专利名称：一种同步永磁电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种同步永磁电机。本发明更具体地涉及一种包括永磁体布置的同步永磁电机，该永磁体布置用于产生具有近似正弦的通量密度分 布的磁场，该永磁体布置包括永磁磁极(pole),该永磁磁极具有基座、顶面、侧部和位于各侧部之间的中间并在基座和顶面之间延伸的中心区域，该永磁磁极由低和高能量积磁体二者制成。低能量积磁体的一个例子是铁氧体。高能量积磁体的例子是钕铁硼和钐钴。
背景技术：
一个这样的永磁体布置被公开在以下公开物中IEEE Transactions onMagnetics 的第 44 卷第 8 期，2008 年 8 月，2009 页到 2015 页，A. H. Isfahani, S. Vaez-Zadeh和 M. A. Rahman 的 Using Modular Poles for Shape Optimization of Flux DensityDistribution in Permanent-Magnet Machines。该永磁体布置在附图的图I中示出。图I还示意地示出了该布置产生的磁场的通量密度分布。图I不出了一对相邻的永磁磁极la、Ib,每个磁极包含一个中心主高能量积磁体2a、2b,以及在磁体2a、2b的任一侧的侧部次低能量积磁体3a、3b、3c、3d。每个磁极la、Ib具有基座4a、4b,顶面5a、5b以及侧部6a、6b、6c、6d。磁体2a、2b、3a、3b、3c、3d上的箭头表示磁体的磁化方向。磁极Ia的每个磁体2a、3a、3b具有以垂直离开该磁极的基座4a定向的磁化方向。相邻磁极Ib的每个磁体2b、3c、3d具有以垂直朝向该磁极的基座4b定向的磁化方向。该对相邻的磁极la、Ib产生具有如图所不通量密度分布的磁场。对每个磁极la、Ib而言，该分布具有对应于该磁极的较强高能量积磁体2a、2b的相对较高的通量密度的中心主区域2a’、2b’，以及分别对应于该磁极的较弱低能量积磁体3a、3b、3c、3d的相对较低的通量密度的侧部次区域3a’、3b’、3c’、3d’。可以看到图I的永磁体布置具有仅不佳地近似于正弦的通量密度分布。当该布置在同步永磁电机中使用时，可能会引起负载上明显的齿槽转矩和转矩波动，因此这是不利的。该布置还有下述缺点，当该布置在同步永磁电机中使用时，较弱低能量积磁体3a、3b、3c、3d在抵御退磁方面相对较差。
发明内容
根据本发明，提供一种同步永磁电机，其包括用于产生具有近似正弦的通量密度分布的磁场的永磁体布置，该永磁体布置包括永磁磁极，该永磁磁极具有基座、顶面、侧部和位于各侧部之间的中间并在基座和顶面之间延伸的中心区域,该永磁磁极由低能量积磁体和高能量积磁体二者制成，其特征在于(i)永磁磁极包括具有不同磁化方向的低能量积磁体和高能量积磁体，和/或Qi)低能量积磁体在永磁磁极中的部署相对于永磁磁极的中心区域是不对称的。
下面将以举例形式描述本发明，参照附图，其中图I (其已被参照过)示出了在同步永磁电机中使用的一种已知永磁体布置，图I还示意地示出了由该布置产生的磁场的通量密度分布；图2至13分别示出了根据本发明在同步永磁电机中使用的第一至第十二种永磁布置，图2至13还示意地示出了由该布置产生的磁场的通量密度分布；以及图14至15分别示出了第一和第二种同步永磁电机，可以在其中使用图2至13的永磁体布置。
具体实施例方式图2不出了一对相邻的永磁磁极11a、Ilb,每个磁极包含一个中心主高能量积磁体12a、12b，以及在磁体12a、12b的任一侧的侧部次低能量积磁体13a、13b、13c、13d。每个磁极 lla、llb 具有基座 14a、14b,顶面 15a、15b 以及侧部 16a、16b、16c、16d。磁体 12a、12b、13a、13b、13c、13d上的箭头表示磁体的磁化方向。磁极Ila的高能量积磁体12a具有以垂直离开该磁极的基座14a定向的磁化方向。磁极Ila的低能量积磁体13a、13b具有以离开该磁极的基座14a并朝向该磁极的高能量积磁体12a定向的磁化方向。相邻磁极Ilb的高能量积磁体12b具有以垂直朝向该磁极的基座14b定向的磁化方向。磁极Ilb的低能量积磁体13c、13d具有以朝向该磁极的基座14b并离开该磁极的高能量积磁体12b定向的磁化方向。该对相邻的磁极lla、llb产生具有如图所不通量密度分布的磁场。对每个磁极lla、llb而言,该分布具有对应于该磁极的较强高能量积磁体12a、12b的相对较高的通量密度的中心主区域12a’、12b’，以及分别对应于该磁极的较弱低能量积磁体13a、13b、13c、13d的相对较低的通量密度的侧部次区域13a’、13b’、13c’、13d’。将图2的永磁体布置的通量密度分布与图I的永磁体布置的通量密度分布相比较示出，图2的布置相比图I的布置更接近于近似正弦。这是由图2的布置的低能量积磁体13a、13b、13c、13d的磁化方向所致。图2包括子图，其示出图2的磁极Ila的低能量积磁体13b的更详细的磁化。跨过磁体13b的宽度‘X’的任意所选位置上的通量密度是由朝向所选位置定向的磁体中的箭头长度确定的。朝向宽度X定向的磁体中的箭头在长度上从宽度X的右侧到宽度X的左侧逐渐增加。因此，图2的磁极Ila的低能量积磁体13b的通量密度从右侧至左侧增大。这在图2示出的通量密度分布中可以看出。对应的解释关于图2的其余低能量积磁体13a、13c、13d也适用。图2包括另一个子图,其示出相对于彼此对着角0 (theta)的两个箭头17、18。箭头17表示图2的磁极Ila的低能量积磁体13b的磁化方向。箭头18表示在同步永磁电机(此后将进一步说明)中使用图2的永磁体布置时，磁体13b可能典型地所经历的磁场。磁场18的方向垂直朝向磁体13b的顶面。可以看到抵消(act against)磁化17的磁场18的分量是磁场18乘以cos 0 ,即，用来使磁体13b退磁的磁场18的分量是磁场18乘以cos 0。这与图I的磁极Ia的低能量积磁体3b当受到相同磁场时的情况形成对比。在这种情况下整个磁场，不仅是磁场的分量,对磁体3b起退磁作用，因为磁场的方向与磁体3b的磁化方向完全相反。因此，图2的磁极Ila的磁体13b比图I的磁极Ia的磁体3b更能承受退磁。对应的解释同样适用于图2的其余低能量积磁体13a、13c、13d。图3的永磁体布置不同于图2的永磁体布置,其中增加了其他的低能量积磁体19a、19b、19c :磁体19a增加在磁体13a的左侧，磁体19b增加在磁体13b和13c之间，以及磁体19c增加在磁体13d的右侧。磁体19a、19b、19c具有如下的磁化方向磁体19a完全朝向高能量积磁体12a，磁体19b完全离开高能量积磁体12b并完全朝向磁体12a，以及磁体19c完全离开磁体12b。图3示出了具有如图所示扩展的一对相邻的永磁磁极21a、21b,SP,磁极21a从磁体19a的整个宽度上的中间延伸到磁体19b的整个宽度上的中间，并且磁极21b从磁体19b的整个宽度上的中间延伸到磁体19c的整个宽度上的中间。因此，磁极21a可被认为具有在磁体19a的整个宽度上的中间的左侧以及在磁体19b的整个宽度上的中间的右侧，且磁极21b可被认为具有在磁体19b的整个宽度上的中间的左侧以及在磁体19c的整个宽度上的中间的右侧。图3的永磁体布置产生具有如图所示通量密度分布的磁 场。由于垂直朝向它们顶面的磁场，磁体19a、19b、19c实际上是不受退磁影响的。图3的永磁体布置的一种变化是将移除磁体13a、13b、13c、13d，并延伸磁体19a、19b、19c以占用磁体13a、13b、13c、13d留下的空间。
图4的永磁体布置不同于图3的永磁体布置，其中低能量积磁体13a、19a被单个低能量积磁体22a代替，低能量积磁体13b、13c、19b被单个低能量积磁体22b代替，并且低能量积磁体13d、19c被单个低能量积磁体22c代替。磁体22a、22b、22c的磁化方向如下磁体22a最初完全朝向高能量积磁体12a,逐渐转向成最终垂直离开磁体22a的基座；磁体22b最初完全朝向磁体22b的基座,逐渐转向成完全离开高能量积磁体12b并完全朝向磁体12a,逐渐转向成最终垂直离开磁体22b的基座；且磁体22c最初垂直朝向磁体22c的基座，逐渐转向成最终完全离开磁体12b。图4示出一对相邻的永磁磁极23a、23b，其具有如图所示的扩展。注意，磁极23a的右侧和磁极23b的左侧二者都是磁体22b的整个宽度上的中间。图5的永磁体布置与图I的永磁体布置相同，除了 高能量积磁体2a和低能量积磁体3b已被单个高能量积磁体24a代替，并且，类似地，高能量积磁体2b和低能量积磁体3d已被单个高能量积磁体24b代替。尽管这意味着图5的布置的通量密度分布不再如此接近近似正弦，但它确实提高了在低能量积磁体3b、3d区域中该布置的退磁承受能力。在这些区域(以下详述)中提高退磁承受能力是重要的。图6的永磁体布置与图5的永磁体布置相同，除了高能量积磁体24a、24b的右侧已被成形为再次产生图I的永磁体布置的通量密度分布。因此，图6的布置具有与图I的布置相同的通量密度分布，但在低能量积磁体3b、3d区域中具有提供的退磁承受能力。图7的永磁体布置与图2的永磁体布置相同，除了高能量积磁体12a和低能量积磁体13b已被单个高能量积磁体25a代替，并且，类似地，高能量积磁体12b和低能量积磁体13d已被单个高能量积磁体25b代替。磁体25a、25b的磁化方向如下磁体25a垂直离开磁体25a的基座，并且磁体25b垂直朝向磁体25b的基座。尽管图7的布置的通量密度分布不再如此接近近似正弦，但该布置在低能量积磁体13b、13d区域中确实具有提高的退磁承受能力。图8的永磁体布置与图7的永磁体布置相同，除了高能量积磁体25a、25b的右侧已被成形为改进该布置的通量密度分布。图9的永磁体布置与图8的永磁体布置相同，除了高能量积磁体25a、25b的右侧已被进一步成形为进一步改进该布置的通量密度分布。进一步成形的结果是通量密度分布与图2的永磁体布置的通量密度分布相同。图10的永磁体布置与图7的永磁体布置相同，除了其他低能量积磁体26a被增加到低能量积磁体13a的左侧，且其他低能量积磁体26b被增加到低能量积磁体13c的左侧。磁体26a、26b的磁化方向如下磁体26a完全朝向高能量积磁体25a,且磁体26b完全离开高能量积磁体25b。增加磁体26a、26b的结果是图10的每个永磁磁极的左侧的通量密度分布得到改进。
图11的永磁体布置与图10的永磁体布置相同，除了高能量积磁体25a、25b的右侧已被成形为使得图11的每个永磁磁极的右侧的通量密度分布与左侧的通量密度分布相匹配。图12的永磁体布置与图10的永磁体布置相同，除了高能量积磁体25a和低能量积磁体26b之间的间隙被降低为零。图12示出一对相邻的永磁磁极27a、27b，其具有如图所示扩展。注意，磁极27a的右侧和磁极27b的左侧二者都是磁体26b的整个宽度上的中间。图13的永磁体布置与图12的永磁体布置相同，除了高能量积磁体25a、25b的右侧已被成形。该成形与图9中的磁体25a、25b的成形相同。图13示出一对相邻的永磁磁极28a、28b,其具有如图所不的扩展。注意，磁极28a的右侧和磁极28b的左侧_■者都是磁体26b的整个宽度上的中间。图2至13的永磁体布置可用在同步永磁电机中，该电机为内部转子或外部转子，旋转型或直线型，径向或轴向场，槽式或无槽式，并具有各种绕组布局。图14的第一同步永磁电机是旋转型并包含转子31和定子32。在转子上安装如图2至13的永磁布置那样的永磁布置。该布置包含两个相对部署的正极性磁极33a、33b,以及两个相对部署的负极性磁极33c、33d。磁极33a、33b和磁极33c、33d关于转子的旋转轴A(在图14中其处于进出纸面)彼此相对90度地部署。在定子上安装绕组34 (在图14中绕组的导体绕进绕出纸面)。在该同步永磁电机的操作中，转子31在定子32内旋转。图14的子图示出了正和负矩形剖面35、36，其分别表示正磁极33a、33b和负磁极33c,33d的磁化强度。在剖面35、36上分别示出了负梯度和正梯度斜剖面37、38。剖面37、38表示在该同步永磁电机的操作中由绕组34产生的磁场(由正磁极和负磁极分别经受)。可以看到正磁极和负磁极二者的右侧均受到绕组34产生的磁场所致的退磁作用，然而对于磁极的左侧的情况正相反，使它们的磁化强度增强。由于这个原因在图5至13的永磁体布置中，正磁极和负磁极二者的右侧均能找到高能量积磁体。注意，在图12和13的布置中，在该磁极的最右侧能找到低能量积磁体，但这不是低能量积磁体的磁化方向垂直于所施加磁场的结果。另外注意，如果转子31的旋转方向被反向，那么图5至13的永磁体布置也应该反向，即，前述句中的高能量积磁体(但一个)现在将在正磁极和负磁极二者的左侧找到，而不是右侧。图15的第二同步永磁电机是直线型并包含平行的拉长配件41 ;绕组42，其被部署在配件间的通道43中的配件之间的中间位置，且安装在配件和绕组间的每个配件上；如图2至13的永磁体布置的永磁体布置。每个布置包含磁极44a、44b、44c的线性阵列，其中相邻磁极具有 相反磁极性。绕组的导体在图15中延伸进出纸面。在该同步永磁电机的操作中，在图15中配件41 (与它们的磁极44a、44b、44c 一起)和绕组42之间存在相对的水平移动。
权利要求
1.一种同步永磁电机，包括用于产生具有近似正弦的通量密度分布的磁场的永磁体布置，该永磁体布置包括永磁磁极(11a, lib, 21a, 21b, 23a, 23b, 27a, 27b, 28a, 28b),该永磁磁极具有基座(14a, 14b),顶面(15a, 15b)、侧部(16a, 16b, 16c, 16d)以及位于各侧部(16a,16b, 16c, 16d)之间的中间并在基座(14a, 14b)和顶面(15a, 15b)之间延伸的中心区域,该永磁磁极(11a, 11b，21a，21b，23a，23b，27a，27b，28a，28b)由低能量积磁体和高能量积磁体(3a, 3c, 12a, 12b, 13a, 13b, 13c, 13d, 19a, 19b, 19c, 22a, 22b, 22c, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a,26b) 二者制成，其特征在于(i)该永磁磁极(11a, lib, 21a, 21b, 23a, 23b, 27a, 27b, 28a,28b)包括具有不同磁化方向的低能量积磁体(13a，13b，13c，13d，19a，19b，19c，22a，22b，22c，26a，26b)和高能量积磁体(12a，12b，25a，25b)，和 / 或(ii)永磁磁极(27a，27b，28a，28b)中的低/高能量积磁体(3a，3c，13a，13c，24a，24b，25a，25b，26a，26b)的部署相对于永磁磁极(27a，27b，28a，28b)的中心区域不对称。
2.根据权利要求I所述的同步永磁电机,其中永磁磁极(11a，11b，21a，21b，23a，23b)中的低 / 高能量积磁体(12a，12b，13a，13b，13c，13d，19a，19b，19c，22a，22b，22c)的部署相对于永磁磁极(11a, lib, 21a, 21b, 23a, 23b)的中心区域对称，且永磁磁极(11a, lib, 21a, 21b，23a，23b)包含中心高能量积磁体(12a，12b)和部署在中心高能量积磁体(12a，12b)的任一侧的侧部低能量积磁体(13a，13b，13c，13d，19a，19b，19c，22a，22b，22c)。
3.根据权利要求2所述的同步永磁电机，其中所述中心高能量积磁体(12a，12b)具有垂直朝向/离开永磁磁极(11a，Ilb)的基座(14a，14b)的磁化方向，且侧部低能量积磁体(13a, 13b, 13c, 13d)具有朝向/离开永磁磁极(11a，Ilb)的基座(14a，14b)以及离开/朝向中心高能量积磁体(12a，12b)的磁化方向。
4.根据权利要求2所述的同步永磁电机，其中所述中心高能量积磁体(12a，12b)具有垂直朝向/离开永磁磁极(21a，21b)的基座的磁化方向，且每个侧部低能量积磁体(13a，13b，13c，13d，19a，19b，19c)包含第一和第二侧部低能量积磁体(13a，13b，13c，13d，19a，19b，19c)，该第一侧部低能量积磁体(13a，13b，13c, 13d)被部署得比该第二侧部低能量积磁体(19a, 19b, 19c)更靠近中心高能量积磁体(12a, 12b),该第一侧部低能量积磁体(13a,13b, 13c, 13d)具有朝向/离开永磁磁极(21a，21b)的基座以及离开/朝向中心高能量积磁体(12a，12b)的磁化方向，该第二侧部低能量积磁体(19a，19b，19c)具有完全朝向/离开中心高能量积磁体(12a，12b)的磁化方向。
5.根据权利要求2所述的同步永磁电机，其中所述中心高能量积磁体(12a，12b)具有垂直朝向/离开永磁磁极(23a，23b)的基座的磁化方向，且侧部低能量积磁体(22a，22b，22c)具有下述磁化方向(i)最初完全朝向中心高能量积磁体(12a, 12b)并逐渐转向成最终垂直离开永磁磁极(23a, 23b)的基座,或(ii)最初完全朝向永磁磁极(23a, 23b)的基座并逐渐转向成最终垂直离开中心高能量积磁体(12a，12b)。
6.根据权利要求I所述的同步永磁电机,其中所述永磁磁极(27a，27b，28a，28b)中的低/高能量积磁体(3a, 3c, 13a, 13c, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b)的部署相对于永磁磁极(27a，27b，28a，28b)的中心区域不对称，且所述永磁磁极(27a，27b，28a，28b)包含主高能量积磁体(24a，24b，25a，25b)和部署在该主高能量积磁体(24a，24b，25a，25b)的一侧的侧部低能量积磁体(3a，3c，13a，13c，26a，26b)。
7.根据权利要求6所述的同步永磁电机，其中所述主高能量积磁体(24a，24b)具有垂直朝向/离开永磁磁极的基座的磁化方向，且所述侧部低能量积磁体(3a,3c)具有垂直朝向/离开永磁磁极的基座的磁化方向。
8.根据权利要求6所述的同步永磁电机，其中所述主高能量积磁体(25a，25b)具有垂直朝向/离开永磁磁极的基座的磁化方向，且所述侧部低能量积磁体(13a, 13c)具有朝向/离开永磁磁极的基座且离开/朝向主高能量积磁体(25a，25b)的磁化方向。
9.根据权利要求7或8所述的同步永磁电机，其中所述主高能量积磁体(24a，24b，25a, 25b)已被成形为使得相比于邻近于侧部低能量积磁体(3a，3c，13a，13c)的主高能量积磁体(24a，24b，25a，25b)的高度而言，远离所述侧部低能量积磁体(3a，3c，13a，13c)的主高能量积磁体(24a，24b，25a，25b)的高度被降低。
10.根据权利要求6所述的同步永磁电机，其中所述侧部低能量积磁体(13a，13c，26a, 26b)包含第一和第二侧部低能量积磁体(13a, 13c, 26a, 26b),第一侧部低能量积磁体(13a，13c)被部署得比第二侧部低能量积磁体(26a，26b)更靠近主高能量积磁体(25a，25b),第一侧部低能量积磁体(13a, 13c)具有朝向/离开永磁磁极(27a, 27b, 28a, 28b)的基座以及离开/朝向主高能量积磁体(25a，25b)的磁化方向，第二侧部低能量积磁体(26a，26b)具有完全朝向/离开主高能量积磁体(25a,25b)的磁化方向。
11.根据权利要求10所述的同步永磁电机，还包含关于第一和第二侧部低能量积磁体(13a, 13c, 26a, 26b)部署在主高能量积磁体(25a，25b)的另一侧的其他侧部低能量积磁体(26b)，该其他侧部低能量积磁体(26b)具有完全朝向/离开主高能量积磁体(25a，25b)的磁化方向。
12.根据权利要求10或11所述的同步永磁电机，其中主高能量积磁体(25a，25b)已被成形为使得相比于邻近于第一侧部低能量积磁体(13a，13c)的主高能量积磁体(25a，25b)的高度而言，远离第一侧部低能量积磁体(13a，13c)的主高能量积磁体(25a，25b)的高度被降低。
全文摘要
本发明涉及一种同步永磁电机。一种同步永磁电机包括用于产生具有近似正弦的通量密度分布的磁场的永磁体布置，该永磁体布置包括永磁磁极，该永磁磁极具有基座，顶面、侧部以及位于各侧部之间的中间并在基座和顶面之间延伸的中心区域，该永磁磁极由低能量积磁体和高能量积磁体二者制成，其特征在于(i)该永磁磁极包括具有不同磁化方向的低能量积磁体和高能量积磁体，和/或(ii)永磁磁极中的低/高能量积磁体的部署相对于永磁磁极的中心区域不对称。
文档编号H02K1/27GK102751831SQ20121016927
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月18日 优先权日2011年4月18日
发明者J-T·陈, Z-Q·朱 申请人:西门子公司