用于具有低振动和低电阻损耗的高速应用的永磁三相机器的制作方法

本发明涉及对三相永磁旋转电机(例如，电动机和发电机)的改进。更具体地，本发明涉及这样的改进，其使磁阻转矩和电磁转矩波动最小化，同时使紧凑性、能量效率、每单位绕组体积的电动机启动转矩以及操作速度最大化。本发明还涉及这样的改进，其将磁阻转矩和电磁波动的第一和随后的谐波从较低的频率范围移动到较高的频率范围，所述较高的频率范围可以是不太可能被人听到和感觉到的。

背景技术：

过去已经利用奇数个槽和电枢极以及偶数个永磁体磁极来生产具有开槽电枢和多线圈相的永磁电动机，以减小磁阻转矩，从而减小振动，如美国专利第4,437,029号和4,532,449号所示的电动机所例示的。然而，用于这样的电动机的绕组的线圈或者叠置在彼此之上，或者如果不叠置，则需要使用多于三相。在前一种情况下，叠置的线圈倾向于使绕组中的导线数量最大化，从而使其体积和阻抗二者最大化，并且使每匝的效率和转矩(或emf)最小化。在后一种情况下，由于需要对应的增加复杂性和费用的大量相位切换电路，因此大量的相是不期望的。

已经设计了具有多线圈相的三相永磁电动机，其中，个体线圈不叠置在彼此上。然而，即使线圈不重叠，但是由于一个相的线圈可以被间隙地插入在另一相的线圈之间，因此相位可能重叠。这样的绕组配置尽管使自感最小化(这在高速应用中是有益的)，但是会产生电磁转矩波动并且降低每单位体积导线的启动转矩，这二者在许多应用中是不利的。

相反，如美国专利第4,188,556号所例示的，具有相等数量的电枢槽和永磁体磁极的电动机的特性在于相当大的磁阻或“嵌齿”转矩，其在许多应用中会产生有害的振动。

在美国专利第4,774,428号中描述了试图解决本领域中的这样的缺陷的设计。这种设计通常是有效的，但是仅在较低的速度(例如，6krpm至15krpm)下有效。在较高的速度下，这种设计的相对较高的磁极数需要非常高的脉冲宽度调制(pwm)切换，从而引起较高的控制器场效应晶体管(fet)和磁芯损耗。

因此，需要一种三相永磁旋转电机，其兼容地满足以下目标中的全部：紧凑性、极小磁阻转矩以及电磁转矩波动、最大能量效率和每单位体积导线的启动扭矩，其适用于高速(例如，15krpm以上)操作。

技术实现要素：

本发明提供特征的独特组合，其在三相永磁旋转机器(例如，电动机或发电机)中兼容地满足所有上述竞争目标。机器可以具有相对于永磁体组件在内部或外部的电枢，并且可以具有径向或轴向间隙。根据本发明的原理，一种电枢，其具有铁磁芯，所述铁磁芯具有3(2n+1)个突出的铁磁极(n为一或更大的整数)，所述铁磁极以圆形阵列布置并且通过相同数量的槽将所述铁磁极彼此隔开，以及具有两个、四个或六个磁极的圆形阵列的永磁体组件被安装以用于相对于彼此旋转。这种结构使得能够利用三相(每一相具有多个线圈)，其与电枢的铁磁极数量不同的永磁体磁极相组合，使得磁阻转矩的大小最小化，同时其每转频率最大化。三相绕组的紧凑性和高能量效率是通过将每一相的每个线圈缠绕在相应的铁磁电枢极上而实现的，使得每个线圈占据直接位于相应电枢极的每一侧上的一对槽。这种结构避免了相应线圈的任何重叠，从而使线圈线体积最小化，并且从而也使绕组的阻抗最小化，同时使其效率和每匝的转矩(或emf)最大化。

使电磁转矩波动最小化并且使每单位体积导线的启动转矩最大化是通过将每一相的线圈集中到电枢的有限扇区中来实现的，使得相以及它们个体的线圈不彼此重叠。这是通过使每相的线圈占据位于仅包含2n+1个电枢极的电枢极扇区内的2n+2个电枢槽并且以交替或不交替极性缠绕线圈来实现的。尽管紧密放置交替极性的线圈会增加每一相的自感，但所得到的阻抗增加是微不足道的，除非在异常高的电机速度下。

在实施例中，提供了一种三相永磁旋转电机。机器包括：具有铁磁芯的电枢，所述铁磁芯具有3(2n+1)个突出的铁磁极，所述铁磁极以圆形阵列布置并且通过相同数量的槽将其彼此隔开，所述槽间隙地位于所述铁磁极之间，其中，n是1或更大的整数；具有两个、四个或六个磁极的圆形阵列的永磁体组件；用于安装所述电枢和所述永磁体组件以用于相对于彼此的相对旋转的单元；以及三相线圈单元，其安装在所述槽内的所述电枢上，所述线圈单元的所述三相中的每一相包括多个线圈，每个线圈缠绕在各自的铁磁极上，并且每个所述极缠绕有单相线圈。

每个线圈可以占据直接位于铁磁极每一侧上的一对槽。

一相内的线圈可以由其他相彼此间隙地隔开。

每一相的所有线圈可以位于铁磁极的圆形阵列的预定扇区内，所述线圈单元的每一相的线圈以相同或交替的极性缠绕，并占据2n+2个槽并且位于铁磁极的所述圆形阵列的包含2n+1个铁磁极的扇区内。

永磁体组件可以仅包括两个磁极。永磁体组件可以仅包括四个磁极。永磁体组件可以包括六个磁极。

电枢可以设置在永磁体组件的内部。

电枢可以设置在永磁体组件的外部。

在参考附图考虑以下描述和所附权利要求(所有这些形成了本说明书的一部分，其中，相同的附图标记在各个附图中标示对应的部分)时，本发明的这些和其他目的、特征和特性以及操作方法和结构的相关元素的功能以及部件的组合和制造经济性将变得更加显而易见。然而，应明确地表达，附图仅出于说明和描述的目的，并且不旨在作为对本发明的界限的定义。

附图说明

图1是本发明的示例性径向间隙实施例的示意图；

图1a是适用于图1的设备的绕组的一个实施例的示意图；

图1b是适用于图1的设备的替代绕组实施例的示意图；

图2是本发明的另一示例性的径向间隙实施例的示意图；

图3是本发明的又一示例性的径向间隙实施例的示意图；并且

图4是本发明的又一示例性的径向间隙实施例的示意图。

具体实施方式

如本文所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。如本文所使用的，两个或多个部件或组件被“耦合”的陈述应意指，只要发生链接，这些部件就可以直接或间接地(即，通过一个或多个中间部件或组件)连接或一起操作。如本文所使用的，“直接耦合”意指两个元件彼此直接接触。如本文所使用的，“固定地耦合”或“固定”意指两个部件被耦合以便在保持相对于彼此恒定取向的同时运动。

如本文所使用的，词语“单位”意指部件被创建为单个零件或单元。即，包括单独创建并且然后作为单元耦合在一起的零件的部件不是“单位”部件或主体。如本文所采用的，两个或更多个部件或组件彼此“啮合”的陈述应意指组件直接或通过一个或多个中间部件或组件而彼此施加力。如本文所使用的，术语“数量”应意指一个或大于一的整数(即，多个)。

本文所使用的方向性短语(例如但不限于顶、底、左、右、上、下、前、后及其派生词)涉及附图中所示元素的方向，并且除非在权利要求中明确记载，否则不限制权利要求。

参考图1所示的本发明的示例性实施例，通常指示为10的旋转电机包括外部永磁转子组件12，其包括铁磁环形芯或外壳14，在其内表面上安装有圆形阵列的径向或直径向(平行)的陶瓷铁氧体、稀土钴或其他合适类型的磁化永磁铁16。电枢18充当定子并且包括具有突出的铁磁极22的叠层铁磁芯20，铁磁极22以圆形阵列布置、由槽24彼此隔开，所述槽24间隙地位于磁极22之间，并且由环形径向间隙26与相应永磁体16的磁极隔开。

转子和定子可以通过任何合适的轴承组件(例如，美国专利第4,540,906(其内容通过引用方式并入本文)中所示的轴承组件)来安装以用于相对于彼此相对旋转。尽管永磁体转子组件实现无刷换向，但是永磁体组件也可以替代地与机械换向的电枢配合充当定子。

用于图1设备的绕组的三相a、b和c的相应位置在图1中由相应组的铁磁电枢极a1、a2、a3；b1、b2、b3；以及c1、c2、c3指示。如图1a(其是延伸到一条直线中的相应电枢极的示意性径向视图)所示，诸如a之类的典型相具有三个线圈，每个线圈绕在诸如a1、a2、a3之类的相应电枢极上，并且占据一对槽，所述一对槽紧邻于相应电枢极的每一侧，使得线圈中的任何一个都不与任何其他线圈重叠。尽管电流的方向取决于本领域技术人员公知的换向，但相b和c与相a相同地分别缠绕在其相应的极b1、b2、b3和c1、c2、c3上。图1b示出了相a的替代配置，其他两个相b和c被相同地缠绕。应当意识到，可以采用相a、b和c的其他布置来实现不同的性能。

在图1a和1b所示的绕组的两个实施例中，不仅个体线圈没有叠置在彼此上，而且相也同样没有叠置在彼此上。相反地，每一相a、b、c都限于电枢极22的圆形阵列的相应专用扇区，如图1中的虚线所示。避免重叠线圈可以通过使所需导线的体积最小化来提供最大的紧凑度和效率，同时相位重叠的避免使电磁转矩波动最小化并且使每单位体积导线的启动转矩最大化。因此，每个磁极都缠绕有单相线圈，并且每个线圈因此占据直接位于相应电枢极22的每一侧上的一对槽24。

另一方面，(四个永磁体16中的)四个永磁体磁极和九个铁磁电枢极22的组合通过将转矩划分到更多数量的齿和槽当中使磁阻转矩和电磁波动的第一谐波的强度最小化。而且，该布置将磁阻转矩和电磁波动的第一谐波从较低的可听频率范围移动到较高的频率范围，所述较高的频率范围可以是不太可能被人听到或感觉到的。使用3(2n+1)齿或槽可以以这样的方式围绕电枢分布相绕组匝数，以便减少铜的量并且从而减少铜的损耗。

相同的原理应用于本发明的其他实施例，其特征在于，不同数量的永磁体磁极和铁磁极，只要铁磁极的数量等于3(2n+1)，其中，n是1或更大的整数，并且永磁体磁极的数量等于2、4或6。通常指示为10'的的旋转电机的示例性布置(与图1的机器10类似)在图2中示出，所述示例性布置仅利用永磁转子组件12'中的两个永磁体16'(因此仅利用两个磁极)。

作为另一替代方案，电枢可以是用作定子或转子的外部元件，而永磁体组件位于其内部。图3和图4示出了根据本发明的示例性实施例的旋转电机100和100'的示例，所述旋转电机100和100'具有在外部电枢118内部的永磁体转子组件112和112'。与图1的转子组件12相似，图3的转子组件112利用四个永磁体磁极，并且因此包括四个永磁体116。类似于图2的转子组件12'的图4的转子组件112'利用两个永磁体，并且因此包括一个永磁体116(其两个磁极都被利用)。

在权利要求中，放在括号之间的任何参考符号不应解释为对权利要求的限制。词语“包括”或“包含”不排除权利要求中列出的元素或步骤之外的元素或步骤的存在。在枚举若干单元的设备权利要求中，这些单元中的若干单元可以由一个且相同项的硬件来体现。元素之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元素。在枚举若干单元的任何设备权利要求中，这些单元中的若干单元可以由一个且相同项的硬件来体现。在互不相同的从属权利要求中记载了某些元素的仅有事实并不指示这些元素不能组合使用。

尽管已经基于当前被认为是最实际和优选的实施例出于说明的目的详细描述了本发明，但是应当理解，这种细节仅是出于说明的目的，并且本发明不限于所公开的实施例，而是相反，旨在覆盖所附权利要求的精神和范围内的修改和等同布置。例如，应当理解，本发明考虑了在可能的范围内任何实施例的一个或多个特征可以与任何其他实施例的一个或多个特征组合。