专利名称：具有减小接齿效应和波动转矩的无刷永磁电机及制造方法
技术领域：
本发明涉及一种具有减小接齿效应(cogging)和波动(ripple)转矩的无刷永磁电机。
背景技术：
电机，例如无刷永磁(BLPM)电动机，一般会遇到接齿效应和波动转矩的问题，这两个问题都会引起噪音和振动并可负面影响电机的起动性能。接齿效应和波动转矩分量的总和被称为电机的脉动转矩。转子磁场与定子磁通势(mmf’s)相互作用引起的向负荷传递的转矩中，波动转矩表表征为周期变动。接齿转矩现出不均匀转矩，这是由于转子磁化和与定子的槽形状相关的气隙磁导(或磁阻)中的角变化相互作用而引起的。根据定义，定子磁动势(excitation)不包含在接齿效应转矩的产生过程中。需要有一种电机来使接齿效应和波动转矩的影响最小并且使操作平稳。另外，需要有一种电机，它的转子可操作对于给定的电机机架提供多种动力或电机功率，并由此减少加工工具成本和备料(inventory)。而且，需要提供一种易于配置成相数和极数的不同组合下工作的电机。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供一种具有机器输出功率的电机。该电机包括可围绕一轴线旋转的一轴；安装或耦合在所述轴上并随着所述轴旋转的一转子；包括一定子芯和绕组的一定子。该转子被构造成包括与第一输出功率相关的第一转子部分和与第二输出功率相关的第二转子部分。该定子芯被构造成当机器输出功率对应第一额定功率时被设置与第一转子部分邻近，当机器输出功率对应第二额定功率时被设置与第二转子部分邻近。
在另一个实施例中，本发明提供一种电机，该电机可设定成用多种模式中的一种进行操作，该多种模式包括第一模式，其中电机包括第一机器输出功率；和第二模式，其中电机包括第二机器输出功率。第二机器输出功率不同于第一机器输出功率。所述电机包括可围绕一轴线旋转的一轴；安装或耦合在所述轴上并随着所述轴旋转的一转子；包括一定子芯和绕组的一定子。该转子在第一模式中为第一转子而在第二模式中为第二转子。第一转子具有对应于第一机器输出功率的第一转子长度和/或第一磁化模式。第二转子具有对应于第二机器输出功率的第二转子长度和/或第二磁化模式。所述定子芯在第一模式中为第一芯而在第二模式中为第二芯。第一芯具有对应于第一机器输出功率的第一芯长度，第二芯具有对应于第二机器输出功率的第二芯长度。
在再另一个实施例中，本发明提供一种电机，具有可围绕一电机轴线旋转的一轴；安装或耦合在所述轴上并随着所述轴旋转的一转子；包括多个定子齿部的一定子。每个定子齿部包括沿着与转子相邻的一表面的一个或多个槽。该槽包括梯形形状和曲线形状中的一种。
在另一个实施例中，本发明提供一种制造具有一定子和一转子的电机的方法。该方法包括的操作有从多个输出功率确定所想要的输出功率；确定定子的长度，该长度与所想要的输出功率相关；确定转子的长度，该长度与所想要的输出功率相关；制造定子；提供一磁化装置，该磁化装置被构造成将转子磁化成多个部分；制造转子。制造转子的操作包括当所想要的输出功率对应第一输出功率时磁化该转子以使其包含第一部分，和当所想要的输出功率对应第二输出功率时磁化该转子以使其包含第一部分和第二部分。
本发明的其它方面通过考虑详细说明和附图将会更明白。
附图的简要说明
图1为无刷永磁电机的定子和转子的部分分解图；图2为图1的转子的一种结构的纵视图；图3为图1的转子的另一种结构的纵视图；图4为图1的转子的再另一种结构的纵视图；图5为图1的转子的另一种结构的纵视图；图6为可用于图1的电机中的定子芯和转子的剖视图；图7为可用于图1的电机中的部分定子芯的部分剖视图；图8为可用于图1的电机中的部分定子芯的部分剖视图；图9为可用于图1的电机中的部分定子芯的部分剖视图；图10a示出一转子的纵视图与一定子的纵剖视图的组合，该定子的芯的长度与转子相同；图10b示出一转子的纵视图与一定子的纵剖视图的组合，该定子的芯的长度小于转子并且采用垫片来使定子和转子轴向对齐；图11示出用紧密线圈双层布置的定子绕组模式的一个实例，用于18-槽、12-磁极、3-相位的机器；图12示出用紧密线圈单层布置的定子绕组模式的一个实例，用于18-槽、12-磁极、3-相位的机器；和图13示出用来限定转子上磁化偏斜弧度(β)的透视图。
具体实施例方式
在具体描述本发明的所有实施例之前，应该理解的是本发明的应用不限于以下说明和所示的附图所阐述的结构细节以及部件的布置。本发明的其它实施例能用各种方式来实现或实施。同样，应该理解的是这里所用的措辞和术语是为了描述，而不应认为是一种限制。在这里“包含”、“包括”、或“具有”及其改变的使用都意于包含其后所列的项目及其等效物和其它项目。术语“连接”、“耦合”和“安装”及其改变在这里使用广泛，除非另作说明，还包括直接或间接连接、耦合、和安装。此外，这里的术语“连接”、“耦合”和“安装”及其改变不只限于物理的和机械的连接和耦合。
图1为电机(例如电动机、电机器等)的一种构造的定子和转子的部分分解图。对于图1，电机是一种具有转子15和定子20的电动机10。转子15与轴17相耦合。一般而言，定子20接收电能，并响应于该电能而产生磁场。定子20的磁场与转子15的磁场相互作用以在轴17上产生机械能。在下文本发明指的是电动机10，但是本发明不限于电动机10。
转子15包括位于转子芯30表面上的交替极性的多个磁极25。转子芯30包括铁心片(例如磁钢铁心片)、和/或固体材料(例如固体磁钢心)、和/或压缩粉末材料(例如磁钢的压缩粉末)。转子15的一种结构包括位于转子芯30上的一片永磁(例如硬磁)材料。转子15的另一种结构可包括附加(例如用粘合剂)在铁心30周围的多条永磁材料。永磁材料可由一磁化装置磁化以提供多个交替磁极。另外，磁条的数目可以不同于转子磁极的数目。转子15还有一种结构包含设置在转子芯30内的块状永磁材料。
本发明的描述不限于转子15的特定的机械结构、几何形状或位置。例如，图1示出的转子15位于定子内与定子分开一径向气隙。在其它结构中，转子15可径向设置在定子20外面(也即，该机器为外转子式机器。)减少接齿效应和转距波动的一种方法是使磁极25相对于定子20的磁化偏斜。另外，也可将定子20的齿部相对于转子磁化偏斜。转子磁化偏斜(magnetization skew)的最佳弧度取决于电机布局和特定的机械设计。如图1-5所示，转子15的“磁化”指的是沿着转子15长度方向上的线状图形(line pattem)31，该线状图形描绘了转子芯30上的交替磁极25。即使本发明的转子15可以包括任何数目的交替磁极25，但为了简单起见，图2-5仅示出了一个沿着转子15的线状图形。
图13所示是与定义转子磁化偏斜有关的几何概念。磁化偏斜的弧度可定义为弧度(β)，由面向气隙的转子表面上的纵线32和33(见图2)之间的弧度来测量，所述气隙将定子和转子分开。
图2为转子15的一种结构的示意图，该转子15沿着其旋转转轴线50被分成多个轴向部分55(例如70、71和72)。轴向部分55的数目可以变化，在本发明中无限制。轴向部分55指的是用虚线60区分的一部分转子15。虚线60指的是转子15上的多个位置，在该些位置磁化图形31的偏斜方向发生改变。转子15的一种结构包括基本带有相同的磁化偏斜弧((β))沿着每个轴向部分55交替的磁极，从而产生人字式磁化。每个轴向部分55的长度可以改变。对于每个轴向部分55来说，磁化偏斜的弧度通常是相同的以确保磁极的连续性，并且选择以使接齿效应和转距波动最小。但是，外侧的轴向部分(在图5中由95和100表示)可具有一个不同的磁化偏斜弧度，下文将对此进行描述。
转子的设计(例如长度和磁化模式)与所想要的发动机的输出功率(例如，马力或转距的额定功率和速率)有关，其中所想要的额定输出功率是定子和转子的轮廓(profile)多个指标之一。这里，定子和转子的横断面轮廓指的是定子芯105和转子15的剖面几何图。例如，图6所示为本发明的定子芯105和转子15的一种结构的轮廓。在一种结构中，电机10通过改变定子芯的长度(例如堆叠的铁心片的数目)并利用相同轮廓的定子芯105来提供多个输出功率，该定子芯105与转子15轴向部分55的各个组合相互进行磁性作用。本发明在这方面减少了工具(tooling)成本和坯料(备料inventory)。在某些结构中，为了匹配电源条件、所想要的输出功率、其它设计要求、例如铜填充系数，当通过设计来改变定子堆长度时，绕组模式(windingpattern)保持相同而圈数和线尺寸改变。
在转子15上提供人字形磁化模式的一种方法(见图1)包括使用磁化装置(magnetizer)和磁化夹具(magnetizing fixture)。通常，一种具有特定长度转子15的电机需要一种特定的磁化夹具。本发明的转子15允许将相同的磁化装置和磁化夹具用于多个额定输出功率(outpower rating)，由此减少工具成本。
图2示出包括三个轴向部分70、71和72的转子15的一种结构。定子20与三个轴向部分70、71和72中的一个或多个相互作用从而为电机的轮廓(profile)提供多个输出功率。第一轴向部分70包括与第一偏斜方向对齐的磁极，第二轴向部分71包括与第二偏斜方向对齐的磁极，第三轴向部分72包括与第一偏斜方向对齐的磁极。第二轴向部分71与第一定子20相互作用从而为电机的轮廓提供最小额定功率(例如，二分之一的马力输出)。第一和第二轴向部分70和71的结合与第二定子20相互作用从而为电机的轮廓提供中间额定功率(例如四分之三的马力输出)。所有三个轴向部分70、71和72的结合与第三定子20相互作用从而为电机的轮廓提供最大额定功率(例如一个马力输出)。相对于下面将给出的其它结构的描述，转子15的这种结构沿着转子在偏斜方向上变化较少，这样磁化夹具包括一个更简单且精确的磁化模式。制造相同长度和磁化偏斜弧度(β)的第一和第三轴向部分70和72，有助于具有电机剖面的最大额定功率的电机的轴向磁对称。但是，采用图2所示的转子15结构，特征为电机10轮廓内轴向部分数等于可能输出功率的数目，未必保证中间输出功率的电机的轴向对称。
图3为转子15的另一种结构的示意图。图3所示的结构特征为电机轮廓内轴向部分数等于可能输出功率的数目的双倍。例如，如图3所示，转子15包括六个可操作的轴向部分75、76、77、78、79和80从而提供三个额定输出功率。第三和第四轴向部分77和78与第一定子20相互作用从而为电机的轮廓提供最小额定功率(例如，二分之一的马力输出)。第二、第三、第四、和第五轴向部分76、77、78和79的结合与第二定子20相互作用从而为电机的轮廓提供中间额定功率(例如四分之三的马力输出)。所有轴向部分75、76、77、78、79和80与第三定子20相互作用从而为电机的剖面提供最大额定功率(例如一个马力输出)。上述的第一、第二和第三定子20包括相同轮廓的定子芯105、但该定子芯的长度(例如铁心片的数目)不同从而提供所想要的输出功率。
图4为本发明的转子15的另一种结构的示意图。这种结构的特征在于轴向部分数等于电机10轮廓内可能输出功率的数目的双倍减一。例如，图4示出包括五个可操作的轴向部分85、86、87、88和89从而提供三个额定功率输出。第三轴向部分87与第一定子20相互作用从而为电机的轮廓提供最小输出功率(例如二分之一马力输出)。第二、第三和第四轴向部分86、87和88的结合与第二定子20相互作用从而为电机的轮廓提供中间额定功率(例如四分之三马力输出)。所有五个轴向部分85、86、87、88和89的结合与第三定子20相互作用从而为电机的轮廓提供最大额定功率(例如一个马力输出)。每个轴向部分85、86、87、88和89的长度可以不同。上述的第一、第二和第三定子20包括轮廓相同的定子芯105，但定子芯的长度(例的如，铁心片的数目)可以不同从而提供所想要的输出功率。
图3和4所示的本发明的结构提供设计改变轴向部分的长度更多自由度并提高电机的轴向对称。在图3所示的转子结构中，如果第一和第六轴向部分75和80、第二和第五轴向部分76和79、第三和第四轴向部分77和78分别具有相等的长度和磁化偏斜弧度，那么电机的轴向对称性提高。在图4所示的转子结构中，如果第一和第五轴向部分85和89、第二和第四轴向部分86和88分别具有相等的长度和磁化偏斜弧度，那么电机的轴向对称性提高。在图5所示的转子结构中，如果第一和第六轴向部分95和100、第二和第五轴向部分96和99、第三和第四轴向部分97和98分别具有相等的长度和磁化偏斜弧度，那么电机的轴向对称性提高。
所设计的转子15的一种结构包括与第一输出功率(P1)(例如，二分之一马力输出)相关的第一一个或多个轴向部分。第一一个或多个轴向部分55具有第一长度(L1)。由用于电机轮廓的最大额定功率(Pm)的转子的最大长度(Lm)除第一一个或多个轴向部分55的第一长度L1比率，是额定功率的比率(P1/Pm)的3/4至1/2倍，优选是额定功率的比率(P1/Pm)的3/4至1/4倍。这个功率的长度比范围为设计者提供了，通过综合平衡一方面是电动机的大小和成本，另一方面是电动机的效率，设计希望的额定输出的自由度。转子15也可包括与电机轮廓的中间额定功率(Pi)(例如二分之一马力输出)有关的第二一个或多个轴向部分。第二一个或多个轴向部分具有第二长度(Li)，该第二长度包括第一长度。由电机的最大长度(Lm)除第二一个或多个轴向部分的第二长度比率是额定功率比率(Pi/Pm)的3/4至11/2倍，优选为额定功率比率(Pi/Pm)的3/4至11/4倍。
轴向部分的总数和给定电机轮廓的额定功率的总数在本发明中不限制。所以，一般而言，转子设计15包括与第一额定输出(Px)(例如二分之一马力输出、3/4马力输出等)相关的一个或多个轴向部分。一个或多个轴向部分55具有第一总长度(Lx)。由用于电机轮廓的最大额定功率(Pm)的转子的最大长度(Lm)除一个或多个轴向部分55的第一总长度Lx的比率，是额定功率比率(Px/Pm)的3/4至1/2倍，优选为额定功率比率(Px/Pm)的3/4至1/4倍。
除了减少接齿效应(cogging)和转矩波动，磁化偏斜的弧度也影响电机10的特定转矩输出(例如，在给定电流时每单位轴向长度的转矩)。一般而言，转矩输出或额定功率随着磁化偏斜弧度的增加而降低。减少磁化偏斜弧度可以增加每轴向长度的电机转矩输出。因此，以增加接齿效应(cogging)和转矩波动为代价，减少磁化偏斜的弧度允许缩短转子15的轴向长度并保持所想要的电机10功率输出。缩短转子15的轴向长度降低了材料成本。
图5示出了转子15的另一种结构，该转子15包括具有基本相等的磁化偏斜弧度的内侧截面96、97、98和99，以及磁化偏斜弧度比该内侧截面96、97、98、99的磁化偏斜稍小的外侧截面95和100。该内侧截面96、97、98、99包括相同的磁化偏斜弧度从而增加连续性和对称性。外侧截面95和100具有小的磁化偏斜弧度(β)从而通过采用所有六个轴向部分95、96、97、98、99和100来增加电机的输出功率。
对于上述的图2-5，输出功率的值和数目可以改变并且不限制本发明。此外，与一个或轴向部分55的结合相关的输出功率之间的增量差别(incremental difference)可被改变并且不限制本发明。
在本发明的一种结构中，电机包括具有如图2-5中的一个所示的多个轴向部分的转子15。该转子15提供该机器轮廓的多个输出功率。在改变输出功率的电机中，电机的这种结构采用相同的转子15，由此减少零件数(part count)和利用相同的电机剖面来产生不同输出功率的电机所需的坯料。
在电机的另一种结构中，当所需的电机输出功率小于利用相同的定子芯轮廓所产生的机器的最大额定输出功率时，不存在转子15的一个或多个轴向部分55。例如，对于具有所想要的二分之一输出马力的电机而言，图2的转子轴向部分70和72是不需要的。电机的这种结构允许采用相同的磁化装置以使机器轮廓内的具有一定范围输出功率的转子15磁化。此外，这种结构减少了转子15的原料浪费(例如图2的70和72)。
定子20的各种设计可用来与上述的图2-5所示的转子15的每种结构相互作用。以下是对本发明的一种结构的描述，该结构包括从定子20径向设置的转子15。参照图1，定子20包括具有多个定子齿部110和定子绕组112的定子芯105。在一种结构中，定子芯105包括许多磁钢铁心片或板。在另一种结构中，定子芯105由固态块状磁性材料，例如磁钢的压实粉末组成。定子绕组112包括设置在槽120(图6)内的围绕多个齿部110的导体。可以采用本领域技术人员公知的其它结构和类型的定子芯105和定子绕组112，并且不限制本发明。
流过定子绕组112的电流产生一磁场，该磁场与转子15的磁化相互作用从而将转距提供给转子15和轴17。电流可以是(m)相位交流电(AC)，其中(m)是大于或等于2的整数。电流可具有各种类型的波形(例如，方波，准正弦波(quasi-sine)等)。定子绕组112接收来自电驱动电路(未示出)的电流。电驱动电路的一种结构包括一控制器和一反相器(inverter)，该反相器具有一个或多个动力电子开关(power electronic switch)(例如MOSFET，IGBT)以便根据各种电动机操作参数(例如速度、负载、转子位置等)改变电流至绕组的流量。为了确定转子15的位置，在某些结构中控制电路包括一传感器(例如霍尔效应装置，编码器等)，从而为控制电路提供表示转子位置的信号。可选择地，控制电路可经由通常所指的一种无传感器控制(sensorless contro1)来判断转子位置。这种电驱动电路可包括本领域技术人员公知的其它部件和电路结构，并且不限制本发明。
图6所示为在一个电动机中使用的垂直于轴线50的电机剖视图(图6未示出定子绕组112)。定子芯105包括多个定子齿部110、槽120、护铁部(back iron portion)115。多个定子槽120的每个接收一个或多个定子线圈，该定子线圈的组合构成定子绕组112。定子绕组接收多相电流，其中相位数目(m)为大于或等于2的整数。槽120由相邻定子齿部110之间的间隔来限定。在一种结构中，转子15通过将转子芯30上的三个弧形磁铁26固定而产生。其它转子设计和结构也可如前面所述。磁化装置用于在转子15上产生多个(p)与定子20相互作用的交替磁极，这里(p)为大于或等于2的偶数(也即可被2整除)。定子芯105中齿部与磁极数目的比率(t/p)等于(m/2)或(m/4)。
具有上述结构的定子芯105(见图6)可用于设计和制造具有各种(m)电相的电机，其中绕子112由紧密线圈构成(见图11和12中的绕组模式)和转子具有磁极(p)。例如，具有相同横断轮廓并且具有多个(t)定子齿部110的定子芯105原则上可用来产生具有(m)相位或增数的相位(km)电动机。为了保持相同的比率(t/p)，磁极的数目可以减少至(p/k)，所以(k)可以是任意整数，(p/k)是大于或等于2的偶数。可选择地，相位数可以从(m)减至整数(m/k)，其中(k)是任意整数，(m/k)是大于或等于2的整数。为了保持相同的比率(t/p)，磁极数可增至(kp)。
为了给定子20提供(m)对称的电相位，在每个相位内，该相位的紧密线圈相连接，从而以机械角(4π/(mp))的弧度设置连续相位。对于任何数目的相位(m)，齿部的数目(t)和磁极的数目(p)被设计成其比率(t/p)等于(m/2)或(m/4)。所以每磁极和相位的齿数目(t/p/m)为一设计常数，分别等于1/2或1/4，因此对于恒量的气隙磁负载(例如磁通密度)，每齿部的磁通量保持不变。所以，可以最优设计定子齿部110以用于任何数目的相位。
在所述机器的某些结构中，一般希望护铁部115(见图6)以近似相同于齿110的磁负载操作。为了使磁负载均衡，护铁部115的最小宽度可等于每极齿数与齿宽的乘积值的一半。护铁的最小宽度(Wy)被限定为槽120的顶部与一圆之间的最小距离，该圆的中心位于旋转轴线50上，和其半径等于旋转轴50与从定子芯105外面看的任何平面之间的最小距离(见图6)。每磁极的齿数目(t/p)可以是整数或分数。对护铁部115的最小宽度的限制包括可制造性和所增的磁通势降(mmf drop)以及与护铁磁通密度有关的铁损。对于用增加相位数(m)的一种设计，通过设计来减少磁极数目从而为给定的铁心片保持恒定的比率(t/p)。通过设计来降低磁极数目(p)导致磁极间距增加，以及对于相同气隙磁负荷，护铁部115磁通密度增加。对于给定转速的电机，通过设计来降低磁极数目(p)，还可导致磁场的基频降低，并且限制护铁部115中的铁损。考虑上述参数的有限元分析表明，护铁部115宽度在，被2除的每磁极齿数目(t/p)的结果倍数(11/2-41/2)和齿宽倍数(wt)之间(between(11/2-41/2)times the product of numberof teech per pole(t/p)divided by 2 and times the tooth width(wt))。
定子绕组112的一种结构包括双层布置的紧密线圈(图11)，该线圈围绕每个齿部设置(也即，线圈具有1个槽的节距)。在该双层布置中，每个槽由两个线圈边共享，每个线圈边属于不同的线圈和相位。共享一槽的量线圈边可并排或一个在另一个之上地设置。图11所示为18-槽、12-磁极、3-相位的双层绕组模式的一个实例。根据如上所设定的规则，对于给定的定子芯和具有紧密线圈的绕组以及双层模式，为了使所述机器用任何数目的相位(m)和磁极(p)来操作，其中(t/p)等于(m/2)或(m/4)，通过设计来更改线圈连接、每个线圈的圈数以及线尺寸。
绕组112的另一种结构包括单层布置的紧密线圈(图12)，该线圈围绕齿部每隔一个齿部地设置(也即，线圈具有1个槽的节距并且仅围绕半数的齿部而设置)。在该单层布置中，每个槽仅包含一个线圈边。图12所示为18-槽、12-磁极、3-相位的单层绕组模式的一个实例。根据如上所设定的规则，对于给定的定子芯和具有紧密线圈的绕组以及单层模式，为了使所述机器以任何数目的相位(m)和磁极(p)来操作，其中(t/p)等于(m/2)或(m/4)，通过设计来更改线圈连接、每个线圈的圈数以及线尺寸。与具有紧密线圈的双层绕组相比较，具有紧密线圈的单层绕组仅具有半数线圈，但是每个相位中端部绕组一般要长些。
定子20的相绕组以电弧度(2π/m)或机械弧度(4π/(mp))对称且等距离地分布。流过定子绕组的对称相系统电流(m)产生一磁通势(mmf)，该磁通势具有(p/2)机械级的空间电基波。该mmf还包括(2km-1)和(2km+1)电级的空间谐波，其中k是大于或等于1的整数。当电机与一负载连在一起时，该mmf谐波引起波动转距，这是上文所述的不希望有的机械特征。mmf谐波的振幅随着其谐波级的降低而增加。较低级的mmf谐波(2m-1)和(2m+1)的振幅可以很大，且它们的减少确保了电机的顺利操作。
采用简单的紧密绕组，根据前面的描述建立减少mmf谐波的传统部件，例如短节矩(short-pitching)该绕组都是不可用的。而是，确定和实施最佳的磁化偏斜来减少mmf谐波和转距波动，以及接齿效应转矩(cogging torque)。
第ν电级(electrical order)的mmf空间谐波的偏斜要素由等式(ksv＝4sin(νpβ/4)/(νpβ))给定，其中磁化偏斜的弧度(β)用面向气隙的转子表面的弧度来测量(见图2)。如果正弦函数的相位满足等式(νpβ/4＝nπ)，那么谐波完全被消除，其中(n)是大于或等于0的整数。对于(ν＝2km-1)电级的mmf谐波，前面的等式与(β＝4nπ/(p(2km-1)))等效，而对于(ν＝2km+1)电级的mmf谐波，前面的等式与(β＝4nπ/(p(2km+1)))等效。为了增加(n)和/或(k)的值，两个数组(4nπ/(p(2km-1)))和(4nπ(p(2km+1)))收敛为(2π/(pm))。
所以，为了减少(2km-1)和(2km+1)级的mmf空间谐波，电机的一种结构包括定子20和转子15，在该定子20中每磁极的定子齿部110的比率(t/p)等于(m/2)，该转子15包括面向气隙的转子子表面的弧度测量的磁化偏斜弧度(β＝2π/(pm))。电机10的另一种结构包括定子20和转子15，在该定子20中每磁极的定子齿部110的比率等于(m/4)，该转子15包括面向气隙的转子子表面的弧度测量的磁化偏斜弧度(β＝2π/(pm))。
一种典型的用于提供具有紧密线圈的双层定子绕组的制造工艺包括使用针状或枪状卷绕器。为了允许卷绕器被插入槽120内，定子的槽120的显著较大的开口向着气隙是有益的。
一种典型的用于提供具有紧密线圈的单层定子绕组的制造工艺包括使用插入式卷绕器。为了允许将导体插入槽中，显著较大开口的定子槽120是需要的。本领域公知的提供定子20的定子绕组112其它类型和工艺也可被使用。
槽120相对较大的开口分别使针状卷绕器的插入和绕组导体的插入更容易。对自动卷绕制造来说是节约成本的适当大的槽120开口，包括比1/6的齿距大的范围。齿距是齿部110的相邻中心线135(见图7-9)之间的距离。槽120促使转子15和定子20之间气隙的导磁性发生变化。气隙导磁性的变化与转子15的磁场相互作用从而引起接齿效应转矩(cogging torque)。如上所述，接齿效应转矩是不希望的电机特征，通过减少气隙导磁性的变化可使其最小，同时仍然保持适于体积制造工艺的适当大槽口。
图7、8和9所示为定子芯105的一种结构，该定子芯105包括定子齿部110中的“模型”通道130。该模型通道130减小了振幅，并且对于某种电机布局，如下文即将示出的，可以增加接齿效应转矩的频率。每个模型通道130的形状和尺寸通过设计来改变，从而与转子位置比较提供更对称的接齿效应转矩的变化。定子20的结构包括一个适当的芯105，该芯105的每个齿部110具有一个或两个模型通道130。当然，本发明的定子20可包括多个模型通道130并且不限制本发明。
定子20的槽120的等效开口的数目包括槽120的数目和模型通道130的数目(见图7-9)。通过在每个齿部110的自由端增加模型通道130的数目(d)，其中(d)是大于或等于0的整数，面对气隙的等效槽口的数目从(t)增加至([d+1]t)。接齿效应转矩的频率等于等效槽口数([d+1]t)和磁极数(p)的最小公倍数。
因为(t/p＝m/2)，数学归纳法证明如下
其中(k)和(j)是大于或等于1的整数。在上述的每种情况下，由面向气隙的转子表面上的纵线32和33之间的弧度(见图13)测量的磁化偏斜的弧度(β)等于(2π/(mp))，促使接齿效应转矩和波动转矩减少。
因为(t/p＝m/2)，数学归纳法证明如下
其中(k)和(j)是大于或等于1的整数。在上述的每种情况下，由面向气隙的转子表面上的纵线32和33之间的弧度(见图13)来测量，磁化偏斜的弧度(β)等于(2π/(mp))，促使接齿效应转矩和波动转矩减少。
图7所示为定子齿部110的一种结构，该定子齿部110包括模型通道130，该模型通道130具有位于齿部110中间并与齿部中心线135一致的中心线。在图7的结构中，模型通道130一般为梯形并由通道的顶宽(Wn)、通道的底宽(Wb)和侧角(α)来表征。槽口的宽度(Wo)被设计成最小值，实现节约成本地制造定子绕组，并且接齿效应转矩降低。槽口的高度(ho)、模型通道的尺寸(Wn)、(Wb)和(α)从磁性和机械的角度被设计成使所述机器最优化。
电磁场的有限元分析表明图7的通道130的结构，控制了齿尖中磁饱和的地区级(local level)，改变了气隙的磁导性，减少了接齿效应转矩，并相对于转子位置提高了接齿效应转矩变化的对称性，其中该通道的顶宽(Wn)为(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)，底宽(Wb)为(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)，侧角(α)为(30°)≤(α)≤(135°)。所以，在一电机中明显减少接齿效应转矩，此外，该电机的转子磁化偏斜具有前面所描述的最佳偏斜弧度(β)。
图8所示为定子齿部110的第二种结构，该定子齿部110具有两个模型通道130。模型通道这样设置从而它们的中心线137以三个近似相等长度的间距来分割槽距，该槽距包含在两相邻槽的中心线136之间的距离。在图8的结构中，模型通道130一般为梯形并且由通道的顶宽(Wn)、通道的底宽(Wb)、侧角(α)以及另一个侧角(γ)来表征。槽口的宽度(Wo)被设计成最小值，实现节约成本地制造定子绕组而获得，并且接齿效应转矩降低。槽口的高度(ho)、模型通道的尺寸(Wn)、(Wb)、(α)和(γ)从磁性和机械的角度被设计成使所述机器最优化。
电磁场的有限元分析表明图8的通道130的结构，控制了齿尖中磁饱和的局部水平(local level)，改变了气隙的磁导，减少了接齿效应转矩，并相对于转子位置提高了接齿效应转矩变化的对称性，其中该通道的顶宽(Wn)为(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)，底宽(Wb)为(0.3Wo)≤(Wb)≤(Wo)，侧角(α)和(γ)为(30°)≤(α)≤(90°)和(30°)≤(γ)≤(90°)。所以，在电机中明显减少接齿效应转矩，此外，该电机的转子磁化偏斜弧度具有前面所描述的最佳偏斜弧度(β)。对于每齿部110有两个模型通道130的定子30结构而言，空间限制可限制侧角(α)和(γ)的值以使其等于或小于90度。
图9所示为具有两个曲线状模型通道130的定子齿部的另一结构。模型通道这样设置从而它们的中心线137以三个近似相等长度的间距来分割槽距，该槽距包含在两相邻槽的中心线136之间的距离。面对气隙的模型通道130的开口等于槽120的开口(Wo)。曲线形状沿着圆的弧而行，该圆的中心位于各个模型通道的中心线上，并且直径大于或等于(Wo)的3/4并且小于或等于(Wo)的11/2。这种形状和尺寸的模型通道减少了接齿效应转矩并提高了制造定子叠片用的冲压模的耐用性。
已经描述了电机的结构，现在将描述装配一种结构的电机的方法。可以想象的是该方法可对其它结构进行改变。此外，可以想象的是以下进行的操作不是都需要，其中一些操作可以更改，或者操作的顺序可以改变。
设计者提供具有多个交替磁极的转子15。该转子15沿着纵轴线50被分成多个部分。该多个部分可包括与第一输出功率(例如二分之一马力)有关的第一部分，与第二输出功率(例如四分之三马力)相关的第二部分，与第三输出功率(例如一个马力)相关的第三部分。
每个部分被划分成一个或多个轴向部55(例如图2中的轴向部70、71和72)。每个轴向部55包括与电机的第一、第二和第三输出功率相关的交替磁极的各个磁化偏斜弧度(β)。该磁化偏斜弧度(β)用面向气隙的转子表面来测量，如图2所示。磁化装置用来磁化转子的轴向部。这种构造转子15的方法允许使用共同的磁化装置用来磁化转子提供多个所想要的额定输出功率，由此减少加工成本。在电机的一种结构中，提供所想要的输出功率不需要的端轴向部55没有包含在转子15中，所以也减少了材料成本。在另一种结构中，转子15的所有轴向部55(例如与所想要的输出功率相关和不相关的部分)可保持在转子15的组合中。例如，如果根据所想要的输出功率来说，不必需的转子材料成本比，仅减小转子尺寸的备料(inventory)取得的成本节约小，那么该第二种结构是有利的。
利用均匀轮廓的定子20，设计者确定与转子15相互作用的定子芯105长度从而提供所想要的输出功率。例如，采用叠层结构的定子芯105，设计者选择磁性材料叠片的堆长度，从而提供所想要的输出功率。用根据电供给条件、定子芯长度、转子长度、和所想要的电机输出功率设计的绕组缠绕定子芯105。制造的操作者将定子20与转子15对齐，从而使定子芯105的轴向中心线与转子15的轴向中心线一致，且没有由于定子-转子不对齐(见图10a)出现侧拉轴向力。参照图10b，如果转子15包括与所想要的输出功率无关的其他端轴向部(例如75和80)，那么可增加附加的端轴向垫片(spacer)150来帮助定子芯105与转子15对齐。例如，参照图3和10b，如果所想要的输出功率是四分之三马力，定子20将与轴向部76、77、78和79对齐。两个垫片150分别用来覆盖与所想要的四分之三马力机器无关的转子15的轴向部75和80。在一个均匀的壳体中，端部垫片可增强电机的总成支撑力。垫片150的轴向长度可随着上述的转子15和定子20的结构而改变。
这样，本发明尤其提供一种接齿效应和波动转矩减少的电机。本发明的各种特征和优点将在附随的权利要求书中阐述。
权利要求
1.一种电极包括一定子，该定子包括多个定子齿部和一个或多个绕组，该一个或多个绕组具有围绕该齿部设置的紧密线圈，并具有相位(m)和磁极(p)，其中(m)是大于或等于2的整数，(p)是大于或等于2的整数且是偶数；一转子，该转子具有包含磁化偏斜近似为(2π/(mp))的磁化模式。
2.如权利要求1所述的电极，其特征在于(t)是代表定子齿部数目的一个整数，定子齿部限定多个槽以接收一个或多个绕组，每个齿部包括两相邻槽之间的宽度为(Wt)的部分，其中定子还包括一护铁部，其径向宽度(Wy)满足关系(1.5(t/(2p)(Wt))≤(Wy)≤(4.5(t/(2p))(Wt))。
3.如权利要求2所述的电极，其特征在于一个或多个绕组包括一种线圈的布置，其中相位(m)和磁极(p)的数目与该布置相关。
4.如权利要求1所述的电极，其特征在于(m＝2k+1)及(p＝2j)，其中(k)和(j)是大于或等于1的整数，每个定子齿部的自由端包括沿着与转子相邻的表面的两个沟道。
5.如权利要求4所述的电极，其特征在于每个沟道基本为梯形形状。
6.如权利要求4所述的电极，其特征在于每个沟道基本为曲线形状。
7.一种电极，包括可围绕一轴线旋转的一轴；与所述轴耦合并随着所述轴旋转的一转子；包含多个定子齿部的一定子，每个定子齿部包括沿着与转子相邻的表面的沟道，每个沟道基本为梯形形状。
8.如权利要求7所述的电极，其特征在于每个沟道的梯形形状包括与转子相邻的宽度为(Wb)的一开口，所述表面一深度上的宽度为(Wn)的一底和与该底成侧角(α)的一对侧边。
9.如权利要求8所述的电极，其特征在于定子限定每个定子齿部之间的多个槽口，每个槽口宽度为(Wo)。
10.如权利要求9所述的电极，其特征在于槽口的高度为(ho)。
11.如权利要求9所述的电极，其特征在于(Wn)满足关系(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)。
12.如权利要求9所述的电极，其特征在于(Wb)满足关系(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)。
13.如权利要求9所述的电极，其特征在于(α)满足关系(30°)≤(α)≤(135°)。
14.如权利要求9所述的电极，其特征在于(Wn)满足关系(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)，(Wb)满足关系(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)，(α)满足关系(30°)≤(α)≤(135°)。
15.如权利要求9所述的电极，其特征在于每个定子齿部包括沿着与转子相邻的一表面的第二沟道，每个第二沟道基本为梯形形状。
16.如权利要求15所述的电极，其特征在于(Wn)满足关系(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)。
17.如权利要求15所述的电极，其特征在于(Wb)满足关系(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)。
18.如权利要求15所述的电极，其特征在于(α)满足关系(30°)≤(α)≤(90°)。
19.如权利要求15所述的电极，其特征在于(Wn)满足关系(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)，(Wb)满足关系(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)，(α)满足关系(30°)≤(α)≤(135°)。
20.一种电机，包括可围绕一轴线旋转的一轴；与所述轴耦合并随着所述轴旋转的一转子；包含多个定子齿部的一定子，每个定子齿部包括沿着与转子相邻的一表面的第一和第二沟道，每个沟道基本为梯形形状。
21.如权利要求20所述的电极，其特征在于每个沟道的梯形形状包括与转子相邻的宽度为(Wb)的一开口，自所述表面有一深度上的宽度为(Wn)的一底，和与该底成侧角(α)的第一侧边，和与该底成侧角(γ)的第二侧边。
22.如权利要求21所述的电极，其特征在于定子限定每个定子齿部之间的多个槽口，每个槽口宽度为(Wo)。
23.如权利要求22所述的电极，其特征在于(Wn)满足关系(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wo)。
24.如权利要求22所述的电极，其特征在于(Wb)满足关系(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)。
25.如权利要求23所述的电极，其特征在于(α)满足关系(30°)≤(α)≤(90°)，(γ)满足关系(30°)≤(γ)≤(90°)。
26.如权利要求23所述的电极，其特征在于(Wn)满足关系(0.5Wo)≤(Wn)≤(1.5Wb)，(Wb)满足关系(0.3Wo)≤(Wb)≤(1.2Wo)，(α)满足关系(30°)≤(α)≤(135°)。
27.一种电极，包括可围绕一轴线旋转的一轴；与所述轴耦合并随着所述轴旋转的一转子；包含多个定子齿部的一定子，每个定子齿部具有与转子相邻的一自由端；设置在每个定子齿部的自由端的第一和第二沟道，该第一和第二沟道基本为曲线形状。
28.如权利要求27所述的电极，其特征在于每个沟道包括宽度为(Wo)的一开口。
29.如权利亚求28所述的电极，其特征在于所述定子限定每个定子齿部之间的多个槽口，每个槽口宽度为(Wo)。
30.如权利要求28所述的电极，其特征在于每个曲线形状具有一个中心线，其中每个曲线形状沿着一个圆的弧而行，该圆的中心在所述中心线上。
31.如权利要求30所述的电极，其特征在于所述圆的直径(d)满足关系(0.75Wo)≤(d)≤(1.5Wo)。
32.一种制造电极的方法制造一定子，该定子具有多个定子齿部和一个或多个绕组，该一个或多个绕组具有设置在该齿部上的线圈并包括相位(m)和磁极(p)，其中(m)是大于或等于2的整数，(p)是大于或等于2的整数且是偶数；制造一转子，包括磁化该转子以使其具有磁化偏斜近似为(2π/(mp))的一磁化模式；装配所述机器。
33.如权利要求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叠片，第一和第二叠片中的每个包括限定(t)个槽的(t)个定子齿部，这里(t)是整数，每个齿部包括两相邻槽之间的宽度为(Wt)的一部分，第一和第二叠片中的每个包括一护铁部，其径向宽度(Wy)满足关系(1.5(t/(2p)(Wt))≤(Wy)≤(4.5(t/(2p))(Wt))，其中制造所述定子还包括形成一定子芯，该定子芯的形成包括使第一和第二叠片耦合。
34.如权利要求33所述的电极，其特征在于制造所述定子包括，在每个齿部的自由端形成一沟道，且制造所述定子还包括在所述芯上设置一个或多个绕组，这里相位(m)和磁极(p)数满足关系(m＝2k+1)及(p＝2j)，其中(k)和(j)是大于或等于1的整数。
全文摘要
一种电极包括一定子和一转子。该定子包括多个定子齿部和具有设置在齿部上的紧密线圈的绕组。该绕组具有相位(m)和磁极(p)；其中(m)是大于或等于2的整数；(p)是大于或等于2的整数且是偶数。该转子具有包括一磁化偏斜的磁化模式。在某些结构中，每个定子包括沿着与转子相邻的一表面上的一个或多个沟道。该沟道可以是包括梯形形状或曲线形状的各种形状。
文档编号H02K1/27GK1606210SQ20041005863
公开日2005年4月13日 申请日期2004年7月26日 优先权日2003年7月24日
发明者丹·M·约内尔, 斯蒂芬·J·德林格尔 申请人:A·O·史密斯公司