專利名稱：永久磁鐵型三相ac回轉(zhuǎn)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種回轉(zhuǎn)式多相電機，比如三相AC發(fā)電機和三相AC發(fā)動機，尤其涉及為此所作的改進的線圈繞組布置。
三相AC發(fā)電機或發(fā)動機已知有許多應(yīng)用。無刷電動機是這種類型機器的一個示例。在傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)電機中，在磁極齒上形成的連接線圈繞組的線圈與永久磁鐵對應(yīng)。根據(jù)線圈繞組和永久磁鐵的相對轉(zhuǎn)動，在每個線圈上感應(yīng)出電動勢(用做發(fā)電機時)或者在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生一種扭矩(用做發(fā)動機時)。每一相或每一線中產(chǎn)生的電動勢或者反電動勢是每一相或每一線中所有線圈結(jié)果的矢量和。
在家用電器或者工業(yè)廣泛使用的回轉(zhuǎn)電機中，供給或者輸出電壓相對較高。因此，一種繞在每個相線的磁極齒上的小直徑柔性繞組可用于線圈繞組上。這些繞組通常以Y-型或△-型的連接方式相互串聯(lián)連接。定子線圈的纏繞方向交替變化可以使線圈的極性一樣。
除了家用或工業(yè)應(yīng)用外，這種回轉(zhuǎn)電機可以廣泛用于車輛比如汽車和摩托車上。例如，無刷發(fā)動機可用做電車等的電源。通常，這種車輛上的供電電壓低于家用或工業(yè)用供電電壓。因此，必須用強電流來獲得大動力。所以，在車輛用的回轉(zhuǎn)電機中，繞在每個芯件上的線圈匝數(shù)相對較少，而線圈直徑相對較大。
然而，當使用大直徑線圈時，磁極齒上線圈繞組的效率顯著降很低。還有，每一相上的線圈端部必須連接在線圈各線的端部，而且必須是中性連接。結(jié)果加工很慢，而且很難提高生產(chǎn)能力和降低成本。另外，線圈端子的接頭難免很大，導致繞組部件的尺寸過大，發(fā)電機或發(fā)動機的尺寸很大。
為了降低電流，可以并聯(lián)連接每一相的線圈。這樣就可以采用小直徑的繞組。這可以增加每個線圈的匝數(shù)。因為車用回轉(zhuǎn)電機的電壓較低，所以增加的匝數(shù)相對較少。
然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當每一相的線圈并聯(lián)連接時，由于每個線圈中產(chǎn)生的電動勢或反電動勢存在相位差，所以在并聯(lián)連接的線圈形成的封閉回路中產(chǎn)生循環(huán)電流。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種具有并聯(lián)繞組的永久磁鐵型三相AC回轉(zhuǎn)電機，而且可以防止或者減少任何循環(huán)電流流動。
本發(fā)明進一步的目的是提供一種具有小直徑線圈繞組的永久磁鐵型三相AC回轉(zhuǎn)電機，以減小機器的尺寸。
發(fā)明概述本發(fā)明具體表現(xiàn)為一種永久磁鐵型三相AC回轉(zhuǎn)電機，它包括一個永久磁鐵元件和一個線圈繞組元件。這些元件可相對轉(zhuǎn)動。線圈繞組元件以三相纏繞連接到一個線電流回路上。每一相由一個并聯(lián)回路組成，該并聯(lián)回路通過并聯(lián)多個串聯(lián)回路而成。每個串聯(lián)回路使用的磁芯這樣聯(lián)合，即根據(jù)永久磁鐵和線圈對稱布置，每一相的多個串聯(lián)回路的相對端產(chǎn)生的電動勢電壓或反電動勢電壓基本相同，從而防止在并聯(lián)回路中產(chǎn)生循環(huán)電流。
根據(jù)本發(fā)明的另一特點，永久磁鐵元件有n個永久磁極。線圈繞組元件有m個線槽。m值至少是6。
圖面說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例構(gòu)造的三相、Y布線法的回轉(zhuǎn)電機的端部正視圖。
圖2是三相線圈繞組連接線路圖。
圖3是表示本發(fā)明另一個△布線法的實施例的端部正視圖，其中一部分與圖1類似。
圖4是部分與圖2類似的配線圖，但表示該實施例的各線圈相的配線。
圖5是表示現(xiàn)有技術(shù)采用的三相Y布線法的回轉(zhuǎn)電機的端部正視圖，其中部分與圖1類似。
圖6是表示現(xiàn)有技術(shù)裝置的配線圖，其中部分與圖2類似。
圖7示意性地表示另一種現(xiàn)有的△布線法的配線圖，其中部分類似于圖6。
圖8是表示圖7所示現(xiàn)有裝置的回路波形輸出的示意圖。
圖9是表示組成線電壓的線路波形的諧波頻率和的示意圖。
圖10是圖9波形的總諧波變化的圖表；圖11是部分與圖8類似的波形圖，但是示出了圖3和4所示電路的波形。
圖12是部分與圖9類似的諧波分配曲線，但是示出了該實施例的結(jié)構(gòu)。
圖13是表示根據(jù)本發(fā)明該實施例的總諧波分布的圖表。
圖14是表示另一個線圈繞組布置的端部正視圖，其中部分與圖1類似。
圖15是該實施例的線圈繞組布置的電路示意圖。
圖16是表示本發(fā)明另一個實施例的圖，其中部分與圖3類似。
圖17是該實施例的線圈繞組布置的電路示意圖。
圖18是另一種現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的端部圖，其中部分類似于圖5。
圖19是該實施例的配線圖，其中部分類似于圖6。
圖20是為比較目的而設(shè)的表示線槽數(shù)、極數(shù)和齒輪扭矩頻率與各種參數(shù)的繞組系數(shù)之間關(guān)系的圖表。
詳細說明首先參考圖1和2，這些圖示出本發(fā)明第一個實施例的結(jié)構(gòu)，它包括一個18線槽，16極的發(fā)電機或發(fā)動機，發(fā)電機或發(fā)動機通常用附圖標記51表示。在該圖示實施例中，附圖標記52表示的線圈繞組元件組成定子并且以Y型布置接線。顯然，線圈繞組元件51也可以包括轉(zhuǎn)子。
圖1中，標記52是一個環(huán)形定子線圈繞組元件，它有18個徑向向內(nèi)延伸的磁極齒53。每個磁極齒53上繞一個定子線圈54。一個轉(zhuǎn)子周圍或永久磁鐵元件(未示出)可轉(zhuǎn)動地保持在定子52內(nèi)部，轉(zhuǎn)子相同地固定16個永久磁鐵。即，有16個磁極的永久磁鐵型轉(zhuǎn)子在有18個線槽(溝)的定子52中轉(zhuǎn)動。如上所述，靜止和固定元件可以互換。
因為本發(fā)明涉及線圈54的繞組及其電連接，所以電機51的某些機械部件未被圖示也未進行詳細說明。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以明白如何根據(jù)所需的機械結(jié)構(gòu)和形狀實施本發(fā)明。
16個永久磁鐵以固定間隔有規(guī)律的在16一極轉(zhuǎn)子的外圓周上，這樣永久磁鐵的極性按N-S形式交替改變。相同極性的磁鐵被布置在相對于轉(zhuǎn)動中心彼此對稱的位置。
對于定子52的磁極齒53及其線圈繞組54來講，U相包括以三個線圈繞組為一組的兩組線圈，每一個線圈繞組分布在三個相鄰鐵芯53的周圍。這兩組線圈在圓周上彼此隔開。其中的第一組包括三個定子線圈54a，54b和54c，它們連續(xù)分布在圓周上。第二組包括三個定子線圈54d，54e和54f，它們與第一組在圓周上隔開。由于V相和W相的情況也一樣，因此這里只描述U相。
轉(zhuǎn)子的永久磁鐵之間在圓周上的間隔比定子52的磁極齒53之間的間隔大。然而，在轉(zhuǎn)子的某一個轉(zhuǎn)角位置，當線圈54a，54c，54d和54f沿一個方向纏繞，線圈54b和54e沿相反方向纏繞時，所有線圈54的極性可以相同。
因此，在該實施例中，如圖2所示，串聯(lián)回路55a和串聯(lián)回路55b并聯(lián)，回路55a包括三個線圈54a，54b和54c，它們按上述交替方向纏繞，回路55b包括三個線圈54d，54e和54f。用56表示的該并聯(lián)回路是一個線電流回路。也就是并聯(lián)回路56的一端連接到中點57，另一端作為U相的端子58(U)。
圖3和4表示采用△型連接的具有18個線槽和16個極的發(fā)電機或發(fā)動機61。該實施例中，一個形成線電壓的線回路由與圖1和2相同的并聯(lián)回路56組成。圖3和4中與圖1和2對應(yīng)的部分用相同附圖標記表示，這里不再重復說明，因為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員容易理解該實施例的結(jié)構(gòu)和工作。
圖5和6表示一種為了與圖1和2的結(jié)構(gòu)比較而采用Y型接線的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。在該現(xiàn)有技術(shù)中，組成每一相的線電流回路的6個線圈54a到54f串聯(lián)連接。圖5和6中與圖1和2對應(yīng)的部件用相同附圖標記表示，并且不再重復說明。
圖7是部分與圖6相同的圖，其目的是為了與圖3和4所示的本發(fā)明的布置進行比較。具有該結(jié)構(gòu)的機器被一個電機驅(qū)動，測量該驅(qū)動電機的驅(qū)動電流量。對圖3和4的結(jié)構(gòu)也做同樣的操作。驅(qū)動每個機器的實際電流量基本相同，但是從圖8，9和10與圖11，12和13的比較可以看出，與本發(fā)明結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的波形更均勻，總諧波擾動非常小，這如表11和13分別所示。另外，由于該結(jié)構(gòu)，基本不存在會使運行周轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動逆電流。
比較圖1和2的實施例和圖5和6所示現(xiàn)有結(jié)構(gòu)可以得出類似結(jié)果。即，繞組效率基本相同，但是直接串聯(lián)的諧波擾動比根據(jù)本發(fā)明的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的并聯(lián)連接的諧波擾動大許多。
圖14和15，圖16和17，圖18和19表示一個12一線槽，14一極發(fā)電機或發(fā)動機的結(jié)構(gòu)，它用來解釋本發(fā)明的其他特點。這些結(jié)構(gòu)中前兩個(圖14和15，圖16和17)具體實施本發(fā)明。其他結(jié)構(gòu)是用于比較的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。
圖14和15分別表示根據(jù)本發(fā)明的采用Y型接法的定子的磁極齒的結(jié)構(gòu)(Y型并聯(lián)連接)及其線圈繞組圖。
圖16和17表示根據(jù)本發(fā)明的采用△型接法(△并聯(lián)連接)的一個實施例的定子磁極齒的結(jié)構(gòu)及其線圈繞組圖(B)。圖18和19分別是Y型接法的現(xiàn)有技術(shù)中的定子的磁極齒的結(jié)構(gòu)其及線圈繞組圖的一個比較示例。
在圖16到19中，由于結(jié)構(gòu)與前述的結(jié)構(gòu)相同，除了組成每一個線電流回路或線電流55的線圈54數(shù)量是4個(54a到54d)，因此相同部件用相同附圖標記表示，并且不再重復說明。在圖14，16和18中，示出了轉(zhuǎn)子71。轉(zhuǎn)子71有14個永久磁鐵72，它們交替地以有規(guī)則的間距沿圓周布置。圖14和15及16和17所示實施例與圖1和2和3及4的實施例產(chǎn)生的效果相同。
雖然這里具體描述了有18線槽和16個極以及12個線槽和14個極的實施例，但是本發(fā)明不限于這些實施例中。線槽數(shù)m和極數(shù)n可以有其他組合。當極數(shù)n和線槽數(shù)m有一個公約數(shù)時，多個串聯(lián)回路的每個線圈產(chǎn)生的結(jié)果相同，布置在每一相或線上的該多個串聯(lián)回路組成多個并聯(lián)回路。
其原因是，比如，當有公約數(shù)2時，轉(zhuǎn)子磁極相對中心軸對稱布置并且在一個并聯(lián)回路中的形成兩個串聯(lián)回路的多個線圈相對該中心對稱。在這種情況下，由于多個串聯(lián)回路的電動勢和反電動勢一直相同，因此確實可以消除并聯(lián)回路中的循環(huán)電流。
組成該并聯(lián)回路的多個串聯(lián)回路中的每一個回路可以由一個線圈組成，但是最好由至少兩個線圈構(gòu)成。當由至少兩個線圈構(gòu)成時，一個并聯(lián)回路有至少4個線圈。即，線槽數(shù)m是3M(這里M是2或3的倍數(shù)，至少是4)，與一相對應(yīng)的m個線圈被分成L組，每一組包括M/L個線圈，由此每組中的串聯(lián)回路的電動勢或反電動勢相等。
在永久磁鐵型回轉(zhuǎn)電機中，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時引起驅(qū)動轉(zhuǎn)矩(也稱為齒輪轉(zhuǎn)矩)的周期變化。最好減小該齒輪轉(zhuǎn)矩，因為在發(fā)電機情況下可以減少驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，在發(fā)動機情況下可以減少輸出的轉(zhuǎn)矩變化。
作為提高轉(zhuǎn)動電機效率的條件之一，繞組系數(shù)Kw是公知的。當不用傾斜線槽時，繞組系數(shù)Kw由短跨距繞組系數(shù)Kp和分布繞組系數(shù)Kd的乘積表示。即，Kw＝Kp*Kd。短跨距繞組系數(shù)Kp表示線圈的跨距和磁極齒跨距之間的差，分布繞組系數(shù)Kd表示線圈繞組集中的程度。
圖20是根據(jù)線槽數(shù)m(磁極齒數(shù))和磁極數(shù)n的各種組合獲得的繞組系數(shù)(下一行)和齒輪轉(zhuǎn)矩頻率(上一行)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，分別由下面公式表示的“x”線和“y”線之間的z區(qū)域中的組合最佳。
X線；m＝(3/4)*n，y線；m＝(3/4)*n，即在z區(qū)組合中，由于繞組系數(shù)Kw足夠大，齒輪轉(zhuǎn)矩頻率足夠大，因此齒輪轉(zhuǎn)矩相對較低。這樣，選擇線槽數(shù)m和極數(shù)n最好在z區(qū)中的組合內(nèi)。
如上所述，一個有相電流流過的線電流回路由一個并聯(lián)回路形成，該并聯(lián)回路由多個串聯(lián)回路組成，每個串聯(lián)回路包括一個或多個定子線圈，這樣在這些串聯(lián)回路的相反兩端產(chǎn)生的電磁電壓或反電磁電壓幾乎總是相同。這樣循環(huán)電流不會流進并聯(lián)回路中，由此提高回轉(zhuǎn)電機的效率。還有，因為每一個相的線電流回路由一個并聯(lián)回路組成，所以每個定子線圈中流過的電流較小，這樣，定子線圈的直徑可以較小。從而改善線圈的繞組。還有，線圈端子容易加工，端子的加工部分可以做得較小，從而實現(xiàn)小型化的回轉(zhuǎn)電機。當然前述說明只是最佳實施例，在不背離本發(fā)明權(quán)利要求限定的精神和范圍內(nèi)可以做各種變化。
權(quán)利要求
1.一種永久磁鐵型三相AC回轉(zhuǎn)電機，它包括一個永久磁鐵元件和一個線圈繞組元件，該永久磁鐵元件有多個永久磁鐵磁極，線圈繞組元件有多個線槽，所述三相中的每一相以線電流回路連接，并由一個并聯(lián)回路組成，該并聯(lián)回路由多個串聯(lián)回路并聯(lián)組成所述線圈繞組元件包括每一個組合的所述串聯(lián)回路的磁芯，這樣，根據(jù)所述永久磁鐵和所述線圈的對稱布置，使構(gòu)成每一相的所述多個串聯(lián)回路的相對端產(chǎn)生的電動電壓或反電支電壓基本相同，從而防止在所述并聯(lián)回路中產(chǎn)生循環(huán)電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永久磁鐵型三相AC回轉(zhuǎn)電機，其中永久磁鐵元件有n個永久磁鐵磁極，線圈繞組元件有m個線槽，m的值至少是6。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永久磁鐵型三相AC回轉(zhuǎn)電機，其中相以Y型相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的永久磁鐵型三相AC轉(zhuǎn)動電機，其中永久磁鐵元件有n個永久磁鐵磁極，線圈繞組元件有m個線槽，m的值至少是6。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永久磁鐵型三相AC回轉(zhuǎn)電機，其中相以型相連
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的永久磁鐵型三相AC回轉(zhuǎn)電機，其中永久磁鐵元件有n個永久磁鐵磁極，線圈繞組元件有m個線槽，m的值至少是6。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的永久磁鐵型三相AC回轉(zhuǎn)電機，其中磁極數(shù)n和所述線槽數(shù)m有一個公約數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的永久磁鐵型三相AC回轉(zhuǎn)電機，其中線槽數(shù)m是3的倍數(shù)用3M表示，M至少是4，對應(yīng)于一個相的M個線圈被分成L組，每組包括M/L個串聯(lián)的線圈。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的永久磁鐵型三相AC轉(zhuǎn)動電機，其中極數(shù)n和線槽數(shù)m分別滿足下列關(guān)系n＝2N，m＝3M其中N和M是整數(shù)并滿足下列方程2m/3＜n＜4m/3。
全文摘要
永久磁鐵型三相AC回轉(zhuǎn)電機的幾個實施例,其中相電流由并聯(lián)回路組成,該并聯(lián)回路由多個串聯(lián)回路組成,每個串聯(lián)回路包括一個或多個定子線圈,這樣在多個串聯(lián)回路的相對端產(chǎn)生的電磁電壓或反電磁電壓幾乎一直相等。這樣,并聯(lián)回路中沒有循環(huán)電流,由此可以提高發(fā)動機的效率。還有,由于每一相的線電流回路由并聯(lián)回路組成,因此每個定子線圈中的電流很小,從而可以減小定子線圈的直徑。另外線圈端子易于加工并且端子加工部分可以做得很小,因此回轉(zhuǎn)電機可以小型化。
文檔編號H02K3/28GK1375910SQ0210562
公開日2002年10月23日 申請日期2002年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月15日
發(fā)明者安間達也, 高野正 申請人:株式會社萌利克