CN102790450A

CN102790450A - 同步永磁体机器

Info

Publication number: CN102790450A
Application number: CN2012101553050A
Authority: CN
Inventors: J-T.陈; Z-Q.朱
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-05-18
Also published as: EP2525479B1; EP2525479A1; CN102790450B; DK2525479T3

Abstract

本发明涉及一种同步永磁体机器，其包括用于产生具有近似正弦的通量密度分布的磁场的永磁体设置，该永磁体设置包括具有基底（11、21、51、71）、顶面（12、22、52、72）和相对侧（13a、13b、23a、23b、53a、53b、73a、73b）的永磁体磁极，该顶面包括在所述相对侧之间中间的中心区域（14、24、54、74）以及在所述中心区域的任一侧与所述中心区域交会的弯曲侧区域（15a、15b、25a、25b、65a、65b、75a、75b），其特征在于在所述弯曲侧区域与所述中心区域交会处（16a、16b、26a、26b、66a、66b、76a、76b）所述顶面的斜度是连续的。

Description

同步永磁体机器

技术领域

本发明涉及同步永磁体机器。

更具体地，本发明涉及一种同步永磁体机器，其包括用于产生具有近似正弦的通量密度分布的磁场的永磁体设置，该永磁体设置包括具有基底、顶面和相对侧的永磁体磁极，该顶面包括在相对侧之间中间的中心区域以及在中心区域的任一侧与中心区域交会的弯曲侧区域。

背景技术

一种这样的永磁体设置公开于下述公开物中：Optimum Design of Magnet Shape in Permanent-Magnet Synchronous Motors，L.Yong、Z.Jibin和L.Yongping，IEEE Transactions on Magnetics，2003年11月第39卷第6期第3523至3526页。

这种永磁体设置中所用的永磁体磁极的形式示于附图的图1中。

图1示出了具有平坦基底1、顶面2和平行相对侧3a、3b的永磁体磁极。顶面2包括在相对侧3a、3b之间中间的平坦中心区域4以及在平坦中心区域4的任一侧的弯曲侧区域5a、5b。弯曲侧区域5a、5b在位置6a、6b处与平坦中心区域4交会。每个弯曲侧区域5a、5b包括中心为“O”且半径为“r”的圆7的一段弧。中心O位于直线9上，该直线9(i)以直角与基底1和顶面2的中心区域4相交，并且(ii)位于相对侧3a、3b之间的中间。

图1的永磁体磁极具有如下缺点：其在同步永磁体机器中产生可观的转矩脉动。

发明内容

根据本发明，提供一种同步永磁体机器，其包括用于产生具有近似正弦的通量密度分布的磁场的永磁体设置，该永磁体设置包括具有基底、顶面和相对侧的永磁体磁极，该顶面包括在相对侧之间中间的中心区域以及在所述中心区域的任一侧与所述中心区域交会的弯曲侧区域，特征在于在所述弯曲侧区域与所述中心区域交会处所述顶面的斜度是连续的。

附图说明

现在将参考附图通过示例方式描述本发明，附图中：

已经提到的图1示出了在同步永磁体机器中使用的公知永磁体磁极；

图2和图3分别示出了根据本发明用于同步永磁体机器中的第一和第二永磁体磁极；

图4和图5分别示出了可以使用图2和图3的永磁体磁极的第一和第二同步永磁体机器；以及

图6和图7分别示出了根据本发明的用于同步永磁体机器中的第三和第四永磁体磁极。

具体实施方式

图2示出了具有平坦基底11、顶面12和平行相对侧13a、13b的永磁体磁极。顶面12包括在相对侧13a、13b之间中间的平坦中心区域14以及在平坦中心区域14的任一侧的弯曲侧区域15a、15b。弯曲侧区域15a、15b在位置16a、16b处交会于平坦中心区域14。

弯曲侧区域15a包括中心为“O1”且半径为“r1”的圆17a的一段弧。中心O1在直线19的一侧偏离距离“d1”，该直线19(i)以直角与基底11和顶面12的中心区域14相交并且(ii)位于相对侧13a、13b之间的中间。距离d1等于沿中心区域14在直线19和中心区域14与弯曲侧区域15a交会的位置16a之间的距离。中心O1和位置16a之间的距离等于半径r1。弯曲侧区域15b包括中心为“O2”且半径为“r2”的圆17b的一段弧，该半径r2等于r1。中心O2相对于圆17a的中心O1在直线19的另一侧偏离距离“d2”。距离d2等于距离d1并且是沿中心区域14在直线19和中心区域14与弯曲侧区域15b交会的位置16b之间的距离。类似于中心O1，在中心O2和位置16b之间的距离等于半径r2。

能够看出在弯曲侧区域15a、15b与中心区域14交会的位置16a、16b处，顶面12的斜度或坡度是连续的，即在位置16a、16b处，顶面12的斜度或坡度不存在间断。换言之，顶面12在弯曲侧区域15a、15b和中心区域14之间平滑过渡，而其斜度或坡度没有突然变化。平坦中心区域14在位置16a、16b处与弯曲侧区域15a、15b相切。

图2的永磁体磁极的弯曲侧区域15a、15b和中心区域14之间的连续关系将不同于图1的公知永磁体磁极的弯曲侧区域5a、5b和中心区域4之间的间断关系。在图1的永磁体磁极中，在弯曲侧区域5a、5b和中心区域4交会的位置6a、6b处，永磁体磁极的顶面2的斜度或坡度存在间断。图1的永磁体磁极的连续关系具有如下优点，即其显著减小了同步永磁体机器中的转矩脉动，这将在下文中被解释。

在同步永磁体机器中，由于在同步永磁体机器的永磁体设置所产生的磁场的通量密度分布中存在不良谐波，所以会产生转矩脉动。这些不良谐波存在的原因在于磁场的通量密度分布不是精确正弦的。通量密度分布越远离精确正弦，则不良谐波越大。通过去除图1中永磁体磁极在位置6a、6b处存在的间断，图2的永磁体磁极产生更接近正弦的通量密度分布，从而显著减小了不良谐波。

图3示出了具有平坦基底21、顶面22和平行相对侧23a、23b的永磁体磁极。顶面22包括在相对侧23a、23b之间中间的平坦中心区域24以及在平坦中心区域24的任一侧的弯曲侧区域25a、25b。弯曲侧区域25a、25b在位置26a、26b处交会于平坦中心区域24。图3的永磁体磁极相对于直线29对称，该直线29(i)以直角与基底21和顶面22的中心区域24相交并且(ii)位于相对侧23a、23b之间的中间。

每个弯曲侧区域25a、25b是正弦形式并且可以由如下等式表示：

Figure 2012101553050100002DEST_PATH_IMAGE001

（1），

其中h是弯曲侧区域25a、25b上的位置在平坦基底21上方的竖直高度，h1是相对侧23a、23b的竖直高度，h2是弯曲侧区域25a、25b的竖直高度，x是弯曲侧区域25a、25b上的位置距弯曲侧区域25a、25b与中心区域24交会的位置26a、26b的水平距离，并且x1是当相邻永磁体磁极（例如图3的永磁体磁极）在同步永磁体机器中就位（下文将更详细地说明）时所述相邻永磁体磁极的相邻位置26a、26b之间的水平距离。

能够看出，弯曲侧区域25a、25b与中心区域24交会的位置26a、26b对应于弯曲侧区域的正弦形式的峰值。因此，在位置26a、26b处，顶面22的斜度或坡度是连续的，即在位置26a、26b处，顶面22的斜度或坡度不存在间断。换言之，顶面22在弯曲侧区域25a、25b和中心区域24之间平滑过渡而其斜度或坡度没有突然变化。平坦中心区域24在位置26a、26b处相切于弯曲侧区域25a、25b。

由于上文中关于图2的永磁体磁极所给出的相同原因，在图3的永磁体磁极中，弯曲侧区域25a、25b和中心区域24之间的连续关系显著减少了同步永磁体机器中的转矩脉动。

图4的第一同步永磁体机器是旋转类型的并且包括转子31和定子32。在转子上安装有永磁体设置，其包括正极性的两个对置磁极33a、33b以及负极性的两个对置磁极33c、33d。磁极33a、33b、33c、33d可以是例如图2和图3的磁极。磁极33a、33b和磁极33c、33d绕转子的旋转轴线A（其进入且穿出图4的纸面）相对彼此呈90度布置。在定子上安装有绕组34（绕组的导体延伸进入和穿出图4的纸面）。在同步永磁体机器运转时，转子31在定子32内旋转。

图5的第二同步永磁体机器是线性类型的并且包括平行的细长安装件41、被置于安装件之间的通道43内在安装件之间中间的绕组42、以及在安装件和绕组之间被安装在每个安装件上的永磁体设置，该永磁体设置包括由磁极44a、44b、44c构成的线性阵列且相邻磁极具有相反极性。磁极44a、44b、44c可以例如是图2和图3的磁极。绕组的导体延伸进入和穿出图5中的纸面。在同步永磁体机器运转时，在安装件41（及其磁极44a、44b、44c）和绕组42之间在图5中水平地存在相对运动。

图5关于每个磁极44a、44b、44c示出了图3的位置26a、26b。关于一对相邻磁极44a、44b，图5示出了图3的距离x1。距离x1是磁极44a的位置26b和相邻磁极44b的相邻位置26a之间的水平距离。应该注意到，在图4的第一同步永磁体机器中，距离x1将在周向相邻的磁极之间周向地围绕转子。

图6示出了与图2的永磁体磁极相同的永磁体磁极，不同之处在于(i)磁极的基底51不再是平坦的而是包括半径为r3的圆60的一段弧，并且(ii)磁极的顶面52的中心区域54也不再是平坦的而是包括半径为r4的圆61的一段弧。两个圆60、61的中心（未示出）位于直线59上，该直线59(i)以直角与基底51和顶面52的中心区域54相交并且(ii)位于相对侧53a、53b之间的中间。

中心为O1且半径为r1的圆17a在位置66a处邻接圆61，其中在位置66a处弯曲侧区域65a交会于中心区域54。因此，在位置66a处，圆17a和圆61共用公共切线。类似地，中心为O2且半径为r2的圆17b在位置66b处邻接圆61，其中在位置66b处弯曲侧区域65b交会于中心区域54，使得在位置66b处，圆17b和圆61也共用公共切线。

由于这些公共切线的原因，在弯曲侧区域65a、65b与中心区域54交会的位置66a、66b处，顶面52的斜度或坡度是连续的，即在位置66a、66b处顶面52的斜度或坡度不存在间断。弯曲侧区域65a、65b和中心区域54之间的连续关系显著减小了同步永磁体机器中的转矩脉动。

图6的永磁体磁极适用于安装在内部转子上，即磁极的基底51将被安装在内部转子上。

图6的永磁体磁极的变型将是，基底51是平坦的。

图7示出了与图2的永磁体磁极相同的永磁体磁极，不同之处在于(i)磁极的基底71不再是平坦的而是包括半径为r5的圆70的一段弧，并且(ii)磁极的顶面72的中心区域74也不再是平坦的而是包括半径为r6的圆77的一段弧。两个圆70、77的中心（未示出）位于直线79上，该直线79(i)以直角与基底71和顶面72的中心区域74相交并且(ii)位于相对侧73a、73b之间的中间。

中心为O1且半径为r1的圆17a在位置76a处邻接圆77，其中在位置76a处弯曲侧区域75a交会于中心区域74。因此，在位置76a处，圆17a和圆77共用公共切线。类似地，中心为O2且半径为r2的圆17b在位置76b处邻接圆77，其中在位置76b处弯曲侧区域75b交会于中心区域74，使得在位置76b处，圆17b和圆77也共用公共切线。

由于这些公共切线的原因，在弯曲侧区域75a、75b与中心区域74交会的位置76a、76b处，顶面72的斜度或坡度是连续的，即在位置76a、76b处顶面72的斜度或坡度不存在间断。弯曲侧区域75a、75b和中心区域74之间的连续关系显著减小了同步永磁体机器中的转矩脉动。

图7的永磁体磁极适用于安装在外部转子上，即磁极的基底71将被安装在外部转子上。

图7的永磁体磁极的变型将是，基底71是平坦的。

应该注意到，图2、图3、图6和图7的永磁体磁极产生的磁场的通量密度分布有意地具有显著的三次谐波分量。这是因为三次谐波分量的作用是增加转矩，并且其可能的是在不增加转矩脉动的情况下具有三次谐波分量。

Claims

1.一种同步永磁体机器，包括：用于产生具有近似正弦的通量密度分布的磁场的永磁体设置，该永磁体设置包括具有基底（11、21、51、71）、顶面（12、22、52、72）和相对侧（13a、13b、23a、23b、53a、53b、73a、73b）的永磁体磁极，该顶面（12、22、52、72）包括在所述相对侧（13a、13b、23a、23b、53a、53b、73a、73b）之间中间的中心区域（14、24、54、74）以及在所述中心区域（14、24、54、74）的任一侧与所述中心区域（14、24、54、74）交会的弯曲侧区域（15a、15b、25a、25b、65a、65b、75a、75b），其特征在于在所述弯曲侧区域（15a、15b、25a、25b、65a、65b、75a、75b）与所述中心区域（14、24、54、74）交会处（16a、16b、26a、26b、66a、66b、76a、76b）所述顶面（12、22、52、72）的斜度是连续的。

2.根据权利要求1所述的同步永磁体机器，其中每个弯曲侧区域（15a、15b、65a、65b、75a、75b）包括圆（17a、17b）的一段弧，该圆（17a、17b）的中心（O1、O2）偏离于直线（19、59、79），该直线（19、59、79）以直角与所述基底（11、51、71）和顶面（12、52、72）相交并且位于所述相对侧（13a、13b、53a、53b、73a、73b）之间的中间。

3.根据权利要求2所述的同步永磁体机器，其中所述弯曲侧区域（15a、15b、65a、65b、75a、75b）包括第一和第二弯曲侧区域（15a、15b、65a、65b、75a、75b），所述第一弯曲侧区域（15a、65a、75a）包括具有第一中心（O1）和第一半径（r1）的第一圆（17a）的一段弧，该第一中心（O1）在所述直线（19、59、79）的一侧偏离第一距离（d1），该第一距离（d1）等于在所述直线（19、59、79）和所述第一弯曲侧区域（15a、65a、75a）与所述中心区域（14、54、74）交会的第一位置（16a、66a、76a）之间的垂直距离，在所述第一中心（O1）和所述第一位置（16a、66a、76a）之间的距离等于所述第一半径（r1），所述第二弯曲侧区域（15b、65b、75b）包括具有第二中心（O2）和等于所述第一半径（r1）的第二半径（r2）的第二圆（17b）的一段弧，该第二中心（O2）相对于所述第一中心（O1）在所述直线（19、59、79）的另一侧偏离第二距离（d2），该第二距离（d2）等于所述第一距离（d1）并且是在所述直线（19、59、79）和所述第二弯曲侧区域（15b、65b、75b）与所述中心区域（14、54、74）交会的第二位置（16b、66b、76b）之间的垂直距离，在所述第二中心（O2）和所述第二位置（16b、66b、76b）之间的距离等于第二半径（r2）。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的同步永磁体机器，其中所述基底（11）和所述中心区域（14）是平坦的。

5.根据权利要求2或权利要求3所述的同步永磁体机器，其中所述基底（51）相对于所述永磁体磁极向内弯曲，并且所述中心区域（54）相对于所述永磁体磁极向外弯曲。

6.根据从属于权利要求3的权利要求5所述的同步永磁体机器，其中所述基底（51）包括具有第三中心和第三半径（r3）的第三圆（60）的一段弧，并且所述中心区域（54）包括具有第四中心和第四半径（r4）的第四圆（61）的一段弧，所述第三和第四中心位于所述直线（59）上，所述第一圆（17a）在所述第一位置（66a）邻接所述第四圆（61），所述第二圆（17b）在所述第二位置（66b）邻接所述第四圆（61）。

7.根据权利要求2或权利要求3所述的同步永磁体机器，其中所述基底（71）相对于所述永磁体磁极向外弯曲，并且所述中心区域（74）相对于所述永磁体磁极向内弯曲。

8.根据从属于权利要求3的权利要求7所述的同步永磁体机器，其中所述基底（71）包括具有第三中心和第三半径（r5）的第三圆（70）的一段弧，并且所述中心区域（74）包括具有第四中心和第四半径（r6）的第四圆（77）的一段弧，所述第三和第四中心位于所述直线（79）上，所述第一圆（17a）在所述第一位置（76a）邻接所述第四圆（77），所述第二圆（17b）在所述第二位置（76b）邻接所述第四圆（77）。

9.根据权利要求1所述的同步永磁体机器，其中每个弯曲侧区域（25a、25b）是正弦形式。

10.根据权利要求9所述的同步永磁体机器，其中每个弯曲侧区域（25a、25b）由如下等式表示：

Figure 2012101553050100001DEST_PATH_IMAGE001

（1），

其中h是所述弯曲侧区域（25a、25b）上的位置的竖直高度，h1是所述相对侧（23a、23b）的竖直高度，h2是所述弯曲侧区域（25a、25b）的竖直高度，x是所述弯曲侧区域（25a、25b）上的位置距所述弯曲侧区域（25a、25b）与所述中心区域（24）交会的位置（26a、26b）的水平距离，并且x1是与所述同步永磁体机器中相邻永磁体磁极之间的距离有关的常量。

11.根据权利要求10所述的同步永磁体机器，其中所述基底（21）和所述中心区域（24）是平坦的，并且所述弯曲侧区域（25a、25b）与所述中心区域（24）交会的所述位置（26a、26b）对应于所述弯曲侧区域（25a、25b）的所述正弦形式的峰值（26a、26b）。