專利名稱：具有減小接齒效應(yīng)和波動(dòng)轉(zhuǎn)矩的無(wú)刷永磁電機(jī)及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有減小接齒效應(yīng)(cogging)和波動(dòng)(ripple)轉(zhuǎn)矩的無(wú)刷永磁電機(jī)。
背景技術(shù)：
電機(jī)，例如無(wú)刷永磁(BLPM)電動(dòng)機(jī)，一般會(huì)遇到接齒效應(yīng)和波動(dòng)轉(zhuǎn)矩的問(wèn)題，這兩個(gè)問(wèn)題都會(huì)引起噪音和振動(dòng)并可負(fù)面影響電機(jī)的起動(dòng)性能。接齒效應(yīng)和波動(dòng)轉(zhuǎn)矩分量的總和被稱為電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁通勢(shì)(mmf’s)相互作用引起的向負(fù)荷傳遞的轉(zhuǎn)矩中，波動(dòng)轉(zhuǎn)矩表表征為周期變動(dòng)。接齒轉(zhuǎn)矩現(xiàn)出不均勻轉(zhuǎn)矩，這是由于轉(zhuǎn)子磁化和與定子的槽形狀相關(guān)的氣隙磁導(dǎo)(或磁阻)中的角變化相互作用而引起的。根據(jù)定義，定子磁動(dòng)勢(shì)(excitation)不包含在接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生過(guò)程中。需要有一種電機(jī)來(lái)使接齒效應(yīng)和波動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響最小并且使操作平穩(wěn)。另外，需要有一種電機(jī)，它的轉(zhuǎn)子可操作對(duì)于給定的電機(jī)機(jī)架提供多種動(dòng)力或電機(jī)功率，并由此減少加工工具成本和備料(inventory)。而且，需要提供一種易于配置成相數(shù)和極數(shù)的不同組合下工作的電機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種具有機(jī)器輸出功率的電機(jī)。該電機(jī)包括可圍繞一軸線旋轉(zhuǎn)的一軸；安裝或耦合在所述軸上并隨著所述軸旋轉(zhuǎn)的一轉(zhuǎn)子；包括一定子芯和繞組的一定子。該轉(zhuǎn)子被構(gòu)造成包括與第一輸出功率相關(guān)的第一轉(zhuǎn)子部分和與第二輸出功率相關(guān)的第二轉(zhuǎn)子部分。該定子芯被構(gòu)造成當(dāng)機(jī)器輸出功率對(duì)應(yīng)第一額定功率時(shí)被設(shè)置與第一轉(zhuǎn)子部分鄰近，當(dāng)機(jī)器輸出功率對(duì)應(yīng)第二額定功率時(shí)被設(shè)置與第二轉(zhuǎn)子部分鄰近。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種電機(jī)，該電機(jī)可設(shè)定成用多種模式中的一種進(jìn)行操作，該多種模式包括第一模式，其中電機(jī)包括第一機(jī)器輸出功率；和第二模式，其中電機(jī)包括第二機(jī)器輸出功率。第二機(jī)器輸出功率不同于第一機(jī)器輸出功率。所述電機(jī)包括可圍繞一軸線旋轉(zhuǎn)的一軸；安裝或耦合在所述軸上并隨著所述軸旋轉(zhuǎn)的一轉(zhuǎn)子；包括一定子芯和繞組的一定子。該轉(zhuǎn)子在第一模式中為第一轉(zhuǎn)子而在第二模式中為第二轉(zhuǎn)子。第一轉(zhuǎn)子具有對(duì)應(yīng)于第一機(jī)器輸出功率的第一轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度和/或第一磁化模式。第二轉(zhuǎn)子具有對(duì)應(yīng)于第二機(jī)器輸出功率的第二轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度和/或第二磁化模式。所述定子芯在第一模式中為第一芯而在第二模式中為第二芯。第一芯具有對(duì)應(yīng)于第一機(jī)器輸出功率的第一芯長(zhǎng)度，第二芯具有對(duì)應(yīng)于第二機(jī)器輸出功率的第二芯長(zhǎng)度。
在再另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種電機(jī)，具有可圍繞一電機(jī)軸線旋轉(zhuǎn)的一軸；安裝或耦合在所述軸上并隨著所述軸旋轉(zhuǎn)的一轉(zhuǎn)子；包括多個(gè)定子齒部的一定子。每個(gè)定子齒部包括沿著與轉(zhuǎn)子相鄰的一表面的一個(gè)或多個(gè)槽。該槽包括梯形形狀和曲線形狀中的一種。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種制造具有一定子和一轉(zhuǎn)子的電機(jī)的方法。該方法包括的操作有從多個(gè)輸出功率確定所想要的輸出功率；確定定子的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度與所想要的輸出功率相關(guān)；確定轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度與所想要的輸出功率相關(guān)；制造定子；提供一磁化裝置，該磁化裝置被構(gòu)造成將轉(zhuǎn)子磁化成多個(gè)部分；制造轉(zhuǎn)子。制造轉(zhuǎn)子的操作包括當(dāng)所想要的輸出功率對(duì)應(yīng)第一輸出功率時(shí)磁化該轉(zhuǎn)子以使其包含第一部分，和當(dāng)所想要的輸出功率對(duì)應(yīng)第二輸出功率時(shí)磁化該轉(zhuǎn)子以使其包含第一部分和第二部分。
本發(fā)明的其它方面通過(guò)考慮詳細(xì)說(shuō)明和附圖將會(huì)更明白。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1為無(wú)刷永磁電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的部分分解圖；圖2為圖1的轉(zhuǎn)子的一種結(jié)構(gòu)的縱視圖；圖3為圖1的轉(zhuǎn)子的另一種結(jié)構(gòu)的縱視圖；圖4為圖1的轉(zhuǎn)子的再另一種結(jié)構(gòu)的縱視圖；圖5為圖1的轉(zhuǎn)子的另一種結(jié)構(gòu)的縱視圖；圖6為可用于圖1的電機(jī)中的定子芯和轉(zhuǎn)子的剖視圖；圖7為可用于圖1的電機(jī)中的部分定子芯的部分剖視圖；圖8為可用于圖1的電機(jī)中的部分定子芯的部分剖視圖；圖9為可用于圖1的電機(jī)中的部分定子芯的部分剖視圖；圖10a示出一轉(zhuǎn)子的縱視圖與一定子的縱剖視圖的組合，該定子的芯的長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)子相同；圖10b示出一轉(zhuǎn)子的縱視圖與一定子的縱剖視圖的組合，該定子的芯的長(zhǎng)度小于轉(zhuǎn)子并且采用墊片來(lái)使定子和轉(zhuǎn)子軸向?qū)R；圖11示出用緊密線圈雙層布置的定子繞組模式的一個(gè)實(shí)例，用于18-槽、12-磁極、3-相位的機(jī)器；圖12示出用緊密線圈單層布置的定子繞組模式的一個(gè)實(shí)例，用于18-槽、12-磁極、3-相位的機(jī)器；和圖13示出用來(lái)限定轉(zhuǎn)子上磁化偏斜弧度(β)的透視圖。
具體實(shí)施例方式
在具體描述本發(fā)明的所有實(shí)施例之前，應(yīng)該理解的是本發(fā)明的應(yīng)用不限于以下說(shuō)明和所示的附圖所闡述的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)以及部件的布置。本發(fā)明的其它實(shí)施例能用各種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)或?qū)嵤?。同樣，?yīng)該理解的是這里所用的措辭和術(shù)語(yǔ)是為了描述，而不應(yīng)認(rèn)為是一種限制。在這里“包含”、“包括”、或“具有”及其改變的使用都意于包含其后所列的項(xiàng)目及其等效物和其它項(xiàng)目。術(shù)語(yǔ)“連接”、“耦合”和“安裝”及其改變?cè)谶@里使用廣泛，除非另作說(shuō)明，還包括直接或間接連接、耦合、和安裝。此外，這里的術(shù)語(yǔ)“連接”、“耦合”和“安裝”及其改變不只限于物理的和機(jī)械的連接和耦合。
圖1為電機(jī)(例如電動(dòng)機(jī)、電機(jī)器等)的一種構(gòu)造的定子和轉(zhuǎn)子的部分分解圖。對(duì)于圖1，電機(jī)是一種具有轉(zhuǎn)子15和定子20的電動(dòng)機(jī)10。轉(zhuǎn)子15與軸17相耦合。一般而言，定子20接收電能，并響應(yīng)于該電能而產(chǎn)生磁場(chǎng)。定子20的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子15的磁場(chǎng)相互作用以在軸17上產(chǎn)生機(jī)械能。在下文本發(fā)明指的是電動(dòng)機(jī)10，但是本發(fā)明不限于電動(dòng)機(jī)10。
轉(zhuǎn)子15包括位于轉(zhuǎn)子芯30表面上的交替極性的多個(gè)磁極25。轉(zhuǎn)子芯30包括鐵心片(例如磁鋼鐵心片)、和/或固體材料(例如固體磁鋼心)、和/或壓縮粉末材料(例如磁鋼的壓縮粉末)。轉(zhuǎn)子15的一種結(jié)構(gòu)包括位于轉(zhuǎn)子芯30上的一片永磁(例如硬磁)材料。轉(zhuǎn)子15的另一種結(jié)構(gòu)可包括附加(例如用粘合劑)在鐵心30周圍的多條永磁材料。永磁材料可由一磁化裝置磁化以提供多個(gè)交替磁極。另外，磁條的數(shù)目可以不同于轉(zhuǎn)子磁極的數(shù)目。轉(zhuǎn)子15還有一種結(jié)構(gòu)包含設(shè)置在轉(zhuǎn)子芯30內(nèi)的塊狀永磁材料。
本發(fā)明的描述不限于轉(zhuǎn)子15的特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)、幾何形狀或位置。例如，圖1示出的轉(zhuǎn)子15位于定子內(nèi)與定子分開一徑向氣隙。在其它結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子15可徑向設(shè)置在定子20外面(也即，該機(jī)器為外轉(zhuǎn)子式機(jī)器。)減少接齒效應(yīng)和轉(zhuǎn)距波動(dòng)的一種方法是使磁極25相對(duì)于定子20的磁化偏斜。另外，也可將定子20的齒部相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁化偏斜。轉(zhuǎn)子磁化偏斜(magnetization skew)的最佳弧度取決于電機(jī)布局和特定的機(jī)械設(shè)計(jì)。如圖1-5所示，轉(zhuǎn)子15的“磁化”指的是沿著轉(zhuǎn)子15長(zhǎng)度方向上的線狀圖形(line pattem)31，該線狀圖形描繪了轉(zhuǎn)子芯30上的交替磁極25。即使本發(fā)明的轉(zhuǎn)子15可以包括任何數(shù)目的交替磁極25，但為了簡(jiǎn)單起見，圖2-5僅示出了一個(gè)沿著轉(zhuǎn)子15的線狀圖形。
圖13所示是與定義轉(zhuǎn)子磁化偏斜有關(guān)的幾何概念。磁化偏斜的弧度可定義為弧度(β)，由面向氣隙的轉(zhuǎn)子表面上的縱線32和33(見圖2)之間的弧度來(lái)測(cè)量，所述氣隙將定子和轉(zhuǎn)子分開。
圖2為轉(zhuǎn)子15的一種結(jié)構(gòu)的示意圖，該轉(zhuǎn)子15沿著其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸線50被分成多個(gè)軸向部分55(例如70、71和72)。軸向部分55的數(shù)目可以變化，在本發(fā)明中無(wú)限制。軸向部分55指的是用虛線60區(qū)分的一部分轉(zhuǎn)子15。虛線60指的是轉(zhuǎn)子15上的多個(gè)位置，在該些位置磁化圖形31的偏斜方向發(fā)生改變。轉(zhuǎn)子15的一種結(jié)構(gòu)包括基本帶有相同的磁化偏斜弧((β))沿著每個(gè)軸向部分55交替的磁極，從而產(chǎn)生人字式磁化。每個(gè)軸向部分55的長(zhǎng)度可以改變。對(duì)于每個(gè)軸向部分55來(lái)說(shuō)，磁化偏斜的弧度通常是相同的以確保磁極的連續(xù)性，并且選擇以使接齒效應(yīng)和轉(zhuǎn)距波動(dòng)最小。但是，外側(cè)的軸向部分(在圖5中由95和100表示)可具有一個(gè)不同的磁化偏斜弧度，下文將對(duì)此進(jìn)行描述。
轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)(例如長(zhǎng)度和磁化模式)與所想要的發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率(例如，馬力或轉(zhuǎn)距的額定功率和速率)有關(guān)，其中所想要的額定輸出功率是定子和轉(zhuǎn)子的輪廓(profile)多個(gè)指標(biāo)之一。這里，定子和轉(zhuǎn)子的橫斷面輪廓指的是定子芯105和轉(zhuǎn)子15的剖面幾何圖。例如，圖6所示為本發(fā)明的定子芯105和轉(zhuǎn)子15的一種結(jié)構(gòu)的輪廓。在一種結(jié)構(gòu)中，電機(jī)10通過(guò)改變定子芯的長(zhǎng)度(例如堆疊的鐵心片的數(shù)目)并利用相同輪廓的定子芯105來(lái)提供多個(gè)輸出功率，該定子芯105與轉(zhuǎn)子15軸向部分55的各個(gè)組合相互進(jìn)行磁性作用。本發(fā)明在這方面減少了工具(tooling)成本和坯料(備料inventory)。在某些結(jié)構(gòu)中，為了匹配電源條件、所想要的輸出功率、其它設(shè)計(jì)要求、例如銅填充系數(shù)，當(dāng)通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)改變定子堆長(zhǎng)度時(shí)，繞組模式(windingpattern)保持相同而圈數(shù)和線尺寸改變。
在轉(zhuǎn)子15上提供人字形磁化模式的一種方法(見圖1)包括使用磁化裝置(magnetizer)和磁化夾具(magnetizing fixture)。通常，一種具有特定長(zhǎng)度轉(zhuǎn)子15的電機(jī)需要一種特定的磁化夾具。本發(fā)明的轉(zhuǎn)子15允許將相同的磁化裝置和磁化夾具用于多個(gè)額定輸出功率(outpower rating)，由此減少工具成本。
圖2示出包括三個(gè)軸向部分70、71和72的轉(zhuǎn)子15的一種結(jié)構(gòu)。定子20與三個(gè)軸向部分70、71和72中的一個(gè)或多個(gè)相互作用從而為電機(jī)的輪廓(profile)提供多個(gè)輸出功率。第一軸向部分70包括與第一偏斜方向?qū)R的磁極，第二軸向部分71包括與第二偏斜方向?qū)R的磁極，第三軸向部分72包括與第一偏斜方向?qū)R的磁極。第二軸向部分71與第一定子20相互作用從而為電機(jī)的輪廓提供最小額定功率(例如，二分之一的馬力輸出)。第一和第二軸向部分70和71的結(jié)合與第二定子20相互作用從而為電機(jī)的輪廓提供中間額定功率(例如四分之三的馬力輸出)。所有三個(gè)軸向部分70、71和72的結(jié)合與第三定子20相互作用從而為電機(jī)的輪廓提供最大額定功率(例如一個(gè)馬力輸出)。相對(duì)于下面將給出的其它結(jié)構(gòu)的描述，轉(zhuǎn)子15的這種結(jié)構(gòu)沿著轉(zhuǎn)子在偏斜方向上變化較少，這樣磁化夾具包括一個(gè)更簡(jiǎn)單且精確的磁化模式。制造相同長(zhǎng)度和磁化偏斜弧度(β)的第一和第三軸向部分70和72，有助于具有電機(jī)剖面的最大額定功率的電機(jī)的軸向磁對(duì)稱。但是，采用圖2所示的轉(zhuǎn)子15結(jié)構(gòu)，特征為電機(jī)10輪廓內(nèi)軸向部分?jǐn)?shù)等于可能輸出功率的數(shù)目，未必保證中間輸出功率的電機(jī)的軸向?qū)ΨQ。
圖3為轉(zhuǎn)子15的另一種結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3所示的結(jié)構(gòu)特征為電機(jī)輪廓內(nèi)軸向部分?jǐn)?shù)等于可能輸出功率的數(shù)目的雙倍。例如，如圖3所示，轉(zhuǎn)子15包括六個(gè)可操作的軸向部分75、76、77、78、79和80從而提供三個(gè)額定輸出功率。第三和第四軸向部分77和78與第一定子20相互作用從而為電機(jī)的輪廓提供最小額定功率(例如，二分之一的馬力輸出)。第二、第三、第四、和第五軸向部分76、77、78和79的結(jié)合與第二定子20相互作用從而為電機(jī)的輪廓提供中間額定功率(例如四分之三的馬力輸出)。所有軸向部分75、76、77、78、79和80與第三定子20相互作用從而為電機(jī)的剖面提供最大額定功率(例如一個(gè)馬力輸出)。上述的第一、第二和第三定子20包括相同輪廓的定子芯105、但該定子芯的長(zhǎng)度(例如鐵心片的數(shù)目)不同從而提供所想要的輸出功率。
圖4為本發(fā)明的轉(zhuǎn)子15的另一種結(jié)構(gòu)的示意圖。這種結(jié)構(gòu)的特征在于軸向部分?jǐn)?shù)等于電機(jī)10輪廓內(nèi)可能輸出功率的數(shù)目的雙倍減一。例如，圖4示出包括五個(gè)可操作的軸向部分85、86、87、88和89從而提供三個(gè)額定功率輸出。第三軸向部分87與第一定子20相互作用從而為電機(jī)的輪廓提供最小輸出功率(例如二分之一馬力輸出)。第二、第三和第四軸向部分86、87和88的結(jié)合與第二定子20相互作用從而為電機(jī)的輪廓提供中間額定功率(例如四分之三馬力輸出)。所有五個(gè)軸向部分85、86、87、88和89的結(jié)合與第三定子20相互作用從而為電機(jī)的輪廓提供最大額定功率(例如一個(gè)馬力輸出)。每個(gè)軸向部分85、86、87、88和89的長(zhǎng)度可以不同。上述的第一、第二和第三定子20包括輪廓相同的定子芯105，但定子芯的長(zhǎng)度(例的如，鐵心片的數(shù)目)可以不同從而提供所想要的輸出功率。
圖3和4所示的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)改變軸向部分的長(zhǎng)度更多自由度并提高電機(jī)的軸向?qū)ΨQ。在圖3所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，如果第一和第六軸向部分75和80、第二和第五軸向部分76和79、第三和第四軸向部分77和78分別具有相等的長(zhǎng)度和磁化偏斜弧度，那么電機(jī)的軸向?qū)ΨQ性提高。在圖4所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，如果第一和第五軸向部分85和89、第二和第四軸向部分86和88分別具有相等的長(zhǎng)度和磁化偏斜弧度，那么電機(jī)的軸向?qū)ΨQ性提高。在圖5所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，如果第一和第六軸向部分95和100、第二和第五軸向部分96和99、第三和第四軸向部分97和98分別具有相等的長(zhǎng)度和磁化偏斜弧度，那么電機(jī)的軸向?qū)ΨQ性提高。
所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子15的一種結(jié)構(gòu)包括與第一輸出功率(P1)(例如，二分之一馬力輸出)相關(guān)的第一一個(gè)或多個(gè)軸向部分。第一一個(gè)或多個(gè)軸向部分55具有第一長(zhǎng)度(L1)。由用于電機(jī)輪廓的最大額定功率(Pm)的轉(zhuǎn)子的最大長(zhǎng)度(Lm)除第一一個(gè)或多個(gè)軸向部分55的第一長(zhǎng)度L1比率，是額定功率的比率(P1/Pm)的3/4至1/2倍，優(yōu)選是額定功率的比率(P1/Pm)的3/4至1/4倍。這個(gè)功率的長(zhǎng)度比范圍為設(shè)計(jì)者提供了，通過(guò)綜合平衡一方面是電動(dòng)機(jī)的大小和成本，另一方面是電動(dòng)機(jī)的效率，設(shè)計(jì)希望的額定輸出的自由度。轉(zhuǎn)子15也可包括與電機(jī)輪廓的中間額定功率(Pi)(例如二分之一馬力輸出)有關(guān)的第二一個(gè)或多個(gè)軸向部分。第二一個(gè)或多個(gè)軸向部分具有第二長(zhǎng)度(Li)，該第二長(zhǎng)度包括第一長(zhǎng)度。由電機(jī)的最大長(zhǎng)度(Lm)除第二一個(gè)或多個(gè)軸向部分的第二長(zhǎng)度比率是額定功率比率(Pi/Pm)的3/4至11/2倍，優(yōu)選為額定功率比率(Pi/Pm)的3/4至11/4倍。
軸向部分的總數(shù)和給定電機(jī)輪廓的額定功率的總數(shù)在本發(fā)明中不限制。所以，一般而言，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)15包括與第一額定輸出(Px)(例如二分之一馬力輸出、3/4馬力輸出等)相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)軸向部分。一個(gè)或多個(gè)軸向部分55具有第一總長(zhǎng)度(Lx)。由用于電機(jī)輪廓的最大額定功率(Pm)的轉(zhuǎn)子的最大長(zhǎng)度(Lm)除一個(gè)或多個(gè)軸向部分55的第一總長(zhǎng)度Lx的比率，是額定功率比率(Px/Pm)的3/4至1/2倍，優(yōu)選為額定功率比率(Px/Pm)的3/4至1/4倍。
除了減少接齒效應(yīng)(cogging)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，磁化偏斜的弧度也影響電機(jī)10的特定轉(zhuǎn)矩輸出(例如，在給定電流時(shí)每單位軸向長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)矩)。一般而言，轉(zhuǎn)矩輸出或額定功率隨著磁化偏斜弧度的增加而降低。減少磁化偏斜弧度可以增加每軸向長(zhǎng)度的電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出。因此，以增加接齒效應(yīng)(cogging)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為代價(jià)，減少磁化偏斜的弧度允許縮短轉(zhuǎn)子15的軸向長(zhǎng)度并保持所想要的電機(jī)10功率輸出?？s短轉(zhuǎn)子15的軸向長(zhǎng)度降低了材料成本。
圖5示出了轉(zhuǎn)子15的另一種結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)子15包括具有基本相等的磁化偏斜弧度的內(nèi)側(cè)截面96、97、98和99，以及磁化偏斜弧度比該內(nèi)側(cè)截面96、97、98、99的磁化偏斜稍小的外側(cè)截面95和100。該內(nèi)側(cè)截面96、97、98、99包括相同的磁化偏斜弧度從而增加連續(xù)性和對(duì)稱性。外側(cè)截面95和100具有小的磁化偏斜弧度(β)從而通過(guò)采用所有六個(gè)軸向部分95、96、97、98、99和100來(lái)增加電機(jī)的輸出功率。
對(duì)于上述的圖2-5，輸出功率的值和數(shù)目可以改變并且不限制本發(fā)明。此外，與一個(gè)或軸向部分55的結(jié)合相關(guān)的輸出功率之間的增量差別(incremental difference)可被改變并且不限制本發(fā)明。
在本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)中，電機(jī)包括具有如圖2-5中的一個(gè)所示的多個(gè)軸向部分的轉(zhuǎn)子15。該轉(zhuǎn)子15提供該機(jī)器輪廓的多個(gè)輸出功率。在改變輸出功率的電機(jī)中，電機(jī)的這種結(jié)構(gòu)采用相同的轉(zhuǎn)子15，由此減少零件數(shù)(part count)和利用相同的電機(jī)剖面來(lái)產(chǎn)生不同輸出功率的電機(jī)所需的坯料。
在電機(jī)的另一種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)所需的電機(jī)輸出功率小于利用相同的定子芯輪廓所產(chǎn)生的機(jī)器的最大額定輸出功率時(shí)，不存在轉(zhuǎn)子15的一個(gè)或多個(gè)軸向部分55。例如，對(duì)于具有所想要的二分之一輸出馬力的電機(jī)而言，圖2的轉(zhuǎn)子軸向部分70和72是不需要的。電機(jī)的這種結(jié)構(gòu)允許采用相同的磁化裝置以使機(jī)器輪廓內(nèi)的具有一定范圍輸出功率的轉(zhuǎn)子15磁化。此外，這種結(jié)構(gòu)減少了轉(zhuǎn)子15的原料浪費(fèi)(例如圖2的70和72)。
定子20的各種設(shè)計(jì)可用來(lái)與上述的圖2-5所示的轉(zhuǎn)子15的每種結(jié)構(gòu)相互作用。以下是對(duì)本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)的描述，該結(jié)構(gòu)包括從定子20徑向設(shè)置的轉(zhuǎn)子15。參照?qǐng)D1，定子20包括具有多個(gè)定子齒部110和定子繞組112的定子芯105。在一種結(jié)構(gòu)中，定子芯105包括許多磁鋼鐵心片或板。在另一種結(jié)構(gòu)中，定子芯105由固態(tài)塊狀磁性材料，例如磁鋼的壓實(shí)粉末組成。定子繞組112包括設(shè)置在槽120(圖6)內(nèi)的圍繞多個(gè)齒部110的導(dǎo)體?？梢圆捎帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員公知的其它結(jié)構(gòu)和類型的定子芯105和定子繞組112，并且不限制本發(fā)明。
流過(guò)定子繞組112的電流產(chǎn)生一磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子15的磁化相互作用從而將轉(zhuǎn)距提供給轉(zhuǎn)子15和軸17。電流可以是(m)相位交流電(AC)，其中(m)是大于或等于2的整數(shù)。電流可具有各種類型的波形(例如，方波，準(zhǔn)正弦波(quasi-sine)等)。定子繞組112接收來(lái)自電驅(qū)動(dòng)電路(未示出)的電流。電驅(qū)動(dòng)電路的一種結(jié)構(gòu)包括一控制器和一反相器(inverter)，該反相器具有一個(gè)或多個(gè)動(dòng)力電子開關(guān)(power electronic switch)(例如MOSFET，IGBT)以便根據(jù)各種電動(dòng)機(jī)操作參數(shù)(例如速度、負(fù)載、轉(zhuǎn)子位置等)改變電流至繞組的流量。為了確定轉(zhuǎn)子15的位置，在某些結(jié)構(gòu)中控制電路包括一傳感器(例如霍爾效應(yīng)裝置，編碼器等)，從而為控制電路提供表示轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)。可選擇地，控制電路可經(jīng)由通常所指的一種無(wú)傳感器控制(sensorless contro1)來(lái)判斷轉(zhuǎn)子位置。這種電驅(qū)動(dòng)電路可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其它部件和電路結(jié)構(gòu)，并且不限制本發(fā)明。
圖6所示為在一個(gè)電動(dòng)機(jī)中使用的垂直于軸線50的電機(jī)剖視圖(圖6未示出定子繞組112)。定子芯105包括多個(gè)定子齒部110、槽120、護(hù)鐵部(back iron portion)115。多個(gè)定子槽120的每個(gè)接收一個(gè)或多個(gè)定子線圈，該定子線圈的組合構(gòu)成定子繞組112。定子繞組接收多相電流，其中相位數(shù)目(m)為大于或等于2的整數(shù)。槽120由相鄰定子齒部110之間的間隔來(lái)限定。在一種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子15通過(guò)將轉(zhuǎn)子芯30上的三個(gè)弧形磁鐵26固定而產(chǎn)生。其它轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)也可如前面所述。磁化裝置用于在轉(zhuǎn)子15上產(chǎn)生多個(gè)(p)與定子20相互作用的交替磁極，這里(p)為大于或等于2的偶數(shù)(也即可被2整除)。定子芯105中齒部與磁極數(shù)目的比率(t/p)等于(m/2)或(m/4)。
具有上述結(jié)構(gòu)的定子芯105(見圖6)可用于設(shè)計(jì)和制造具有各種(m)電相的電機(jī)，其中繞子112由緊密線圈構(gòu)成(見圖11和12中的繞組模式)和轉(zhuǎn)子具有磁極(p)。例如，具有相同橫斷輪廓并且具有多個(gè)(t)定子齒部110的定子芯105原則上可用來(lái)產(chǎn)生具有(m)相位或增數(shù)的相位(km)電動(dòng)機(jī)。為了保持相同的比率(t/p)，磁極的數(shù)目可以減少至(p/k)，所以(k)可以是任意整數(shù)，(p/k)是大于或等于2的偶數(shù)?？蛇x擇地，相位數(shù)可以從(m)減至整數(shù)(m/k)，其中(k)是任意整數(shù)，(m/k)是大于或等于2的整數(shù)。為了保持相同的比率(t/p)，磁極數(shù)可增至(kp)。
為了給定子20提供(m)對(duì)稱的電相位，在每個(gè)相位內(nèi)，該相位的緊密線圈相連接，從而以機(jī)械角(4π/(mp))的弧度設(shè)置連續(xù)相位。對(duì)于任何數(shù)目的相位(m)，齒部的數(shù)目(t)和磁極的數(shù)目(p)被設(shè)計(jì)成其比率(t/p)等于(m/2)或(m/4)。所以每磁極和相位的齒數(shù)目(t/p/m)為一設(shè)計(jì)常數(shù)，分別等于1/2或1/4，因此對(duì)于恒量的氣隙磁負(fù)載(例如磁通密度)，每齒部的磁通量保持不變。所以，可以最優(yōu)設(shè)計(jì)定子齒部110以用于任何數(shù)目的相位。
在所述機(jī)器的某些結(jié)構(gòu)中，一般希望護(hù)鐵部115(見圖6)以近似相同于齒110的磁負(fù)載操作。為了使磁負(fù)載均衡，護(hù)鐵部115的最小寬度可等于每極齒數(shù)與齒寬的乘積值的一半。護(hù)鐵的最小寬度(Wy)被限定為槽120的頂部與一圓之間的最小距離，該圓的中心位于旋轉(zhuǎn)軸線50上，和其半徑等于旋轉(zhuǎn)軸50與從定子芯105外面看的任何平面之間的最小距離(見圖6)。每磁極的齒數(shù)目(t/p)可以是整數(shù)或分?jǐn)?shù)。對(duì)護(hù)鐵部115的最小寬度的限制包括可制造性和所增的磁通勢(shì)降(mmf drop)以及與護(hù)鐵磁通密度有關(guān)的鐵損。對(duì)于用增加相位數(shù)(m)的一種設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)減少磁極數(shù)目從而為給定的鐵心片保持恒定的比率(t/p)。通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)降低磁極數(shù)目(p)導(dǎo)致磁極間距增加，以及對(duì)于相同氣隙磁負(fù)荷，護(hù)鐵部115磁通密度增加。對(duì)于給定轉(zhuǎn)速的電機(jī)，通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)降低磁極數(shù)目(p)，還可導(dǎo)致磁場(chǎng)的基頻降低，并且限制護(hù)鐵部115中的鐵損?？紤]上述參數(shù)的有限元分析表明，護(hù)鐵部115寬度在，被2除的每磁極齒數(shù)目(t/p)的結(jié)果倍數(shù)(11/2-41/2)和齒寬倍數(shù)(wt)之間(between(11/2-41/2)times the product of numberof teech per pole(t/p)divided by 2 and times the tooth width(wt))。
定子繞組112的一種結(jié)構(gòu)包括雙層布置的緊密線圈(圖11)，該線圈圍繞每個(gè)齒部設(shè)置(也即，線圈具有1個(gè)槽的節(jié)距)。在該雙層布置中，每個(gè)槽由兩個(gè)線圈邊共享，每個(gè)線圈邊屬于不同的線圈和相位。共享一槽的量線圈邊可并排或一個(gè)在另一個(gè)之上地設(shè)置。圖11所示為18-槽、12-磁極、3-相位的雙層繞組模式的一個(gè)實(shí)例。根據(jù)如上所設(shè)定的規(guī)則，對(duì)于給定的定子芯和具有緊密線圈的繞組以及雙層模式，為了使所述機(jī)器用任何數(shù)目的相位(m)和磁極(p)來(lái)操作，其中(t/p)等于(m/2)或(m/4)，通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)更改線圈連接、每個(gè)線圈的圈數(shù)以及線尺寸。
繞組112的另一種結(jié)構(gòu)包括單層布置的緊密線圈(圖12)，該線圈圍繞齒部每隔一個(gè)齒部地設(shè)置(也即，線圈具有1個(gè)槽的節(jié)距并且僅圍繞半數(shù)的齒部而設(shè)置)。在該單層布置中，每個(gè)槽僅包含一個(gè)線圈邊。圖12所示為18-槽、12-磁極、3-相位的單層繞組模式的一個(gè)實(shí)例。根據(jù)如上所設(shè)定的規(guī)則，對(duì)于給定的定子芯和具有緊密線圈的繞組以及單層模式，為了使所述機(jī)器以任何數(shù)目的相位(m)和磁極(p)來(lái)操作，其中(t/p)等于(m/2)或(m/4)，通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)更改線圈連接、每個(gè)線圈的圈數(shù)以及線尺寸。與具有緊密線圈的雙層繞組相比較，具有緊密線圈的單層繞組僅具有半數(shù)線圈，但是每個(gè)相位中端部繞組一般要長(zhǎng)些。
定子20的相繞組以電弧度(2π/m)或機(jī)械弧度(4π/(mp))對(duì)稱且等距離地分布。流過(guò)定子繞組的對(duì)稱相系統(tǒng)電流(m)產(chǎn)生一磁通勢(shì)(mmf)，該磁通勢(shì)具有(p/2)機(jī)械級(jí)的空間電基波。該mmf還包括(2km-1)和(2km+1)電級(jí)的空間諧波，其中k是大于或等于1的整數(shù)。當(dāng)電機(jī)與一負(fù)載連在一起時(shí)，該mmf諧波引起波動(dòng)轉(zhuǎn)距，這是上文所述的不希望有的機(jī)械特征。mmf諧波的振幅隨著其諧波級(jí)的降低而增加。較低級(jí)的mmf諧波(2m-1)和(2m+1)的振幅可以很大，且它們的減少確保了電機(jī)的順利操作。
采用簡(jiǎn)單的緊密繞組，根據(jù)前面的描述建立減少mmf諧波的傳統(tǒng)部件，例如短節(jié)矩(short-pitching)該繞組都是不可用的。而是，確定和實(shí)施最佳的磁化偏斜來(lái)減少mmf諧波和轉(zhuǎn)距波動(dòng)，以及接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩(cogging torque)。
第ν電級(jí)(electrical order)的mmf空間諧波的偏斜要素由等式(ksv＝4sin(νpβ/4)/(νpβ))給定，其中磁化偏斜的弧度(β)用面向氣隙的轉(zhuǎn)子表面的弧度來(lái)測(cè)量(見圖2)。如果正弦函數(shù)的相位滿足等式(νpβ/4＝nπ)，那么諧波完全被消除，其中(n)是大于或等于0的整數(shù)。對(duì)于(ν＝2km-1)電級(jí)的mmf諧波，前面的等式與(β＝4nπ/(p(2km-1)))等效，而對(duì)于(ν＝2km+1)電級(jí)的mmf諧波，前面的等式與(β＝4nπ/(p(2km+1)))等效。為了增加(n)和/或(k)的值，兩個(gè)數(shù)組(4nπ/(p(2km-1)))和(4nπ(p(2km+1)))收斂為(2π/(pm))。
所以，為了減少(2km-1)和(2km+1)級(jí)的mmf空間諧波，電機(jī)的一種結(jié)構(gòu)包括定子20和轉(zhuǎn)子15，在該定子20中每磁極的定子齒部110的比率(t/p)等于(m/2)，該轉(zhuǎn)子15包括面向氣隙的轉(zhuǎn)子子表面的弧度測(cè)量的磁化偏斜弧度(β＝2π/(pm))。電機(jī)10的另一種結(jié)構(gòu)包括定子20和轉(zhuǎn)子15，在該定子20中每磁極的定子齒部110的比率等于(m/4)，該轉(zhuǎn)子15包括面向氣隙的轉(zhuǎn)子子表面的弧度測(cè)量的磁化偏斜弧度(β＝2π/(pm))。
一種典型的用于提供具有緊密線圈的雙層定子繞組的制造工藝包括使用針狀或槍狀卷繞器。為了允許卷繞器被插入槽120內(nèi)，定子的槽120的顯著較大的開口向著氣隙是有益的。
一種典型的用于提供具有緊密線圈的單層定子繞組的制造工藝包括使用插入式卷繞器。為了允許將導(dǎo)體插入槽中，顯著較大開口的定子槽120是需要的。本領(lǐng)域公知的提供定子20的定子繞組112其它類型和工藝也可被使用。
槽120相對(duì)較大的開口分別使針狀卷繞器的插入和繞組導(dǎo)體的插入更容易。對(duì)自動(dòng)卷繞制造來(lái)說(shuō)是節(jié)約成本的適當(dāng)大的槽120開口，包括比1/6的齒距大的范圍。齒距是齒部110的相鄰中心線135(見圖7-9)之間的距離。槽120促使轉(zhuǎn)子15和定子20之間氣隙的導(dǎo)磁性發(fā)生變化。氣隙導(dǎo)磁性的變化與轉(zhuǎn)子15的磁場(chǎng)相互作用從而引起接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩(cogging torque)。如上所述，接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩是不希望的電機(jī)特征，通過(guò)減少氣隙導(dǎo)磁性的變化可使其最小，同時(shí)仍然保持適于體積制造工藝的適當(dāng)大槽口。
圖7、8和9所示為定子芯105的一種結(jié)構(gòu)，該定子芯105包括定子齒部110中的“模型”通道130。該模型通道130減小了振幅，并且對(duì)于某種電機(jī)布局，如下文即將示出的，可以增加接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的頻率。每個(gè)模型通道130的形狀和尺寸通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)改變，從而與轉(zhuǎn)子位置比較提供更對(duì)稱的接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的變化。定子20的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)適當(dāng)?shù)男?05，該芯105的每個(gè)齒部110具有一個(gè)或兩個(gè)模型通道130。當(dāng)然，本發(fā)明的定子20可包括多個(gè)模型通道130并且不限制本發(fā)明。
定子20的槽120的等效開口的數(shù)目包括槽120的數(shù)目和模型通道130的數(shù)目(見圖7-9)。通過(guò)在每個(gè)齒部110的自由端增加模型通道130的數(shù)目(d)，其中(d)是大于或等于0的整數(shù)，面對(duì)氣隙的等效槽口的數(shù)目從(t)增加至([d+1]t)。接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的頻率等于等效槽口數(shù)([d+1]t)和磁極數(shù)(p)的最小公倍數(shù)。
因?yàn)?t/p＝m/2)，數(shù)學(xué)歸納法證明如下

其中(k)和(j)是大于或等于1的整數(shù)。在上述的每種情況下，由面向氣隙的轉(zhuǎn)子表面上的縱線32和33之間的弧度(見圖13)測(cè)量的磁化偏斜的弧度(β)等于(2π/(mp))，促使接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩和波動(dòng)轉(zhuǎn)矩減少。
因?yàn)?t/p＝m/2)，數(shù)學(xué)歸納法證明如下

其中(k)和(j)是大于或等于1的整數(shù)。在上述的每種情況下，由面向氣隙的轉(zhuǎn)子表面上的縱線32和33之間的弧度(見圖13)來(lái)測(cè)量，磁化偏斜的弧度(β)等于(2π/(mp))，促使接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩和波動(dòng)轉(zhuǎn)矩減少。
圖7所示為定子齒部110的一種結(jié)構(gòu)，該定子齒部110包括模型通道130，該模型通道130具有位于齒部110中間并與齒部中心線135一致的中心線。在圖7的結(jié)構(gòu)中，模型通道130一般為梯形并由通道的頂寬(Wn)、通道的底寬(Wb)和側(cè)角(α)來(lái)表征。槽口的寬度(Wo)被設(shè)計(jì)成最小值，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本地制造定子繞組，并且接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩降低。槽口的高度(ho)、模型通道的尺寸(Wn)、(Wb)和(α)從磁性和機(jī)械的角度被設(shè)計(jì)成使所述機(jī)器最優(yōu)化。
電磁場(chǎng)的有限元分析表明圖7的通道130的結(jié)構(gòu)，控制了齒尖中磁飽和的地區(qū)級(jí)(local level)，改變了氣隙的磁導(dǎo)性，減少了接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩，并相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置提高了接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩變化的對(duì)稱性，其中該通道的頂寬(Wn)為(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)，底寬(Wb)為(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)，側(cè)角(α)為(30°)≤(α)≤(135°)。所以，在一電機(jī)中明顯減少接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩，此外，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁化偏斜具有前面所描述的最佳偏斜弧度(β)。
圖8所示為定子齒部110的第二種結(jié)構(gòu)，該定子齒部110具有兩個(gè)模型通道130。模型通道這樣設(shè)置從而它們的中心線137以三個(gè)近似相等長(zhǎng)度的間距來(lái)分割槽距，該槽距包含在兩相鄰槽的中心線136之間的距離。在圖8的結(jié)構(gòu)中，模型通道130一般為梯形并且由通道的頂寬(Wn)、通道的底寬(Wb)、側(cè)角(α)以及另一個(gè)側(cè)角(γ)來(lái)表征。槽口的寬度(Wo)被設(shè)計(jì)成最小值，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本地制造定子繞組而獲得，并且接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩降低。槽口的高度(ho)、模型通道的尺寸(Wn)、(Wb)、(α)和(γ)從磁性和機(jī)械的角度被設(shè)計(jì)成使所述機(jī)器最優(yōu)化。
電磁場(chǎng)的有限元分析表明圖8的通道130的結(jié)構(gòu)，控制了齒尖中磁飽和的局部水平(local level)，改變了氣隙的磁導(dǎo)，減少了接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩，并相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置提高了接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩變化的對(duì)稱性，其中該通道的頂寬(Wn)為(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)，底寬(Wb)為(0.3Wo)≤(Wb)≤(Wo)，側(cè)角(α)和(γ)為(30°)≤(α)≤(90°)和(30°)≤(γ)≤(90°)。所以，在電機(jī)中明顯減少接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩，此外，該電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁化偏斜弧度具有前面所描述的最佳偏斜弧度(β)。對(duì)于每齒部110有兩個(gè)模型通道130的定子30結(jié)構(gòu)而言，空間限制可限制側(cè)角(α)和(γ)的值以使其等于或小于90度。
圖9所示為具有兩個(gè)曲線狀模型通道130的定子齒部的另一結(jié)構(gòu)。模型通道這樣設(shè)置從而它們的中心線137以三個(gè)近似相等長(zhǎng)度的間距來(lái)分割槽距，該槽距包含在兩相鄰槽的中心線136之間的距離。面對(duì)氣隙的模型通道130的開口等于槽120的開口(Wo)。曲線形狀沿著圓的弧而行，該圓的中心位于各個(gè)模型通道的中心線上，并且直徑大于或等于(Wo)的3/4并且小于或等于(Wo)的11/2。這種形狀和尺寸的模型通道減少了接齒效應(yīng)轉(zhuǎn)矩并提高了制造定子疊片用的沖壓模的耐用性。
已經(jīng)描述了電機(jī)的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在將描述裝配一種結(jié)構(gòu)的電機(jī)的方法?？梢韵胂蟮氖窃摲椒蓪?duì)其它結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變。此外，可以想象的是以下進(jìn)行的操作不是都需要，其中一些操作可以更改，或者操作的順序可以改變。
設(shè)計(jì)者提供具有多個(gè)交替磁極的轉(zhuǎn)子15。該轉(zhuǎn)子15沿著縱軸線50被分成多個(gè)部分。該多個(gè)部分可包括與第一輸出功率(例如二分之一馬力)有關(guān)的第一部分，與第二輸出功率(例如四分之三馬力)相關(guān)的第二部分，與第三輸出功率(例如一個(gè)馬力)相關(guān)的第三部分。
每個(gè)部分被劃分成一個(gè)或多個(gè)軸向部55(例如圖2中的軸向部70、71和72)。每個(gè)軸向部55包括與電機(jī)的第一、第二和第三輸出功率相關(guān)的交替磁極的各個(gè)磁化偏斜弧度(β)。該磁化偏斜弧度(β)用面向氣隙的轉(zhuǎn)子表面來(lái)測(cè)量，如圖2所示。磁化裝置用來(lái)磁化轉(zhuǎn)子的軸向部。這種構(gòu)造轉(zhuǎn)子15的方法允許使用共同的磁化裝置用來(lái)磁化轉(zhuǎn)子提供多個(gè)所想要的額定輸出功率，由此減少加工成本。在電機(jī)的一種結(jié)構(gòu)中，提供所想要的輸出功率不需要的端軸向部55沒(méi)有包含在轉(zhuǎn)子15中，所以也減少了材料成本。在另一種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子15的所有軸向部55(例如與所想要的輸出功率相關(guān)和不相關(guān)的部分)可保持在轉(zhuǎn)子15的組合中。例如，如果根據(jù)所想要的輸出功率來(lái)說(shuō)，不必需的轉(zhuǎn)子材料成本比，僅減小轉(zhuǎn)子尺寸的備料(inventory)取得的成本節(jié)約小，那么該第二種結(jié)構(gòu)是有利的。
利用均勻輪廓的定子20，設(shè)計(jì)者確定與轉(zhuǎn)子15相互作用的定子芯105長(zhǎng)度從而提供所想要的輸出功率。例如，采用疊層結(jié)構(gòu)的定子芯105，設(shè)計(jì)者選擇磁性材料疊片的堆長(zhǎng)度，從而提供所想要的輸出功率。用根據(jù)電供給條件、定子芯長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度、和所想要的電機(jī)輸出功率設(shè)計(jì)的繞組纏繞定子芯105。制造的操作者將定子20與轉(zhuǎn)子15對(duì)齊，從而使定子芯105的軸向中心線與轉(zhuǎn)子15的軸向中心線一致，且沒(méi)有由于定子-轉(zhuǎn)子不對(duì)齊(見圖10a)出現(xiàn)側(cè)拉軸向力。參照?qǐng)D10b，如果轉(zhuǎn)子15包括與所想要的輸出功率無(wú)關(guān)的其他端軸向部(例如75和80)，那么可增加附加的端軸向墊片(spacer)150來(lái)幫助定子芯105與轉(zhuǎn)子15對(duì)齊。例如，參照?qǐng)D3和10b，如果所想要的輸出功率是四分之三馬力，定子20將與軸向部76、77、78和79對(duì)齊。兩個(gè)墊片150分別用來(lái)覆蓋與所想要的四分之三馬力機(jī)器無(wú)關(guān)的轉(zhuǎn)子15的軸向部75和80。在一個(gè)均勻的殼體中，端部墊片可增強(qiáng)電機(jī)的總成支撐力。墊片150的軸向長(zhǎng)度可隨著上述的轉(zhuǎn)子15和定子20的結(jié)構(gòu)而改變。
這樣，本發(fā)明尤其提供一種接齒效應(yīng)和波動(dòng)轉(zhuǎn)矩減少的電機(jī)。本發(fā)明的各種特征和優(yōu)點(diǎn)將在附隨的權(quán)利要求書中闡述。
權(quán)利要求
1.一種電極包括一定子，該定子包括多個(gè)定子齒部和一個(gè)或多個(gè)繞組，該一個(gè)或多個(gè)繞組具有圍繞該齒部設(shè)置的緊密線圈，并具有相位(m)和磁極(p)，其中(m)是大于或等于2的整數(shù)，(p)是大于或等于2的整數(shù)且是偶數(shù)；一轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有包含磁化偏斜近似為(2π/(mp))的磁化模式。
2.如權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于(t)是代表定子齒部數(shù)目的一個(gè)整數(shù)，定子齒部限定多個(gè)槽以接收一個(gè)或多個(gè)繞組，每個(gè)齒部包括兩相鄰槽之間的寬度為(Wt)的部分，其中定子還包括一護(hù)鐵部，其徑向?qū)挾?Wy)滿足關(guān)系(1.5(t/(2p)(Wt))≤(Wy)≤(4.5(t/(2p))(Wt))。
3.如權(quán)利要求2所述的電極，其特征在于一個(gè)或多個(gè)繞組包括一種線圈的布置，其中相位(m)和磁極(p)的數(shù)目與該布置相關(guān)。
4.如權(quán)利要求1所述的電極，其特征在于(m＝2k+1)及(p＝2j)，其中(k)和(j)是大于或等于1的整數(shù)，每個(gè)定子齒部的自由端包括沿著與轉(zhuǎn)子相鄰的表面的兩個(gè)溝道。
5.如權(quán)利要求4所述的電極，其特征在于每個(gè)溝道基本為梯形形狀。
6.如權(quán)利要求4所述的電極，其特征在于每個(gè)溝道基本為曲線形狀。
7.一種電極，包括可圍繞一軸線旋轉(zhuǎn)的一軸；與所述軸耦合并隨著所述軸旋轉(zhuǎn)的一轉(zhuǎn)子；包含多個(gè)定子齒部的一定子，每個(gè)定子齒部包括沿著與轉(zhuǎn)子相鄰的表面的溝道，每個(gè)溝道基本為梯形形狀。
8.如權(quán)利要求7所述的電極，其特征在于每個(gè)溝道的梯形形狀包括與轉(zhuǎn)子相鄰的寬度為(Wb)的一開口，所述表面一深度上的寬度為(Wn)的一底和與該底成側(cè)角(α)的一對(duì)側(cè)邊。
9.如權(quán)利要求8所述的電極，其特征在于定子限定每個(gè)定子齒部之間的多個(gè)槽口，每個(gè)槽口寬度為(Wo)。
10.如權(quán)利要求9所述的電極，其特征在于槽口的高度為(ho)。
11.如權(quán)利要求9所述的電極，其特征在于(Wn)滿足關(guān)系(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)。
12.如權(quán)利要求9所述的電極，其特征在于(Wb)滿足關(guān)系(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)。
13.如權(quán)利要求9所述的電極，其特征在于(α)滿足關(guān)系(30°)≤(α)≤(135°)。
14.如權(quán)利要求9所述的電極，其特征在于(Wn)滿足關(guān)系(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)，(Wb)滿足關(guān)系(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)，(α)滿足關(guān)系(30°)≤(α)≤(135°)。
15.如權(quán)利要求9所述的電極，其特征在于每個(gè)定子齒部包括沿著與轉(zhuǎn)子相鄰的一表面的第二溝道，每個(gè)第二溝道基本為梯形形狀。
16.如權(quán)利要求15所述的電極，其特征在于(Wn)滿足關(guān)系(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)。
17.如權(quán)利要求15所述的電極，其特征在于(Wb)滿足關(guān)系(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)。
18.如權(quán)利要求15所述的電極，其特征在于(α)滿足關(guān)系(30°)≤(α)≤(90°)。
19.如權(quán)利要求15所述的電極，其特征在于(Wn)滿足關(guān)系(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)，(Wb)滿足關(guān)系(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)，(α)滿足關(guān)系(30°)≤(α)≤(135°)。
20.一種電機(jī)，包括可圍繞一軸線旋轉(zhuǎn)的一軸；與所述軸耦合并隨著所述軸旋轉(zhuǎn)的一轉(zhuǎn)子；包含多個(gè)定子齒部的一定子，每個(gè)定子齒部包括沿著與轉(zhuǎn)子相鄰的一表面的第一和第二溝道，每個(gè)溝道基本為梯形形狀。
21.如權(quán)利要求20所述的電極，其特征在于每個(gè)溝道的梯形形狀包括與轉(zhuǎn)子相鄰的寬度為(Wb)的一開口，自所述表面有一深度上的寬度為(Wn)的一底，和與該底成側(cè)角(α)的第一側(cè)邊，和與該底成側(cè)角(γ)的第二側(cè)邊。
22.如權(quán)利要求21所述的電極，其特征在于定子限定每個(gè)定子齒部之間的多個(gè)槽口，每個(gè)槽口寬度為(Wo)。
23.如權(quán)利要求22所述的電極，其特征在于(Wn)滿足關(guān)系(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)。
24.如權(quán)利要求22所述的電極，其特征在于(Wb)滿足關(guān)系(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)。
25.如權(quán)利要求23所述的電極，其特征在于(α)滿足關(guān)系(30°)≤(α)≤(90°)，(γ)滿足關(guān)系(30°)≤(γ)≤(90°)。
26.如權(quán)利要求23所述的電極，其特征在于(Wn)滿足關(guān)系(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wb)，(Wb)滿足關(guān)系(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)，(α)滿足關(guān)系(30°)≤(α)≤(135°)。
27.一種電極，包括可圍繞一軸線旋轉(zhuǎn)的一軸；與所述軸耦合并隨著所述軸旋轉(zhuǎn)的一轉(zhuǎn)子；包含多個(gè)定子齒部的一定子，每個(gè)定子齒部具有與轉(zhuǎn)子相鄰的一自由端；設(shè)置在每個(gè)定子齒部的自由端的第一和第二溝道，該第一和第二溝道基本為曲線形狀。
28.如權(quán)利要求27所述的電極，其特征在于每個(gè)溝道包括寬度為(Wo)的一開口。
29.如權(quán)利亞求28所述的電極，其特征在于所述定子限定每個(gè)定子齒部之間的多個(gè)槽口，每個(gè)槽口寬度為(Wo)。
30.如權(quán)利要求28所述的電極，其特征在于每個(gè)曲線形狀具有一個(gè)中心線，其中每個(gè)曲線形狀沿著一個(gè)圓的弧而行，該圓的中心在所述中心線上。
31.如權(quán)利要求30所述的電極，其特征在于所述圓的直徑(d)滿足關(guān)系(0.75Wo)≤(d)≤(1.5Wo)。
32.一種制造電極的方法制造一定子，該定子具有多個(gè)定子齒部和一個(gè)或多個(gè)繞組，該一個(gè)或多個(gè)繞組具有設(shè)置在該齒部上的線圈并包括相位(m)和磁極(p)，其中(m)是大于或等于2的整數(shù)，(p)是大于或等于2的整數(shù)且是偶數(shù)；制造一轉(zhuǎn)子，包括磁化該轉(zhuǎn)子以使其具有磁化偏斜近似為(2π/(mp))的一磁化模式；裝配所述機(jī)器。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于制造所述定子包括形成第一和第二疊片，第一和第二疊片中的每個(gè)包括限定(t)個(gè)槽的(t)個(gè)定子齒部，這里(t)是整數(shù)，每個(gè)齒部包括兩相鄰槽之間的寬度為(Wt)的一部分，第一和第二疊片中的每個(gè)包括一護(hù)鐵部，其徑向?qū)挾?Wy)滿足關(guān)系(1.5(t/(2p)(Wt))≤(Wy)≤(4.5(t/(2p))(Wt))，其中制造所述定子還包括形成一定子芯，該定子芯的形成包括使第一和第二疊片耦合。
34.如權(quán)利要求33所述的電極，其特征在于制造所述定子包括，在每個(gè)齒部的自由端形成一溝道，且制造所述定子還包括在所述芯上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)繞組，這里相位(m)和磁極(p)數(shù)滿足關(guān)系(m＝2k+1)及(p＝2j)，其中(k)和(j)是大于或等于1的整數(shù)。
全文摘要
一種電極包括一定子和一轉(zhuǎn)子。該定子包括多個(gè)定子齒部和具有設(shè)置在齒部上的緊密線圈的繞組。該繞組具有相位(m)和磁極(p)；其中(m)是大于或等于2的整數(shù)；(p)是大于或等于2的整數(shù)且是偶數(shù)。該轉(zhuǎn)子具有包括一磁化偏斜的磁化模式。在某些結(jié)構(gòu)中，每個(gè)定子包括沿著與轉(zhuǎn)子相鄰的一表面上的一個(gè)或多個(gè)溝道。該溝道可以是包括梯形形狀或曲線形狀的各種形狀。
文檔編號(hào)H02K1/27GK1606210SQ20041005863
公開日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2004年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月24日
發(fā)明者丹·M·約內(nèi)爾, 斯蒂芬·J·德林格爾 申請(qǐng)人:A·O·史密斯公司