新裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總的涉及調(diào)極電機(jī)。更具體地，本發(fā)明涉及用于這種調(diào)極電機(jī)的定子。
【背景技術(shù)】
[0002] 多年來，諸如調(diào)極電機(jī)之類的電機(jī)設(shè)計(jì)吸引了越來越多的關(guān)注。W. EMordey早在 1890年左右以及Alexandersson和Fessenden在1910年公開了使用這些電機(jī)原理的電機(jī)。 關(guān)注度越來越高的最重要原因之一是，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了與例如感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和甚 至永磁無刷電機(jī)相關(guān)的極高轉(zhuǎn)矩輸出。此外，由于線圈通常易于制造，所以這樣的電機(jī)是有 利的。然而，該設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)之一在于，它們的制造通常比較昂貴。
[0003] 調(diào)極電動(dòng)機(jī)的定子一般使用中央單線圈，該中央單線圈對(duì)由軟磁芯結(jié)構(gòu)形成的多 個(gè)齒進(jìn)行磁饋送。線圈有時(shí)稱作繞組。圍繞線圈形成軟磁芯，而其它常見的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)則 使用圍繞芯構(gòu)件的齒形成的線圈。調(diào)極電機(jī)拓?fù)涞氖纠袝r(shí)被認(rèn)為是例如爪極電機(jī)、烏鴉 腳電機(jī)、倫德爾電機(jī)或橫向通量電機(jī)（TFM)。采用埋入式磁體的調(diào)極電機(jī)包括活動(dòng)轉(zhuǎn)子結(jié) 構(gòu)，該活動(dòng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)包括通過轉(zhuǎn)子磁極部件分離的多個(gè)永磁體。
[0004] W02007/024184公開了一種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其包括基本為圓形并包括多個(gè)齒的第一定 子芯構(gòu)件、基本為圓形并包括多個(gè)齒的第二定子芯構(gòu)件、布置在所述第一和第二圓形定子 芯構(gòu)件之間的線圈，以及包括多個(gè)永磁體的轉(zhuǎn)子。第一定子芯構(gòu)件、第二定子芯構(gòu)件、線圈 和轉(zhuǎn)子環(huán)繞共同的幾何軸線，并且第一定子芯構(gòu)件和第二定子芯構(gòu)件的多個(gè)齒布置成朝向 轉(zhuǎn)子突出。此外，第二定子芯構(gòu)件的齒相對(duì)于第一定子芯構(gòu)件的齒沿周向錯(cuò)位，并且轉(zhuǎn)子中 的永磁體通過由軟磁材料制成的沿軸向延伸的磁極部件而沿周向相互分隔。
[0005] 一般期望提供一種制造和組裝相對(duì)不昂貴的調(diào)極電機(jī)。還期望提供這種具有良好 的性能參數(shù)的電機(jī)，例如以下參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)：高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、低磁阻、有效的通量路 徑導(dǎo)引、低重量、小尺寸、高體積特定性能等。還期望提供用于這種電機(jī)的構(gòu)件。
[0006] 電機(jī)中發(fā)生的一種非期望的效應(yīng)是所謂的齒槽轉(zhuǎn)矩，即歸咎于轉(zhuǎn)子的永磁體與定 子的芯之間的相互作用的轉(zhuǎn)矩。它還被已知為定位轉(zhuǎn)矩（detent torque)或"無電流"轉(zhuǎn) 矩。MPM中的齒槽轉(zhuǎn)矩由永磁體與有齒鐵結(jié)構(gòu)的相互作用產(chǎn)生。永磁體試圖以使得磁通在 可能的最低磁阻路徑周圍流動(dòng)這樣的方式排列。齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)不利于電機(jī)的性能并且它會(huì)帶 來不希望的振動(dòng)和噪音。因此，常常希望減小齒槽轉(zhuǎn)矩。例如，如果電機(jī)被用作風(fēng)力發(fā)電站 中的發(fā)電機(jī)，則必須使齒槽轉(zhuǎn)矩低以允許發(fā)電機(jī)在極低的風(fēng)速下旋轉(zhuǎn)。在電機(jī)較小的情況 下，通過用手轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，可以容易地注意到約高達(dá)50-100Nm的齒槽轉(zhuǎn)矩。
[0007] 在調(diào)極電機(jī)（MPM)的情況下，齒槽轉(zhuǎn)矩的量取決于多種因素。即使存在一些已知 的用于減小存在的齒槽轉(zhuǎn)矩的對(duì)策，但齒槽轉(zhuǎn)矩的減小常常提高了電機(jī)的成本，因?yàn)樵O(shè)計(jì) 會(huì)更加復(fù)雜。增加成本和復(fù)雜性的方法的示例為使轉(zhuǎn)子和/或定子偏斜。因而期望在避免 電機(jī)復(fù)雜性和/或成本上升的同時(shí)減小調(diào)極電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。還期望提供可以高效且低成 本地制造的電機(jī)。
[0008] 此外，在許多應(yīng)用中，期望減小反電動(dòng)勢（反EMF)的諧波量以減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。因 此，期望提供一種允許齒槽轉(zhuǎn)矩減小和/或反EMF的非期望的諧波量減小的機(jī)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 根據(jù)第一方面，本文公開了一種用于調(diào)極電機(jī)的定子的定子芯構(gòu)件，該調(diào)極電機(jī) 包括定子和轉(zhuǎn)子，該定子和轉(zhuǎn)子限定了轉(zhuǎn)子和定子的相應(yīng)分界表面之間的用于在定子與轉(zhuǎn) 子之間傳送磁通量的氣隙，其中定子芯構(gòu)件包括環(huán)形部，多個(gè)齒從該環(huán)形部沿徑向朝向轉(zhuǎn) 子延伸，所述多個(gè)齒沿環(huán)形部的圓周布置，每個(gè)齒都具有面向氣隙并適于允許磁通量經(jīng)由 所述氣隙在定子與轉(zhuǎn)子之間傳送的分界表面，每個(gè)齒的分界表面都限定了在齒的周向上的 齒跨度；其中定子芯構(gòu)件至少包括具有第一齒跨度的第一子組齒和具有與第一齒跨度不同 的第二齒跨度的第二子組齒。
[0010] 因此，本文公開了允許大幅減小電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩的調(diào)極電機(jī)（MPM)的齒布置的實(shí) 施例。代替使用電機(jī)的齒全部具有相同的尺寸和跨度的傳統(tǒng)齒型式，該方法使用具有不同 跨度的齒的組合。發(fā)明人實(shí)現(xiàn)了不同齒跨度的組合允許在保持反電動(dòng)勢（"反EMF"）的諧 波量相對(duì)低的同時(shí)減小齒槽轉(zhuǎn)矩。
[0011] 可以使定子構(gòu)件的齒跨度不一致而不大幅提高由此得到的電機(jī)的制造成本或復(fù) 雜性。此外，不需要改造轉(zhuǎn)子。
[0012] 發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)極電機(jī)的齒跨度變化而影響齒槽轉(zhuǎn)矩時(shí)，一些齒跨度減小了 齒槽轉(zhuǎn)矩的波形相對(duì)于轉(zhuǎn)子的位置的特定諧波。此外，發(fā)現(xiàn)當(dāng)齒跨度改變并且諧波減少時(shí)， 相應(yīng)諧波的相位也改變了，即齒槽轉(zhuǎn)矩的有效方向可反向。因此，其中有影響的齒槽轉(zhuǎn)矩諧 波的相位反相的齒跨度的組合引起這些諧波的抵消并因此形成總體減小的齒槽轉(zhuǎn)矩。該方 法也可以以相同的方式用于減小電機(jī)的反EMF中的諧波的影響。反EMF中的某些諧波也隨 著齒跨度的變化而改變相位，因此，可以利用齒跨度來抵消這些諧波。
[0013] 因此，在一些實(shí)施例中，第一和第二子組的齒跨度被選擇成引起針對(duì)僅具有第一 齒跨度的齒的定子的齒槽轉(zhuǎn)矩或反EMF中的至少一者的一個(gè)或多個(gè)預(yù)定諧波主要相對(duì)于 針對(duì)僅具有第二齒跨度的齒的定子的齒槽轉(zhuǎn)矩或反EMF中的至少一者的相應(yīng)的一個(gè)或多 個(gè)預(yù)定諧波異相。將了解的是，在某些電機(jī)設(shè)計(jì)中，一些諧波可例如由于多相電機(jī)的不同相 位的作用而抵消。然而，不論總的電機(jī)設(shè)計(jì)如何，齒槽轉(zhuǎn)矩和/或反EMF波形的一個(gè)或多個(gè) 諧波保留且因此可視為仍期望如文中所述借助于變化的齒跨度減小或甚至消除的主導(dǎo)諧 波。
[0014] 在一些實(shí)施例中，第一子組齒沿圓周的第一部段布置且第二子組齒沿圓周的不同 于第一部段的第二部段布置。特別地，環(huán)形的定子芯構(gòu)件被分割成多個(gè)不重疊的部段，其中 在每個(gè)部段內(nèi)的所有齒都具有相同的齒跨度并且在不同部段中的齒具有不同的齒跨度。在 一個(gè)實(shí)施例中，定子芯構(gòu)件被分割成兩個(gè)這樣的部段。這種齒布置允許例如利用有限元建 模來更有效地模擬齒槽轉(zhuǎn)矩和/或反EMF，并因此更可靠地選擇各子組中的齒的齒跨度和 數(shù)量。
[0015] 在一些實(shí)施例中，第一和第二子組中的每一子組中的齒例如呈交錯(cuò)型式沿定子芯 構(gòu)件的整個(gè)圓周分布：在一些實(shí)施例中，該交錯(cuò)型式可沿整個(gè)圓周是均勻的；例如，一個(gè)子 組的每個(gè)齒都可與另一子組的兩個(gè)齒相鄰，或該型式否則可以是周期性的，例如，一個(gè)子組 的兩個(gè)齒可與另一子組的一個(gè)齒交錯(cuò)。在另一些實(shí)施例中，交錯(cuò)型式可沿圓周改變。特別 地，將了解的是，在第一和第二子組包括不同齒數(shù)的實(shí)施例中，該交錯(cuò)型式可以是不均勻 的，例如，圓周可存在其中一個(gè)子組的齒比另一子組的齒多的部段。各子組的齒沿圓周的均 勻或至少近似均勻的分布可引起力更均勻地沿圓周分布。
[0016] 在一些實(shí)施例中，相應(yīng)子組的齒跨度被選擇成使得它們導(dǎo)致齒槽轉(zhuǎn)矩的不同特 性，例如，針對(duì)相應(yīng)齒跨度的齒槽轉(zhuǎn)矩具有相反的極性。在一個(gè)實(shí)施例中，第一子組的齒具 有大于140°的齒跨度，并且第二子組的齒具有小于140°的齒跨度。例如，第一子組的齒 可具有介于110°與135°之間、例如介于115°與130°之間、比方說120°的齒跨度，而第 二子組的齒可具有介于145°與180°之間、例如150°與175°之間、比方說170°的齒跨 度。這里及下文中，除非明確地另外敘述，否則角度將用電角度（電氣角度）表達(dá)，即使得 360°對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子在一個(gè)完整的電循環(huán)期間的旋轉(zhuǎn)。電角度除以磁極對(duì)數(shù)等于機(jī)械角度。
[0017] 在一些實(shí)施例中，第一子組和第二子組包括相等的齒數(shù)，而在另一些實(shí)施例中，第 一子組的齒包括與第二子組的齒不同的齒數(shù)。特別地，可分別基于僅具有第一齒跨度的齒 的定子和僅具有第二齒跨度的齒的定子的齒槽轉(zhuǎn)矩和反EMF中的至少一者的一個(gè)或多個(gè) 諧波的幅值來確定第一和第二子組中包括的相應(yīng)齒數(shù)。特別地，當(dāng)針對(duì)第一齒跨度的一個(gè) 或多個(gè)諧波的幅值大于針對(duì)第二齒跨度的對(duì)應(yīng)幅值時(shí)，具有第二齒跨度的齒的數(shù)目可被選 擇成比具有第一齒跨度的齒的數(shù)目多。
[0018] 一般而言，第一和第二子組中的齒的第一和第二齒跨度的大小以及相應(yīng)數(shù)目可被 選擇成例如通過將齒跨度和齒數(shù)選擇成使得通過相應(yīng)齒數(shù)測量出的對(duì)應(yīng)諧波之和減小或 甚至最小化而使針對(duì)僅具有第一齒跨度的齒的定子的齒槽轉(zhuǎn)矩和反EMF中的至少一者的 一個(gè)或多個(gè)預(yù)定諧波主要抵消針對(duì)僅具有第二齒跨度的齒的定子的齒槽轉(zhuǎn)矩和反EMF中 的至少一者的相應(yīng)一個(gè)或多個(gè)預(yù)定諧波。相應(yīng)諧波的幅值和/或其測量出的和可確定為它 們