具有在邻接的定子和转子元件之间的变化气隙的旋转式永磁体电动机

相关申请

本申请包含的主题涉及Pyntikov等人于2000年5月16日提交的共同未决的美国申请No.09/571,174、Maslov等人于2001年4月5日提交的共同未决的美国申请No.09/826,423、Maslov等人于2001年4月5日提交的共同未决的美国申请No.09/826,422、Maslov等人于2001年10月1日提交的美国申请No.09/966,101、Maslov等人于2002年2月7日提交的共同未决的美国申请No.10/067,305、Maslov等人于2002年6月4日提交的共同未决的美国申请No.10/160,257和Maslov等人于2002年6月4日提交的共同未决的美国申请No.10/160,254，所有的上述申请与本申请共同被转让。这些申请的公开内容在此处并入列为参考。

发明背景

本发明涉及旋转式电动机，更特定地，涉及一种永磁体电机，其具有在邻接的转子永磁体和定子极之间的变化尺寸的径向气隙。

发明背景

上文认定的Maslov等人的相关共同未决的美国专利申请No.09/826,423确认并针对对改进的电机的需要，该电机适合于简化制造并且能够具有有效的和灵活的操作特性。例如，在车辆驱动环境中，非常需要的是，在宽的速度范围中获得平稳的操作，同时在最小功率消耗下维持高的扭矩输出能力。该车辆电机驱动器应有利地提供了对多种结构部件的方便的接触，用于以最小的不便替换这些部分。上文确认的相关共同未决的美国申请描述了作为配置在环形环中的隔离透磁结构的电磁体芯部分的形成。相比于现有技术的实施例，通过这样的配置可以集中磁通量以提供有利的效果。

如上文确认的Maslov等人的申请中所述，电磁体芯部分的隔离允许在磁芯中独立地集中磁通量，且具有最小的磁通量损失或者使对其他电磁体部件的有害互感干扰的影响最小。通过将单一极对配置为隔离的电磁体组可以获得操作上的优点。在开关对极对绕组的赋能时，独立极对与其他极组的磁路隔离消除了对相邻组的磁通量互感的影响。在组中没有额外的极避免了该组中的任何该影响。所描述的进一步的益处来自于使用三维面向的电机结构，诸如以下这样的结构化配置，其中轴向对准的定子极和轴向对准的转子磁体在机器的有效气隙中提供了高度集中的磁通量密度分布。相比于具有相同气隙直径的传统的电机，该配置提供了更多的具有相同独立有效气隙表面面积和/或更大的总有效气隙表面面积的极。

除了通过上文所述的配置而获得的磁通量集中的优点，最近提出的钕-铁-硼(NdFeB)磁材料可以产生比先前在无刷电机中使用的其他永磁材料更大的磁通量密度，因此增加了扭矩输出能力。在包括大量极的电机中使用高密度产生永磁体提出了对改善由顿转扭矩所引入的不需要的影响的关注。顿转扭矩是通过安装有永磁体的转子和那些不处于选择性磁化状态的定子极之间的磁吸力而产生的。该吸力使转子磁体向与定子极相对的平衡位置移动，用以使其之间的磁阻最小。当通过向定子的赋能而驱动转子旋转时，由磁体与未赋能的电磁体部分相互作用而产生的顿转扭矩的幅度和方向周期性地改变，与由赋能定子部分产生的顿转扭矩相反。在没有补偿的情况下，顿转扭矩可以以突然的方式改变转子旋转的方向。如果顿转扭矩具有很大的幅度，则其变成旋转的障碍和机械振动源，这对精确速度控制和平稳操作的目标是有害的。

作为顿转扭矩建立的说明，考虑诸如在2001年4月5日提交的共同未决申请No.09/826,422中公开的电机。该申请的公开内容在此处并入。图1是示出了转子和定子元件的示例性示图。转子部件20是具有永磁体21的环形环结构，永磁体21彼此隔开并且基本上均匀地沿圆柱状支撑板25分布。该永磁体是沿环形环的内圆周交替改变磁极性的转子极。转子环绕定子部件30，转子和定子部件由环形径向气隙隔开。定子30包括多个具有一致构造的电磁体芯部分，其沿气隙均匀地分布。每个芯部分包括一般为U形的磁体结构36，其形成了两个具有面对气隙的表面32的极。极对的支脚由绕组38缠绕，尽管芯部分可被构建为容纳形成在极对链接部分上的单个绕组。每个定子电磁体芯结构是分立的，并且同相邻的定子芯元件是磁隔离的。定子元件36固定到非透磁支撑结构上，由此形成环形环配置。该配置消除了来自相邻定子极组的杂散互感磁通量影响的发散。在前文提及的专利申请中可以看到适当的定子支撑结构，为了使有效的电机元件更加清晰可见，此处未对其进行说明。

图2是诸如图1说明的电机的局部平面布局，定子极示出为与转子永磁体21相关。每个定子芯元件36包括具有基座部分31和极靴部分32的极对。这些极通过链接部分33整体地相互链接。未示出的用于每个极对的赋能绕组可以以公知的方式形成在极基座部分上或者链接部分上。

图3是两个相邻定子芯元件36的局部平面布局，其具有标注为A～D的极面32，在电机操作期间与标注为0～5的转子磁体相关。在转子从左向右移动的周期中，在三个时刻(t₁～t₃)在(A)～(C)示出了转子磁体的位置。在时刻t₁，通过按照在A处形成强南极和在B处形成强北极的方向上流动的电流来向A-B定子极对的绕组赋能。C-D定子极对的绕组未赋能。在(A)示出了转子的位置。北磁体1和南磁体2与定子极A重叠。南磁体2和北磁体3与定子极B重叠。在该时刻，磁体3接近与极C相重叠的位置。南磁体4基本上与极C对准，而北磁体5基本上与极D对准。在该时刻，通过南极A和北极磁体1之间的吸引力、北极B和南极磁体2之间的吸引力、以及北极B和北极磁体3之间的排斥力来产生了电机扭矩。极C和D具有由磁体4和5的吸引所导致的各自微弱的北和南的磁化强度。倾向于维持最小的磁阻的该吸引与电机驱动扭矩相反。

在时刻t₂，转子移动到(B)处所示的位置。对极对A-B绕组的赋能被转换为关闭。C-D极对的绕组未赋能。磁体1和2基本上分别与极A和B对准。北磁体3和南磁体4与极C重叠。南磁体4和北磁体5与极D重叠。极A和B分别具有微弱的南和北的磁化强度。定子极C和D受到北和南转子磁体两者的影响。极C处于北极磁体3和南极磁体4之间的磁通路线中。极D处于南极磁体4和北极磁体5之间的磁通路线中。因此所建立的顿转扭矩与电机驱动扭矩相反，并且随着转子磁体从与未赋能定子极直接对准位置向部分对准位置的移动而改变幅度。

在时刻t₃，转子移动到(C)处所示的位置。颠倒A-B极对绕组的赋能，引起了极A处的强北极和B处的强南极。C-D极对的绕组未赋能。北磁体1和南磁体2与定子极B重叠。南磁体0和北磁体1与定子极A重叠。在该时刻南磁体2接近与极C相重叠的位置。北磁体3基本上与极C对准，而南磁体4基本上与极D对准。

如上文所述，相反的顿转扭矩以进行旋转时相对于相关角度位置而改变的方式影响电机扭矩。在转子磁体将要跨越气隙面对定子极时，该顿转扭矩在转变点处最为显著。在通常是矩形的永磁体表面前缘接近矩形定子极的平行边缘时，发生了顿转扭矩的突然变化。使用诸如钕-铁-硼(NdFeB)磁材料的高能量密度永磁体材料(其在转子永磁体的邻近区域的气隙中引入了大的磁通量密度)在很大程度上增加了这一使不需要的振动变得显著的影响。具有大量定子磁极和转子磁极的电机，诸如轴向对准的定子极行和转子磁体行，可以产生甚至更大的顿转扭矩影响。在具有整体定子磁芯的电机中，在变化的范围中以相同的方式产生了顿转扭矩。

多种技术已被用于将顿转扭矩的影响减到最小。这些技术尝试减小相对于转子位置的磁阻变化的速率，减小电机中的磁通量，或者在整体的定子芯中移动极使得由独立极产生的顿转扭矩趋向于彼此相消。可以使用电子方法控制发生在永磁体和电磁体表面之间的电磁相互作用的强度。该方法的缺陷在于，该方法的缺陷在于，它们涉及了复杂的控制算法，该算法与电机控制算法同时实现并且有降低电机整体性能的趋势。磁通量密度的减少牺牲了通过较新的永磁体材料和上文确认的共同未决申请的磁通量集中技术而获得的优势。在传统的整体定子芯结构中移动极的位置引起了尺寸、位置和极数目的限制，其阻碍提供优化操作的配置。

其他方法涉及通过改变定子极的形状来修改电机的构造。传统上由层叠的叠层制成的现有技术的定子极不容易适于被修改。可用的叠片机器加工工艺受限于对传统图形(特别是三维图形)再成形的能力。用于对该叠片结构进行大范围修改是过于复杂的和高成本的，以至于不可行。

因此存在以下需要，即在特别是那些具有高磁通量密度幅度和集中度的电机中进行有效的顿转补偿，而不会损坏电机的有效操作和控制能力，同时提供了节约成本的可行性和应用。

共同未决的申请10/160,257针对这一需要，其通过将定子极表面或者转子磁体表面成形为使得定子极表面几何配置和转子磁体表面的几何配置关于彼此是相互偏斜的。该偏斜配置的作用在于，在永磁体横越其旋转路线时，抑制了由转子磁体和未赋能定子电磁体的极之间的相互作用而产生的顿转扭矩的变化速率。通过使用适合于形成多种特定形状的诸如软透磁介质的芯材料，使得选择性成形定子极的能力是可行的。例如，芯材料可以由软磁化程度的Fe、SiFe、SiFeCo、SiFeP粉末状材料制成，每种材料具有唯一的功率损耗、磁导率和饱和度。可以以任何所需的三维配置在最初时形成这些材料，由此避免了机器加工已形成的硬叠层材料的需要。

2002年6月4日提交的共同未决申请No.10/160,254，通过抵消多个轴向隔开的转子和定子元件组中产生的顿转扭矩的影响，针对上文所述的需要。在轴向上，使每个分立的轴向安置的定子芯的极相对彼此移动或者偏移，用以在不限制圆周方向上的定子极之间的位置关系的情况下消除顿转扭矩的影响。可替换地，在圆周方向和轴向上排列的转子永磁体在轴向上相互偏移，用以在不限制圆周方向上的永磁体总数或者它们的位置的情况下消除顿转扭矩的影响。

在不破坏扭矩输出能力的情况下使扭矩纹波和顿转扭矩的影响减到最小继续是重要的目标。

发明内容

本发明通过选择性地改变在邻接的转子永磁体和定子极对之间沿该对的周长方向的径向距离，至少部分地满足了这一需要。电机转子具有多个永磁体，该永磁体在圆周方向上具有基本相同的长度且在围绕旋转轴在圆周方向上分布。多个定子极围绕气隙分布，所有极在圆周方向上具有与永磁体长度基本相同的长度。通过对邻接的定子极和转子磁体设置适当的气隙变化配置，可以控制顿转扭矩对整个扭矩特征的影响，其中为了说明简便，此处将该气隙变化配置称为气隙式样(air gap profile)。气隙式样是跨越定子极靴和面对的转子磁体之间的从该对一端到另一端的气隙的径向距离变化。

适当的气隙式样取决于所需的电机操作条件和电机参数，诸如定子极和转子磁体的数目、绕组赋能顺序和其他预期的条件。可以通过改变离开转子磁体表面或者定子极表面的旋转轴的距离来获得该式样。转子磁体表面或者定子极表面可以处于离开该轴的恒定径向距离处，同时另一表面具有可变的配置。可替换地，转子磁体和极靴的距离都是可变的。在优选实施例中，气隙式样对于所有邻接的转子磁体和定子极组合是相同的。即，所有定子极具有相同的配置，且所有转子磁体具有相同的配置。

本发明所考虑的该气隙式样之一在邻接的转子和定子对之间、从该对的第一端到第二端提供了径向距离的基本一致的下降。如果转子永磁体具有相对恒定的厚度，则定子极表面相对于转子磁体表面是倾斜的。可替换地，永磁体可以从头至尾减少径向厚度。

在另一气隙式样中，每个转子磁体表面都可以处于离开轴的恒定径向距离处，同时定子极靴具有可变的径向厚度并带有面对气隙的凹陷表面。根据转子环绕定子还是定子环绕转子来设置凹陷程度。作为变化方案，永磁体可以具有可变的径向厚度且带有面对具有选定凹陷程度的气隙的凹陷表面。

在具有多个分立的铁磁隔离的电磁体芯部分的定子配置中，可以提供具有有利的结果的上文所述的极结构。该每个部分可以由极对形成，如图1所示。定子是单个的环形环，其在轴向上围绕单个的极并且在圆周方向上围绕多个极对。在其他的配置中，多个定子极环在轴向隔开，其由多个分立的铁磁隔离的电磁体芯部分形成。每个芯部分包括由一个或者多个链接部分整体链接的极，该链接部分通常在旋转轴的方向上延伸。这样定子在轴向上形成了多个极，每个部分的单个极分布在每个环的圆周方向上。在后一种配置中，转子形成沿气隙在圆周方向安置的分立磁体的轴向隔开的环，转子环的数目等于定子芯部分中的定子极的数目。

通过下文的详细描述，对于本领域的技术人员，本发明的另外的优点将变得易于理解，其中简单地通过说明执行本发明所考虑的最佳方式，仅示出和描述了本发明的优选实施例。如将认识到的，本发明可以具有其他的和不同实施例，并且在不偏离本发明的情况下，其几处细节可以在多种显著方面进行修改。因此，附图和描述应被认为是说明性的，而非限制性的。

附图简述

在附图的图示中，本发明是作为示例，而非作为限制而被描述，并且在附图相似的参考数字表示相似的元件，其中：

图1是示出了诸如共同未决申请No.09/826,422中公开的电机的转子和定子元件的示例性图示。

图2是诸如图1说明的电机的所示定子极相对于转子永磁体的局部平面布局的图示。

图3是图1元件的局部平面布局，说明了在电机操作过程中的三个时刻，定子极表面和转子表面的相对位置。

图4是根据本发明的定子极相对于转子永磁体表面的局部平面布局的图示。

图5是根据图4结构的变化方案的定子极相对于转子永磁体表面的局部平面布局的图示。

图6是根据本发明的另一变化方案的定子极相对于转子永磁体表面的局部平面布局的图示。

图7是根据图6结构的变化方案的定子极相对于转子永磁体表面的局部平面布局的图示。

图8是具有轴向对准的定子和转子元件的电机的三维分解示图，诸如共同未决申请No.10/067,305中公开的，其可以并入图3～6的定子极结构。

发明详述

本发明的概念适用于具有单个的在圆周方向上安置的转子和定子元件组的电机，这些转子和定子元件关于径向气隙同心布置，诸如图1的电机，还适用于具有两个或者多个轴向隔开的转子和定子元件组的电机。图4是诸如图1说明的电机的根据本发明修改的所示定子极相对于转子永磁体表面的局部平面布局的示图。应当理解，本布局表示具有由气隙隔开、彼此成同心关系的转子和定子的旋转式电机。为了配置的清楚起见，示出了不具有支撑结构的、连续交替变化磁极性的转子磁体21。每个定子芯元件36包括具有基座部分31和极靴部分32的极对。这些极通过链接部分33整体地相互链接。可以以公知的方式，在极基座部分上或者在链接部分上形成用于每个极对的未示出的赋能绕组。每个极靴通过极靴延伸部分在两个圆周方向上从极基座部分向外延伸。

在图中右边部分示出的定子芯元件36的极靴位于与转子磁体21对准的位置。邻接的极靴和磁体在沿气隙的方向上具有基本相同的长度。每个永磁体具有相同的径向厚度，因此其沿气隙的表面具有离开旋转轴的一致的距离。在平面示图中，定子极面的表面在气隙中相对于永磁体表面是倾斜的，使得在它们之间的气隙中的径向距离从该对的左端到右端基本一致地增加。如果在正常电机操作中，转子相对于定子在从右向左的方向上扫过，则转子磁体的前缘与定子极面重叠，同时具有下降的气隙间隔。对于相对的定子和转子元件，相比于具有恒定气隙尺寸的电机配置，顿转扭矩的转换冲击影响变得平滑。如果在正常电机操作中，转子相对于定子在从左向右的方向上扫过，则转子磁体的前缘与定子极面重叠，同时具有增加的气隙间隔。当转子磁体扫过定子极时，相比于恒定的气隙配置，它们之间的顿转力吸引力逐渐变小。这样，对于该旋转方向中的任何一个，可以确定图4的可变气隙配置的倾斜度获得了所需的整体扭矩特征。

图5说明了图4结构的变化方案。如该平面示图中所示，定子极面位于水平面上，由此表示在沿气隙的在圆周方向上具有离开旋转轴的一致的距离。转子永磁体21的表面是倾斜的，用以提供与图4所述相同的可变气隙效果。

在图6的配置中，每个永磁体具有相同的径向厚度。如该平面示图中所示，气隙中的永磁体表面位于水平面上，表示在沿气隙方向上具有离开旋转轴的一致的距离。定子极表面相对于转子磁体表面是凹陷的，对于其中定子环绕转子的电机，该凹陷程度大于所需用于维持离开旋转轴一致距离的凹陷程度。因此，每个邻接的定子极和转子磁体对(例如，图中右边部分的对)定义了它们之间的可变气隙距离。当转子磁体接近并扫过定子极时，通过以类似于通过会聚光学透镜会聚光的方式会聚磁通量分布，该可变气隙对顿转扭矩的影响区别于一致的气隙配置的影响。可以在需要时调节凹陷程度用以改善整个扭矩特征。

图7说明了图6结构的变化方案。如该平面示图中所示，定子极面位于水平面上，由此表示在沿气隙的在圆周方向上具有离开旋转轴的一致的距离。转子永磁体21的表面相对于磁体表面是凹陷的，用以提供与图6所述相同的可变气隙作用。

上文所述的定子极结构的变化方案的优点适用于其他的定子/转子配置。例如，具有整体连续定子芯的定子可以具有形成为如图3～7中任何一个所述的凸出的极，用以提供顿转扭矩补偿。该极形式可以形成为用以减轻具有单个的轴向对准的磁体和定子极行的电机中的顿转扭矩现象。

图8说明了诸如共同未决申请No.10/067,305中公开的电机的三维分解示图。电机15包括环形的永磁体转子20和环形的定子结构30，它们通过径向气隙隔开。多个由透磁材料制成的铁磁隔离的定子芯部分元件36由支撑结构50支撑，其维持该部分的铁磁隔离。该部分36是由透磁材料形成的整体结构，其具有面对气隙的极表面32。每个定子芯元件36是包括绕组38的电磁体，该绕组38形成在芯材料上。以公知的方式颠倒赋能电流方向导致每个极的磁极性的颠倒。转子包括：永磁体部分21，其具有3个轴向隔开的沿气隙在圆周方向分布的转子磁体环22～24；和支撑铁环25，在其上安装有永磁体。定子支撑结构50可以固定到固定轴，转子安装在壳体中，其通过适当的轴衬和轴承作为轴颈地支撑到该轴。

图8所示的定子极和转子磁体可以被构建为如图3～7的变化方案中任何一个所示的形式。在圆周方向和旋转轴方向上提供大量的磁体和定子极时，对于潜在很大的顿转扭矩干扰提供了补偿。

在本公开内容中，仅示出和描述了本发明的优选实施例和数个其多样性的示例。应当理解，本发明能够用于多种其他组合和环境中，并且能够在如此处表述的本发明的概念的范围内进行变化和修改。例如，可以使用整体的而不是分段的、在轴向上相互隔开的定子芯来实现附图中说明的每个布局，得到有利的结果。而且，尽管为了清楚的解释，说明的示例示出了定子极间距基本上等于转子极间距，但是在定子极对之间的圆周方向上的距离可以大于或者小于转子磁体对之间的距离。

尽管说明了定子芯元件的特定的几何配置，但是应当认识到，本文的本发明的概念涵盖了这些配置的众多的变化方案，而实质上使用粉末化金属技术可以形成任何形状。因此，可以使特定的芯配置适合于所需的磁通量分布。例如，处于本发明的概念中的是，提供凸起的或者其他几何表面，以及不同极对组可以分别包括具有不同配置的极靴。凸起的配置将是磁通量分布图形发散。

尽管本发明的描述示出了由转子围绕的定子，但是本发明的概念同样适用于转子由定子围绕的电机。