個電樞元件和永磁元件并置在一起，該電樞元件有在其周圍繞有線圈繞組的且在圓周向上間隔開的許多芯齒。芯齒在它們之間形成了數(shù)量為N的齒槽。支撐著永磁元件和電樞元件進行相對轉(zhuǎn)動。由永磁體相對于旋轉(zhuǎn)軸所形成的圓周磁角產(chǎn)生了實質(zhì)上比齒槽數(shù)目S和磁極數(shù)目P的最小公倍數(shù)大的有效的轉(zhuǎn)矩變動數(shù)。
本發(fā)明的第二個特征適合于以一個前面段落中所描述的這種永磁旋轉(zhuǎn)電機實施。根據(jù)這個特征，選擇施加到磁元件的磁極N和S的永磁體上的轉(zhuǎn)矩的大小以使兩個轉(zhuǎn)矩值基本相互抵消了。
本發(fā)明的還有一個特征適合于以一種制造減少的變動轉(zhuǎn)矩的永磁旋轉(zhuǎn)電機的方法。該方法包括如下步驟構(gòu)造在周向上具有交替極性的許多永磁體的永磁元件，這些永磁體的形狀基本相同，并且在周向上等間隔設(shè)置。一個電樞元件和永磁元件并置在一起，該電樞元件有在其周圍繞有線圈繞組的且在圓周向上間隔開的許多芯齒。芯齒在它們之間形成了數(shù)量為N的齒槽。支撐著永磁元件和電樞元件進行相對轉(zhuǎn)動。由永磁體相對于旋轉(zhuǎn)軸所形成的圓周磁角產(chǎn)生了實質(zhì)上比齒槽數(shù)目S和磁極數(shù)目P的最小公倍數(shù)大的有效的轉(zhuǎn)矩變動數(shù)。
本發(fā)明的還有一個特征適合于以一個如前面段落中所述的方法實施，然而選擇施加到磁元件上的磁極N和S的永磁體上的轉(zhuǎn)矩的大小以使兩個轉(zhuǎn)矩值基本相互抵消了。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例組成的一個轉(zhuǎn)動電機的端部正視圖，其中線圈繞組被除去，但其相位在相應(yīng)的地方用相應(yīng)的字母表示。
圖2A，2B和2C展示了三種不同的磁角及其由此產(chǎn)生的與之相對應(yīng)的變動轉(zhuǎn)矩的圖形視圖。
圖3是一個沿著包括根據(jù)本發(fā)明的第二個實施例組成的一個轉(zhuǎn)動電機的轉(zhuǎn)軸的平面方向的剖視圖。
圖4是這個實施例的繞組的進一步的視圖。
具體實施例方式
在直接進入對優(yōu)選實施例的描述之前，有關(guān)本發(fā)明的理論的一些常規(guī)討論有助于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對本發(fā)明的理解。通常假定在一定條件下，每轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)矩變動數(shù)是齒槽數(shù)目S和磁極數(shù)目P的最小公倍數(shù)。然而本發(fā)明人確定通過選擇永磁體相對于轉(zhuǎn)軸的圓周角(磁角)，轉(zhuǎn)矩變動數(shù)可以在算得的轉(zhuǎn)矩變動數(shù)的基礎(chǔ)上顯著的增加。因此本發(fā)明選擇永磁體的磁角來增加實際的轉(zhuǎn)矩變動數(shù)，同時也可以通過抵消由交互的磁極產(chǎn)生的變動轉(zhuǎn)矩來減小變動轉(zhuǎn)矩。這可以通過測試各種物理關(guān)系來得到，但是如很快就會描述的那樣，已經(jīng)使用計算機分析變得更快速。
現(xiàn)在詳細(xì)參照附圖1中的實施例，一個根據(jù)本實施例建造的旋轉(zhuǎn)電機通常用標(biāo)號11來辨別。由于本發(fā)明主要涉及到的是永磁體的數(shù)目和它們周圍的延伸和間隔以及配合磁極齒的數(shù)目，所以并沒有示出總體全面圖，而只是用標(biāo)號12示出了永磁元件和用標(biāo)號13示出了配合磁極齒元件。
另外，元件13的磁極齒的線圈繞組并沒有示出，但是可以理解的是每一齒是用三相模式線圈繞組，他們的相位分別用字母U，V和W表示。磁極齒的線圈繞組方向相反——那些有高架條的與那些沒有高架條的相對著線圈繞組。
在這個描述的實施例中，永磁元件12旋轉(zhuǎn)，并包括外殼14，在外殼14上在周向上間隔開的位置上固定著4個永磁元件(用標(biāo)號15表示)。永磁體15都有精確的組成結(jié)構(gòu)，并且具有每一個的磁角θ都相等的基本相同的物理特征，和一個很快將要描述的延伸。
線圈繞組元件13包括一個固定的中心部分16，有18個芯齒17從這個中心部分沿半徑方向向外延伸，并且他們的舌片基本上靠近永磁體15。在這里按照前面描述的對線圈繞組進行纏繞。盡管這個系統(tǒng)與一個旋轉(zhuǎn)的永磁體和一個布置在圓周內(nèi)的固定的中心元件關(guān)聯(lián)在一起描述，相反的情況也可以使用，轉(zhuǎn)動元件和附著元件都反之。本實施例中永磁體15的中心之間的角是90°。
根據(jù)本發(fā)明，磁角θ按照這樣一種方法進行選擇盡管通常假設(shè)機器11轉(zhuǎn)矩變動數(shù)會是36，這是可以被永磁體15的數(shù)目(4)和磁極齒17的數(shù)目(18)整除的最小整數(shù)，選擇磁角以至于每一磁體的變動轉(zhuǎn)矩可以相互完全抵消，并且可以提供一個是通常預(yù)測的兩倍的轉(zhuǎn)矩變動數(shù)，也就是72。盡管這個效果也可以通過對許多變化的磁角進行測試達(dá)到，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)計算工作可以直接通過有效的軟件進行模擬仿真。
這個軟件是用于電機設(shè)計的電磁場分析工具之一，能夠用來計算施加在選定部分的轉(zhuǎn)矩。例如，由“Ansoft Japan Co.，Ltd.”(總部3-18-20 Shin-Yokohama，Kohoku-ku，Yokohama-shi，Kanagawa Japan)公司提供的，以“Maxwell 2D FieldSinulator”為名稱發(fā)售的軟件就可以使用。
這樣，使用這個軟件，當(dāng)輸入各種情形，例如一個永磁體的磁角θ，磁體的尺寸和部署等類似的，施加到N極永磁體15N上的轉(zhuǎn)矩TN和施加到S極永磁體15S上的轉(zhuǎn)矩TS就可以分別被確定。同樣，總的變動轉(zhuǎn)矩T(N+S)就可以通過將施加到N極和S極永磁體15N和15S上的轉(zhuǎn)矩TN和轉(zhuǎn)矩TS相加得到，把他們加到一起就確定得到了轉(zhuǎn)子12產(chǎn)生的變動轉(zhuǎn)矩。
這些計算得到的轉(zhuǎn)矩如圖2A，2B和2C所示，它們分別展示了當(dāng)其他物理情況保持相同，每個永磁體18的磁角θ分別在60°，67.5°和70°之間變化時，轉(zhuǎn)矩的變化情況。在圖中，轉(zhuǎn)矩TN，TS和T(N+S)用N，S和N+S表示。水平軸代表機械角，在度數(shù)上一個20°機械角與一個40°的電角相對應(yīng)。
從這個分析，在磁角θ＝60°(附圖2A)的情形下，轉(zhuǎn)矩TN和轉(zhuǎn)矩TS的正負(fù)峰值的位置有5°的機械角(10°的電角)偏移。因此，這些轉(zhuǎn)矩值之和的變動轉(zhuǎn)矩T(N+S)在正負(fù)方向上一個10°機械角的范圍內(nèi)急劇的增加。同樣，變動轉(zhuǎn)矩T(N+S)的峰值在轉(zhuǎn)子12旋轉(zhuǎn)一周的過程中出現(xiàn)36次，普通的計算轉(zhuǎn)矩變動數(shù)也是與此相同。在這個例子中，通過峰值時需要的變動轉(zhuǎn)矩T(N+S)大約是0.054N.m。
相似的，在磁角θ＝70°(附圖2C)的情形下，然而TN和TS的峰值移到了圖2C的左邊，和θ＝60°(附圖2A)的情形下一樣，峰值在轉(zhuǎn)子12旋轉(zhuǎn)一周的過程中出現(xiàn)36次。通過峰值時需要的變動轉(zhuǎn)矩T(N+S)大約是0.022N.m。
另一方面，在磁角θ＝67.5°(附圖2B)的情形下，轉(zhuǎn)矩的變化就變得更大了。也就是說，產(chǎn)生施加到N極永磁體15N上的轉(zhuǎn)矩TN和施加到S極永磁體15S上的轉(zhuǎn)矩TS的峰值的機械角變得相互非常接近。結(jié)果，轉(zhuǎn)矩值的和T(N+S)的峰值出現(xiàn)在圖2A和2C情形下的周期的一半處，并且在轉(zhuǎn)子12旋轉(zhuǎn)一周的過程中出現(xiàn)72次。通過這些峰值時所需要的變動轉(zhuǎn)矩T(N+S)變得小得多，為0.008N.m。作為前面分析的一個結(jié)果，可以看出，在磁角θ＝67.5°的情形下，在轉(zhuǎn)子12旋轉(zhuǎn)每一周的過程中轉(zhuǎn)矩變動數(shù)是72，它是極距(Slot)數(shù)目S(＝18)和電極(Pole)數(shù)目P(＝4)的最小公倍數(shù)36的兩倍。
盡管在這個實施例中，磁角θ被設(shè)定在一個角θ＝67.5°附近，但轉(zhuǎn)矩變動數(shù)增加的一個磁角θ也可以出現(xiàn)在θ＝60°以下。例如，可以推測有一個理想的磁角θ在一個角度θ＝57°附近。同樣的，如已經(jīng)提到的，本發(fā)明不僅可以應(yīng)用于外轉(zhuǎn)子式電機或發(fā)電機，而且也可以應(yīng)用于內(nèi)轉(zhuǎn)子式。
圖3和4展示了本發(fā)明的第二個實施例，其中圖3是一個沿著包括根據(jù)本實施例(通常用標(biāo)號51表示)組成的一個轉(zhuǎn)動電機的轉(zhuǎn)軸的平面方向的剖視圖。在本實施例中，機器51是一個電動機，但是再一次需要說明的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，本發(fā)明應(yīng)用于發(fā)電機也是很明顯的。
電機51有一個通常用標(biāo)號52表示的外架，它包括一個周圍延伸的定子外殼53，其上面附著有許多周圍空間的圓柱形有交替電極的永磁部分54。根據(jù)前面已經(jīng)描述的實施例，永磁體共有四個并且這些永磁體的磁角大約為67.5°。
電機外架52以端蓋55和56結(jié)束，其中鎖合通過螺栓57分開的附著在定子外殼53上。軸承58合59固定在端蓋55和56和轉(zhuǎn)子軸61的端部的軸頸處。轉(zhuǎn)子軸61附著在一個通常以標(biāo)號62表示的薄片狀的中心組件，它有一個圓柱形的內(nèi)部以便于安裝軸61，并且18個磁極齒63也從這里延伸開來。磁極齒的末端64和永磁體54呈相對的關(guān)系。
線圈繞組65纏繞住磁極齒63，并且按照如圖4中所示的詳細(xì)視圖的模式纏繞。線圈繞組65在端部分別與相應(yīng)的換向器帶66聯(lián)接在一起，如圖3和4中所示。這些換向器帶66恰好附著在轉(zhuǎn)子軸61，并且同刷子67咬合在一起，其中刷子67被各自的刷子固定器68所固定以便于電流可以傳送到線圈繞組65中去，如本領(lǐng)域中的一種很常見的方式。這樣，象前面所描述的實施例一樣，這個實施例就可以得到一個為72的轉(zhuǎn)矩變動數(shù)，它至少是磁體數(shù)目54和磁極齒數(shù)目63的公倍數(shù)36的兩倍。
因此，從前面進行的描述就可以直接明顯的看出通過增加轉(zhuǎn)矩變動數(shù)而不必按以前的思路增加磁極齒或永磁體數(shù)目來減小變動轉(zhuǎn)矩是可能的。當(dāng)然，這個優(yōu)勢可以應(yīng)用到電動機或發(fā)電機上，實際上，可以應(yīng)用到線性電機上。當(dāng)然，前面所述的為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，按照附屬的權(quán)利要求對本發(fā)明所作的各種改變和修改都不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種減少的變動轉(zhuǎn)矩的永磁旋轉(zhuǎn)電機，所述電機具有包括在周向上具有交替極性的許多永磁體的永磁元件，所說的永磁體的形狀基本相同，并且在周向上等間隔設(shè)置，以及與永磁元件并置在一起的電樞元件，該電樞元件有在其周圍繞有線圈繞組的且在圓周向上間隔開的許多芯齒，所說的芯齒在它們之間形成了數(shù)量為N的齒槽，支撐著所說的永磁元件和所說的電樞元件進行相對轉(zhuǎn)動，由所說的永磁體相對于旋轉(zhuǎn)軸所形成的圓周磁角產(chǎn)生了基本比齒槽數(shù)目S和磁極數(shù)目P的最小公倍數(shù)大的有效的轉(zhuǎn)矩變動數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于，轉(zhuǎn)矩變動數(shù)至少是齒槽數(shù)目S和磁極數(shù)目P的最小公倍數(shù)的兩倍。
3.如權(quán)利要求2所述的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于，選擇施加到轉(zhuǎn)子上的N和S磁極的永磁體上的轉(zhuǎn)矩的大小以使兩個轉(zhuǎn)矩值基本相互抵消了。
4.如權(quán)利要求2所述的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于，永磁元件的磁極數(shù)目P是一個不小于4的偶數(shù)，并且齒槽數(shù)目S不是P的倍數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于，旋轉(zhuǎn)電設(shè)備是一個直流電動機，齒槽數(shù)目S為18，磁極數(shù)目P為4，和永磁體相對于旋轉(zhuǎn)軸形成的磁角基本等于67.5°。
6.如權(quán)利要求1所述的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于，選擇施加到轉(zhuǎn)子的N和S磁極的永磁體上的轉(zhuǎn)矩的大小以使兩個轉(zhuǎn)矩值基本相互抵消了。
7.一種減少的變動轉(zhuǎn)矩的永磁旋轉(zhuǎn)電機，所述電機具有包括在周向上具有交替極性的許多永磁體的永磁元件，所說的永磁體的形狀基本相同，并且在周向上等間隔設(shè)置，以及與永磁元件并置在一起電樞元件，該電樞元件有在其周圍繞有線圈繞組的且在圓周向上間隔開的許多芯齒，所說的芯齒在它們之間形成了數(shù)量為N的齒槽，支撐著所說的永磁元件和所說的電樞元件進行相對轉(zhuǎn)動，選擇施加到轉(zhuǎn)子的N和S磁極的永磁體上的轉(zhuǎn)矩的大小以使兩個轉(zhuǎn)矩值基本相互抵消了。
8.如權(quán)利要求7所述的永磁旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于，旋轉(zhuǎn)電設(shè)備是一個直流電動機，齒槽數(shù)目S為18，磁極數(shù)目P為4，和永磁體相對于旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的磁角基本等于67.5°。
9.一種制造一個減少的變動轉(zhuǎn)矩的永磁旋轉(zhuǎn)電機的方法，所述方法包括如下的步驟構(gòu)造在周向上具有交替極性的許多永磁體的永磁元件，這些永磁體的形狀基本相同，并且在周向上等間隔設(shè)置，使電樞元件和永磁元件并置在一起，該電樞元件有在其周圍繞有線圈繞組的且在圓周齒在它們之間形成了數(shù)量為N的齒槽，支撐著永磁元件和電樞元件進行相對轉(zhuǎn)動向上間隔開的許多芯齒，該芯，選擇永磁體元件的磁極P的數(shù)量為不小于4的偶數(shù)和選擇齒槽S的數(shù)量以使它不為P的倍數(shù)，并選擇由永磁體相對于旋轉(zhuǎn)軸所形成的圓周磁角以產(chǎn)生基本比齒槽數(shù)目S和磁極數(shù)目P的最小公倍數(shù)大的整數(shù)倍數(shù)的轉(zhuǎn)矩變動數(shù)。
10.如權(quán)利要求9所述的制造永磁旋轉(zhuǎn)電機的方法，其特征在于，轉(zhuǎn)矩變動數(shù)至少是齒槽數(shù)目S和磁極數(shù)目P的最小公倍數(shù)的兩倍。
11.如權(quán)利要求10所述的制造永磁旋轉(zhuǎn)電機的方法，其特征在于，選擇施加到轉(zhuǎn)子的N和S磁極的永磁體上的轉(zhuǎn)矩的大小以使兩個轉(zhuǎn)矩值基本相互抵消。
12.如權(quán)利要求10所述的制造永磁旋轉(zhuǎn)電機的方法，其特征在于，永磁元件的磁極數(shù)目P是一個不小于4的偶數(shù)，并且齒槽數(shù)目S不是P的倍數(shù)。
13.如權(quán)利要求9所述的制造永磁旋轉(zhuǎn)電機的方法，其特征在于，旋轉(zhuǎn)電設(shè)備是一個直流電動機，齒槽數(shù)目S為18，磁極數(shù)目P為4，和永磁體相對于轉(zhuǎn)軸形成的磁角基本等于67.5°。
14.如權(quán)利要求9所述的制造永磁旋轉(zhuǎn)電機的方法，其特征在于，選擇施加到轉(zhuǎn)子的N和S磁極的永磁體上的轉(zhuǎn)矩的大小以使兩個轉(zhuǎn)矩值基本相互抵消。
15.一種制造一個減少的變動轉(zhuǎn)矩的永磁旋轉(zhuǎn)電機的方法，所述電機具有包括在周向上具有交替極性的許多永磁體的永磁元件，所說的永磁體的形狀基本相同，并且在周向上等間隔設(shè)置，以及與永磁元件并置在一起的電樞元件，該電樞元件有在其周圍繞有線圈繞組的且在圓周向上間隔開的許多芯齒，所說的芯齒在它們之間形成了數(shù)量為N的齒槽，支撐著所說的永磁元件和所說的電樞元件進行相對轉(zhuǎn)動，選擇施加到轉(zhuǎn)子的N和S磁極的永磁體上的轉(zhuǎn)矩的大小以使兩個轉(zhuǎn)矩值基本相互抵消。
16.如權(quán)利要求15所述的制造永磁旋轉(zhuǎn)電機的方法，其特征在于，旋轉(zhuǎn)電設(shè)備是一個直流電動機，齒槽數(shù)目S為18，磁極數(shù)目P為4，和永磁體相對于旋轉(zhuǎn)軸形成的磁角基本等于67.5°。
17.如權(quán)利要求15所述的制造永磁旋轉(zhuǎn)電機的方法，其特征在于，永磁磁角是通過對單個磁體的轉(zhuǎn)矩的計算機仿真得到的。
全文摘要
旋轉(zhuǎn)電機的兩個實施例，通過增加轉(zhuǎn)矩變動數(shù)而不增加磁極齒和磁體數(shù)目使變動轉(zhuǎn)矩實際上減小了。這是通過選擇適當(dāng)?shù)拇沤莵碓黾用哭D(zhuǎn)過程中的轉(zhuǎn)矩變動數(shù)來完成的，這可以通過使用對單個磁體的變動轉(zhuǎn)矩的計算機分析來完成的，而不是使用反復(fù)試驗的方法。
文檔編號H02K23/40GK1417928SQ0215291
公開日2003年5月14日 申請日期2002年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月29日
發(fā)明者安藤勸, 高橋秀明 申請人:株式會社萌力克