CN102223041B

CN102223041B - 电机

Info

Publication number: CN102223041B
Application number: CN201110097433.XA
Authority: CN
Inventors: J·克罗特施
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2031-04-13
Also published as: ES2444770T3; US8664826B2; EP2378627B1; EP2378627B9; EP2378627A1; ES2444770T9; US20110248595A1; CN102223041A

Abstract

本发明涉及具有定子(2)与径向对称的永磁励磁的转子(4)的电机(1)，转子相对于共轴的定子且围绕共同的电机轴(X)旋转。定子具有径向对称的铁心(6)，铁心有一定数量(N)的在周向上各自通过定子槽(8)与槽缝(8a)相邻的定子齿(10)。转子有一定数量(P)的分散安置在圆周上且通过极转变区域(14a)相邻的极磁体(14)。在转子极磁体与定子齿的径向之间有与圆周相应的气隙(18)。每一定子齿在它朝向气隙的表面(20)上具有浮雕状表面形貌区(22)，表面形貌区从定子齿的在周向上由相邻的两侧槽缝限定边界的面区域出发，在局部径向地拓展气隙，而且具有至少一个凹坑(24)并在周向上以连续、波纹状、没有缺口与棱边的方式延伸。

Description

电机

技术领域

本发明涉及一种电机，该电机具有定子以及径向对称的永磁体励磁的转子，所述转子被设计成能够相对于共轴的定子旋转，而且旋转是围绕共同的电机轴进行的，其中，定子具有径向对称的铁心，该铁心具有一定数量的在周向上各自通过定子槽与槽缝(Nutschlitze)相邻的定子齿，以及其中，转子具有一定数量的分散安置在圆周上且通过极转变区域(Polübergang)相邻的极磁体，而且，在转子极磁体与定子齿之间径向地构造有沿圆周走向的气隙。

背景技术

这种常被称作永磁励磁电机的电机已广为人知，它的特点是效率高，并且特别适合用作通风机与风扇的驱动器(尤其是在它被制作成外转子电机时)。由于磁导会沿着气隙发生波动(这是由定子铁心，一般是定子叠片的槽所引起的)，这种电机在运行过程时，其转矩会发生振动，发生所谓的齿槽转矩(Nutrastmoment)，这种转矩可能会引起颤动和噪声。但是，对于在冷冻和空调技术中采用的风扇，尤其要求其尽可能安静、高效地运行。

在现有技术中，有若干用于减小永磁励磁电机之齿槽转矩的措施。

例如，DE 101 47 310 B4描述了一种碗形的磁铁分块(Magnetsegment)，该种磁铁分块具有在轴向方向上倾斜延伸的面。由于极转变区域同样是倾斜地延伸的，因此减小了齿槽转矩。但是，永磁体磁链(permanentmagnetischeFlussverkettung)因此也会同时下降，所以与具有垂直的极转变区域的实施例相比，在本实施例中的转矩密度和效率是下降的。另外，生产这种磁铁分块还会增加额外的成本。

在轴向上具有倾斜延伸面的磁铁分块在其他的专利文献，如DE 199 01310 A1、DE 295 10 938 U1、JP 561 53 961 A以及在EP 0 375 228 B2与US 4 933 584中也有述及。

EP 0 375 228 B2与US 4 933 584描述了在定子齿上的矩形或半圆形延伸的凹坑。在周向方向上，这些凹坑具有缺口与棱边以不连续的方式相互过渡。此外，这些凹坑在轴向方向上是与槽一样倾斜延伸的。另外，永磁体的磁化在轴向方向上以倾斜走向的方式实施的。显然，这样不仅减小了齿槽转矩，而且也降低了电机的转矩密度和效率。特别是倾斜延伸的槽对于安置绕组而言，还意味着更高的成本。此外，这种倾斜设计还会导致永磁体磁链(Permanentmagnet-Flussverkettung)的减小，并因此导致转矩减小。

JP 56 153 961 A描述了定子齿上的凹坑，这些凹坑的目的是减小齿槽转矩，但是槽距(齿宽)是不等的。由此形成了主齿与辅助齿。这些凹坑呈凹半圆形，而且在周向上，其具有缺口与棱边而以不连续的方式相互过渡。相对于槽中轴而言，在齿上的这些凹坑是不对称的。另外，永磁体的磁化是倾斜走向，而且/或者是与轴向方向错开的。显然，这样的倾斜设计减小了永磁体磁链，并因此也减小了电机的转矩密度和效率。

在其他的专利文献DE 28 50 478 C3、EP 0 081 524 B1、EP 0 473 534B1和EP 0 545 060 B1中分别描述了具有垂直面，但也有(经过相应的磁化而产生的)倾斜延伸的极转变区域的永磁体。这种设计方案对于转矩密度和效率同样有负面影响。此外，倾斜延伸的极转变区域还具有其他缺点。有利于减小齿槽转矩的倾斜角总是取决于定子或者说定子铁心(定子叠片)的轴向长度，因此，对于不同的长度需要分别提供单独的磁化装置。

DE 37 10 658 A1涉及一种直流电机，其转子在轴向方向上具有由多部分组成的永磁体，其中，永磁体的各个部分在周向上是以彼此错开的方式安置的。这种结构原则上也能减小齿槽转矩，但其不利之处在于降低了转矩密度及效率，而且为了安装磁体分块并对其进行磁化，还需增加制造工艺上的成本。

在DE 37 23 099 C2中描述了这样一种实施方式，即通过在定子齿上设置轴向延伸的凸块状导磁隆起，从而形成在周向方向上呈周期性变化的气隙。在这里，凸块突入到所述气隙中。出于对制造精度的考虑，气隙在整体上必须设计得较大，以便在凸块部位仍能确保有足够的间隙。但是因此却降低了转矩密度和效率，而且/或者，为实现较高的精确度，需增加制造成本。

最后，在DE 103 03 848 A1中描述了一种为减小齿槽转矩而将磁体以不对称方式安置在转子周边上的设计方案。这一方案为使磁体精确定位而增大了制造技术上的成本。另外，与对称结构相比，按这种方式制成的不对称结构会以带来额外振动矩(Pendelmoment)的形式，对由电磁产生的转矩产生负面影响。

发明内容

本发明的基本目的在于创造一种与开头提到的电机同类型的，但齿槽转矩极小且同时效率与材料利用率(转矩密度)较高的电机。换言之，不仅要减小齿槽转矩，而且又不会对效率及转矩密度产生不利影响。此外，还要使电机能够以低廉的制造技术成本来制造。

根据本发明，上述目的是通过独立权利要求1的特征得以实现的。本发明的其他有利设计特征包含在各从属权利及随后的说明中。

相应地，根据本发明，每一定子齿均在它朝向气隙且实际上与该气隙相应地弯折成圆弧形的表面上具有浮雕状的表面形貌区(Topografiebereich)，该表面形貌区从所述定子齿的那些在周向上由相邻的两侧槽缝限定边界的面区域(Seitenbereich)出发，在局部上径向地拓展所述气隙，而且该表面形貌区具有至少一个凹坑，并在周向上，由于它没有缺口和棱边，因而是呈波纹状连续延伸的。术语“连续延伸”是指，定子齿的半径在周向上是连续而没有突变的。因此，波纹状的轮廓是沿着连续的曲线延伸的，其中所有区域都是以彼此相切而没有拐点(Knick)的方式连接的。在这种情况下，定子齿在波纹状的表面形貌区中以及在槽缝区域中均优选(从轴向方向上看)以垂直延伸或者以与电机轴平行延伸的方式构造，由此能够有利地避免所有那些在前文中述及的存在于倾斜延伸的实施例中的缺点。最重要的是，根据本发明的电机之所以能够以简单、成本低廉的方式来制造而成，确切地说，其特别的原因在于对定子铁心的定子齿的绕线，因为绕线可以穿过定子槽而围绕定子齿进行缠绕。

由于根据本发明的波纹状的表面形貌区优选在周向上相对于径向的槽中轴以及径向的齿中轴以对称的方式构造，因此能够有利地减小齿槽转矩，而对电机效率及转矩密度几乎没有负面影响。其中的原理可以这样来说明：齿槽转矩是由于转子的磁体极转变区域(Magenet-)与定子的槽缝之间的相互作用而产生的。所述波纹状的表面形貌区的那些根据本发明设计的凹坑原则上也会引起转矩波动，但是，这种转矩波动由于在周向上与槽缝错开，因而与齿槽转矩相位相反，振幅相同。这些由根据本发明的材料凹坑(Material-Aussparung)导致的转矩波动与原来的齿槽转矩互相叠加，导致的结果是两者完全或者至少部分抵消。

下面将对其他的特别设计特征进行更详细的阐述。

附图说明

为此，在下文中将借助于附图以及在图中绘出的优选实施例对本发明进行进一步的说明。其中：

图1至图3分别示出了优选制成外转子电机的根据本发明的电机的不同实施变例的简化的示意性半部分截面图；

图4是与图2一样的视图，图中示出了额外标出的角度；

图5是图1中的区域V的放大视图；

图6是以与图5类似的分图6a至6d示出了不同的实施变例的剖视图；

图7是另一类似于图5的视图，用以阐释本发明的作用原理，以及

图8是说明本发明与现有技术的齿槽转矩比较结果的简图。

具体实施方式

在附图中不同的图形上，同样的部件都配以同样的附图标记。

首先，在图1至4中仅以示意方式画出了电机1，其包括定子2和转子4。定子2与转子4相对于同一电机轴X彼此共轴设置，其中，相对于定子2而言，转子4能够围绕电机轴X旋转。在示出的实施例中，电机1被制造成外转子电机，其中，转子4包围着共轴的定子2。但是本发明原则上也适用于那些公知的转子在定子之内旋转的内转子电机。

定子2具有径向对称的铁心6，该铁心一般是由一层层金属片构造而成的定子叠片。在这种情况下，铁心6具有一定数量N的定子齿10，这些定子齿在周向上分别通过定子槽8与槽缝8a邻接。相对于电机轴X而言，定子齿10指向径向方向，在整体上，它们均具有一个从径向截面上看呈T形的结构，而该结构具有其端面在周向方向上呈向两侧对称延长的极靴10a。每一定子齿10分别承载多个定子绕组12中的一个，所述定子绕组呈所谓的齿绕组(Zahnwicklung)形式，是通过穿过定子槽8而围绕定子齿10卷绕而成的。

径向对称构造的转子4具有一定数量P的、分散安置在圆周上的极磁体14，这些极磁体各自通过极转变区域14a互相邻接。极转变区域14a可以像示出的那样通过单个磁体件之间的间隔来限定，或者(在采用一件式的环形磁体或者采用安置成环形的磁带时)通过在转子磁化时从转子磁体的一极向紧邻的反向磁极发生转变的区域中的交零点来限定。所有极磁体14均通过共同的软磁性的磁轭件16而连接。在示出的外转子电机实施例中，极磁体14被安置在圆柱体形的磁轭件16的内圆周上。

在转子极磁体14与定子齿10的径向间隔中形成有与圆周相应的、基本上呈圆柱形的气隙18。这一气隙18使得转子4能够旋转，这种旋转是由对定子绕组12进行控制而产生并作用在整个气隙18上的定子磁场与极磁体14的磁场的相互作用引起的。在这种情况下(至少对于公知的电机而言)，由于定子槽8或者说槽缝8a会与处于各极磁体14之间的极转化区域14a产生相互作用，这种相互作用将导致磁导沿着气隙18出现波动，从而引发转矩波动，也就是所谓的齿槽转矩(参见图8所示简图中的转矩曲线A)。

为消除或至少明显减小这种齿槽转矩，在本发明中是这样设计的，即，每一定子齿10均在它朝向气隙18且实际上在周向上弯折成圆弧形的表面20上具有浮雕状的表面形貌区22，该表面形貌区从所述定子齿的那些在周向上由两侧的相邻槽缝8a限定边界的面区域出发，在局部上径向地拓展所述气隙18，而且该表面形貌区具有至少一个凹坑24(对此请尤其参见图5至7中的放大视图)，并且在周向上是以连续的、波纹状的、没有缺口及棱边的方式延伸的。在这种情况下，从轴向方向看，定子齿10在波纹状的表面形貌区22以及在定子槽8和槽缝8a的区域中肯定是垂直地或者与电机轴X相平行地延伸的。相应地，这种设计也优选适用于转子4，就是说，极磁体14具有垂直的面，而极转化区域14a在轴向上是垂直构造的。这样，就前文提到的目的而言，电机1能够以简单、成本低廉的方式制造而成。而且，通过本发明还达到了明显减小齿槽转矩的目的(参见图8中以虚线画出的转矩曲线B)。

在符合目的的设计方案中，波纹状的表面形貌区22在周向方向上是相对于径向的槽中轴26，而且相应地也相对于径向的齿中轴28以对称的方式构造在定子齿10的表面20上的。对此可尤其参考图4中的视图，如图所示，每一波纹状的表面形貌区22，总是从一相邻的定子槽8的槽中轴26开始，朝着径向齿中轴28的方向延展过圆周角这样，圆周角的最大值等于总的定子圆周角(即360°)除以两倍的定子槽8或定子齿10的数量(即2N)而得到的商数。因此有下述关系：

就像尤其是在图6和7中可看出的那样，为能够与电机1的不同实施例相适配，每一波纹状的表面形貌区22均包括多个，特别是两个或三个凹坑24，这些凹坑在周向上彼此相连，而且以连续的、相切的方式互相过渡。因此，在每两个相邻的凹坑24之间形成了一凸形的过渡段最靠近相应槽缝8a的凹坑24优选具有较大的径向深度，其中，其他凹坑24的深度随着与槽中轴26的角距的增加而减小。由此产生了类似于渐逝的(正弦)振荡的轮廓。

如图5所示，波纹状的表面形貌区22的所有凹坑24的最大径向深度被设计成落在径向深度范围ΔR之内，这一径向深度范围ΔR小于等于定子2或铁心6在定子齿表面20的位于波纹状的表面形貌区22之外的总半径R_G的3％。为此，在图5中标出了凹坑24可能达到的最大径向深度，其具有凹坑半径R_A。为此，R_A至少等于0.97·R_G(R_A≥0.97R_G)。

就像通过图4中的视图所阐明的那样，在每一波纹状的表面形貌区22中，从槽中轴26开始，第一凹坑24落在大小例如为4°至6°的第一角度范围之中。可以有第二凹坑24以连续的方式与第一凹坑24相连接，该第二凹坑优选具有较小的径向深度，并且，该第二凹坑延展在与所述第一角度范围相连且大小例如为4°至8°的第二角度范围上。最后，可选地，还可以有第三凹坑24以连续的方式与第二凹坑24相连接，该第三凹坑的径向深度优选进一步减小，并且它延展在与所述第二角度范围相连且不大于例如为5°的第三角度范围上。

在这种情况下，相应的凹坑24的数量、深度以及圆周延伸长度以及与之相配的角度范围基本上均取决于电机的极数。在特别优选的设计方案中，定子2具有12个定子槽8，相应地，它还具有12个定子齿10。因此，优选N＝12。此时，极磁体14的数量P优选为P＝N±2或者P＝N±4。由此可得，极数P为10或14个，但是也可以是8或16个。在这里，P一定不能等于N，以便电机在具有三个绕组相时能够产生足够的转矩。

对于优选的极数P，角度范围和可以按照下表来设计：

在图6a中示出了P＝10的实施例，图6b示出了P＝14的实施例，图6c示出的是P＝8的实施例，最后在图6d中示出了P＝16的实施例。在这些示图中可以看出，表面形貌区22的确切延伸轮廓在所描述的界限之内是可以发生改变的。

最后，对于本发明的作用原理，需要参考图7和8。齿槽转矩一般是由于极转变区域14a与槽缝8a的相互作用而产生的。但是，按照本发明设计的波纹状的表面形貌区22的材料凹坑24也产生了转矩波动。不过，这种转矩波动由于在周向方向上与槽缝8a相错开，因此它与实际的齿槽转矩相位相反，而振幅相同。这些由凹坑24所导致的转矩波动与齿槽转矩叠加，导致的结果是两者完全或者至少部分抵消。图8中的简图阐明了这一点。正常的齿槽转矩由实心线绘制(vollgezeichnet)的大振幅的曲线A表示。采用了本发明后导致的转矩曲线在图8中以虚线B表示，该转矩曲线仅在零线上下微弱地振动。因此，振幅明显减小了。但是，永磁体磁链的基波振动(Grundschwingung)在这里仅衰减约1％。因此，电机的高转矩密度有利地得以维持。

本发明并不限制于前面已经说明和描写过的实施例，其也包括所有在发明意义上起同样功能的结构。需要强调的是，本发明的实施例并不限于将全部特征组合在一起，而是每一单个子特征在与其他所有子特征分开时仍然具有发明上的意义。另外，本发明迄今为止也并不限于在权利要求1中限定的特征组合，其也可以被定义为由全部已公开的单个特征中的一定特征组合而成的任意一种其他组合。这意味着，原则上并在实践中，权利要求1中的每

一个单个特征都可以被删去，或者说，权利要求1中的每一个单个特征都可以被在本申请中其他地方所公开的单个特征所取代。就此而言，权利要求1只可被理解为对于一个发明的一种最初表述尝试。

Claims

1.电机(1)，该电机具有定子(2)与径向对称的永磁体励磁的转子(4)，所述转子被设计成能够相对于共轴的定子(2)旋转，而且旋转是围绕共同的电机轴(X)进行的，其中，所述定子(2)具有径向对称的铁心(6)，该铁心具有一定数量(N)的在周向上各自通过定子槽(8)与槽缝(8a)相邻的定子齿(10)，以及其中，所述转子(4)具有一定数量(P)的分散安置在圆周上且通过极转变区域(14a)相邻的极磁体(14)，而且，在转子的极磁体(14)与所述定子齿(10)之间径向地构造有沿圆周走向的气隙(18)，

其特征在于，每一定子齿(10)均在它朝向气隙(18)的在周向上弯折成圆弧形的表面(20)上具有浮雕状的表面形貌区(22)，该表面形貌区从其在周向上由相邻的两侧槽缝(8a)限定边界的面区域出发，在局部上径向地拓展所述气隙(18)，而且该表面形貌区具有至少一个凹坑(24)，并且在周向上是以连续的、呈波纹状的、没有缺口与棱边的方式延伸的，其中，每一波纹状的表面形貌区(22)均具有两个或三个以连续方式互相过渡的凹坑(24)，并且所述以连续方式互相过渡的凹坑(24)的径向测量深度随着与相邻的定子槽(8)的槽中轴(26)的角距的增大而减小。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，从轴向方向上看，所述定子齿(10)在所述波纹状的表面形貌区(22)中以及在所述槽缝(8a)区域中垂直延伸或者以与电机轴平行的方式延伸的。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述波纹状的表面形貌区(22)在周向方向上相对于径向的槽中轴(26)对称地构造。

4.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，每一波纹状的表面形貌区(22)，总是从一相邻的定子槽(8)的径向的槽中轴(26)开始，朝着径向的齿中轴(28)的方向延展过一圆周角其中，所述圆周角的最大值等于由大小为360°的总定子圆周角除以两倍的定子齿(10)的数量(2N)而得到的商数。

5.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述波纹状的表面形貌区(22)以其凹坑(24)限定了径向深度范围(ΔR)，所述径向深度范围小于等于定子(2)的总半径(R_G)的3％。

6.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，在每一波纹状的表面形貌区(22)中，从所述相邻的定子槽(8)的槽中轴(26)开始，存在大小落在第一角度范围之中的第一凹坑(24)。

7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述第一角度范围为4°至6°。

8.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，存在以连续的方式与所述第一凹坑(24)相连接的第二凹坑(24)，该第二凹坑延展在与所述第一角度范围相连的第二角度范围上。

9.根据权利要求8所述的电机，其特征在于，所述第二凹坑(24)具有比所述第一凹坑(24)小的径向深度。

10.根据权利要求8所述的电机，其特征在于，第二角度范围为4°至8°。

11.根据权利要求8所述的电机，其特征在于，存在以连续的方式与所述第二凹坑(24)相连接的第三凹坑(24)，并且所述第三凹坑延展在与所述第二角度范围相连的第三角度范围上。

12.根据权利要求11所述的电机，其特征在于，所述第二凹坑(24)具有比所述第一凹坑(24)小的径向深度，并且所述第三凹坑(24)具有比所述第二凹坑(24)进一步减小的径向深度。

13.根据权利要求11所述的电机，其特征在于，第三角度范围不大于5°。

14.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述转子(4)的极转变区域(14a)是由磁体件之间的间隔形成的，或者，在采用环形磁体或者采用安置成环形的磁带时，是由在转子磁化时在反向的磁极之间的过渡区域中产生的交零点形成的。

15.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述转子的极磁体(14)以及极转变区域(14a)是沿轴向或者与轴平行的方向垂直构造的。

16.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，其被制造成外转子电机，其中所述转子(4)包围着共轴的定子(2)。