專利名稱：用于同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子，尤其涉及所述轉(zhuǎn)子的絕緣屏障 (insulating barriers)的幾何結(jié)構(gòu)以及所述幾何結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)特性的影響。本發(fā)明還涉及一種設(shè)計(jì)同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中已知的同步磁阻電機(jī)通常包括具有以類似于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子的方式形成多個(gè)磁極的多相繞組的定子。所述同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件通常不包括電繞組， 但是具有透磁段形式的多個(gè)磁極。所述轉(zhuǎn)子組件被形成為各向異性結(jié)構(gòu)，其中磁阻電機(jī)的每個(gè)磁極具有最小磁阻方向(所謂的直軸或d-軸)和最大磁阻方向(所謂的正交軸或 q_軸)。當(dāng)正弦電流施加于所述定子中的多相繞組時(shí)，在定子磁極和轉(zhuǎn)子組件的外輪廓之間形成的氣隙中產(chǎn)生近似正弦的磁通波形。轉(zhuǎn)子將會(huì)通過移動(dòng)其最小磁阻的d-軸直到獲得定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極中的磁場(chǎng)的對(duì)準(zhǔn)，來嘗試將其最大透磁方向(d_軸)與峰值通量方向?qū)?zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)過程導(dǎo)致轉(zhuǎn)子組件以與轉(zhuǎn)動(dòng)的定子磁場(chǎng)相同的速度(即以同步速度)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，所述轉(zhuǎn)矩可以例如通過結(jié)合至轉(zhuǎn)子組件并延伸通過其中心軸的轉(zhuǎn)子軸而傳輸?shù)酱抛桦姍C(jī)的外部。根據(jù)圖1，通過透磁段3和磁絕緣屏障4的交替層，賦予轉(zhuǎn)子30各向異性結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子組件可以包括橫向定向的轉(zhuǎn)子疊片(lamination)或軸向定向的轉(zhuǎn)子疊片的堆疊。在圖1 所示的橫向定向疊片的情況下，轉(zhuǎn)子30基本上由薄轉(zhuǎn)子盤1的堆疊構(gòu)成，其中所述絕緣屏障4是通過將材料切割成縱向槽的形狀而形成的。因此切塊(cut-outs)內(nèi)的空氣起到絕緣屏障4的作用。盤結(jié)構(gòu)通常被設(shè)計(jì)為機(jī)械自持式的，多個(gè)透磁段3由所述盤外圍處的窄的切向肋板(tangential rib) 16連接。接近段中部的徑向肋板(radial rib) 17是公知的以便提高盤的機(jī)械強(qiáng)度。在軸向定向的疊片的情況下，所述絕緣屏障4由某種固體絕緣材料制成，并且所述絕緣屏障4達(dá)到位于轉(zhuǎn)子30和定子之間的氣隙。所述轉(zhuǎn)子的一個(gè)重要參數(shù)是轉(zhuǎn)子槽距，其可以定義為在轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙處測(cè)量到的兩個(gè)相鄰的絕緣層之間的距離。轉(zhuǎn)子組件通常被設(shè)計(jì)為具有相等的轉(zhuǎn)子槽距(即所有轉(zhuǎn)子槽距是相等的距離)和相等的定子槽距，以便最小化轉(zhuǎn)矩波動(dòng)并提供合理的轉(zhuǎn)矩。另一種常規(guī)實(shí)踐是將轉(zhuǎn)子槽距設(shè)定為等于定子槽距。US 5818140公開了一種用于同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件，其中橫向?qū)訅旱霓D(zhuǎn)子組件結(jié)構(gòu)旨在最小化其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。所公開的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)和相應(yīng)的設(shè)計(jì)公式要求環(huán)繞這些組件的各自的周界的相等轉(zhuǎn)子槽距和相等定子槽距。US 62395 公開了一種同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件，其中轉(zhuǎn)子的絕緣屏障向q-軸傾斜。因此使得所述轉(zhuǎn)子槽距跨q_軸和d-軸二者均不相等，其目的在于通過對(duì)絕緣屏障定尺寸使得當(dāng)一端朝向定子槽中心時(shí)，另一端朝向定子齒中心，從而最小化轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。這篇公開文件假定每個(gè)磁極的q_軸和d-軸之間的轉(zhuǎn)子槽距都等于定子槽距。然而，盡管采取多種措施以減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，按照常規(guī)的設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子仍然呈現(xiàn)了高的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目是提供一種同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子使得電機(jī)呈現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種設(shè)計(jì)同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子以獲得呈現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的電機(jī)的方法。這些目的由根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子和根據(jù)權(quán)利要求6的方法實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子的截面包括多個(gè)磁極部分，每個(gè)磁極部分包括多個(gè)絕緣屏障，每個(gè)絕緣屏障在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(pitch point)之間延伸；多個(gè)q_軸，每個(gè)q_軸定義對(duì)應(yīng)的磁極部分的最大磁阻方向；定義所述截面的外輪廓的周界；位于所述周界上關(guān)于所述q_軸對(duì)稱的多個(gè)參考點(diǎn)，所述參考點(diǎn)之間的角間隔定義在兩個(gè)相鄰q_軸之間具有相等值am= y/(k-l)的參考角，其中Y是兩個(gè)相鄰q_軸之間的分開最遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的角度，并且k是兩個(gè)相鄰q_軸之間的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目；q_軸節(jié)距角，其由位于q_軸相對(duì)側(cè)的兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的角距離δ定義，所述q_軸節(jié)距角具有不同于S =3* Cim的值，每個(gè)節(jié)點(diǎn)和與該節(jié)點(diǎn)最近的參考點(diǎn)的角位置具有小于 3度的值Δ τ的偏差。通過將跨q-軸的轉(zhuǎn)子槽距(q-軸節(jié)距角)用作設(shè)計(jì)變量而不是將其值設(shè)定為等于其它轉(zhuǎn)子槽距或者將其值綁定于定子槽距，相比于現(xiàn)有的解決方案實(shí)現(xiàn)了提高的設(shè)計(jì)自由度，這使得能夠最優(yōu)化電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)性能。本發(fā)明人已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)和有限元素法(FEM) 模擬二者展示了選定不同于δ值對(duì)轉(zhuǎn)子盤的重要性能度量(尤其是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)) 具有顯著影響。雖然可能難以分析得到最優(yōu)S值，但是只要設(shè)定了模擬模型的全部設(shè)計(jì)變量，最優(yōu)q_軸節(jié)距角12就可以很容易地通過很少的迭代步驟得到。所述節(jié)點(diǎn)和所述最近的參考點(diǎn)的角位置可以具有小于2. 5度，諸如小于2度，諸如小于1度的值Δ τ的偏差。然而，參考點(diǎn)表示節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)角位置，因此，即使節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)參考點(diǎn)的角位置有小的偏差，也可以實(shí)現(xiàn)滿意的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)性能。q_軸節(jié)距角可以與δ =3*(1111相差至少1度，諸如至少2、3、5或10度。所述定子可以包括跨絕緣屏障的徑向肋板，以用于提高該轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度。所述轉(zhuǎn)子可以在q_軸上的轉(zhuǎn)子周界處被切掉一部分(cut-off)。通過在轉(zhuǎn)子周界處給轉(zhuǎn)子盤提供被切掉一部分形式的絕緣屏障，阻斷了在最外層的徑向部分處的磁通。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種設(shè)計(jì)用于同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子的方法，所述方法包括如下步驟a)提供所述轉(zhuǎn)子的基本幾何結(jié)構(gòu)，所述基本幾何結(jié)構(gòu)包括多個(gè)磁極部分，每個(gè)磁極部分包括多個(gè)絕緣屏障，每個(gè)絕緣屏障在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間延伸；多個(gè)q_軸，每個(gè) q_軸定義對(duì)應(yīng)的磁極部分的最大磁阻方向；位于周界上關(guān)于所述q_軸對(duì)稱的多個(gè)參考點(diǎn)， 所述參考點(diǎn)之間的角間隔定義在兩個(gè)相鄰q_軸之間具有相等值α m= y/(k-l)的參考角， 其中Y是兩個(gè)相鄰q_軸之間的分開最遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的角度，并且k是兩個(gè)相鄰q_軸之間的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目；b)提供所述轉(zhuǎn)子的模擬模型，所述模擬模型包括多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，其中一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)是q_軸節(jié)距角，所述q_軸節(jié)距角由位于q_軸相對(duì)側(cè)的兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的角距離S定義；C)使用至少兩個(gè)不同的δ值進(jìn)行模擬；d)根據(jù)模擬結(jié)果確定q_軸節(jié)距角值。
為了有效利用本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，需要使用模擬模型。當(dāng)一旦生成包含用于q_軸節(jié)距角的參數(shù)δ的模擬模型時(shí)，就非常容易使用不同的δ值執(zhí)行模擬，以便發(fā)現(xiàn)最優(yōu)值?？梢耘渲盟瞿M模型以返回對(duì)應(yīng)于所述轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的值。增大和/或減小δ直到找到至少一個(gè)對(duì)應(yīng)于所述轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的局部最小值，并且將q_軸節(jié)距角值確定為對(duì)應(yīng)于所述轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的局部最小值。通過使用利用離散S值的少數(shù)模擬相對(duì)容易地發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)曲線的特性，并且賦予q_軸節(jié)距角導(dǎo)致最小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的δ值也是符合邏輯的。q_軸節(jié)距角的初始值可選定為δ =3*αω。盡管可以任意選定初始q_軸節(jié)距角值，然而選擇δ =3* Cim是一個(gè)好的起始點(diǎn)并且給出了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)特性與現(xiàn)有解決方案相比如何得到改進(jìn)的思想。


將參照附圖更加詳盡地解釋本發(fā)明，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有橫向定向的轉(zhuǎn)子盤的轉(zhuǎn)子，圖2示出不被切掉一部分的轉(zhuǎn)子盤，圖3示出被切掉一部分的轉(zhuǎn)子盤，圖4示出具有所示的參考點(diǎn)和參考角定義的轉(zhuǎn)子盤，圖5示出作為q_軸節(jié)距角的函數(shù)的某一轉(zhuǎn)子盤的模擬轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)矩波動(dòng)曲線，以及所述轉(zhuǎn)子盤幾何結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)變化，以及圖6示出對(duì)應(yīng)于圖5中曲線的相對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)曲線。
具體實(shí)施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的轉(zhuǎn)子30，所述轉(zhuǎn)子30基本上由薄轉(zhuǎn)子盤1的堆疊組成。圖2示出用于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的轉(zhuǎn)子30的轉(zhuǎn)子盤1。所述轉(zhuǎn)子盤1包括四個(gè)磁極部分15，每個(gè)磁極部分15包括由具有高的相對(duì)透磁性的材料制成的五個(gè)段3。所述五個(gè)透磁段3中的每一個(gè)都具有在盤周界2上的兩個(gè)預(yù)定角位置之間延伸的臂形形狀。 四個(gè)絕緣屏障4以沿著轉(zhuǎn)子盤1的q_軸7從中心孔14向盤周界2形成透磁段3和絕緣屏障4的交替圖案的方式間隔地設(shè)置在透磁段3之間。絕緣屏障4通過切向肋板16與位于轉(zhuǎn)子30和定子19之間的氣隙18分隔開。可選地，如果可以通過其它方式保證轉(zhuǎn)子盤1的機(jī)械結(jié)構(gòu)，那么可以選擇性地省略所述切向肋板16。所述轉(zhuǎn)子盤1通過沖孔或沖壓金屬載體形成為單一整體元件。所述金屬載體包括具有高的相對(duì)透磁性的鐵磁金屬或合金。所述中心孔14被成形為與轉(zhuǎn)子軸配合。所述絕緣屏障4在位于轉(zhuǎn)子盤1的周界2上的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)5之間延伸。節(jié)點(diǎn)5的位置必須精確定義，因?yàn)槠鋵?duì)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)具有重要意義。由于所述絕緣屏障4可以有多種不同形狀并且切塊的末端部分通常為圓形，因此哪一個(gè)點(diǎn)應(yīng)該精確地作為節(jié)點(diǎn)5并不是總是顯而易見的。為了公開的目的，針對(duì)節(jié)點(diǎn)5給出以下定義節(jié)點(diǎn)5是位于轉(zhuǎn)子盤1的周界2上的點(diǎn)。在絕緣屏障4達(dá)到轉(zhuǎn)子盤1和環(huán)繞定子19之間的氣隙18的情況下，節(jié)點(diǎn)5應(yīng)該被認(rèn)為位于分隔兩個(gè)相鄰?fù)复哦?的開口的中間。在絕緣屏障4與氣隙18被切向肋板 16分隔的情況下，考慮到全部絕緣屏障4的整體形狀，節(jié)點(diǎn)5應(yīng)該被認(rèn)為位于絕緣屏障4的中軸的虛連續(xù)(imaginary continuation)上。這通常為切向肋板16的最窄點(diǎn)(narrowest point)，但不是必須如此。然而，這種情況下，節(jié)點(diǎn)5為切向肋板16上的點(diǎn)，并且通常與切向肋板16的最窄點(diǎn)重合。在被切掉一部分型轉(zhuǎn)子盤1具有絕緣屏障4作為q-軸7上最外面的徑向部分的情況下，認(rèn)為最外面的絕緣屏障4不具有節(jié)點(diǎn)5。取決于q-軸7上最外面的徑向部分是透磁段3或是絕緣屏障4，在兩種不同的設(shè)計(jì)之間區(qū)分轉(zhuǎn)子盤1。被切掉一部分11的轉(zhuǎn)子盤1是指圖3所示的轉(zhuǎn)子類型，其中轉(zhuǎn)子磁極部分15的最外面的部分包括絕緣屏障4，例如在轉(zhuǎn)子周界2的外圍邊緣上提供的淺凹槽 (shallow recess)形式的空氣。轉(zhuǎn)子盤1被切掉一部分11以便阻斷在q_軸7最外面的徑向部分處的磁通。反過來，沒有被切掉一部分11的轉(zhuǎn)子盤是指圖2所示的轉(zhuǎn)子類型，其中轉(zhuǎn)子磁極部分15的最外面的部分由透磁段3組成，從而構(gòu)成基本光滑的半圓形周界2。由于本發(fā)明基于絕緣屏障幾何結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，不做一些測(cè)量本發(fā)明可能不會(huì)立即變得明顯，因此我們定義一些輔助性參考點(diǎn)8，其有利于解釋本發(fā)明并使得改進(jìn)易于測(cè)量。圖 4是示意圖，其示出參考點(diǎn)8和與參考點(diǎn)8相關(guān)的參考角9、10的定義。為了使附圖清晰，絕緣屏障4的數(shù)量被選擇為很少(兩個(gè))，但是可以選擇任何合適的屏障數(shù)目。參考點(diǎn)8關(guān)于 q_軸7對(duì)稱地位于轉(zhuǎn)子盤1的周界2上。參考點(diǎn)8之間的角間隔定義參考角9、10，其位于兩個(gè)相鄰q_軸7之間并且具有相等值αω。值％通過取兩個(gè)相鄰q-軸7之間的節(jié)點(diǎn)5的角距離的平均值來定義，即
權(quán)利要求
1.一種用于同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子(30)，所述轉(zhuǎn)子(30)的截面包括多個(gè)磁極部分(15)，每個(gè)磁極部分(1 包括多個(gè)絕緣屏障G)，每個(gè)絕緣屏障(4)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(5)之間延伸，多個(gè)q_軸(7)，每個(gè)9_軸(7)定義對(duì)應(yīng)的磁極部分(1 的最大磁阻方向， 定義所述截面的外輪廓的周界0)，位于所述周界( 上關(guān)于所述q_軸(7)對(duì)稱的多個(gè)參考點(diǎn)(8)，所述參考點(diǎn)(8)之間的角間隔定義在兩個(gè)相鄰q_軸(7)之間具有相等值Cim= Y/(k-l)的參考角(9，10)，其中Y是兩個(gè)相鄰q_軸(7)之間的分開最遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(5)之間的角度(13)，并且k是兩個(gè)相鄰q_軸(7)之間的節(jié)點(diǎn)(5)的數(shù)目，q_軸的節(jié)距角(12)，其由位于q_軸(7)相對(duì)側(cè)的兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)(5)之間的角距離δ 定義，所述q_軸節(jié)距角(12)具有不同于δ =3*αω的值， 其特征在于，每個(gè)節(jié)點(diǎn)(5)和與該節(jié)點(diǎn)(5)最近的參考點(diǎn)(8)的角位置具有小于3度的值△ τ的偏差(20)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子(30)，其中所述節(jié)點(diǎn)( 和所述最近的參考點(diǎn)(8)的角位置具有小于2. 5度，諸如小于2度，諸如小于1度的值Δ τ的偏差Q0)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的轉(zhuǎn)子(30)，其中所述q-軸節(jié)距角(12)與δ= 3* α m相差至少1度，諸如至少2、3、5或10度。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的轉(zhuǎn)子(30)，包括跨絕緣屏障的徑向肋板(17)，用于提高所述轉(zhuǎn)子(30)的機(jī)械強(qiáng)度。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求的轉(zhuǎn)子(30)，包括在q_軸(7)上在轉(zhuǎn)子周界( 處切掉一部分(11)。
6.一種設(shè)計(jì)同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子(30)的方法，包括如下步驟 提供所述轉(zhuǎn)子(30)的基本幾何形狀，所述基本幾何形狀包括多個(gè)磁極部分(15)，每個(gè)磁極部分(1 包括多個(gè)絕緣屏障G)，每個(gè)絕緣屏障(4)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(5)之間延伸，多個(gè)q_軸(7)，每個(gè)9_軸(7)定義對(duì)應(yīng)的磁極部分(1 的最大磁阻方向， 位于周界(2)上關(guān)于所述q_軸(7)對(duì)稱的多個(gè)參考點(diǎn)(8)，所述參考點(diǎn)(8)之間的角間隔定義在兩個(gè)相鄰q_軸(7)之間具有相等值am= y/(k-l)的參考角(9，10)，其中、 是兩個(gè)相鄰q_軸(7)之間的分開最遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)( 之間的角度(13)，并且k是兩個(gè)相鄰 q_軸(7)之間的節(jié)點(diǎn)(5)的數(shù)目， 其特征在于，提供所述轉(zhuǎn)子(30)的模擬模型，所述模擬模型包括多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，其中一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)是q_軸節(jié)距角(12)，所述q_軸節(jié)距角由位于q軸(7)相對(duì)側(cè)的兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)(5)之間的角距離δ定義，使用至少兩個(gè)不同的S值進(jìn)行模擬， 根據(jù)模擬結(jié)果確定所述q_軸節(jié)距角(1 的值。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，包括如下步驟配置所述模擬模型以返回對(duì)應(yīng)于所述轉(zhuǎn)矩波動(dòng)Gl)的值，增大和/或減小δ直到找到至少一個(gè)對(duì)應(yīng)于所述轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的局部最小值，以及將所述q_軸節(jié)距角(1 的值確定為對(duì)應(yīng)于所述轉(zhuǎn)矩波動(dòng)Gl)的局部最小值。
8.根據(jù)權(quán)利要求4到5的任何一個(gè)的方法，包括如下步驟 將所述q_軸節(jié)距角(1 的初始值確定為S =3*αω。
全文摘要
一種同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子(30)，其中通過改變轉(zhuǎn)子(30)的絕緣屏障(4)的幾何結(jié)構(gòu)最優(yōu)化電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)性能。q-軸節(jié)距角12被用作設(shè)計(jì)變量而不是將其值設(shè)定為等于其它轉(zhuǎn)子槽距相等或者將其值與定子槽距綁定。所得到的轉(zhuǎn)子(30)具有跨q-軸的非規(guī)則槽距和其他情況下基本規(guī)則的槽距。采用根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子盤1和轉(zhuǎn)子組件的同步磁阻電機(jī)可以呈現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)而不犧牲高轉(zhuǎn)矩值。
文檔編號(hào)H02K1/24GK102349220SQ200980158067
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2009年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月12日
發(fā)明者R·R·莫哈達(dá)姆 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司