專利名稱：永磁電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁電機，尤其是具有永磁環(huán)形磁鐵轉(zhuǎn)子的電動機，該轉(zhuǎn)子能減小齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩，并能增大磁通量。
然而，就此種三相步進(jìn)電機而言，還未獲得有效的方式，來減小齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩以及增大磁通量。
根據(jù)與具有永磁環(huán)形磁鐵轉(zhuǎn)子的常規(guī)三相混合式步進(jìn)電機有關(guān)的磁場進(jìn)行的二維分析來看，能觀察到出乎意料的磁通量流量，且發(fā)現(xiàn)了磁極的形態(tài)是可以改進(jìn)的。


圖1顯示先前設(shè)計樣式的永磁型步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)。該步進(jìn)電機包括定子鐵心1和轉(zhuǎn)子4。定子鐵心1包括一個筒形定子架、6個從定子架周邊表面上徑向延伸的磁極2、多個形成于每個磁極2的末梢一端上的小定子齒3，以及磁勵的繞組(未顯示)，每個繞組均圍著每個磁極2纏繞。轉(zhuǎn)子4被安置得與定子鐵心1同心，并包括筒形的永磁磁鐵5以及與永磁磁鐵5的內(nèi)周邊表面緊密接觸的磁材料的底座架(backyoke)6，永磁磁鐵5的外周邊表面面對著有間隙的內(nèi)周邊表面，該內(nèi)周邊表面形成于小定子齒3的內(nèi)周邊表面上。永磁磁鐵5具有交錯地順著其周邊方向上以相同間隔安置的P片N磁極和P片S磁極。
形成于小定子齒3之間的一條槽，其深度為0.4mm；定子鐵心1的小定子齒3的內(nèi)周邊表面與轉(zhuǎn)子4的外周邊表面之間的氣隙，其長度為0.06mm。
永磁磁鐵5具有32個由釹束(neodymium bond)制成的徑向各向異性的磁極件。據(jù)認(rèn)為永磁磁鐵5的形狀，例如正方形或局部的切割，不會影響計算結(jié)果，從而，為了節(jié)儉地計算，此種形狀是不被考慮的。
對于有效單元法(FEM)的計算來說，只考慮磁鐵的上半部分以便利用周期性，且氣隙被以0.25°的間隔來分隔開，以便確保齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的精確性，而穿過繞組的互連磁通量，以及齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩，是以在0.75°的間隔之內(nèi)轉(zhuǎn)動得直到22.5°為一個周期來計算的。
圖2A與2B顯示分析后所獲得的磁通量流量。根據(jù)這些圖紙來看，可得到下列結(jié)果(1)較大的磁通量穿過小定子齒3之間的槽；(2)在鄰接的各個磁極之間的磁通量是緊密的；(3)穿過繞組的總的互連磁通量的75％進(jìn)入中央那個齒，而總的互連磁通量的25％進(jìn)入兩側(cè)的齒；(4)穿過中央那個齒的磁通量是波動的，同時又穿過有槽的部分，且還穿過兩側(cè)的齒。
已經(jīng)考慮到使磁路形成得讓磁通量幾乎不穿過有槽的部分，但有效磁通量卻對等地在每個小定子齒中穿過。然而，在實際的電機中，卻發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了上述那種出乎意料的磁通量流量。互連磁通量的3.36E-5(Wb)這個值，與根據(jù)實際測量到的感應(yīng)電壓值而計算出來的互連磁通量的3.18E-5(Wb)這個值相吻合，從而計算的有效性是可靠的。
現(xiàn)在來討論顯示在表1中的所提出的設(shè)計方案。
表1

在此，○是常規(guī)設(shè)計方案，①是第一方案，②是第二方案，且③是第三方案。
在第一方案中，鄰接的各個小定子齒之間的距離，從常規(guī)設(shè)計方案那88.9％的短間距，變?yōu)橄嗨朴诖艠O周期的全間距；小定子齒的寬度，以及鄰接的各個小定子齒之間那條槽的深度，被確定得使從槽部分泄露出的磁通量最小；且每個底座架以及用于連接磁極各個小齒的肩部部分的厚度，被確定得使磁性飽和的作用最小。
結(jié)果，互連磁通量就增大40％，然而，由于齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩增大了約8倍，第一方案并非良好的方案。齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的波形的計算數(shù)值顯示于圖8中。
表1顯示得明白，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩就像其他三相混合式步進(jìn)電機一樣，具有第六諧波(harmonic)的振動。在正常的m相電機的情況下，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩具有第二諧波。在此情況下，為了去除第六諧波，就選擇第六諧波平面中的偏移角(120°/2m/p＝1.25°)，在該偏移角上各個矢量被平衡(360°/s＝120°)。
在第二和第三方案中，采用360°/p(1-1/2ms)＝21.25°的間距。在此處，s為每個帶繞組的磁極的小齒的數(shù)目，m為相數(shù)，而p為磁極對的數(shù)目＝16。結(jié)果，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩就相似于常規(guī)設(shè)計方案的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩，但互連磁通量卻可增大30％或更多。相應(yīng)地，由于該轉(zhuǎn)矩與互連磁通量成比例，輸出量就能增大得多于30％。另外，小定子齒的寬度能被增大到某種程度。在此情況下，就選擇由于偏移角而較小的間距，該間距小于轉(zhuǎn)子磁極對那個間距360°/p。然而，如果由于偏移角而使360°/p(1+1/2ms)＝23.75°這個間距大于所選擇的間距，則可獲得同樣的結(jié)果。
如上所述，可以假設(shè)最優(yōu)數(shù)值接近小齒間距為21.25°的第二與第三方案。然而，必須確定最優(yōu)數(shù)值是考慮到下列幾點的(1)更佳的小齒寬度；(2)更佳的槽深度；(3)更佳的底座架厚度；以及
(4)更佳的肩部厚度，該肩部使磁極的各個小齒與繞組連接。
下面，通過磁場分析，來探討由于小齒寬度等等而對互連磁通量產(chǎn)生的作用。根據(jù)表1中最佳的第三方案③，使小齒寬度等等變化而計算互連磁通量，得出隨后的結(jié)果。
(小齒寬度的作用)圖4顯示在小齒寬度從1.6mm變?yōu)?.4mm的情況下，所計算出的互連磁通量及齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的數(shù)值。
在此，小齒間距為0.944mm，小齒深度為1.0mm，肩部厚度為1.5mm，底座架厚度為1.75mm。
當(dāng)小齒寬度為2.2mm時互連磁通量最大，它與22.5°的磁極間距的比率為0.431。齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩并不這么受小齒寬度的影響。
(鄰接的各小齒之間的那條槽的作用)圖5顯示在小齒部分處的槽的深度從0.4mm變?yōu)?.6mm的情況下，所計算出的互連磁通量對應(yīng)于常規(guī)設(shè)計方案的比率之間的關(guān)系。
在此，小齒間距為0.944mm，小齒寬度為2.2mm，肩部厚度為1.5mm，底座架厚度為1.75mm。
可看出，互連磁通量相應(yīng)于槽深度的增大而均勻地增大。
如果槽的深度變大，其作用就飽和了，從而，最好槽的深度約為1.0mm。如果就是1.0mm，那么，互連磁通量就比常規(guī)設(shè)計方案的互連磁通量增大約35％。
(肩部部分及底座架的厚度的作用)圖6與圖7分別顯示磁極肩部部分的厚度及底座架厚度對于互連磁通量的作用。
要注意，在圖6與圖7所示肩部厚度及底座架的范圍內(nèi)，互連磁通量并不受影響。大于0.9mm的底座架厚度是必要的，因為厚度為0.75mm時，互連磁通量微微減小。
如上述結(jié)果那樣，在表1的推薦數(shù)值那一列中顯示的數(shù)值是最好的。圖8顯示在對應(yīng)于常規(guī)設(shè)計方案或先前方案的情況下，感應(yīng)電壓的波形。圖8明白地顯示出，振幅增大了約37％，且波形接近正弦波。
圖9顯示磁通量的流量。在每個小齒處的磁通量的分布都有改進(jìn)，且穿過那條槽的波動的磁通量，比起圖2B中所示常規(guī)設(shè)計方案中的磁通量來減少了。另外，磁極肩部部分0.9mm的厚度，從磁路的角度來看是充足的。然而，肩部部分的厚度能被增大，就像在常規(guī)設(shè)計方案中考慮到機械強度那樣。
本發(fā)明就是通過這些新知識而達(dá)成的。
本發(fā)明的另一個目的，是提供一種永磁電機，它包括一個定子，以及一個以二者之間的間隙面對著定子的永磁磁鐵轉(zhuǎn)子；定子具有多個順著徑向朝著轉(zhuǎn)子的周邊表面延伸的定子磁極、s個形成于每個定子磁極末梢一端上的小定子齒，以及圍著定子磁極纏繞的三相的磁勵繞組；轉(zhuǎn)子具有筒形永磁磁鐵，該磁鐵具有順著其周邊方向以相等間距交錯地安置的N磁極件和S磁極件，其中，小定子齒的間距，比轉(zhuǎn)子磁極對的間距，大1±1/(6s)倍。
小定子齒的寬度為磁極間距的37％至47％。
形成于鄰接的各個小定子齒之間的那條槽的深度，比定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙的長度，大15倍。
本發(fā)明的上述目的、特性及優(yōu)點，從以下用附圖顯示的對本發(fā)明的推薦實施例所做的更為詳盡的說明中，就可明白。
圖2B顯示圖2A所示磁通量的一個部分的放大視圖；圖3顯示齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩的波形；圖4的曲線圖，顯示小齒寬度、互連磁通量以及齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系；圖5的曲線圖，顯示槽的深度與互連磁通量之間的關(guān)系；圖6的曲線圖，顯示磁極肩部部分的厚度與互連磁通量之間的關(guān)系；圖7的曲線圖，顯示底座架的厚度與互連磁通量之間的關(guān)系；圖8的曲線圖，顯示對應(yīng)于推薦數(shù)值及常規(guī)設(shè)計方案的數(shù)值的感應(yīng)電壓的波形；圖9是磁通量流量的放大視圖。
轉(zhuǎn)子4包括筒形的永磁磁鐵5，該磁鐵具有順著其周邊表面以相等間距被交錯地安置的p片N磁極和p片S磁極。
小定子齒3的間距，比轉(zhuǎn)子磁極對的間距大1±1(2ms)倍。在此，m為本發(fā)明的永磁電機的相數(shù)。
在本發(fā)明的另一個實施例中，小定子齒的間距，比轉(zhuǎn)子磁極對的間距大(1±1/6s)倍。
小定子齒的寬度為磁極間距的37％至47％。形成于鄰接的各個小定子齒之間的那條槽的深度，比定子鐵心1與轉(zhuǎn)子4之間的氣隙的長度大15倍。
在本發(fā)明中，小齒8的寬度，被設(shè)定為2.2mm，而常規(guī)設(shè)計方案的該寬度為2.0mm。
鄰接的各個小定子齒之間的那條槽的深度設(shè)定得不大于1.0mm，而常規(guī)設(shè)計方案的該深度為0.4mm。
連接著鄰接的各個小定子齒的那個磁極肩部，其厚度設(shè)定得約為0.9mm，而常規(guī)設(shè)計方案的該厚度為1.1mm。
底座架的厚度設(shè)定為1.0mm，而常規(guī)設(shè)計方案的該厚度為1.0mm。
根據(jù)本發(fā)明，如上所述，互連磁通量就能夠增大，且齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩能被減小。
盡管已經(jīng)參照附圖對本發(fā)明專門顯示并說明了，但專業(yè)人員都明白，只要不背離如隨附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的宗旨與范圍，就可以在形式和細(xì)節(jié)上對本發(fā)明做各種各樣的修改。
權(quán)利要求
1.一種永磁電機，它包括一個定子，以及一個永久磁鐵轉(zhuǎn)子，該永磁磁鐵轉(zhuǎn)子面對定子，其間帶有一個間隙；定子具有多個順著徑向朝著轉(zhuǎn)子的周邊表面延伸的定子磁極、s個形成于每個定子磁極末端上的小定子齒，以及圍著定子磁極纏繞的m相的磁勵繞組；轉(zhuǎn)子具有筒形永磁磁鐵，該磁鐵具有順著其周邊方向以相等間距交錯地安置的N磁極件和S磁極件，其中，小定子齒的間距，比轉(zhuǎn)子磁極對的間距大1±1/(2ms)倍。
2.一種永磁電機，它包括一個定子，以及一個永磁磁鐵轉(zhuǎn)子該永磁磁鐵轉(zhuǎn)子面對定子，其間帶有一個間隙；定子具有多個順著徑向朝著轉(zhuǎn)子的周邊表面延伸的定子磁極、s個形成于每個定子磁極末端上的小定子齒，以及圍著每個定子磁極纏繞的三相的磁勵繞組；轉(zhuǎn)子具有筒形永磁磁鐵，該磁鐵具有順著其周邊方向以相等間距交錯地安置的N磁極件和S磁極件，其中，小定子齒的間距比轉(zhuǎn)子磁極對的間距大1±1/(6s)倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的永磁電機，其特征在于小定子齒的寬度為磁極間距的37％至47％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的永磁電機，其特征在于形成于鄰接的各個小定子齒之間的那條槽的深度，比定子鐵心1與轉(zhuǎn)子之間的氣隙的長度大15倍以上。
全文摘要
一種永磁電機,它包括一個定子,以及一個永磁磁鐵轉(zhuǎn)子,該永磁磁鐵轉(zhuǎn)子面對定子,其間帶有一個間隙;定子具有多個順著徑向朝著轉(zhuǎn)子的周邊表面延伸的定子磁極、s個形成于每個定子磁極末端上的小定子齒,以及圍著定子磁極纏繞的m相的磁勵繞組;轉(zhuǎn)子具有筒形永磁磁鐵,該磁鐵具有順著其周邊方向以相等間距交錯地安置的N磁極件和S磁極件,其中,小定子齒的間距比轉(zhuǎn)子磁極對的間距大1±1/(2ms)倍。小定子齒的寬度為磁極間距的37%至47%。形成于鄰接的各個小定子齒之間的那條槽的深度比定子鐵心與轉(zhuǎn)子之間的氣隙的長度大15倍以上。
文檔編號H02K37/04GK1379533SQ0210871
公開日2002年11月13日 申請日期2002年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月30日
發(fā)明者大西和夫, 坂本正文, 菊地范芳 申請人:日本伺服株式會社