专利名称：永磁旋转电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种永磁旋转电设备或者电机，例如一个电动机和发电机，和一种改进的制造这种机器的方法。
背景技术：
众所周知，旋转电机，例如无刷直流电动机和发电机，使用了一个在上面固定有许多永磁体的永磁元件。该永磁元件和一个有许多绕有线圈绕组的电柱的元件并置在一起，并且支撑着该元件相对旋转。在一个电动机里，由线圈绕组形成的磁场可以被控制以至于影响旋转。在一个发电机里，相对转动在线圈绕组上产生电压。
在这些机器里，永磁体被等间隔的布置在一个圆周上。芯齿之间的齿槽也是等间隔的分布在一个圆周上。当这个机器被作为一个发电机使用时，理想的是，在发电机的输出为零时，旋转所必须的转矩(称为变动转矩)尽可能小。增加的转矩就会使引擎或类似的东西必须用一个更大的驱动力来转动发电机，这样就导致了更大的震动和负荷。如果它作为一个电动机使用，机器空转时的驱动转矩变得更大，导致了能量损失也随之增加了。
我们通常认为变动转矩与被称作转矩变动数的平方成反比。转矩变动数是机器的每一转中出现的基本转矩变动的数目。这也是每一转中磁芯柱通过永磁体的次数。
因此，一个现有技术的方法通过使用增加磁极数目，来减小在旋转过程中的变动转矩或者变化。例如，在一个电机或发电机中，绕有线圈绕组的磁极之间的齿槽数目S为9，磁极数目P是8，也就是一个常知的9槽8极结果的系统。在这种情况下，转矩变动频率或转矩变动数有一个相当高的值72/转。因此变动转矩变得相当小了。
然而这种方法必须增加磁极数目P和齿槽数目S，并且增加P或S后结构就变得更复杂了，进一步导致组成部分的数目增加和生产组装的成本升高。
另一个现有技术，通过使用与转轴倾斜设置的磁场和齿槽(即产生所谓的“斜交”)来减小变动转矩。这个方法通过使用平滑磁场周围的分布变化来减小变动转矩。
在这个方法中，必须制造特殊形状的永磁体，这就增加了制造成本，并且不适合生产和组装的自动化。
发明内容
因此本发明的基本目的是提供一个永磁旋转电设备和制造这种能够有效的减小变动转矩并且适合于生产的自动化而不增加成本的设备的方法。
本发明的第一个特征适合于以一个减少的变动转矩的永磁旋转电机实施。这个电机有包括在周向上具有交替极性的许多永磁体的永磁元件。这些永磁体的形状基本相同，并且在周向上等间隔设置。一个电枢元件和永磁元件并置在一起，该电枢元件有在其周围绕有线圈绕组的且在圆周向上间隔开的许多芯齿。芯齿在它们之间形成了数量为N的齿槽。支撑着永磁元件和电枢元件进行相对转动。由永磁体相对于旋转轴所形成的圆周磁角产生了实质上比齿槽数目S和磁极数目P的最小公倍数大的有效的转矩变动数。
本发明的第二个特征适合于以一个前面段落中所描述的这种永磁旋转电机实施。根据这个特征，选择施加到磁元件的磁极N和S的永磁体上的转矩的大小以使两个转矩值基本相互抵消了。
本发明的还有一个特征适合于以一种制造减少的变动转矩的永磁旋转电机的方法。该方法包括如下步骤构造在周向上具有交替极性的许多永磁体的永磁元件，这些永磁体的形状基本相同，并且在周向上等间隔设置。一个电枢元件和永磁元件并置在一起，该电枢元件有在其周围绕有线圈绕组的且在圆周向上间隔开的许多芯齿。芯齿在它们之间形成了数量为N的齿槽。支撑着永磁元件和电枢元件进行相对转动。由永磁体相对于旋转轴所形成的圆周磁角产生了实质上比齿槽数目S和磁极数目P的最小公倍数大的有效的转矩变动数。
本发明的还有一个特征适合于以一个如前面段落中所述的方法实施，然而选择施加到磁元件上的磁极N和S的永磁体上的转矩的大小以使两个转矩值基本相互抵消了。
图1是根据本发明的第一个实施例组成的一个转动电机的端部正视图，其中线圈绕组被除去，但其相位在相应的地方用相应的字母表示。
图2A，2B和2C展示了三种不同的磁角及其由此产生的与之相对应的变动转矩的图形视图。
图3是一个沿着包括根据本发明的第二个实施例组成的一个转动电机的转轴的平面方向的剖视图。
图4是这个实施例的绕组的进一步的视图。
具体实施例方式
在直接进入对优选实施例的描述之前，有关本发明的理论的一些常规讨论有助于本领域的普通技术人员对本发明的理解。通常假定在一定条件下，每转中的转矩变动数是齿槽数目S和磁极数目P的最小公倍数。然而本发明人确定通过选择永磁体相对于转轴的圆周角(磁角)，转矩变动数可以在算得的转矩变动数的基础上显著的增加。因此本发明选择永磁体的磁角来增加实际的转矩变动数，同时也可以通过抵消由交互的磁极产生的变动转矩来减小变动转矩。这可以通过测试各种物理关系来得到，但是如很快就会描述的那样，已经使用计算机分析变得更快速。
现在详细参照附图1中的实施例，一个根据本实施例建造的旋转电机通常用标号11来辨别。由于本发明主要涉及到的是永磁体的数目和它们周围的延伸和间隔以及配合磁极齿的数目，所以并没有示出总体全面图，而只是用标号12示出了永磁元件和用标号13示出了配合磁极齿元件。
另外，元件13的磁极齿的线圈绕组并没有示出，但是可以理解的是每一齿是用三相模式线圈绕组，他们的相位分别用字母U，V和W表示。磁极齿的线圈绕组方向相反——那些有高架条的与那些没有高架条的相对着线圈绕组。
在这个描述的实施例中，永磁元件12旋转，并包括外壳14，在外壳14上在周向上间隔开的位置上固定着4个永磁元件(用标号15表示)。永磁体15都有精确的组成结构，并且具有每一个的磁角θ都相等的基本相同的物理特征，和一个很快将要描述的延伸。
线圈绕组元件13包括一个固定的中心部分16，有18个芯齿17从这个中心部分沿半径方向向外延伸，并且他们的舌片基本上靠近永磁体15。在这里按照前面描述的对线圈绕组进行缠绕。尽管这个系统与一个旋转的永磁体和一个布置在圆周内的固定的中心元件关联在一起描述，相反的情况也可以使用，转动元件和附着元件都反之。本实施例中永磁体15的中心之间的角是90°。
根据本发明，磁角θ按照这样一种方法进行选择尽管通常假设机器11转矩变动数会是36，这是可以被永磁体15的数目(4)和磁极齿17的数目(18)整除的最小整数，选择磁角以至于每一磁体的变动转矩可以相互完全抵消，并且可以提供一个是通常预测的两倍的转矩变动数，也就是72。尽管这个效果也可以通过对许多变化的磁角进行测试达到，发明人发现计算工作可以直接通过有效的软件进行模拟仿真。
这个软件是用于电机设计的电磁场分析工具之一，能够用来计算施加在选定部分的转矩。例如，由“Ansoft Japan Co.，Ltd.”(总部3-18-20 Shin-Yokohama，Kohoku-ku，Yokohama-shi，Kanagawa Japan)公司提供的，以“Maxwell 2D FieldSinulator”为名称发售的软件就可以使用。
这样，使用这个软件，当输入各种情形，例如一个永磁体的磁角θ，磁体的尺寸和部署等类似的，施加到N极永磁体15N上的转矩TN和施加到S极永磁体15S上的转矩TS就可以分别被确定。同样，总的变动转矩T(N+S)就可以通过将施加到N极和S极永磁体15N和15S上的转矩TN和转矩TS相加得到，把他们加到一起就确定得到了转子12产生的变动转矩。
这些计算得到的转矩如图2A，2B和2C所示，它们分别展示了当其他物理情况保持相同，每个永磁体18的磁角θ分别在60°，67.5°和70°之间变化时，转矩的变化情况。在图中，转矩TN，TS和T(N+S)用N，S和N+S表示。水平轴代表机械角，在度数上一个20°机械角与一个40°的电角相对应。
从这个分析，在磁角θ＝60°(附图2A)的情形下，转矩TN和转矩TS的正负峰值的位置有5°的机械角(10°的电角)偏移。因此，这些转矩值之和的变动转矩T(N+S)在正负方向上一个10°机械角的范围内急剧的增加。同样，变动转矩T(N+S)的峰值在转子12旋转一周的过程中出现36次，普通的计算转矩变动数也是与此相同。在这个例子中，通过峰值时需要的变动转矩T(N+S)大约是0.054N.m。
相似的，在磁角θ＝70°(附图2C)的情形下，然而TN和TS的峰值移到了图2C的左边，和θ＝60°(附图2A)的情形下一样，峰值在转子12旋转一周的过程中出现36次。通过峰值时需要的变动转矩T(N+S)大约是0.022N.m。
另一方面，在磁角θ＝67.5°(附图2B)的情形下，转矩的变化就变得更大了。也就是说，产生施加到N极永磁体15N上的转矩TN和施加到S极永磁体15S上的转矩TS的峰值的机械角变得相互非常接近。结果，转矩值的和T(N+S)的峰值出现在图2A和2C情形下的周期的一半处，并且在转子12旋转一周的过程中出现72次。通过这些峰值时所需要的变动转矩T(N+S)变得小得多，为0.008N.m。作为前面分析的一个结果，可以看出，在磁角θ＝67.5°的情形下，在转子12旋转每一周的过程中转矩变动数是72，它是极距(Slot)数目S(＝18)和电极(Pole)数目P(＝4)的最小公倍数36的两倍。
尽管在这个实施例中，磁角θ被设定在一个角θ＝67.5°附近，但转矩变动数增加的一个磁角θ也可以出现在θ＝60°以下。例如，可以推测有一个理想的磁角θ在一个角度θ＝57°附近。同样的，如已经提到的，本发明不仅可以应用于外转子式电机或发电机，而且也可以应用于内转子式。
图3和4展示了本发明的第二个实施例，其中图3是一个沿着包括根据本实施例(通常用标号51表示)组成的一个转动电机的转轴的平面方向的剖视图。在本实施例中，机器51是一个电动机，但是再一次需要说明的是，对于本领域的普通技术人员来说，本发明应用于发电机也是很明显的。
电机51有一个通常用标号52表示的外架，它包括一个周围延伸的定子外壳53，其上面附着有许多周围空间的圆柱形有交替电极的永磁部分54。根据前面已经描述的实施例，永磁体共有四个并且这些永磁体的磁角大约为67.5°。
电机外架52以端盖55和56结束，其中锁合通过螺栓57分开的附着在定子外壳53上。轴承58合59固定在端盖55和56和转子轴61的端部的轴颈处。转子轴61附着在一个通常以标号62表示的薄片状的中心组件，它有一个圆柱形的内部以便于安装轴61，并且18个磁极齿63也从这里延伸开来。磁极齿的末端64和永磁体54呈相对的关系。
线圈绕组65缠绕住磁极齿63，并且按照如图4中所示的详细视图的模式缠绕。线圈绕组65在端部分别与相应的换向器带66联接在一起，如图3和4中所示。这些换向器带66恰好附着在转子轴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所固定以便于电流可以传送到线圈绕组65中去，如本领域中的一种很常见的方式。这样，象前面所描述的实施例一样，这个实施例就可以得到一个为72的转矩变动数，它至少是磁体数目54和磁极齿数目63的公倍数36的两倍。
因此，从前面进行的描述就可以直接明显的看出通过增加转矩变动数而不必按以前的思路增加磁极齿或永磁体数目来减小变动转矩是可能的。当然，这个优势可以应用到电动机或发电机上，实际上，可以应用到线性电机上。当然，前面所述的为本发明的优选实施例，按照附属的权利要求对本发明所作的各种改变和修改都不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种减少的变动转矩的永磁旋转电机，所述电机具有包括在周向上具有交替极性的许多永磁体的永磁元件，所说的永磁体的形状基本相同，并且在周向上等间隔设置，以及与永磁元件并置在一起的电枢元件，该电枢元件有在其周围绕有线圈绕组的且在圆周向上间隔开的许多芯齿，所说的芯齿在它们之间形成了数量为N的齿槽，支撑着所说的永磁元件和所说的电枢元件进行相对转动，由所说的永磁体相对于旋转轴所形成的圆周磁角产生了基本比齿槽数目S和磁极数目P的最小公倍数大的有效的转矩变动数。
2.如权利要求1所述的永磁旋转电机，其特征在于，转矩变动数至少是齿槽数目S和磁极数目P的最小公倍数的两倍。
3.如权利要求2所述的永磁旋转电机，其特征在于，选择施加到转子上的N和S磁极的永磁体上的转矩的大小以使两个转矩值基本相互抵消了。
4.如权利要求2所述的永磁旋转电机，其特征在于，永磁元件的磁极数目P是一个不小于4的偶数，并且齿槽数目S不是P的倍数。
5.如权利要求1所述的永磁旋转电机，其特征在于，旋转电设备是一个直流电动机，齿槽数目S为18，磁极数目P为4，和永磁体相对于旋转轴形成的磁角基本等于67.5°。
6.如权利要求1所述的永磁旋转电机，其特征在于，选择施加到转子的N和S磁极的永磁体上的转矩的大小以使两个转矩值基本相互抵消了。
7.一种减少的变动转矩的永磁旋转电机，所述电机具有包括在周向上具有交替极性的许多永磁体的永磁元件，所说的永磁体的形状基本相同，并且在周向上等间隔设置，以及与永磁元件并置在一起电枢元件，该电枢元件有在其周围绕有线圈绕组的且在圆周向上间隔开的许多芯齿，所说的芯齿在它们之间形成了数量为N的齿槽，支撑着所说的永磁元件和所说的电枢元件进行相对转动，选择施加到转子的N和S磁极的永磁体上的转矩的大小以使两个转矩值基本相互抵消了。
8.如权利要求7所述的永磁旋转电机，其特征在于，旋转电设备是一个直流电动机，齿槽数目S为18，磁极数目P为4，和永磁体相对于旋转轴产生的磁角基本等于67.5°。
9.一种制造一个减少的变动转矩的永磁旋转电机的方法，所述方法包括如下的步骤构造在周向上具有交替极性的许多永磁体的永磁元件，这些永磁体的形状基本相同，并且在周向上等间隔设置，使电枢元件和永磁元件并置在一起，该电枢元件有在其周围绕有线圈绕组的且在圆周齿在它们之间形成了数量为N的齿槽，支撑着永磁元件和电枢元件进行相对转动向上间隔开的许多芯齿，该芯，选择永磁体元件的磁极P的数量为不小于4的偶数和选择齿槽S的数量以使它不为P的倍数，并选择由永磁体相对于旋转轴所形成的圆周磁角以产生基本比齿槽数目S和磁极数目P的最小公倍数大的整数倍数的转矩变动数。
10.如权利要求9所述的制造永磁旋转电机的方法，其特征在于，转矩变动数至少是齿槽数目S和磁极数目P的最小公倍数的两倍。
11.如权利要求10所述的制造永磁旋转电机的方法，其特征在于，选择施加到转子的N和S磁极的永磁体上的转矩的大小以使两个转矩值基本相互抵消。
12.如权利要求10所述的制造永磁旋转电机的方法，其特征在于，永磁元件的磁极数目P是一个不小于4的偶数，并且齿槽数目S不是P的倍数。
13.如权利要求9所述的制造永磁旋转电机的方法，其特征在于，旋转电设备是一个直流电动机，齿槽数目S为18，磁极数目P为4，和永磁体相对于转轴形成的磁角基本等于67.5°。
14.如权利要求9所述的制造永磁旋转电机的方法，其特征在于，选择施加到转子的N和S磁极的永磁体上的转矩的大小以使两个转矩值基本相互抵消。
15.一种制造一个减少的变动转矩的永磁旋转电机的方法，所述电机具有包括在周向上具有交替极性的许多永磁体的永磁元件，所说的永磁体的形状基本相同，并且在周向上等间隔设置，以及与永磁元件并置在一起的电枢元件，该电枢元件有在其周围绕有线圈绕组的且在圆周向上间隔开的许多芯齿，所说的芯齿在它们之间形成了数量为N的齿槽，支撑着所说的永磁元件和所说的电枢元件进行相对转动，选择施加到转子的N和S磁极的永磁体上的转矩的大小以使两个转矩值基本相互抵消。
16.如权利要求15所述的制造永磁旋转电机的方法，其特征在于，旋转电设备是一个直流电动机，齿槽数目S为18，磁极数目P为4，和永磁体相对于旋转轴形成的磁角基本等于67.5°。
17.如权利要求15所述的制造永磁旋转电机的方法，其特征在于，永磁磁角是通过对单个磁体的转矩的计算机仿真得到的。
全文摘要
旋转电机的两个实施例，通过增加转矩变动数而不增加磁极齿和磁体数目使变动转矩实际上减小了。这是通过选择适当的磁角来增加每转过程中的转矩变动数来完成的，这可以通过使用对单个磁体的变动转矩的计算机分析来完成的，而不是使用反复试验的方法。
文档编号H02K23/40GK1417928SQ0215291
公开日2003年5月14日 申请日期2002年10月28日 优先权日2001年10月29日
发明者安藤劝, 高桥秀明 申请人:株式会社萌力克