[发明专利]具有减小的齿槽效应的电机

说明书

技术领域

本发明涉及永磁交流旋转电机以及由这种电机表现出的齿槽转矩 的最小化。本发明尤其涉及由于其磁极的移位而引起的具有减小的齿 槽效应的电机。

背景技术

在电机的工作中所遇到的共同问题是齿槽效应(cogging)。齿槽 效应是在电机的工作期间由于在气隙处的转子和定子的几何形状对磁 通分布的影响以及转子和定子之间的力导致出现的非线性磁转矩。具体 地讲，齿槽效应是由相对于定子具有更优的低势能位置的转子导致的， 其中，转子和定子之间的引力最大并且对应的高势能位置位于该每个低 势能位置之间。正是这些位置之间的势能差确定了齿槽转矩的幅度。

在电机工作期间齿槽效应会导致效率和可靠性降低，同时也会产生 不希望的振动和噪声，并且在极端情况下会导致电机完全不能够工作。 公知的是齿槽效应存在于定子、转子或转子和定子表现比较优秀的电机 中。还公知该该效应也存在于磁极和绕组槽(winding slots)互相作 用而导致对特定数目的绕组槽产生严重齿槽效应的感应电机中。齿槽效 应在这样的一些电机中是特别显著的，所述电机具有许多绕组槽，该绕 组槽的数目是磁极数的整数倍，并且该绕组槽和磁极都围绕它们形成于 其上的机身的圆周均匀地分隔开。这是因为：由于这种电机的对称性， 当一个磁极处于相对于绕组槽的其最低势能位置时，所有其它的磁极也 会在其最低势能位置并且因此转子在相对于定子的最低可能势能位置。 此外，这意味着：如果存在n个绕组槽，则转子具有相对于定子的n个 低势能位置并且电机工作期间的齿槽效应频率将是转子的旋转频率和n 的乘积。

典型的永磁电机形成为使得转子被可旋转地安装在定子中，磁极围 绕转子的外表面的圆周均匀分隔开，并且绕组槽围绕定子的内表面的圆 周均匀分隔开。然而，其它结构也是可行的。例如，转子被可旋转地安 装在定子的外部。另外，磁极还可以固定到定子上而绕组槽形成在转子 中。关于齿槽效应，根据这些结构中的任何一个的永磁电机的设计考虑 基本相同。

通常，当决定电机中的绕组槽的数目时必须考虑的因素是公知的。 例如，已知的是当电机具有多个绕组槽，该绕组槽的数目是磁极的整数 倍时，虽然工作期间由电机的定子绕组所产生的磁动势(m.m.f.)将包 含最少数目的谐波，但是工作期间电机仍会经历显著的齿槽效应。

已经提出并且以不同的成功程度实现了将齿槽效应最小化的许多 方法。对于一些类型的电机，可以通过设置其数目不是磁极数的整数倍 的多个绕组槽来将齿槽效应最小化。这样的绕组通常称作为包括“每极 每相分数槽”并且对于本领域技术人员来讲是公知的。然而，在一些情 况下，这不是优选的或者更加不可行。例如，在大型电机中，由于由绕 组槽的数目的这种改变所导致的非同步磁通模式会不可避免地导致磁 极的额外损失，所以对具有其数目不是磁极数的整数倍的不同数目的绕 组槽的选择受到限制。这些损失会非常高甚至会使得该方法不可行。

减小齿槽效应的另一种方法是将磁楔结合在绕组槽中，但是该方法 太昂贵。还可以使用“半封闭”绕组槽来减小齿槽效应，但是对于包括 成形的线圈并且通常在大电机中常见的这些类型的绕组而言，这些类型 的绕组能够导致不能够接受的高绕组成本。另外还提出了具有带有用于 减小齿槽效应的特定形状的磁极的永磁电机。通常建议：这样来形成磁 极的外表面，使得定子和磁极之间的气隙是不均匀的。

另外一种用于将永磁电机中的齿槽转矩最小化的方法是使得磁体 相对它们的传统布置变得倾斜。例如，日本专利2005-261188公开了 一种具有减小的齿槽效应的电机，其中，磁体被倾斜从而这些磁体不与 电机的轴平行。