專(zhuān)利名稱(chēng)：同步機(jī)器設(shè)計(jì)及制造技術(shù)
方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)案主張2001年10月1日申請(qǐng)的、名稱(chēng)為“同步機(jī)器設(shè)計(jì)及制造”的美國(guó)序列號(hào)60/326,278的優(yōu)先權(quán)利益，該專(zhuān)利的內(nèi)容以引用方式并入本文。
本專(zhuān)利是關(guān)于設(shè)計(jì)及制造直線(xiàn)及旋轉(zhuǎn)同步電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)。本發(fā)明應(yīng)用于幾乎所有同步機(jī)器，尤其對(duì)于那些為場(chǎng)的目的而使用永久磁鐵的同步機(jī)器。
背景技術(shù)：
設(shè)計(jì)及制造同步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)進(jìn)行超過(guò)100年了，但是其應(yīng)用一直主要對(duì)于必需同步的低功率電動(dòng)機(jī)，以及對(duì)于效率及尺寸優(yōu)勢(shì)勝過(guò)其它劣勢(shì)的高功率電動(dòng)機(jī)。
1888年，尼古拉斯·泰斯拉(Nicola Tesla)發(fā)明了感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)，也稱(chēng)為異步電動(dòng)機(jī)，且從那時(shí)起，感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)支配著旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)市場(chǎng)。對(duì)于電業(yè)產(chǎn)生動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)來(lái)講，感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)一直是較佳選擇，因?yàn)樗鼈儤?gòu)造及控制起來(lái)一直更便宜，而對(duì)于大多數(shù)變速應(yīng)用場(chǎng)合它們是不劃算的。
逐漸增加使用同步電動(dòng)機(jī)是由于專(zhuān)門(mén)為電動(dòng)機(jī)控制而設(shè)計(jì)的微處理器的發(fā)展；可使用更劃算的供能的電子裝置；較好的永久磁鐵；及逐漸增加的共識(shí)即變速操作使得性能有優(yōu)勢(shì)。例如，永久磁鐵旋轉(zhuǎn)同步電動(dòng)機(jī)正作為用于電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)及用于低速、高轉(zhuǎn)矩應(yīng)用場(chǎng)合的候選對(duì)象而受到真正注意，在該低速、高轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用場(chǎng)合，選擇感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)就顯得笨重、低效及昂貴。此電動(dòng)機(jī)的直線(xiàn)形式，也稱(chēng)作直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)(LSM)，現(xiàn)在應(yīng)用于直線(xiàn)感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)(LIM)不能有效應(yīng)用的場(chǎng)合，及作為驅(qū)動(dòng)輪子的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的一替代物。
應(yīng)認(rèn)識(shí)到在設(shè)計(jì)一電動(dòng)機(jī)與設(shè)計(jì)一發(fā)電機(jī)(或交流發(fā)電機(jī))之間通常只有非常微小之差別。因此，在此處所有討論中，應(yīng)將術(shù)語(yǔ)電動(dòng)機(jī)理解為暗含電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)與設(shè)計(jì)以執(zhí)行兩者功能的機(jī)器。
還有若干電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者必需處理的問(wèn)題減小尺寸及重量、增加效率、降低成本、消除頓轉(zhuǎn)力或波動(dòng)力、以及簡(jiǎn)化制造。已經(jīng)發(fā)行了許多專(zhuān)利，其試圖表示如何改善同步機(jī)器的這些因數(shù)6,081,058(具有一永久磁鐵電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，其帶有若干槽以減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng))；5,990,592(包含有磁鐵型交流電動(dòng)機(jī)以及設(shè)計(jì)該類(lèi)型電動(dòng)機(jī)的方法)；5,757,100(在一電動(dòng)機(jī)中用于減小接頭轉(zhuǎn)矩的方法及設(shè)備)；5,723,917(平直線(xiàn)電動(dòng)機(jī))；5,523,637(具有低磁阻轉(zhuǎn)矩的永久磁鐵發(fā)電機(jī))；5,521,451及5,126,606(廉價(jià)步進(jìn)或同步電動(dòng)機(jī)及電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，尤其用于控制及調(diào)節(jié))；5,519,266(高效直線(xiàn)電動(dòng)機(jī))；5,444,341(用于轉(zhuǎn)矩波動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒霸O(shè)備)；5,214,323及5,032,746(具有減少的接頭的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)及具有驅(qū)動(dòng)設(shè)備的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī))。在這些專(zhuān)利的每一個(gè)中，其焦點(diǎn)都在于解決一單一問(wèn)題，且在電動(dòng)機(jī)性能和/或制造成本的一些其它方面其效果變差。
上面確定的問(wèn)題如此重要以至其在關(guān)于同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的參考書(shū)籍中比較詳細(xì)地涉及，而沒(méi)有充分解決。這些參考書(shū)籍實(shí)例包括Gieras、Jacek與Piech、Zbigniew，直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)，輸送及自動(dòng)控制系統(tǒng)(Linear Synchronous Motors，Transportation and Automation Systems)，CRC出版社，2000；Nassar，直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)(Linear Motors)，Wiley出版社，1994；Hughes、Austin，電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)基本原理，類(lèi)型及應(yīng)用(ElectricMotors and DrivesFundamentals，Types and Applications)，第二版，Butterworth-Heinemann出版社，1993。
考慮到上面的描述，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供改進(jìn)的同步機(jī)器，其包括同步電動(dòng)機(jī)及設(shè)計(jì)及制造同步電動(dòng)機(jī)的方法，該改進(jìn)后的同步機(jī)器具有改進(jìn)的性能及較低制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供新穎的同步機(jī)器以及設(shè)計(jì)與構(gòu)造該同步機(jī)器的方法，更特別地，例如，以多種組合為基礎(chǔ)以提高性能及降低成本，這些組合為(i)選擇磁鐵及繞組槽尺寸以消除頓轉(zhuǎn)力，(ii)使用一繞組，該繞組由非重疊線(xiàn)圈組成以簡(jiǎn)化制造并允許較深槽；(iii)省略極端上的增大部分，以便可將預(yù)先纏繞的線(xiàn)圈插入此極端上，由此減小繞組的電阻及電感；以及(iv)減少用于繞組的槽數(shù)。
通過(guò)非限制實(shí)例的方式，本發(fā)明在驅(qū)動(dòng)用于物料處理及運(yùn)輸?shù)能?chē)輛、組合的磁懸浮及推進(jìn)方面具有應(yīng)用。本發(fā)明也應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)及直線(xiàn)同步機(jī)器以及應(yīng)用于帶有一永久磁鐵或電磁場(chǎng)的機(jī)器。
由于下列原因的任一個(gè)或多個(gè)，根據(jù)本發(fā)明的同步機(jī)器在降低成本情況下提供改進(jìn)的性能。
i.有磁性的及鐵磁的部件的形狀消除了接頭或波動(dòng)力，而不需要使用偏斜槽或其它使性能退化的裝置。
ii.主繞組由非重疊線(xiàn)圈構(gòu)成，以減小末匝的長(zhǎng)度；iii.主要鐵磁結(jié)構(gòu)使用沒(méi)有(或大體上沒(méi)有)極端增大部分的磁極，以便可將預(yù)先纏繞的線(xiàn)圈插到磁極上；以及/或iv.用于繞組的槽的數(shù)量大大少于大多數(shù)同期的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明特別提供在各種組合中使用這些方法，以至獲得一較高的性能成本比。于是，根據(jù)本發(fā)明的一方面，其提供了帶有有磁性的部件及鐵磁部件的同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)，該有磁性的部件及鐵磁部件的形狀設(shè)計(jì)為消除接頭或波動(dòng)力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的裝置)，該同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)另外具有一主繞組，該主繞組由不重疊線(xiàn)圈構(gòu)成以減小末匝的長(zhǎng)度。
根據(jù)本發(fā)明一相關(guān)方面，其提供了帶有有磁性的部件及鐵磁部件的同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)，該有磁性的部件及鐵磁部件的形狀設(shè)計(jì)為消除接頭或波動(dòng)力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的裝置)，該同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)另外具有一帶有磁極的主鐵磁結(jié)構(gòu)，該磁極沒(méi)有(或大體上沒(méi)有)極端增大部分。
根據(jù)本發(fā)明另一相關(guān)方面，其提供了帶有有磁性的部件及鐵磁部件的同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)，該有磁性的部件及鐵磁部件的形狀設(shè)計(jì)為消除接頭或波動(dòng)力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的裝置)，該同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)另外具有數(shù)量減少的用于繞組的若干槽。
本發(fā)明的另一方面提供帶有一主繞組的同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)，該主繞組由非重疊線(xiàn)圈構(gòu)成以減小末匝長(zhǎng)度，以及該同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)另外具有一主鐵磁結(jié)構(gòu)，該主鐵磁結(jié)構(gòu)具有若干磁極，所述磁極沒(méi)有(或大體上沒(méi)有)極端增大部分。
本發(fā)明的一相關(guān)方面提供帶有一主繞組的同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)，該主繞組由非重疊線(xiàn)圈構(gòu)成以減小末匝長(zhǎng)度，以及該同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)另外具有一數(shù)量減少的用于繞組的若干槽。
本發(fā)明的另一方面提供帶有一主鐵磁結(jié)構(gòu)的同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)，該主鐵磁結(jié)構(gòu)不具有(或大體上不具有)極端增大部分，以及該同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)另外具有一數(shù)量減少的用于繞組的若干槽。
本發(fā)明再一方面提供了帶有有磁性的部件及鐵磁部件的同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)，該有磁性的部件及鐵磁部件的形狀設(shè)計(jì)為消除接頭或波動(dòng)力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的裝置)，該同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)另外具有一主繞組，該主繞組用非重疊線(xiàn)圈構(gòu)成以減小末匝長(zhǎng)度，以及該同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)進(jìn)一步具有一主鐵磁結(jié)構(gòu)，該主鐵磁結(jié)構(gòu)不具有(或大體上不具有)極端增大部分。
本發(fā)明的再一方面提供了帶有有磁性的部件及鐵磁部件的同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)，該有磁性的部件及鐵磁部件的形狀設(shè)計(jì)為消除接頭或波動(dòng)力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的裝置)，以及該同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)另外具有一主繞組，該主繞組用非重疊線(xiàn)圈構(gòu)成以減小末匝長(zhǎng)度，以及該同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)進(jìn)一步具有一數(shù)量減少了的用于繞組的若干槽。
本發(fā)明的再一方面提供了帶有一主繞組的同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)，該主繞組用非重疊線(xiàn)圈構(gòu)成以減小末匝長(zhǎng)度，該同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)還帶有一主鐵磁結(jié)構(gòu)，該主鐵磁結(jié)構(gòu)沒(méi)有(或大體上沒(méi)有)極端增大部分以便可將預(yù)先纏繞的線(xiàn)圈插到磁極上，該同步機(jī)器及電動(dòng)機(jī)還具有一數(shù)量減少了的用于繞組的若干槽。
本發(fā)明的進(jìn)一方面提供了帶有有磁性的部件及鐵磁部件的同步機(jī)器/電動(dòng)機(jī)，該有磁性的部件及鐵磁部件的形狀設(shè)計(jì)為消除接頭或波動(dòng)力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的裝置)，該同步機(jī)器/電動(dòng)機(jī)還具有一主繞組，該主繞組用非重疊線(xiàn)圈構(gòu)成以減小末匝長(zhǎng)度，該同步機(jī)器/電動(dòng)機(jī)還帶有一具有若干磁極的主鐵磁結(jié)構(gòu)，該等磁極沒(méi)有(或大體上沒(méi)有)極端增大部分以便可將預(yù)先纏繞的線(xiàn)圈插到磁極上，且該同步機(jī)器/電動(dòng)機(jī)還具有一數(shù)量減少了的用于繞組的若干槽。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，其提供了若干車(chē)輛，該等車(chē)輛由根據(jù)前面所述的同步直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明的另一方面提供一車(chē)輛，該車(chē)輛由上面所述類(lèi)型的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，該直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)帶有一永久磁場(chǎng)且位于車(chē)輛上。相對(duì)既較少且較深組合的繞組槽使得每單位面積上有較大的力，而不會(huì)過(guò)熱。該磁鐵尺寸設(shè)計(jì)為幾乎消除頓轉(zhuǎn)力且使磁鐵成本最小。對(duì)該車(chē)輛上一給定推進(jìn)力，該組合在定子發(fā)動(dòng)機(jī)與車(chē)輛之間產(chǎn)生一比正常比率更低的吸引力。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，其提供一根據(jù)前面所述而構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，該旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)具有一高的轉(zhuǎn)矩相對(duì)于電動(dòng)機(jī)質(zhì)量比率。通過(guò)在比正常直徑大轉(zhuǎn)子上使用相對(duì)小的永久磁鐵，但不需要使用窄槽以減小頓轉(zhuǎn)力來(lái)實(shí)現(xiàn)該旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明的這些及其他方面在圖示及下面的描述中表示的很清楚。


可通過(guò)參考下面的描述結(jié)合附圖達(dá)到對(duì)本發(fā)明更完整的理解，其中圖1表示一傳統(tǒng)直線(xiàn)同步機(jī)器與一根據(jù)本發(fā)明的直線(xiàn)同步機(jī)器的橫截面的比較；圖2表示一傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)同步機(jī)器與一根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)同步機(jī)器的橫截面的比較；圖3為一圖解表示在一直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)(LSM)中頓轉(zhuǎn)力的起源。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的一直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)(LSM)的兩實(shí)例的磁場(chǎng)線(xiàn)圖4A表示一簡(jiǎn)單的僅具有y方向磁鐵的磁鐵排列，圖4B表示一改進(jìn)的具有x與y兩個(gè)方向磁鐵的霍氏(Halbach)排列；圖5表示力的諧函數(shù)的峰值振幅，其作為圖4中設(shè)計(jì)的直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)(LSM)的磁鐵長(zhǎng)度的一函數(shù)，且具有典型的導(dǎo)磁率值；
圖6表示本發(fā)明的一實(shí)例，其將電磁場(chǎng)應(yīng)用于一直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)(LSM)；圖7表示力的諧函數(shù)的峰值振幅，其作為圖6中設(shè)計(jì)的直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)(LSM)的磁鐵長(zhǎng)度的一函數(shù)；以及圖8表示根據(jù)本發(fā)明的一直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)的磁通量分布圖，將場(chǎng)(或電動(dòng)機(jī)定子)端部磁鐵布置為終止磁力線(xiàn)及最小化頓轉(zhuǎn)力。
具體實(shí)施例方式
工作原理申請(qǐng)者的發(fā)明使用若干設(shè)計(jì)技術(shù)的組合以對(duì)各種類(lèi)型同步機(jī)器實(shí)現(xiàn)高性能及較低的制造成本。開(kāi)始的討論及圖示涉及帶有永久磁場(chǎng)的直線(xiàn)機(jī)器，但是所傳授內(nèi)容可應(yīng)用于一較寬種類(lèi)旋轉(zhuǎn)及直線(xiàn)機(jī)器及包括使用超導(dǎo)的機(jī)器，該旋轉(zhuǎn)及直線(xiàn)機(jī)器帶有永久磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)。
圖1A是先前技術(shù)直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)(LSM)的一實(shí)例，圖1B是根據(jù)本發(fā)明的一應(yīng)用的直線(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)(LSM)的一實(shí)例。在此圖中，場(chǎng)結(jié)構(gòu)由后鐵11a、11b及永久磁鐵12a、12b組成。該場(chǎng)(或“場(chǎng)結(jié)構(gòu)”)及電樞均是2λ長(zhǎng)，此處的波長(zhǎng)λ在圖中定義。該場(chǎng)具有三個(gè)完整磁極及兩個(gè)半磁極，在場(chǎng)的端部使用半磁極的目的是為了最小化端部效應(yīng)。在一實(shí)際電動(dòng)機(jī)中，該場(chǎng)通常比2λ長(zhǎng)且是波長(zhǎng)長(zhǎng)度的一整數(shù)倍。對(duì)于直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，電樞通常比場(chǎng)長(zhǎng)，但是反過(guò)來(lái)場(chǎng)比電樞長(zhǎng)也可正確。對(duì)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，將電樞及場(chǎng)限制在一圓內(nèi)，且其通常一樣長(zhǎng)。這些電樞鐵芯疊片具有齒13a、13b，且在這些齒之間的槽容納多相繞組。該電樞的后鐵15a、15b容有齒間的磁力線(xiàn)。將這些繞組14a、14b纏繞在這些電樞鐵芯疊片中的槽中。在傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的情況下，這些齒具有末端16a，但是這些末端在建議設(shè)計(jì)的一樣式中被省略掉了。
在圖1A中每波長(zhǎng)有6個(gè)槽，且這些繞組為半波長(zhǎng)長(zhǎng)度。注意末匝必需向下彎曲，以使得每一槽具有盡可能多的匝數(shù)；對(duì)末匝偏斜的要求限制了這些槽的實(shí)際深度。為了減小頓轉(zhuǎn)力及提高性能，通過(guò)在這些齒上的末端使這些槽部分閉合。
圖1B每波長(zhǎng)僅具有三個(gè)槽及不重疊繞組。其每波長(zhǎng)具有一半繞組數(shù)，且很顯然更易于纏繞。由于其結(jié)果證明是不合理的原由，設(shè)計(jì)者曾經(jīng)避免該方法。本發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)在圖1B中圖解說(shuō)明的具體實(shí)施例獲得較佳性能及較低的制造成本，其中的一些原因在下面討論中是顯而易見(jiàn)的。
為了最小化所需要的磁鐵體積，傳統(tǒng)的知識(shí)建議一個(gè)人必需具有部分閉合的用于繞組的槽，但是本發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)如果永久磁鐵具有幾乎一致導(dǎo)磁率或氣隙相對(duì)較大，那么磁場(chǎng)線(xiàn)可幾乎同樣容易穿過(guò)槽的側(cè)部進(jìn)入電樞齒。通過(guò)不使用部分閉合槽，其就有更多用于繞組的空間，繞組電感就越低，就越容易用最小長(zhǎng)度的導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)匝來(lái)纏繞該電樞。
傳統(tǒng)的想法也提出圖1B的設(shè)計(jì)將具有非常大的頓轉(zhuǎn)力。本發(fā)明者已進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)如果適當(dāng)選擇磁鐵尺寸，就會(huì)有非常小的頓轉(zhuǎn)力，而且，減小接頭的適當(dāng)尺寸也將產(chǎn)生一經(jīng)濟(jì)上劃算的設(shè)計(jì)。
最后，傳統(tǒng)想法提出使用不重疊繞組將由于繞組節(jié)距的減小而導(dǎo)致低效率運(yùn)行。然而通過(guò)每波長(zhǎng)使用較少的槽且在繞組中沒(méi)有重疊，就可能使用更深的用于該繞組的槽，且該等繞組的末匝阻抗得到充分的減小。由于較短的末匝及開(kāi)放的槽，該線(xiàn)圈電感就較低，所以就可能使用一較短磁極節(jié)距，其導(dǎo)致較高的頻率激勵(lì)。這減小了所需要的后鐵的質(zhì)量，且導(dǎo)致一較輕的電動(dòng)機(jī)，尤其在場(chǎng)通過(guò)永久磁鐵提供的情況下。
該圖解表示的具體實(shí)施例的一優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)于一給定驅(qū)動(dòng)力在場(chǎng)與電樞之間有較小的吸引力。這是由于事實(shí)上一些磁場(chǎng)線(xiàn)從側(cè)部而不是從頂部進(jìn)入電樞齒，所以它們不會(huì)產(chǎn)生一吸引力。在直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的情況下，這可是一重要優(yōu)點(diǎn)，尤其當(dāng)非常大的吸引力對(duì)于輪及支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加成本時(shí)。
圖2表示圖1中所示的同一結(jié)構(gòu)的一旋轉(zhuǎn)形式。已經(jīng)省略了這些繞組，然而在其它設(shè)計(jì)方面卻非常類(lèi)似于等價(jià)的直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)。注意也可將旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造為場(chǎng)磁鐵在內(nèi)部而電樞繞組在外部。以旋轉(zhuǎn)或直線(xiàn)形式及將電樞或場(chǎng)作為移動(dòng)部件來(lái)構(gòu)造電動(dòng)機(jī)的技巧是眾所周知的事，所以對(duì)于本專(zhuān)利，其焦點(diǎn)在于直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)，但是其方法可同樣地應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。
減小頓轉(zhuǎn)力圖解表示的具體實(shí)施例通過(guò)適當(dāng)選擇尺寸減小頓轉(zhuǎn)力，特別地，例如，當(dāng)對(duì)于電動(dòng)機(jī)的每一波長(zhǎng)其具有相對(duì)少的槽及齒的情況下。傳統(tǒng)的思想告知不要使用每波長(zhǎng)僅三個(gè)齒，這是由于這種情況可產(chǎn)生強(qiáng)頓轉(zhuǎn)力，特別當(dāng)在齒上沒(méi)有末端時(shí)。該接頭問(wèn)題是由于場(chǎng)磁鐵與齒交互感應(yīng)引起的，且與繞組無(wú)關(guān)。圖3表示一實(shí)例，此處磁鐵尺寸選擇得不好且選擇場(chǎng)與電樞的相對(duì)位置來(lái)圖解說(shuō)明頓轉(zhuǎn)力的起源。在圖3A中，系統(tǒng)在一“勢(shì)阱”中處于穩(wěn)定平衡，且如果將場(chǎng)結(jié)構(gòu)向左或右推，其就會(huì)有一回復(fù)力。這是由于磁鐵的北極與南極相對(duì)于這些齒對(duì)稱(chēng)放置。相反，在圖3B中，磁鐵的北極向左拉，且南極向右拉。通過(guò)對(duì)稱(chēng)，且由于有限數(shù)量磁極而忽略端部影響，很顯然沒(méi)有凈力，但是如果將場(chǎng)結(jié)構(gòu)向左或右移動(dòng)，就會(huì)存在一沿那個(gè)方向趨向進(jìn)一步移動(dòng)的力。簡(jiǎn)言之，圖3B中所示的位置是其中一個(gè)不穩(wěn)定平衡位置。當(dāng)場(chǎng)相對(duì)該電樞移動(dòng)時(shí)，在這些平衡位置之間，其將產(chǎn)生波動(dòng)的力。將這些有節(jié)奏跳動(dòng)的力稱(chēng)作頓轉(zhuǎn)力或波動(dòng)力。在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的情況下，將其稱(chēng)作轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。
典型場(chǎng)設(shè)計(jì)圖4表示本發(fā)明此方面的兩個(gè)具體實(shí)施例。除了永久磁鐵場(chǎng)結(jié)構(gòu)外，這兩個(gè)實(shí)例是相同的。在此兩種情況下都有三個(gè)相位，相位A電流被標(biāo)為A+及A-，相位B與C與相位A類(lèi)似。
在圖4A中，場(chǎng)僅使用帶有交替磁鐵極性的y方向磁鐵。在圖4B中，y與x方向磁鐵都有，一般稱(chēng)作改進(jìn)的霍氏排列(通常假定霍氏排列不具有后鐵)。在這兩幅圖中，選擇磁鐵尺寸以使頓轉(zhuǎn)力最小。霍氏排列產(chǎn)生稍微更大的力，但是其使用更多的永久磁鐵。使用霍氏排列則后鐵可更薄從而場(chǎng)可更加輕及產(chǎn)生更大力。
可使用其它類(lèi)型磁鐵排列以得到好處。例如，通過(guò)調(diào)整場(chǎng)，就可能同時(shí)減小頓轉(zhuǎn)力及磁阻力。
分析在一同步機(jī)器中的力在任何同步機(jī)器中都有三類(lèi)力由于繞組電流與場(chǎng)的相互作用而產(chǎn)生的力，該力與電樞電流及場(chǎng)強(qiáng)的乘積成比例；由于該繞組的變化的磁阻而產(chǎn)生的力，該力與電樞電流的平方成比例；由于場(chǎng)與電樞的鐵磁結(jié)構(gòu)相互作用而產(chǎn)生的頓轉(zhuǎn)力，該力與場(chǎng)磁鐵的強(qiáng)度平方成比例。盡管存在各種情況，此情況下磁阻力或頓轉(zhuǎn)力可以是期望的，但是由于電樞鐵磁結(jié)構(gòu)與場(chǎng)磁鐵的交互作用，所以圖解表示的具體實(shí)施例抑制這些力的大部分。
在下面的討論中，我們作某些關(guān)于電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的假設(shè)·其假定每波長(zhǎng)上有兩個(gè)相同的場(chǎng)磁極結(jié)構(gòu)，且他們?cè)趚方向上對(duì)稱(chēng)且具有相等且相對(duì)的磁極。
·每波長(zhǎng)上有n個(gè)齒，在x方向上每一齒都均衡且用一分離的電線(xiàn)纏繞。
·通過(guò)將相繼的繞組連接至相繼的相位，所述繞組從一n-相交流電源獲得供電，從而產(chǎn)生一移動(dòng)的磁場(chǎng)。
·該鐵磁結(jié)構(gòu)具有一非常高的導(dǎo)磁率且該導(dǎo)磁率的準(zhǔn)確值不會(huì)對(duì)場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生主要影響，因此可使用一直線(xiàn)模型。
·將場(chǎng)磁鐵強(qiáng)度定義為在電樞的表面測(cè)量的磁場(chǎng)。
這些假設(shè)允許使用傅立葉方法來(lái)分析這些力。由于該模型被假定為直線(xiàn)性，所以就可能在這些力的傅立葉分析中將該三類(lèi)力的每一類(lèi)與特定諧函數(shù)相關(guān)聯(lián)。表示這些力的本質(zhì)的一種方式為在繞組中輸入一電流，該電流對(duì)應(yīng)于時(shí)間中一特定點(diǎn)，接著相對(duì)該電樞移動(dòng)場(chǎng)。在理想情況下，力將隨位置正弦變化。
如一實(shí)例，假定永久磁鐵的導(dǎo)磁率與自由空間的導(dǎo)磁率相同，因此就沒(méi)有磁阻力。力的傅立葉分析表明僅存在的諧函數(shù)為1、5、6、7、11、12、13、…我們可將這些力分成兩類(lèi)6的倍數(shù)及所有其它。進(jìn)一步分析表明6的倍數(shù)的力與場(chǎng)磁鐵的強(qiáng)度的平方成比例，而其它力與電樞電流乘以場(chǎng)強(qiáng)成比例。如果磁鐵的導(dǎo)磁率與自由空間的導(dǎo)磁率不同，則由于磁阻力就存在另外的頻率。表1給出了對(duì)于每一類(lèi)力及對(duì)于不同相位數(shù)的諧函數(shù)。在此表中，參數(shù)p是繞組槽數(shù)，假定繞組槽數(shù)與相位數(shù)相同，m是p與2(因?yàn)樵趫?chǎng)中有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)磁極)的最小公倍數(shù)。不管對(duì)電樞如何纏繞都不要緊，只要繞組用p相位激勵(lì)，以便如果場(chǎng)移動(dòng)1/p乘以波長(zhǎng)，則場(chǎng)將保持不變，僅時(shí)間移動(dòng)1/p周期。
表1是用于三類(lèi)力及不同相位數(shù)的諧函數(shù)；m是p與2的最小公倍數(shù)，i是任意正整數(shù)。


在許多實(shí)際情況下，僅重要的頓轉(zhuǎn)力是最小諧函數(shù)，也即，當(dāng)存在三個(gè)相位時(shí)第6個(gè)諧函數(shù)是最小諧函數(shù)，因此一關(guān)鍵思想是選擇消除此成分的磁鐵尺寸。圖5A與5B表示所有重要頻率的幅值，這些幅值作為圖4A與4B中所示的場(chǎng)結(jié)構(gòu)的磁鐵長(zhǎng)度的函數(shù)?？梢钥吹綄?duì)于每一結(jié)構(gòu)有兩個(gè)磁鐵長(zhǎng)度，對(duì)這兩個(gè)磁鐵長(zhǎng)度沒(méi)有第6個(gè)諧函數(shù)，且對(duì)于所有磁鐵尺寸其它諧函數(shù)都非常小。因此，通過(guò)將磁鐵長(zhǎng)度選擇為可消除第6個(gè)諧函數(shù)力的兩個(gè)值之一，將出現(xiàn)頓轉(zhuǎn)力可被忽略的的情況。在一些情況下，如當(dāng)磁鐵成本或重量非常重要，或引力必須最小化，則期望使用較小的磁鐵長(zhǎng)度，但是在大多數(shù)情況下，較大的長(zhǎng)度將產(chǎn)生較好的總體性能。
注意如果用一個(gè)因子將所有尺寸放大，則最適宜的磁鐵長(zhǎng)度也將以相同的因子放大。而且，發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)最適宜的磁鐵尺寸對(duì)氣隙尺寸或槽的深度不是很敏感。因此對(duì)于圖4的結(jié)構(gòu)在沒(méi)有第6諧函數(shù)頓轉(zhuǎn)力情況下的相對(duì)尺寸可用作電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)范圍的近似值。這些相關(guān)比率在表2中給出。例如，用簡(jiǎn)單磁鐵排列及為達(dá)到最高力，則磁鐵長(zhǎng)度應(yīng)為波長(zhǎng)的0.766倍，以及如果將磁鐵長(zhǎng)度選擇為達(dá)到最大力(即λ/2)，則基頻力為其本來(lái)應(yīng)達(dá)到值的92.3％。表2中的值在一定程度上依賴(lài)于鐵磁體的導(dǎo)磁率及槽尺寸的假設(shè)，但是其可用作初始設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。
表2對(duì)于圖4結(jié)構(gòu)沒(méi)有頓轉(zhuǎn)力的磁鐵尺寸


前面所述的一實(shí)際應(yīng)用是在3相位系統(tǒng)中每波長(zhǎng)有三個(gè)齒，但是如果其需要極其低的頓轉(zhuǎn)力，則可期望使用不同數(shù)量的齒或相位。例如，使用5相位激勵(lì)且每波長(zhǎng)有5個(gè)齒則將會(huì)提供異常低的頓轉(zhuǎn)力。
在改進(jìn)的霍氏場(chǎng)結(jié)構(gòu)下，可出現(xiàn)不會(huì)產(chǎn)生磁阻力情況。然而，在大多數(shù)情況下，場(chǎng)是由高能量磁鐵構(gòu)成，該高能量磁鐵在磁化方向上的導(dǎo)磁率與垂直于磁化方向的方向上的導(dǎo)磁率不同。例如，對(duì)于高能量釹鐵硼(NdFeB)磁鐵，在磁化方向上相對(duì)導(dǎo)磁率一般為1.06，而對(duì)于任何垂直方向，相對(duì)導(dǎo)磁率為大約1.2。這兩個(gè)值都充分接近一致，所以在實(shí)際中磁阻力非常小。
如前所述這些繞組可以是非重疊的，或用每一繞組圈起兩個(gè)或多個(gè)齒來(lái)進(jìn)行纏繞。假如相位滿(mǎn)足給定的假設(shè)，則線(xiàn)圈的特性不會(huì)影響磁鐵尺寸的適當(dāng)選擇。
在直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)中或分段旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)中使端部效應(yīng)最小對(duì)于大多數(shù)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，場(chǎng)及電樞環(huán)繞在電動(dòng)機(jī)的整個(gè)周?chē)?，因此兩個(gè)結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)理想的周期性。對(duì)于直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)及分段旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，至少其中一個(gè)結(jié)構(gòu)具有端部，該端部破壞周期性，如果不采取步驟來(lái)解決端部效應(yīng)，電動(dòng)機(jī)可能會(huì)無(wú)法充分地發(fā)揮作用。為了下面討論的目的，假定磁鐵排列是有限的，但是電樞表現(xiàn)為其好象是無(wú)限長(zhǎng)。如果反過(guò)來(lái)是正確的，則可適用于類(lèi)似分析。
存在兩個(gè)明顯的問(wèn)題，當(dāng)為一磁鐵排列設(shè)計(jì)端部磁鐵時(shí)可解決這兩個(gè)問(wèn)題，這兩個(gè)問(wèn)題是終止來(lái)自相鄰周期磁鐵排列的磁力線(xiàn)及減小或消除與端部磁鐵相關(guān)聯(lián)的頓轉(zhuǎn)力。在本來(lái)周期排列的每一端部使用半長(zhǎng)度磁鐵可部分解決這兩個(gè)問(wèn)題。特別地，其留下一頓轉(zhuǎn)力，該頓轉(zhuǎn)力在來(lái)自周期排列的頓轉(zhuǎn)力的一半頻率處具有其主頻率部分。例如，對(duì)于一周期排列，每波長(zhǎng)有三個(gè)槽，則頓轉(zhuǎn)力頻率為基頻力頻率的六倍，以及來(lái)自端部磁鐵的主項(xiàng)為基本頻率的三倍。一較佳方法消除了第三諧函數(shù)項(xiàng)而不會(huì)增加第六諧函數(shù)項(xiàng)。
為了進(jìn)一步消除主頓轉(zhuǎn)力項(xiàng)，理想情況是調(diào)節(jié)端部磁鐵尺寸及位置。推薦的設(shè)計(jì)程序如下1.選擇用于周期排列的參數(shù)，其與假定沒(méi)有端部效應(yīng)的設(shè)計(jì)一致。
2.選擇端部磁鐵的尺寸及其自周期排列的間距以保持周期性且同時(shí)消除頓轉(zhuǎn)力。
在大多數(shù)情況下，可通過(guò)調(diào)節(jié)該等端部磁鐵的高度及長(zhǎng)度以及這些磁鐵與其相鄰磁鐵距離來(lái)完成。圖8(其中水平及垂直比例不同)表示一設(shè)計(jì)實(shí)例，該設(shè)計(jì)就是通過(guò)此方式完成。注意在中間磁鐵中的磁力線(xiàn)的表現(xiàn)就如同該排列是周期的。詳細(xì)的分析表明其具有相對(duì)很小的第三或第六諧函數(shù)頓轉(zhuǎn)力。在此圖中此結(jié)構(gòu)的相對(duì)尺寸為

這些尺寸是基于二維分析得到，由于這些取決于磁鐵寬度相對(duì)磁間隙的比率，所以必須進(jìn)行一些調(diào)整以處理3維影響。
帶有電磁場(chǎng)的機(jī)器上面所述的實(shí)施例已使用永久磁場(chǎng)，但是本發(fā)明也可應(yīng)用于帶有電磁場(chǎng)的電動(dòng)機(jī)。對(duì)于非常大的電動(dòng)機(jī)及對(duì)于需要控制場(chǎng)強(qiáng)的電動(dòng)機(jī)這就非常重要。圖6表示帶有電磁場(chǎng)的一直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)例。其具有該永久磁鐵實(shí)例兩倍的波長(zhǎng)，且具有一由F+及F-指示的直流電電流激勵(lì)的激勵(lì)繞組。由于其將用過(guò)量激勵(lì)能以控制一具有一大的間隙的電磁場(chǎng)，所以其氣隙小于具有一永久磁場(chǎng)的氣隙。圖7表示相對(duì)于極間距的諧函數(shù)的曲線(xiàn)。除了磁阻力更大外其類(lèi)似于對(duì)于永久磁場(chǎng)的情況。然而通過(guò)使用在此專(zhuān)利中描述的方法，可極大地減小頓轉(zhuǎn)力。通過(guò)修整磁極及通過(guò)控制繞組電流的波形，可減小或補(bǔ)償磁阻力。
上面所述的是同步電動(dòng)機(jī)及其中滿(mǎn)足期望目標(biāo)的機(jī)器。當(dāng)然，對(duì)于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員，會(huì)理解該圖解表示的實(shí)施例僅是本發(fā)明的若干實(shí)例，且其它包含另外改進(jìn)的其它實(shí)施例也落入由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種同步電動(dòng)機(jī)，其包括一個(gè)或多個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)及一個(gè)電樞，該場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有若干磁極，該電樞具有若干齒，此等齒間具有若干槽，若干線(xiàn)圈繞組纏繞在那些槽中，其改進(jìn)為其中所述磁極與齒彼此相關(guān)聯(lián)確定尺寸以使所選擇的力諧函數(shù)最小化，那些所選擇的力諧函數(shù)與磁極強(qiáng)度的平方成比例。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步電動(dòng)機(jī)，其進(jìn)一步改進(jìn)為其中所述磁極確定一波長(zhǎng)為λ的磁場(chǎng)，其進(jìn)一步的改進(jìn)還為磁鐵長(zhǎng)度相對(duì)λ/2的比率大體上為0.77∶1或0.45∶1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的同步電動(dòng)機(jī)，其進(jìn)一步的改進(jìn)為其中所述磁極確定一波長(zhǎng)為λ的磁場(chǎng)，其進(jìn)一步的改進(jìn)還為其中齒數(shù)相對(duì)波長(zhǎng)的比率為3∶1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的同步電動(dòng)機(jī)，其進(jìn)一步改進(jìn)為其中多個(gè)齒的末端沒(méi)有增大部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的同步電動(dòng)機(jī)，其進(jìn)一步改進(jìn)為其中所述磁極與齒彼此相關(guān)聯(lián)確定尺寸以使在它們之間的第六力諧函數(shù)最小化。
6.一種同步電動(dòng)機(jī)，其包括一個(gè)或多個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及一個(gè)或多個(gè)電樞，該場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有若干確定一磁場(chǎng)的磁極，以及該電樞具有若干齒，在所述齒之間有若干槽，且若干線(xiàn)圈繞組纏繞在那些槽中，其改進(jìn)為其中將在至少一個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)端部的磁極布置為使在場(chǎng)結(jié)構(gòu)與電樞間的第三力諧函數(shù)最小化，而不會(huì)在它們之間增加第六諧函數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的同步電動(dòng)機(jī)，其中該場(chǎng)結(jié)構(gòu)的磁極確定了一波長(zhǎng)為λ的磁場(chǎng)，其進(jìn)一步改進(jìn)為其中場(chǎng)結(jié)構(gòu)的相對(duì)尺寸選擇為大體上與下表一致參數(shù)尺寸波長(zhǎng) 60磁間隙4周期磁鐵長(zhǎng)度 23周期磁鐵高度 5端部磁鐵長(zhǎng)度 14端部磁鐵高度 4端部磁鐵與其鄰近磁鐵間間距11
8.一種同步電動(dòng)機(jī)，其包括一個(gè)和多個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及一個(gè)或多個(gè)電樞，該場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極，該電樞具有由槽隔開(kāi)的齒，所述槽中設(shè)有線(xiàn)圈繞組，其改進(jìn)如下A.多個(gè)齒的末端沒(méi)有增大部分，B.所述線(xiàn)圈繞組包括一連串的線(xiàn)圈繞組，在線(xiàn)圈繞組串中，任一線(xiàn)圈繞組都不與相鄰的線(xiàn)圈繞組重疊，C.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都在被置于所述槽中之前被預(yù)先繞制成，D.選擇磁極對(duì)于齒的相對(duì)尺寸，以使頓轉(zhuǎn)力的最小諧函數(shù)項(xiàng)不起作用，該頓轉(zhuǎn)力是由磁場(chǎng)和電樞的相互作用產(chǎn)生的，并與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，以及E.在至少一個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的端部設(shè)有半磁極。
9.一種同步電動(dòng)機(jī)，其包括一個(gè)和多個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及一個(gè)或多個(gè)電樞，該場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極，該電樞具有由槽隔開(kāi)的齒，所述槽中設(shè)有線(xiàn)圈繞組，其改進(jìn)如下A.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都在被置于所述槽中之前被預(yù)先繞制成，B.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都不與置于所述槽中的相鄰繞組線(xiàn)圈相重疊，C.選擇磁極對(duì)于齒的相對(duì)尺寸，以使頓轉(zhuǎn)力的最小諧函數(shù)項(xiàng)最小化，該頓轉(zhuǎn)力是由磁場(chǎng)和電樞的相互作用產(chǎn)生的，并與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，以及D.在至少一個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的端部設(shè)有半磁極。
10.一種同步電動(dòng)機(jī)，其包括一個(gè)和多個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及一個(gè)或多個(gè)電樞，該場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極，該電樞具有由槽隔開(kāi)的齒，所述槽中設(shè)有線(xiàn)圈繞組，其改進(jìn)如下A.多個(gè)齒的末端沒(méi)有增大部分，B.所述線(xiàn)圈繞組包括一連串的線(xiàn)圈繞組，在線(xiàn)圈繞組串中，任一線(xiàn)圈繞組都不與相鄰的線(xiàn)圈繞組重疊，C.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都在被置于所述槽中之前被預(yù)先繞制成，D.選擇磁極對(duì)于齒的相對(duì)尺寸，以使頓轉(zhuǎn)力的最小諧函數(shù)項(xiàng)不起作用，該頓轉(zhuǎn)力是由磁場(chǎng)和電樞的相互作用產(chǎn)生的，并與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，以及E.進(jìn)一步的改進(jìn)為，磁極確定了長(zhǎng)度為λ的磁場(chǎng)，至少一個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的磁極排列成霍氏排列，且至少對(duì)于所述結(jié)構(gòu)的選定磁極而言，磁鐵長(zhǎng)度相對(duì)于λ/2的比例大致為0.35∶1或0.67∶1。
11.一種同步電動(dòng)機(jī)，其包括一個(gè)和多個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及一個(gè)或多個(gè)電樞，該場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極，該電樞具有由槽隔開(kāi)的齒，所述槽中設(shè)有線(xiàn)圈繞組，其改進(jìn)如下A.多個(gè)齒的末端沒(méi)有增大部分，B.所述線(xiàn)圈繞組包括一連串的線(xiàn)圈繞組，在線(xiàn)圈繞組串中，任一線(xiàn)圈繞組都不與相鄰的線(xiàn)圈繞組重疊，C.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都在被置于所述槽中之前被預(yù)先繞制成，D.選擇磁極對(duì)于齒的相對(duì)尺寸，以使頓轉(zhuǎn)力的最小諧函數(shù)項(xiàng)不起作用，該頓轉(zhuǎn)力是由磁場(chǎng)和電樞的相互作用產(chǎn)生的，并與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，以及E.進(jìn)一步的改進(jìn)為，磁極確定了長(zhǎng)度為λ的磁場(chǎng)，且在相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向上磁鐵長(zhǎng)度相對(duì)于λ/2的比例大致為0.77∶1或0.45∶1。
12.一種同步電動(dòng)機(jī)，其包括一個(gè)和多個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及一個(gè)或多個(gè)電樞，該場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極，該電樞具有由槽隔開(kāi)的齒，所述槽中設(shè)有線(xiàn)圈繞組，其改進(jìn)如下A.多個(gè)齒的末端沒(méi)有增大部分，B.所述線(xiàn)圈繞組包括一連串的線(xiàn)圈繞組，在線(xiàn)圈繞組串中，任一線(xiàn)圈繞組都不與相鄰的線(xiàn)圈繞組重疊，C.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都在被置于所述槽中之前被預(yù)先繞制成，D.選擇磁極對(duì)于齒的相對(duì)尺寸，以使頓轉(zhuǎn)力的最小諧函數(shù)項(xiàng)不起作用，該頓轉(zhuǎn)力是由磁場(chǎng)和電樞的相互作用產(chǎn)生的，并與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，以及E.進(jìn)一步的改進(jìn)為，對(duì)至少一個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的端部上的磁極進(jìn)行排列，以使場(chǎng)結(jié)構(gòu)和電樞之間的第三力諧函數(shù)最小化，同時(shí)并不增大其間的第六諧函數(shù)。
13.一種同步電動(dòng)機(jī)，其包括一個(gè)和多個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及一個(gè)或多個(gè)電樞，該場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極，該電樞具有由槽隔開(kāi)的齒，所述槽中設(shè)有線(xiàn)圈繞組，其改進(jìn)如下A.多個(gè)齒的末端沒(méi)有增大部分，B.所述線(xiàn)圈繞組包括一連串的線(xiàn)圈繞組，在線(xiàn)圈繞組串中，任一線(xiàn)圈繞組都不與相鄰的線(xiàn)圈繞組重疊，C.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都在被置于所述槽中之前被預(yù)先繞制成，D.選擇磁極對(duì)于齒的相對(duì)尺寸，以使頓轉(zhuǎn)力的最小諧函數(shù)項(xiàng)不起作用，該頓轉(zhuǎn)力是由磁場(chǎng)和電樞的相互作用產(chǎn)生的，并與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，以及E.場(chǎng)結(jié)構(gòu)的磁極形成了波長(zhǎng)為λ的磁場(chǎng)，其進(jìn)一步的改進(jìn)在于，場(chǎng)結(jié)構(gòu)的相對(duì)尺寸實(shí)際是按照下表進(jìn)行選擇的參數(shù)尺寸波長(zhǎng)60磁間隙 4周期磁鐵長(zhǎng)度23周期磁鐵高度5端部磁鐵長(zhǎng)度14端部磁鐵高度4端部磁鐵和相鄰磁鐵之間的間隙11
14.一種同步電動(dòng)機(jī)，其包括一個(gè)和多個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及一個(gè)或多個(gè)電樞，該場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極，該電樞具有由槽隔開(kāi)的齒，所述槽中設(shè)有線(xiàn)圈繞組，其改進(jìn)如下A.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都在被置于所述槽中之前被預(yù)先繞制成，B.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都不與置于所述槽中的相鄰繞組線(xiàn)圈相重疊，C.選擇磁極對(duì)于齒的相對(duì)尺寸，以使頓轉(zhuǎn)力的最小諧函數(shù)項(xiàng)最小化，該頓轉(zhuǎn)力是由磁場(chǎng)和電樞的相互作用產(chǎn)生的，并與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，以及D.進(jìn)一步的改進(jìn)為，磁極確定了長(zhǎng)度為λ的磁場(chǎng)，至少一個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的磁極排列成霍氏排列，且至少對(duì)于所述結(jié)構(gòu)的選定磁極而言，磁鐵長(zhǎng)度相對(duì)于λ/2的比例大致為0.35∶1或0.67∶1。
15.一種同步電動(dòng)機(jī)，其包括一個(gè)和多個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及一個(gè)或多個(gè)電樞，該場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極，該電樞具有由槽隔開(kāi)的齒，所述槽中設(shè)有線(xiàn)圈繞組，其改進(jìn)如下A.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都在被置于所述槽中之前被預(yù)先繞制成，B.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都不與置于所述槽中的相鄰繞組線(xiàn)圈相重疊，C.選擇磁極對(duì)于齒的相對(duì)尺寸，以使頓轉(zhuǎn)力的最小諧函數(shù)項(xiàng)最小化，該頓轉(zhuǎn)力是由磁場(chǎng)和電樞的相互作用產(chǎn)生的，并與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，以及D.磁極確定了長(zhǎng)度為λ的磁場(chǎng)，且在相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向上磁鐵長(zhǎng)度相對(duì)于λ/2的比例大致為0.77∶1或0.45∶1。
16.一種同步電動(dòng)機(jī)，其包括一個(gè)和多個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及一個(gè)或多個(gè)電樞，該場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極，該電樞具有由槽隔開(kāi)的齒，所述槽中設(shè)有線(xiàn)圈繞組，其改進(jìn)如下A.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都在被置于所述槽中之前被預(yù)先繞制成，B.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都不與置于所述槽中的相鄰繞組線(xiàn)圈相重疊，C.選擇磁極對(duì)于齒的相對(duì)尺寸，以使頓轉(zhuǎn)力的最小諧函數(shù)項(xiàng)最小化，該頓轉(zhuǎn)力是由磁場(chǎng)和電樞的相互作用產(chǎn)生的，并與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，以及D.進(jìn)一步的改進(jìn)為，對(duì)至少一個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的端部上的磁極進(jìn)行排列，以使場(chǎng)結(jié)構(gòu)和電樞之間的第三力諧函數(shù)最小化，同時(shí)并不增大其間的第六諧函數(shù)。
17.一種同步電動(dòng)機(jī)，其包括一個(gè)和多個(gè)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及一個(gè)或多個(gè)電樞，該場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極，該電樞具有由槽隔開(kāi)的齒，所述槽中設(shè)有線(xiàn)圈繞組，其改進(jìn)如下A.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都在被置于所述槽中之前被預(yù)先繞制成，B.多個(gè)所述線(xiàn)圈繞組中的每一個(gè)都不與置于所述槽中的相鄰繞組線(xiàn)圈相重疊，C.選擇磁極對(duì)于齒的相對(duì)尺寸，以使頓轉(zhuǎn)力的最小諧函數(shù)項(xiàng)最小化，該頓轉(zhuǎn)力是由磁場(chǎng)和電樞的相互作用產(chǎn)生的，并與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，以及D.場(chǎng)結(jié)構(gòu)的磁極形成了波長(zhǎng)為λ的磁場(chǎng)，其進(jìn)一步的改進(jìn)在于，場(chǎng)結(jié)構(gòu)的相對(duì)尺寸實(shí)際是按照下表進(jìn)行選擇的參數(shù)尺寸波長(zhǎng)60磁間隙 4周期磁鐵長(zhǎng)度23周期磁鐵高度5端部磁鐵長(zhǎng)度14端部磁鐵高度4端部磁鐵和相鄰磁鐵之間的間隙1全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的同步電動(dòng)機(jī)在較高效率、較低成本、減小的體積及減小的頓轉(zhuǎn)力下運(yùn)行。選擇磁鐵尺寸，使得即使其比正常情況具有較少槽，也可減小頓轉(zhuǎn)力至可忽略的大小。也可能視情況使用非重疊繞組與更深及敞開(kāi)的槽。本方法可應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)及直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)及在場(chǎng)結(jié)構(gòu)中使用永久磁鐵或電磁鐵的電動(dòng)機(jī)。該方法尤其適用于具有一大的氣隙的直線(xiàn)或旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，以及適用于小的電動(dòng)機(jī)，該小電動(dòng)機(jī)必需傳遞一高的推力或轉(zhuǎn)矩相對(duì)電動(dòng)機(jī)體的比率。
文檔編號(hào)H02K15/02GK101083419SQ20071010890
公開(kāi)日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2002年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月1日
發(fā)明者理查德·D·桑頓, T·M·克拉克 申請(qǐng)人:麥克納莫紳有限公司