[发明专利]旋转电机顿转转矩最小化的互补式永久磁石结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于电动机或发电机的永久磁石结构，尤其涉及一种旋 转电机顿转转矩最小化的互补式永久磁石结构。

背景技术

旋转电机为了提升效率、增加功率密度及减少相对体积，因此采用永久磁 石作为定磁场来源，随着新工艺及材质的演进，符合市场价格的高磁能积永久 磁石遂大量应用于旋转电机的开发。

当采用永久磁石作为定磁场来源，于无载转动时，整个旋转电机的磁路特 性完全受到该定磁场主宰，旋转时的磁路等效磁阻会产生相对于旋转角度的周 期性变化，例如由对应齿部间齿槽开口造成的效应。此种磁阻对应于旋转角度 的变化率会产生一种磁阻转矩成分，有时又称为止动转矩，并正比于气隙等效 磁通平方倍。即永久磁石定磁场为了对正铁心磁路的最小等效磁阻下所产生的 转矩，一般称之为顿转转矩或齿槽扭矩(cogging torgue)。

当驱动转矩不明显大于顿转转矩时，会产生不需要的输出转矩涟波，且会 造成振动及噪音，并影响控制上的精度，于极低速运转时特别显着。旋转电机 的顿转转矩的产生一般可采以下关系式表示，

Tcog=-12φ2dRmagdθ]]>

式中T_cog为顿转转矩、φ为气隙等效磁通、R_mag为磁路等效磁阻及θ为旋转 角度。磁路等效磁阻的变化一般可以表示成相对于旋转角度的周期性函数。相 对地，顿转转矩成分为磁路等效磁阻对旋转角度的微分。因此，顿转转矩也可 以表示成相对于旋转角度下具有正负对称的周期性函数，有时以傅力叶级数表 示之。

因此，若要降低顿转转矩的输出量，大致有两个方法可以考虑。第一个方 法是减少气隙等效磁通的大小。顿转转矩的输出量与气隙等效磁通大小的平方 成正比，但是气隙等效磁通的大小也直接正比于一般所需的有效电磁转矩输 出，所以若为了降低顿转转矩而减少气隙等效磁通，也会同时减少电磁转矩， 故一般并不采用此方向。

第二个方法是减少磁路等效磁阻相对于旋转角度的变化率，只要该磁路等 效磁阻于旋转过程中维持定值，即变化率为零的话，理想上便可完全没有顿转 转矩成分产生。为了减少磁路等效磁阻相对于旋转角度变化率的相关设计，通 常可以尽量避免对所需的有效电磁转矩输出及其它旋转电机特性的负面影响， 故一般采用此方向。

产生磁路等效磁阻变化的原因有很多，主要为容纳绕线而产生的电枢铁心 齿槽结构及磁极铁心相互旋转下，产生磁通路径更动，相对造成磁路等效磁阻 的变化，包含磁极对应齿部的转换过程、齿槽开口造成的空气气隙磁阻、磁路 设计上的磁通密度改变及磁饱和现象等，均会直接或间接产生磁路等效磁阻变 化，而造成顿转转矩的产生。

为了消除磁路等效磁阻变化，有多种现有采用的方式。包含斜齿槽或斜磁 极的使用，将电枢齿槽、永久磁石磁极其中择一以轴向距离连续旋转一特定角 度，或采用分段式的旋转，使轴向的磁阻变化产生相位差，互补以减少总合成 磁阻的变化，相对降低总合成顿转转矩。此种轴向连续或分段旋转的方式，其 缺点是会增加组装及检验上的相对成本及时程。

尚可采用特殊的槽极比降低顿转转矩，通常槽数及磁极数的最大公约数越 小及最小公倍数越大时，可以获得越小的顿转转矩。但于特殊槽极比的要求下， 有时需搭配特定且有限制的绕线方式，甚至有时会产生不必要的径向力，例如 8极9槽的旋转电机，其槽极比即会造成径向力，一方面对转轴轴承造成径向 负担，另一方面还会进而产生振动及噪音，不适用于低振动及低噪音的特定应 用。