CN101615833A - 具有减少的转矩波动的永磁体励磁的同步电机 - Google Patents
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Abstract
在设计具有槽数q＝1/2的三相PN－同步电机时的设计自由度在很小的转矩波动的情况下趋于增长。因此，提出了一种相应的同步电机，在该同步电机中，转子的永磁体的极隙和斜面是这样确定尺寸的，即由各自的定子场和转子场的第5和第7谐波所引起的振动转矩相互减小。特别地，斜面可以根据极隙这样地选择，即各个振动转矩绝大部分地抵消。由此得出了最小的转矩波动。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁体励磁的同步电机，该同步电机设计用于三相运行。该同步电机具有：定子，在该定子中每个齿部由线圈绕组围绕，且该定子具有槽数q＝1/2；以及转子，在该转子上设置了永磁体，该永磁体具有沿圆周方向的极隙和相关于轴向方向的斜面。
背景技术
具有定子(该定子具有围绕每个齿部的线圈绕组且该定子具有槽数q＝1/2)的三相的PM-同步电机(永磁体励磁的)具有转矩波动，该转矩波动特别由定子场和转子场的第5和第7谐波引起。在此，槽数相当于定子槽数N1的数量除以极2p的数量的三倍，也就是说q＝N1/(3×2p)。当转子场的第5谐波与定子场的第5谐波耦合且同时这两个场具有不同于转子转数的另一个转数时，则也例如产生转矩波动。
由于较简单的制造技术，在磁极之间的大的极隙是有意义的。然而当极隙处于20％至42.9％的极距τp之间时，谐波以及进而由此引起的振动转矩因此也特别大的。所以，迄今为止几乎没有具有在该范围中的极隙的机器是利用槽数q＝1/2制造的。
关于转矩波动，迄今为止通常采用下述措施来减少或消除转子的第5和第7谐波。这例如通过利用磁体和/或磁体的倾斜或分段来对转子进行有目的的极覆盖来实现。
由出版物WO 2004/109894A1公开了一种这样类型的永磁体励磁的同步电机。通过一半的槽距0.5×Tn的斜面或通过3/5×Tn的斜面而实现转子场的第5谐波的完全的消除。在此，Tn称为槽距。在3/7×Tn的斜面的情况下，消除了转子场的第7谐波。槽距Tn的这种60％的斜面与85％的极覆盖的组合不仅导致第5而且也导致第7谐波的完全衰减或消除。3/7×Tn的斜面与约80％的极覆盖的组合也不仅导致第5而且也导致第7谐波的完全衰减或消除。
发明内容
因此，本发明的目的在于，在小的总转矩波动的情况下对具有槽数q＝1/2的三相的PM-同步电机的制造技术加以简化和因此也扩大用于这种机器的设计自由度。
根据本发明，该目的通过根据权利要求1的永磁体励磁的同步电机来实现，该同步电机设计用于三相运行，该同步电机具有：定子，在该定子中每个齿部由线圈绕组围绕，且该定子具有槽数q＝1/2；以及转子，在该转子上设置了永磁体，该永磁体具有沿圆周方向的极隙和相关于轴向方向的斜面，其中极隙和斜面是这样确定尺寸的，即由各自的定子场和转子场的第5和第7谐波所引起的振动转矩相互减小。斜面在轴向投影中相关于40％至57.2％的极距在圆周方向上具有一斜面角度。为了随后尽可能地抵消第5和第7谐波引起的振动转矩，相关于极距的极隙应处于20％至42.9％的范围中。
根据一个特别优选的实施例，取决于极隙/极距的比例plbpt的斜面角度/极距的比例schdpt适用于以下公式：schdpt＝-0.75×pldpt+72.2％。一旦斜面角度和极隙满足该函数，就可期待振动转矩的几乎完全的补偿。
然而取决于极隙/极距的比例pldpt的斜面角度/极距的比例schdpt也可处于-0.75×pldpt+72.2％和-0.75×pldpt+72.2％-10％之间的范围中。由此限定了一公差带，在该公差带中第5和第7谐波的振动转矩绝大部分得到补偿，从而总是可以期待非常小的转矩波动，也就是说高质量的PM-同步电机。
通过该同步电机能够以有利的方式应用相对大的极隙，也就是说保持小的极覆盖(pole coverage)和因此保持转矩波动尽可能小。
优选地，由各自的定子场和转子场的第5和第7谐波所引起的振动转矩基本上彼此抵消。因此以几乎最佳的方式充分利用该实际情况，即由第5谐波所引起的振动转矩相对于该由第7谐波所引起的振动转矩相对地指向。
同步电机的转子基础极对数可以与定子基础极对数相符。
此外，为了斜面，永磁体可在圆周方向上分段。由此可成本低廉地在转子上实现永磁体的斜面。
附图说明
以下根据附图更详细地说明本发明，附图示出：
图1示出了穿过具有十二极的定子和八极的转子的PM-同步电机的横截面图；
图2示出了图1的放大的局部图；
图3示出了在根据本发明的六极的转子上的俯视图；
图4示出了图3的转子的正面视图；
图5示出了用来描绘取决于斜面和极隙的PM-同步电机的扩大的应用范围的图表。
具体实施方式
下面详细描述的实施例描绘了本发明的优选的实施例。
在图1中以横截面图示出了PM-同步电机。定子1具有十二个极2。在定子1的内部中的转子3具有八个极，这些极在该视图中由八个永磁体4代表。
图2示出了图1的放大的局部图。在此又可辨识出定子1具有其齿部2和转子3具有其永磁体4。定子1的齿部2由未进一步示出的线圈绕组5缠绕。然而特别地由图2也可识别出极隙pl。该极隙可通过沿圆周方向的角度来量化。
根据本发明为了减小转矩波动，除了特别地确定极隙的尺寸之外也要使磁体进行特定的倾斜或分段。磁体的这种分段在图3中借助六极的转子示出。也就是说，本发明不局限于根据图1和2的八极的转子，而是可应用任意极数的转子。
图3的转子13的纵向侧视图示出了多个单一磁体14，这些磁体在轴向方向设置成为倾斜的磁体行。该磁体行彼此之间具有一定的距离，该距离与极隙pl相符。在这种情况下，极隙pl约为极距τp的30％。后者描述了在圆周方向上相邻的两个永磁体17之间的角度。极隙pl与圆周方向上的角尺寸相符，该角尺寸由在圆周方向上相邻的两个永磁体14的距离给出。
在图3中还可以辨识出，即在轴向方向上相邻的两个永磁体14沿圆周方向偏移了一个分段角度α。在本实施例中，在数量为五个的永磁体沿转子13的轴线的情况下给出在分段角度α＝5.4°时的斜面角度为27°。如果例如八个永磁体14沿着转子13的轴线设置，那么例如给出在分段角度α＝3.25°时的斜面角度为26°。
在图4中以正面视图示出图3的转子。在该视图中，永磁体14的分段在其角尺寸中是可良好地辨识出的。在该视图中，也就是永磁体14的倾斜或分段沿轴向方向投影到垂直于轴线的平面上。因此可以辨识出在两个轴向相邻的永磁体14之间的分段角度α。此外，角度β表征了极距τp。
在现有技术中这样来确定斜面和极隙的尺寸，即谐波和特别是转子的第5和第7谐波要尽可能的小。如果通过二维的图表描绘，那么在该图表中纵坐标代表相关于极距的斜面和横坐标代表相关于极距的极隙，因此只能利用区域A。在该区域中，相对的极隙是比较小的且基本上在20％以下。
然而本发明的目的在于，不消除单个的谐力波，而是通过合适的措施来使用转子场的大的谐波用来使单个的振动转矩相互减小。此外目的在于，即第5谐波的振动转矩M5和第7谐波的振动转矩M7的值具有尽可能相同的振幅，但具有相反的方向(相位移动180°)。定子场和转子场的第5谐波导致的振动转矩具有如由第7谐波而引起的振动转矩一样的频率。该频率相当于电基频的六倍。
在此示出的PM-同步电机的定子通常具有N1个槽和齿部。围绕着每个齿部缠绕一个线圈。绕组***的基础极对数是PGW并且槽数为q＝1/2。转子3或13在转子表面上装配有永磁体4或14。使永磁体4，14这样磁化，即转子基础极对数与定子基础极对数相同，也就是说PGR＝PGW。然而在各个磁极之间允许一极隙，该极隙在极距的20％至42.9％之间。取决于极隙的宽度，对转子3，13上的永磁体4，14分段或倾斜。
在图5中示出了区域B，该区域对于上述的极隙范围造成了非常小的转矩波动。所以在该区域中可选出在40％至57.2％之间的相对斜面。在该区域B中相应于根据本发明的基本思想减去第5和第7谐波的振动转矩。在此，振动转矩也就基本上具有相同的值且抵消，这是因为其是相对指向的。
两个振动转矩在穿过区域B的特殊的曲线上完全抵消。取决于相对极隙pldpt(极隙/极距)给出了相对斜面schdpt(斜面/极距)的函数在理论上振动转矩充分补偿的情况下可通过下列的线性函数近似化：
Schdpt＝-0.75×pldpt+72.2％
该线性函数在图5中在区域B内部通过直线flin标示。此外在区域B中可给出公差带，在该公差带中转矩波动还是足够良好的，这是因为相应的振动转矩很大程度上得到补偿。该公差带T在区域B中向上由函数flin限定并且该函数flin达到10％-点。也就是说，公差带T向下由直线-0.75×pldpt+72.2％-10％限定。根据图3的实施例的转子处于上述限制的公差带T中。它的相对极隙pldpt也就为30％并且它的相对斜面角度为45％＝27°/60°，该相对斜面角度通过分段而近似。因此，具有图3的转子的同步电机具有比较小的转矩波动。
总的可以确定，即通过根据本发明的两个相同大小的振动转矩的相互抵消来实现小的总转矩波动。因此扩大了设计所述机器类型的设计自由度。所以，那些尽管在大的极隙(例如pldpt＝30％)情况下还产生小的转矩波动的转子也是可能的。该具有大的极隙的转子的另一个优点在于：其需要较少的磁性材料且也可以更简单地磁化。
Claims (4)
1.一种永磁体励磁的同步电机，所述同步电机设计用于三相运行，所述同步电机具有：
-定子(1)，在所述定子中每个齿部都由线圈绕组(5)围绕，且所述定子具有槽数q＝1/2，以及
-转子(3，13)，在所述转子上设置有永磁体(4，14)，所述永磁体具有沿圆周方向的极隙(pl)和相关于轴向方向的斜面，其中
-所述极隙(pl)和所述斜面是这样确定尺寸的，即由各自的定子场和转子场的第5和第7谐波所引起的振动转矩相互减小，
-所述斜面在轴向投影中相关于40％至57.2％的极距在圆周方向上具有一斜面角度，
-相关于所述极距的所述极隙(pl)处于20％至42.9％的范围中，
其特征在于，
-以下公式适用于取决于极隙/极距的比例plbpt的斜面角度/极距的比例schdpt：schdpt＝-0.75×pldpt+72.2％，或
-取决于极隙/极距的比例pldpt的斜面角度/极距的比例schdpt处于0.75×pldpt+72.2％至0.75×pldpt+72％-10％之间的范围中。
2.根据权利要求1所述的同步电机，其中由各自的所述定子场和所述转子场的第5和第7谐波所引起的所述振动转矩基本上得到补偿。
3.根据权利要求1或2所述的同步电机，其中转子基础极对数与定子基础极对数相符。
4.根据前述权利要求中任一项所述的同步电机，其中为了所述斜面所述永磁体(4，14)在圆周方向上分段。
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