專利名稱：具有減小的齒槽效應的電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及永磁交流旋轉電機以及由這種電機表現出的齒槽轉矩的最小化。本發明尤其涉及由于其磁極的移位而引起的具有減小的齒槽效應的電機。
背景技術：
在電機的工作中所遇到的共同問題是齒槽效應(cogging)。齒槽效應是在電機的工作期間由于在氣隙處的轉子和定子的幾何形狀對磁通分布的影響以及轉子和定子之間的力導致出現的非線性磁轉矩。具體地講，齒槽效應是由相對于定子具有更優的低勢能位置的轉子導致的，其中，轉子和定子之間的引力最大并且對應的高勢能位置位于該每個低勢能位置之間。正是這些位置之間的勢能差確定了齒槽轉矩的幅度。
在電機工作期間齒槽效應會導致效率和可靠性降低，同時也會產生不希望的振動和噪聲，并且在極端情況下會導致電機完全不能夠工作。公知的是齒槽效應存在于定子、轉子或轉子和定子表現比較優秀的電機中。還公知該該效應也存在于磁極和繞組槽(winding slots)互相作用而導致對特定數目的繞組槽產生嚴重齒槽效應的感應電機中。齒槽效應在這樣的一些電機中是特別顯著的，所述電機具有許多繞組槽，該繞組槽的數目是磁極數的整數倍，并且該繞組槽和磁極都圍繞它們形成于其上的機身的圓周均勻地分隔開。這是因為由于這種電機的對稱性，當一個磁極處于相對于繞組槽的其最低勢能位置時，所有其它的磁極也會在其最低勢能位置并且因此轉子在相對于定子的最低可能勢能位置。此外，這意味著如果存在n個繞組槽，則轉子具有相對于定子的n個低勢能位置并且電機工作期間的齒槽效應頻率將是轉子的旋轉頻率和n的乘積。
典型的永磁電機形成為使得轉子被可旋轉地安裝在定子中，磁極圍繞轉子的外表面的圓周均勻分隔開，并且繞組槽圍繞定子的內表面的圓周均勻分隔開。然而，其它結構也是可行的。例如，轉子被可旋轉地安裝在定子的外部。另外，磁極還可以固定到定子上而繞組槽形成在轉子中。關于齒槽效應，根據這些結構中的任何一個的永磁電機的設計考慮基本相同。
通常，當決定電機中的繞組槽的數目時必須考慮的因素是公知的。例如，已知的是當電機具有多個繞組槽，該繞組槽的數目是磁極的整數倍時，雖然工作期間由電機的定子繞組所產生的磁動勢(m.m.f.)將包含最少數目的諧波，但是工作期間電機仍會經歷顯著的齒槽效應。
已經提出并且以不同的成功程度實現了將齒槽效應最小化的許多方法。對于一些類型的電機，可以通過設置其數目不是磁極數的整數倍的多個繞組槽來將齒槽效應最小化。這樣的繞組通常稱作為包括“每極每相分數槽”并且對于本領域技術人員來講是公知的。然而，在一些情況下，這不是優選的或者更加不可行。例如，在大型電機中，由于由繞組槽的數目的這種改變所導致的非同步磁通模式會不可避免地導致磁極的額外損失，所以對具有其數目不是磁極數的整數倍的不同數目的繞組槽的選擇受到限制。這些損失會非常高甚至會使得該方法不可行。
減小齒槽效應的另一種方法是將磁楔結合在繞組槽中，但是該方法太昂貴。還可以使用“半封閉”繞組槽來減小齒槽效應，但是對于包括成形的線圈并且通常在大電機中常見的這些類型的繞組而言，這些類型的繞組能夠導致不能夠接受的高繞組成本。另外還提出了具有帶有用于減小齒槽效應的特定形狀的磁極的永磁電機。通常建議這樣來形成磁極的外表面，使得定子和磁極之間的氣隙是不均勻的。
另外一種用于將永磁電機中的齒槽轉矩最小化的方法是使得磁體相對它們的傳統布置變得傾斜。例如，日本專利公開了一種具有減小的齒槽效應的電機，其中，磁體被傾斜從而這些磁體不與電機的軸平行。
美國專利4,713,569中公開了另外一種將齒槽轉矩最小化的方法。該專利公開了一種具有永磁轉子的AC電動機，該永磁轉子包括多個磁極，該多個磁極根據電機中磁極的數目和定子極(繞組槽)的數目相對它們的基準位置進行角度上的移位。該磁極的基準位置是這樣的位置，在該位置上這些磁極沿著圓周相等地分隔開。具體地講，在根據此專利的電機中，每個磁極以不同的量從其基準位置移位，該不同的量都是由360°除以定子極(繞組槽)的數目和磁極的數目的乘積的整數倍，從而沒有磁極從其基準位置移位大于定子極(繞組槽)的節距。在該說明書中給出的特定例子是一種AC電動機，該電動機具有帶有8個磁極的永磁轉子和帶有24個極(繞組槽)的定子，其中，該磁極從其基準位置移位1.875°(360°/(24×8))的整數倍，從而沒有兩個極從它們的基準位置移位相同量，并且(標稱)第八磁極以等于定子極(繞組槽)節距的量從其基準位置移位。
與具有均勻分隔開的磁極的傳統電機相比較，美國專利4,713,569公開的轉子結構能夠充分減小齒槽轉矩。然而，在多數情況下，由于該轉子結構對其它設計考慮的影響，該轉子結構并不優于傳統結構。例如，這種結構導致圍繞轉子的磁極的定位完全不對稱。如果該電機用于高速使用，則由于磁極布置在機械上不平衡，所以這種不對稱性是不期望的。如果該電機是電動機，則這種完全不對稱性還會導致由定子繞組產生的m.m.f.的顯著諧波含量，或者如果該電機是發電機，則這種完全不對稱性還會導致在定子繞組中產生的電動勢(e.m.f.)波形的顯著諧波含量。
由于如在美國專利4,713,569中所定義的第一個和最后一個磁極的間隔，所以該專利的定子結構也不是優選的。這是因為這兩個磁極之間的角度間隔顯著小于帶有均勻分隔開的磁極的傳統電機。具體地講，這兩極之間的間隔比該均勻間隔所小的量等于繞組槽節距。根據形成這些磁極的磁體的角度寬度，這會導致一般所不期望的該兩個磁極彼此接觸并且碰撞，如后面所討論。
最后，磁極定位的嚴格要求還會導致在根據美國專利4,713,569的電機的設計中的靈活性缺乏。即，響應于任何其它設計考慮，不能夠改變磁極的位置。

發明內容
本發明提供了一種電機，所述電機包括第一機身，其包括在其徑向內表面上形成的沿圓周分隔開的多個繞組槽和沿圓周分隔開的多個磁極中的一種；第二機身，其位于所述第一機身之內并且包括在其徑向外表面上形成的所述沿圓周分隔開的多個繞組槽和所述沿圓周分隔開的多個永磁極中的另一種；所述第一機身和所述第二機身之一是轉子并且被可旋轉地安裝，并且所述第一機身和所述第二機身中的另一個是定子并且被可固定地安裝；所述繞組槽具有基準角度節距，所述基準角度節距等于360°除以所述電機中的繞組槽的數目；所述磁極包括至少兩個獨立的組，每個組包括至少兩個沿圓周相鄰的磁極；每個磁極具有基準位置，其中，所述基準位置圍繞其上形成所述磁極的機身的圓周相等地分隔開；每個組中的所述圓周外磁極中的至少一個位于其基準位置，以及每個組中的至少一個磁極是移位的磁極并且位于從其基準位置移位的量不等于所述繞組槽的所述基準角度節距的整數倍的位置。
磁極可以形成于定子上，繞組槽可以形成于轉子中。然而，通常優選的是磁極形成于轉子上而繞組槽形成于定子中。為了便于理解，以下關于根據本發明的電機的問題的討論涉及具有該第二種布置的電機。然而，應該明白，還可以以第一種布置來構造根據本發明的電機，并且除非另外規定，則下面討論可以一樣地應用到這兩種布置。
設想通常優選的是將根據本發明的電機構建為第一機身是定子，第二機身是轉子。即，該轉子被可旋轉地安裝在該定子中。然而，應該明白，在其中該轉子是第一機身并且可旋轉地安裝在作為定子的第二機身外部的根據本發明的電機也是一樣可行的并且在一些應用中會更好。除非另外規定，下面討論可以一樣地應用到任何一種結構。
每個磁極組中磁極的數目的定義以及單獨的磁極是移位的磁極還是在其基準位置上的圓周外磁極都可以是任意的。在本發明的一些實施例中，包含在每個磁極組中的磁極的數目是直接明確的，例如，是否每個磁極組包含相同數目的磁極并且以相同模式來移位每個組中的磁極。如果每個組中的磁極的數目是明確的，則通過任意地將任何單獨磁極定義為圓周外磁極，作為該定義的結果，所有其它磁極的特性將被自動地定義。例如，如果每個組內有8個磁極并且每個組具有相同的移位模式，則通過將任意單一的磁極定義為在其基準位置上的圓周外磁極，則根據相對那個磁極的所有其它磁極的位置也就定義了該所有其它磁極的特性。
此外，如上所述，根據本發明的每個電機具有進行移位的多個磁極，并且可以具有不進行移位并且不是圓周外磁極的多個磁極。這些“非移位”磁極位于它們的基準位置。雖然每個磁極的基準位置的定義是非常任意的，但是能夠幫助理解根據本發明的電機的設計。能夠以下面的方式來進一步理解每個磁極的基準位置。可以認為是通過采用其磁極圍繞其圓周相等地分隔開的傳統電機的轉子設計并且沿圓周移位一些磁極來形成根據本發明的任何電機的設計。在那個傳統電機中每個磁極所占據的位置是其基準位置。即，該基準位置圍繞形成這些磁極的機身的圓周相等地分隔開。沒有占據它們的基準位置的磁極是移位的磁極。這樣，能夠簡單地定義移位的磁極、磁極組和每個磁極的基準位置。
任何對象的節距被定義為兩個相鄰沿圓周分隔開的對象上的等效點的角度或線性圓周間隔。因此，繞組槽節距被定義為兩個相鄰繞組槽上的等效點之間的圓周間隔。如果電機具有徑向對稱的繞組槽，則線性繞組槽節距可以定義為圍繞其中形成繞組槽的機身的表面而測量的兩個相鄰繞組槽的槽中心線之間的圓周間隔。該繞組槽節距還可以表達為角度，如果以弧度來進行表達，該角度等于線性繞組槽節距除以其中形成繞組槽的機身的半徑。當以度來表達時，繞組槽的基準角度節距等于360°除以包含在電機中的繞組槽的數目，當以弧度表達時，繞組槽的基準角度節距等于2π除以該繞組槽的數目。
優選的是，每個繞組槽相同并均勻地分隔開。即，它們的實際節距等于它們的基準節距。然而，具有不相同和/或不均勻分隔開的繞組槽的電機也是可行的。非均勻分隔開的繞組槽的存在會以與傳統電機大體相同的方式影響根據本發明的電機的工作和性能，這一點對本領域技術人員是顯而易見的。由于繞組槽的定位會影響根據本發明的電機的工作，所以當定義根據本發明的電機中的磁極的移位模式時，需要將這個問題和在該說明書中描述的其它設計考慮一起進行考慮。
根據本發明的電機通常具有多個繞組槽，該多個繞組槽的數目是磁極數的整數倍。然而，對于一些根據本發明的電機，可以通過具有其數目不是磁極數的整數倍的多個繞組槽即“每極每相分數槽”繞組來進一步減小齒槽效應。然而，如前面所討論的，由于由“每極每相分數槽”繞組產生的非同步磁通模式會不可避免地導致磁極中的額外損失，所以通常這樣的設計不是優選的或者甚至不可能。
磁極的基準角度節距被定義為360°除以電機中的磁極的數目。
由于根據本發明的電機中的移位的磁極的存在會影響轉子相對于定子的相對位置的勢能，所以會導致齒槽效應減小。具體地講，將磁極進行移位會減小轉子相對于定子的最高和最低勢能位置之間的勢能差的幅度。這是因為當磁極沒有圍繞轉子的圓周被均勻地分隔開時，當任意一個單獨磁極在其相對于繞組槽的最低可能勢能位置時，任何其它的磁極會在相對于繞組槽的較高勢能位置，該任何其它的磁極相對于那個單獨磁極從其基準位置被移位不是繞組槽節距的整數倍的量。這意味著與其磁極按照繞組槽節距的整數倍被均勻分隔開的轉子的等效位置相比較，在那個位置上的轉子的全部勢能會增加。把等效論應用到轉子的高勢能位置。即，移位的磁極的存在降低了轉子相對于定子的高勢能位置的能量。
轉子相對于定子的低勢能位置的能量的增加以及高勢能位置的能量的降低導致齒槽轉矩的減小。齒槽轉矩的減小的幅度取決于在任何電機中使用的磁極的特定移位模式，但是該幅度可以是顯著的。由于一些磁極的移位會導致轉子相對于定子的低勢能位置和高勢能位置的數目增加，所以磁極的移位還導致了齒槽效應頻率的增加。
還必需考慮的多個額外因素也會影響減小齒槽效應時磁極的移位的效果。這些因素包括相對于繞組槽節距的每個磁極的寬度以及繞組槽開口與繞組槽節距的比率。這些參數通過由繞組槽導致的磁導變化來影響磁極的m.m.f模式的排列，這會反過來影響低勢能位置和高勢能位置的能量的幅度。存在普遍使用并且本領域技術人員知道其效果的多種形狀的繞組槽。
理論上，盡管如在根據美國專利4,713,569的電機中一樣，如果將每個磁極移位小于繞組槽節距的量以及移位不同量則可以實現最小齒槽轉矩，但是由于前面所討論的原因，這種模式不是優選的。這里定義的磁極的移位通常是優選的，這是因為可以使得更加容易地構建定子或轉子，并且根據本申請的移位模式可以足夠簡單地使對電機的性能進行容易地建模和分析。如果圍繞轉子或定子的磁極的移位太復雜，則工作期間電機的性能的計算機分析即使理論上可以，也會變得十分困難。如果不能夠容易地分析出電機的性能，則很難修改響應于諸如電壓波形諧波的其它考慮的設計。
如果根據本發明的電機用于高速使用，則優選的是磁極布置不會導致轉子的機械不平衡。這可以通過使形成磁極的磁體以關于其軸線具有至少雙重旋轉對稱的模式來圍繞該定子移位而得到保證。實現這種對稱的一個方法是使得轉子在每個組中的磁極的數目相同并且每個組內的磁極的移位模式相同，如下面在移位模式中所公開。
由于帶有旋轉對稱移位模式的磁極的轉子通常結構相對簡單，所以它們也是優選的。此外，以旋轉對稱方式將磁極移位使得能夠滿足其它設計考慮，諸如諧波產生的最小化和特性的可預言性，同時使得能夠實現齒槽效應水平的顯著減小。這些其它設計考慮的重要性意味著當在根據本發明的電機(例如大型低速電機)的設計中機械平衡不是重要問題時，磁極的旋轉對稱移位通常是優選的。
電機中的磁極的移位不僅僅影響齒槽轉矩還影響多個其它設計考慮。因此，根據本發明的任何電機的磁極移位模式的選擇通常需要在齒槽轉矩減小與這些其它設計考慮之間折衷。如果該電機是發電機則這些考慮的例子是在定子繞組中產生的e.m.f.波形的諧波含量，如果該電機是電動機則這些考慮的例子是在定子繞組中產生的m.m.f.的諧波含量，以及這些考慮的例子是電機結構的成本和復雜度。
作為這些設計考慮的例子，下面的討論涉及影響在發電機的繞組中產生的e.m.f.波形的問題。
當發電機的磁極和繞組槽均勻地分隔開時，如傳統發電機一樣，在發電機的工作期間由轉子產生的圓周m.m.f.模式只包含基本磁極數頻率及其奇次諧波。然而，如果繞組槽均勻地分隔開而磁極并沒有均勻地分隔開，這在根據本發明的電機中是可行的，則還會出現其它頻率。這會導致由子諧波頻率及其多重子諧波頻率產生的定子繞組中的電壓波形的嚴重失真。然而，如下面所討論的，可以連接根據本發明的電機中的定子繞組相來使得消除或最小化不希望的頻率的基本部分。
可以以一個或更多個并聯電路來連接電機中的定子繞組相，在該并聯電路中將線圈連接來使得在定子繞組中產生的e.m.f.波形的諧波含量最小化。例如，如果根據本發明的發電機的磁極的所選移位模式是每個包含相同數目的磁極并且每個具有相同移位模式的多個磁極組，則優選的是，將定子繞組相連接來使得每個電路中串聯的繞組極的組數等于每個磁極組中的磁極的數目或其倍數。定子繞組相的這種連接確保在定子繞組中產生的e.m.f.波形只包含基本極數頻率及其整數次諧波。
此外，由于移位的磁極會導致它們的m.m.f.模式中的偶次諧波，所以優選的是使用具有100％節距的定子線圈，即它們的兩端位于彼此以磁極的基準角度節距而分隔開的繞組槽中的線圈，這是因為這些線圈會確保在定子繞組中產生的e.m.f.波形不會包含基本極數頻率的偶次諧波。
星型連接的3相定子繞組的使用會確保在定子電流中沒有基本極數頻率的第三諧波及其整數倍次諧波(3n倍次諧波)，并且帶有這樣連接的定子繞組的發電機在其線電壓波形中沒有3n倍次諧波。該特定繞組僅僅作為例子給出。本領域技術人員已知并且容易理解具有不同數目的相的繞組以及不同繞組結構對的e.m.f.諧波的影響。
另一種選擇是，將定子線圈定位于磁極的2/3的基準角度節距處，如同某些形式的交錯(或交替)繞組的特定形式一樣，也會消除定子e.m.f.中的3n倍諧波的產生，所述交錯(或交替)繞組的特定形式可以在M.G.Say所著的“Alternating Current Machines”中獲得，并且被本領域技術人員所公知。然而，這樣使得定子線圈定位于磁極的基準角度節距的2/3處會導致電機的額定功率減小，并且通常對于帶有很多個磁極的大型電機的應用來講，用于消除3n倍次諧波的交錯形式的繞組是不實際的。
這樣，當工作時根據本發明的發電機會在定子繞組中產生只包含基本極數頻率及其第五、第七、第十一、第十三次等諧波的e.m.f波形，該根據本發明的發電機具有一種磁極移位模式并且具有移位100％節距的定子線圈、星型連接3相定子繞組和定子線圈，其中，對于所述移位模式，存在多個磁極組，每個組包含相同數目的磁極和相同的移位模式；所述移位100％節距的定子線圈、星型連接3相定子繞組和定子線圈被連接來使得每個電路中串聯的繞組極的組數等于每個磁極組中磁極的數目或者是其整數倍。
應該明白，用于控制在定子繞組中產生的e.m.f.波形中的諧波的定子繞組相的數目和連接以及定子線圈的移位節距的以上討論不是窮舉的，并且包含來只作為根據本發明的發電機的特定設計中的考慮的例子。連接定子繞組相以及對定子線圈定節距從而使在發電機的定子繞組中產生的e.m.f.波形中的非期望諧波被最小化，該方法是公知的，并且本領域技術人員可以容易地將其應用到本發明。此外，還應該明白盡管上面部分討論了在根據本發明的發電機的定子繞組中產生的e.m.f.波形中的非期望諧波的最小化，但是對于由根據本發明的電動機中的定子繞組產生的非期望的m.m.f.諧波的最小化，該設計考慮是完全相當的。本領域技術人員能夠立即將以上討論的方法應用到根據本發明的電動機從而以相似方式將不期望的m.m.f.諧波最小化。
此外，盡管使用上述方法可能會消除在根據本發明的發電機中產生的e.m.f.波形和由根據本發明的電動機所產生的m.m.f.中的非期望的諧波含量的基本部分，但是仍然需要選擇產生大于可能的最小值的齒槽轉矩的磁極移位模式以實現可接受的諧波含量。由于能夠通過下面公開的相對簡單的磁極移位模式實現可接受的齒槽效應的減小，所以當前這是可行的。這些模式不會將齒槽轉矩減小到可能的絕對最小值，但是可以使得齒槽轉矩顯著較小，并且對于其它設計考慮來講也是可以接受的。然而，應該理解，在一些情況下，需要進一步減小齒槽效應的水平，所以其它的移位模式會是優選的。例如，包含較大磁極組或具有包含不同數目的極的組的移位模式可以是優選的，并且根據本發明這些布置是一樣可行的。
根據本發明的電動機的一組優選實施例具有多個8磁極組，每個組包含相同的移位模式。
該移位模式提供了相對簡單的一種轉子結構，使得齒槽效應顯著減小，并且優選地與帶有8極或其倍數極的并聯電路的定子繞組結合使用。包含在以這種方式形成的轉子中的磁極組的優選移位模式如下

對于其磁極根據這種模式進行移位的轉子，其的磁極沒有移位并且處于它們的基準位置上。這些磁極中的3/4是移位的磁極，并且其中的的磁極從它們的基準位置移位了基準角度繞組槽節距(即，繞組槽的基準角度節距)的，另一的磁極移位了基準角度繞組槽節距的，最后的的磁極移位了基準角度繞組槽節距的3/4。因此，與磁極圍繞圓周均勻分隔開的電機相比較而言，該移位模式將轉子和定子之間的優選低勢能位置的數目增加到4倍。這導致了齒槽效應頻率的四重增加。然而，更加重要的是，這種移位模式還導致了當轉子相對于定子在其低勢能位置和高勢能位置時轉子和定子之間的引力的幅度差的顯著減小。當根據本發明的其磁極根據上面模式進行移位的電機工作時，這會導致齒槽轉矩的幅度的充分和顯著減小。
這種移位模式的有限元分析示出它對包含均勻分隔的繞組槽并且每磁極3個繞組槽的電機特別有效，該種電機具有其為基準角度磁極節距(即，磁極的基準角度節距)的寬度的3/4的磁極，并且具有其圓周寬度是基準角度繞組槽節距的的繞組槽開口。
這種移位模式可以理解為每個磁極在相同方向上從其標稱基準位置移位根據下面公式的量。
D=2(p-1)N]]>其中，D＝從基準位置的極的角度位移(以繞組槽節距表示)；N＝組中磁極的數目；P＝從最近相鄰極計數的組內的磁極編號。
(可以對照圖1來理解8磁極組的p值，圖1示出了在根據本發明的電機中的8磁極組中的每個磁極的p值。)這個公式可以應用到包含至少4個磁極的任何磁極組。它提供了一種移位模式，該移位模式包括圍繞每個組的極的角度移位的遞增，然后再等量遞減回到零。因為如果與磁極寬度的恰當選擇相結合則等量遞減之前的角度間隔的遞增可以確保磁極的充分隔開，所以角度間隔遞增然后再等量遞減是優選的。
相鄰磁極之間所需的角度間隔取決于每個電機的特定設計。通常，主要通過控制相鄰極之間的磁通泄漏的需要來確定所需間隔。即，為了將相鄰極之間的磁通泄漏保持在可接受的設計參數范圍內，通常將相鄰磁極進行充分隔開是優選的。然而，要理解的是能夠構建根據本發明的包含彼此接觸或彼此接近的相鄰磁極對的電機。
用于將磁極安裝到轉子表面的固定器也會影響它們的角度分隔，從而會影響磁極的移位模式的選擇。
由于通過以上考慮來確定根據本發明的磁極的最小間隔，所以這些考慮會有助于確定相對其基準位置任何單獨磁極的最大移位。盡管以上公式所定義的以上移位模式需要沒有磁極移位超過基準角度繞組槽節距，但是應該明白，只要保持了磁極的最小期望的角度間隔，則包含移位超過這個量的磁極的移位模式是可行的。例如，在根據本發明的電機中，通過設置包含12個或更多個磁極的組的磁極的移位模式，可以使得磁極移位超過基準角度繞組槽節距，而不會使兩個相鄰磁極之間的最小分隔減小小于基準角度繞組槽節距的1/4，如在下面的移位模式中所示。


另一種選擇是，可以利用包含除開8個磁極以外的并且根據上述公式進行移位的磁極組，從而滿足如前面所討論的根據本發明的電機的特定實施例的設計考慮。例如，為了具有滿足的線圈結構，在定子繞組中的每個并聯路徑中具有10個極是必需的。在這種情況下，磁極模式可以如下

然而，應該明白，非上述定義的那些移位模式的其它移位模式也是可行的。具體地講，根據本發明的也滿足線圈結構需要的其它移位模式也是可行的。此外，還應該明白，上述的移位模式僅僅是作為例子而給出并且該上述的移位模式并不限于此。幾乎無限數目的移位模式是可行的，并且盡管在本說明書中沒有明確地考慮到這些移位模式，但是在根據本發明的電機的結構中這些移位模式也是一樣可行的。
磁極的任何移位模式的效力將取決于其中結合了該移位模式的特定電機的特定結構和工作。預計能夠使用例如有限元技術的本領域技術人員公知的傳統技術來查找任何給定電機的優選移位模式。然而，由于以上討論的設計考慮，當前設想通常優選的是根據本發明的電機具有一種磁極組，該種磁極組中的每個組包含相同數目的磁極并且具有在組內相同的磁極移位模式，并且在每個并聯路徑中連接的繞組極的組數或者等于每個組中磁極的數目或者是每個組中磁極的數目的整數倍。
根據本發明的電機還可以包括用于減小齒槽效應的其它特性。例如，可以將磁極傾斜從而使得它們不與轉子的軸平行，或者可以將磁極形成一定形狀來減小齒槽效應。
根據本發明的電機可以是發電機也可以是電動機，并且它們可用于各種目的。本發明的一個優選實施例是如下所述的一種低速大直徑發電機，該發電機具有112個磁極和336個繞組槽。


圖1示出了8磁極組中的每個磁極的值p；圖2是傳統結構的低速大直徑發電機的部分截面圖；圖3是圖2的一部分的特寫示圖；圖4是根據本發明的低速大直徑發電機的部分截面圖，該發電機基本上與圖1和圖2所示的傳統發電機的結構相同；以及圖5是圖4的發電機的一部分的示意圖。
具體實施例方式
圖2和圖3示出了低速大直徑發電機的典型傳統結構。轉子2具有圍繞其外緣4而安裝的112個磁極3。磁極3彼此相等地分隔開，從而它們圍繞緣4的圓周相等地分隔開。即，每個磁極3定位在它們的基準位置，并且基準角度磁極節距是3.21°(360°/112)。轉子2被可旋轉地安裝在定子5中，并且在定子5的內表面和磁極3的外表面8之間形成有氣隙7。定子5包含336個相等地分隔開的繞組槽6，這些繞組槽6形成于定子5的內表面，即每磁極3個繞組槽。這等于1.07°的基準角度繞組槽節距Sp，即磁極節距的三分之一。每個繞組槽6包含定子繞組(未示出)的一部分，并且該繞組槽還圍繞定子5的內表面的圓周相等地分隔開。從圖3可以看出，繞組槽6的寬度大約是繞組槽節距Sp的寬度的一半，并且磁極3的寬度大約是磁極節距的寬度的4/5。
從圖4和圖5可以看出，根據本發明的低速大直徑發電機基本上與圖2和圖3所示的傳統發電機的結構相同，只不過磁極具有大約等于2.25個繞組槽節距的角度寬度以及磁極3的一些被移位而不在它們的基準位置。具體地講，112個磁極3位于14個相同的8磁極組中，并且每個組中的每個磁極3在順時鐘方向上從其基準位置在角度上移位根據下面公式的量D=2(p-1)N]]>其中，D＝從基準位置的極的角度位移(以繞組槽節距表示)；N＝組中磁極的數目；以及P＝從最近相鄰的極計數的組內的磁極編號。
極3a是其組內的第一極，并且因此位于其基準位置。即，當N＝8以及P＝1時，D＝0。極3b是組內的第二極(N＝8，P＝2)并且極3c(N＝8，P＝3)是第三極，從而它們從它們的基準位置分別移位繞組槽節距Sp的1/4和繞組槽節距Sp的1/2。
圖5示出了根據本發明的電機的磁極3的整個組。兩個端極3a和3h位于它們的基準位置，同時中間的六個極3b到3g從其基準位置以一定變化量移位到其基準位置的右側。極3b和3g從其基準位置移位繞組槽節距Sp的1/4，極3c和3f從其基準位置移位繞組槽節距Sp的1/2，極3d和3e從其基準位置移位繞組槽節距Sp的3/4。
權利要求
1.一種電機，其包括第一機身，其具有在其徑向內表面上形成的沿圓周分隔開的多個繞組槽和沿圓周分隔開的多個磁極中的一種；和第二機身，其位于所述第一機身之內并且具有在其徑向外表面上形成的所述沿圓周分隔開的多個繞組槽和所述沿圓周分隔開的多個磁極中的另一種，所述第一機身和所述第二機身之一是轉子并且被可旋轉地安裝，并且所述第一機身和所述第二機身中的另一個是定子并且被固定地安裝，所述繞組槽具有基準角度節距，所述基準角度節距等于360°除以所述電機中的繞組槽的數目；所述磁極包括至少兩個獨立的組，每個組包括至少兩個沿圓周相鄰的磁極；每個磁極具有基準位置，其中，所述基準位置圍繞其上形成所述磁極的機身的圓周相等地分隔開；每個組中的圓周外磁極中的至少一個位于其基準位置；以及每個組中的至少一個磁極是移位的磁極并且位于從其基準位置移位的量不等于所述繞組槽的所述基準角度節距的整數倍的位置。
2.如權利要求1所述的電機，其中，所述定子具有繞組槽，所述轉子具有磁極。
3.如權利要求1或2所述的電機，其中，所述第一機身是定子，所述第二機身是轉子。
4.如權利要求1或2所述的電機，其中，所述第一機身是轉子，所述第二機身是定子。
5.如上述任何一個權利要求所述的電機，其中，沒有磁極從其基準位置移位超過所述繞組槽的基準角度節距。
6.如上述任何一個權利要求所述的電機，其中，沒有兩個相鄰磁極彼此接觸或彼此碰撞。
7.如上述任何一個權利要求所述的電機，其中，將所述磁極進行移位來使得它們的圓周定位關于所述轉子的旋轉軸具有至少雙重旋轉對稱性。
8.如上述任何一個權利要求所述的電機，其中，在每個組中有至少四個磁極。
9.如上述任何一個權利要求所述的電機，其中，每個組中的圓周外磁極都位于它們的基準位置。
10.如上述任何一個權利要求所述的電機，其中，在每個組中有偶數個磁極。
11.如上述任何一個權利要求所述的電機，其中，每個組包含相同數目的磁極。
12.如權利要求11所述的電機，其中，以多個并聯電路來連接所述電機的繞組相，使得每個電路中串聯的繞組極的組數等于每個磁極組中的磁極的數目或是該磁極數目的整數倍。
13.如權利要求11或12所述的電機，其中，每個組包括8個磁極。
14.如權利要求11到13中的任何一個所述的電機，其中，每個磁極組中的每個移位的磁極移位的量與所有其它磁極組中的等效磁極位移的量相同。
15.如權利要求14所述的電機，其中，所述每個組中的移位的磁極從它們的基準位置移位根據下面公式的角度量，D=2(p-1)N]]>其中，D＝磁極p的角度移位(以繞組槽節距表示)，p＝從最近的相鄰磁極組開始計數的組內的磁極編號，N＝組內的磁極的數目。
16.如上述的任何一個權利要求所述的電機，其中，所述繞組槽沿圓周均勻地分隔開。
17.如上述任何一個權利要求所述的電機，還包括繞組線圈，所述繞組線圈的角度節距等于所述磁極的基準角度節距。
18.如權利要求1到16中的任何一個所述的電機，還包括繞組線圈，所述繞組線圈的節距等于所述磁極的基準角度節距的2/3。
19.如權利要求12所述的電機，其中，所述繞組槽的數目等于所述磁極的數目和所述繞組相的數目的乘積的整數倍。
20.如權利要求19所述的電機，其中，繞組槽的數目是磁極數的3倍。
21.如上述任何一個權利要求所述的電機，其中，形成所述磁極的每個磁體的角度寬度基本上是所述繞組槽的基準角度節距的2倍。
22.如上述任何一個權利要求所述的電機，其中，在所述轉子和所述定子之間的氣隙處的每個繞組槽寬度基本上等于所述基準繞組槽節距的一半。
23.如上述任何一個權利要求所述的電機，其中，每個磁極基本上與所述轉子的旋轉軸平行。
24.如權利要求1到22中的任何一個所述的電機，其中，每個磁極相對于所述轉子的旋轉軸傾斜。
25.如上述任何一個權利要求所述的電機，其中，磁槽楔結合在所述繞組槽中。
26.如上述任何一個權利要求所述的電機，其中，以一種方式這樣來形成每個磁極的外表面，使得所述轉子和所述定子之間的氣隙不均勻。
全文摘要
本發明提供了一種具有減小的齒槽效應的電機1。該電機的磁極3包括至少兩個沿圓周相鄰磁極的至少兩個獨立的組。磁極組之一中的圓周外磁極3之一被定義為處于其基準位置。如果所有磁極圍繞第一或第二機身相等地沿圓周分隔開并且該一個圓周外磁極處于其基準位置，則每個其它磁極3的基準位置被定義為每個其它磁極所占據的位置。每個組中的圓周外磁極3中的至少一個位于其基準位置。每個組中的至少一個磁極3是移位的磁極并且處于從其基準位置移位的量不等于繞組槽的基準角度節距的整數倍的位置。該磁極3的移位使得齒槽效應顯著減小。
文檔編號H02K1/06GK101060269SQ20071009379
公開日2007年10月24日 申請日期2007年4月18日 優先權日2006年4月18日
發明者保羅·伊頓·克拉克 申請人:康弗蒂姆有限公司