带有用于改善扭矩波动性的抑制装置的永久磁铁励磁的同步电动机

具体实施方式

图1以横截面图表示一台设计为电动机的永久磁铁励磁的同步电动机。它含有定子2和可绕旋转轴线4旋转地支承的转子3。转子3是一种内转子。定子2在其面朝转子3的内壁上包括多个在图1的实施例中总共为十二个沿圆周均匀分布的槽5，槽之间分别构成齿6。外部的环形磁轭7将齿6互相连接起来。分别围绕一个齿6的齿绕线圈8设置于槽5内。转子3设有永久磁铁9，它们排列成，达到总共八个沿圆周均匀分布的磁极10。在这里与每个磁极10对应一个通过圆周角α的角度范围构成的极距τ_P。永久磁铁9在周向没有沿极距τ_P的整个角度范围延伸，而是仅沿一个部分x·τ_P延伸。在这里参数x表示极弧系数。它的值＜1。

为了在运行期间抑制扭矩波动性，永久磁铁励磁的同步电动机1具有不同的抑制装置。形成有害的扭矩波动性的主要原因在于以下三个方面。

首先，在永久磁铁9与槽6之间的磁阻力引起具有制动极对数p_R的槽制动(Nutrasten)，p_R按下列公式计算：

p_R＝kgV(n，2·p)

公式中kgV是最小公倍数，n表示槽5的槽数，以及p是磁极10的极对数。变量p也可以表示在存在于定子2与转子3之间的空气间隙11内调整的磁场的有效极对数。因此它表达了气隙磁场的优势部分，亦即有效波。在总共有八个磁极10，亦即极对数p＝4，以及槽数n＝12的本实施例中，得出制动极对数p_R为24。也就是说，所述永久磁铁励磁的同步电动机1以两倍的槽数n制动。除了这种基本制动外，对于制动极对数p_R的任何倍数可调定一个更高阶的制动。

扭矩波动性另外两个主要原因在于空气间隙11内转子与定子磁场波的交互作用。在这方面特别有害的是第五和第七谐波成为在空气间隙11内形成的气隙磁场的有效波。

无论槽制动(Nutrasten)还是气隙磁场的第五和第七谐波均应加以抑制，以保证尽可能低的扭矩波动性。永久磁铁励磁的同步电动机1针对这三种干扰源的每一种，包括单独和专门设计的抑制装置。例如槽5不是准确地平行于旋转轴线4地延伸，而是具有第一斜角α_Sch1，该斜角表达一种圆周角错移。它按下式计算：

公式中i表示任意自然数，k表示要抑制的谐波的序数。在本实施例中抑制第七谐波，亦即k的值取7。采用i＝1和p＝4，得出第一斜角α_Sch1为12.86°。

另外两种抑制装置涉及在转子3上采取的措施。作为第二项措施，为了抑制第五谐波对于极弧系数x采用值4/5。原则上第一和第二项措施就要抑制的谐波而言也可以互换地采取。

此外为了抑制槽制动(Nutrasten)，作为第三项措施将永久磁铁9按第二斜角α_Sch2或第二交错角α_St2布置在转子3上。第二斜角α_Sch2按下式计算：

以及第二交错角α_St2按下式计算：

式中m表示交错布置在一个磁极10内部的永久磁铁9的磁铁数。

在图2中详细表示所述永久磁铁倾斜或交错的第三项措施。示出了转子3展开表面的一部分。此图主要描述一个磁极12。仅部分表示的相邻磁极用虚线表示。

若采用倾斜作为抑制措施，则磁极12只含有唯一的一个平行四边形结构的永久磁铁13。图中画有第二斜角α_Sch2。它等于圆周角α的一部分，这一部分由左下角至左上角铅垂线在两个下角之间连线上的距离得出。在本实施例中采用i＝1、n＝12和p＝4，按公式(2)得出第二斜角α_Sch2为15°。

与倾斜不同也可以使用一种交错。在这种情况下采用多个，在图示的实施例中通过总共五个，等长的矩形永久磁铁14、15、16、17和18近似等效于永久磁铁13的平行四边形。永久磁铁14至18交错布置地排列，以及分别相对于相邻的永久磁铁14至18沿周向错开第二交错角α_St2。采用m＝5按公式(3)计算得出第二交错角α_St2为3°。

图2中表示的两种方案分别针对槽制动(Nutrasten)，其中倾钭促使抑制基波和槽制动(Nutrasten)的所有倍数。反之，交错则不保证抑制其序数与磁铁数m及其倍数相应的谐波。因此，为了抑制低序数的通常很少衰减的谐波，采用磁铁数m至少为3，优选地至少为4。在本例中m＝5。矩形的永久磁铁14至18可更方便地制造，平行四边形的永久磁铁13因而提供了一种对槽制动(Nutrasten)的所有谐波的抑制。

按永久磁铁励磁的同步电动机另一种实施例，转子3中的槽5不倾斜，而是基本上平行于旋转轴线4地延伸。因此全部用于抑制扭矩波动性的三种主因的措施都在转子上采取的。图3至7表示了一些此类实施例。

图3表示转子3展开的表面中包括一个磁极19的局部。出发点是在图2所示实施例中采用的包括五个永久磁铁14至18的单一交错。将五个永久磁铁沿旋转轴线4的方向对开，并分别将下半部相对于所属的上半部沿周向移动第一交错角α_St2，从而得出图3内所示的布局。向左移动后的上半部为了看得更清楚用断面线表示。因此永久磁铁19总共包括十个矩形的永久磁铁20至29，它们通过第一交错角α_St1和第二交错角α_St2双重交错地排列。第一交错角α_St1按下式计算：

以及第二交错角α_St2按公式(3)计算。采用i＝1、极对数p＝4、要抑制的谐波的序数k＝7、磁铁数m＝5和槽数n＝12，得出第一交错角α_St1为6.43°以及第二交错角α_St2为3°。第一交错角α_St1针对第七谐波作用，第二交错角α_St2针对槽制动(Nutrasten)，以及在图3中没有详细表示的极弧系数x＝4/5针对第五谐波。因此共同将扭矩波动性显著地减小。

按图4表示了一个磁极30的实施例与图3所示的实施例相比较修改之处在于，将永久磁铁20至29重新分类为，使它们每一个沿旋转轴线4方向相对于第一永久磁铁29逐渐增大圆周角错移量。在图4中同时画上了各自的圆周角错移量。

图5表示相关转子31的侧视图，在此转子上作为磁壳按重新分类的顺序布置磁极30的永久磁铁20至29。因此，转子31除了相应的极弧系数外还包含一种双重交错，以便将扭矩波动性减小到最低程度。

取代双重交错也可以实施倾斜与交错的组合。对此在图6和7中表示了一些实施例。

按图6的实施例包含一个磁极32并以图2所示具有平行四边形永久磁铁13的倾斜为基础。借助二等分得到一个上平行四边形永久磁铁和一个下平行四边形永久磁铁33或34，它们彼此错开按公式(4)的第一交错角α_St1排列。两个永久磁铁33和34中每一个有按公式(2)算出的斜角α_Sch2。

按图7的实施例包含一个基本结构相同的磁极35。取代平行四边形的永久磁铁33和34，在本实施例中采用两个箭形永久磁铁36和37，它们仍彼此错开第一交错角α_St1地排列。由图7可以看出，第二斜角α_Sch2由永久磁铁36和37在前端处箭顶的前凸或通过后端处凹口的深度决定。

原则上如在永久磁铁36或37中所采用的那种箭形倾钭那样，也可以使用在定子2的槽5中。

以图4或图6所示实施例为出发点，提供了具有磁极38的另一种实施例，它包含一个有双重倾斜的永久磁铁39。后者由三个平行四边形的永久磁铁分区40、41和42组成。分别赋予第一和第三磁铁分区40或42第一斜角α_Sch3，而赋予第二磁铁分区41第二斜角α_Sch4。

第一斜角α_Sch3按下式计算：

以及第二斜角α_Sch4按下式计算：

α_Sch4＝α_Sch2-α_Sch3                         (6)

式中另一个斜角α_Sch2以公式(2)为基础。第一和第三磁铁分区40或42沿旋转轴线4方向分别有一个分区长度L₁为：

$>>>l>1>>=>>1>2>>·>>l>G>>·>>>\alpha >>Sch>3>>>>\alpha >>Sch>2>>>>->->->>(>7>)>>>s>$

式中L_G表示永久磁铁39沿旋转轴线4方向的总长度。第二磁铁分区41有一个分区长度L₂为：

l₂＝l_G-2·l₁                                  (8)

借助按图8的实施例的双重倾斜，抑制谐波和槽制动(Nutrasten)的影响。

如图8所示，永久磁铁39设计为一体式的，或也可以设计为多个部分组成，例如相应于其剖分成三个磁铁分区40至42。此外，所述的在图8中针对具有永久磁铁39的一个没有详细表示的转子所示的双重倾斜，原则上也可以应用于定子2的槽5。

总之，借助所述的三项措施的组合，可以达到非常有效的抑制。