用于具有低振动和低电阻损耗的高速应用的永磁三相机器制造技术

一种紧凑的三相永磁旋转机器，其具有最小的磁阻转矩和电磁转矩波动以及最大的能量效率和每单位绕组体积的启动转矩，所述三相永磁旋转电机包括具有3(2n+1)个铁磁极和槽的电枢，其中，n是1或更大的整数，以及具有2、4或6个永磁体磁极的永磁体组件。绕组的三相中的每一相都包括多个线圈，每个线圈缠绕在相应的铁磁极上并且占据直接位于相应磁极的每一侧上的一对槽。特定相位的线圈位于铁磁极圆形阵列的包含2n+1个磁极的扇区内。

Permanent magnet three-phase machine for high speed applications with low vibration and low resistance loss

A compact three-phase permanent magnet rotating machine has minimum reluctance torque and electromagnetic torque fluctuation, maximum energy efficiency and starting torque per unit winding volume. The three-phase permanent magnet rotating motor comprises an armature with 3 (2n + 1) ferromagnetic poles and slots, wherein n is an integer of 1 or larger, and a permanent magnet assembly with 2, 4 or 6 permanent magnet poles. Each phase of the three phases of the winding includes a plurality of coils, each of which is wound on the corresponding ferromagnetic pole and occupies a pair of grooves directly located on each side of the corresponding pole. The coil with specific phase is located in the sector of the circular array of ferromagnetic poles, which contains 2n + 1 poles.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于具有低振动和低电阻损耗的高速应用的永磁三相机器
本专利技术涉及对三相永磁旋转电机(例如，电动机和发电机)的改进。更具体地，本专利技术涉及这样的改进，其使磁阻转矩和电磁转矩波动最小化，同时使紧凑性、能量效率、每单位绕组体积的电动机启动转矩以及操作速度最大化。本专利技术还涉及这样的改进，其将磁阻转矩和电磁波动的第一和随后的谐波从较低的频率范围移动到较高的频率范围，所述较高的频率范围可以是不太可能被人听到和感觉到的。
技术介绍
过去已经利用奇数个槽和电枢极以及偶数个永磁体磁极来生产具有开槽电枢和多线圈相的永磁电动机，以减小磁阻转矩，从而减小振动，如美国专利第4,437,029号和4,532,449号所示的电动机所例示的。然而，用于这样的电动机的绕组的线圈或者叠置在彼此之上，或者如果不叠置，则需要使用多于三相。在前一种情况下，叠置的线圈倾向于使绕组中的导线数量最大化，从而使其体积和阻抗二者最大化，并且使每匝的效率和转矩(或emf)最小化。在后一种情况下，由于需要对应的增加复杂性和费用的大量相位切换电路，因此大量的相是不期望的。已经设计了具有多线圈相的三相永磁电动机，其中，个体线圈不叠置在彼此上。然而，即使线圈不重叠，但是由于一个相的线圈可以被间隙地插入在另一相的线圈之间，因此相位可能重叠。这样的绕组配置尽管使自感最小化(这在高速应用中是有益的)，但是会产生电磁转矩波动并且降低每单位体积导线的启动转矩，这二者在许多应用中是不利的。相反，如美国专利第4,188,556号所例示的，具有相等数量的电枢槽和永磁体磁极的电动机的特性在于相当大的磁阻或“嵌齿”转矩，其在许多应用中会产生有害的振动。在美国专利第4,774,428号中描述了试图解决本领域中的这样的缺陷的设计。这种设计通常是有效的，但是仅在较低的速度(例如，6krpm至15krpm)下有效。在较高的速度下，这种设计的相对较高的磁极数需要非常高的脉冲宽度调制(PWM)切换，从而引起较高的控制器场效应晶体管(FET)和磁芯损耗。因此，需要一种三相永磁旋转电机，其兼容地满足以下目标中的全部：紧凑性、极小磁阻转矩以及电磁转矩波动、最大能量效率和每单位体积导线的启动扭矩，其适用于高速(例如，15krpm以上)操作。
技术实现思路
本专利技术提供特征的独特组合，其在三相永磁旋转机器(例如，电动机或发电机)中兼容地满足所有上述竞争目标。机器可以具有相对于永磁体组件在内部或外部的电枢，并且可以具有径向或轴向间隙。根据本专利技术的原理，一种电枢，其具有铁磁芯，所述铁磁芯具有3(2n+1)个突出的铁磁极(n为一或更大的整数)，所述铁磁极以圆形阵列布置并且通过相同数量的槽将所述铁磁极彼此隔开，以及具有两个、四个或六个磁极的圆形阵列的永磁体组件被安装以用于相对于彼此旋转。这种结构使得能够利用三相(每一相具有多个线圈)，其与电枢的铁磁极数量不同的永磁体磁极相组合，使得磁阻转矩的大小最小化，同时其每转频率最大化。三相绕组的紧凑性和高能量效率是通过将每一相的每个线圈缠绕在相应的铁磁电枢极上而实现的，使得每个线圈占据直接位于相应电枢极的每一侧上的一对槽。这种结构避免了相应线圈的任何重叠，从而使线圈线体积最小化，并且从而也使绕组的阻抗最小化，同时使其效率和每匝的转矩(或emf)最大化。使电磁转矩波动最小化并且使每单位体积导线的启动转矩最大化是通过将每一相的线圈集中到电枢的有限扇区中来实现的，使得相以及它们个体的线圈不彼此重叠。这是通过使每相的线圈占据位于仅包含2n+1个电枢极的电枢极扇区内的2n+2个电枢槽并且以交替或不交替极性缠绕线圈来实现的。尽管紧密放置交替极性的线圈会增加每一相的自感，但所得到的阻抗增加是微不足道的，除非在异常高的电机速度下。在实施例中，提供了一种三相永磁旋转电机。机器包括：具有铁磁芯的电枢，所述铁磁芯具有3(2n+1)个突出的铁磁极，所述铁磁极以圆形阵列布置并且通过相同数量的槽将其彼此隔开，所述槽间隙地位于所述铁磁极之间，其中，n是1或更大的整数；具有两个、四个或六个磁极的圆形阵列的永磁体组件；用于安装所述电枢和所述永磁体组件以用于相对于彼此的相对旋转的单元；以及三相线圈单元，其安装在所述槽内的所述电枢上，所述线圈单元的所述三相中的每一相包括多个线圈，每个线圈缠绕在各自的铁磁极上，并且每个所述极缠绕有单相线圈。每个线圈可以占据直接位于铁磁极每一侧上的一对槽。一相内的线圈可以由其他相彼此间隙地隔开。每一相的所有线圈可以位于铁磁极的圆形阵列的预定扇区内，所述线圈单元的每一相的线圈以相同或交替的极性缠绕，并占据2n+2个槽并且位于铁磁极的所述圆形阵列的包含2n+1个铁磁极的扇区内。永磁体组件可以仅包括两个磁极。永磁体组件可以仅包括四个磁极。永磁体组件可以包括六个磁极。电枢可以设置在永磁体组件的内部。电枢可以设置在永磁体组件的外部。在参考附图考虑以下描述和所附权利要求(所有这些形成了本说明书的一部分，其中，相同的附图标记在各个附图中标示对应的部分)时，本专利技术的这些和其他目的、特征和特性以及操作方法和结构的相关元素的功能以及部件的组合和制造经济性将变得更加显而易见。然而，应明确地表达，附图仅出于说明和描述的目的，并且不旨在作为对本专利技术的界限的定义。附图说明图1是本专利技术的示例性径向间隙实施例的示意图；图1A是适用于图1的设备的绕组的一个实施例的示意图；图1B是适用于图1的设备的替代绕组实施例的示意图；图2是本专利技术的另一示例性的径向间隙实施例的示意图；图3是本专利技术的又一示例性的径向间隙实施例的示意图；并且图4是本专利技术的又一示例性的径向间隙实施例的示意图。具体实施方式如本文所使用的，单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。如本文所使用的，两个或多个部件或组件被“耦合”的陈述应意指，只要发生链接，这些部件就可以直接或间接地(即，通过一个或多个中间部件或组件)连接或一起操作。如本文所使用的，“直接耦合”意指两个元件彼此直接接触。如本文所使用的，“固定地耦合”或“固定”意指两个部件被耦合以便在保持相对于彼此恒定取向的同时运动。如本文所使用的，词语“单位”意指部件被创建为单个零件或单元。即，包括单独创建并且然后作为单元耦合在一起的零件的部件不是“单位”部件或主体。如本文所采用的，两个或更多个部件或组件彼此“啮合”的陈述应意指组件直接或通过一个或多个中间部件或组件而彼此施加力。如本文所使用的，术语“数量”应意指一个或大于一的整数(即，多个)。本文所使用的方向性短语(例如但不限于顶、底、左、右、上、下、前、后及其派生词)涉及附图中所示元素的方向，并且除非在权利要求中明确记载，否则不限制权利要求。参考图1所示的本专利技术的示例性实施例，通常指示为10的旋转电机包括外部永磁转子组件12，其包括铁磁环形芯或外壳14，在其内表面上安装有圆形阵列的径向或直径向(平行)的陶瓷铁氧体、稀土钴或其他合适类型的磁化永磁铁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三相永磁旋转电机(10，10'，100，100')，包括：/n具有铁磁芯的电枢(18，118)，所述铁磁芯具有3(2n+1)个突出的铁磁极，所述铁磁极以圆形阵列布置并且通过相同数量的槽将所述铁磁极彼此隔开，所述槽间隙地位于所述铁磁极之间，其中，n是1或更大的整数；/n具有两个、四个或六个磁极的圆形阵列的永磁体组件(12，12'，112，112')；/n用于安装所述电枢和所述永磁体组件以用于相对于彼此的相对旋转的单元；以及/n三相线圈单元，所述三相线圈单元安装在所述槽内的所述电枢上，所述线圈单元的所述三相中的每一相包括多个线圈，每个线圈缠绕在相应的铁磁极上并且每个所述极缠绕有单相线圈。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170331 US 62/4797131.一种三相永磁旋转电机(10，10'，100，100')，包括：
具有铁磁芯的电枢(18，118)，所述铁磁芯具有3(2n+1)个突出的铁磁极，所述铁磁极以圆形阵列布置并且通过相同数量的槽将所述铁磁极彼此隔开，所述槽间隙地位于所述铁磁极之间，其中，n是1或更大的整数；
具有两个、四个或六个磁极的圆形阵列的永磁体组件(12，12'，112，112')；
用于安装所述电枢和所述永磁体组件以用于相对于彼此的相对旋转的单元；以及
三相线圈单元，所述三相线圈单元安装在所述槽内的所述电枢上，所述线圈单元的所述三相中的每一相包括多个线圈，每个线圈缠绕在相应的铁磁极上并且每个所述极缠绕有单相线圈。


2.根据权利要求1所述的三相永磁旋转电机，其中，每个线圈占据一对槽，所述槽直接位于所述铁磁极的每一侧上。

【专利技术属性】
技术研发人员：R·H·诺里斯，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL