專利名稱：電機(jī)和永磁體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含永磁體的電機(jī)，并且涉及使用的永磁體。本發(fā)明特別涉及同步機(jī)器。
背景技術(shù)：
例如發(fā)電機(jī)的電機(jī)包含多個(gè)永磁體，所述永磁體與至少一個(gè)線圈相互作用從而產(chǎn)生電能。對(duì)于使用的磁體而言，需要有所折中。必須最小化或者甚至避免下述問(wèn)題中的至少一些
首先，磁體的磁力(磁場(chǎng)強(qiáng)度)將由于其各個(gè)特性和容差而變化。如果機(jī)器處于“無(wú)負(fù)載”、“空轉(zhuǎn)”或“滿載”狀態(tài)時(shí)將發(fā)生周期性轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。其次，由于穩(wěn)定增加的成本的原因，需要最小化使用的永磁體的數(shù)量和/或尺寸。如果機(jī)器處于“無(wú)負(fù)載”狀態(tài)則上述轉(zhuǎn)矩被表示為“齒槽轉(zhuǎn)矩”(cogging torque), 如果機(jī)器處于“負(fù)載”狀態(tài)則其被表示為“波動(dòng)轉(zhuǎn)矩”(ripple torque)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)導(dǎo)致在機(jī)器內(nèi)部且同樣在所用的機(jī)器支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播的振動(dòng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)損害機(jī)械部件和電氣部件。此外，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)產(chǎn)生具有低頻的噪聲。該頻率是可被聽(tīng)見(jiàn)的且因而會(huì)干擾環(huán)境、 人類和野生生物。特別是如果大型直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)處于風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)時(shí)需要減少或甚至避免干擾。存在一些公知技術(shù)來(lái)減少“齒槽轉(zhuǎn)矩”或“波動(dòng)轉(zhuǎn)矩”。例如永磁體被具體成形或者在電機(jī)內(nèi)使用所謂的“啞槽”(dummy slot)。對(duì)于給定電流和所需轉(zhuǎn)矩而言磁體成形是有利的。能夠在考慮到最小化所需磁體材料的量的情況下實(shí)現(xiàn)磁體成形。還可以通過(guò)磁體的優(yōu)化成形來(lái)減小齒槽轉(zhuǎn)矩和/或波動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在本領(lǐng)域中已知大量的優(yōu)化的磁體形狀。一種重要且常用的方式是具有被切除的上磁體角。這被稱為倒角。所用的倒角角度可以是45°，不過(guò)本領(lǐng)域中同樣公知其他可替代的倒角角度。不過(guò)這種類型的倒角不會(huì)將齒槽轉(zhuǎn)矩和波動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小到令人滿意的水平。文獻(xiàn)EP 1076921A1描述了具有橫截面幾何形狀的磁體件。該幾何形狀對(duì)應(yīng)于正弦曲線的半周期弧線。制造這種幾何形狀是困難且昂貴的。甚至這種逼近都不會(huì)將齒槽轉(zhuǎn)矩和波動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小到滿意水平。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供解決上述問(wèn)題的改良永磁體，并且提供包含這種改良永磁體的電機(jī)。這個(gè)目標(biāo)是通過(guò)權(quán)利要求1的特征和權(quán)利要求6的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)選構(gòu)造是從屬權(quán)利要求的目標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明，電機(jī)包含永磁體和線圈。線圈被設(shè)置成使得其經(jīng)由空氣間隙而與所述永磁體相互作用，該空氣間隙位于所述永磁體和所述線圈之間。所述永磁體和所述線圈被設(shè)置成使得當(dāng)所述永磁體或所述線圈在其彼此的相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)時(shí)在所述線圈中產(chǎn)生電能。 永磁體包含一表面，該表面與所述線圈和所述空氣間隙對(duì)齊成使得所述永磁體的磁力通過(guò)磁通量密度分布經(jīng)由該表面和所述空氣間隙與所述線圈相互作用。永磁體包含表面、基底平面和過(guò)渡區(qū)域。所述表面的第一側(cè)經(jīng)由所述過(guò)渡區(qū)域連接于相鄰基底平面。在所述表面和所述相鄰基底平面之間的過(guò)渡的橫截面由Bezier函數(shù)確定，該Bezier函數(shù)歸屬于至少三個(gè)點(diǎn)且由所述至少三個(gè)點(diǎn)限定。第一點(diǎn)歸屬于所述表面，第二點(diǎn)歸屬于所述基底平面且第三點(diǎn)歸屬于處于所述表面和所述基底平面之間的過(guò)渡區(qū)域。該Bezier函數(shù)由這三個(gè)點(diǎn)限定并且被設(shè)置成連接這三個(gè)點(diǎn)。由于這些特征，獲得了在空氣間隙內(nèi)且跨過(guò)(用于支撐線圈的)槽的優(yōu)化的磁通量密度分布。磁體通常呈現(xiàn)定位成與成形表面相對(duì)的矩形區(qū)域。該矩形區(qū)域?qū)е铝嗽诖朋w的橫截面視圖中的基線。對(duì)于表面優(yōu)化而言，應(yīng)該考慮大量系統(tǒng)參數(shù)——應(yīng)該在考慮如下因素的情況下實(shí)現(xiàn)優(yōu)化
-機(jī)器內(nèi)減小的磁體體積， -減小的齒槽轉(zhuǎn)矩， _減小的諧波， _改良的轉(zhuǎn)矩， -增加的通量密度， -增加的機(jī)器效率，等。由于Bezier函數(shù)的原因，可以通過(guò)僅幾個(gè)參數(shù)的相關(guān)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)磁體體積、機(jī)器效率、齒槽轉(zhuǎn)矩、齒槽波動(dòng)、去磁等之間的最佳折中。因此快速且有效地進(jìn)行優(yōu)化。由于整體機(jī)器布局，通常給出多個(gè)設(shè)計(jì)約束尺寸、磁體占地面積、最小空氣間隙距離、轉(zhuǎn)矩、效率等。這些約束的數(shù)量也減小了相關(guān)優(yōu)化的復(fù)雜性。本發(fā)明能夠應(yīng)用于徑向、軸向和線性磁體幾何尺寸，即使永磁體相對(duì)于例如“帶槽定子”幾何形狀運(yùn)動(dòng)也是如此。因此提供了優(yōu)化的空氣間隙通量密度，減小了定子和磁極之間的齒槽力。由于Bez i er狀曲線，所以會(huì)產(chǎn)生平滑連續(xù)的磁表面。通過(guò)如下圖所示的對(duì)于三點(diǎn)的計(jì)算迭代來(lái)得到優(yōu)化表面。這提供了磁體的優(yōu)化形狀使其具有最小齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)且同時(shí)優(yōu)選地保持了機(jī)器的空氣間隙的寬度。最終磁體形狀提供了改進(jìn)的電機(jī)輸出功率，且同時(shí)關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)的其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了更窄的磁極。


現(xiàn)在借助于一些附圖來(lái)示出本發(fā)明。附圖示出了優(yōu)選構(gòu)造并且不限制本發(fā)明的范圍。 圖1示出了永磁體的橫截面圖，其根據(jù)本發(fā)明被成形， 圖2示出了關(guān)于圖1的永磁體的立體圖，
圖3示出了帶有根據(jù)本發(fā)明的成形表面的圖1和圖2中的永磁體，且圖4示出了根據(jù)本發(fā)明用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化成形表面的方法。
具體實(shí)施例方式圖1示出了永磁體PMl的橫截面圖，其根據(jù)本發(fā)明被成形。永磁體PMl的橫截面包含三個(gè)線性段LBP1、LBP2、LBP3。這些段LBPl、LBP2、LBP3 可以屬于后面圖2所示的矩形區(qū)域BP1、BP2、BP3。永磁體PMl的橫截面也包含線LSF。線LSF在其邊緣處根據(jù)Bezier函數(shù)被成形， 而邊緣歸屬于磁體的表面和相鄰基底平面之間的過(guò)渡區(qū)域，如后面的圖2所示。因此，線LSF借助于Bezier函數(shù)或Bezier曲線被轉(zhuǎn)換到相鄰線性段LBP2和LBP3。表面線LSF屬于永磁體PMl的表面SF，如后面圖2所示。成形表面對(duì)齊于線圈和空氣間隙，該空氣間隙位于永磁體PMl和線圈之間。圖2示出了關(guān)于圖1的永磁體PMl的立體圖。由于Bezier函數(shù)，因此實(shí)現(xiàn)了在表面SF和其相鄰基底平面BP2和BP3之間的平滑過(guò)渡?；灼矫鍮P2和BP3正交于永磁體PMl的基底平面BP1。圖3示出了帶有優(yōu)化表面的圖1和圖2的永磁體。如上所述，基于三個(gè)點(diǎn)PI、P2和P3計(jì)算這三點(diǎn)之間的Bezier函數(shù)。其使用的參數(shù)被定義為
wft控制值；0<wft<l 這個(gè)值用于控制兩個(gè)點(diǎn)Pl之間的寬度且因而控制磁體的平坦頂部的寬度；
hm磁體的總高度； mw磁體的寬度；
msh是用于點(diǎn)P3的控制值；0<msh<l 這個(gè)值控制點(diǎn)P3定義的磁體側(cè)面的最小高度；且
占
P2由參數(shù)&和隊(duì)定義。表面SF和它們的相鄰基底平面BP2和BP3之間的過(guò)渡由Bezier函數(shù)確定、由所述三個(gè)點(diǎn)P1、P2和P3限定并且歸屬于這三個(gè)點(diǎn)。由于這些特征的原因，獲得了空氣間隙內(nèi)且跨過(guò)槽的優(yōu)化磁通量密度分布，其中所述槽被用于支撐線圈。由兩個(gè)點(diǎn)Pl限定或者由乘積“mw * wft”所限定的磁體的平坦頂部對(duì)齊于且相鄰于空氣間隙。優(yōu)選地，Bezier狀過(guò)渡借助于數(shù)值設(shè)計(jì)或迭代來(lái)確定或者通過(guò)其他分析方法來(lái)確定。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化成形表面的簡(jiǎn)化方法。該方法包括如下步驟-定義多個(gè)離散點(diǎn)來(lái)逼近上面定義的函數(shù)，
-定義 機(jī)器布局的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(例如磁體寬度1、機(jī)器轉(zhuǎn)矩、最小空氣間隙距離、齒槽轉(zhuǎn)矩、波動(dòng)轉(zhuǎn)矩等)
-運(yùn)行優(yōu)化算法來(lái)找出最佳地滿足所有標(biāo)準(zhǔn)的磁體形狀。
權(quán)利要求
1.一種電機(jī)，-其中所述電機(jī)包含永磁體和線圈，-其中所述線圈被設(shè)置成使得其經(jīng)由空氣間隙與所述永磁體相互作用，該空氣間隙位于所述永磁體和所述線圈之間，-其中所述永磁體和所述線圈被設(shè)置成使得當(dāng)所述永磁體或所述線圈在其彼此的相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)時(shí)在所述線圈內(nèi)產(chǎn)生電能，-其中所述永磁體包含表面，該表面對(duì)齊于所述線圈和所述空氣間隙，使得所述永磁體的磁力經(jīng)由所述表面和所述空氣間隙通過(guò)磁通量密度分布與所述線圈相互作用， -其中所述表面的第一側(cè)經(jīng)由過(guò)渡區(qū)域連接于相鄰基底平面，并且 -其中所述表面和所述相鄰基底平面之間的過(guò)渡的橫截面由Bezier函數(shù)來(lái)確定，其歸屬于三個(gè)點(diǎn)并由這三個(gè)點(diǎn)限定，第一點(diǎn)歸屬于所述表面，第二點(diǎn)歸屬于所述基底平面，而第三點(diǎn)歸屬于在所述表面和所述基底平面之間的所述過(guò)渡區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中所述永磁體呈現(xiàn)與成形表面相對(duì)的矩形區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中所述電機(jī)是同步機(jī)器或徑向通量機(jī)器或線性通量機(jī)器或軸向通量機(jī)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中所述電機(jī)是風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中所述永磁體的所述表面包含與所述空氣間隙相鄰的平坦頂部。
6.一種永磁體，其用在根據(jù)權(quán)利要求1-5中一項(xiàng)權(quán)利要求所述的機(jī)器的內(nèi)部， -其中所述永磁體包含表面、至少一個(gè)基底平面、以及過(guò)渡區(qū)域，-其中所述表面的第一側(cè)經(jīng)由所述過(guò)渡區(qū)域被連接到相鄰基底平面， _其中所述表面對(duì)齊于所述機(jī)器的線圈和空氣間隙，使得所述永磁體的磁力經(jīng)由所述表面和所述空氣間隙通過(guò)磁通量密度分布與所述線圈相互作用，-其中所述表面和所述相鄰基底平面之間的過(guò)渡的橫截面由Bezier函數(shù)來(lái)確定，其歸屬于三個(gè)點(diǎn)并由這三個(gè)點(diǎn)限定，第一點(diǎn)歸屬于所述表面，第二點(diǎn)歸屬于所述基底平面，而第三點(diǎn)歸屬于在所述表面和所述基底平面之間的所述過(guò)渡區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及電機(jī)和永磁體，特別涉及同步機(jī)器。根據(jù)本發(fā)明，電機(jī)包含永磁體和線圈。線圈設(shè)置成使其經(jīng)由空氣間隙與永磁體相互作用，空氣間隙位于永磁體和線圈之間。永磁體和線圈設(shè)置成使得當(dāng)永磁體或線圈在其彼此的相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)時(shí)在線圈內(nèi)產(chǎn)生電能。永磁體包含表面，該表面對(duì)齊于線圈和空氣間隙，使得永磁體的磁力經(jīng)由表面和空氣間隙通過(guò)磁通量密度分布與線圈相互作用。永磁體包含表面、基底平面和過(guò)渡區(qū)域。表面的第一側(cè)經(jīng)由過(guò)渡區(qū)域被連接到相鄰基底平面。表面和相鄰基底平面之間的過(guò)渡的橫截面由Bezier函數(shù)確定，其歸屬于三個(gè)點(diǎn)并由這三個(gè)點(diǎn)限定。第一點(diǎn)歸屬于表面，第二點(diǎn)歸屬于基底平面，而第三點(diǎn)歸屬于表面和基底平面之間的過(guò)渡區(qū)域。
文檔編號(hào)H02K1/06GK102222985SQ201110092269
公開(kāi)日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者A.湯瑪斯 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司