电磁布置结构及具有电磁布置结构的电机的制作方法

1.本发明涉及一种电磁布置结构。本发明还涉及一种包括这种电磁布置结构的电机。


背景技术：

2.图1示出传统的用于永磁同步电机(即psm)的定子100’的局部透视图。定子100’包括定子铁芯103’，定子铁芯103’上开设有平行于电机轴向的直槽101’。用于形成定子绕组的导线102’放置在直槽101’内。
3.在这种永磁同步电机中，直槽101’和直槽之间的齿部104’的存在会导致齿槽转矩从而造成不期待的转矩波动。为了克服这一问题，目前普遍采用的手段是在定子和/或转子上采用偏斜结构、即在转子上采用斜极(未图示)和/或在定子100上采用斜槽101(参见图2)。
4.然而，尽管偏斜能够有效地抑制齿槽转矩，但是却会导致额外的轴向力施加到电机上。这点对比图1和图2可以明显看出。在图1示出的带有直槽101’的定子100’的情况下，当导线102’通以电流ia时，根据安培定则，可以产生垂直于导线102’的延伸方向并由此也垂直于电机轴向的磁场，该磁场对转子作用以垂直于电机轴向的作用力f
t
。与之不同的是，在图2示出的带有斜槽101的定子100的情况下，当导线102通以电流ia时，也产生垂直于导线102的延伸方向的磁场，但是由于斜槽101的延伸方向不再平行于电机轴向，因而所产生的磁场的方向也不再垂直于电机轴向。在这种情况下，该磁场对转子的作用力f
t
具有沿电机轴向的轴向分力f
ma
，如图2中的力的分解清楚示出。
5.但是，该轴向分力f
ma
是不被期待的，因为它最终会施加于用于可旋转地支撑电机轴的轴承7(参见图4)上，从而使得轴承7由于承受显著增加的轴向力而被严重缩短使用寿命。而在永磁同步电机中，轴承的寿命直接影响机器的寿命，轴承尤其在工作期间的故障特别可能会导致严重的事故。
6.因此，期待提供一种能减小、甚至是消除由偏斜结构导致的附加轴向力的方案。


技术实现要素：

7.本发明的目的通过提供一种电磁布置结构来实现，所述电磁布置结构具有：定子和相对于所述定子可旋转的转子，其中，所述转子位于所述定子的径向内侧或径向外侧，并且，所述定子和所述转子中的至少一个具有偏斜结构，其特征在于，所述电磁布置结构还包括补偿手段，所述补偿手段用于至少部分地补偿由所述偏斜结构导致的通过磁场作用在所述转子上的第一轴向力f
ma
。
8.在此需要说明的是，在本发明中，术语“电机”应当广义地理解为依据电磁感应定律实现电能与机械能的转换的各种电磁装置，其包括但不限于：电动机，发电机以及电动-发电组合机。
9.根据一可选的实施例，所述补偿手段包括：使所述转子相对于所述定子具有轴向
偏移地布置，以通过定子磁场与转子磁场的相互作用产生能至少部分地抵消所述第一轴向力f
ma
的第二轴向力f
ma’。
10.根据一可选的实施例，所述转子相对于所述定子轴向偏移的方向取决于所述第一轴向力f
ma
的方向，以使得所产生的第二轴向力f
ma’与所述第一轴向力f
ma
反向。
11.根据一可选的实施例，所述转子相对于所述定子具有沿以下方向的轴向偏移：该方向与所述第一轴向力f
ma
同向。
12.根据一可选的实施例，所述转子布置成在一轴向端轴向地延伸超过所述定子，而在另一轴向端相对于所述定子轴向缩回。
13.根据一可选的实施例，所述补偿手段包括：使所述转子和所述定子的相对轴向位置满足以下公式：
[0014][0015]
其中，表示所述转子在其第一轴向端处相对所述定子的轴向偏移矢量，表示所述转子在它的与所述第一轴向端相反设置的第二轴向端处相对所述定子的轴向偏移矢量，为正值则表示所述转子在相应的轴向端处相对于所述定子轴向突出，而为负值则表示所述转子在相应的轴向端处相对于所述定子轴向缩回，
[0016]
其中，包括和在正负号和/或绝对值大小上存在差别。
[0017]
根据一可选的实施例，所述转子和所述定子相对于彼此以下述方式布置：使得从和中的小的那个所涉及的轴向侧指向大的那个所涉及的轴向侧的方向对应于所述第一轴向力f
ma
的方向。
[0018]
根据一可选的实施例，采用以下方式中的任一种来布置所述转子和所述定子：
[0019]
使得和具有相反的正负号；
[0020]
使得和具有相同的正负号和不同的绝对值；
[0021]
使得和中的仅一个为零。
[0022]
根据一可选的实施例，用于限定轴向偏移矢量和的轴向端是：定子和/或转子各自的自然末端；或定子和/或转子各自的影响磁场的至少一个构件的轴向终止端。
[0023]
根据本发明的另一方面，本发明的目的通过一种电机来实现，该电机具有上文所描述的电磁布置结构以及与所述转子旋转耦合的旋转轴(6)。
[0024]
本发明实现了：可以通过简单的方式地改进现有的电机来减小由斜槽和/或斜极导致的作用在电机上的附加的轴向力，从而降低作用在轴承上的轴向载荷，从而延长轴承的使用寿命。
[0025]
从说明书、附图和权利要求书中，本发明主题的其他优点和有利实施例是显而易见的。
附图说明
[0026]
本发明的更多特征及优点可以通过下述参考附图的具体实施例的详细说明来进
一步阐述。所述附图为：
[0027]
图1示出根据现有技术的用于永磁同步电机的定子的局部透视图，其中，定子带有直槽；
[0028]
图2示出根据现有技术的用于永磁同步电机的定子的局部透视图，其中，定子带有斜槽；
[0029]
图3示出根据现有技术的电机的示意性结构图；
[0030]
图4示出根据本发明的一示例性实施例的电机的示意性结构图；
[0031]
图5示出根据本发明的另一示例性实施例的电机的示意性结构图；
[0032]
图6示出根据本发明的再一示例性实施例的电机的示意性结构图；
[0033]
图7示出根据本发明的又一示例性实施例的电机的示意性结构图；
[0034]
图8示出根据本发明的更一示例性实施例的电机的示意性结构图；
[0035]
图9示出根据本发明的另一示例性实施例的电机的示意性结构图；以及
[0036]
图10a、10b、10c、10d和10e示出根据本发明的转子的多种构型。
具体实施方式
[0037]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。在附图中，相同或类似的附图标记指代相同或等价的部件。
[0038]
图4示出根据本发明的一示例性实施例的电机1的示意性结构图。如图4所示，电机1包括环状的定子2、位于定子2内的相对于定子2可旋转的转子3、以及与转子3旋转耦合的旋转轴6。定子2可以生成定子磁场，转子3在定子磁场的作用下执行旋转运动并进而带动旋转轴6旋转。
[0039]
根据本发明的定子2例如可以具有如图1或图2所示的构造。因而，上文结合图1-2所解释的关于定子100和100’的特征和细节同样适用于根据本发明的定子2，在此不再予以赘述。此外，定子2包括第一轴向端8和与第一轴向端8相反设置的第二轴向端9。
[0040]
现在转至图10，图10示出了根据本发明的转子3的多种构型。如图10所示，转子3包括铁芯12和设于铁芯12中或上的永磁体13或转子绕组(未图示)。并且，永磁体13和转子绕组可以以任意适当的方式设于铁芯12中或上。对于永磁体13，可以像图10a-10b所示的那样相对于铁芯12外置，也可以像图10c、10d和10e所示的那样相对于铁芯12内置。此外，转子3还包括第一轴向端10和与第一轴向端10相反设置的第二轴向端11(参见图4)。
[0041]
根据本发明，定子2或转子3中的至少一个采用偏斜结构，以降低导致转矩波动的齿槽转矩。示例性地，所述偏斜结构包括：定子2中或上的偏斜的开槽，即所谓的定子的斜槽，和/或转子中或上的偏斜的永磁体或开槽，即所谓的转子的斜极或斜槽。由于用于电机的偏斜在现有技术中是已知的，因而在本文中不再予以详细描述。并且，从现有技术中已知的各种偏斜构造和技术可以适用于本发明的电机。
[0042]
此外，在现有技术中，具有偏斜结构的定子2和转子3总是像图3示出的那样轴向对齐地布置。在这种情况下，如上文结合图1-2所解释的，由偏斜结构产生的偏斜的定子磁场和/或转子磁场导致作用在转子3上的电磁力f
t
可能具有不期待的附加的轴向分力f
ma
。为方
便表述，在本文的上下文中，也将转子上的不期待的附加的轴向分力称为第一轴向力。为了消除第一轴向力带来的不利影响，根据本发明，电机1还包括补偿手段，用于至少部分地补偿所述第一轴向力f
ma
。
[0043]
在一示例性实施例中，所述补偿手段包括：使转子3相对于定子2具有轴向偏移地布置。也就是说，使转子3布置成在轴向上与定子2具有一定程度的错位。在这种情况下，定子磁场和转子磁场相应地也相对于彼此出现轴向偏移并进而通过两者之间的相互作用而使得定子2和转子3趋于彼此轴向对正，即趋于来到图3所示的轴向对正位置，从而产生作用在转子3上的指向对正位置的第二轴向力f
ma’，该第二轴向力f
ma’可以用来至少部分地抵消第一轴向力f
ma
。
[0044]
进一步而言，基于第一轴向力f
ma
来确定转子3与定子2的相对轴向位置。为此，在一方面，基于第一轴向力f
ma
的方向来确定转子3相对于定子2的轴向偏移方向，以使得通过所述轴向偏移所产生的第二轴向力f
ma’与第一轴向力f
ma
反向。为此，转子3布置成相对于定子2具有沿以下方向的轴向偏移：该方向与第一轴向力f
ma
的方向同向。具体而言，在图4所示的实施例中，在转子3承受的由斜槽和/或斜极导致的第一轴向力f
ma
指向右的情况下，转子3被布置成相对于定子2向右轴向偏移，以产生与第一轴向力f
ma
反向的指向左的第二轴向力f
ma’；相反地，在图5所示的实施例中，在转子3承受的第一轴向力f
ma
指向左的情况下，转子3被布置成相对于定子2向左轴向偏移，以产生与第一轴向力f
ma
反向的指向右的第二轴向力f
ma’。在另一方面，基于第一轴向力f
ma
的大小来确定转子3相对于定子2的轴向偏移量，以使得所产生的第二轴向力f
ma’的大小能尽可能多抵消掉第一轴向力f
ma
。
[0045]
进一步而言，根据本发明的一示例性实施例，轴向偏移矢量被定义，其用于描述转子3相对于定子2的轴向偏移。具体而言，轴向偏移矢量包括用于表征转子3的第一轴向端10相对定子2的第一轴向端8的轴向位置偏差的第一轴向偏移矢量和用于表征转子3的第二轴向端11相对定子2的第二轴向端9的轴向位置偏差的第二轴向偏移矢量其中，为正值则表示转子3在相应的轴向端处相对于定子2轴向突出，而为负值则表示转子3在相应的轴向端处相对于定子2轴向缩回，且和的绝对值的大小分别表示转子3在相应的轴向端的突出量或缩回量，并且，等于零则表示转子3在相应的轴向端处与定子2是轴向对齐的。
[0046]
在此需要说明的是，用于限定轴向偏移矢量的定子轴向端8和9以及转子轴向端10和11不应当必然指代的是定子2和转子3的自然末端，而是，在必要的情况下也可以理解为定子2和转子3的可能影响磁场的构件之一或多个的轴向终止端。尤其，对于转子3，其永磁体13或转子绕组或转子铁芯12的轴向终止端也可以视作所述轴向端10和11，对于定子2，其绕组或铁芯的轴向终止端也可以视作所述轴向端8和9。
[0047]
在根据本发明的电机1中，转子3和定子2的相对轴向位置应满足以下公式：
[0048][0049]
其中，可包括和在正负号和/或绝对值大小上存在差别。此时，可
以产生例如使和趋于均等、即从和中的大的那个指向小的那个的补偿轴向力f
ma’，此处的“大”和“小”指的是矢量的大小，需要考虑正负号。
[0050]
在一示例性实施例中，转子3布置成：与定子2的第一和第二轴向端8和9中的一个相比，其更靠近另一个轴向端。
[0051]
在特别的实施例中，转子3布置成使得和具有相反的正负号，也即，转子3布置成在一轴向端轴向地延伸超过定子2，而在另一轴向端相对于定子2轴向缩回，如图4-5所示。采用这种方式，可以产生从和中的正的那个所在的侧指向负的那个所在的侧的补偿轴向力f
ma’，因为正值必然大于负值。具体而言，在图4的实施例中，且此时，所产生的补偿轴向力f
ma’的方向如图中箭头示出的那样从正的侧指向负的侧；而在图5的实施例中，且此时，所产生的补偿轴向力f
ma’的方向如图中箭头示出的那样从侧指向侧。
[0052]
在一替代的实施例中，转子3布置成使得和具有相同的正负号和不同的绝对值，也即，转子3布置成在两轴向端都轴向地延伸超过定子2或都相对于定子2轴向缩回，但是在两轴向端的突出量或缩回量彼此不同，如图6-7所示。具体而言，在图6所示的实施例中，此时，所产生的补偿轴向力f
ma’的方向如图中箭头示出的那样从侧指向侧；而在图7所示的实施例中，此时，所产生的补偿轴向力f
ma’的方向如图中箭头示出的那样从侧指向侧。
[0053]
在另一替代的实施例中，转子3布置成使得和中的仅一个为零，也即，转子3布置成一端与定子2轴向对齐，而在另一端与定子2没有轴向对齐，如图8-9所示。具体而言，在图8所示的实施例中，所产生的补偿轴向力f
ma’的方向如图中箭头示出的那样从侧指向侧；而在图9所示的实施例中，此时，所产生的补偿轴向力f
ma’的方向如图中箭头示出的那样从侧指向侧。
[0054]
附加地和/或替代地，在适当的情况下，也可以利用定子2和转子3各自的横向中心面的相对位置来限定转子3相对于定子2的轴向偏移。
[0055]
在此需要说明的是，根据本发明的补偿手段可以适用于多种类型的电机，包括但不局限于：永磁同步电机和电励磁式同步电动机。
[0056]
尽管一些实施例已经被说明，但是这些实施例仅仅是以示例的方式予以呈现，而没有旨在限定本发明的范围。所附的权利要求和它们的等价形式旨在覆盖落在本发明范围和精神内的所有改型、替代和改变。