具有窄齿的优化的电动机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电动机的领域，并且更具体地说，涉及低能量至中等能量的单相或多相永磁铁电机，即能够输送高达几千瓦的输出功率。
【背景技术】
[0002]电机的性能的特征在于特定数量的因素，其重要性取决于目标应用的类型。
[0003]主要定型元件是电机常数，还称作Km，并且以扭矩单元/瓦特平方根来表达，即反应电机在线圈中针对给定功耗可产生的扭矩。
[0004]另一可能重要的因素是不带电流的扭矩，因为许多原因(噪声、损耗、机械磨损、齿轮传动电机(geared motor)的可逆性......)，其必须经常尽可能地减小。
[0005]在该专利的范围内，将考虑针对给定的轴向整体尺寸和直径来优化电机常数，同时在具有“径向”拓扑结构(即具有平面流和径向延伸的齿)的电机中，努力使电机的不带电流的扭矩最小化。
[0006]这里，将轴向整体尺寸定义为定子的高度加上在定子上方的线圈的高度。
[0007]更一般地说，工业化这种电机的能力明显是将被考虑的背景因素。
[0008]最后，还将优先考虑具有平衡的径向力的结构(可解决诸如噪声或转子导向元件的磨损的问题)。
[0009]上述标准通常在并不总是能够获得优化的结构的结构的限定中导致折衷方案。
[0010]针对低功率至中等功率电机，目前找到具有6或12个定子齿的拓扑结构，就Km而言，12齿拓扑结构能够获得最佳性能。
[0011 ] 与具有等于5+2R (R为整数)并且非3的倍数的多对磁极的磁化转子关联，具有相等峰端散度(equal peak divergence)的具有12齿的定子拓扑结构可消除高达第12行(不含)的不带电流的扭矩的谐波。首先出现和主要的谐波因此具有比电机的电周期小12倍的周期。随着谐波的振幅随着它们的行而减小，这些电机对于在不存在电流时需要最小扭矩的应用是尤其有价值的。
[0012]在现有技术中，已知美国专利7，595，577涉及具有在它们在定子上的端部延伸的12个等齿的电机。
[0013]该方案是本领域中的期望应用中最小化不带电流的扭矩的经典方式。实际上，由于不带电流的扭矩与磁体转子由于定子齿之间的间隙而能够占取的优选位置相关，最小化这些间隙看上去是明智的，或者甚至在一些情况下，通过与齿接触而消除它们以降低第十二谐波。
[0014]然而，该类型的方案具有几个缺点。第一，齿的更靠近的位置或齿之间的接触导致影响电机性能的泄漏磁通，即使接触面积(统称为颈)被布置成以使磁性饱和。
[0015]此外，这些拓扑结构需要在狭槽中直接缠绕，或者以若干子集来执行定子，这样，在工业生产中可干扰。最终，可用于铜绕组的空间并非最佳。
[0016]还示出了德国专利申请DE102009000681，其描述了电机，该电机包括:转子，其具有14个磁极，转子布置成可绕中心轴线旋转；和定子，其具有12个定子齿，这些定子齿沿着转子的方向沿径向相对于中心轴线突出，其特征在于，各个定子齿设置有定子线圈，其中两个相邻的定子线圈每次串联至彼此以形成一对定子线圈，其中一对定子线圈与每次连接至专用中间点的相关联，以形成起始点回路。针对这种类型的现有技术的实施例，直齿同步机器提供了与凹槽的宽度一样的齿宽度，通常齿宽度为约15°。专利DE102009000681的图不能清楚地理解齿的峰端散度，该峰端散度对于不同的齿来说是不同的，其值在现有技术的该文献的图3中为15.1°或15.8°。
[0017]专利EP0872943公开了电子力学旋转机器的另一示例，其包括具有带集中绕组的定子的永磁铁。
[0018]专利申请W093/07672也是已知的，其涉及具有直齿的电机的结构。然而，提出的拓扑结构具有位于转子上的4对磁极，这样不允许残余扭矩的第六谐波的自然补偿，并且要求对转子磁铁的形状进行修改以减小残余扭矩。此外，如果该结构使用直齿，则后者具有大宽度(磁极节距的大约50% )，这不是优化的。
[0019]在特定数量的专利中，就可去除或者至少明显最小化不带电流的扭矩的定子齿的宽度而言，申请人提供解决方案以能够通过利用与具有5对或7对磁极的转子关联的直齿拓扑结构来纠正所有或部分上述缺点，同时示出可找到的构造。
[0020]具体地说，美国专利8，102, 093涉及一种具有12个直定子齿出个被缠绕，6个不被缠绕)的电机，其特性在于缠绕的齿为非缠绕的齿的至少两倍宽。承载线圈的宽齿因此在特定条件下由于增强的磁导可最大化Km值。将齿宽度选择为使得，由于齿之间的不等宽度而获得残余扭矩的第六谐波的最佳补偿。
[0021]这种结构针对平衡的径向力完美地符合对不带电流的扭矩的减小的需要，使得线圈主体上的独立绕组能够按次序加至定子上，并导致满意的性能水平。
[0022]然而，如果使用恒定的轴向整体尺寸和直径，则对本领域技术人员意外的是，在一些情况下，该拓扑结构不导致最佳结果，并且有益的是与现有技术提供的教导的相比，具有相等但更窄的齿，以优化电机Km值。
[0023]例如，即使必须减小定子的高度，当使用更大的绕组线圈头时，为了保持恒定的整体尺寸，与具有不同尺寸的12齿相比，就Km值而言通过具有等宽度的12窄齿而获得更好的构造，并且该齿宽度小于磁极节距的一半。
【发明内容】
[0024]因此，本发明致力于提供上述问题的解决方案。
[0025]更具体地说，本发明致力于提供单相或多相电动机，其包括:定子，其承载至少三个线圈并且由12x N个径向延伸(即，垂直于电机的旋转轴线)的直齿和从电动机中心在它们的端部测量的相等峰端散度α构成，N为大于或等于I的整数；和转子，其具有P对磁化磁极，使得P = 5+2x R，P不是三的整数倍，R为大于或等于O的整数，α在360° /(12χΝ)/3 与 360° /(12χΝ)/2 之间。
[0026]优选地，电动机的特征在于，两个齿中有一个齿承载线圈。
[0027]在替代形式方案中，电动机的特征在于，所有的齿均承载线圈。
[0028]在特定实施例中，电动机具有安装在以60°间隔开的齿上并且通常在小于或等于120°的齿距(Θ)上分布的三个线圈。
[0029]如果想要更大程度地减小在不带电流时的扭矩，则还可使用方法至少局部地减小齿之间的气隙。定子结构因此可修改为在高度的一部分上获得饱和的颈部，或者增加一个或多个铁磁环。
[0030]因此，在特定实施例中，电动机具有定子，该定子由两种不同的金属板的堆叠而形成，其中相邻的定子齿通过饱和的磁性颈部接触第一类型的金属板。
[0031]在替代形式方案中，电动机具有插入到定子的齿与磁性转子之间的径向气隙中的至少一个铁磁环。
[0032]还可考虑具有这样的定子的电动机，所述定子具有形成适于容纳铁磁环的凹槽的两种金属板。
[0033]根据另一可能的替代形式方案，电动机具有定子，所述定子具有在齿被缠绕之后被定位的外环，以提供磁性回路的闭合。
[0034]关于转子，根据优选的替代形式方案，磁铁是环形的，其具有对应于径向磁化作用而交替的磁极，或者至少与其靠近。在这种情况下，转子内接在定子中。然而，还可使用轴向类型的磁化作用的盘状磁铁，其中磁铁随后在径向延伸的齿的上方回转，其中线圈相对于磁铁沿径向凹陷。
【附图说明】
[0035]当解释以下附图时将能更好地理解本发明:
[0036]图1示出了根据现有技术的具有12个延伸的齿的电机；
[0037]图2示出了根据现有技术的具有12个直齿(6个宽齿和6个窄齿)的电机；
[0038]图3示出了在第一实施例中的根据本发明的电机；
[0039]图4示出了在具有12个相等窄齿的电机中作为齿的宽度的函数的电机扭矩常数的理论变化，所述齿具有恒定的轴向整体尺寸；
[0040]图5示出了利用具有饱和的颈部(针对它们中的一些)的交替金属板的在第二实施例中根据本发明的定子的剖视图；
[0041]图6示出了在第一替代形式方案中的气隙中利用铁磁环的另一第二实施例中的根据本发明的定子的剖视图；
[0042]图7示出了在利用第二替代形式解决方案中的气隙中的铁磁环的另一第二实施例中根据本发明的定子的剖视图；
[0043]图8示出了利用5对磁极和12个缠绕的窄齿的实施例中的根据本发明的电机的前视图；
[0044]图9示出了利用气隙中的7对磁极和铁磁环的实施例中的根据本发明的电机的前视图；
[0045]图10示出了在气隙中利用11对磁极和铁磁环的实施例中的根据本发明的电机的前视图；
[0046]图11示出了利用位于有限的齿距中的三个线圈的另一实施例中的根据本发明的电机的前视图；
[0047]图12和图13示出了两个不同的视图中具有轴向磁化的盘转子的本发明的替代形式方案；
[0048]图14示出了替代形式的实施例。
【具体实施方式】
[0049]图1是涉及在转子上具有5对磁极和在定子上缠绕有12个齿的电机的专利US7595577的图，所述齿中的每一个在它们的与磁化转子相对的端部具有延伸部分I。该实施例是延伸以最小化不带电流的扭矩的齿的方案的通常表达，其缺点在该专利的前序部分中指明:齿之间的泄露磁通、绕组的复杂度、减小线圈的空间…。
[0050]图2中的电机提供了合适的方案以纠正根据申请人的专利FR2899396的这些缺点，这实现了交替的大的2个齿和窄的3个齿，其在面对转子的齿端部处测量的峰端散度从2以上的因素改变，通常对于宽齿为22°并且对于窄齿为10°，这对于具有5对磁极的转子保持像在先前示例中那样。这些不同宽度导致残余扭矩的谐波的原始补偿，同时可清除用于绕组的大空间。
[0051]然而，在一些环境下，如果考虑针对给定轴向整体尺寸的最大扭矩密度，则该解决方案可能是受限的，同时致力于非常低的不带电流的扭矩。
[0052]首先，尽管具有谐波补偿的方法，磁铁的缺点将总是防止降至不带电流的扭矩的特定值以下。
[0053]现在，具有12个相等的齿的电机具有第六谐波的自然补偿(理论上呈现的第一谐波是第十二谐波)。如果这与齿的宽度减小结合，则在一些情况下，由于铜的更大的体积显现出可获得更好的性能，同时避免了这些齿的过度饱和。