專利名稱：具有高功率密度、低頓振和低振動的永磁無刷電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電機，尤其涉及具有低頓振轉(zhuǎn)矩、高功率密度以及低振動的永磁無刷(BPM)電機。
背景技術(shù)：
電機，例如電動機和發(fā)電機通常包括一安裝在一殼體內(nèi)部的定子和一被支承以相對于定子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。電機通常集成在例如設(shè)備的裝置中。結(jié)合有電機的裝置的尺寸和/或負載量可能是影響購買決定的一重要因素。電機的尺寸和功率也分別對裝置的總體尺寸和負載量有重要的影響。
電機的功率密度定義為其功率輸出與其體積的比值。通常希望有一較高的功率密度(例如，相對于體積較高的功率輸出)。高功率密度可使得給定功率輸出的電機具有一較小的尺寸或使得給定尺寸的電機具有一較高的功率輸出。
當電機在運轉(zhuǎn)過程中旋轉(zhuǎn)時，電機將產(chǎn)生引起噪音的振動。電機的噪音值可以是影響購買決定的一重要因素。因此，希望減少振動，從而減少噪音。傳統(tǒng)的減少振動的方法也容易降低功率密度。換句話說，振動和噪音的減少是以降低功率輸出和/或增大(電機)體積為代價而實現(xiàn)的。
實用新型內(nèi)容因此，本實用新型提供了一種具有一定子組件的永磁無刷電機，該定子組件包括一限定(12×n)條狹縫并具有一通常呈“T”形的橫截面的定子齒的定子鐵心。繞組線纏繞在該定子齒上，其中定子齒的徑向外緣限定一冠狀表面。一轉(zhuǎn)子包括限定(12±2)n個磁極的永磁體，其中n為一大于零的整數(shù)。
一方面，定子鐵心位于所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)部。
另一方面，定子鐵心由多個堆疊的定子疊片形成。
另一方面，冠狀表面的第一半徑小于由一相切于定子齒的冠狀表面的徑向最外點的圓限定的第二半徑。
又一方面，一狹縫開口為相鄰定子齒的周向面向邊緣之間的夾角，而齒距為相鄰定子齒的中心之間的夾角，其中狹縫開口(的大小)在齒距的10％至20％之內(nèi)。
還有一方面，冠狀表面的一端與永磁體之間的第一空氣間隙(的寬度)在一冠狀表面中心與永磁體之間的第二空氣間隙(的寬度)的1.25倍到2.00倍之內(nèi)。
通過下面的詳細描述，本實用新型的其它應用領(lǐng)域?qū)⒆兊们宄?。應該認識到，當說明本實用新型的優(yōu)選實施例時，詳細描述和具體示例只是為了進行說明而并非對本實用新型的范圍進行限制。


根據(jù)詳細的描述及附圖，本實用新型將得到較充分的了解，其中圖1是一包含由根據(jù)本實用新型的永磁無刷(BPM)電機驅(qū)動的一轉(zhuǎn)動件的裝置的示意圖；圖2是根據(jù)本實用新型的(BPM)電機的定子疊片的俯視圖；圖3是圖2中定子疊片的局部放大俯視圖；圖4是BPM電機的一轉(zhuǎn)子的剖視圖；圖5A是一典型的用于本實用新型的定子組件的第一相的定子繞組示意圖；圖5B是一典型的用于本實用新型的定子組件的第二相的定子繞組示意圖；圖5C是一典型的用于本實用新型的定子組件的第三相的定子繞組示意圖；圖6是比較傳統(tǒng)電機和本實用新型電機的振動特性的曲線圖；
圖7為示出傳統(tǒng)電機振動特性的正負峰間距離的圖6曲線圖的較詳細視圖；以及圖8為示出本實用新型電機振動特性的正負峰間距離的圖6曲線圖的較詳細視圖。
具體實施方式
下面對優(yōu)選實施例的描述本質(zhì)上僅僅是示意性的，并不適于對本實用新型及其應用或使用進行限制。為清楚起見，將在圖中用相同的參考標號表示相似的元件。
現(xiàn)在參考圖1，其示出一包括由一永磁無刷(BPM)電機14驅(qū)動的一轉(zhuǎn)動件12的裝置10。一典型的裝置10是一洗衣機，其中，轉(zhuǎn)動件12為一滾筒。所述轉(zhuǎn)動件12可旋轉(zhuǎn)地支承在由一殼體18限定的一空腔16內(nèi)。一軸20將該轉(zhuǎn)動件12結(jié)合到所述電機14上。該軸20由軸承22可旋轉(zhuǎn)地支承，并包括通過一聯(lián)結(jié)器24結(jié)合到轉(zhuǎn)動件12上的第一端。該軸20的第二端結(jié)合到所述電機14上。
該電機14是一旋轉(zhuǎn)電樞式同步(inside-out)永磁無刷(BPM)電機，并支承在殼體18的機器空腔26內(nèi)。該電機14包括一內(nèi)部定子組件28和一外部轉(zhuǎn)子組件30。該內(nèi)部定子組件28通過支承件29固定在一安裝架27上。在內(nèi)部定子組件和安裝架27之間形成一空氣間隙31。所述外部轉(zhuǎn)子組件30通過所述軸20結(jié)合到轉(zhuǎn)動件12上。外部轉(zhuǎn)子組件30呈鼓形，并限定一內(nèi)部定子組件28設(shè)置于其中的環(huán)形空腔32。永磁體34安裝在外部轉(zhuǎn)子組件30的內(nèi)表面上，并優(yōu)選地每個磁體包括兩個或三個磁極。所述內(nèi)部定子組件28包括纏繞在一個或多個定子齒上的繞組36。流經(jīng)繞組36的電流產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場與永磁體34的磁極相互作用從而使外部轉(zhuǎn)子組件30相對于定子組件28轉(zhuǎn)動。
現(xiàn)在參考圖1、2和3，該內(nèi)部定子組件28包括多個堆疊在一起以形成一定子的定子疊片40。每一疊片40限定多個位于通常呈“T”形的定子齒44之間的狹縫42。該狹縫42包括一形成于齒44之間的狹縫開口。將齒距定義為相鄰兩齒44的對應面之間的夾角，如圖3所示。齒44之間的狹縫開口的角度優(yōu)選地在齒距的10％到20％的之內(nèi)。典型的圖2和圖3的內(nèi)部定子組件包括24個狹縫。(疊片上)設(shè)有一系列孔48以便用于將定子安裝在殼體18上的緊固件(未示出)通過。
如圖3中較清楚所示，定子齒44的徑向外表面46呈冠狀并限定一小于定子疊片半徑(y)的半徑(x)。較詳細地，半徑y(tǒng)限定從定子齒44的頂端到定子疊片中心的距離。半徑x限定定子齒44的外表面46的冠狀弧。一空氣間隙(A)(見圖1)限定在內(nèi)部定子組件28和外部轉(zhuǎn)子組件30的永磁體34之間。該冠狀使得冠狀面表46端部處的空氣間隙(B)(大小)優(yōu)選地為空氣間隙(A)大小的1.25到2.00倍(見圖3)。
現(xiàn)在參考圖1和圖4，其示出轉(zhuǎn)子組件30的剖視圖。圖1和圖4中的轉(zhuǎn)子組件30實際上是典型的，并包括10個永磁體34。如下所述，永磁體34的數(shù)目可根據(jù)本實用新型而變化。
每個定子疊片40均限定(12×n)條狹縫42，并對應于(12±2)n個磁極而纏繞。數(shù)值n是一大于零的整數(shù)(即，n＝1，2，3，4，...)。由定子疊片40限定的典型的狹縫和磁極的組合可包括具有10個磁極的12條狹縫，具有14個磁極的12條狹縫，具有20個磁極的24條狹縫，具有28個磁極的24條狹縫，具有30個磁極的36條狹縫，具有42個磁極的36條狹縫等。例如，上面詳細描述的定子組件28包括24條狹縫，并且所述轉(zhuǎn)子組件30包括20個磁極(即，10個均具有兩個磁極的永磁體)。
現(xiàn)在參考圖5A、圖5B和圖5C，其示出典型的分別用于本實用新型的具有24條狹縫、20個磁極(即，對于(12-2)n個磁極，n＝2)的電機的相A、B和C的定子繞組示意圖。如上面參考圖2、3和4進行的說明，該典型的內(nèi)部定子組件28包括24條狹縫和24個齒，而典型的轉(zhuǎn)子組件30包括20個磁極(10個永磁體)。然而，相繞組36相應于轉(zhuǎn)子組件30的交替磁極而纏繞。
如圖5A所示，相A繞組穿過齒T1和T2、T7和T8、T13和T14、T19和T20而纏繞。如圖5B所示，相B繞組穿過齒T9和T10、T15和T16、T21和T22、T3和T4而纏繞。如圖5C所示，相C繞組穿過齒T17和T18、T23和T24、T5和T6、T11和T12而纏繞。
(12×n)條狹縫和具有冠狀磁極端面的(12±2)n個磁極的組合減少了頓振和振動。因此也減少了電機的噪音?，F(xiàn)在參考圖6到8，在一傳統(tǒng)電機和一根據(jù)本實用新型的電機之間進行振動比較。如圖中可見，傳統(tǒng)電機包括以較高頻率進行并具有較高振幅的振動。較具體地，最大的正負峰間值約為0.180g’s，而最小的正負峰間值約為0.070g’s(見圖7)。和傳統(tǒng)電機相比，根據(jù)本實用新型的電機包括以較低頻率進行并具有明顯小得多的振幅的振動。較具體地，(本實用新型電機的)最大的正負峰間值約為0.040g’s，(比傳統(tǒng)電機的值)減少了78％。(本實用新型的電機)最小的正負峰間值約為0.020g’s(見圖8)，(比傳統(tǒng)電機的值)減少了71％。
可以在具有較高功率密度的情況下防止振動以及噪音的產(chǎn)生。功率密度定義為電機的功率輸出與其體積的比值。下面的表4提供了對傳統(tǒng)電機和根據(jù)本實用新型的電機進行比較的情況。
表4

當機器的功率輸出相等時，根據(jù)本實用新型的機器的體積(比傳統(tǒng)電機的)大約小11％。因此，根據(jù)本實用新型的電機的功率密度比傳統(tǒng)電機的功率密度大約高12.6％。
現(xiàn)在本領(lǐng)域技術(shù)人員可以從前面的說明中意識到，可用多種形式實現(xiàn)本實用新型的較寬泛的宗旨。因此，雖然在此結(jié)合具體示例對本實用新型進行了描述，但本實用新型的實際范圍不應局限于此，因為對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，通過研究附圖、說明書和后面的權(quán)利要求書，本實用新型的其它變型將是明顯的。
權(quán)利要求1.一種永磁無刷電機，包括一包括一限定(12×n)條狹縫和具有通常呈“T”形的橫截面的定子齒的定子鐵心和纏繞在所述定子齒上的繞組線的定子組件，其中所述定子齒的徑向外緣限定一冠狀表面；以及一包括限定(12±2)n個磁極的永磁體的轉(zhuǎn)子，其中n為一大于零的整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁無刷電機，其特征在于，所述定子位于所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁無刷電機，其特征在于，所述定子鐵心由多個堆疊的定子疊片形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁無刷電機，其特征在于，所述冠狀表面的第一半徑小于由一相切于所述定子齒的所述冠狀表面的徑向最外點的圓限定的第二半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁無刷電機，其特征在于，狹縫開口為相鄰定子齒的周向面向邊緣之間的夾角，而齒距為相鄰定子齒中心之間的夾角，其中，所述狹縫開口的大小在所述齒距的10％到20％之內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁無刷電機，其特征在于，所述冠狀表面的一端與所述永磁體之間的第一空氣間隙的寬度在所述冠狀表面的一中心與所述永磁體之間的第二空氣間隙的寬度的1.25倍到2.00倍之內(nèi)。
7.一種旋轉(zhuǎn)電樞式同步永磁無刷電機，它包括一包括一限定(12×n)條狹縫和具有通常呈“T”形的橫截面的定子齒的定子鐵心和纏繞在所述定子齒上的繞組線的內(nèi)部定子組件，其中所述定子齒的徑向外緣限定一冠狀表面；以及一繞所述內(nèi)部定子組件旋轉(zhuǎn)并包括限定(12±2)n個磁極的永磁體的外部轉(zhuǎn)子組件，其中n為一大于零的整數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)電樞式同步永磁無刷電機，其特征在于，所述定子鐵心由多個堆疊的定子疊片形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)電樞式同步永磁無刷電機，其特征在于，所述冠狀表面的第一半徑小于由一相切于所述定子齒的所述冠狀表面的徑向最外點的圓限定的第二半徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)電樞式同步永磁無刷電機，其特征在于，狹縫開口為相鄰定子齒的周向面向邊緣之間的夾角，而齒距為相鄰定子齒中心之間的夾角，其中，所述狹縫開口的大小在所述齒距的10％到20％之內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)電樞式同步永磁無刷電機，其特征在于，所述冠狀表面的一端與所述永磁體之間的第一空氣間隙的寬度在所述冠狀表面的一中心與所述永磁體之間的第二空氣間隙的寬度的1.25倍到2.00倍之內(nèi)。
專利摘要一種包括一具有一限定(12×n)條狹縫和其橫截面通常呈“T”形的定子齒的定子鐵心的定子組件的永磁無刷電機。繞組線纏繞在該定子齒上，其中，該定子齒的徑向外緣限定一冠狀表面。一轉(zhuǎn)子包括限定(12±2)n個磁極的永磁體，其中n為一大于零的整數(shù)。
文檔編號H02K1/27GK2772101SQ20042011764
公開日2006年4月12日 申請日期2004年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月22日
發(fā)明者A·D·卡爾波, G·E·霍斯特 申請人:美國艾默生電氣公司