專利名稱：有成形為環(huán)形線圈的定子繞組的交流電機(jī)及電機(jī)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同步交流電機(jī)，其適于安裝到機(jī)動車輛中，還涉及一種用于該交流電機(jī)的控制裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，各種同步交流電機(jī)，尤其是各種無刷交流電機(jī)，眾所周知具有緊密堆疊形成的定子繞組層，纏繞在定子極上，例如由日本公開專利No.6-261513(第3頁和附圖1到3)所描述的，將在下文參考文件1中說明。圖40和41是分別沿電機(jī)軸以及相對電機(jī)軸成直角的截面圖，示出了這種現(xiàn)有技術(shù)中無刷電機(jī)的常規(guī)結(jié)構(gòu)。這個例子是4極6槽型無刷電機(jī)，具有形成在定子上的補(bǔ)償繞組，和繞到定子極上的各個定子相繞組(下文中簡稱為相繞組)。圖42是沿定子內(nèi)圓周繞360°獲得的概念視圖(此類視圖在下文中稱為圓周展開圖)，示出了定子繞組是如何根據(jù)相應(yīng)的定子極進(jìn)行設(shè)置的。圖42的圓周展開圖的360°范圍等于720°的電角度。這個無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子2具有兩個用數(shù)字7表示的永磁體，其具有在該轉(zhuǎn)子2外表面上的N(北)極作為轉(zhuǎn)子2的N極，以及兩個用數(shù)字8表示的永磁體，其具有在該轉(zhuǎn)子外表面上的S(南)極作為轉(zhuǎn)子2的S極，如圖所示N極7和S極8繞轉(zhuǎn)子2的外圓周交替連續(xù)設(shè)置。定子4具有U相定子極TBU1，該TBU1上具有分別繞在其上的U相定子繞組WBU1、WBU2，類似地定子還具有V相定子極TBV1，該TBV1上具有分別繞在其上的V相定子繞組WBV1、WBV2，以及還具有W相定子極TBW1，TBW1上具有分別繞在其上的W相定子繞組WBW1、WBW2。
無刷電機(jī)的這種結(jié)構(gòu)目前廣泛用于工業(yè)和家庭應(yīng)用中。然而這種無刷電機(jī)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，原因是需要形成纏繞在每個定子極上的繞組，每個繞組設(shè)置在定子槽內(nèi)。因此，其制造生產(chǎn)率很低。
另外，很難將這種類型的無刷電機(jī)加工成小型尺寸，或者以低成本制造。
應(yīng)當(dāng)注意到，雖然本發(fā)明在下文參考同步交流電機(jī)型無刷電機(jī)進(jìn)行的描述，其中該交流電機(jī)中的轉(zhuǎn)子極由永磁體構(gòu)成，或參考磁阻型同步交流電機(jī)進(jìn)行的描述，但是本發(fā)明的原理同樣適用于具有場繞組的同步交流電機(jī)，其中該場繞組由勵磁電流驅(qū)動以為轉(zhuǎn)子極提供磁通。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過提供一種同步交流電機(jī)，尤其是一種具有簡單結(jié)構(gòu)并易于制造的無刷電機(jī)，來克服上述缺陷，這種電機(jī)可以制成小型電機(jī)，可以高效運(yùn)行，并具有低成本。還有一個目的就是提供一種控制這種電機(jī)的裝置。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種同步交流電機(jī)，包括一個具有多個在圓周上形成的磁極的轉(zhuǎn)子，其中N極和S極相互交替；一個定子，具有多個圍繞內(nèi)圓周形成的定子極，設(shè)置成N定子極組(這里N為復(fù)數(shù))，每個相鄰的N定子極組對的圓周位置相差一定量，還包括多個在定子圓周上形成的環(huán)形定子繞組，每個環(huán)形定子繞組直接與N定子極組中的一個(相對于轉(zhuǎn)軸方向)相鄰設(shè)置。
基于以下事實(shí)使這種環(huán)形定子繞組的使用成為可能，采用一種傳統(tǒng)形式的定子繞組，將每個繞組繞多個定子極中的每一個連續(xù)纏繞幾次，位于相鄰極之間中間位置的那些定子繞組部分產(chǎn)生了可相互抵消的磁力，這是因?yàn)榈攘壳曳较蛳喾吹碾娏鞣謩e流入定子繞組的這些部分。因此，這就相當(dāng)于沒有電流流過定子繞組這些部分的情況，因此它們是可以省略掉的。使用根據(jù)本發(fā)明的環(huán)形定子繞組具有這樣的好處，可以大體上減少形成該定子繞組所需的銅量，(因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)中的無刷電機(jī)中的前述位于每對相鄰極之間的繞組部分省略掉了)，另外，使電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)增加的輸出轉(zhuǎn)矩和增加的效率。還有，可以降低制造成本，例如由于不必再將定子繞組繞到定子極上因而簡化了制造過程，以及電機(jī)的重量可以更輕。
另外，事實(shí)上由于省略了現(xiàn)有技術(shù)同步交流電機(jī)中的相鄰定子極每對之間的上述繞組部分，因此與現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)相比，根據(jù)本發(fā)明的同步交流電機(jī)的定子極數(shù)可以增加。
另外，由于實(shí)際情況是，定子極沿兩個轉(zhuǎn)子軸方向以及繞定子內(nèi)圓周以平衡方式分布，而不是有很少量的定子極沿單一的圓周路徑設(shè)置，所以可以獲得更多的益處。尤其是，通過轉(zhuǎn)子極作用在定子上的磁力吸引作用是以分散的方式施加的，進(jìn)而降低了這些力使定子變形的趨勢。因此，由這種變形而引起的振動和噪音可以降低了。
這種同步交流電機(jī)可以這樣構(gòu)造，每個定子極組具有在每側(cè)(相對于轉(zhuǎn)子軸向)相鄰靠近設(shè)置的相應(yīng)環(huán)形定子繞組對，相反方向的電流流入這個繞組對。這樣的結(jié)構(gòu)具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，全部定子極根據(jù)產(chǎn)生的磁通可以盡可能有效的得到利用。
另外，這種交流電機(jī)可以這樣構(gòu)造，兩個定子極組分別定位于定子的相對外端(即對應(yīng)于轉(zhuǎn)軸軸向)，每個僅有一個單獨(dú)的相應(yīng)環(huán)形定子繞組直接靠近設(shè)置，從定子極相應(yīng)外端開始定位于定子極組的相對側(cè)上。其余的(居間的)每個定子極組具有一個相應(yīng)的環(huán)形定子繞組對，位于兩側(cè)相鄰靠近設(shè)置，方向相反的電流分別經(jīng)過它們。
這種結(jié)構(gòu)之所以可能是基于這樣的實(shí)際情況如果每個定子極組在兩側(cè)具有相應(yīng)的環(huán)形定子繞組對分別相鄰靠近設(shè)置，那么兩個最外側(cè)的環(huán)形定子繞組(即相對于轉(zhuǎn)軸方向)基本上位于轉(zhuǎn)子鐵心的外側(cè)上具有很高磁阻值的區(qū)域中。因此，這些繞組對電機(jī)的運(yùn)行沒有很明顯的電磁作用，所以可以省略掉它們而不會嚴(yán)重的降低電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩或者輸出功率。這種結(jié)構(gòu)還具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)一步降低定子繞組所需的銅量，實(shí)現(xiàn)改善的效率。還有，往定子上安裝定子繞組變得簡單，這樣制造過程中對電機(jī)的組裝相應(yīng)的簡化了。還有，電機(jī)重量可以更輕并具有更緊湊的尺寸。
如果兩個最外側(cè)的環(huán)形定子繞組如前所述那樣省略掉了，那么剩下的結(jié)構(gòu)就是每個相鄰定子極組對具有置于它們之間的一對環(huán)形定子繞組。還有的變形方式是，可以用一個單獨(dú)的環(huán)形定子繞組來代替每個繞組對，也就是說，只有一個單獨(dú)的繞組置于每個相鄰定子極組對之間。如果驅(qū)動電壓產(chǎn)生的適當(dāng)相電流和幅值分別施加到這些定子繞組上，下文將描述，那么可以實(shí)現(xiàn)與采用一對定子繞組所類似的操作。這還進(jìn)一步簡化了電機(jī)結(jié)構(gòu)以及組裝這樣電機(jī)的過程，還可以使形成定子繞組的銅量降低。
總之，通過由N相交流電壓驅(qū)動環(huán)形定子繞組，與根據(jù)本發(fā)明的同步交流電機(jī)各個不同的N定子極組直接相鄰設(shè)置的環(huán)形定子繞組由交流電壓驅(qū)動，這些交流電壓分別相差360/N度相角。
為了實(shí)現(xiàn)這種諸如無刷電機(jī)的同步交流電機(jī)，可以將轉(zhuǎn)子上設(shè)置有多個永磁體，繞轉(zhuǎn)子以等間距圓周設(shè)置，在磁體外表面設(shè)置N極的永磁體和在磁體外表面上設(shè)置S極的永磁體之間交替設(shè)置。尤其是，轉(zhuǎn)子極可以這樣簡單的構(gòu)造，即通過使每個這樣的永磁體形成具有弧形的外輪廓并相對于轉(zhuǎn)子軸固定貼附磁體。
還有，多個永磁體可以繞轉(zhuǎn)子以等間距圓周設(shè)置，固定到轉(zhuǎn)子上以使每個磁體的N和S極在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生相應(yīng)的N和S極，將磁體設(shè)置成這些極繞轉(zhuǎn)子圓周連續(xù)交替出現(xiàn)。
另一方面，這種同步交流電機(jī)可以形成這樣的結(jié)構(gòu)，定子極分別從定子內(nèi)圓周表面突出，其中定子具有多個設(shè)置在其內(nèi)圓周表面上的極塊，位于沒有由定子極所占用的位置上。這有助于吸收到達(dá)定子表面的轉(zhuǎn)子極發(fā)出的漏磁通，即允許這些通量很容易的連回轉(zhuǎn)子極，使輸出轉(zhuǎn)矩增加。
另一方面，定子和/或轉(zhuǎn)子的鐵心部分至少部分地通過模鑄，例如壓鑄，一種為軟磁材料的磁性金屬粉末而制成。由于這種材料每個顆粒的表面可以利用氧化等而很容易的預(yù)先制成，以使電絕緣，可以防止磁路中的渦流沿三維的任一方向流動。進(jìn)而可以減少磁路中的鐵損，因此實(shí)現(xiàn)了更高效率的運(yùn)行。
還有，這種構(gòu)成方法具有這樣的優(yōu)勢，組成磁路部分的定子部件可以在電機(jī)組裝之前基本上形成好了各自的最終形狀，可以大大的降低或省去制造這種部件所需的加工量。因此這種用于產(chǎn)生三維磁場的部件可以以低成本制造，即使它們形狀上比較復(fù)雜。
另一方面，電機(jī)的定子極可以以各自的圓周位置設(shè)置在定子上，這樣在N定子極組每個相鄰對之間存在沿圓周方向的特定相對位移量，這個特定的位移量等于360/N度的電角度。按照這種方式，通過給對應(yīng)于各種定子極組的環(huán)形繞組施加各自的多相交流電壓，可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
對于這種同步交流電機(jī)，在每個N定子極組中，其上的定子極分別形成特殊的形狀，使定子極組各個單元電壓的波形基本上相同，使各個單元電壓的幅值基本上相同(即這里單元電壓指的是與定子極組連接的磁通的轉(zhuǎn)動角速度)，在各個定子極組之間保持大致360/N度的相差。這樣的措施可使由這種同步交流電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動量降低，而不會降低定子極產(chǎn)生的磁通最大值，也就是不會降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平均值。另外，這可以使電機(jī)的外直徑減小，也有助于降低相鄰定子極之間的漏磁通量。
還有，當(dāng)需要降低m次轉(zhuǎn)矩脈動時(shí)，也就是m次諧波的轉(zhuǎn)矩脈動(這里m為一個整數(shù))，每個N定子極組中的定子極可以分成n個子組，以及在這些子組之間沿定子圓周方向形成的特定的相對位置位移量。這個特殊的相對位置位移量等于一相移動360/(m×n)電角度的整數(shù)倍(這里的每個定子極組中的定子極圓周間距對應(yīng)于360度電角度)。按照這樣的方式，當(dāng)例如所公知的那樣在電機(jī)運(yùn)行期間很可靠地產(chǎn)生m次轉(zhuǎn)矩脈動的基本量時(shí)，電機(jī)可以設(shè)計(jì)成有效降低特殊型的轉(zhuǎn)矩脈動。
還有，可以實(shí)現(xiàn)降低m次轉(zhuǎn)矩脈動類似的效果，是通過將轉(zhuǎn)子的N極分成n個子組，轉(zhuǎn)子S極也分成n個子組，并在子組之間沿圓周方向形成特殊的相對位置位移量，這個特殊的相對位置位移量是360/(m×n)度的整數(shù)倍的相角。
一些情況中，由各個流過某些環(huán)形定子繞組的電流產(chǎn)生的磁力合成后可產(chǎn)生一組磁力的凈量，其是沿轉(zhuǎn)軸方向作用的。因此，從另一方面，這種同步交流電機(jī)可以設(shè)置有輔助繞組，與比如與軸線同軸的轉(zhuǎn)子軸相鄰靠近設(shè)置，交流電施加到這個輔助繞組中，這個輔助繞組具有適當(dāng)?shù)念l率、相和幅值以在輔助繞組中產(chǎn)生一個沿軸軸線方向作用的磁力來抵消由各個流過環(huán)形定子繞組的電流合成而產(chǎn)生的一組磁力凈量。那樣，沿轉(zhuǎn)子軸向方向作用的磁力可以消除了。
另一方面，本發(fā)明提供了一種控制具有上面描述形式的同步交流電機(jī)的控制裝置，這種電機(jī)中每個定子極組具有一個相應(yīng)的在每一側(cè)相鄰靠近設(shè)置的環(huán)形定子繞組對，方向相反的電流流過這對繞組，或者前面描述的那種形式電機(jī)中，兩個軸向最外側(cè)的定子極組中的每一個僅設(shè)有一個單個的相應(yīng)的(即相鄰靠近的)環(huán)形定子繞組，以及其余定子極組中的每一個設(shè)有一個相應(yīng)的相鄰環(huán)形定子繞組對?？刂蒲b置用于通過控制流入環(huán)形定子繞組的各個電流的幅值I達(dá)到某一值，使由N定子極組產(chǎn)生的各個轉(zhuǎn)矩T值的總和與一個預(yù)定的共有轉(zhuǎn)矩值相等。
特別是，這種控制裝置包括計(jì)算每個N定子極組各個轉(zhuǎn)矩T值的裝置，比如W×E×I，這里E是與每個定子極組相關(guān)的磁通的轉(zhuǎn)動角速度，W是對應(yīng)于定子極組的環(huán)形定子繞組總匝數(shù)。
通過使用這種控制裝置來控制流入環(huán)形定子繞組中的各個電源電流值，依據(jù)本發(fā)明的同步交流電機(jī)可以很容易的得到控制以產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值。
控制裝置也可以類似地設(shè)定成按前面描述的那樣控制同步交流電機(jī)，具有的定子結(jié)構(gòu)是在每個定子極組的相鄰對之間設(shè)置一個單獨(dú)的繞組。這種的控制裝置通過控制分別流入環(huán)形定子繞組中的(N-1)個電流的每一個幅值I達(dá)到某一值，使基于(N-1)個環(huán)形定子繞組產(chǎn)生的各個轉(zhuǎn)矩T總和等于轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值。
特別是，這種控制裝置包括計(jì)算對應(yīng)于每個(N-1)環(huán)形定子繞組各個轉(zhuǎn)矩T值的裝置，比如W×E×I，這里E是與每個定子極組連接的磁通的轉(zhuǎn)動角速度，W是每個環(huán)形定子繞組總匝數(shù)。
還是本發(fā)明的一方面，一個或多個環(huán)形定子繞組可以形成為一個環(huán)的結(jié)構(gòu)，這個環(huán)部分圍繞定子內(nèi)圓周延伸，部分沿轉(zhuǎn)子軸線方向延伸，也就是一個或多個定子極突出穿過環(huán)的中心孔。這具有簡化組裝定子過程的優(yōu)點(diǎn)。
還有一方面，這種同步交流電機(jī)可以形成具有定子極的極面，每個具有一定尺寸，如沿轉(zhuǎn)子軸向測量出來的，這個尺寸要比定子極組的間距長。這使定子極可圍繞定子內(nèi)圓周形成而在定子極組相鄰極之間不會有相互位置干涉，這樣簡化的定子結(jié)構(gòu)。另外，可以采用更多的定子極，這樣電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以增加。
還可以使多個根據(jù)本發(fā)明的同步交流電機(jī)結(jié)合在一起，例如，具有一個共同的電機(jī)軸，或者具有通過條帶或齒輪等互相聯(lián)接的電機(jī)軸，以驅(qū)動一個共同的負(fù)載。按照這種方式，通過將一定數(shù)量的電機(jī)按照所需靈活的組合在一起，其可以驅(qū)動大量的負(fù)載。


圖1是一個三相無刷電機(jī)實(shí)施例的截面圖，是通過沿經(jīng)過轉(zhuǎn)子軸向平面而獲得的。
圖2是圖1中無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子外圍圓周展開視圖；圖3是圖1中無刷電機(jī)定子內(nèi)圍圓周展開視圖；圖4是圖1中無刷電機(jī)定子繞組的圓周展開視圖；圖5是對應(yīng)于圖1的截面圖，用于描述組裝圖1中無刷電機(jī)定子的方法；圖6是相對轉(zhuǎn)子軸線方向一定角度獲得的截面圖，通過了圖5中VI-VI線；圖7是相對轉(zhuǎn)子軸線方向一定角度獲得的截面圖，通過了圖5中VII-VII線；圖8是相對轉(zhuǎn)子軸線方向一定角度獲得的截面圖，通過了圖5中VIII-VIII線；圖9和10是圖1中無刷電機(jī)普通形式定子繞組的圖表；圖11是無刷電機(jī)定子極外面的圓周展開圖，用于描述分別采用環(huán)形繞組作為定子繞組來代替普通定子繞組的原理；圖12是圖1中無刷電機(jī)的定子繞組電流、電壓和輸出扭矩之間關(guān)系的矢量圖；圖13是圖1中無刷電機(jī)其它形式定子繞組的圓周展開概念視圖，其像具有兩個環(huán)形定子繞組的二相電機(jī)那樣運(yùn)行；圖14是圖1中無刷電機(jī)定子第一種變形方式的內(nèi)圍圓周展開視圖，其具有用于吸收漏磁通的定子極塊；圖15是圖1中無刷電機(jī)定子第三種變形方式的內(nèi)圍圓周展開視圖，其具有定子極的變形結(jié)構(gòu)；圖16是圖1中無刷電機(jī)定子第四種變形方式的內(nèi)圍圓周展開視圖，其具有定子極的變形結(jié)構(gòu)；圖17是圖1中無刷電機(jī)定子第五種變形方式的內(nèi)圍圓周展開視圖，其具有定子極的變形結(jié)構(gòu)；圖18是圖1中無刷電機(jī)定子第六種變形方式的內(nèi)圍圓周展開視圖，其具有定子極的變形結(jié)構(gòu)；圖19是圖1中無刷電機(jī)定子第七種變形方式的內(nèi)圍圓周展開視圖，其具有基于圖18中定子極的變形結(jié)構(gòu)；圖20是沿轉(zhuǎn)子軸向方向獲得的平面視圖，示出了圖1中無刷電機(jī)定子極的其它形狀；圖21是沿經(jīng)過圖20中線E-E的平面獲得的部分截面圖；圖22是組成圖1中無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子極的永磁體沿圓周固定的布置方式的截面圖；圖22是組成圖1中無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子極的永磁體第一種布置方式的截面圖；圖23是組成圖1中無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子極的永磁體第二種布置方式的截面圖；圖24是組成圖1中無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子極的永磁體第三種布置方式的截面圖；圖25是組成圖1中無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子極的永磁體第四種布置方式的截面圖；圖26是使圖1中無刷電機(jī)像磁阻電機(jī)那樣運(yùn)行的定子極結(jié)構(gòu)的截面圖；圖27是使圖1中無刷電機(jī)像磁阻電機(jī)那樣運(yùn)行的定子極其它結(jié)構(gòu)的截面圖；圖28和29是轉(zhuǎn)子外圍圓周展開視圖，以適當(dāng)角度觀察圖28，用于描述組成轉(zhuǎn)子極的永磁體可減少圖1中無刷電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的其它結(jié)構(gòu)；圖30是定子極位置移位布置方式的概念視圖，這種布置方式用于降低轉(zhuǎn)矩脈動；圖31是由永磁體組成的轉(zhuǎn)子極位置移位布置放置的概念視圖，這種布置方式用于降低轉(zhuǎn)矩脈動；圖32是沿經(jīng)過轉(zhuǎn)子軸向平面獲得的圖1中無刷電機(jī)其它形式的截面圖，具有一個輔助繞組用于消除沿轉(zhuǎn)子軸向方向作用的磁力；圖33是圖1中三相無刷電機(jī)的控制裝置實(shí)施例的系統(tǒng)框圖；圖34是用于圖1中無刷電機(jī)其它(二相)形式的控制裝置實(shí)施例的系統(tǒng)框圖，具有如圖13中所示的定子繞組；圖35是沿經(jīng)過轉(zhuǎn)子軸向平面獲得的圖1中無刷電機(jī)另一種形式的截面圖，其為四相無刷電機(jī)；圖36是圖35中四相無刷電機(jī)定子內(nèi)圍的圓周展開視圖；圖37是圖35中四相無刷電機(jī)定子繞組的圓周展開視圖；圖38是一對互連的環(huán)形定子繞組的斜視圖，每個沿轉(zhuǎn)子軸線方向部分地延伸，其實(shí)現(xiàn)了一對圓周設(shè)置的環(huán)形定子繞組的功能；圖39是沿經(jīng)過轉(zhuǎn)子軸線平面獲得的兩個無刷電機(jī)的組合物截面圖，其具有共同轉(zhuǎn)軸以及各個定子繞組磁場是對稱極性相反的；圖40是沿經(jīng)過轉(zhuǎn)子軸線平面獲得的現(xiàn)有的無刷電機(jī)的截面圖；圖41是沿相對于轉(zhuǎn)子軸線方向一適當(dāng)角度獲得的圖40中無刷電機(jī)的截面圖；圖42是圖40中現(xiàn)有的無刷定子極和定子繞組之間關(guān)系的圓周展開視圖；圖43是在圖1和4中示出的U、V、W定子繞組連接布置的第一實(shí)施方式概念電路圖；圖44、45是用于描述根據(jù)本發(fā)明通過采用三相交流電壓驅(qū)動一個二相無刷電機(jī)的方法的概念電路圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是沿一個實(shí)施方式中的無刷電機(jī)的電機(jī)軸剖開的截面圖，電機(jī)用數(shù)字100表示。這是一個3相8極電機(jī)，具有固定在軸承3上的轉(zhuǎn)軸11，一個具有永磁體12的轉(zhuǎn)子10和一個定子14，這些裝入殼體61中。
轉(zhuǎn)子10具有繞其外圍圓周設(shè)置的永磁體12，其中N極和S極繞轉(zhuǎn)子10的外周連續(xù)交替設(shè)置，如圖2的圓周展開圖中所示。轉(zhuǎn)子10的圓周360°相當(dāng)于1440°的電氣角度。
定子14具有四個U相定子極19，四個V相定子極20和四個W相定子極21，每一個定子極朝轉(zhuǎn)子10的外圍徑向向內(nèi)突出。圖3是定子14的圓周展開圖，示出了這些定子極之間的位置關(guān)系。如圖所示，U相定子極19圍繞一個共同的圓周軌道以均勻間距設(shè)置。V相定子極20也類似的繞一個共同圓周軌道設(shè)置，與U相定子極19的定子極相鄰，W相定子極21也圍繞一個共同圓周軌道設(shè)置，鄰接于V相定子極20的定子極。下文中，這四個U相定子極19將稱為定子極組19，將四個V相定子極20稱作定子極組20，將四個W相定子極21稱作定子極組21。這些定子極中，將位于外端位置上(相對于轉(zhuǎn)軸11的方向)的定子極組19和定子極組21將稱為邊緣位置定子極組，而將定子極組20成為中間定子極組。
如圖3所示，定子極組19、20、21沿圓周方向和轉(zhuǎn)子軸向分別相互錯位一個特定量。在這個實(shí)施例中，圓周位移量為30°(機(jī)械)的角度，相當(dāng)于120°的電角度(即相差)，因?yàn)閳A周定子極距(每個定子極組之內(nèi))相當(dāng)于360°的相變。
圖3中虛線示出的輪廓分別表示轉(zhuǎn)子10的永磁體12的位置(即一個特定轉(zhuǎn)子10的角位置)，與定子14的永磁體12相鄰設(shè)置并直接對著永磁體12。
永磁體12的節(jié)距(即兩個相鄰N極或兩個相鄰S極之間的角位移)相當(dāng)于360°的電角度。類似的，正如前面提到的，每個定子極組中的定子極的節(jié)距也相當(dāng)于360°的電角度。
U相定子繞組15和V相定子繞組16連續(xù)(沿轉(zhuǎn)軸方向)設(shè)置在定子14的定子極組19和定子極組20之間，即U相定子繞組15和V相定子繞組16各自連接于定子極組19和定子極組20，而V相定子繞組17和W相定子繞組18類似的連續(xù)設(shè)置，該V相定子繞組17與定子極組20緊密相鄰，W相定子繞組18與定子極組21緊密相鄰。如圖4所示，圖4為展開圓周圖，示出了這些繞組設(shè)置在定子14上的方式。每個U相定子繞組15、V相定子繞組16、V相定子繞組17和W相定子繞組18形成為環(huán)形結(jié)構(gòu)，繞定子14內(nèi)圓周伸展360°。
每相連續(xù)相差120°的3相交流電，下文稱作Iu、Iv和Iw，分別流入U(xiǎn)相定子繞組15、V相定子繞組16、V相定子繞組17和W相定子繞組18。流入相繞組電流的方向(在任何精確時(shí)刻)都是順時(shí)針的(沿電機(jī)軸方向)，將任意地指定為電流方向的正向，沿逆時(shí)針方向流動的電流指定為負(fù)方向。假設(shè)負(fù)電流(-Iu)流入U(xiǎn)相定子繞組15。這種情況下，正電流(+Iv)流入V相定子繞組16，負(fù)電流(-Iv)流入V相電子繞組17，正電流(+Iw)流入W相定子繞組18。
定子極和相繞組的結(jié)構(gòu)將在下文參考圖5中示出的沿平行于軸線剖開的無刷電機(jī)100截面圖進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖6是沿圖5中的VI-VI線所作的平面剖開的簡化截面圖，相對轉(zhuǎn)子軸向偏轉(zhuǎn)直角。圖7是沿圖5中的VII-VII線所作的平面剖開的類似截面圖，圖8是沿圖5中的VIII-VIII線所作的平面剖開的類似截面圖。如這些圖所示，定子極組19、定子極組20和定子極組21中的每個極都具有一個徑向向內(nèi)突起的結(jié)構(gòu)，正如前面描述過的，在一個極組的極與那些直接相鄰的組的極之間，也就是定子極組19和定子極組20之間以及定子極組20和定子極組21之間，有一個120°的相差，對應(yīng)于30°的機(jī)械角差。
圖9和10示出了U相定子繞組15的物理結(jié)構(gòu)。如圖所示，是以圓環(huán)的形式，其第一端將稱為繞組起始端U，第二端將成為繞組末端N。V相定子繞組16、V相定子繞組17和W相定子繞組18中的每一個具有類似的結(jié)構(gòu)，每個V相定子繞組16和V相定子繞組17具有一個繞組起始端V和一個繞組末端N，而W相定子繞組18具有一個繞組起始端W和一個繞組末端N。假設(shè)相繞組連接成3相Y結(jié)構(gòu)，U相定子繞組15、V相定子繞組16、V相定子繞組17和W相定子繞組18每一個的繞組末端N都相互連接。流入相繞組15、16、17和18中的電流Iu、Iv、Iw用于控制各個相的定子極19、20、21與轉(zhuǎn)子10的永磁體12之間形成的轉(zhuǎn)矩的值，該轉(zhuǎn)矩是基于這些電流之間的相位關(guān)系而確定的。另外，將電流控制成Iu+Iv+Iw＝0。
相電流Iu、Iv、Iw與由這些相電流在定子極19、20、21中分別產(chǎn)生的磁力之間的關(guān)系將在下文描述。圖11是對應(yīng)于前面描述過的圖3的展開圓周圖，描述了各個相繞組的布置情況，正如從轉(zhuǎn)子10氣隙側(cè)看到的。首先，正如虛線部分(6)、(10)、等表示的，U相繞組可以圍繞每個定子極19圓周沿同一方向纏繞，這樣在每個U相定子極19中就產(chǎn)生了同一方向的磁力。例如，如圖11中所見，繞在從左數(shù)第二個U相定子極19上的U相繞組由含有以(3)、(4)、(5)、(6)表示的部分的導(dǎo)體構(gòu)成，這些部分繞U相定子極19中的一個纏繞(按此規(guī)則)。在相鄰U相定子極19之間構(gòu)成連接引線的導(dǎo)體部分用(2)和(7)等表示，并且它們沒有電磁作用。
將流入這樣的U相繞組的電流在下面進(jìn)行分析，以解釋其為何能夠利用環(huán)形結(jié)構(gòu)而不是普通型定子繞組的基本原理，普通型定子繞組是像圖42示出的現(xiàn)有技術(shù)那樣連續(xù)圍繞各個定子極纏繞的。等量的但是相反方向的電流流入U(xiǎn)相繞組的導(dǎo)體部分(1)和(3)，如圖11所示，這樣這些繞組的安匝可以相互抵消，這就相當(dāng)于在這些導(dǎo)體部分中流入了零電流。類似的，導(dǎo)體部分(5)和(8)的安匝也相互抵消，也產(chǎn)生了相當(dāng)于往這些導(dǎo)體部分流入零電流的情況?；谠O(shè)置在相鄰U相定子極19之間的導(dǎo)體部分流過的電流相互抵消的事實(shí)，實(shí)際上就不再需要流過這種電流了。因此，可以省略這些導(dǎo)體部分。
結(jié)果，如果U相電流Iu沿圍繞定子14中圓周軌跡循環(huán)流動，流過諸如(10)和(6)等的導(dǎo)體部分，與此同時(shí)，等量的相反方向的電流(-Iu)也沿定子14中圓周軌跡循環(huán)流動，流過諸如(4)和(9)等的導(dǎo)體部分那么可以獲得相同效果。因此，這些導(dǎo)體部分可以由一對環(huán)形定子繞組代替，設(shè)置在定子極組19的兩側(cè)，也就是每個環(huán)沿定子內(nèi)部圓周延伸。
還有，流過導(dǎo)體部分(6)和(10)的相電流Iu相當(dāng)于一個電流在環(huán)形定子繞組中流動的效果，這個環(huán)形定子繞組大體位于定子14一個端面(即相對于定子軸向)上，也就是大體定子鐵心的外側(cè)。定子鐵心的外部由氣體或其它具有低導(dǎo)磁能力的材料組成，這樣電流Iu通過外部環(huán)路的流動幾乎沒有對無刷電機(jī)100產(chǎn)生電磁作用。因此，對應(yīng)于這些導(dǎo)體部分(6)、(10)等的環(huán)形定子繞組可以省略，而不會影響電機(jī)的運(yùn)行。
因此，圖4和5中示出的環(huán)形U相定子繞組15的作用就相當(dāng)于圖11中示出的繞各自定子極19外周纏繞的U相繞組的作用效果。
還有，與U相繞組方式相同，圖11中示出了V相繞組繞每個V相定子極20纏繞。流入導(dǎo)體部分11和13的電流是等量相反方向的，這樣這些導(dǎo)體部分各自的安匝可以互相抵消。因此，也就相當(dāng)于沒有向兩個導(dǎo)體部分流入電流的情況。類似的，流入導(dǎo)體部分15和18的電流是等量相反向的，這樣這些導(dǎo)體部分各自的安匝相互抵消。
因此，如果V相電流Iv沿圍繞定子14中圓周軌跡循環(huán)流動，流過導(dǎo)體部分(20)和(16)，與此同時(shí)，等量的相反方向的電流(-Iu)也沿定子14中圓周軌跡循環(huán)流動，流過導(dǎo)體部分(14)和(19)，那么可以獲得相同效果，。
結(jié)果，如圖4和5所示的兩個環(huán)形V相繞組16和17的共同作用就相當(dāng)于圖11中分別繞在定子極20外圓周的V相繞組的作用效果。
類似的，圖11中示出的W相繞組繞每個W相定子極21纏繞。流入導(dǎo)體部分21和23的電流是等量相反方向的，這樣這些導(dǎo)體部分各自的安匝將相互抵消。因此，這就相當(dāng)于沒有向兩個導(dǎo)體部分流入電流的效果。還有，流入導(dǎo)體部分25和28的電流是等量相反方向的，這樣這些導(dǎo)體部分各自的安匝將相互抵消。
因此，如果W相電流Iw沿圍繞定子14中圓周軌跡循環(huán)流動，流過導(dǎo)體部分(30)和(26)，與此同時(shí)，等量的相反方向的電流(-Iw)也沿定子14中圓周軌跡循環(huán)流動，流過導(dǎo)體部分(24)和(29)，可以獲得相同效果，。
然而流過導(dǎo)體部分(24)和(29)的電流在作用效果方面與流入定子鐵心大體外部上環(huán)路的W相電流(-Iw)相同。因此，根據(jù)前面描述過的與U相繞組有關(guān)的相同原因，可以省略對應(yīng)于這些導(dǎo)體部分(24)和(29)的環(huán)形定子繞組，而不會影響電機(jī)的運(yùn)行，也就是不必設(shè)置一個環(huán)形定子繞組來承載該相電流(-Iw)。
然而應(yīng)當(dāng)注意的是如果需要可以同樣接合這種最外側(cè)的U相和W相定子繞組。
從前面可以理解，可以在定子14上設(shè)置每個為單環(huán)形結(jié)構(gòu)的定子繞組，以取得與繞在每個定子極上的定子繞組相同的效果，也就是，根據(jù)上面的實(shí)施例，六個環(huán)形定子繞組可以與分別繞在每個U相定子極19、每個V相定子極20和每個W相定子極21上的普通型三相繞組取得相同的效果。還有，正如前面描述過的，屬于六個環(huán)形定子繞組中的，兩個位于三組定子極19、20、21的組合的相對端(相對于電機(jī)轉(zhuǎn)軸方向)的定子繞組大體位于定子鐵心外部，可以省略這兩個定子繞組而不會明顯影響定子繞組的作用效果。
結(jié)果，在這個實(shí)施例中，通過采用一組四個環(huán)形定子繞組來代替三個普通的定子繞組，可以大致減少構(gòu)成無刷電機(jī)100定子繞組所需銅的量。進(jìn)而可以提高效率，也可以提高轉(zhuǎn)矩。
還有，由于不必再設(shè)置僅用于在相鄰定子極之間傳導(dǎo)電流的導(dǎo)體部分(作為定子繞組一部分)這樣的事實(shí)，比如在圖11中示出的實(shí)施例為導(dǎo)體部分(2)、(7)等，則可以圍繞定子內(nèi)圓周獲得更多的空間以容納定子極。因此，通過省去現(xiàn)有技術(shù)中的無刷電機(jī)大量的僅用于在定子極之間傳導(dǎo)電流的導(dǎo)體部分，可以采用比現(xiàn)有技術(shù)更多數(shù)量的定子極，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)更佳的運(yùn)行效率。
由于定子繞組的整個結(jié)構(gòu)可以得到簡化，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以大體提高制造這種類型無刷電機(jī)的生產(chǎn)率，因此實(shí)現(xiàn)了低成本制造。
通過U、V、W相定子極的磁通φu、φv和φw一起通過定子的背軛部分，三相磁通值總和為零，即φu+φv+φw＝0。根據(jù)圖41中示出的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)，一共有六個定子極，即三相中的每一相對應(yīng)兩個極。每個極產(chǎn)生的電磁反應(yīng)和轉(zhuǎn)矩量與前面實(shí)施例中無刷電機(jī)100的極所產(chǎn)生的是一樣的。然而由于現(xiàn)有技術(shù)中無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)，不可能省略定子繞組部分或者簡化定子繞組布置，而這在前面實(shí)施例里的無刷電機(jī)100是可以實(shí)現(xiàn)的。
無刷電機(jī)100的運(yùn)行將在下文更詳細(xì)的描述。圖12是一副矢量表，示出了這個實(shí)施方式的電流、電壓和輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。X軸和Y軸分別為實(shí)軸和虛軸。相對于X軸順時(shí)針方向的角度假定為相角矢量。
下文中，各個相的在定子14的定子極19、20、21中的磁通φu，φv，φw的角位移率將用這些相的各個單元電壓Eu、Ev、Ew來表示，表達(dá)為Eu＝dφu/dθ、Ev＝dφv/dθ，Ew＝dφw/dθ。
圖3示出了定子14的定子極組19、20、21的相對圓周位置是如何設(shè)置的。如圖所示，每個定子極19按照相當(dāng)于機(jī)械角30°的量設(shè)置的，也就是，從定子極20中直接相鄰的一個開始偏離120°電角度，而每個定子極20也同樣以120°電角度設(shè)置，這個角度也是從定子極21中直接相鄰的一個開始偏離的角度。每個繞組15到18的每一匝上所具有的單元電壓Eu、Ev、Ew在圖12中以三相電壓表示。
假設(shè)以dθ/dt＝s1的固定速率轉(zhuǎn)動，將組成每個環(huán)形定子繞組15、16、17、18的匝數(shù)分別設(shè)定成Wu、、Wv、Ww，假設(shè)它們具有共同值Wc，在環(huán)形定子繞組15、16、17、18中分別降低的電壓Vu、Vv、Vw可以用下式表示Vu＝Wu×(-dφu/dt)＝-Wu×dφu/dθ×dθ/dt
＝-Wu×Eu×S1 .......(1)Vv＝-Wv×Ev×S1.......(2)Vw＝-Ww×Ew×S1.......(3)尤其是，繞組和電壓之間的關(guān)系如下文所述。U相單元電壓Eu為反向電壓，即為如圖1和4所示的U相定子繞組15一匝中表現(xiàn)出的電壓。U相電壓Vu也是一個反向電壓，即是U相定子繞組15中表現(xiàn)出的電壓。V相單元電壓Ev是由V相定子繞組16中的一匝與V相定子繞組17(即沿與V相定子繞組16中的一匝相反方向纏繞的)中的一匝構(gòu)成的串聯(lián)組合所表現(xiàn)出的電壓。V相電壓Vv是由V相定子繞組16和V相定子繞組17(沿與繞組16相反方向纏繞的)的串聯(lián)組合所表現(xiàn)出的電壓。W相單元電壓Ew是一個反向電壓，即是W相定子繞組18中的一匝所表現(xiàn)出的電壓，W相電壓Vw也是一個反向電壓，即是W相定子繞組15所表現(xiàn)出的電壓。
為了用無刷電機(jī)100實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的高效率，必須在具有單元電壓Eu、EV、Ew的相中通入各個相電流Iu、Iv、Iw。在圖12中，假設(shè)Iu、Iv、Iw分別流入了具有單元電壓Eu、EV、Ew的相中。因此，為了簡化轉(zhuǎn)矩圖，一相的電壓矢量和該相的電流矢量由同一箭頭表示。
將該無刷電機(jī)100的輸出功率設(shè)定成Pa，將對應(yīng)于U、V和W相的輸出功率值分別用Pu、Pv、Pw表示，這些可以用下式表達(dá)Pu＝Vu×(-Iu)＝Wu×Eu×S1×Iu ......(4)Pv＝Vv×Iv＝Wv×Ev×S1×Iv......(5)Pw＝Vw×Iw＝Ww×Ew×S1×Iw......(6)Pa＝Pu+Pv+Pw＝Vu×Iu+Vv×Iv+Vw×Iw......(7)將該無刷電機(jī)100的輸出轉(zhuǎn)矩用Ta表示，各相轉(zhuǎn)矩值分別用Tu、Tv、Tw表示，具有下列表達(dá)式Tu＝Pu/S1＝Wu×Eu×Iu......(8)Tv＝Pv/S1＝Wv×Ev×Iv......(9)Tw＝Pw/S1＝Ww×Ew×Iw......(10)Ta＝Tu+Tv+Tw＝Wu×Eu×Iu+Wv×Ev×Iv+Ww×Ew×Iw＝Wc×(Eu×Iu+Ev×Iv+Ew×Iw)......(11)本實(shí)施例中該無刷電機(jī)100的電壓、電流和轉(zhuǎn)矩值矢量表與圖40到42中示出的現(xiàn)有技術(shù)中無刷電機(jī)對應(yīng)的矢量表是一致的。
如參考圖11所描述的，在上述實(shí)施例中沒有采用環(huán)形繞組，這個實(shí)施例與普通定子繞組的諸如(6)和(10)的U相定子繞組部分以及諸如(24)和(29)的W相定子繞組部分具有等同的效果，其中這些普通繞組是大體設(shè)置在定子鐵心外側(cè)的。然而，對于上述實(shí)施例或是由此變形的定子，雖然沒有在附圖中示出，來自U相繞組15的第二環(huán)形U相定子繞組設(shè)置在圖3中示出的定子極組19相反側(cè)上，電源電流沿與U相繞組15方向相反的方向(即沿與U相繞組15相反方向纏繞的方向)流過這個第二環(huán)形U相定子繞組。類似的，來自W相繞組18的第二環(huán)形W相定子繞組設(shè)置在定子極組21的相反側(cè)上，電源電流沿與W相繞組18方向相反的方向流過該第二環(huán)形W相定子繞組。對于這個實(shí)施例，定子極19和21加工成這樣的形狀，即分別容納這些附加的環(huán)形繞組，即位于定子繞組15到18的相同圓周位置上。
下面將描述可提供改進(jìn)效率的上述實(shí)施例另一個變形形式。對于上述實(shí)施例，如圖4所示，定子繞組15和16是分別置于定子極組19和定子極組20之間的環(huán)形繞組。這兩個環(huán)形繞組可以由一個單個環(huán)形繞組代替。類似的，置于定子極組20和定子極組21之間的定子繞組17和18可以由一個單個環(huán)形繞組代替。
圖13是上述實(shí)施例變形方式中的定子繞組的圓周展開視圖，其中定子繞組15和16由單個環(huán)形M相繞組38代替以及定子繞組17和18由單個環(huán)形N相繞組39代替。這個流入M相繞組38的M相電流Im(＝-Iu+Iv)等于上述實(shí)施例中分別流入U(xiǎn)相定子繞組15和V相定子繞組16的各個電流(-Iu)和Iv的總和。因此，由M相繞組38產(chǎn)生的磁通的狀態(tài)與U相定子繞組15和V相定子繞組16分別產(chǎn)生的合成磁通的狀態(tài)是一樣的，因此，單個M相繞組38在電磁方面等同于U相定子繞組15和V相定子繞組16的合成物。
類似的，流入N相繞組39的N相電流In(＝-Iv+Iw)等于上述實(shí)施例中分別流入V相定子繞組17和W相定子繞組18的各個電流(-Iv)和Iw的總和。因此，由N相繞組39產(chǎn)生的磁通的狀態(tài)與V相定子繞組17和W相定子繞組18分別產(chǎn)生的合成磁通的狀態(tài)是一樣的，因此，單個N相繞組39在電磁方面等同于V相定子繞組17和W相定子繞組18的合成物。
上面示出了圖12中的矢量圖，其中M相繞組38的單元電壓Em和N相繞組39的單元電壓En分別用下式表示Em＝-Eu＝-dφu/dθEn＝Ew＝dφw/dθ另外，功率P和轉(zhuǎn)矩T的矢量方程式如下所示Vm＝Wc×Em×S1 ...................(12)Vn＝Wc×En×S1 ...................(13)Pm＝Vm×Im＝Wc×(-Eu)×S1×(-Iu+Iv)＝Wc×Eu×S1×(-Iu+Iv) ...................(14)Pn＝Vn×In＝Wc×Ew×S1×(-Iv+Iw) ..........(15)Pb＝Pm+Pn＝Vu×(-Iu+Iv)+Vw×(-Iv+Iw) ........(16)Tm＝Pm/S1＝Wc×(-Eu)×(-Iu+Iv).........(17)Tn＝Pn/S1＝Wc×Ew×(-Iv+Iw) .........(18)Tb＝Tm+Tn＝Wc×((-Eu×Im)+Ew×In)..........(19)＝Wc×(-Eu×(-Iu+Iv)+Ew×(-Iv+Iw)＝Wc×Eu×Iu+Wc×Iv×(-Eu-Ew)+Wc×Ew×Iw＝Wc×(Eu×Iu+Ev×Iv+Ew×Iw) ..........(20)Eu+Ev+Ew＝0 ...........(21)在上面的方程式(11)中，由方程式表示的轉(zhuǎn)矩是一個三相轉(zhuǎn)矩。然而方程式(19)表示一個二相轉(zhuǎn)矩。表示這兩種轉(zhuǎn)矩方程式的方法是不同的，但是通過展開方程式(19)，可以得到方程式(20)，因此方程式(11)和(19)在數(shù)學(xué)上是等價(jià)的。在這種情況中，電壓Vu、Vv、Vw以及電流Iu、Iv、Iw組成了一個平衡三相交流布置方式，由方程式(11)表示的轉(zhuǎn)矩Ta是一個固定值。在同樣的條件下，從方程式(19)中得到的轉(zhuǎn)矩Tb是正弦函數(shù)二次方的和，這樣Tm和Tn之間的相差Kmn是90°，因此，轉(zhuǎn)矩Tb也是固定的。
方程式(19)應(yīng)用于一個二相電機(jī)，但是方程式(11)和(21)表示的是一個三相電機(jī)的形式，盡管從這些方程式中可以得到相同的轉(zhuǎn)矩值。然而，在方程式(19)的情況中，當(dāng)電流(-Iu+Iv)經(jīng)過M相繞組38時(shí)，電流-Iu和Iv分別經(jīng)過U相定子繞組15和V相定子繞組16，然后雖然它們是電磁等效的，但是構(gòu)成定子繞組所需的銅的量對于這兩種情況而言是不同的。
如圖12的矢量圖所示，經(jīng)過M相繞組38的電流Im的實(shí)軸分量減少了對應(yīng)于Im乘以cos30°的一個量，也就是，由電流流經(jīng)M相繞組38而導(dǎo)致的銅損量可以降低到由流經(jīng)U相定子繞組15和V相定子繞組16的電流引起的銅損量的75％，因此，采用圖13中所示的定子繞組的變形形式，銅損總量可以降低25％。因此，可以實(shí)現(xiàn)基本上改善無刷電機(jī)的運(yùn)行效率。
下面描述改善圖1中無刷電機(jī)100的性能的方法。無刷電機(jī)100的基本原理是與各個定子14極19、20、21鄰近相對設(shè)置的永磁體12的部分磁通經(jīng)過這些定子極，而永磁體12的其它部分磁通沒有對定子極19、20、21起作用(或，至少僅有很微弱的作用)。然而在相鄰永磁體12之間間隙中有一定量的進(jìn)入定子和轉(zhuǎn)子間氣隙的漏磁通，這些漏磁通對定子極19、20、21有不利的作用，這個作用趨于降低無刷電機(jī)100具有的轉(zhuǎn)矩量。
圖14是定子14的極19、20、21的圓周展開圖，正如從轉(zhuǎn)子10上所看到的，示出了減少上述問題的定子14的改進(jìn)了的形式。如圖所示，由磁性材料構(gòu)成的極塊(即附加極)60設(shè)置在定子14的表面上，定子極從定子14的表面上突出，這些極塊位于未被定子極19、20、21所占的空間中。按照這種方式，吸收了永磁體12產(chǎn)生的漏磁通(即沒有經(jīng)過定子極19、20、21的磁通)，防止了這種漏磁通引起的不利效果。無刷電機(jī)100的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)而可以得到增加。
值得注意的是，附加極60可以加工成這樣，即永磁體12的S極和N極之間的每個漏磁通流量通過經(jīng)過(也就是構(gòu)成環(huán)形)附加極60本身的方式得到吸收，或者是通過使漏磁通繞定子14的背軛區(qū)成環(huán)而得到吸收，其中這些漏磁通是在永磁體12的極面處產(chǎn)生的。
下面將描述圖1中無刷電機(jī)100的磁路結(jié)構(gòu)。對于這個實(shí)施例，由于磁通是由一個相的定子極(即一個定子極組的極)產(chǎn)生的，同時(shí)這些磁通朝另一個定子極組(即朝其它相定子極)的方向定向，這個磁通的一部分沿轉(zhuǎn)子軸11的軸向定向。因此，由每個定子極組的定子極產(chǎn)生的磁通沿三個方向定向，也就是，沿轉(zhuǎn)軸11的軸向、沿徑向(即相對于轉(zhuǎn)軸11軸向的徑向)以及沿圓周方向。在現(xiàn)有技術(shù)中，為了使渦流最少化以提高電機(jī)效率，采用在一個磁性電樞上構(gòu)成的多層線圈來組成定子繞組，定子繞組的磁路通常設(shè)計(jì)成僅有二維磁通通路，這是因?yàn)樽詈檬茄啬骋环较蛞赃m當(dāng)角度通過繞組層的磁通量要盡可能的少。
然而對于像圖1中實(shí)施例里的無刷電機(jī)，可以在定子內(nèi)提供三維磁通通路，而使產(chǎn)生的渦流最小，使最后產(chǎn)生的額外的電流流入定子繞組。這能夠在避免使構(gòu)成定子極和定子鐵心的方法復(fù)雜化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，這是現(xiàn)有技術(shù)中基本上將磁通通路限制為僅二維所需要解決的問題。特別是，對于本發(fā)明，全部的或部分的定子14也包括轉(zhuǎn)子10(而不包括永磁體12)可以通過壓制(例如用金屬模)一個磁性粉末材料來制造，這種磁性粉末材料為一種軟磁物質(zhì)，具有有電絕緣材料薄膜覆蓋的粉末顆粒表面，也就是說，磁性粉末通過模鑄工藝受到固化。
具有很高電阻的薄膜的構(gòu)成可以例如通過采用一種粉末形式的適當(dāng)金屬而輕易地實(shí)現(xiàn)，其中這種金屬放置暴露于大氣中可在粉末顆粒的表面上形成一個氧化膜。
如果必要，在定子14和轉(zhuǎn)子10的元件由一種磁性粉末材料通過上面描述的模制工藝最初構(gòu)成之后，最后固化后的模鑄塊可以加工成精確的所需形狀和尺寸。
另外，可以通過直接加工固化后的磁性粉末材料塊而使承載磁路的定子14和轉(zhuǎn)子10的每個部件形成它們的最終形狀。
利用上述方法，可以容易的制造該無刷電機(jī)的部件，其中該電機(jī)可以存在三維磁通路，而不會由于渦流損耗而過多的降低效率，同時(shí)制造過程可以以低成本完成，即使是在其必須要形成的形狀會相對復(fù)雜的時(shí)候。
下面將參考附圖5描述制造無刷電機(jī)100的定子14的特別可行的方法。首先，定子14的定子鐵心可以由三種單個的環(huán)形段構(gòu)成，其中一個段從定子14的上部分延伸，如圖5所示，延伸到經(jīng)過圖5中線VI和線VII之間的位置的平面(垂直于轉(zhuǎn)軸11的軸線)，第二段從后一個面延伸到經(jīng)過線VII和線VIII之間位置的平面(垂直于轉(zhuǎn)軸11的軸線)，以及第三段從后一個面延伸到圖5中定子14的下部分。
前述經(jīng)過線VI和線VII之間的位置的平面優(yōu)選位于靠近槽孔的位置，例如，位于圖3中所見的定子極組19和20之間中間的位置。類似的，前述經(jīng)過線VII和線VIII之間位置的平面位于圖3中定子極組20和21之間的位置將是有利的。
在定子鐵心這三個環(huán)形段(分別結(jié)合定子極組19、20、21)形成好之后，例如，通過采用前面描述的模鑄磁性粉末的制造工藝，它們將相互貼附以形成圖5中所示的定子14的結(jié)構(gòu)。
在組裝前述定子鐵心的三個環(huán)形段之前，可以單獨(dú)制造環(huán)形定子繞組15、16、17和18。定子繞組15和16將插入到位于前述三個環(huán)形段中的第一和第二段中的適當(dāng)位置，這兩個段隨后相互貼緊，同時(shí)定子繞組17和18類似地插入到前述三個環(huán)形段中的第二和第三段的適當(dāng)位置中，以及這兩個段隨后相互貼緊，進(jìn)而獲得了帶有圖5中示出的環(huán)形定子繞組15到18的定子14。
按照這種方式，利用簡單的實(shí)施工藝，可以容易的制造定子14。
還有，不是采用單獨(dú)的步驟形成每個環(huán)形定子繞組15、16、17和18與定子鐵心段，而是在這些段相互貼附以形成完整的定子14之前，可以將這些定子繞組直接纏繞到前述三個定子鐵心段中適當(dāng)?shù)囊粋€段上。
為了能夠?qū)⒍ㄗ予F心段正確組裝成一個完整的定子鐵心，優(yōu)選在每個定子極段上適當(dāng)?shù)匦纬舌徑用?，例如，形成在極段上的相鄰端面上的一個或多個突起，以及對應(yīng)形成在相鄰段的鄰接面上的槽，這樣它們在放在一起時(shí)可以正確的相互對準(zhǔn)。另外或者還有，可以采用連接銷以及對應(yīng)的用于接收該連接銷的穴或通孔以使將定子鐵心段組裝成完整定子鐵心的工藝簡單。
還有，每個前述定子鐵心環(huán)形段可以進(jìn)一步分成一對環(huán)形子段，其中一個具有繞其內(nèi)圓周形成的定子極組中的極的一半，是在交替具有槽隙的位置上(每個間隙對應(yīng)于一個定子極位置)，另一個段類似地具有繞其內(nèi)圓周形成的定子極組中的極的剩下那一半。這兩個環(huán)形子段隨后可以相互貼附以形成一個單獨(dú)的段，其承載全部定子極組的極，位于適當(dāng)圓周位置上。
這種利用子段構(gòu)成及組裝定子的方法在定子極是結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)以及采用了上面提到的用模鑄磁性粉末材料制造的工藝是特別有利的，其中上述子段中的每一個都只承載一個定子極組中的一半的極。在這種情況中，由于每個模子僅需要形成定子極組中的交替的極，因此在模鑄工藝期間會降低相鄰極之間干擾的危險(xiǎn)性，也就是由于它們間隔的比其它方式的情況更遠(yuǎn)。因此模鑄工藝可以更簡單。
根據(jù)制造目的定子鐵心還有另外一種結(jié)構(gòu)，它將分成一個外定子鐵心外圍部分(即圓柱形)、U相定子極組19、V相定子極組20和W相定子極組21，例如，每個定子極組中的極繞一個環(huán)形段的內(nèi)圓周一體形成，該環(huán)形段具有的外圓周小于前述外定子鐵心外圍部分的內(nèi)圓周。
采用這種設(shè)置方式，可以通過前面描述的壓鑄磁性粉末材料來形成每個定子極組，然后通過將每個預(yù)先形成的定子極組沿轉(zhuǎn)子軸線方向連續(xù)壓配進(jìn)該圓柱形定子鐵心外圍部分以組裝該定子鐵心，也就是說，定子極組的全部極同時(shí)移動到它們的最終位置上。為了實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)100的高輸出轉(zhuǎn)矩，在定子極形狀制造得比較復(fù)雜時(shí)采用這種方法是很有利的。
也應(yīng)該注意到，采用一種磁性金屬粉末材料和磁性鋼板的整體組合物而不是單一的磁性金屬粉末材料來制造定子14的定子鐵心也是可以的。這種情況下，可以獲得兩個類型材料的各自的優(yōu)點(diǎn)，即有關(guān)的磁特性以及金屬強(qiáng)度。尤其是，如果在這種組合物中采用了各向異性硅鋼，那么可以實(shí)現(xiàn)沿某一方向很高的磁通密度，同時(shí)該磁性金屬粉末材料允許磁通沿三維方向穿過。通過將這種各向異性硅鋼板和磁性金屬粉末材料組合在一起，可以生產(chǎn)出組合了這兩種類型材料各自優(yōu)點(diǎn)的定子。
下文將描述無刷電機(jī)100的定子極的其它形狀的實(shí)施例，尤其是與氣隙一起構(gòu)成邊界的定子極部分的其它形狀，即定子極的各個極面。它們的形狀對無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性有很大影響，也影響了齒輪轉(zhuǎn)矩脈動，其中該轉(zhuǎn)矩脈動是由感應(yīng)電流流動引起的。下面將描述定子極結(jié)構(gòu)從而解釋為何針對每個定子極組的單元電壓(如前面所定義的)的波形和幅值會是大體相同的，以及各個定子極組的單元電壓的連續(xù)相會相差一個電角度，該角度大體約為120°。這通過適當(dāng)改變各個定子極組中的極面的形狀可以實(shí)現(xiàn)。
除了極面外，定子極的形狀可以，例如基本上參考圖3和4所描述的，也就是，每個極部分(“齒”部分)貼附到定子鐵心上，該定子鐵心加工成在一側(cè)可容納對應(yīng)環(huán)形定子繞組的形狀，或在另一側(cè)可容納一對對應(yīng)繞組。
圖15是定子內(nèi)圓周的圓周展開圖，示出了無刷電機(jī)定子極的其它設(shè)置方式。在圖15中，由三個定子極組對應(yīng)于各個相，這三個組的極分別用22、23和24表示。在這個實(shí)施例中，定子極的極面沿轉(zhuǎn)子軸線方向平行定向，屬于同一組(即屬于同一相)的全部定子極為相同的極面結(jié)構(gòu)。按與上述圖3的實(shí)施例相同的方式，定子極組分別在圓周上相對于彼此以相應(yīng)的120°電角度(即每個定子極組中圓周極距對應(yīng)于360°電角度的地方)的量設(shè)置。
定子極22、23、24的這種結(jié)構(gòu)可以使每個定子極通過轉(zhuǎn)子發(fā)出的大量磁通而連接起來，但是可能會引起產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的基本量。然而這通過使每個定子極形成一個具有曲線凸起形狀的表面輪廓(如沿轉(zhuǎn)子軸線方向看到的)的極面可以得以減輕。這引起了相鄰極之間的分界線處的電磁作用以平滑方式變化，因此減少了轉(zhuǎn)矩脈動。
圖15中沿水平方向的角度值表示沿圓周方向的機(jī)械角，圖表中從左側(cè)到右側(cè)的距離對應(yīng)于360°(機(jī)械)角度。
圖16是諸如無刷電機(jī)100的無刷電機(jī)定子極極面的另一種結(jié)構(gòu)的圓周展開視圖，三個定子極組的極分別用22、23和24表示。在圖16中，每個定子極相對于轉(zhuǎn)子軸線方向偏斜一定量，該量對應(yīng)于大約相對于圖15中實(shí)施例里的每個定子極位置60°的電角度。這有效的降低了轉(zhuǎn)矩脈動的量。還因?yàn)槊總€相的每個定子極面的寬度比相應(yīng)的180°電角度的量要窄，所以穿過每個定子極25、26、27的磁通最大部分沒有減少，這樣定子極偏斜結(jié)構(gòu)的最后結(jié)果是沒有降低轉(zhuǎn)矩的平均值。
應(yīng)該注意到對于圖15和16中示出的定子極的形狀，也必須使定子極構(gòu)成具有間隙的結(jié)構(gòu)以容納各個相的定子繞組15、16、17，也必須在定子極和轉(zhuǎn)子之間提供氣隙。因此就會存在以下問題提供這樣的間隙將會導(dǎo)致無刷電機(jī)的外形尺寸與圖3中示出的簡化結(jié)構(gòu)相比會增加。
圖17是根據(jù)本發(fā)明的無刷電機(jī)定子極的另一種結(jié)構(gòu)的圓周展開圖，三個定子極組的極分別用28、29和30表示。這個無刷電機(jī)的定子極極面形狀設(shè)計(jì)成可以減少上述問題，也就是可以使無刷電機(jī)的外形尺寸變得最小化。用Eu(＝dφu/dθ)表示U相單元電壓(即U相定子極28的磁通φu的角旋轉(zhuǎn)速度)，用Ev(＝dφv/dθ)表示V相單元電壓(即V相定子極29的磁通φv的角旋轉(zhuǎn)速度)，用Ew(＝dφw/dθ)表示W(wǎng)相單元電壓(即W相定子極30的磁通φw的角旋轉(zhuǎn)速度)，定子極分別加工成圖17所示的形狀，這樣三個相的單元電壓的波形和幅值基本上相同的了，并且這些單元電壓分別相差120°電角度。
定子極具有這樣的形狀，每個定子極28、29、30氣隙區(qū)的較大部分位于靠近對應(yīng)定子極齒部分的中央位置，轉(zhuǎn)子10的磁通穿過每個定子極的極面，隨后穿過該極齒部分的中央，穿過定子14的背軛區(qū)，因此磁通可以順利穿過。因此，通過分別與圖16和17的實(shí)施例示出的定子極結(jié)構(gòu)相比，可以減少每個定子繞組15、16、17、18與定子/轉(zhuǎn)子氣隙之間(即每個定子繞組與對應(yīng)定子極外面之間)的間距。因此，可以減小無刷電機(jī)的外部尺寸。
圖18是定子極另一種結(jié)構(gòu)的圓周展開圖，三個定子極組的極分別用31、32和33表示。這是圖17中示出的定子極結(jié)構(gòu)的變形方式。使用附圖18中的結(jié)構(gòu)，U和W相定子極31和33的每一個沿圓周方向伸展一個寬度，其對應(yīng)于180°的電角度。與圖17中示出的基本結(jié)構(gòu)相比，U和W相定子極31和33中每個的頂部(即每個定子極31的上頂部以及每個定子極32的下頂部，如圖18所示)都已經(jīng)去除了，這是因?yàn)楹茈y制造出極窄的極部分。每個V相定子極32的形狀如圖所示，以使能夠?qū)?yīng)于定位在任一側(cè)上的U和W定子極31、33的形狀達(dá)到平衡。
采用這種定子極結(jié)構(gòu)，每個相的各個相的單元電壓Eu、Ev、Ew(即對于每個相，在那個相的極表面上的磁通角轉(zhuǎn)動速度)基本上是相同的，但是對于相來說是不同的，且可以穿過很高的有效磁通。還有，制造具有這種定子極結(jié)構(gòu)的定子會比較地簡單。
圖19是定子極另一種結(jié)構(gòu)的圓周展開圖，三個定子極組的極分別用34、35、36表示。對于圖15到18中示出的定子極結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，僅示出了極的基本設(shè)置方式，用于描述每個實(shí)施例的原理，同時(shí)忽略了流過相鄰定子極之間的漏磁通效應(yīng)。然而在實(shí)際操作中，這種漏磁通會導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩的降低，所以應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)這種情況。為了克服這些問題，如圖19所示的是對圖18中示出的定子極結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在相鄰定子極極面之間設(shè)置有間隙。按照這樣的方式，流過定子極之間的漏磁通量可以減少，并且電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的增加。還有，采用這種定子極偏斜結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩脈動也可以降低。
圖20和21示出了定子結(jié)構(gòu)另一種變形，假設(shè)其采用了圖3、4中所示出那樣的定子極結(jié)構(gòu)和定子繞組結(jié)構(gòu)，其中圖20是沿轉(zhuǎn)子軸線方向獲得的視圖，圖21是沿經(jīng)過圖20中線E-E獲得的部分截面圖。為了簡化附圖，在附圖21中僅示出了一個定子極與一個定子繞組相關(guān)的部分。圖20中，定子極的基本形狀(即常規(guī)形狀)由虛線輪廓72表示。采用這種變形結(jié)構(gòu)，每個定子極73加工成這樣的形狀，從其極面開始朝其基部(即最靠近定子鐵心的部分)寬度逐漸的增加。這有助于降低定子極內(nèi)的磁通密度。
另外，每個定子極基部加寬的結(jié)果是，如圖21所示，其可以加寬其中設(shè)置有定子繞組的定子極的面積。尤其是，在圖21中，標(biāo)記74表示當(dāng)前述基本結(jié)構(gòu)72用于每個定子極時(shí)對應(yīng)于定子繞組的截面區(qū)，而陰影區(qū)75對應(yīng)于當(dāng)采用了另一種結(jié)構(gòu)73情況時(shí)的定子繞組。如圖所示，采用另一種結(jié)構(gòu)，可以使每個定子繞組的截面寬度(沿轉(zhuǎn)子軸線方向)從“f”所表示的量增加到用“g”所表示的量。結(jié)果，由于所增加的截面面積可以提供給每個定子繞組，所以可以供給更高值的電流以驅(qū)動電機(jī)，這樣可以實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩增加。
另外，從定子14的永磁體12開始穿過定子極的磁通穿過定子的后軛區(qū)，隨后穿過其它相的定子極，沿轉(zhuǎn)軸11的方向，再返回到永磁體12。因此，磁通是以有效的方式穿過的，這樣無刷電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以增加或者電機(jī)可以制造得更小。
下文將參考圖22到27描述轉(zhuǎn)子10結(jié)構(gòu)的特殊實(shí)施例。它們中的每一個都是沿垂直于轉(zhuǎn)軸11軸線的平面獲得的截面圖。圖22中示出的轉(zhuǎn)子10具有圖1和2中示出的無刷電機(jī)100的基本結(jié)構(gòu)。8個永磁體12都繞轉(zhuǎn)子10固定，每個磁體的外表面形成圍圓弧形，每個在其外表面具有一個(N或S)極。永磁體12相對于轉(zhuǎn)軸11同軸固定(以及相對于轉(zhuǎn)軸11固定貼附)，進(jìn)而構(gòu)成了轉(zhuǎn)子10的外圍。永磁體這樣設(shè)置，即在外表面具有N極的那些永磁體與外表面具有S極的那些永磁體繞轉(zhuǎn)子10的圓周連續(xù)交替，這樣N和S極可以繞轉(zhuǎn)子10的圓周方向交替。
在圖23的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子10A具有八個沿圓周固定的永磁體50，每個永磁體沿徑向延伸，以等角度間隔開。每個永磁體50在其一側(cè)具有一個N極(相對于磁體定向所沿的徑向)以及在另一側(cè)具有一個S極。永磁體50這樣設(shè)置，即在其左側(cè)(相對于磁體定向所沿的徑向)具有N極的那些永磁體與在其左側(cè)具有S極的那些永磁體連續(xù)交替，這種變形方式中N和S極可以繞轉(zhuǎn)子10A的圓周方向連續(xù)出現(xiàn)。由強(qiáng)磁材料構(gòu)成的極塊51設(shè)置在永磁體50的相鄰對之間，有助于收集永磁體50的磁通進(jìn)而增加轉(zhuǎn)子10A表面的磁通密度。另外，磁通可以經(jīng)過轉(zhuǎn)子10A的內(nèi)部，經(jīng)過每個極靴51，這樣即使定子極不均衡地分布(即在定子表面氣隙處)，如圖3或18所示出的例子，永磁體50的磁通可以有效的從轉(zhuǎn)子10A轉(zhuǎn)移到定子極，這樣電機(jī)可以獲得增大的輸出轉(zhuǎn)矩。
轉(zhuǎn)子10A也可以一體具有八個極靴52，連續(xù)圓周設(shè)置在永磁體50的下面。這些極靴52還有轉(zhuǎn)子軸11都是由非磁性材料制成的。每個永磁體50的下端靠近兩個相鄰極靴52之間的界面，這有助于基本上降低轉(zhuǎn)子的互相相鄰的永磁體50之間的漏磁通量。
另外，可以采用八個永磁體來代替非磁性極靴52。這種情況下，這些永磁體應(yīng)該具有圖23中所示的極性(在它們的外表面上)。如果是這樣的話，在轉(zhuǎn)子10A的外表面上可以實(shí)現(xiàn)基本上更高的磁通密度。
采用圖24中示出的轉(zhuǎn)子10B的結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部圓周(即與轉(zhuǎn)軸11是同軸的)設(shè)置了八個永磁體53，這稱作IPMSM結(jié)構(gòu)。從每個永磁體53的每一端開始朝著轉(zhuǎn)子10B的外圍徑向延伸形成了空腔54。值得注意的是，可以往這些空腔中填充非磁性材料。
采用轉(zhuǎn)子10B的結(jié)構(gòu)，既可以獲得由永磁體53產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，還可以獲得由轉(zhuǎn)子10B的非永磁體而是軟磁材料構(gòu)成的部分所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。另外，通過對流入定子14中的相電流進(jìn)行控制，相對于轉(zhuǎn)子的角位置，可以對場磁通大小進(jìn)行控制，也就是說，可以實(shí)施所謂的弱場控制，這樣在電機(jī)轉(zhuǎn)速變高時(shí)該場磁通是減少的。因此可以獲得恒定功率的運(yùn)行特性。
還有，如果空間54具有插入其中的各個永磁體來代替磁性材料，那么可以在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生更高的磁通密度，所以可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出轉(zhuǎn)矩。
采用具有圖25中所示出結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子10C，八對永磁體55靠近轉(zhuǎn)子的外圍沿圓周排列，每個永磁體相對于轉(zhuǎn)軸11軸線徑向延伸，各個轉(zhuǎn)子磁體85進(jìn)而可以由每對永磁體55在轉(zhuǎn)子10C表面上形成。轉(zhuǎn)子10C的本體由磁性材料制成。如圖所示，每對中的相鄰永磁體按相同極性方向定向(即在一對中的永磁體在其左手側(cè)具有N極在其右手側(cè)具有S極，或者在該對中每個永磁體的左手側(cè)具有S極在右手側(cè)具有N極，正如從轉(zhuǎn)軸11軸線處看到的)以及相鄰永磁體對55具有互相相反的極性。另外，在每個永磁體55對之間形成了空腔56。
另一種變形，其同樣地可以在每個空腔56中填入非磁性材料。
采用轉(zhuǎn)子10C，當(dāng)定子繞組產(chǎn)生了場磁通時(shí)，轉(zhuǎn)子磁體85之間的相互作用和場磁通的磁力作用產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩。產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可以用各種方式表示。例如，假設(shè)由于d軸電流分量而在轉(zhuǎn)子磁鐵85中形成的場磁通，以及由于q軸電流分量而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，可以認(rèn)為沒有場磁通沿q軸方向定向，結(jié)果轉(zhuǎn)子磁體85內(nèi)的場磁通不容易受q軸電流影響，這樣通過對d軸電流的控制而實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子磁通等級的控制程度得到了提高。特別是，這對于實(shí)現(xiàn)恒定功率控制是有效的，在電機(jī)轉(zhuǎn)速變高時(shí)，定子繞組的激勵電壓降低，進(jìn)而降低了場磁通的等級。
使用具有圖26中所示結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子10D，八個突出部分繞轉(zhuǎn)子外圍在等距位置上形成，其是由磁性材料構(gòu)成，也就是采用了一種突出極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)磁阻型無刷電機(jī)。將假設(shè)定子繞組為三相Y連接方式來描述這個例子。然而也可采用其它形式的定子繞組結(jié)構(gòu)，以獲得不同的電機(jī)運(yùn)行特性。對于這個例子，流過U、V、W定子繞組的電流可以分別分開控制，以使更有效的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。對于現(xiàn)有技術(shù)中的磁阻型電機(jī)，沿徑向的吸引力可以像大致朝著圓周方向移動的方式變化，這會引起振動和噪音。然而對于采用了具有圖26中轉(zhuǎn)子10D轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子的無刷電機(jī)，吸引力(朝向定子)沿徑向施加到轉(zhuǎn)子的整個外圍，這樣(對于具有環(huán)形形狀的定子)由徑向吸引力組成的負(fù)載繞轉(zhuǎn)子的外圍均勻分布。因此，振動和噪音可以降到最小。另外，該轉(zhuǎn)子可以承受極高的轉(zhuǎn)速。還有，不會產(chǎn)生明顯的嵌齒轉(zhuǎn)矩脈動。
采用具有圖10D所示出那種形式的轉(zhuǎn)子也可以使無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子具有很簡單的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼉H需要將磁性材料體形成一個預(yù)定形狀。
還有，通過使轉(zhuǎn)子極和定子極適當(dāng)成形，無刷電機(jī)的尺寸可以制造得更緊湊。另外，可以降低制造成本，這是因?yàn)椴槐厥褂糜来朋w，提供永磁體以及組裝都是很昂貴的。
采用圖27中示出的轉(zhuǎn)子10E，其也用于實(shí)現(xiàn)一種磁阻型無刷電機(jī)，采用了一種被稱作磁通障礙物的結(jié)構(gòu)。尤其是，轉(zhuǎn)子10E具有由磁性材料制成的本體，并采用各個磁通障礙物58，每一個形成為就像是轉(zhuǎn)子本體內(nèi)部的空腔那樣的形狀，或者可以填入非磁性材料。磁通障礙物58的位置限定出八個轉(zhuǎn)子極86，繞轉(zhuǎn)子10E的圓周等間距定位，也就是說，每個轉(zhuǎn)子極86可以設(shè)置在兩個相鄰磁通障礙物58之間。這個例子中，58x設(shè)置成三個八組，每組中的磁通障礙物從接近轉(zhuǎn)子10E的表面位置開始逐漸延伸，每個磁通障礙物基本上為圓弧形狀(如沿轉(zhuǎn)子10軸線所看到的)，三個每組中的磁通障礙物基本上是同心的。每一組中，每個相鄰磁通障礙物58對間隔開一窄的區(qū)域，這個區(qū)域限定出磁通路徑59。
這種轉(zhuǎn)子10E具有極好的特性，類似于前面描述過的轉(zhuǎn)子10D所具有的那些特性。
圖28是轉(zhuǎn)子10外圍的圓周展開視圖，但是每個永磁體12的形狀(如以適當(dāng)角度觀察圖28所見到的)如在圖29中所示出的截面圖。圖28示出了轉(zhuǎn)子的全部外圍，也就是對應(yīng)于360°的機(jī)械角度。如圖所示，永磁體12的N極和S極在沿轉(zhuǎn)子10的表面的交替位置上出現(xiàn)。各個極靴37，由強(qiáng)磁材料制成，設(shè)置在永磁體12的每個外表面上。極靴37促進(jìn)了磁通的移動，這樣即使定子極氣隙面分布不均勻(如圖3或圖18中的例子)，轉(zhuǎn)子10發(fā)出的磁通可以有效的轉(zhuǎn)移到定子極，因此可以實(shí)現(xiàn)提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。
雖然在附圖中沒有示出，但是應(yīng)該提供一定間隙量來分隔開相鄰的極靴37對，這是為了減少極靴37之間的漏磁通量。如果每個極靴37的外表面形成為弧形凸起輪廓(如圖29中所見的，即沿轉(zhuǎn)軸11軸線方向)，那么在永磁體12外表面上的磁通分布(特別是，在極靴37的外表面處)將會從極到極按大體為正弦曲線的方式改變。因此，轉(zhuǎn)矩脈動的量進(jìn)而可以減少，無刷電機(jī)運(yùn)行中的振動和噪音也可以降低。
下文將描述通過恰當(dāng)?shù)匦纬啥ㄗ觼斫档蜔o刷電機(jī)100轉(zhuǎn)矩脈動的方法。對于圖3中示例所示出的U相定子極19各個位置，定子極組的極以各自的角位置這樣定位，即每個組中的相鄰極對之間的距離(角位移)等于360°電角度。為了簡化下文的說明，針對極的角位置將稱為它們各自的參考位置。為了減少第RN1次轉(zhuǎn)矩脈動(這里RN1為整數(shù))，將定子極組19分成N1個子組，在這些子組對之間建立360°/N1的相對相移(即電角度與360°的差值)。
對圖30的說明，其示出了U相定子極19的各個圓周位置，沿水平軸劃分相應(yīng)的電角度值，四個U相定子極19用U-1、U-2、U-3和U-4表示。這個例子中，為了減少6次轉(zhuǎn)矩脈動諧波分量(即RN1＝6)，四個U相定子極19分成兩個子組，優(yōu)選是U-1和U-3這對以及U-2和U-4這對。N1＝2的情況下，U相定子極19的兩個子組之間相對相移為360°/(RN1×N1)＝360°/(6×2)＝30°。因此，定子極U-2、U-3的圓周位置從它們的參考位置(如前面定義的)開始移動相當(dāng)于30°電角度的量，如圖30所示。
結(jié)果，在由極U-1、U-3對與極U-2和U-4對所引起的6次轉(zhuǎn)矩脈動分量之間將會出現(xiàn)180°的相差。因此，在無刷電機(jī)100產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩中，6次轉(zhuǎn)矩脈動諧波分量可以互相抵消。
V相定子極20和W相定子極21可以采用相同的布置方式。
還有，一旦上面的定子極布置方式已經(jīng)建立好了，則可以進(jìn)一步調(diào)整定子位置，比如要抑制5次轉(zhuǎn)矩脈動諧波分量。作為優(yōu)選實(shí)施例，U相定子極19可以分成子組U-1、U-2以及子組U-3、U-4。這種情況下，U相定子極19的兩個子組之間的相對相移為360°/(RN1×N1)＝360°/(5×2)＝36°。因此，定子極U-3、U-4的圓周位置應(yīng)該移動(即從它們各自的參考位置)相當(dāng)于36°電角度的量。這通過向右或者向左移動這些定子極得以實(shí)現(xiàn)(如圖30所見)。
然而，因?yàn)槎ㄗ訕OU-2、U-4已經(jīng)向右移動了，那么定子極U-3、U-4的向左移動對于轉(zhuǎn)矩脈動的縮減量沒有向右移動有效。因?yàn)檫@樣的原因，U相定子極19的位置應(yīng)按照下面的方式調(diào)整極U-1保持在其參考位置上；極U-2從其參考位置開始向右移動30°(如圖30所示)；極U-3從其參考位置開始向右移動36°；極U-4從其參考位置開始向左移動6°(即30-36)。
這樣轉(zhuǎn)矩脈動的5次分量和6次分量都可以減小了。
這種降低轉(zhuǎn)矩脈動的方法可以容易的應(yīng)用到具有大量極的無刷電機(jī)中，這是因?yàn)檫@些極可以容易的按組設(shè)置。如果需要減少大量的不同次的轉(zhuǎn)矩脈動諧波分量，那么將會降低效率，其依賴于極分配到各個極組中的方式。因此必須要保證由多種不同移動方式所獲得的位置移動作用效果不會互相抵消。例如，如果極分成八組G1到G8，且如果三種不同次的轉(zhuǎn)矩脈動諧波分量沒有減少，則首先要給組G1到G8應(yīng)用一個預(yù)定的角位移量以降低RN1次諧波分量?？梢哉J(rèn)為組G1和G5的RN1次諧波分量將會互相抵消。類似的，可以認(rèn)為組G2和G6、組G3和G7、組G4和G8的各自的RN1次諧波分量將會互相抵消。
因此，即使組G3和G7以及組G4和G8分別以可降低RN2次轉(zhuǎn)矩脈動諧波分量的方式移動，它們降低的效率也不會比前述應(yīng)用的移動結(jié)果差。因此，RN1次和RN2次轉(zhuǎn)矩脈動諧波分量都可以降低了。
類似的，如果RN3次轉(zhuǎn)矩脈動諧波分量也需要降低，則可以采用與前面描述的相同的考慮來防止干擾，也就是說，組G2、G6、G4和G8每一個可以移動一個適當(dāng)?shù)慕橇恳詫?shí)現(xiàn)消除RN3次諧波分量。
按照這樣的方式，可以實(shí)現(xiàn)三種不同類型的極移位，它們的作用效果之間幾乎沒有可能存在相互影響，因此可以有效地降低三種不同類型的轉(zhuǎn)矩脈動諧波分量。
在上面描述移位方法中，假設(shè)在轉(zhuǎn)矩脈動諧波分量之間建立了180°的相差，從而實(shí)現(xiàn)使它們的作用相互抵消。然而這相當(dāng)于可以將極分成三個子組，其實(shí)際在相上相差120°(即這里每個子組相鄰對在繞定子圓周方向的角位置上相差對應(yīng)于120°電角度的量)，或者可以將極分成比三多的組數(shù)，實(shí)現(xiàn)了有效的消除了轉(zhuǎn)矩脈動的諧波分量。
下面將描述加工無刷電機(jī)100的轉(zhuǎn)子以降低轉(zhuǎn)矩脈動的方法。為了減少轉(zhuǎn)矩脈動的RN1次諧波分量，轉(zhuǎn)子極(例如由轉(zhuǎn)子10的永磁體12組成的)可以這樣設(shè)置，每個N極組和S極組分成N1個子組，這些子組中的每一個相對于相鄰子組在圓周位置上相差一定量，這個量對應(yīng)于是360°/(RN1×N1)整數(shù)倍的相差，也就是說，不同的圓周位置對應(yīng)于360°/(RN1×N1)的電角度。
基本上，降低轉(zhuǎn)矩脈動的方法類似于前面描述的降低定子極轉(zhuǎn)矩脈動的方法，轉(zhuǎn)矩脈動的RN1次諧波分量可以在每個定子極組中消除。
圖31示出了布置方式的優(yōu)選實(shí)施例，這里將定子極(永磁體)移位以降低轉(zhuǎn)矩脈動。在這個實(shí)施例中具有八個永磁體(例如，對應(yīng)于圖1中示出的永磁體12)，分別用標(biāo)記76到83表示，當(dāng)然，四個永磁體76、78、80、82在其外表面具有它們各自的N極，而永磁體對76、80表示N極的子組，永磁體78、82表示第二N極子組。一個子組78、82的永磁體在圓周方向上的(相對于第二子組78、82的極)移位對應(yīng)于30°電角度的量。如圖31所示，四個永磁體77、79、81和83應(yīng)用了相同的布置方式，永磁體中的每一個具有定位于其外表面上的S極。
這樣，消除了轉(zhuǎn)矩脈動的6次諧波分量。
值得注意的是，通過在轉(zhuǎn)子上固定一個環(huán)形永磁體(即其已經(jīng)具有所示出的交替N和S極的布置方式)，或者通過在轉(zhuǎn)子制造最后階段中將轉(zhuǎn)子磁化成N和S極的圖案，可以將轉(zhuǎn)子加工成圖22所示出的那樣的結(jié)構(gòu)，永磁體繞轉(zhuǎn)子表面設(shè)置。
下文將描述減小沿轉(zhuǎn)軸11作用的磁力大小的方法。使用前面描述過的無刷電機(jī)100，例如采用圖3中示出的定子繞組布置方式，各個相反方向的電流，優(yōu)選流入V相定子繞組16和V相定子繞組17。因此，沿轉(zhuǎn)軸11方向作用的合成磁力互相抵消。然而流入U(xiǎn)相定子繞組15和W相定子繞組18的電流引起產(chǎn)生了沿轉(zhuǎn)軸11軸線方向作用的磁力。許多情況下這不會帶來問題。然而在其會引起問題的情況中，部分或全部轉(zhuǎn)軸11可以由諸如不銹鋼的非磁性材料制成。還有，輔助繞組可以安裝在鄰近轉(zhuǎn)軸11的定子14上，電流流經(jīng)這個繞組以產(chǎn)生沿軸線方向作用的磁力，這個磁力將抵消掉由U相繞組15和W相繞組18產(chǎn)生的磁力總量。
圖32中所示布置方式的實(shí)施例，其是沿平行于轉(zhuǎn)子軸向的平面獲得的截面圖，是無刷電機(jī)其它的實(shí)施方式，該無刷電機(jī)用100C表示，這里為了消除前述由于流經(jīng)U相繞組15和W相繞組18的電流而產(chǎn)生的沿轉(zhuǎn)軸11方向作用的磁力的目的，增加了一個輔助定子繞組。這個輔助繞組90繞轉(zhuǎn)軸11的圓周設(shè)置，如圖所示。另一方面，無刷電機(jī)100A的結(jié)構(gòu)與圖1中無刷電機(jī)100的結(jié)構(gòu)是相同的。輔助繞組90與U相定子繞組15和W相定子繞組18中的每一個具有相同的匝數(shù)。轉(zhuǎn)軸11的外部直徑要比U相定子繞組15或W相定子繞組的外部直徑小，這樣輔助繞組90的重量較輕。
通過使具有適當(dāng)相、方向和幅值的電流流過輔助繞組90以產(chǎn)生沿轉(zhuǎn)子軸線方向的磁通，這個磁通與那組由流過U相繞組15和W相繞組18的電流所合成產(chǎn)生的磁力的凈量(即在每個連續(xù)角位置上由轉(zhuǎn)子獲得的)是相等的量但是極性是相反的，那組沿轉(zhuǎn)軸11作用的磁力量可以有效的消除掉了。
下文將描述控制根據(jù)本發(fā)明的無刷電機(jī)比如圖1中示出的無刷電機(jī)100的控制裝置。由這種無刷電機(jī)產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩由前面的方程式(11)表示。因此，針對無刷電機(jī)100的控制裝置可以這樣運(yùn)行，檢測流入相繞組15到18中的各個電流，根據(jù)方程式(11)比如產(chǎn)生一個輸出轉(zhuǎn)矩必要值，例如這個值由轉(zhuǎn)矩命令表示。為了控制無刷電機(jī)以特定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，下文中假設(shè)應(yīng)用了轉(zhuǎn)矩控制，其由一個速度命令值規(guī)定。
圖33是針對無刷電機(jī)100的控制裝置200實(shí)施例的電路圖，這種控制裝置200與一個檢測無刷電機(jī)100轉(zhuǎn)軸11的角位置的譯碼器113聯(lián)合使用。假設(shè)無刷電機(jī)100就像圖4中示出的那樣具有四個定子繞組，也就是說，一個U相定子繞組15、一對V相定子繞組16、17和一個W相定子繞組18。
在下文對圖33和圖34的說明中，為了縮短說明書，當(dāng)規(guī)定三個量(分別對應(yīng)于U、V和W相)用于表示“各個相繞組15到18”時(shí)，可以理解這些量分別表示U相定子繞組15、V相定子繞組對16、17的合成物和W相定子繞組18。
控制裝置200由一個速度控制單元102、一個電流命令單元104、一個電壓控制單元106、一個功率放大單元108以及一個檢測電路114組成。檢測電路114基于編碼器113所發(fā)出的角位置值來檢測無刷電機(jī)100的轉(zhuǎn)速，并輸出一個速度檢測信號101。一個速度命令信號300，表示無刷電機(jī)100所需的轉(zhuǎn)速值，施加到200x，以及從速度命令信號C100中減去速度檢測信號101以獲得速度誤差量，其施加到速度控制單元102。應(yīng)用諸如比例積分控制等的方法，速度控制單元102可根據(jù)速度誤差量進(jìn)行工作以取得轉(zhuǎn)矩命令信號103。電流命令單元104基于轉(zhuǎn)矩命令信號103和無刷電機(jī)100的各種參數(shù)，并根據(jù)檢測電路114發(fā)出的旋轉(zhuǎn)位置信號116，發(fā)出針對每個相繞組15到18的電流命令信號105。電壓控制單元106根據(jù)相繞組15到18的電流檢測信號110、111、112、電流命令信號105以及檢測電路114發(fā)出的旋轉(zhuǎn)位置信號115，計(jì)算電流控制誤差量，進(jìn)而產(chǎn)生對應(yīng)于相繞組15到18的電壓命令107，表示施加到這些相繞組中的各個電源電壓值。這些電壓命令107施加到功率放大單元108中，其取得對應(yīng)的PWM(脈寬調(diào)制)信號，其用于控制三相功率變換電路(即DC到AC功率變換器)以確定分別供給U相定子繞組15、每個V相定子繞組16和V相定子繞組17、W相定子繞組18的電源電壓有效值。
由于這種類型的三相功率變換器(例如，采用連成橋形的功率晶體管)是眾所周知的，所以省略了這部分的詳細(xì)說明。
流入U(xiǎn)相定子繞組15、每個V相定子繞組16、17和W相定子繞組18的分別用Iu、Iv、Iw表示的各個相電流值由各個相的電源電壓確定，以達(dá)到將減少所需轉(zhuǎn)矩(由轉(zhuǎn)矩命令信號103表示)與實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩(對應(yīng)于三個定子極組的各個轉(zhuǎn)矩量的總和)之間誤差量的值。
下文將描述電流命令單元104根據(jù)方程式(11)的控制方法，定子14的U、V、W定子極19、20、21中的各個磁通值用φu、φv、φw表示，三種磁通的各個位移旋轉(zhuǎn)速度用Eu＝dφu/dθ，Ev＝dφv/dθ，Eq＝dφw/dθ表示。U、V、W相定子繞組的各個匝數(shù)用Wu、Wv、Ww表示，流入U(xiǎn)、V、W相定子繞組的各個電流值用Iu、Iv、Iw表示。
控制相電流Iu、Iv、Iw，這樣得到了轉(zhuǎn)矩總量，用Ta表示，其將對應(yīng)于所需轉(zhuǎn)矩(由轉(zhuǎn)矩命令信號103表示)，這些電流和Ta之間具有下列關(guān)系Ta＝Wu×Eu×Iu+Wv×Ev×Iv+Ww×Ew×Iw無刷電機(jī)100的性能在圖1等中，由前述方程式(1)到(11)表示。無刷電機(jī)100的轉(zhuǎn)子10的轉(zhuǎn)動(角)位置用θm表示，假設(shè)在由下列方程式所表示的理想無刷電機(jī)實(shí)際性能的基礎(chǔ)上可以獲得針對三個相的各個單元電壓Eu、Ev、Ew的值，三相中每一相的系數(shù)E1是相同的，則可以建立下面的方程式Eu＝E1×cos(θm)..................(22)Ev＝E1×cos(θm+120°) ..................(23)Ew＝E1×cos(θm+240°) ..................(24)將控制轉(zhuǎn)子10極轉(zhuǎn)動方向的電流之間的相差用電流相角θi表示，每一個相電流Iu、Iv、Iw可以用下列方程式表示Iu＝Ia×cos(θm+θi)..................(25)Iv＝Ia×cos(θm+120°+θi) ..................(26)Iw＝Ia×cos(θm+240°+θi) ..................(27)如下可以從方程式(11)中獲得轉(zhuǎn)矩TaTa＝Tu+Tv+Tw＝Wc+(Eu×Iu+Ev×Iv+Ew×Iw)＝Wc×(E1×cos(θm)×Ia×cos(θm+θi)+E1×cos(θm+120°)×Ia×cos(θm+120°+θi)+E1×cos(θm+240°)×Ia×cos(θm+240°+θi))＝Wc×Ia×Ei×(3/2)×cosθi .........(28)上述等式中，Wc是三個相的每個定子繞組的匝數(shù)(即它們是假設(shè)各自相等的)，E1是與各個定子繞組連接的磁通位移旋轉(zhuǎn)速度系數(shù)，它們作為電機(jī)參數(shù)預(yù)先已知。從下列方程式中可以獲得電流幅值IaIa＝(2/3)×Ta/(Wc×E1×cosθi) ...........(29)如果沒有應(yīng)用像減弱電機(jī)磁場這樣的控制的話，則通常電流相角θi可以假定為零，這樣實(shí)際上，對上述實(shí)施例而言，電流命令的作用是單元104僅需要執(zhí)行方程式(29)的計(jì)算。
然而，基于特殊類型的無刷電機(jī)的設(shè)計(jì)思想，相繞組可以采用各個不同的匝數(shù)。另外，單元電壓Eu、Ev、Ew不是必須按三相對稱方式布置的，它們可以按其它方式在相上各自不同或具有分別具有不同的幅值。這樣的情況下，方程式(11)針對三相(U、V、W)中每一相的計(jì)算是各自分開執(zhí)行的，通過在方程式中帶入適當(dāng)?shù)闹狄垣@得相應(yīng)的電流幅值Ie和相θi的值。
一個復(fù)雜情況的實(shí)施例，如果各個相繞組15到18的單元電壓Eu、Ev、Ew不是三相對稱關(guān)系，那么由于產(chǎn)生了諧波分量這樣的情況，也就是說如果這里出現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩脈動的情況，則也是在這樣的情況下，如果獲得了各個(U、V、W)相的單元電壓Eu、Ev、Ew的準(zhǔn)確性能，那么通過應(yīng)用方程式(11)，根據(jù)轉(zhuǎn)子10的轉(zhuǎn)動位置θm可以確定電流值Ia和電流相θi的適當(dāng)值。進(jìn)而可以應(yīng)用降低轉(zhuǎn)矩脈動的控制。
值得注意的是，組成200x的每個電路單元可以采用各種變化形式。例如，可以使編碼器113和檢測電路114由一個未采用傳感器的電路來代替，其是根據(jù)無刷電機(jī)100的電壓和電流值來獲取位置檢測信號的。
還有，前面描述的內(nèi)容可以同樣準(zhǔn)確地應(yīng)用到一種具有四或八相多相交流電機(jī)中。
在一個無刷電機(jī)具有一對環(huán)形定子繞組的情況下，每一個定子繞組定位于對應(yīng)的定子極組對之間，就像前面描述的圖13中的繞組38和39，可以應(yīng)用兩相運(yùn)行方式。這兩相用m相和n相表示，可以給各個定子繞組直接施加兩相驅(qū)動電壓，它們按照圖44中的概念電路圖所示出的那樣連接，其中相同方向的電流Im和In流入了M和N相定子繞組。然而由于三相功率變換器(即DC到AC功率變換器)比兩相功率變換器有效，所以兩相電機(jī)優(yōu)選采用三相對稱交流電驅(qū)動。它的基本內(nèi)容在圖45中的電路圖中示出，其中三相交流電由Im、(-In)和(-Im+In)表示，分別在相上差120°，兩相電流Im和In分別施加到m和n相定子繞組中。
下文將參考圖34描述執(zhí)行上述功能的控制裝置。圖34中，控制裝置200A控制著兩相無刷電機(jī)100A，例如，具有就像圖13中兩相無刷電機(jī)的M相繞組38和N相繞組39的M和N相定子繞組，具有U、V和W定子極19到21組。該控制裝置200A的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式基本上類似于前面描述過的控制裝置200，但是不同之處在于M和N相定子繞組38、39受到功率放大單元208的控制。電壓控制單元206根據(jù)M和N相繞組38、39的電流檢測信號117、118、電流命令單元204發(fā)出的電流命令信號205以及檢測電路114發(fā)出的旋轉(zhuǎn)位置信號115來計(jì)算電流控制誤差量，進(jìn)而發(fā)出對應(yīng)于相繞組38、39、施加到這些相繞組中的電源電壓各個指定值的電壓命令207。
這些電壓命令207施加到功率放大單元208中，其獲取對應(yīng)的PWM(脈寬調(diào)制)信號用于控制兩相功率變換電路以確定分別施加到M相繞組38和N相繞組39中的電源電壓的有效值。
定子14的U、V、W相定子極的各個磁通值用φu、φv、φw表示，U、V、W相的各個單元電壓(即各個磁通位移旋轉(zhuǎn)速度)用Eu＝dφu/dθ，Ev＝dφv/dθ，Ew＝dφw/dθ表示。M相繞組38匝數(shù)用Wm表示、N相繞組39匝數(shù)用Wn表示，控制裝置200A對M相繞組38的M相電流In和N相繞組39的N相電流進(jìn)行控制以產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩值Tb，其對應(yīng)于由轉(zhuǎn)矩命令信號103表示的值，這里Tb＝Wm×Eu×Im+Wn×Ew×In作為簡單的實(shí)施例，U、V、W定子極19到21的值Eu、Ev和Ew可以從前述方程式(22)、(23)和(24)中得到，并假設(shè)M相繞組38和N相繞組39具有相同的匝數(shù)，用Wc表示，定子繞組中的各個兩相電流值可以從下式中獲得，通過使用上述方程式(14)和(15)，將從三相對稱定子繞組結(jié)構(gòu)的三相電流值取得的值簡單轉(zhuǎn)變成兩相電流值。這種情況下，從方程式(19)Tb＝Tm+Tn＝Wc×(-Eu×Im)+Ew×In)＝Wc×(-E1×cos(θm)×1.732×Ia×cos(θm+150°)+E1×cos(θm+240°)×1.732×Ia×cos(θm+270°)＝Wc×Ia×E1×(3/2) .............(30)因此Ia＝(2/3)×Tb/(Wc×E1).............(31)Im＝1.732×Ia×cos(θm+150°)In＝1.732×Ia×cos(θm+270°)方程式(31)提供了在在方程式(28)中電流相角θi等于零的情況下的值。通過這個例子，容易理解需要由電流命令單元204執(zhí)行的唯一函數(shù)可以簡單的根據(jù)方程式(31)計(jì)算。
然而唯一的必需條件是方程式(19)必須滿足，因此，M相電流Im和N相電流In的組合值可以隨意的確定。另外，單元電壓Eu、Ev、Ew不是必須按三相對稱方式布置，它們可以按其它方式在相上各自不同，或分別具有不同的幅值。這樣的情況下，方程式(91)的計(jì)算可以通過向方程式中帶入實(shí)際的單元電壓值，這樣對方程式(30)、(31)的計(jì)算得到了執(zhí)行，進(jìn)而得到了相電流Im合In以及相θi的值。
舉例來說，如果各個相繞組15到18的單元電壓Eu、Ev、Ew不是三相對稱關(guān)系，這是由于產(chǎn)生了諧波分量這樣的原因，也就是說如果這里出現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩脈動的情況，則也是在這樣的情況下，如果獲得了各個(U、V、W)相的單元電壓Eu、Ev、Ew的準(zhǔn)確值，那么通過應(yīng)用方程式(11)，根據(jù)轉(zhuǎn)子10的轉(zhuǎn)動位置θm可以確定電流Im、In和電流相θi的適當(dāng)值。進(jìn)而可以應(yīng)用降低轉(zhuǎn)矩脈動的控制。
值得注意的是，本發(fā)明不限于前面描述的實(shí)施例和變形結(jié)構(gòu)，對本發(fā)明的各種落入本發(fā)明權(quán)利要求范圍內(nèi)的其他形式也是允許的。特別是，已經(jīng)描述過了對于無刷電機(jī)具有三相或兩相定子繞組的無刷電機(jī)的實(shí)施例，然而本發(fā)明同樣適用于N1相多相無刷電機(jī)，這里N1是4或更大的整數(shù)。如上文在圖11中所示的三相無刷電機(jī)實(shí)施例所描述的，各個相的每個定子繞組可以由一對環(huán)形定子繞組代替，這對于任何的N1相無刷電機(jī)也是可以的。因此，可以省略掉那些置于相鄰定子極之間的定子繞組部分。
還有，在最外側(cè)的(即第一個和第N1個)環(huán)形定子繞組對中，可以省掉位于定子鐵心端面上的繞組，也就是位于最外側(cè)極的軸向向外側(cè)上。按照這樣的方式，與現(xiàn)有技術(shù)的無刷電機(jī)相比，可以減少構(gòu)成定子繞組所需的銅量，即使在相數(shù)為4或更高時(shí)，無刷電機(jī)可以采用簡單的環(huán)形繞組作為定子繞組。
圖35、36和37是四相無刷電機(jī)100B的實(shí)施方式的圖，這些圖分別對應(yīng)于前面描述的圖1、3和4中的三相無刷電機(jī)100。無刷電機(jī)100B的定子14B具有四個定子極組，也就是U相定子極組68、V相定子極組69、W相定子極組70和X相定子極組71，并具有六個環(huán)形定子繞組，也就是一個U相繞組62、一對V相繞組63，64、一對W相繞組65、66和X相繞組67。定子繞組連接起來以接收各個相的電源電壓，這樣一個負(fù)向電流(如前面在描述無刷電機(jī)100運(yùn)行中定義的)(-Iu)流入U(xiǎn)相繞組62、一個正電流Iv流入V相繞組63、一個負(fù)電流(-Iv)流入V相繞組64、一個正電流Iw流入W相繞組65，一個負(fù)電流(-Iw)流入W相繞組66，以及一個正電流Ix流入X相繞組67。
按照與圖1中無刷電機(jī)100相同的方式，設(shè)置在定子端面上的兩個環(huán)形繞組(即一個U相繞組和一個X相繞組)可以省略掉了(因?yàn)榍懊鎱⒖紙D11描述的原因以及圖4中所示出的定子繞組結(jié)構(gòu))。
因此，U相定子極68和X相定子極71(即兩組相對于轉(zhuǎn)子軸線方向分別與定子14B外端相鄰定位的定子極)中每一個具有相應(yīng)的與其直接相鄰設(shè)置的單個環(huán)形定子繞組，而其它的定子極組每一個具有在其任一側(cè)上直接相鄰設(shè)置的環(huán)形定子繞組對。
值得注意的是，由于與前面針對無刷電機(jī)100描述過的相同的原因，參考圖14中示出的其它定子繞組結(jié)構(gòu)，可以用各個單個的環(huán)形繞組代替每個互相鄰接的定子繞組(即定子繞組對62、63、定子繞組對64、65、定子繞組對66、67)。也就是說，分別流入定子繞組對(例如定子繞組62、63)的兩個電流(分別屬于相反方向，正如前面參考圖3中無刷電機(jī)100的定子繞組結(jié)構(gòu))相互疊加，這個定子繞組對置于兩個不同極性的定子極之間，這樣單個環(huán)形繞組也可以提供相當(dāng)于相鄰環(huán)形繞組對的電作用效果。通過按這種方式代替了每個相鄰的環(huán)形繞組對，可以簡化定子14B的結(jié)構(gòu)，并且可以減少形成定子繞組所需的銅量。
對于前面描述的第一實(shí)施例，具有圖1和3中所示的定子極結(jié)構(gòu)，即具有三個定子極組，定子14具有下列尺寸關(guān)系。定子長度(沿轉(zhuǎn)子軸線方向10測得的)用Lam表示，定子極每個極面的寬度(是沿轉(zhuǎn)子軸線方向測得的)用Las表示，定子極組的間距(即相鄰定子極組對中心之間的距離，是沿轉(zhuǎn)子軸線方向測得的，其是無刷電機(jī)100沿轉(zhuǎn)子軸線方向有效電磁長度的1/3)用Lap表示，Las的值要少于Lap。Lam要是Lap的大約三倍，Las要少于Lam/3。這樣，可以確保各個定子極組的極19、20、21不會沿轉(zhuǎn)子軸線方向重疊，這樣沿圓周方向的各個定子極組之間不會有相互的干擾，同時(shí)可以簡化具有大量定子極的定子的結(jié)構(gòu)，所以可以采用大量的定子極以獲得增加的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。
如果無刷電機(jī)100變成一個兩相電機(jī)，即圖3中示出的三個定子極組由僅兩個定子極組代替，那么Lam的值將是間距Lap的值的大約兩倍，Las的值將少于Lam/2。類似的，四相無刷電機(jī)的情況下，Lam可以是Lap值的大約四倍，Las要少于Lam/4。
在前面圖15到19所示實(shí)施例中的定子極組中，為了增加穿過定子極的磁通的旋轉(zhuǎn)角速度，每個定子極極面的寬度Las要大于定子極組的間距Lap，每一個間距是沿轉(zhuǎn)子軸線方向測得的(即Las＞Lap)。對于圖15、16和17每個附圖中的實(shí)施例，Las的值是Lap值的三倍(Las＝3×Lap)，而對于圖18和19每個附圖中的實(shí)施例，Las的值是Lap的值的兩倍(Las＝2×Lap)。按照這樣的方式，通過增加每個定子極的軸向長度Las，作用在每個定子極上的磁通量會增加，這樣電機(jī)可以產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)矩。
如果Las大于Lap，那么定子結(jié)構(gòu)會變得更復(fù)雜。然而可以獲得相應(yīng)的更高的輸出轉(zhuǎn)矩。
如果上述實(shí)施例的無刷電機(jī)100要做成尺寸很小，則組成定子14的磁性元件可以例如通過剪切鋼板而形成，或者通過加工形成。如果磁性元件最初是通過剪切磁性鋼板而形成的預(yù)定形狀，那么隨后電機(jī)繞組(即U、V、W相定子繞組等)可以形成其上，然后這個磁性元件彎成它們所需的最終形狀。因此，這種無刷電機(jī)可以通過一種簡單的工藝制造，可以生產(chǎn)出一個低廉、緊湊的無刷電機(jī)。
無刷電機(jī)100的上述實(shí)施例已經(jīng)描述了這樣的情況，即采用的定子繞組是大體為圓環(huán)的各個環(huán)形繞組，如圖1、9和10所示。然而一般來說，每個定子繞組的形狀可以根據(jù)組成電機(jī)定子的磁性元件的形狀并基于可用空間的考慮而改變。例如，每個定子繞組可以具有徑向或沿轉(zhuǎn)子軸線方向延伸的凹或凸部分。尤其是，出于特殊電機(jī)設(shè)計(jì)方面的考慮，每個繞組的一個或多個部分可以具有彎曲凸起或凹回的部分，或者具有直角過渡形狀等，那些前面描述過的采用環(huán)形定子繞組的情況也會獲得類似的結(jié)果。
作為其它形式，一個或多個定子繞組可以形成為一個局部沿轉(zhuǎn)子軸線方向延伸局部沿圓周方向延伸的環(huán)，這樣轉(zhuǎn)子軸線不會穿過該環(huán)的中心開口。這在圖38中的實(shí)施例中示出。這里，圖4和5中示出的兩個V相定子繞組16、17，即相反方向等幅值的電流像前文描述的那樣所經(jīng)過的兩個環(huán)形繞組，由兩個環(huán)形繞組120和121代替。如圖所示，每個繞組120、121最初形成為大體矩形環(huán)，其彎成大體半圓形，這樣當(dāng)安裝到定子鐵心上時(shí)，每個繞組120、121局部沿轉(zhuǎn)子軸線方向延伸部分地沿圓周方向延伸，繞組120、121相對于轉(zhuǎn)子軸線直徑相反設(shè)置。
通過電磁作用，繞組120、121的局部沿圓周延伸的部分130、131一起對應(yīng)于圖4、5中示出的V相繞組，而局部沿圓周延伸的部分132，133一起對應(yīng)于V相繞組17。
采用這樣的布置方式，繞組120、121的中心孔可以設(shè)置成V相定子極可以突出穿過它們。
可以擴(kuò)展上述原理，例如，進(jìn)一步將每個繞組120、121分成多個具有基本類似于繞組120、121結(jié)構(gòu)的繞組。
可以以類似方式代替每個與定子端面相鄰設(shè)置的定子繞組，例如，U和W相繞組。然而，因?yàn)閷枰嗟你~來構(gòu)成這些定子繞組中的每一繞組，所以同采用了環(huán)形結(jié)構(gòu)的繞組相比，這會引起重量增加。
可以設(shè)置多個根據(jù)本發(fā)明的無刷電機(jī)互相相鄰設(shè)置，它們的繞組互相連接。例如，這些電機(jī)可以使它們的轉(zhuǎn)子軸線沿同一方向定向以及轉(zhuǎn)軸聯(lián)在一起這樣來定位，或者電機(jī)可以并排設(shè)置。后一種情況中，必須提供齒輪或驅(qū)動帶，用于使各種電機(jī)的各個轉(zhuǎn)軸機(jī)械聯(lián)接。
另外，組成定子的磁性元件可以形成具有凹回或凹形部分，這是因?yàn)樾枰峁┯糜谶B接電機(jī)繞組引線的空間。另外，在磁性元件中可以形成通孔，以允許這種引線穿過。還有其它變形方式，部分定子極可以省略掉，以提供這樣的空間，雖然這會造成電機(jī)的輸出功率有一定量的降低。
根據(jù)本發(fā)明的無刷電機(jī)可以采用各種變形結(jié)構(gòu)。例如，定子可以設(shè)置在電機(jī)的內(nèi)部，由轉(zhuǎn)子圍繞，也就是電機(jī)可以具有外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
這樣，需要組成繞組的銅量可以減少，電機(jī)的銅損也減少了。然而對于這種結(jié)構(gòu)，電機(jī)磁路會變得更復(fù)雜。另一方面，在電機(jī)內(nèi)部提供空間會變得更簡單，氣隙的半徑變得更大，這樣可以產(chǎn)生更高的磁場通量，但是這些優(yōu)點(diǎn)必然帶來以下缺點(diǎn)轉(zhuǎn)子整個結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，轉(zhuǎn)子慣性更大。
也可以使定子相對于轉(zhuǎn)軸傾斜定向。特別是，如果定子和定子分別這樣成形，即它們之間的氣隙為錐形形狀，那么可以采用單獨(dú)的裝置以改變定子和轉(zhuǎn)子的相對位置(沿轉(zhuǎn)子軸線方向位移)，這樣可以任意調(diào)整氣隙的長度。按照這樣的方式，可以實(shí)現(xiàn)對磁場磁通的控制，進(jìn)而可以控制電機(jī)的輸出功率。
消除沿轉(zhuǎn)子軸線方向作用的前述磁力的方法，使用根據(jù)本發(fā)明的無刷電機(jī)，做成將兩個沿轉(zhuǎn)子軸線連接的無刷電機(jī)合成一體的電機(jī)結(jié)構(gòu)，(例如，共用一個公共轉(zhuǎn)軸)，對于這兩個電機(jī)的定子繞組這樣連接，即從一個電機(jī)中發(fā)出的沿轉(zhuǎn)子軸線方向作用的磁力由從另一個電機(jī)中發(fā)出的沿轉(zhuǎn)子軸線方向作用的磁力抵消。這也就是說，兩個電機(jī)設(shè)置成可以產(chǎn)生各自的方向相反的定子繞組磁場。
圖39中示出了一種具體實(shí)施例，其中定子繞組137與U相繞組15串聯(lián)，但是沿與U相繞組15相反的方向纏繞，類似的定子繞組136與V相繞組16串聯(lián)，但是沿相反方向纏繞，定子繞組135與V相繞組17串聯(lián)，但是沿相反方向纏繞，定子繞組134與W相繞組18串聯(lián)，但是沿相反方向纏繞。正如從圖39中所了解到的，這種布置方式相當(dāng)于兩個具有共同轉(zhuǎn)子的電機(jī)，對于兩個電機(jī)的各個U相繞組、各個V相繞組和各個W相繞組每一個可以相對于位于中央的點(diǎn)劃線位于相對對稱的位置，其中點(diǎn)劃線是相對于圖39中轉(zhuǎn)子軸線方向適當(dāng)角度畫出的，其中每個繞組對的電流方向相反。結(jié)果，沿轉(zhuǎn)軸11作用的磁力總量為零。
這也就是說，由圖39中的定子極19和140產(chǎn)生的磁通量的大小是相等的但是方向是相反的，定子極20和139以及定子極21和138也是這樣的。
值得注意的是，同樣可以將定子極21和138組合成一個定子極。另外，各種將繞組134、135、136、137等組合成U、V、W定子繞組的其它方法都是可以的，這樣可以具有各種不同的結(jié)構(gòu)。
采用圖39的實(shí)施例，兩個電機(jī)使它們各自的定子組合成一個單獨(dú)的單元，也使它們各自的轉(zhuǎn)子組成一個單獨(dú)的單元。也同樣可以使大量的無刷電機(jī)組合，每一個電機(jī)都是相同的形狀。尤其是在組合兩個電機(jī)的情況下，其中這兩個電機(jī)沿共同的轉(zhuǎn)子軸線方向設(shè)置，兩個電機(jī)所產(chǎn)生的各自的磁場是方向相反并相對于兩電機(jī)之間的分界面是對稱相對的(即由圖39的實(shí)施例中的中心點(diǎn)劃線表示)，也可以連接兩個電機(jī)各個定子的磁路或者連接兩個電機(jī)各個轉(zhuǎn)子的磁路。
還有其它變形方式，兩個無刷電機(jī)可以構(gòu)成像一個外電機(jī)和一個內(nèi)電機(jī)組合物那樣的結(jié)構(gòu)，后者按照與外電機(jī)同軸關(guān)系設(shè)置。這樣，外電機(jī)可以為內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而內(nèi)電機(jī)可以為外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，各個轉(zhuǎn)子相鄰設(shè)置，這樣轉(zhuǎn)子可以與其它轉(zhuǎn)子連接，或者組成一個單獨(dú)的單元。
采用多個無刷電機(jī)組合物的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)高輸出轉(zhuǎn)矩和高輸出功率。
還應(yīng)該注意到，雖然無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子的各種形狀前面已經(jīng)描述過了，就像圖22到27中示出的結(jié)構(gòu)，假設(shè)采用永磁體作為轉(zhuǎn)子極，同步交流電機(jī)也同樣可以采用這種原理，這種同步交流電機(jī)采用了電磁轉(zhuǎn)子極，即具有轉(zhuǎn)子極的勵磁繞組。
根據(jù)本發(fā)明無刷電機(jī)的控制裝置前面已經(jīng)描述過了，其利用通過計(jì)算取得的值進(jìn)行操作，這個計(jì)算是基于方程式(29)和(30)等而實(shí)現(xiàn)的。然而值得注意的是，其同樣可以測量各個輸出轉(zhuǎn)矩的值，這個輸出轉(zhuǎn)矩是由無刷電機(jī)在各種轉(zhuǎn)速和電源電流不同組合的條件下所產(chǎn)生的，進(jìn)而獲得了相對于所需轉(zhuǎn)矩值的對應(yīng)誤差值，將所獲得的信息存儲起來。這個信息隨后可以用于控制這種電機(jī)，也就是建立了與所需轉(zhuǎn)矩值有關(guān)的電源電流值，就像給相應(yīng)誤差量(已知)的補(bǔ)償。
還有，前面描述過的降低轉(zhuǎn)矩脈動方法的其它方法，可以適當(dāng)調(diào)整相電流的幅值，這個相電流在每個轉(zhuǎn)子角位置處要施加給各個(U、V、W)定子繞組，這個位置上實(shí)際的輸出轉(zhuǎn)矩不同于所需的轉(zhuǎn)矩值。這就是說，如果例如輸出轉(zhuǎn)矩大于所需轉(zhuǎn)矩，在某些轉(zhuǎn)子角位置上，那么各個相的電源電流可以每一個都減少相同的量。
作為具體的布置方式，在轉(zhuǎn)子的各種不同轉(zhuǎn)子角位置上實(shí)際產(chǎn)生的各個轉(zhuǎn)矩值可以預(yù)先測量并存儲在存儲器里，以表格的形式，與相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值和電源電流值一起。存儲的信息隨后可以用來(即與轉(zhuǎn)速傳感器一起)控制定子繞組電源電流的幅值，以獲得任意轉(zhuǎn)速下所需的輸出轉(zhuǎn)矩值，同時(shí)降低轉(zhuǎn)矩脈動的值。
因此可以理解，無刷電機(jī)的控制方法，以及根據(jù)方程式(28)、(30)等實(shí)現(xiàn)的計(jì)算方法，確定電機(jī)運(yùn)行期間電源電流幅值的適當(dāng)值，或者將從這種計(jì)算所獲得的值事先存儲在表格存儲器中(即與對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和電源電流幅值組合一起)，以隨后在電機(jī)運(yùn)行期間所采用，以上內(nèi)容全部落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種同步交流電機(jī)，包括一個具有多個磁極的轉(zhuǎn)子，其中N(北)極和S(南)極沿圓周以等間距交替設(shè)置；一個具有N個定子極組的定子，其中N為大于一的整數(shù)，每個所述定子極組在所述定子上沿圓周形成，并且每個定子繞組包括多個定子極，每個所述N個定子極組的相鄰對圓周位置相差相等的量，以及多個在所述定子上圓周形成的環(huán)形定子繞組，每個所述環(huán)形定子繞組與對應(yīng)的所述N個定子極組中的一個相對于所述轉(zhuǎn)子的軸向直接相鄰設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，其中每個定子極組相對于所述轉(zhuǎn)子軸線方向具有相應(yīng)的與其直接相鄰并在各自相對側(cè)上設(shè)置的所述環(huán)形定子繞組對。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，其中一對最外側(cè)的所述定子極組，相對于所述轉(zhuǎn)子軸線方向分別位于所述定子的相對外端，每個定子極組具有一個相應(yīng)的與其直接相鄰設(shè)置的所述環(huán)形定子繞組，每個所述相應(yīng)的環(huán)形定子繞組相對于所述轉(zhuǎn)子軸線方向距離所述定子的外端位于所述每個最外側(cè)環(huán)形定子繞組的相對側(cè)，每個所述定子極組，除所述最外側(cè)定子極組之外，相對于所述轉(zhuǎn)子軸線方向具有一個相應(yīng)的與其直接相鄰并在各自相對側(cè)上設(shè)置的所述環(huán)形定子繞組對，以及方向相反的電流流過所述位于定子極組相對側(cè)上的環(huán)形定子繞組對。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，其中每個所述環(huán)形定子繞組設(shè)置在互相相鄰的相應(yīng)所述定子極組對之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，其中所述環(huán)形定子繞組由N相交流電壓驅(qū)動，其中對應(yīng)于各個不同的所述N個定子極組的環(huán)形定子繞組由相角分別相差360/N度的交流電壓驅(qū)動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電壓，其中所述轉(zhuǎn)子包括多個安裝在其外部的永磁體，沿圓周以等間距設(shè)置，所述永磁體的各個磁極組成了所述交替的所述轉(zhuǎn)子的N和S極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，其中所述轉(zhuǎn)子包括多個安裝在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)部的永磁體，沿圓周以等間距設(shè)置，所述永磁體的各個磁極作用用于在所述轉(zhuǎn)子的外周表面上產(chǎn)生所述轉(zhuǎn)子的所述交替的N和S極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，其中所述定子極分別從所述定子的圓周表面突出，其中所述定子包括多個設(shè)置在所述圓周表面上的極塊，這些極塊是在未被所述定子極所占用的位置上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，其中至少一個所述定子和所述轉(zhuǎn)子包括的至少局部是通過應(yīng)用于金屬粉末的模制工藝制造的，這個金屬粉末為一種軟磁材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，其中所述定子極設(shè)置在各個圓周位置上，這里在所述N個定子極組的每個相鄰對之間存在圓周方向上的特定位移量，所述特定的位移量相當(dāng)于360/N度的電角度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的同步交流電機(jī)，其中在每個所述定子極組中，所述定子極的各個極面形成為特定的形狀，使得所述定子極組的各個單元電壓波形大體相同，并且使得所述單元電壓的各個幅值大體相等，這里每個所述單元電壓是磁通旋轉(zhuǎn)角速度，這個磁通與每個所述定子極組相關(guān)，用于保持所述定子極組之間的相差基本上等于360/N度的電角度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，其中將所述同步交流電機(jī)需要降低的轉(zhuǎn)矩脈動的次數(shù)用m表示，這里m是一個大于一的整數(shù)，每個所述N定子極組中，將每個所述定子極組中的所述定子極分成n個子組，在各個所述子組之間建立了沿所述定子圓周方向的特定相對位置位移量，所述特定相對位置位移量相當(dāng)于360/(m×n)度電角度的整倍數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，其中將所述同步交流電機(jī)需要降低的轉(zhuǎn)矩脈動的次數(shù)用m表示，這里m是一個大于一的整數(shù)，所述轉(zhuǎn)子的N極分成n個子組，所述轉(zhuǎn)子的S極分成n個子組，在所述相鄰子組之間建立了相對于圓周方向的在所述轉(zhuǎn)子上的特定相對位置位移量，所述特定相對位置位移量相當(dāng)于360/(m×n)度整倍數(shù)的相角。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，包括一個與所述轉(zhuǎn)子軸相鄰靠近設(shè)置的輔助繞組，其中交流電施加給所述輔助繞組，其具有適當(dāng)?shù)念l率值、相和幅值，用于在所述輔助繞組中產(chǎn)生沿所述軸軸線方向作用的磁力，以抵消沿所述軸線方向作用的由流經(jīng)所述環(huán)形定子繞組的各個電流的組合電流所產(chǎn)生的磁力。
15.一種控制權(quán)利要求2所要求的同步交流電機(jī)的控制裝置，所述控制裝置控制流入所述多個環(huán)形定子繞組的各個電流的每一個的幅值I達(dá)到某一值，這里各個由所述N個定子極組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩值T的總和等于特定轉(zhuǎn)矩命令值，其中所述控制裝置包括用于按照(W×E×I)計(jì)算所述各個轉(zhuǎn)矩值中每一個轉(zhuǎn)矩值T的元件，這里E是與所述每個定子極組有關(guān)的磁通的旋轉(zhuǎn)角速度，W是對應(yīng)于所述每個定子極組的所述環(huán)形定子繞組的總匝數(shù)。
16.一種控制權(quán)利要求4所要求的同步交流電機(jī)的控制裝置，所述控制裝置控制分別流入所述多個環(huán)形定子繞組的(N-1)個電流中每一個電流的幅值I達(dá)到某一值，這里各個由所述N個定子極組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩值T的總和等于特定的轉(zhuǎn)矩命令值，其中所述控制裝置包括用于計(jì)算所述N個定子極組中每一個的所述轉(zhuǎn)矩值T的元件，是按照(W×E×I)計(jì)算，這里E是與所述每個定子極組有關(guān)的磁通的旋轉(zhuǎn)角速度，W是與所述每個定子極組相鄰設(shè)置的環(huán)形定子繞組的匝數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，其中每個所述定子極具有一個極面，這個極面具有沿所述轉(zhuǎn)子軸線方向測得的尺寸，這個尺寸大于所述相鄰的定子極組各自中心位置之間的距離，此距離是沿所述軸線方向測得的。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，其中每個所述環(huán)形定子繞組形成為一個單獨(dú)的繞所述定子圓周延伸與所述轉(zhuǎn)子同軸的圓環(huán)。
19.根據(jù)權(quán)利要求2的同步交流電機(jī)，其中至少一個分別對應(yīng)于所述定子極組的所述環(huán)形定子繞組對包括兩個環(huán)形繞組串聯(lián)連接的組合物，每一個組合物形成為單獨(dú)的繞所述定子圓周延伸與所述轉(zhuǎn)子同軸的圓環(huán)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的同步交流電機(jī)，其中至少一個所述環(huán)形定子繞組形成為一個環(huán)，其成形為部分沿所述定子圓周方向部分地延伸以及部分沿所述轉(zhuǎn)子軸向延伸的形狀。
21.根據(jù)權(quán)利要求2的同步交流電機(jī)，其中至少一個分別對應(yīng)于所述定子極組的所述環(huán)形定子繞組對包括兩個環(huán)形繞組串聯(lián)連接的組合物，每一個組合物形成為一個環(huán)，其成形為部分沿所述定子圓周方向部分地延伸以及部分沿所述轉(zhuǎn)子軸向延伸的形狀，所述兩個環(huán)形繞組相對于所述轉(zhuǎn)子的中心軸線相對設(shè)置。
22.多個同步交流電機(jī)的組合，每一個電機(jī)如權(quán)利要求1中所要求的，相互連接可以驅(qū)動單獨(dú)的負(fù)載。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的多個同步交流電機(jī)的組合，其中所述多個同步交流電機(jī)的各自定子繞組的至少一部分是相互連接的。
全文摘要
一種同步交流電機(jī)，具有的定子具有設(shè)置成多個圓周延伸的定子極組的定子極，每個定子極組具有一對相應(yīng)的圓周延伸的環(huán)形定子繞組，在兩側(cè)相鄰設(shè)置或單個的這種繞組在一側(cè)相鄰設(shè)置，相鄰的定子極組相對于具體的電相角度相互圓周移位一個固定量。通過給這個繞組應(yīng)用各自的多相交流電壓產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，這樣相反方向的電流流入每一對。
文檔編號H02K19/02GK1667922SQ20041010327
公開日2005年9月14日 申請日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
發(fā)明者梨木政行 申請人:株式會社電裝