專利名稱：電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有用以產(chǎn)生在轉子運動方向連續(xù)的并各與整磁周期相對應的磁場的它激轉子結構，并具有沿轉子結構連續(xù)布置的定子磁極的電機。
已經(jīng)公知了一種具有一個它激轉子(或定子，在此情況下轉子及定子的概念在意義上可互換)的這樣一種電機，其中與整的磁周期相對應的磁場由單個彼此隔開的磁極，即一個北極和一個南極(每磁周期)構成的。與由轉子極對構成的磁場數(shù)相對應地，設置了在定子極布置及數(shù)目上相一致的定子極組，以使得處于每個轉子極對下面的是與其相一致的定子極布置。作為轉子極例如可采用永久磁鐵。
在這類電機中，由于漏磁通、尤其是由于轉子極間的間隙，將構成這樣一種轉子磁場，即在轉子相對轉子運動時將產(chǎn)生作用于轉子極上的力的非線性變化，該力依賴于在磁極上存在的磁場量值的和。最后由此產(chǎn)生了一種自槽特性(Eigenrast-verhalten)，即出現(xiàn)了一種自持力矩(也稱齒槽力矩或齒槽效應(cogging))。在低速的空載情況下該自槽特性尤為明顯。該效應的出現(xiàn)尤其是因為在轉子磁場的各個磁周期內(nèi)持續(xù)相同的狀況使這些非線性變化的力在定子或轉子的整個長度上相加。與自槽特性相關地也產(chǎn)生出這種電機的另外缺點，如不安靜的運行，振動，電機必須以最小轉數(shù)運行等。
因為在定子及轉子極形狀的變化方面規(guī)定有窄的極限，自持力矩的減小僅能借助于極或疊片的調(diào)整，空氣隙的加大或通過專門構成的極頭形狀來實現(xiàn)。然而，通過所述這些措施會影響電機運行參數(shù)，以致通過這些措施在其自槽特性上改善了的電機表現(xiàn)為一種不佳的折衷。
本發(fā)明的任務在于創(chuàng)造一種本文開頭所述類型的電機，它能消除或至少降低自持力矩。
根據(jù)本發(fā)明的對該任務的第一解決方案設置了一種電機，其特征是，落在一個磁周期中的定子極數(shù)偏離一整數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的方案，獲得了與各個整磁周期相應的磁場相對的各種定子極結構，使得作用于轉子極的非線性變化的可導致自持力矩的力不會在定子或轉長度上多倍地相疊加，而是相反地通過減小或消除自持力矩而相抵消。與落在一個磁周期中定子極的偏離整數(shù)的極數(shù)相應地，在各個與整磁周期相應的磁場及與此相對設置的定子極之間獲得了可變的錯位，以使得在不同的轉子極上施加不同的校準力，它們通過定子或轉子的長度或圓周可以相互抵消。
通過偏離整數(shù)，可以避免定子極相對轉子或定子長度內(nèi)的磁場周期的空間布置上的周期性。由此不會出現(xiàn)在磁場和定子極之間的空間關系的任何重復，以致也不會出現(xiàn)任何增強齒槽力矩的累加效應。
有利的是，在根據(jù)本發(fā)明的電機結構中可完全應用標準的材料及構件。
在一個有利的本發(fā)明實施形式中，設置對定子極時間上錯開的供電，用于補償由于落在一個磁場周期中的定子極數(shù)偏離整數(shù)所產(chǎn)生的磁場和定子極之間變化的空間錯位。通過該措施可以補償對電機功率的不利影響，因為通過考慮到錯位的在時間上錯開的供電，使定子極與其錯位無關地對產(chǎn)生電機轉矩的總力作出貢獻。
根據(jù)本發(fā)明解決上述任務的另一種電機的特征在于連續(xù)的并與整數(shù)的磁周期相對應的磁場是通過交替具有一個北極和一個南極的永久磁鐵段構成的，其中在永久磁鐵段之間設有隔離間隙，這些隔離間隙相對于轉子運動方向以交替相反的傾斜角度傾斜地延伸。
同時通過根據(jù)本發(fā)明的該方案將達到均衡的效果，其中由于隔離間隙的延伸變化而產(chǎn)生的可構成自持力矩的力彼此至少部分地抵消。
在另一個根據(jù)本發(fā)明的解決方案的有利構型中規(guī)定隔離間隙是一個單一的連續(xù)隔離間隙的一部分，通過該連續(xù)的隔離間隙使在運動方向上連續(xù)延伸的包括永久磁鐵段的磁體彼此隔開，其中磁體的一個包括用于北極的磁鐵部件，另一個包括用于南極的磁鐵部件。所述連續(xù)的隔離間隔尤其可為正弦曲線型。通過該連續(xù)的隔離間隙使相反極之間的磁場變化的不連續(xù)性得到適當補償，這就促使自持力矩的進一步減小。
本發(fā)明的其它有利構型的可能性可由從屬權利要求中得到。
現(xiàn)在將借助于實施例及涉及這些實施例的附圖來詳細解釋及描述本發(fā)明。附圖為

圖1本發(fā)明的第一實施例圖2用于解釋圖1中所示第一實施例的一個轉子極對與定子極組相一致的電機的示圖；圖3在垂直于圖1前視圖的觀察方向上的圖1中的實施例(剖視圖)；圖4根據(jù)本發(fā)明的電機的第二實施例；圖5根據(jù)本發(fā)明的電機的第三實施例；圖6沿圖5剖線1-1的圖5中實施例的剖視圖；及圖7根據(jù)本發(fā)明電機的第四實施例。
在圖1至3中用標號1表示一個電機的轉子。該轉子包括永久磁鐵2。這些永久磁鐵2相對于以雙箭頭3所示的轉子運動方向彼此以恒定間距排成行。與轉子1的北極和南極2相對置地設置了一個定子4，它具有定子極5，定子極在轉子1運動方向上彼此以恒定間隔排成行。定子極5設有未在圖1至3中表示出的定子繞組。
為了簡化起見，在圖1至3中描繪了一個線性電機。但這些圖也可看成是一個旋轉電機的轉子和定子的展開。根據(jù)圖1中所示的實施例該電機共具有二十個磁鐵，以構成十個、每個包含一個北極及一個南極的轉子極對。相對這十個、每個由一磁場周期構成的轉子極對總共設置了二十七個定子極，以使得在落在一個轉子極對中的定子極數(shù)為非整數(shù)2.7。在根據(jù)圖2的示圖中轉子包括九個轉子極對。這里落在一個轉子極對中的定子極數(shù)為3。
如從圖1及2的比較中可以明顯看出，在定子極數(shù)與轉子極對數(shù)的商為整數(shù)的情況下，得到沿定子或轉子長度上重復出現(xiàn)的定子極和轉子極對之間的空間關系，而在該商偏離整數(shù)的情況下，在定子極和永久磁鐵之間出現(xiàn)了由一個定子到另一定子變化的錯位。因此在圖1所示的實施例中，在定子長度內(nèi)不能產(chǎn)生永久磁鐵和定子極之間周期性重復出現(xiàn)的空間關系。
在圖1及3中所示實施例的電機的定子極的供電是借助三相交流電源電壓來實現(xiàn)的，其中以字母R表示的定子極的繞組位于交流供電電壓的0°相位，以字母S表示的定子極的繞組位于120°相位，及以字母T表示的定子極的繞組位于240°相位。以字母R′，S′及T′表示的定子極的繞組是一種錯極連接方式，在最簡單的情況下借助這樣連接的簡單錯極，即由三個所述的相位對于這些繞組產(chǎn)生另外的相位，其中以T′表示的定子極的繞組位于60°相位，以R′表示的定子極的繞組位于180°相位，及以S′表示的定子極的繞組位于300°相位。由此對所有定子極的供電提供了六種不同的相位，它們相對于三相交流電源電壓的相位躍變減半。
在圖1及3中所示電機運行時，定子極相對轉子極對的錯位變化用于使作用于相應轉子極上的這些會導致自持力矩的力得以抵消。而相反在圖2所示的電機的情況下，其中在每三個定子極后將重復出現(xiàn)轉子和定子極之間的相同空間關系，所有的力作用在同一方向上，就產(chǎn)生了自持力矩。
另一方面，定子極相對轉子極變化的錯位還導致，三相供電電壓的極相位在經(jīng)過一定的定子或轉子長度后不再與剛經(jīng)過的磁周期內(nèi)的相應定子空間位置相適配，因為在磁周期內(nèi)的定子極的相似位置是對穿過定子極上的繞組的磁通變化過程起主要作用的，并通過它的時間導數(shù)對繞組中的電壓變化過程起主要作用。
這里將這樣來達到平衡，即通過以星形連接布置的定子極繞組的適當改接，使定子極的一部分以相對三相交流電源電壓總是錯開60°的相位供電。由此相對于交流供電電壓僅有的三個初始相位提供了更細的調(diào)節(jié)，它適應于定子極相對轉子極變化的錯位，使得在轉子長度上作用于轉子磁極以產(chǎn)生電機轉矩的力形成近似相等的分布，這就使盡管有了上述極的錯位也不會對電機運行帶來不利影響。在圖1和3所示實施例的情況下還會產(chǎn)生的誤差角度由下表給出其中為6相，27個定子極，10個轉子極對或20個轉子極的電機，圖示的靜止狀態(tài)，定子極1＝0°＝參考相位R，所有角度的單位為度，定子極 機械角度 電角度相 誤差角度1 0.0000.000R 0.0002 13.333 133.333S 13.3333 26.667 266.667T 26.6674 40.000 40.000R 40.0005 53.333 173.333S 53.3336 66.667 306.667S′6.6677 80.000 80.000T′ 20.0008 93.333 213.333R′ 33.3339 106.667 346.667S′ 46.66710120.000 120.000S 0.00011133.333 253.333T 13.33312146.667 26.667R 26.66713160.000 160.000S 40.00014173.333 293.333T 53.33315186.667 66.667T′6.66716200.000 200.000R′ 20.00017213.333 333.333S′ 33.33318226.667 106.667T′ 46.66719240.000 240.000T 0.00020253.333 13.333R 13.33321266.667 146.667S 26.66722280.000 280.000T 40.00023293.333 53.333R 53.33324306.667 186.667R′6.667
25 320.000 320.000 S′ 20.00026 333.333 93.333 T′ 33.33327 346.667 226.667 R′ 46.667由上表可以看出，在所涉及的該實施例的情況下最大的可能誤差角度達不到60°。
在表中給出的誤差角度的進一步減小是可能的，這時對電機將設置一種組合的繞組。在目前三相系統(tǒng)的該例中，例如可共同使用星形及三角形的連接。在三角形連接時，繞組電壓為級聯(lián)的線電壓，即兩個相電壓的差。由此除形成幅值較大的繞組電壓外也形成了對星形系統(tǒng)30°的相移。因此與上述星形連接一起可獲得總共十二個相位，這就是說，在利用這種系統(tǒng)時最大的電角度誤差可下降到30度即±15°。將找到合適的連接，這時對于一個定子極的錯位總是選擇最合適的相位，即具有最小相位偏差的相位。對繞制繞組僅要注意甚至電相 移僅是微不足道的繞組也不能并聯(lián)，而要串聯(lián)，因為否則將流過大的平衡電流。如果在相應的相內(nèi)涉及多個這樣的電相移的繞組，則這將另外導致總相電壓正弦基波合乎要求的比重。這種通過單獨相移所描述的同步比不是以所述方式錯位的極布置更減弱了總電壓的高次諧波分量。
所述的這種效應在多極的電機上更體現(xiàn)其優(yōu)越性，因為那里用于自槽特性的細小極錯位極大地減少了并有多個極參與相電壓。屬于此類的電機例如有低速運行的電機，具有大轉子直徑的電機，如牽引電動機及伺服電動機。
在圖4至7所示的另外實施例中，相同的或功能相同的部分用相同的標號來表示，但帶有字母a，b及c。
在圖4所示的實施例中，與轉子1a相連接的永久磁鐵2a在相應于箭頭3a的轉子運行方向上彼此排成行，其中交替地排列著由一個北磁極及一個南磁極構成的永久磁鐵段。通過一個極對構成與一完整磁周期對應的轉子磁場。在各個永久磁鐵2a之間設有隔離間隙，它相對運動方向傾斜地延伸，并同時交替地以相對運動方向3a相反的角度傾斜。在永久磁鐵2a的對面放置了定子極5a，其中三個定子極5a的一組落在每個轉子極對中。一組中的定子極總是由三相交流電壓供電，其中每個定子極設有一個繞組用于三相中的一相。
通過以相對運動方向相反的傾斜角使隔離間隙傾斜延伸同樣地達到自持力矩的減小，這時產(chǎn)生自持力矩的作用于轉子極的力相抵消。
圖5及6中的實施例與以上實施例的區(qū)別在于，在永久磁鐵之間沒有構成多個隔離間隙，而是在沿轉子1b的運動方向3b上延伸的磁體7和8之間構成一個單一連續(xù)的隔離間隙9。磁體7用于構成南磁極，而磁體8設來構成北磁極。該連續(xù)的隔離間隙具有正弦曲線形狀。在圖7的實施例中，該正弦狀的隔離間隙9被梯形狀的隔離間隙9c取代。在圖5至7所示具有不間斷的隔離間隙9的實施例中，與圖4結構不同，將不會出現(xiàn)由于隔離間隙的不連續(xù)所產(chǎn)生的不連續(xù)性。通過與運動方向相交的間隙位置的變化，將能通過穿過定子極的在轉子極上產(chǎn)生的帶有符號的磁場分量相加使產(chǎn)生的穿過定子的定子磁通變化。由此通過相對于轉子位置的間隙位置的適當周期性變化可以對于定子極中的附加變化及相供電的函數(shù)變化調(diào)整到理想的曲線形狀。也可與此無關地，通過兩個轉子極面的變化，轉子及定子極之間的磁場量相加使作用于定子極的力與轉子位置相關地變化，以便影響電機的自槽特性，而不需要專門的定子極形狀。
只要設計要求完全與齒槽力矩無關地工作，就必須在任意的轉子位置時僅僅從轉子角度來看是有效的磁場量通常在一個確定的時間間隔中保持恒定。作為設計原則，在一個時間間隔中兩個轉子極的有效磁場分量約正比于上述的磁場分量。通過在運動中使上述磁場量持續(xù)保持恒定，也可使作用在定子極上的力保持恒定，以便能使自持力矩完全被排除。
相反地，極面分量的差及作用于極上磁場的和(根據(jù)定義，北極構成正磁場矢量及南極構成負磁場矢量)確定了通過整個相關定子極的向外的主要剩余磁通；該磁通的時間導數(shù)則正比于例如在極上設置的繞組的電壓。因此，適當?shù)嘏帕修D子極和適當?shù)貥嫵呻S轉子位置而變的間隙變化用于產(chǎn)生一定的磁通變化，它最終造就了各相上最理想的電流及電壓變化曲線。
所述的關系可以從圖6中看出。由轉子極產(chǎn)生的兩部分磁通中的一個確定部分僅通過極頭部分，并由此補償了通過磁極的整個磁通。但同時，它與轉子位置及隔離間隙位置無關地持續(xù)維持了作用在極上的力并使其保持恒定。相反地，補償后所剩余的圖示總磁通直接地與隔離間隙位置有關，并將例如在極繞組中起作用。這些準則可被多種定子極形狀滿足。在一種簡單且成本合算的解決方案的情況下，僅是趨近于確定的曲線形狀。例如在圖7中所示的隔離間隙就是圖4中所示正弦狀隔離間隙的一種近似。容易看出，這種方案對電機的其余功率參數(shù)毫無影響，但可完全地排除自持力矩。
通過連續(xù)的隔離間隙產(chǎn)生的磁通損失通常要比上述用來減小自持力矩的公知的措施例如通過調(diào)整、加大空氣隙等產(chǎn)生的小得多。
在圖4所示實施例的情況下，通過中斷隔離間隙及由此產(chǎn)生的非連續(xù)性，雖然還能產(chǎn)生小的齒槽力矩，但相對而言在該結構情況下可達到電機的最大可能功率值。在該圖示的實施例中，定子體中的對稱性間斷對電機性能也不會產(chǎn)生通常會有的副作用。尤其是直線電機相對旋轉電機而言在運動方向上具有有限定子長度，因此可從提供的可能性中獲益。另外可能的構型涉及在定子空出的區(qū)域中某些結構部件的布置。這例如包括制動裝置，它直接地作用于轉子直徑，并因此在小的操作力的情況下產(chǎn)生大的制動力矩。再另外的構型涉及對該空間中存在的幾乎不受定子磁場影響的轉子磁場進行檢測或影響。另外可以在此空間中置入受轉子磁場影響的或影響轉子磁場的部件。有利的是，在那里設置轉子位置檢測裝置，它包括對磁敏感的半導體器件，尤其是霍爾傳感器，并且就這樣沒有單獨的專門極結構也行。但轉子磁場的影響也會帶來優(yōu)點，該作用可能與頻率有關，如在旋轉制動器的情況下，但也可與位置有關且是周期性的，如在鐵磁部件的附加磁極的情況下，它們通過相應的構型可以產(chǎn)生自身的、所需的槽性能。
以此方式例如可以為了最大轉矩而利用圖4的極結構，同時采用適當?shù)挠绊戅D子磁場的結構使還可能出現(xiàn)的小自持力矩得到補償。
在所述的電機實施例中每相僅需要每個磁周期一個定子極。為了在定子極中產(chǎn)生最大的磁通，預定的轉子極寬度必須至少與定子同樣寬。但因為僅采用了二個轉子極，因此極區(qū)相當窄。由此比在永磁電機情況下使用的磁性材料大大地減少。通過各相在電機中均勻地分布的對稱的結構，對于容差及噪聲形成的敏感性很小。
因為每個定子極僅攜有一個繞組，在需要時該繞組可最佳地預制造出來并隨后單獨地安裝。
各個定子極結構緊湊，其上放置的繞組在繞組長度上作成盡可能短，其中繞組頭應保持極小，使在小重量及小結構形狀的情況下電機的效率高。
圖1及3中所示的電機還可通過轉子極的一定構型來影響其工作性能。例如可以對轉子極進行簡單調(diào)整，在保持最大功率參數(shù)的情況下使之適應于供電電源的波形，并使自槽力矩進一步減小。
權利要求
1.一種電機，具有用以產(chǎn)生在轉子運動方向(3)連續(xù)的、各與整的磁周期相對應的磁場的它激轉子結構(1)，并具有沿轉子結構連續(xù)布置的定子磁極(5)，其特征在于落在一個磁周期中的定子極數(shù)偏離一整數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1的電機，其特征在于通過偏離產(chǎn)生的、在磁場周期和定子極之間可變的錯位至少部分地是由對定子極繞組相應地在時間上錯開的供電進行補償?shù)摹?br> 3.根據(jù)權利要求2的電機，其特征在于為了時間上錯開的供電，設置了由一種多相供電電壓產(chǎn)生另外供電電壓相的電路。
4.根據(jù)權利要求3的電機，其特征在于該電路是由定子極繞組的適當連接構成的。
5.根據(jù)權利要求4的電機，其特征在于設置了由一種三相電壓產(chǎn)生另外電壓相的包括星形連接或/和三角形連接的連接電路。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項的電機，其特征在于轉子極是由永久磁鐵(2)構成的。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項的電機，其特征在于設置了多個定子極組，每組具有相同數(shù)目的定子極(5)及每組由一種供電電壓的多相供電。
8.根據(jù)權利要求7的電機，其特征在于定子極組設有其數(shù)目與一種供電電壓的相數(shù)相對應的定子極(5)。
9.根據(jù)權利要求7或8的電機，其特征在于一個定子極組的每個定子極(5)各具有一個繞組，用于每一供電電壓相。
10.一種電機，具有用以產(chǎn)生在轉子運動方向(3)連續(xù)的并各與整的磁周期相對應的磁場的它激轉子結構(1)，并具有與這些磁場對應的連續(xù)布置的定子極，其特征在于連續(xù)的、并各與整的磁周期相對應的磁場是通過具有交替的一個北磁極和一個南磁極的永久磁鐵段構成的，其中在永久磁鐵段之間設有隔離間隙，這些隔離間隙相對于轉子運動方向以交替相反的傾斜角度傾斜地延伸。
11.根據(jù)權利要求10的電機，其特征在于該隔離間隙是一個單一的、連續(xù)的隔離間隙(9)的一部分，通過隔離間隙(9)使在運動方向延伸的包括永久磁鐵段的磁體(7，8)彼此隔開，在磁體中一個包括用于北極的磁鐵部件，另一個包括用于南極的磁鐵部件。
12.根據(jù)權利要求11的電機，其特征在于該連續(xù)的隔離間隙具有一個正弦曲線(9b)或梯形曲線(9c)的形狀。
13.根據(jù)權利要求10至12中任一項的電機，其特征在于隔離間隙(6)及連續(xù)的間隙(9)其間隙寬度是變化的。
14.根據(jù)權利要求10至13中任一項的電機，其特征在于在構成一種電或/和機械上不對稱的電機結構的情況下從相應于連續(xù)磁場的定子極排中去掉一個或多個定子極。
全文摘要
一種電機,具有用以產(chǎn)生在轉子運動方向(3)連續(xù)的并各與整的磁周期相對應的磁場的它激轉子結構(1),并具有沿轉子結構連續(xù)布置的定子極(5),其特征在于:落在一個磁周期中的定子極數(shù)偏離一整數(shù)。通過偏離產(chǎn)生的,在磁場周期及定子極之間可變的錯位至少部分地通過對定子極繞組相應的時間上錯開的供電進行補償。為了時間上錯開的供電,設置了由一種多相供電電壓產(chǎn)生另外供電電壓相的電路。該電路是由定子極繞組的適當連接構成的,例如設置了由一三相供電電壓產(chǎn)生另外電壓相的、包括星形連接或/和三角形連接的連接電路。
文檔編號H02K29/03GK1177425SQ96192338
公開日1998年3月25日 申請日期1996年3月1日 優(yōu)先權日1995年3月3日
發(fā)明者羅爾夫·斯托斯曼, 托馬斯·斯托斯曼 申請人:羅爾夫·斯托斯曼