專利名稱：一種電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電機(jī)即電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，其中傳播的磁場(chǎng)導(dǎo)致機(jī)器部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。更具體地說，本發(fā)明涉及在獨(dú)立的權(quán)利要求的前敘部分中所詳細(xì)說明的那類機(jī)器。
為方便起見，本發(fā)明的下列描述限于旋轉(zhuǎn)式機(jī)器，即電動(dòng)機(jī)，其中承載繞組的部件是靜止的，稱作定子，而其它部件稱作轉(zhuǎn)子，安裝成在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。定子的齒和轉(zhuǎn)子的極安置成環(huán)狀同心的排列，由一圓筒形空氣間隙隔開。但是，如將容易理解的，這些部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并不必須是轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而可以是一種直線或曲線相對(duì)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)和直線相對(duì)運(yùn)動(dòng)的組合也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，定子可以位于轉(zhuǎn)子內(nèi)，空氣間隙并不必須是圓筒形的，而例如可以是圓弧形截面或圓錐形。
在本發(fā)明所涉及的那種電動(dòng)機(jī)的共同類型中，電動(dòng)機(jī)的極由基本上沿徑向極化的永久磁體組成，其極性沿圓周交變。這些永久磁體可以安裝在轉(zhuǎn)子的圓周表面上，或者它們可以安裝在轉(zhuǎn)子凹口中(埋置的或嵌套的磁體)。通常最好是具有表面安裝的磁體的電動(dòng)機(jī)，因?yàn)楸绕鹁哂衅渌朋w安裝設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)來，它們更經(jīng)濟(jì)地使用昂貴的永久磁體材料。
本發(fā)明的一個(gè)目的是大大減少永磁材料量，而電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的相距卻減少得相當(dāng)小。
本發(fā)明的另一目的是提供一種所述種類的機(jī)器，它適合于在所謂場(chǎng)減弱方式中操作；關(guān)于此種操作，在電動(dòng)機(jī)上具有表面安裝的永久磁體的已知機(jī)器受到嚴(yán)重的限制。
本發(fā)明是以兩種觀察的組合為基礎(chǔ)的。
第一，無論何時(shí)當(dāng)外部磁化場(chǎng)沿永久磁體的固有極化方向作用時(shí)，一種高性能永久磁體和一種其飽和磁通密度大體上等于該永久磁體剩余磁通密度的軟鐵體在它們的磁學(xué)性能方面是非常相似的。
第二，在上述種類的設(shè)有表面安裝的永久磁體并從合適調(diào)整的電子驅(qū)動(dòng)裝置(如伺服放大器)供電的永磁電動(dòng)機(jī)中，每個(gè)永久磁體的體積只有一半向一個(gè)消磁的場(chǎng)暴露，而另一半向一個(gè)沿永久磁體的固有極化方向的磁體暴露。
從這些觀察可以得出結(jié)論，最后提到的體積的一個(gè)相當(dāng)部分可以用一個(gè)具有適當(dāng)水平的飽和磁通密度的軟磁材料體替代。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種所述類型的電機(jī)，其中第二部件的排列的每個(gè)偶數(shù)極包括一個(gè)永磁極區(qū)和一個(gè)相鄰的軟磁極區(qū)；該永磁極區(qū)和軟磁極區(qū)沿空氣間隙隔開；該軟磁極區(qū)在其沿空氣間隙的至少一部分長度上在其面向空氣間隙的表面上有一飽和磁通密度，它不高于空氣間隙中的使第一部件齒排產(chǎn)生磁飽和的磁通密度。
在一種根據(jù)本發(fā)明的該方面的電動(dòng)機(jī)中，可以節(jié)省約50％的昂貴的永磁材料而用不貴的軟磁材料替代，損失的扭矩不超過一小部分。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種所述類型的電機(jī)，其中第二部件極排中的至少一些極的至少一個(gè)區(qū)段構(gòu)成一個(gè)軟磁極，它在其沿空氣間隙的至少一部分長度上在其面向空氣間隙的表面上有一飽和磁通密度，后者不高于空氣間隙中的使第一部件齒排產(chǎn)生磁飽和的磁通密度。
在一種根據(jù)該第二方面的電動(dòng)機(jī)中，永久磁體可以完全省略。與根據(jù)第一方面的電動(dòng)機(jī)相比，此種省略將導(dǎo)致扭矩的非常顯著的減小，但與沒有永久磁體的常規(guī)磁阻電動(dòng)機(jī)相比，仍顯示一種改進(jìn)。實(shí)際上，通過增大定子孔徑，可以恢復(fù)一部分損失的扭矩，因?yàn)橛捎谑÷杂谰么朋w而導(dǎo)致的定子的軛或護(hù)鐵部件中磁通的根本性減少能夠減小護(hù)鐵的橫截面積，由此增大轉(zhuǎn)子直徑。
現(xiàn)在參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中

圖1是一種體現(xiàn)本發(fā)明的電機(jī)的截面圖(表示對(duì)應(yīng)于承載電流的繞組的磁場(chǎng)圖形)；圖2是沿圖1中線II-II截取的縱向截面圖；圖3是從空氣間隙內(nèi)部觀察時(shí)轉(zhuǎn)子極排的放大的局部圖(為圖示方便起見，轉(zhuǎn)子極區(qū)的軸向尺寸與周邊尺寸不成比例)；圖4是對(duì)應(yīng)于圖3的視圖，但表示一種修改的極配置；
圖5A和5B分別表示一種先有技術(shù)電動(dòng)機(jī)和一種根據(jù)本發(fā)明的可以比較的電動(dòng)機(jī)的圖形；圖6和7是例示本發(fā)明的特征性工作特點(diǎn)的圖形；圖8是圖1和2中示出的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的一種修改實(shí)施例的截面圖；圖8A是在圖8中線8A-8A上截取的稍許放大的截面圖；圖8B和8C是圖8中示出的轉(zhuǎn)子的鄰接的疊片的立面圖。
圖1和2中例示的電動(dòng)機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)該電動(dòng)機(jī)包括一個(gè)軟磁疊片第一電動(dòng)機(jī)部件11(此后稱為定子)和一個(gè)軟磁疊片第二電動(dòng)機(jī)部件12(此后稱為轉(zhuǎn)子)，轉(zhuǎn)子12安裝在定子11內(nèi)，以便相對(duì)于定子圍繞軸線C轉(zhuǎn)動(dòng)。一個(gè)安裝在軸承14內(nèi)的轉(zhuǎn)子軸13以一相對(duì)于定子的固定位置支承該轉(zhuǎn)子。形成定子和轉(zhuǎn)子的疊片結(jié)構(gòu)的電工鋼薄板11A和12A安置在垂直于軸C的平面內(nèi)。
三相繞組15設(shè)置在定子11上，位于多個(gè)沿軸向延伸的定子槽11B中，定子槽11B由一排沿周邊延伸的定子齒11C隔開。繞組15可以取不同形式(例如參見T.Bdefeld和H.Seguenz的“電機(jī)”，Springer-Verlag，Wien 1949，PP102-105)。例如，它可以是一種疊繞組，每圈繞組包圍幾個(gè)齒。包括相關(guān)繞組15的定子11可以完全是常規(guī)設(shè)計(jì)，例如作為一種常規(guī)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子生產(chǎn)。在圖示例子中，繞組線圈產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)傳播的六極磁場(chǎng)，也即當(dāng)電動(dòng)機(jī)以穩(wěn)態(tài)操作時(shí)，磁場(chǎng)的傳播速度在各周期中恒定和基本恒定。
六個(gè)均勻間隔的沿徑向磁化的永久磁體16安裝在轉(zhuǎn)子12的圓筒形表面上，其極性沿周面交替。六個(gè)均勻隔開的與轉(zhuǎn)子整體形成的軟磁轉(zhuǎn)子凸出部17沿周面與永久磁體16交錯(cuò)設(shè)置，并沿周面與相鄰的永久磁體16隔開。永久磁體16和軟磁轉(zhuǎn)子凸出部17形成一個(gè)沿圓周延伸的轉(zhuǎn)子極區(qū)16、17的環(huán)或排列R(同時(shí)參見圖3)，其中每個(gè)永磁極區(qū)16在作用上與相鄰的軟磁極區(qū)17相關(guān)聯(lián)。與周邊的極區(qū)寬度相比，使轉(zhuǎn)子極區(qū)16與相鄰的轉(zhuǎn)子極區(qū)17間隔的間隙很小，甚至可以不存在。
轉(zhuǎn)子極區(qū)16、17的排列R面對(duì)定子齒11C的環(huán)，并與后者由一狹窄的圓筒形空氣間隙18隔開。
如圖2中最清楚地看到的，在形成凸出的軟磁極區(qū)17的轉(zhuǎn)子的部分中，與相鄰的疊片板12A相比，每個(gè)第二疊片12A’是短的，因此這些極區(qū)不是由緊密疊置的電工鋼板的部分形成，而是由空氣隔開的板部分形成。
在磁學(xué)上，與相應(yīng)的充滿的或緊密疊置的極區(qū)的飽和磁通密度相比，交替的轉(zhuǎn)子疊片板12A’的這種減小或縮短以及隨后的軟磁極區(qū)的“變薄”設(shè)計(jì)，是通過面對(duì)空氣間隙18的極區(qū)17表面的飽和磁通密度的平均值的減半。通過(例如)改變交替板的減小或縮短的量，可以或多或少地減小飽和磁通密度。
除了例示的某些疊片板的縮短外，也可以用其它方法相似地減小軟磁極區(qū)17的飽和磁通密度。例如，所有的板可以具有同樣的徑向尺寸并可以在其形成軟磁極區(qū)的部分中代之以設(shè)有凹口。這些凹口用于限制產(chǎn)生磁通量的板的截面積，并應(yīng)當(dāng)在軟磁極區(qū)的截面范圍內(nèi)基本上均勻地分布。它們可以是孔的形式，也即具有閉合的輪廓因而對(duì)空氣間隙不開放的開口，或者它們可以是通過狹窄通道與空氣間隙連通的開口。通過使相鄰的各板具有不同的凹口可以進(jìn)行改進(jìn)。
另一種可能性在于用軟磁材料和非磁性材料的復(fù)合材料制造軟磁極區(qū)，其中軟磁材料采取分布在非磁性材料基體中的微粒的形式，或者用非磁性材料的致密小片來制造。
軟磁極區(qū)17在極區(qū)的與空氣間隙18鄰接的部分內(nèi)具有減小的飽和磁通密度就足夠了。最好是，呈現(xiàn)減小的磁通密度的表面層的徑向尺寸或深度至少等于空氣間隙18的相應(yīng)尺寸，但并不顯著大于永磁極區(qū)16的徑向尺寸。
此外，不管軟磁極區(qū)17的減小的飽和磁通密度是如何產(chǎn)生的，飽和磁通密度最好應(yīng)當(dāng)不高于空氣間隙中的使定子齒11C飽和的磁通密度。換句話說，軟磁極區(qū)17的飽和應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生于定子齒或磁路的任何其它部分發(fā)生飽和之前。
雖然軟磁極區(qū)的飽和磁通密度應(yīng)當(dāng)最好基本上等于永磁極區(qū)的剩余磁通密度，但通過安排軟磁極區(qū)17具有稍高的飽和磁通密度，某些情況下可以獲得改進(jìn)的電動(dòng)機(jī)性能。
應(yīng)當(dāng)注意到，軟磁極區(qū)17并不必須在其整個(gè)周邊長度上具有上述表面飽和性能。特別是，如果該電動(dòng)機(jī)僅僅適合于沿一個(gè)方向產(chǎn)生扭矩，那么軟磁極區(qū)僅僅在其前沿部分上是表面可飽和的就足夠了。當(dāng)然，它們應(yīng)當(dāng)在其整個(gè)軸向長度上是表面可飽和的。
每個(gè)軟磁極區(qū)17應(yīng)當(dāng)與相鄰的永磁極區(qū)16分開，使得相鄰極區(qū)16、17之間的不希望有的磁漏減到最小。
在圖1和2例示的實(shí)施例中，永磁極區(qū)16的周長近似地等于軟磁極區(qū)17的周長。最好是，軟磁極區(qū)17的周長大約為90電學(xué)度。應(yīng)當(dāng)注意到，雖然通常約90電學(xué)度的周長是優(yōu)選的，但離該周長值的顯著偏離如±30電學(xué)度，是可以接受的。
如可以容易地理解的，像圖1中所示，永磁極區(qū)和軟磁極區(qū)應(yīng)當(dāng)在轉(zhuǎn)子的整個(gè)周邊上互相交替。但是，即使此種交替只存在于周邊的選定部分中，本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)也是可以操作的，雖然該轉(zhuǎn)子最好應(yīng)當(dāng)具有偶數(shù)的永磁極區(qū)和軟磁極區(qū)的組合。
圖4表示轉(zhuǎn)子極配置的改變，當(dāng)電動(dòng)機(jī)需要僅僅沿一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向(正常轉(zhuǎn)動(dòng)方向或優(yōu)選轉(zhuǎn)動(dòng)方向)產(chǎn)生完全轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以應(yīng)用該改變的配置來代替圖3中所示的對(duì)稱配置。
根據(jù)這種改變，與圖3中的實(shí)施例相比，在由一個(gè)永磁極區(qū)16A和一個(gè)軟磁極區(qū)17A構(gòu)成的每一組合中，永磁極區(qū)16A的周長縮短，而軟磁極區(qū)17A的周長增加。此外，每個(gè)這樣的組合內(nèi)極區(qū)的間隔增大，而組合之間的間隔縮小。采用該實(shí)施例，可以額外地節(jié)省永磁材料而并不太多地犧牲沿正常的或優(yōu)選的轉(zhuǎn)動(dòng)方向產(chǎn)生的扭矩。
電驅(qū)動(dòng)有眾多用途，其中，在某一速度(所謂基本速度)之上，足以保持一個(gè)恒定的軸功率，因此，在該速度之上可以接受軸扭矩的逐漸下降。在這樣的用途中，當(dāng)速度超過基本速度時(shí)，電動(dòng)機(jī)端子上的電壓可能不增大，因?yàn)榉駝t額定功率以及由此電流供給的成本會(huì)增大。在這些用途的驅(qū)動(dòng)中，具有表面安裝的轉(zhuǎn)子磁體的先有技術(shù)永磁同步電動(dòng)機(jī)存在幾乎被禁止有的缺點(diǎn)。
這些缺點(diǎn)在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)中可以顯著減少，從而使其在上述類型用途中的使用變得有利，因?yàn)榭梢允苟ㄗ永@組中由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而感應(yīng)的電壓減小。感應(yīng)電壓的減小可以由于定子繞組電流相對(duì)于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)(MMF)的波峰的角位移而產(chǎn)生?？梢允褂孟扔屑夹g(shù)的電子裝置如三相電動(dòng)機(jī)的伺服放大器來控制此種位移。
如果定子像圖1和2中所示的實(shí)施例中那樣地具有槽和齒，那么在由齒形成的不連續(xù)表面和運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子極的邊緣之間始終存在相互作用，它在電動(dòng)機(jī)扭矩中產(chǎn)生某種不均勻性。在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)中，通過其它類型的電動(dòng)機(jī)所用的常規(guī)技術(shù)可以顯著地減小此種不均勻性。例如，定子槽和/或轉(zhuǎn)子極的邊緣可以歪斜，或者轉(zhuǎn)子極可以沿軸向再細(xì)分，而形成的極的分區(qū)可以相對(duì)于相鄰的分區(qū)沿圓周移動(dòng)槽距的幾分之一。
可以在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)中利用的另一可能性是使轉(zhuǎn)子極區(qū)稍許不均勻地分布。為了方便地描述完成該不均勻分布，引入重合位置的概念是有用的。
例如，關(guān)于表面可飽和的凸出極區(qū)，對(duì)于轉(zhuǎn)子的每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)此種極區(qū)的前緣將占據(jù)多個(gè)相對(duì)于定子的重合位置，其中該前緣處于定子的一個(gè)或另一個(gè)齒的中點(diǎn)的對(duì)面，它等于定子齒的數(shù)目。
表面可飽和的凸出極區(qū)的不均勻分布的目標(biāo)可以使重合位置的總數(shù)目加倍，方法是，將這些極區(qū)分成兩組，每組具有相同的重合位置，并安排兩組重合位置，當(dāng)沿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向看時(shí)相互交錯(cuò)。組數(shù)還可以進(jìn)一步增加，直到各所述區(qū)獨(dú)自構(gòu)成一組，在這種情況下，轉(zhuǎn)子每一轉(zhuǎn)的重合位置總數(shù)目將等于定子齒數(shù)乘以沿轉(zhuǎn)子周邊的所述區(qū)的數(shù)目，即組的數(shù)目。
同一方法可代之應(yīng)用于沿轉(zhuǎn)子周邊的永磁極區(qū)，或應(yīng)用于表面可飽和的凸出極區(qū)和永磁極區(qū)兩者。
為了盡可能減小繞組的無電流狀態(tài)中的所謂磁阻齒槽效應(yīng)扭矩，應(yīng)當(dāng)選擇永磁極的周長等于定子齒矩的整倍數(shù)加上相鄰定子齒之間開口寬度的三分之一。
通常，當(dāng)定子磁動(dòng)勢(shì)在極的大致沿軸向延伸的前像和后緣處有不同值時(shí)，一個(gè)具有恒定空氣間隙的凸出極施加一凈切向力。常規(guī)的磁阻極僅僅形成使定子和轉(zhuǎn)子分開的空氣間隙，使磁通量能夠首先通過定子和轉(zhuǎn)子之間空氣間隙最窄處，但它們并不吸收磁動(dòng)勢(shì)的驅(qū)動(dòng)磁通量的任何顯著部分。
另一方面，當(dāng)受到一定磁動(dòng)勢(shì)時(shí)其表面達(dá)到磁飽和通量密度的凸出極產(chǎn)生的扭矩顯著高于任何其它凸出極的扭矩，后一種凸出極利用一個(gè)較寬的空氣間隙將空氣間隙通量密度限制到同一水平。當(dāng)利用磁阻極區(qū)代替具有產(chǎn)生高扭矩能力的永磁區(qū)時(shí)，這種較高扭矩產(chǎn)生能力是非常重要的。因此，凸出的軟磁極區(qū)的表面可飽和性能在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)中是非常重要的。
表面可飽和的凸出極的產(chǎn)生較高扭矩的能力可以通過一個(gè)高智力實(shí)驗(yàn)來說明。讓我們考慮一個(gè)用可以磁飽和的材料制成的平行六面體插棒的一端，該插棒位于一個(gè)電磁體的兩極之間的平面平行空氣間隙內(nèi)的半中間?，F(xiàn)在讓我們激勵(lì)該電磁體，然后讓插棒再移入空氣間隙一小點(diǎn)，在那里消去電磁體的激勵(lì)，使插棒留在空氣間隙中。對(duì)于用插棒頂端替代的空氣體積ΔV，我們?cè)趫D6中畫出磁通量中相對(duì)于磁動(dòng)勢(shì)的工作周期圖。
在該圖中，連接點(diǎn)1與點(diǎn)2的線表示空氣體積ΔV的磁化。連接點(diǎn)2與點(diǎn)3的線表示插棒頂端移入空氣體積ΔV。在點(diǎn)3處電磁體被消除激動(dòng)，使插棒保持靜止。連接點(diǎn)3與點(diǎn)1的帶箭頭的曲線，是當(dāng)體積ΔV被插棒頂端占據(jù)時(shí)該體積的消磁曲線。
根據(jù)電學(xué)定律，工作周期區(qū)W(即圖6中陰影區(qū))必須等插棒移入體積ΔV時(shí)完成的機(jī)械功。可以表示，對(duì)于每個(gè)單位體積ΔV，可以按照?qǐng)D7中所示的插棒的極化曲線來表達(dá)轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的電能，因此W＝W×ΔV。
從圖6顯然可見，與連接點(diǎn)3與點(diǎn)1的虛直線以下的區(qū)域代表的功相比，連接點(diǎn)3與點(diǎn)1的帶箭頭的曲線增大了機(jī)械功；該線代表一個(gè)用“線性”材料或不飽和鐵與合適的空氣間隙的等效組合構(gòu)成的插棒。
對(duì)于磁化力H的高的值，圖7中的圖形變?yōu)閷?shí)際上的矩形。因此顯然，由一個(gè)表面可飽和的凸出極施加的力，可以幾乎是由虛直線所代表的常規(guī)磁阻極所施加的力的兩倍。該虛直線連接點(diǎn)3與點(diǎn)1，并代表一個(gè)常規(guī)磁阻極。
表示可飽和的凸出極的另一優(yōu)點(diǎn)是，即使在過載條件下，它也能將通量限制在如額定負(fù)載下的幾乎同一水平，因此，電動(dòng)機(jī)的其它磁性部件不需尺寸過大來滿足過載條件。
如上所述本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子可以理解為具有表面安裝的永磁體的永磁轉(zhuǎn)子的一種改型，是從該永磁轉(zhuǎn)子切去每個(gè)永磁體的一部分并代之以一個(gè)表面可飽和的凸出極。但是，該可飽和的凸出極不需要同一尺寸，也不需要?jiǎng)偳烧紦?jù)在轉(zhuǎn)子表面上由其替代的永磁體部分所占據(jù)的位置。
原則上，一個(gè)永磁極區(qū)與其兩個(gè)相鄰的表面可飽和的凸出極之一形成一個(gè)組合極，它替代一個(gè)尺寸大于實(shí)際永磁體尺寸的永磁極。哪一個(gè)相鄰的表面可飽和的凸出極區(qū)可以看作與某一個(gè)永磁極區(qū)相聯(lián)接，取決于由定子繞組中流動(dòng)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)波的方向和定子磁動(dòng)勢(shì)(定子MMF)。定子磁動(dòng)勢(shì)原則上按正弦波變化，其振幅和方向由送入定子繞組的電流決定，這是一個(gè)熟知的現(xiàn)象。
圖5A以較簡(jiǎn)單的形式表示沿本發(fā)明電動(dòng)機(jī)的空氣間隙的磁通密度分布(A)、(B)、(C)和(D)以及由定子的多相繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)波(E)。分布(A)和(B)分別對(duì)應(yīng)于北極和南極永磁極區(qū)。分布(C)和(D)對(duì)應(yīng)于由磁動(dòng)勢(shì)波(E)磁化的表面可飽和的凸出極。顯然，分布(A)和(C)一起類似于一個(gè)更大的永磁極的分布。分布(B)和(D)也是如此。作為比較，圖5B表示一個(gè)具有兩倍大的永磁極而設(shè)有可飽和的凸出極的電動(dòng)機(jī)的磁通密度分布。
關(guān)于圖5A，可以理解，定子磁動(dòng)勢(shì)波(E)移向右邊，對(duì)應(yīng)于波長的約三分之一，將倒轉(zhuǎn)所有可飽和的凸出極區(qū)的極性而不影響永磁極區(qū)的極性。由轉(zhuǎn)子施加的力將倒轉(zhuǎn)。然后分布(B)和(C)一起將類似于一個(gè)更大永磁體的分布，代替原來在一起的分布(B)和(D)，后者是磁動(dòng)勢(shì)波移向后方之前的情況。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)子達(dá)到的扭矩取決于定子繞組中流動(dòng)的多相電流所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)波的振幅和方向，就像它所替代的永磁轉(zhuǎn)子一樣。對(duì)于磁動(dòng)勢(shì)波的給定振幅，該波相對(duì)于轉(zhuǎn)子的位置是決定性的。圖3中包括的圖從圖形上表示該關(guān)系。對(duì)于如圖3中所示的沿轉(zhuǎn)子表面的對(duì)稱的極配置，有用的操作區(qū)包括一個(gè)約±60電學(xué)度的角度區(qū)，也即以永磁極區(qū)的近似中點(diǎn)為中心的永磁極區(qū)的間距的±1/3，當(dāng)定子磁動(dòng)勢(shì)波峰與其中點(diǎn)重合時(shí)，該換作區(qū)受定子磁動(dòng)勢(shì)的部分消磁。在定子磁動(dòng)勢(shì)波的該相對(duì)位置，所有永磁極區(qū)同時(shí)或幾乎同時(shí)反作用。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)在所謂基本速度以下的速度操作時(shí)，除了由給定的定子磁動(dòng)勢(shì)波振幅達(dá)到最大扭矩的方向外，沒有理由對(duì)定子磁動(dòng)勢(shì)波給出任何其它方向，該方向是圖3中對(duì)應(yīng)于點(diǎn)1或點(diǎn)2的方向，取決于所需扭矩的方向。在兩種情況下，所有永磁極區(qū)受定子磁動(dòng)勢(shì)排斥而所有可飽和的凸出極區(qū)受定子磁動(dòng)勢(shì)吸引，這兩個(gè)力沿同一方向作用。
基本速度定義為在該速度下電勸機(jī)的電流供給仍然能使電動(dòng)機(jī)電流保持在其額定值的最高速度。因此基本速度并非電動(dòng)機(jī)本身的特性，而是電動(dòng)機(jī)和電源的共同特性。當(dāng)電動(dòng)機(jī)高于基本速度運(yùn)行時(shí)，定子的磁動(dòng)勢(shì)波必須這樣取向，使得電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電壓減小，這是通過將定子的磁動(dòng)勢(shì)波引向圖3中對(duì)應(yīng)于點(diǎn)1和點(diǎn)2的點(diǎn)之間的一個(gè)合適的點(diǎn)來獲得的。感應(yīng)電壓的減小完成歸因于可飽和的凸出極區(qū)的存在；沒有它們，很可能在額定電流處不會(huì)顯著減小感應(yīng)電壓。
在給定的電動(dòng)機(jī)速度和定子磁動(dòng)勢(shì)波振幅下，感應(yīng)電壓可能至多減小某一因子。該減小因子即場(chǎng)減弱比，可以通過磁大表面可飽和的凸出極區(qū)的尺寸和/或減小永磁極區(qū)的尺寸來增大，例如增大表面可飽和的凸出極區(qū)的周長而同時(shí)減小永磁極區(qū)的相應(yīng)尺寸。圖4中示出一種此類極配置，它更進(jìn)一步表示永磁極區(qū)16A之間的非對(duì)稱配置的表面可飽和的凸出極區(qū)17A。該實(shí)施例最適合于驅(qū)動(dòng)始終或至少大部分時(shí)間需要一個(gè)扭矩方向的負(fù)載，如泵和風(fēng)扇。顯然，在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)中，剩余的永磁極區(qū)或多或少受定子磁動(dòng)勢(shì)的完全排斥，因此不能被表面可飽和的凸出極所替代。然而它們可以進(jìn)一步減小尺寸，代價(jià)是相應(yīng)地減小扭矩可能性。
下一個(gè)當(dāng)然的問題是如果永久磁體完全不用，能形成一個(gè)有用的電動(dòng)機(jī)嗎？答案是肯定的，能形成一個(gè)非常耐用的電動(dòng)機(jī)，但比起上述具有永磁和軟鐵極區(qū)混合配置的電動(dòng)機(jī)來扭矩可能性減小一半，同時(shí)在電動(dòng)機(jī)外部的護(hù)鐵(軛)中具有沿徑向減小的通量。這使得可以減小護(hù)鐵的截面積，定子孔直徑可以相應(yīng)增大，并可以恢復(fù)一部分喪失的扭矩可能性。結(jié)果是與具有混合極的轉(zhuǎn)子相比是一種仍然較弱的電動(dòng)機(jī)，但也沒有轉(zhuǎn)子損失。
這樣一種電動(dòng)機(jī)將優(yōu)于已知的磁阻電動(dòng)機(jī)，原因是表面可飽和的凸出極優(yōu)于其它類型的凸出極，并可能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的扭矩可能性。
上述電動(dòng)機(jī)必須由可控電子供電源饋電，該電源必須按有關(guān)電動(dòng)機(jī)速度的信息操作，此種信息從一軸傳感器或一由電動(dòng)機(jī)端子上得到的測(cè)得電壓和電流計(jì)算速度的系統(tǒng)得到。否則，在一定速度以上，該電動(dòng)機(jī)將受到不希望有的不穩(wěn)定的波動(dòng)(振蕩)。
但是，有些用途要求電動(dòng)機(jī)不用可控電子供電源時(shí)也是穩(wěn)定的。這種性能的典型用途是，其中電動(dòng)機(jī)直接連接在主電源上，或者其中多個(gè)電動(dòng)機(jī)由一單獨(dú)的電子供電源供電，而各電動(dòng)機(jī)并不在機(jī)械上相互連接，例如同步地驅(qū)動(dòng)一臺(tái)機(jī)器的不同部件。
提供一種阻尼繞組(例如以鼠籠式繞阻的形式)將使僅在轉(zhuǎn)子上具有表面可飽和極的電動(dòng)機(jī)從一共同可變頻率電源饋電或甚至直接從主電源饋電而成組地運(yùn)行。
鼠籠式繞組也可以應(yīng)用于混合極轉(zhuǎn)子，使永磁條例如位于極間空間中。這使一組混合極電動(dòng)機(jī)能夠連接在一個(gè)共同電源如一個(gè)可變頻率換流器上。
圖8和8A-8C表示一種改進(jìn)的轉(zhuǎn)子112，它可以替代圖1中所示的轉(zhuǎn)子。在該轉(zhuǎn)子112中，軟磁極區(qū)具有上述參照?qǐng)D2的“變薄的”疊片設(shè)計(jì)，而該轉(zhuǎn)子也具有轉(zhuǎn)子極區(qū)的稍許不均勻的分布，這在上面同樣描述到，雖然圖1中未示出。此外，在永磁極區(qū)的安裝方面，轉(zhuǎn)子112與圖1和2的轉(zhuǎn)子不同。
轉(zhuǎn)子112包括一疊疊置的由電工鋼或其它軟磁材料構(gòu)成的基本上圓形的同軸的疊片112A和112B。與疊片112B交錯(cuò)的疊片112A以上述方式縮短，因此不像疊片112B那樣遠(yuǎn)地伸向定子。圖8A表示疊層中的兩個(gè)這樣的疊片112A和112B，疊片112B安置在后面，因此大部分被疊片112A擋住。圖8B表示疊片112A的形狀，而圖8C表示疊片112B的形狀。
如圖8C中最清楚地示出的，每個(gè)疊片11 2B的周邊部分分成四個(gè)弧形區(qū)段112C，每個(gè)弧形區(qū)段稍許小于圓周的四分之一。兩個(gè)沿直徑對(duì)置的區(qū)段112C形成單獨(dú)一個(gè)細(xì)長的開孔112D，開孔的形狀能配合均勻截面的永磁條116的截面形狀，該區(qū)段112C的長度對(duì)應(yīng)于疊片112A、112B的疊層的長度或高度。其它兩個(gè)沿直徑對(duì)置的區(qū)段112C形成兩個(gè)類似的開孔112D。因此，每個(gè)疊片112B設(shè)有六個(gè)沿周邊間隔設(shè)置的開孔112D。如將在下面說明的，這些開孔的間隔不是嚴(yán)格均勻的。
當(dāng)裝配疊片112A、112B的疊層時(shí)，所有疊片112B中的開孔112D沿疊層的軸向?qū)R。因此，疊片的疊層將限定六個(gè)沿軸向延伸的通道或孔道，其中可以滑入六個(gè)永磁條116以形成轉(zhuǎn)子的永磁極區(qū)，并被固定于其中。如可從圖8明顯看出，區(qū)段112C的那些位于相鄰永磁條或極區(qū)116之間的部分形成軟磁極區(qū)117，后者對(duì)應(yīng)于圖1和2中示出的電動(dòng)機(jī)中的極區(qū)17。
在開孔112D外側(cè)的沿周邊延伸的狹窄的弧形窄條112E和區(qū)段112C的剩余部分，即形成軟磁極區(qū)117的區(qū)段部分，被一間隙沿軸向隔開，間隙的軸向?qū)挾葘?duì)應(yīng)于交替的疊片112A的厚度，因?yàn)槿鐝膱D8A和8B中所見，疊片112A并不伸到超越永磁條116的下側(cè)或沿徑向內(nèi)側(cè)。因此，形成容納永磁條116的孔道或通道的“頂棚”的窄條112E和區(qū)段112C的其它部分即軟磁極區(qū)，將稀少地疊置，或如參照?qǐng)D2所述地“變薄”。這種“變薄”和隨之產(chǎn)生的飽和通量密度的減小所產(chǎn)生的上述有利的效果因此也存在于圖8所示的轉(zhuǎn)子112中。
圖8和8A-8C中所示的用于容納和固定永磁極區(qū)116的結(jié)構(gòu)在其它方面也是有利的。
因?yàn)檗D(zhuǎn)子112不需要非磁條帶固定或用來圍繞轉(zhuǎn)子使永磁極區(qū)116固定就位的其它非磁機(jī)構(gòu)(此種條帶固定或其它機(jī)構(gòu)不可避免地增大空氣間隙，即定子和轉(zhuǎn)子間被空氣和非磁固定機(jī)構(gòu)占據(jù)的空間，定子和軟磁極區(qū)之間的空間)，圖8和8A-8C中示出的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)有利于增大扭矩。
其次，該設(shè)計(jì)能夠使轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)簡(jiǎn)單而成本效益高。
此外，該設(shè)計(jì)使得可能以簡(jiǎn)單的方式完成極區(qū)的不均勻間隔，由此盡可能減小因永磁極區(qū)與定子齒相互作用的傾向而產(chǎn)生的定子的所謂磁阻齒槽效應(yīng)，這種齒槽效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)滯留扭矩，當(dāng)定子繞組受到消磁時(shí)，該滯留扭矩使轉(zhuǎn)子保持在磁性上鎖定于定子上。
在圖8和8A-8C示出的轉(zhuǎn)子中，軟磁極區(qū)117和永磁極區(qū)116兩者相對(duì)于豎直平面V和含轉(zhuǎn)子軸的水平平面H兩者對(duì)稱地設(shè)置。因?yàn)閮煞N類型之一的極區(qū)有六個(gè)，所以每種類型的極區(qū)的完全均勻的間隔將意味著相同類型的極區(qū)的角度間隔為60°。
軟磁極區(qū)117的不均勻間隔是通過下列方法完成的，就是使上半個(gè)轉(zhuǎn)子中最靠近水平面H的兩個(gè)極區(qū)117和下半個(gè)轉(zhuǎn)子中最靠近水平面的兩個(gè)極區(qū)117從對(duì)應(yīng)于均勻間隔的位置向該水平面對(duì)稱地角度移動(dòng)2.22°，使這四個(gè)極區(qū)中的每一個(gè)將定心在一根與水平面H的夾角為27.78°的徑向線上。
同樣，永磁極區(qū)116的不均勻間隔是通過下列方法完成的，就是使兩個(gè)上面的和兩個(gè)下面的永磁極區(qū)從對(duì)應(yīng)于均勻間隔的位置向豎直平面V對(duì)稱地角度移動(dòng)2.22°，使這四個(gè)極區(qū)中的每一個(gè)將定心在一根與豎直平面的夾角為27.78°的徑向線上。
當(dāng)然，上述不均勻間隔僅是一個(gè)例子，對(duì)圖1中示出的定子是優(yōu)選的，其中定子11的齒11C的數(shù)目為27個(gè)。2.22°的角度移動(dòng)對(duì)應(yīng)于定子齒矩(360°＝27)的六分之一，盡可能減小了低速操作的扭矩波動(dòng)，也盡可能減小了滯留扭矩，由此即使在高性能伺服電動(dòng)機(jī)中也使定子增的歪斜和伴隨的生產(chǎn)復(fù)雜性成為沒有必要。
用于稱轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的替代實(shí)施例由帶相關(guān)繞組機(jī)構(gòu)的定子和一轉(zhuǎn)子組成的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)可以有一圓筒形、圓錐形、盤形等的空氣間隙表面，原則上一個(gè)圍繞靜止軸旋轉(zhuǎn)的母線可以描述的表面的任何形狀。
具有軸向或錐形空氣間隙表面的電動(dòng)機(jī)可以由兩個(gè)帶繞組機(jī)構(gòu)的定子部件和一個(gè)置于定子部件之間的轉(zhuǎn)子組成，該轉(zhuǎn)子在面向與定子形成的空氣間隙的兩側(cè)上具有極。該轉(zhuǎn)子不需要裝備通量返回路徑(軛)。
該類型電動(dòng)機(jī)的一種改型可以裝備一個(gè)具有相關(guān)繞組機(jī)構(gòu)的第三靜止定子部件，置于其它兩個(gè)定子部件之間，在兩側(cè)上具有空氣間隙表面。在兩個(gè)每?jī)蓚€(gè)定子部件之間的空間中設(shè)置兩個(gè)在一共同軸上的轉(zhuǎn)子部件。該第三定子部件不需要裝備通量返回路徑(軛)。
可以理解，這樣一種電動(dòng)機(jī)也可設(shè)置一第四定子部件(與第三定子部件相似)和一第三轉(zhuǎn)子部件，因此該將有六個(gè)空氣間隙組僅有兩個(gè)通量返回路徑，而在常規(guī)的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中每個(gè)空氣間隙聯(lián)接兩個(gè)通量返回路徑，一個(gè)在定子部件上，一個(gè)在轉(zhuǎn)子部件上。
可以理解，上述制造多轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的原理可以擴(kuò)展到任何選定數(shù)目的轉(zhuǎn)子上。
權(quán)利要求
1. 一種電機(jī)，包括一個(gè)鐵磁性第一部件(11)，有多個(gè)排成排的齒(11C)；一個(gè)鐵磁性第二部件(12；112)，有多個(gè)排列成排的極(16，17；116，117)，面對(duì)第一部件的排列的齒(11C)，并與該齒排隔開一個(gè)空氣間隙(18)；支承第一和第二部件(11，12，112)的軸承，用于沿空氣間隙相對(duì)運(yùn)動(dòng)；以及與第一部件(11)聯(lián)接的繞組機(jī)構(gòu)(15)，用于產(chǎn)生沿空氣間隙(18)連續(xù)傳播并跨越該空氣間隙而連系第一和第二部件(11，12；112)的多極磁場(chǎng)，該傳播磁場(chǎng)具有偶數(shù)的極，其極距對(duì)應(yīng)于第二部件極排的極距；其特征在于，第二部件(12；112)的極排中的至少一些極的一個(gè)區(qū)段構(gòu)成一個(gè)軟磁凸出極，該軟磁凸出極在其沿空氣間隙(18)的至少一部分長度上在其面對(duì)空氣間隙的表面上有一飽和通量密度，它不高于空氣間隙中的使第一部件(11)的齒排的齒(11C)產(chǎn)生磁飽和的磁通密度。
2. 一種電機(jī)，包括一個(gè)鐵磁性第一部件(11)，有多個(gè)排列成排的齒(11C)；一個(gè)鐵磁性第二部件(12；112)，有多個(gè)排列成排的永磁極(16；116)，面對(duì)第一部件(11)的齒排，并與該齒排隔開一個(gè)空氣間隙(18)；支承第一和第二部件(11，12；112)的軸承，用于沿空氣間隙相對(duì)運(yùn)動(dòng)；以及與第一部件(11)聯(lián)接的繞組機(jī)構(gòu)(15)，用于產(chǎn)生沿空氣間隙(18)連續(xù)傳播并跨越該空氣間隙而連系第一和第二部件(11，12；112)的多極磁場(chǎng)，該傳播的磁場(chǎng)具有偶數(shù)的極，其極距對(duì)應(yīng)于第二部件(12；112)極排的極距；其特征在于，第二部件(12；112)的極排至少一個(gè)極，最好每個(gè)偶數(shù)極包括一個(gè)永磁極區(qū)(16；116)和一個(gè)相鄰的軟磁凸出極區(qū)(17；117)；以及該軟磁凸出極區(qū)(17；117)在其沿空氣間隙(18)的至少一部分長度上在其面向空氣間隙的表面上有一飽和磁通密度，它不高于空氣間隙中的使第一部件(11)的齒排(11C)產(chǎn)生磁飽和的磁通密度。
3. 一種如權(quán)利要求1或2所述的電機(jī)，其特征在于，當(dāng)沿空氣間隙(18)測(cè)量時(shí)，軟磁凸出極(17；117)或軟磁凸出極區(qū)(17；117)的長度不大于第二部件(12；112)極排的極距的大約一半。
4. 一種如權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的電機(jī)，其特征在于，所述飽和磁通密度存在于軟磁凸出極(17；117)或軟磁凸出極區(qū)(117)的區(qū)域中，當(dāng)橫切于空氣間隙(18)測(cè)量時(shí)，其伸展范圍至少約為空氣間隙的寬度。
5. 一種如權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)所述的電機(jī)，其中，第二部件(12；112)包括多個(gè)由軟磁材料制成的疊片(12A，12B；112A，112B)，它們垂直于空氣間隙(18)，其特征在于，軟磁凸出極(17；117)或軟磁凸出極區(qū)(17；117)面對(duì)空氣間隙(18)的表面區(qū)域有多個(gè)局部凹口或多個(gè)基本上均勻地分布在基體中的軟磁粒子或屑片，這多個(gè)局部凹口形成極(17；117)或極區(qū)(17；117)的鄰近空氣間隙(18)的減小的截面積。
6. 一種如權(quán)利要求2當(dāng)從屬于權(quán)利要求2的權(quán)利要求3至5中任何一項(xiàng)所述的電極，其特征在于，永磁極區(qū)(16A)最好沿空氣間隙(18)長度不對(duì)稱地配置在軟磁凸出極區(qū)(17A)之間，使得在由一對(duì)軟磁凸出極區(qū)(17A)和一個(gè)介乎其間的永磁極區(qū)(16A)構(gòu)成的每個(gè)組合中，該永磁極區(qū)從該對(duì)軟磁凸出極區(qū)之間的中央位置沿最佳扭矩產(chǎn)生方向偏移。
7. 一種如權(quán)利要求1至6中任何一項(xiàng)所述的電機(jī)，其特征在于第二部件(112)由軟磁材料制成的多個(gè)第一和第二類型疊片(112A，112B)組成，這些疊片垂直于空氣間隙(18)，第二類疊片(112B)與第一類疊片(112A)交錯(cuò)；每個(gè)第二類疊片(112B)的周邊區(qū)(112C)有多個(gè)孔(112D)，每個(gè)孔與其它第二類疊片(112B)的對(duì)應(yīng)孔軸向?qū)R而形成一個(gè)沿軸向延伸的空腔，用于容納一個(gè)永磁極區(qū)(116)；第二類疊片(112B)的所述周邊區(qū)(112C)沿徑向延伸而超出第一類疊片；以及所述周邊區(qū)(112C)的部分配置在形成軟磁極區(qū)(117)的空腔之間。
全文摘要
一種電機(jī)，包括一個(gè)鐵磁性第一部件(11)，有排成一排的多個(gè)齒(11C)；一個(gè)鐵磁性第二部件(12)，有排成一排的多個(gè)極(16，17)，面對(duì)第一部件(11)的齒排(11C)，并與該齒排隔開一個(gè)空氣間隙(18)；支承第一和第二部件(11，12)的軸承，用于沿空氣間隙(18)相對(duì)運(yùn)動(dòng)；以及與第一部件(11)聯(lián)接的繞組機(jī)構(gòu)(15)，用于產(chǎn)生沿空氣間隙連續(xù)傳播并跨越該空氣間隙而連系第一和第二部件(11，12)的多極磁場(chǎng)。該傳播的磁場(chǎng)具有偶數(shù)極，其極矩對(duì)應(yīng)于第二部件(12)極排的極矩。第二部件(12)極排的至少一些極的至少一個(gè)區(qū)段構(gòu)成一軟磁凸出極，它在其沿空氣間隙(18)的至少一部分長度上在其面對(duì)空氣間隙的表面上有一飽和磁通密度，后者不高于空氣間隙中的使第一部件(11)的齒排(11C)產(chǎn)生磁飽和的磁通密度。
文檔編號(hào)H02K19/10GK1240059SQ97180289
公開日1999年12月29日 申請(qǐng)日期1997年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月4日
發(fā)明者維爾莫斯·托洛克 申請(qǐng)人:維爾莫斯·托洛克