[发明专利]永磁电机的转动结构及决定其转动结构的方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种永磁电机的转动结构及决定其转动结构的方法，特别是关于一种应用于减小齿槽转矩(cogging torque)、降低风摩损耗与增加通风散热能力的永磁电机的转动结构。

背景技术

永磁电机具有结构简单、运行可靠；体积小、重量轻；损耗小、效率高；且电机的形状和尺寸可以容易变化等优点，因而应用范围极广，几乎遍及航空航太、国防、工农业与日常生活的各个领域。

请参阅图1，其为第一种现有的外转子永磁电机的转动结构断面图。在图1中，以八极六槽的永磁马达为例，说明永磁电机的转动结构801。永磁电机的转动结构801由一定子30及一转子40组成；其中，圆柱形的定子30固定在永磁电机内部，产生一旋转磁场；转子40为圆环形，围绕定子30，且与定子30是同轴的，具有一转子磁场，转子磁场与定子30的旋转磁场作用，使转子40产生旋转运动。

转动结构801的定子30包括一定子铁心1、一定子轴2与六个绕组3；其中，定子铁心1固定于定子轴2上，并由导磁材料构成，定子铁心1延伸出六个突出齿部5，六个突出齿部5形成了六个嵌线槽部4和六个嵌线槽口6，在六个突出齿部5上缠绕有六个绕组3，六个绕组3内流过驱动电流，据以产生定子30的旋转磁场。

转动结构801的转子40包括一转子轭部7与八个永磁体8；其中，转子轭部7为圆环形，八个永磁体8以圆环形均匀分布在转子轭部7的内表面，且八个永磁体8为N极、S极交替改变，每个永磁体8为永磁材料构成的一磁极。而转子40相对于定子30的定子轴2旋转，且定子30的突出齿部5外表面、嵌线槽口6与转子40的永磁体8内表面之间形成一气隙9。

在图1中，绕组3内通入足够的电流，以使转子40按照需要旋转。由于永磁体8与定子30所形成的嵌线槽部4和嵌线槽口6的相互作用，产生齿槽转矩(cogging torque)；而齿槽转矩是指永磁体磁动势分布与定子由于凹槽的存在而产生的气隙磁导分布在相互作用时，引起的转矩波动。因此，根据这个定义，没有驱动电流时转子转动中所受的力矩就是齿槽转矩。

齿槽转矩造成的问题为，将导致电机的输出转矩波动，影响电机的平滑旋转，并产生速度波动、振动与噪音。

同时电机内部的铜耗、铁耗等损耗会引起电机内部铁心、绕组和永磁体的发热，导致电机温度上升。为了散热，所以很多电机利用定子与转子间的气隙作为散热通风风道。

而定子与转子间的气隙对于电机的性能影响很大。通常，气隙不能太大，所以限制了通风散热效果，导致电机温度上升过高。

请参阅图2，其为一种揭露于美国专利公开案US 2005/0258698 A1的低齿槽转矩且高转矩密度永磁电机的转动结构断面图。在图2中，永磁电机转子铁心11或转子转轴11的表面上在圆周方向上等间隔配置有P对永磁体13。每个永磁体13的磁极面13b具备一圆弧面13c与一对倾斜面13d；其中，圆弧面13c在所述圆周方向的中央部，且与电机定子存在一气隙；该对倾斜面13d位于圆弧面13c的所述圆周方向两侧，随着远离圆弧面13c，气隙将扩张，且该对倾斜面13d倾斜为远离定子磁极部的磁极面。

在这里，定义永磁体13的圆弧面13b的第一极弧率Ψ₁为Ψ₁＝θ₁/(180/2P)，并定义永磁体13的第二极弧率Ψ₂为Ψ₂＝θ2/(180/2P)。结果得到该对倾斜面13d对应的角度范围，满足P/K≤Ψ₂-Ψ₁≤1.38×P/K的关系，并得到永磁体13倾斜面13d与永磁体径向中心线PS的夹角θ为介于(70°-45°/P)～(80°-45°/P)的角度范围，其中K为永磁电机定子的嵌线槽部的数量。

虽然在永磁体13圆周方向的两端加上倾斜面13d，可以减小齿槽转矩，但是美国专利公开案US 2005/0258698 A1给出的永磁体13倾斜面13d倾斜角度范围，应用于外转子电机时，并不能达到很好的减小齿槽转矩的效果。另外，美国专利公开案US 2005/0258698 A1给出的永磁体13倾斜面13d倾斜角度范围，仅仅考虑了电机齿槽转矩和转矩密度，并没有考虑到电机通风散热能力和转子的风摩损耗。而风摩损耗是指高速旋转的电机转子表面与空气相互摩擦所产生的机械损耗。