專利名稱：多項無刷交流電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有定子結構和轉子結構的多相無刷電機。
在本技術領域中公知有一種具有外轉子和內定子的圓柱形旋轉電機。在這種電機中，磁鐵固定在電機的鋼制圓柱形頭部的內壁上。這些磁鐵產生利用鋼制伸出件引導環(huán)繞一系列的導體的磁場。電流通過導體產生環(huán)流并反作用于由磁鐵產生的磁場以產生轉矩。通過控制這些電流，能夠控制轉矩的大小和方向。
正如在本技術領域中所公知的，有一于1994.7.5授權給COUTURE等人的序號為5327034號美國專利。在這個專利中所表示的電驅動的車輪組件更具體地說是用于將電機包含在輪內的一種驅動系統(tǒng)。轉子未經電接觸直接驅動支承輪胎的輪輞。定子固定在輪的中心部分。這種電機的運行性能，一方面取決于所用磁路的幾何參數，另一方面，取決于由電流和由磁鐵產生的磁場的特性。為了確定這種電機的性能，必須考慮幾個因素。
首先，我們必須考慮由導體中的電流產生的磁場強度對于在定子結構中的磁通密度分布的影響。定子的磁路是由按非線性磁化曲線工作的金屬片構成的。這一曲線具有高的起始導磁率，一直到達到一定的磁勢值為止，在該點該導磁率數值下降到等于空氣的導磁率。在金屬片中的磁通分布是由在導體中的電流產生的以及由磁鐵產生的磁場強度的疊加按照磁化曲線決定的。當電機運行在磁化曲線的高導磁率區(qū)時，磁通密度的增加與導體中的電流的增加成比例，該電流的增加又增加形成的轉矩。在這種情況下，由這兩個來源的和所形成的磁場維持，所有磁路區(qū)域均低于飽和閾值之下。導體中的電流可能增加到這樣一個數值，使得總的磁勢超出飽和閾值，磁通密度不再按相同的比例變化。這種現象產生在兩種磁勢累加的磁路區(qū)域。在這一點，轉矩開始畸變，不再線性增加，隨著導體電流的增加趨于飽和。
其次，定子金屬片中磁通密度的變化是一個因素，導致形成與磁滯效應和渦流電流有關的損耗。這些損耗與包含在磁通密度中的諧漢成比例。
第三點，應當考慮在轉子旋轉過程中在每個磁鐵和伸出件之間的引力引起的齒槽轉矩。因而，由導體電流與磁鐵的磁場的積產生的諧波轉矩疊加到齒槽轉矩上。
第四，在槽中的可利用的空間的銅導體填充百分率影響電機的重量和銅導體與鋼片之間的導熱性。
第五，磁路的幾何參數的選用必須以最大程度引導磁通密度然而不會使其飽和，按照這種方式將電機的總重量降至最小。
因此，我們認為當電機運行時，必須考慮同時產生的幾種因素，以便提高電機的效率。當電機用作一電動驅動輪時，所有這些因素都明顯地影響電機的性能。
正如在本技術領域所公知的，有一本由JR.Hendershot.Jr的著作，名稱為“無刷永磁電動機的設計”，為了具體消除上述問題，提出了不同的幾何參數。在這一著作中，提出了一些用于設計具有外轉子的磁化式電機的標準。轉子是由裝有矩形磁鐵的圓柱形圓筒頭部構成的。定子是由傾斜的各伸出件構成的，各伸出件是沿相對于轉子的伸出件各自的軸線長度按一個槽的節(jié)距歪斜的。定子的各伸出件必須形成有局部覆蓋槽的曲線形的尖端，以便使一用于將導體逐個地嵌入到相應槽中的開口尺寸最小。該曲線的尖端必須具有相對均勻的厚度，以防止磁鐵的磁場飽和。
在這種電機中，每個定子槽的偏斜部分降低了齒槽轉矩。偏斜的槽產生沿每個定子伸出件的長度的齒槽轉矩的逐漸變化的相位移，因而，總體上所有的諧波被抵消了。偏斜的槽已經用在序號為5327034號美國專利中介紹的組件中。這種解決方案看起來簡單，但是從實際的觀點看來，它增加了結構的復雜性。此外，這種解決方案在沿定子轉軸的軸線長度相對短的情況下難于實現。這是由于曲線形的尖端，它要能夠引導磁場磁通的主要部分，同時還要使產生環(huán)繞導體的磁場所需的磁鐵的數量最少。但是，由于利用這些相同的曲線形尖端，導體必須得逐個地插入相應的槽中。因此，使用矩表斷面的導體幾乎是不可能的，因為難于按順序將各導體堆放在槽中。此外，由于這些曲線形的尖端，不可能利用大的矩形斷面的導體。
此外，由于這些曲線形的尖端。增加了由導體電流產生的磁場強度，這樣導致由相同的曲線形的尖端產生漏磁通。由于疊加由磁鐵產生的磁場強度，在累加的區(qū)域的總的磁場強度在較低的電流數值下就達到飽和閾值。電機的轉矩對于電流的曲線的線性部分限于一個低的電流值下。
正如本技術領域中所公知的，在IEEE No.0018-9464188/1100-2901的一篇文章中，介紹了一種直線電動機，它的定子相對于轉子是非偏斜的。在這種類型的電機中，使用均勻磁化的矩形磁鐵。這樣的磁鐵與裝有伸出件而無帶有曲線形尖端的槽的非偏斜式定子使用。磁鐵的寬度W等于(n+0.14)P，其中n是一個整數，P代表槽節(jié)距比率y/P等于0.5，y/P為在每極節(jié)距的范圍內的定子伸出件的寬度y。經過對應磁鐵兩側的其中之一的伸出件的磁阻轉矩的基波分量抵消由下一個伸出件的磁阻轉矩的基波分量，這第二個基波分量從另一側接近該磁鐵。那樣，僅余下較低幅值的諧波轉矩。當比率y/p為0.5時，得到最好的效果。利用這種解決方案，電機結構被簡化了，但所有上述的不良影響并沒有消除。應當指出，在旋轉的過程中，由定子的伸出件產生的磁通按梯形展開。這種形狀來源于磁鐵的矩形。在伸出件和在定子的其余部分的磁通密度包含一個以上的諧波。每個諧波產生渦流電流，它產生的損耗本身又附加到電機的總損耗中。這些損耗附加到由基波分量引起的損耗中。此外，由繞組所匝連的磁通的形狀取決于定子繞組怎樣卷繞。采用簡單的繞組，意指每槽每極為一相，如果在各相中的電流是正弦的，則出現引起轉矩紋波的磁通諧波。通過增加在每極下的槽數?；蛘弑舜伺浜系睦@組以便濾除磁通諧波，總能降低該紋波，但是在這種情況下，組件的復雜性增加了。最后，比率y/p限制了可能選用的幾何參數。
正如在本技術領域所公知的，在1992.11的Symposium proceedings，EVS(EVS學術會議論文集)中公開了一篇題為“用于電力車輛的新穎的高功率密度永久磁鐵式電動機驅動器”的文章。這種電機裝有矩形磁鐵和采用另一種技術來防止齒槽轉矩。這種矩形磁鐵粘接到轉子的內壁。定子包含帶有局部覆蓋槽的曲線形的尖端。槽用圓形導體來填充。轉子極數對于定子槽數的比為11/10。
在這個文獻中提出的方案的目的是降低齒槽轉矩。轉子極數對于定子極數的比導致形成一種分布。在定子范圍內每個轉子磁極產生的各轉矩的和形成的總轉矩是均勻的。但總是出現在金屬片中與磁通諧波相關的損耗問題。當電機帶載運行時，為了得到均勻的轉矩，繞組中的電流必須按梯形分布。這些電流諧波由于集膚效應(開爾文效應)產生附加損耗。應指出，這種電機也采用形成有曲線形尖端的伸出件和槽。
正如本技術領域所公知的，有一序號為3604961的美國專利。在這一專利中所介紹的電機是一種直流電機，它的定子磁極具有一定形狀的永久磁鐵，以便當轉子結構旋轉時降低齒槽轉矩。該電機的轉子形成有伸出件和不被曲線形尖端覆蓋的槽。定子磁極按恒定的氣隙覆蓋了轉子的周邊部分。電機的齒槽轉矩是由連續(xù)的各槽和在轉子每個磁極的正面通過的轉子伸出件產生的導磁率變化形成的。一個磁極產生具有正負最大相同幅值的交變齒槽轉矩。在這種類型的標準電機中，各磁極彼此分開180 °的電角度。每個極產生的齒槽轉矩的正負最大值都影響總的齒槽轉矩的增加?？梢允箖蓚€極當中的一個極相移一個固定的角度，使半數磁極的正的最大齒槽轉矩對應于另半數磁極的負的最大齒槽轉矩。因此，由半數磁極產生的齒槽轉矩之和抵消了另半數磁極產生的齒槽轉矩的和。所提出的磁極的幾何尺寸在于由每個磁極除去一部分。所除去的部分由一個磁極到另一個磁極是相互鄰近的。因此，能夠得到磁極的相位移，但并沒有從體形上使整個磁極相位移。按照這種方法，電機的結構簡化了。然而，由于磁極的扁平外形輪廓，沿著磁路產生諧波磁通使損耗增加。
正如在本技術領域所公知的，有一些序號分別為5162684、5206556、5170084以及5204569的美國專利。所有這些專利都提出用于在電刷式直流電機的轉子結構的每個極內產生基本上的正弦磁通的裝置。這些正弦磁通是由安裝在定子結構上的磁鐵產生的。在運行中，這種方法使齒槽轉矩能夠降低。然而，在這些專利中所述的采用電刷的電機，增加了這些電機的復雜性，需要更多地維護。
正如在本技術領域所公知的，有如下美國專利4940912、4994702、4341969、5142179、4980594、4876472、5105113、3234416和2695370。這些專利沒有一個同時解決齒槽轉矩的問題和與諧波產生相關的鐵損問題。
本發(fā)明的第一目的是提出一種多相無刷交流電機，在大的電流范圍內，轉矩對電流的曲線是線性的。
本發(fā)明的第二目的是提出一種多相無刷交流電機，由于使定子結構內部的磁通密度的諧波畸變而降低損耗。
本發(fā)明的第三目的是提出一種多相無刷交流電機，在負載和空載兩種狀態(tài)都能降低轉子結構和定子結構之間的齒槽轉矩。
根據本發(fā)明，提供的一種多相無刷交流電機包含定子結構，它的表面設有交替配置的平行的槽和伸出件，每個槽具有開向所述表面的開口，每個所述開口與對應的槽的最大寬度一樣寬；以及轉子結構，它的表面裝有永久磁化裝置其具有的各個表面單元面向所述的槽和伸出件，每個所述表面單元面向所述槽的數目對應于所述電機的相數，所述磁化裝置的所有所述表面產生的磁通強度的一個平均幅值為Br(θ)的分量垂直于定子的對應表面，Br(θ)由下式確定Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv(θ)其中La(θ)由下式確定La(θ)=abs[C·Lv(θ)Mr(θ)sin(K·θ2)],]]>其中θ是相對于在所述轉子結構上的一個參考位置按弧度計算的位置； Br(θ)是在所述角位置θ處的所述分量的平均幅值；Lv(θ)是在所述角位置θ處的所述伸出件和所述轉子結構的所述表面之間的間隙距離；Mr(θ)是在所述角位置θ處的所述磁化裝置的剩余磁感應強度分量，Mr(θ)垂直于定子結構的對應表面，Mr(θ)按與4π/K對應的周期變化；K是代表所有所述表面單元的一個偶數；C是一任選常數；因此，在運行中，所述轉子結構與所述定子結構形成磁耦合，并且由于使在所述定子結構內部的磁通密度的諧波畸變能夠降低損耗，轉矩對電流的曲線在大的電流范圍內是線性的，并降低了所述定子結構和所述轉子結構之間的齒槽轉矩。
另外，根據本發(fā)明，提供使多相無刷交流電機運行的方法，包含的步驟有使裝有繞組的定子結構與轉子結構形成磁耦合，定子結構的表面設有交替配置的平行的槽和伸出件，每個所述槽具有開向所述表面的開口，每個所述開口與對應槽的最寬寬度一樣寬，轉子結構的表面裝有永久磁化裝置，它的各自的表面單元面向所述的槽和伸出件，每個所述表面單元面對所述槽的數目對應于所述電機的相數，所述磁化裝置的所有所述表面單元產生的磁通密度有一垂直于定子結構的對應表面的平均幅值為Br(θ)的分量，Br(θ)按下式確定Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv(θ)其中La(θ)按下式確定La(θ)=abs[C·Lv(θ)Mr(θ)sin(K·θ2)],]]>其中θ為相對于所述轉子結構上的一個參考位置按弧度計算的一個角位置，Br(θ)是在的述角位置θ處的所述分量的平均幅值；Lv(θ)是在所述角位置θ處的所述伸出件和所述轉子結構的所述表面之間的間隙距離；Mr(θ)是在所述角位置θ處的所述磁化裝置的剩余磁感應強度的一個分量，其垂直于定子結構的對應表面，Mr(θ)按對應于4π/K的周期變化，K是一個代表所有所述表面單元的一個偶數；C是一任意常數；對定子繞組進行勵磁。借此，在運行時，所述轉子結構與所述定子結構形成磁耦合，由于使在所述定子結構內部的磁通密度的諧波畸變降低了損耗，同時在大的電流范圍內轉矩對電流的關系曲線是線性的并降低了所述定子結構和所述轉子結構之間的齒槽轉矩。
通過參照附圖，閱讀對本發(fā)明的非限定的各優(yōu)選實施例的詳細介紹，將會更好地理解本發(fā)明的目的、優(yōu)點和其它特征。


圖1是根據本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例的多相無刷交流電機的定子結構和轉子結構的局部側視斷面圖；圖2是根據本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例的多相無刷交流電機的定子結構和轉子結構的局部側視斷面圖；圖3是根據本發(fā)明的第三優(yōu)選實施例的多相無刷交流電機的定子結構和轉子結構的局部側視斷面圖；圖4是根據本發(fā)明的第四優(yōu)選實施例的多相無刷交流電機的定子結構和轉子結構的局部側視斷面圖；圖5是根據本發(fā)明的第五優(yōu)選實施例的多相無刷交流電機的定子結構和轉子結構的局部側視斷面圖；圖6是根據本發(fā)明的第六優(yōu)選實施例的多相無刷交流電機的定子結構和轉子結構的局部側視斷面圖；圖7是根據本發(fā)明的第七優(yōu)選實施例的多相無刷交流電機的定子結構和轉子結構的局部側視斷面圖；圖8是根據本發(fā)明的第八優(yōu)選實施例的多相無刷交流電機的定子結構和轉子結構的局部側視斷面圖；圖9是根據本發(fā)明的第九優(yōu)選實施例的多相無刷交流電機的定子結構和轉子結構的局部側視斷面圖；圖10是根據本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的沿圖1中所示的線X-X所取的局部斷面圖；圖11是根據本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例的沿圖1中所示的線X-X所取的局部斷面圖；圖12是表示當電機運行時電流I和轉矩T之間的相互關系的曲線圖。
需注意，為本說明書表述的需要，對于在各附圖中相似的元件使用相同參照數碼來標注。
圖1表示一種多相無刷交流電機的定子和轉子結構的局部側視斷面圖。這一電機包含一個設有交錯配置的平行的各槽8和伸出件7的表面的定子結構2。每個槽8具有朝向定子結構2的表面的開口40。每個開口40的寬度基本與相應槽8的最寬寬度相同。
電機還包含轉子結構1，它的表面44設有永久磁化裝置3。它的各自表面單元42面向槽8和伸出件7。每個表面單元42面向槽8的數目對應于電機的相數。最好，在本實例中，每個表面元件42面向3個槽8。這樣它就是一個三相電機。
磁化裝置3的所有表面單元42產生的磁通密度有一個與相應的定子2的表面相垂直的平均幅值為Br(θ)的分量，按照如下公式確定Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv(θ)其中La(θ)是按照如下公式確定的La(θ)=abs[C·Lv(θ)Mr(θ)sin(K·θ2)]]]>其中θ為相對于在轉子單元1的參考位置以弧度表示的角位置。Br(θ)是在角位置θ處的平均幅值的分量。Lv(θ)是在角位置θ處在伸出件7和轉子結構1的表面44之間的間隙距離。Mr(θ)是在角位置θ處的磁化裝置3的剩磁感應的分量。Mr(θ)垂直于定子2的相應表面。Mr(θ)按與4π/K相對應的周期變化。K是代表所有表面元件42的一個偶數，C是任選的常數。
由于具有上述特征，能夠得到這樣一種無刷多相交流電機，它的轉矩與電流的曲線在很大的電流范圍內是線性的。
還可以得到這樣一種無刷交流電機，由于在定子結構內部的磁通密度的諧波畸變，使得損耗低。
還可以得到這樣一種無刷交流電機，在有載和空載狀態(tài)下，在轉子結構和定子結構之間產生很小的齒槽轉矩。
還可以得到這樣一種無刷交流電機，它可以采用由方形截面的導體繞在定子結構2上的線圈。
最好，定子結構2呈圓柱形。設有平行槽8和伸出件7的表面構成為定子結構2的外表面。轉子結構1呈圓形。裝有永久磁化裝置的表面44構成轉子結構1的內表面。
最好，平均幅值的分量Br(θ)是一徑向分量。每個槽8具有矩形斷面。永久磁化裝置包含一系列的由均一材料構成的永久磁鐵3。每個磁鐵3的相對于角度位置θ的厚度按照La(θ)確定。每個伸出件7端部為方形。
在使用時，如圖1所示的多相無刷交流電機的使用方法包含的步驟是使裝有繞組6的定子結構2與轉子結構1磁耦合，并向定子2的繞組6通電勵磁。因此，在使用運行時，轉子結構1與定子結構2磁耦合，由于在定子結構2中的磁通密度分布使得能夠降低損耗，對于很大的電流范圍轉矩對于電流的曲線是線性的，并降低了在定子結構2和轉子結構1之間的齒槽轉矩。
根據一個優(yōu)選實施例，圓柱形轉子1包含一個圓柱形的鋼制的頭部4，和安裝在圓柱形頭部4內表面上的數目為K的磁鐵3。轉子1的圓柱形頭部4與圓柱形的定子2間隔距離Lv。由磁性金屬片5制成的定子2形成一系列的非偏斜的伸出件7和槽8。這些槽開向轉子1。
最好，將矩形截面的導體6裝入槽8中。安裝在同一槽8內的所有導體6屬于同一相。相數可以由2到N改變，N是大于2的整數。定子2對于轉子1上的每個磁鐵3具有N個槽8。槽8或伸出件7的總數等于N·K。
最好，每個磁鐵3的材料具有高度均勻的固有矯頑力和與空氣相等的導磁率。圓柱形的頭部4和金屬片5是由高導磁率的材料制成的。每個圓柱形頭部4和金屬片5的磁化曲線是非線性的，并達到一飽和閾值，在該閾值下，導磁率降低到與空氣相同的數值。每個磁鐵3具有與轉子1的內圓周面相配合的弧形輪廓9。每個磁鐵3還具有第二反面的輪廓10，它的徑向厚度La按照這樣一種方式確定La(θ)=abs[CMr(θ)sin(K·θ2)]]]>其中θ是相對于轉子1上的一個參考位置以弧度表示的角位置。La(θ)是在角位置θ處的磁鐵3的徑向厚度。Mr(θ)是在角位置θ處磁鐵3的剩余磁感應強度徑向分量，并隨與4π/K相對應的周期變化。K是代表所有在轉子1周邊上的磁鐵3的偶數。C是一個常數。
由一個伸出件7引導的磁通密度是由位于在相應的伸出件7的端部和圓柱形頭部4之間的體積內所包含的磁鐵部分所產生的。在該體積11部分中的磁通密度徑向分量Br(θ)由下式確定Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv其中Lv是定子2的伸出件7和轉子1的圓柱形頭部4之間的間隙距離。由于Mr(θ)從一個磁極到另一個磁極變化180°，Br(θ)按正弦變化?？梢园聪铝泄酱_定Br(θ)Br(θ)=CLvsin(K·θ/2)]]>當轉子1旋轉時，Br(θ)的分布形狀呈正弦形。在電機運行在鋼磁化曲線的直徑部分的狀態(tài)下，這個公式是有效的。在圖1中所示磁鐵3的實例中，由于Mr(θ)被認為是恒定的。La(θ)相對于角位置θ按正弦變化。
通過導體6環(huán)流的電流產生的磁場本身疊加到由磁鐵3產生的磁場?？偟拇磐芏葘谟纱盆F3產生的磁通密度和由通過導體6的電流產生的磁通密度的矢量和。如在圖12中所示，本發(fā)明能夠得到一種旋轉電機，它的轉矩對于電流的曲線在電流范圍(a)內是線性的，這一電流范圍大于在對現有技術部分介紹的同類電機的電流范圍。利用根據本發(fā)明的電機產生的轉矩是在氣隙半徑處產生的作用力的切線分量。這個力是由導體電流與由磁鐵3產生的磁場的矢量積產生的。
在運行時，槽8中的相電流隨由伸出件7引導的磁通變化，產生相同方向的轉矩。只要電機運行在鋼磁化曲線的線性部分內，該矢量積與流經導體6的電流成比例。由磁鐵3產生的磁場本身疊加到由通過導體6的電流產生的磁場。隨著增加電流，在二磁場的和是累加的區(qū)域內形成磁通密度的飽和。
受飽和影響的這些區(qū)域影響電機內磁場的分布，從而限制了可能出現的轉矩增加。當導體中的電流增加時，轉矩不再線性增加。由槽8中的導體產生的磁通部分經過它的開口形成漏磁。在本實例中，由于在槽的開口處沒有曲線形的尖端，能夠使漏磁通的磁路磁阻達到最大。在遠為更高的電流下才會產生飽和，對于由具有帶曲線形尖端的槽的同類電機產生的轉矩相比，在更大的電流范圍內轉矩對電流的曲線仍為線性的。
在本實例中，最好采用具有較高剩磁感應強度的磁鐵，以便補償由于在槽開口處因沒有曲線形的尖端帶來的影響。
根據本發(fā)明的另一個目的，提出本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，定子2的開口槽8使得能夠利用基本上為矩形斷面的繞組導體。因此，能夠得到優(yōu)于利用圓形斷面導體的填充系數。這樣槽的斷面可以更窄，用于導引磁通的伸出件可以更短。因此，能夠得到由在現有技術部分所介紹的電機產生的同樣的轉矩的電機的重量降低了。
還可以利用全寬的矩形斷面導體來增加銅導體和鋼金屬片之間的導熱性，因為在銅導體和槽8的壁之間的接觸表面增加了。因此，能夠增加將由于導體6發(fā)熱產生的熱能向外部的傳輸能力。
按照如下的方式可以解釋怎樣降低本發(fā)明的電機的鐵損。定子2的鋼芯引導隨轉子1旋轉而變化的磁通。磁通的這種變化一方面由于磁化曲線的磁滯效應產生相關的焦爾熱損耗，另一方面則由于在鋼金屬片中感應的渦流電流。由渦流電流產生的損耗的量值與振蕩頻率以及在鋼料中的磁通密度的幅值成比例。損耗的總數值與由在鋼料內部每個諧波磁通密度產生的損耗的和成比例。
在其中一個伸出件7內部的一個特定位置的磁通密度與Br(θ)成比例。因此，磁通密度隨轉子1的旋轉遵循正弦變化。定子2的金屬片5的內部區(qū)域用作在相鄰伸出件7中感應磁場的反饋磁路。引導的磁通密度對應于二正弦磁通的和，因此，這個和也是正弦的。在定子2的金屬片與內部由不同于基波分量的諧波產生的損耗相對于由于基波分量產生的損耗是可以忽略的。因而，電機運行鐵損降低。
本發(fā)明能得到這樣一種旋轉電機，在運行過程中負載或空載時具有低的紋波轉矩。按如下的方式解釋這一結果。轉子1相對于定子2的旋轉在磁鐵3和伸出件7之間產生引力。在電機旋轉時這一引力與在每個伸出件7和圓柱形頭部4之間的氣隙和磁鐵體積11內部包含的磁場中儲存的能量變化相關。
對于每個伸出件7的這一吸引力的切線分量疊加到轉矩上。轉矩T是按照如下的方式確定的T＝dw/dθ其中W是包含在體積11內部的能量，按下式確定W=∫vBv(θ)22μ0dv]]>只要鋼是不飽和的，這個轉矩就正確的。在磁鐵3內部的相對導磁率約等于在體積11內部的空氣導磁率，對于總的體積使用μ0。作用在定子2的每個伸出件7上的轉矩與從一個伸出件的另一個伸出件無關。
該能量是徑向分量Br(θ)與沿著越過體積11的徑向單元的角位移ω的電機軸向長度相乘的積分。按照如下方式確定這一積分W=∫-ω/2ω/2C2Lv2sin2(k2[θ+φ])2μ0·P·(Ric2-Res2)2dφ]]>其中P是沿著電機旋轉軸線的電機軸向長度，Ric是轉子1的圓柱形頭部4的內徑，Res是定子2的金屬片5的外徑。
通過解出這一積分，可以得到W=C2·P·(Ric2-Res2)4Lv2·μ0[ω2-2sin(K·ω2)·cos(K·θ)]]]>這一轉矩T是W對于θ的導數。轉矩T按下式確定T=K·C2·P·(Ric2-Res2)2Lv2·μ0sin(K·ω2)·sin(K·θ)]]>在每個伸出件7上的齒槽轉矩因此也是正弦的，并在1/(2πK)范圍內是周期性的。當電機空載時總的齒槽轉矩是作用在定子2的每個伸出件7上的齒槽轉矩的和。當在整個定子2上有N×K個伸出件7時，總的齒槽轉矩Tr等于Tr=K·C·P·(Ric2-Res2)2Lv·μ0sin(K·ω2)·Σn=1N·K·sin(K·[θ+2ΠnN·K])]]>對于N·K＞1，這一個和總是等于0。期望維持在鋼料內部的正弦磁通密度的磁鐵3的外形輪廓同時降低了齒槽轉矩，這種轉矩通常當電機處在空載狀態(tài)時在旋轉的過程中是存在的。
由磁鐵3在定子的伸出件7中產生的磁通密度是按正弦分布的。構成電機一相的線圈所匝連的磁通對應于由對應繞組卷繞的伸出件所引導的磁通的和。這一磁通的和也是按正弦變化的。每相形成的轉矩的和對于正弦的相電流是恒定的，這些相電流本身相對于所引導的磁通以相似的方式形成相位移。因而，電機在運行時沒有齒槽轉矩。此外，正弦電流降低了在銅中的焦耳損耗部分，這種損耗與開爾文效應(集膚效應)相關。當在銅中的電流諧波部分僅含一個分量時，損耗是最小的。
圖2表示一種多相無刷交流電機，最好其特征在于，每個伸出件7端部是方形的，每個磁鐵的端部是截頭的。在磁鐵3的每個端部處被除去的磁性材料的體積附加到接進這一相同被截頭的端部上，采用這種方式在于增加端部的厚度。因此，每個磁鐵的被截頭的端部加厚了，因而具有大約相同數量的磁性材料，好像端部沒有截頭。由于這種改進，能夠使形成的磁鐵端部與沒有被截頭的磁鐵相比脆弱等程度降低。這些截頭的磁鐵還易于安裝在轉子1的圓柱形頭部4上。對于磁通密度的磁性能的影響可以忽略。
圖3表示的多相無刷交流電機最好其特征在于，每個伸出件7的端部是圓弧形的，每個磁鐵3的端部是截頭的。正像在圖2中表示的實施例一樣，通過將被截頭的體積的磁性材料對應地附加到其上，磁鐵3的端部變厚了。
由于伸出件7具有圓弧形的端部28，能夠消除使得在伸出件17中產生磁通飽和的磁通密度的“集中”效應。當伸出件具有方形端部時，這種集中效應有增加諧波分量幅值的作用。此外，降低了由導體中的電流產生的漏磁通。
最好，由具有較高磁化性能的磁鐵產生在伸出件7中引導的磁通以便補償伸出件7的圓弧形端部的影響。
圖4表示一種多相無刷交流電機，最好其特征在于，定子結構2的內表面48具有與各自的伸出件7相對準的凹槽30。此外，每個伸出件7有圓弧形的端部，每個磁鐵3具有截頭的端部。正像圖2所示的實施例一樣，磁鐵3的端部由于分別附加到其上的被截頭的體積的磁性材料更變厚。轉子結構1的外表面50具有的凹槽29與各自的磁鐵3的中心部分基本對準。
本發(fā)明的另一目的是提供一種減輕重量的電機。如圖4所示，通過將磁通密度低的區(qū)域去除可以實現重量的降低。在最大磁通密度低的區(qū)域29和30去除某些鋼料。因此，在鄰近區(qū)域29和30的其余部分中的磁通密度增加到的數值與在一般電機中產生的相應數值相近。
圖4中所示的實施例還達到了本發(fā)明的另一目的，所得到的無刷多相交流電機其定子磁路的幾何尺寸較小。因而按照這一實施例，能夠降低電機的總重量。
圖5表示的多相無刷交流電機最好其特征在于，轉子結構1具有圓柱形的外表面50。每個伸出件7的端部是圓弧形的，轉子結構1的內表面44形成有向內彎曲的外套，用于分別容納永久磁鐵3。
圖6表示的多相無刷交流電機最好其特征在于轉子結構1具有圓柱形的外表面50。每個伸出件具有圓弧形的端部。每個磁鐵3具有截頭的端部。正如圖2所示的實施例一樣，由于將被截頭的體積的磁性材料相應地附加到其上，使得磁鐵的端部變厚。轉子結構1的內表面44形成有向內彎曲的外套，以便容納各自的永久磁鐵3。
圖7表示的多相無刷交流電機最好其特征在于定子結構2具有波紋狀的內表面48，其限定與各自的伸出件7相對準的凹槽30。每個槽以圓弧形底端終止。每個伸出件7具有圓弧形端部，每個磁鐵具有截頭的端部。正如圖2扣所示的實施例中一樣，每個磁鐵3由于將被截頭的體積的磁性材料相應地附加到其自身上而使磁鐵3的端部變厚。
圖8表示的多相無刷交流電機最好其特征在于，定子結構2有內表面48并形成有與各自的伸出件7相對準的橫向內腔52。每個內腔52位于在相應的伸出件7的下端和定子結構2的內表面48之間的距離的中點處。每個內腔52基本上為三角形，頂點54對著對應的伸出件7。每個槽8以圓弧形底端終止。每個伸出件7具有圓弧形的端部、每個磁鐵3具有被截頭的端部。正像在圖2所示的實施例一樣，由于將被截頭的體積的磁性材料相應地附加到其上，使磁鐵的每一端更厚。
圖9示出的多相無刷交流電機的特征在于，每個伸出件7具有方形端部，每個磁鐵3具有被截頭的端部。正像圖2所示的實施例一樣，由于分別將被截頭的磁性材料附加到其上，而使磁鐵3的每個端部變厚。轉子結構1的外表面50具有的凹槽29與各自的磁鐵3的中心部分對準。
圖10和11每個都表示多相無刷交流電機，最好其特征在于，定子結構2由一系列的周邊部分形成各伸出件7的相鄰的金屬片54構成。金屬片54的這些周邊部分的厚度朝其周邊是斷縮的。在圖10中所示的定子的周邊部分是相同的，具有相同的對稱的漸縮的形狀，而在圖11中所示的相應部分具有非對稱的斷縮的形狀。在圖1中所示實施例的定子結構2和轉子結構1的側視斷面圖中，每個伸出件17的根部似乎比其端部要窄。需要這種形狀在于維持矩形導體6和槽8的側壁的體形接觸，以便增加導熱性。朝每個伸出件17的根部的這種變窄，結合具有均勻厚度的定子金屬片，迫使由每個伸出件7引導的磁通密度本身在其根部比在其端部密度更高。
然而，在圖10和11中，形成每個伸出件的每個定子金屬片的厚度并不是均勻的，而是從其根部到其端部呈漸縮形，使得沿著每個伸出件的磁通密度變得更均勻。
因此，能夠降低每個伸出件中的鋼料數量，消除作用在磁力線上的集中效應，增加在每個伸出件中的最大磁通密度，使得在每個伸出件的整個體積內部磁通密度基本均勻。通過去除部分鋼料，如圖4中所示，以及利用厚度斷縮的金屬片，如圖10和11所示，作為磁通引導介質，定子的鋼料是按照它的全部容量被利用的。因此，能夠降低電機重量，但沒有影響磁通密度的諧波含量。
根據本發(fā)明，磁鐵用于在旋轉電機中產生磁場，該電機帶有一組由多相正弦交流電流勵磁的導體。最好，磁鐵是由均一材料制成的呈一定形狀的磁鐵，并安裝在圓柱形轉子的內壁上，它們面向各伸出件和槽，槽的開口沒有曲線形的尖端。
根據本發(fā)明，在每極部分產生正弦波形的磁場，降低了除了基波以外的諧波分量，因而降低了損耗。因此，得到高的轉矩和很低的齒槽轉矩。每極部分的重量也被降低。
根據本發(fā)明的各優(yōu)選實施例，能夠利用沿全部軸線長度具有矩形斷面的導體，使得能夠達到高的填充系數。通過利用帶圓弧形端部的伸出件可以減少磁通的集中，因此降低了由于磁場飽和引起的諧波損耗。通過去除低感應磁通經過的定子的部分，還能夠降低定子重量。此外，通過去除低感應磁通經過的轉子的部分，還能夠降低轉子重量。
雖然在上面已經詳細解釋了并在附圖中表示了本發(fā)明的各優(yōu)選實施例，但本發(fā)明并不局限于這些實施例，本技術領域的熟練人員可以在本發(fā)明的范圍內進行很多變化和改進。
權利要求
1.一種多相無刷交流電機，包含定子結構，它的表面形成有交錯配置的平行的槽和伸出件，每個所述的槽具有開向所述表面的開口，每個所述開口與對應槽的最寬寬度一樣寬；以及轉子結構，它的表面裝有永久磁化裝置，它所具有的各個表面單元面向所述各槽和各伸出件，每個所述表面單元面向所述槽的數目對應于所述電機的相數，所述磁化裝置的所有表面單元產生的磁通密度具有垂直于相應定子表面的平均幅值Br(θ)的分量，其由如下公式來確定Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv(θ)其中La(θ)按下式來確定La(θ)=abs[C·Lv(θ)Mr(θ)sin(K·θ2)],]]>其中θ為相對于在所述轉子結構上的一個參考位置按弧度計算的角位置；Br(θ)是在所述角位置θ處的所述分量的平均幅值；Lv(θ)是在所述角位置θ處的所述伸出件和所述轉子結構的所述表面之間的間隙距離；Mr(θ)是在所述角位置處的所述磁化裝置的剩余磁感應強度的分量，Mr(θ)垂直于定子結構的相應表面，Mr(θ)按照與4π/K相對應的周期變化，K是代表所有所述表面單元的一個偶數；C是一個任選常數。
2.根據權利要求1所述的多相無刷交流電機，其中定子結構呈圓柱形，表面上設有作為定子結構外表面的平行的槽和伸出件；轉子結構呈圓柱形，表面裝有作為轉子結構的內表面的永久磁化裝置；平均幅值Br(θ)是一徑向分量；每個槽具有矩形斷面；永久磁化裝置包含一系列的由均一材料制成的永久磁鐵，每個磁鐵的相對于角位置θ的厚度按照La(θ)確定。
3.根據權利要求2所述的多相無刷交流電機，其中每個伸出件有一方形端部；每個磁鐵有一被截頭的端部，由于將與被截頭的部分對應的體積的磁性材料附加到其上，磁鐵的每個端部變厚。
4.根據權利要求2所述的多相無刷交流電機，其中每個伸出件具有圓弧形的端部；每個磁鐵具有截頭的端部，由于將與被截頭的部分對應的體積的磁性材料附加到其上，磁鐵的每個端部變厚。
5.根據權利要求2所述的多相無刷交流電機，其中定子結構的內表面具有與各自伸出件相對準的凹槽；每個伸出件具有圓弧形的端部；每個磁鐵具有截頭的的端部，由于將與被截頭的部分對應的體積的磁性材料附加到其上，磁鐵的每個端部變厚，轉子結構的外表面具有與各自的磁鐵的中心部分基本對準的凹槽。
6.根據權利要求2所述的多相無刷交流電機，其中轉子結構具有圓柱形外表面；每個伸出件具有圓弧形端部；以及轉子結構的內表面形成向內彎曲的外套，用于容納各自的永久磁鐵。
7.根據權利要求2所述的多相無刷交流電機，其中轉子結構具有圓柱形外表面；每個伸出件具有圓弧形端部；每個磁鐵具有截頭的端部，由于將與被截頭的部分基本相對應的體積的磁性材料附加到其上，使得磁鐵的每個端部變厚，轉子結構的內表面形成朝向彎曲的外套，用于容納各自的永久磁鐵。
8.根據權利要求2所述的多相無刷交流電機，其中定子結構的內部波紋表面形成有各個與各自的伸出件基本對準的凹槽；每個槽以圓弧形底部終止；每個伸出件具有圓弧形的端部，以及每個磁鐵具有截頭的端部，由于將與被截頭的部分基本對應的體積的磁性材料附加到其上，使磁鐵的每個端部變厚。
9.根據權利要求2所述的多相無刷交流電機，其中定子結構具有內表面，定子結構設有基本與各自的伸出件對準的橫向內腔，每個內腔位于在對應的伸出件的下端和定子結構的內表面之間距離的中點，每個內腔基本上呈三角形，頂點朝向對應的伸出件每個槽以圓弧形底部終止；每個伸出件具有圓弧形的端部，以及每個磁鐵具有截頭的端部，通過將與被截頭的部分基本相對應的體積的磁性材料附加到其上，使磁鐵的每個端部變厚。
10.根據權利要求2所述的多相無刷交流電機，其中每個伸出件有方形的端部，以及每個磁鐵具有截頭的端部，通過將與被截頭的部分基本對應的體積的磁性材料附加到其上，使磁鐵的每個端部變厚，轉子結構的外表面具有與各自的磁鐵的中心部分基本對準的凹槽。
11.根據權利要求2所述的多相無刷交流電機，其中定子結構由一系列的具有形成伸出件的周邊部分的相鄰金屬片構成；金屬片的所述周邊部分的厚度朝向其周邊是漸縮的。
12.根據權利要求2所述的多相無刷交流電機，其中每個伸出件有方形的端部。
13.一種使多相無刷交流電機運行的方法，包含的步驟有使裝有繞組的定子結構與轉子結構形成磁耦合，定子結構的表面設有交替配置的平行的槽和伸出件，每個所述槽具有開向所述表面的開口，每個所述開口與對應槽的最寬寬度基本一樣寬，轉子結構表面裝有永久磁化裝置，它的各個表面單元面向所述槽和伸出件，每個所述表面單元面向所述槽的數目對應于所述電機的相數，所述磁化裝置的所有所述表面單元產生磁通密度，它的垂直于定子結構表面的分量的平均幅值Br(θ)如下式確定Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv(θ)其中La(θ)由下式確定La(θ)=abs[C·Lv(θ)Mr(θ)sin(K·θ2)],]]>其中θ是相對于在所述轉子結構上的一個參考位置的按弧度計算的角位置；Br(θ)是在所述角位置θ處的所述分量的平均幅值；Lv(θ)是在所述角位置θ處的所述伸出件和所述轉子結構的所述表面之間的間隙距離；Mr(θ)是在所述角位置θ處的所述磁化裝置的剩余磁感應強度的一個分量，其垂直于定子結構的對應表面，Mr(θ)隨對應于4π/K的周期變化，K是代表所有所述表面單元的偶數；C是一任選的常數；以及使定子繞組勵磁，借此，在運行過程中使所述轉子結構與所述定子結構形成磁耦合。
全文摘要
一種多相無刷交流電機，包含定子結構和轉子結構，定子結構的表面設有交替配置的平行的槽和伸出件，每個槽口與對應槽的最寬寬度一樣；轉子結構的表面裝有永久磁化裝置，其具有的和個表面單元面向槽和伸出件。磁化裝置的所有表面單元產生一定的磁通密度，它的垂直于定子的對應表面的分量的平均幅值Br(θ)按下式確定Br(θ)＝Mr(θ)·La(θ)/Lv(θ)，其中La(θ)由上式確定，其中θ是相對于在轉子結構上的一個參考位置按弧度計算的角位置；Br(θ)是在角位置θ處的分量的平均幅值；Lv(θ)是在位置角θ處的伸出件和轉子結構的表面之間的間隙距離；Mr(θ)是在角位置θ處的磁化裝置的剩余磁感應強度的一個垂直于對應的定子表面的分量，Mr(θ)隨對應于4π/K的周期變化；K是代表所有的表面單元的一個偶數，C是一任選的常數。本發(fā)明還涉及一種多相無刷交流電機的運行方法。
文檔編號H02K1/27GK1157675SQ95194993
公開日1997年8月20日 申請日期1995年11月15日 優(yōu)先權日1994年12月2日
發(fā)明者皮勒·考杜爾, 布魯諾·福朗庫 申請人:魁北克水電公司