CN1220052A

CN1220052A - 自起动无刷电机

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Publication number: CN1220052A
Application number: CN97195046A
Authority: CN
Inventors: 维尔莫斯·托洛克; W·维斯马奇; R·沙尔
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-05-30
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 1999-06-16
Anticipated expiration: 2017-05-29
Also published as: WO1997045943A1; SE516499C2; DE69717622T2; EP0901710A1; SE9602118D0; US6133664A; DE69717622D1; JP2000512837A; SE9602118L; ATE229243T1; EP0901710B1; CN1086858C

Abstract

一种自起动无刷电机包括一个第一电机部件(定子)(11)和一个第二电机部件(转子)(16),每个电机部件具有布置在一个磁极行列中的多个磁极单元(12U,12V)。电机部件被支撑着做相对运动,让磁极行列跨过一个气隙彼此面对。每个行列中的磁极包括第一型磁极(13,19)和/或第二型磁极(14),每个行列中具有至少一种类型的磁极,它是横跨着气隙励磁的阻抗磁极或是永磁体磁极,在行列的所有磁极单元中都包括这种气隙。至少有一个磁极行列包括这种第二型磁极。至少一个磁极行列中的至少一个磁极单元包括一个磁性不对称的磁极,用来为电机部件(11,16)产生优先的旋转方向。多相绕组系统包括装在第一电机部件(11)的磁极单元(12U,12V)周围的第一相和第二相绕组线圈(15U,15V)。第一电机部件上的磁极单元的通用型磁极(13,14)是分开的,因此,如果对绕组线圈励磁,当联系第一相绕组线圈(15U)的一个通用型磁极相对于第二电机部件(16)上的一个通用型磁极(19)处在吸引位置(磁性对准)时,所有联系第二相绕组线圈(15V)的通用型磁极相对于第二电机部件的所有通用型磁极都处在不吸引的位置。

Description

自起动无刷电机

本发明涉及一种自起动无刷电机，在它的磁极系统中包括设在两个相对运动的电机部件中至少一个上面的阻抗磁极(铁磁凸极)以及一或多个永磁体。

具体地说，本发明所涉及的自起动无刷电机包括：

第一电机部件，它具有按照一定间隔布置在第一磁极行列中的多个磁极单元，

第二电机部件，它具有按照一定间隔布置在第二磁极行列中的多个磁极，

用来支撑着第一电机部件和第二电机部件的轴承装置，让第一磁极行列跨过一个气隙面对着第二磁极行列做相对运动，

构成一个磁极系统的第一和第二磁极行列包括第一和第二型的磁极，第一型磁极是阻抗磁极，而第二型磁极是永磁体磁极，它们的极性与气隙交叉，

以及

装在第一电机部件上的一个绕组系统，它包括配合着每个磁极单元的绕组线圈，用来在对线圈励磁时通过磁极单元产生一个链接第一和第二磁极行列中的磁极的磁场，

第一和第二磁极行列中至少有一个具有不对称的磁性，用来在对绕组系统励磁时产生电机部件的优先的相对运动方向。

在WO90/02437和WO92/12567中公开了这种类型的电机。其中最重要的特征在于电机部件(定子和转子)的单方向的相对运动是由磁极的磁性不对称和转矩随着电机尺寸而增大造成的。

在WO92/12567所述的一个具体实施例中，第一电机部件是一个装有单相绕组的定子，而第二电机部件是一个圆筒形转子。定子上具有包括四个相同的铁磁性凸极即阻抗凸极，它是在圆周上均匀分布的，以及两个相对不对称的永磁体磁极的一个单一磁极行列。

绕组包括了两个绕组线圈，每个线圈被布置在由一个永磁体磁极和处在永磁体磁极两侧的两个铁磁性磁极构成的一个磁极单元周围。这样的定子具有两个彼此相对不对称的磁极单元以及各自的线圈。

在转子上有一个磁极行列，它是由均匀分布在圆周上的四个相同的铁磁性凸极构成的。每个这种磁极包括一个主磁极体和一个辅助磁极部件，它从主磁极体的圆周上突出，并且延伸到仅仅盖住主磁极体的一部分轴向宽度。因此，在转子上有四个磁极单元，各自是由在圆周方向上磁性不对称的一个磁极构成的。配合着永磁体，单方向的磁性不对称可以在一个给定的旋转方向上自动地起动电机，因而不可能通过使提供给绕组的电流反向而改变旋转的起动方向。

在电机的工作过程中，绕组被交替地通电和断电。在绕组的通电周期中，定子磁极通过施加在转子磁极上的磁力使转子转过一整圈的几分之一位置，以下称为牵引或是吸引位置，转子磁极在该位置上和定子上各自的磁化的铁磁性磁极的主磁极体在磁性上配合。

在绕组被断电时，由铁磁性定子磁极施加到转子磁极上的磁力消失了，这样，永磁体就能通过施加在相邻的辅助磁极部件上的磁力使转子再转过一整圈的几分之一，到达一个铁磁性转子磁极在角度上偏离牵引或是吸引位置的位置。在绕组的下一个通电周期中，定子的阻抗磁极会使转子从这一作为起动位置的偏离位置上再一次转过一整圈的几分之一，到达一个新的牵引或是吸引位置。

在公知电机的另一个实施例中，定子和/或转子的磁极单元与上述实施例中的磁极单元是不同的。例如在WO92/12567所述的另一个实施例中，转子的磁极行列包括许多极性交替并且极性与气隙交叉的永磁体磁极，每个永磁体磁极构成一个磁极单元。在现有技术的公知电机的上述和其他实施例中，定子的所有磁极单元都是同一种磁极类型，一般都是阻抗磁极或是永磁体磁极。转子的磁极单元也是这样的。

本发明的主要目的是对上述类型的电机进行改进。更具体的目的是提供一种上述类型的电机，它可以比现有技术的电机提供更加均匀的转矩，并且能够在低速下平滑地运行，并且用来驱动需要高起动转矩的负载。

通过以下的说明，可以用按照权利要求书构成的电机来实现上述和其他的具体目的。

为了便于说明，本发明的说明书仅限于旋转的机器，在其中携带绕组系统的电机部件是静止的，并且被作为定子，而另一个电机部件被作为转子安装在定子内部转动。定子和转子的磁板都被布置成环形、同心的磁极行列，并且被一个圆筒形的气隙隔开。然而，根据一般的常识，电机部件的相对运动不仅仅是旋转运动，还可以是直线或是曲线的相对运动。在本发明的范围内还包括旋转和直线相对运动的组合。另外，携带绕组的电机部件也就是定子还可以装在另一部件也就是转子的内侧，并且气隙不一定是圆筒形的，例如可以是截面为弧形的或是锥形的。

为了便于理解说明书，在对具体的实施例进行详细说明之前需要对本文中使用的一些概念和术语加以通俗的解释和说明。

按照本发明的电机包括装在定子或是转子或是双方上的阻抗磁极。此处所用的术语阻抗磁极和铁磁性凸极是同一个意思。

装在定子上的阻抗磁极不一定具有交叉磁化的永磁体磁极，也就是内部的磁场线基本上与气隙交叉的永磁体。

另外，按照本发明的电机的定子或是转子或是双方包括交叉磁化的永磁体磁极。在某些最佳实施例中，在定子上装有永磁体磁极和阻抗磁极，而转子上仅仅装有一种永磁体磁极或是阻抗磁极。然而还需要注意，在本发明的范围内也包括在转子上同时安装阻抗磁极和永磁体磁极的实施例。

定子上的每个磁极构成了本文中所称的一个磁极单元的一部分。定子包括多个分开的磁极单元，每个单元中包括一个磁极或是多个相同或是不同的磁极。然而，无论磁极单元的构成或是组合如何，定子上的所有磁极单元都是阻抗磁极或是永磁体磁极当中的一种类型的磁极。

定子上的每个磁极单元对应着多相绕组系统中一相绕组的一个独立线圈。每个线圈包围或是连接到与其有关的磁极单元上，当绕组被通电时在磁极单元的磁极中产生跨过气隙用磁路链接定子和转子的磁通量。如果磁极单元中包括一个永磁体磁极，这种电磁通量量可能和永磁体磁通量相反或是叠加在其上，这取决于磁通量的方向。

构成同一相绕组一部分的不同的线圈或是不同的线圈组可以相互电连接成一个电路。或者是构成同一相绕组一部分的线圈可以用不同但是同步的电子电源组件来通电。用交变极性的电流通电的线圈可以被一种分流线圈代替，用单极性电流脉冲对具有相反磁路排列的各个线圈部分通电。

每个磁极单元的操作可以被认为是包括在转子的每一转中反复执行给定次数的操作周期。如果转子的旋转速度很慢，例如在从停止位置开始起动的过程中，一个磁极单元的操作周期包括在有关的线圈中有电流的一个阶段和线圈中没有电流的一个阶段。

从现有技术的电机中还可以知道，按照本发明的磁极行列在定子和转子之一或是双方的至少一个或是多个磁极单元内部具有磁路的不对称性。

在永磁体磁极的共同作用下，即使是只有一相绕组通电，这种不对称仍可以使本发明的电机在单方向上自发起动。

不对称的磁极单元所具有的进一步优点在于它扩展了永磁体磁极或是通电的一相绕组施加在转子上的正转矩的转子角度距离范围，从而增加或是延长了不同相的转矩曲线之间的重叠距离，与没有不对称磁极单元的电机(也就是不需要自起动的电机)相比，可以获得极为平滑的转矩。

在本发明和权利要求书的范围内可以用多种方式来实现磁性的不对称，以下要对此加以说明。

象现有技术的电机一样，磁性不对称可以在电机中形成优先的起动方向，但是本发明的电机中的磁性不对称还有其他的作用。

在本发明中利用磁性不对称获得的其他作用主要是扩展所谓的牵引距离。也就是一个电机部件上的一个磁极，一个永磁体磁极，或是一个磁化的阻抗磁极能够吸引另一个电机部件上的一个磁极，使两个磁极从作为吸引位置的第一稳定位置上彼此吸引，使其到达下一个稳定位置即起动位置的有效距离，它们的磁性在这一距离范围内是相互对准的，因此，在相对运动方向上不会在磁极之间出现磁性的引力(在横跨该方向的方向上只有一个磁性引力)。

在这种牵引运动的过程中，当磁极的磁性对准时，两个磁极之间的磁导或者说是通过两个磁极之间的磁通量(假设磁势是恒定的)应该稳定地增加到最大值。因此，延长牵引距离就意味着降低了磁通量变化率在牵引距离上的平均值。

采用磁性不对称的方式就可以获得这种效果，例如在至少一个磁极上提供一个在相对的优先起动方向上延伸的辅助磁极部分，这样的磁极具有一个主磁极部分和一个用来确定优先起动方向的辅助磁极部分。

在起动位置和牵引位置上，辅助磁极部分至少延伸到另一个电机部件上的下一个磁极(从相对的优先起动方向上)附近的一点，并且可以和那个磁极稍有重叠。然而，辅助磁极部分的重叠部位的每单位重叠长度上(从圆周上测量)一定不能象主磁极部分的重叠部位输送一样多的磁通量。

假设在一个转动的电机中利用定子磁极和转子磁极双方在轴向上延伸的前端和尾端来选择的磁性不对称的定子磁极在多数情况下可能会出现以下的现象。可以用和转子直径相同的一个单一铁磁性圆筒来代替电机的转子，并且在转动圆筒的过程中沿着圆筒表面上的一条轴向延伸线测量气隙中的磁通量密度，让延伸线朝着转过磁极的优先方向移动。用来表示测得的磁通量密度(在线的长度上的平均值)与线相对于磁极的角度位置关系的曲线将会或多或少地稳定上升或是或多或少地从不同于磁极前端接近零的一点到达主磁极部分下面的一个大致恒定的值，然后在尾端陡峭地倾斜。如果改成磁性对称的磁极，曲线也会变成对称的，类似高斯曲线。

通过适当的修改也可以将上述原理用于其他场合，例如在保持转子磁极的磁性不对称或是磁极的前端和尾端不是轴向延伸的情况下。例如，磁极的端部是不对称的，让它们沿着一条螺线延伸，可以通过沿着一条对应的螺线测量磁通量密度来进行检查。

如果永磁体磁极具有一致的径向尺寸和径向或是横跨气隙的一致的磁化极性，就能利用磁极的形状获得磁性不对称的磁极。例如，磁极的前端和尾端在电机的轴向上可以具有不同的长度。如果在均匀厚度的一个永磁体材料的环中采用具有相应形状的磁化的印刷磁极，也可以获得类似的效果。在这种情况下，永磁体环的形状对磁场图形或是“磁场形状”没有影响。

如果采用在前端和尾端分别具有不同径向尺寸的永磁体磁极(也就是在电机部件的相对运动方向上改变磁极上的气隙宽度)，但是在磁极的整体上保持均匀的磁化强度，也可以获得磁性不对称的磁极。

为了获得磁性不对称的永磁体磁极，当然也可以同时采用多种方法。

可以用多种途径来获得磁性不对称的铁磁性凸极即阻抗磁极。一种方法是让一个磁极上面对着气隙的表面在电机轴向方向的尺寸(宽度)上不对称，在这种情况下，整个磁极面到旋转轴线的径向距离可能是相同的。

另一种方法是让阻抗磁极的突出面(面对着气隙的面)对称，但是改变其到旋转轴线的径向距离，也就是随着另一个电机部件上的设想的(圆筒形)表面沿着磁极面逐步或是连续地改变气隙的宽度。

第三种方法是沿着磁极面改变磁饱和磁通量密度。这种方法可以采用不同的磁性材料制作凸极的不同部件，或是可以改变层叠的铁磁性磁极的填充系数，或是利用穿孔的槽来缩小实际的磁极面(以便使实际的磁极面看起来是均匀的)，或是可以改变辅助磁极部件的径向尺寸，使其从旋转轴线的方向上看具有类似于鸟嘴的曲线轮廓的形状。

当然也可以同时采用多种方法来实现不对称的磁性。如何实现不对称的方式通常取决于电机的制造成本和电子设备成本之间的平衡，因为不对称形式的选择会影响到电子设备中包括的功率电子开关器件的大小。

如下文所述，在体现本发明的电机中，磁性的不对称特征不仅涉及到和一个公共绕组线圈有关的磁极单元中的单个磁极，而是磁极单元中的所有磁极都处在对线圈通电所产生的磁场作用下。另一个特征是磁极单元不仅采用了磁性不对称的一或多个独立的磁极，同时还利用了定子或是转子上的一个磁极单元内部的一个独立磁极的不对称位置。

如果一个转子磁极从其磁路上对准定子磁极的一个位置到转子上的某一个磁极在磁路上对准一个不同类型磁极的定子磁极的下一个相邻位置之间的移动距离大于或是小于半个转子磁极的间距，或者是定子上仅有一个不同极性的永磁体磁极，定子上的磁极单元中的一个磁极就是不对称定位的。

换句话说，如果转子磁极在磁路上对准永磁体磁极的起动位置到任何一个转子受到牵引的下一个或是前一个位置之间的转子磁极跨越距离大于或是小于半个转子磁极的间距，定子上的一个永磁体磁极相对于同一个或是不同磁极单元中的一个阻抗磁极就是不对称定位的。

按照一种对应的方式，在转子中也会出现由于磁极的不对称定位而形成的磁性不对称。例如，在交替极性的永磁体磁极构成的一个转子的磁极行列中，北极的永磁体磁极可能在南极永磁体磁极之间从一个中间位置朝任一方向移动，而所有相同磁极的间隔基本上都是相等的。

在本发明的说明书中所说的一个磁极单元(磁极组)可以是一个磁极，或者是和一个励磁线圈有关的多个磁极。

以下要参照附图详细地解释本发明，在附图中示意性地表示了多种具体实施例。

图1A是一个截面图，表示按照本发明第一实施例的电机；

图1B是一个展开图，示意性地表示了定子磁极和转子磁极的相对位置，所有磁极都是从定子和转子之间的气隙内部看到的磁极；

图1C是对应着图1A的一个截面图，并且在图中表示了磁力线的图形；

图1D是从图1的1D-1D线方向看到的一个电机的简化的轴向截面图；

图1E是用于图1所示电机的一个电子电源的电路图；

图1F-1G分别表示图1的电机和一个对应的现有技术电机的特性曲线；

图2A和2B是对应着图1A和1B的视图，表示按照本发明第二实施例的一个电机；

图3A和3B是对应着图1A和1B的视图，表示按照本发明第三实施例的一个电机；

图4A和4B是对应着图1A和1B的视图，表示按照本发明第四实施例的一个电机；

图5A和5B是对应着图1A和1B的视图，表示按照本发明第五实施例的一个电机；

图6A和6B是对应着图1A和1B的视图，表示按照本发明第六实施例的一个电机；

图7A和7B是一些分解图，表示在图1A-1D所示的电机中对定子阻抗磁极的改动形式。

在图中所示的本发明的所有实施例的电机都是旋转电机，其中的第一电机部件也就是具有绕组系统的电机部件是一个定子，在定子内部的第二电机部件即转子被安装在定子和另一个静止部件上的轴承支撑着做旋转运动。显而易见，本发明还可以用于第一电机部件被装在第二电机部件内部的旋转电机，以及第一和第二电机部件的相对运动是线性运动的电机，或是旋转和线性运动的电机(第一和第二电机部件的磁极是沿着螺旋的磁极行列布置的)。对于旋转电机来说，第一和第二电机部件的磁极的磁极面可以布置在圆筒或是同心的面上，而对于轴流电机来说，则可以布置在交叉平面中的环形面上。另外，第一电机部件可以仅仅延伸到覆盖第二电机部件圆周上的一部分，参见WO92/12567的图4。

在所有附图中，基本上径向磁化的永磁体磁极的横向极性是用指向磁体北极的一个箭头来表示的。

另外，在图示的所有实施例中，不对称的定子和/或转子磁极是有方向的，转子的优先起动方向是逆时针的。

参见图1A-1D，电机中用铁磁体层叠的定子11具有四个相同的磁极单元12U,12V，它们是沿着一个环形的磁极行列S(图1B)均匀分布的，因此有两个径向相对的磁极单元12U和两个径向相对的磁极单元12V。每个磁极单元12U,12V包括一对沿着磁极行列分布的铁磁性凸极，也被称为阻抗磁极13，还有一个位于阻抗磁极之间的永磁体磁极14。磁极单元12U,12V相对于磁极行列S的圆周中心线和垂直于中心线S的一条中心线L是几何对称的，并且与转子的旋转轴线C平行，参见图1B。在上述的情况下，磁极13和14的磁性也是对称的。

定子上的一个两相绕组系统包括两对交替通电的绕组线圈15U和15V。一对绕组线圈15U被装在磁极单元12U周围，并且构成了第一相绕组的一部分。同样，另一对绕组线圈15V被装在磁极单元12V周围，并且构成了第二相绕组的一部分。向绕组系统的两相提供相位相反的脉冲直流电流。

铁磁体层叠的转子16包括一个转子轴17和一个铁磁性转子体18。各自包括一个铁磁性凸极也就是阻抗磁极19的相同的磁极单元被均匀地分布在一个环形磁极行列R中(图1B)。转子16的磁极行列R和定子11的磁极行列S位于同一个横截平面中，在转子16的旋转过程中，每个转子磁极19都会按顺序对准并且面对定子11上的所有磁极13,14。

每个阻抗磁极19包括一个主磁极体或是部分19A，其轴向尺寸大体上与定子的磁极13,14相同，以及一个轴向尺寸较小的辅助磁极部分或是鼻子19B，为了便于说明，从图1B中可见，定子磁极行列S和转子磁极行列R(两个磁极行列都是从气隙内部来看的)的直线部分被表示成了轴向分布的状态。

从图1A中可见，在上述的情况下，从各自的主磁极部分19A的逆时针一侧伸出的辅助磁极部分19B形成了磁性不对称的磁极19，因此，电机有一个优先的起动方向，并且是在逆时针的方向上起动。

转子磁极19的磁极面被共同包含在一个虚构的圆筒面上，其轴线与转子16的旋转轴线C相吻合。同样，定子磁极13,14的磁极面被共同包含在一个虚构的圆柱面上，它是和上述的圆筒面同心并且稍稍分离的，从而用一个狭窄的圆筒形气隙20将转子磁极19与定子磁极13,14隔开。

如图1A所示，定子11的每个磁极单元12U,12V的阻抗磁极13的角度间隔和转子16上相邻磁极19的角度间隔是相同的。如果转子磁极19的数量是十个，相邻转子磁极的角度间隔或是间距以及相应的每个定子磁极单元12U,12V的阻抗磁极13的角度间隔就是36度。

另外，定子11的磁极单元12U,12V的角度间隔是90度，如图1A-1C中的上、下定子磁极单元12U所示，每次仅有四个转子磁极19能够在磁路上对准阻抗磁极13。一般来说，将转子磁极19和定子的阻抗磁极13的这种相对位置称为“吸引位置”，这是因为，如果用电机的工作电流对涉及到定子磁极单元12U的绕组线圈15U通电，转子磁极就会在定子的阻抗磁极13的强力吸引下移向这一位置，也就是受到了转子磁极和定子磁极单元12U的阻抗磁极之间的磁力的正切分量(产生转矩的分量)的作用。因此，这种“吸引位置”反映了转子的稳定平衡，如果在绕组线圈12U带电期间使转子偏离这一位置，在转子上就会重新产生磁转矩。如果在“吸引位置”上的正切磁力是零，磁力的径向分量就达到了最大值。换句话说，吸引位置就是转子磁极相对于磁化的定子磁极具有最小阻抗的位置。

在图1A-1C所示的相对位置上，除了这四个转子磁极19之外，所有其他转子磁极19在角度上都是偏离定子的阻抗磁极13的。这一偏离位置被称为“非吸引位置”，因为定子的磁化的阻抗磁极在这一位置上可以在优先方向上对这些转子磁极施加一个净正切力，将转子向吸引位置牵引。

然而，在图1A所示的相对位置上，相对于定子磁极单元12V的阻抗磁极13处在非吸引位置的那两个转子磁极19在磁路上对准了这些定子磁极单元12V的永磁体磁极。这两个转子磁极会受到永磁体磁极的吸引，只要是绕组线圈15V不通电，就能将它们保持在对准的位置，使有关的阻抗磁极13不会被磁化。

图1A所示的状态是一个稳定或是牵引位置，在第一相绕组线圈15U被通电，而第二相绕组线圈15V因断电而没有电流时就会出现这种情况。

在定子和转子的这种相对位置上，如果对第一相绕组线圈15U断电，并且对第二相绕组线圈15V通电，上、下定子磁极单元12U的各个永磁体磁极14就会在辅助磁极19B朝向永磁体磁极的那个相邻转子磁极19上施加很强的吸引力，这一吸引力比对辅助磁极部分19B背离永磁体磁极的那些其他相邻转子磁极19的吸引力要强。因此，定子磁极单元12U的永磁体磁极14就会对转子16施加一个逆时针的转矩。

图1C表示和图1A相同的相对位置，并且还表示了通电的绕组系统已经从第一相绕组线圈15U变成了第二相绕组线圈15V时产生的磁通量图形。此时，左、右定子磁极单元12V的被磁化的阻抗磁极13也会对转子16施加一个逆时针的转矩，因为这些阻抗磁极会吸引最近的辅助磁极部分19B。

在这一转矩的作用下，转子16会逆时针转过相当于一半转子磁极间距的角度，直到四个转子磁极19再次到达吸引位置，这一时间相当于左、右定子磁极单元12V的阻抗磁极13和所有其他转子磁极相对于定子阻抗磁极处在非吸引位置的情况。

当提供给定子11的绕组系统的电流被切断时，上、下(第一相)定子磁极单元12U或是左、右(第二相)定子磁极单元12V的永磁体磁极14就会使转子16停止并且保持在当前的位置或是图1A所示的位置(“顶峰”或是停止位置)，径向相对的一对转子磁极19在该位置上相对于一对径向相对的永磁体磁极14处在一个被吸引的稳定位置。当然，作用在转子上的摩擦或是其他外力以及定子和转子之间占优势的磁引力可能使转子停止并且保持在一个不确定和不稳定的位置。然而，无论转子停止在什么位置，在绕线系统被重新通电时都可以在优先方向上起动。

图1E表示一个驱动电路，用来从一个三相电源向图1A-1D的电机以及按照本发明的用脉冲直流电流供电的其他两相电机供电。该电路包括一个整流桥21，它通过一个平滑电感器24和一个所谓的DC连接电容器25连接到一对半导体开关桥式电路22和23。开关桥式电路是由一个控制装置(未示出)来控制的，用来交替地向绕组线圈15U和15V供电。

图1F中的深线A代表DC连接负载电流(ID)与图1A-1D所示电机中用电角度(E°)表示的转子角位置(α)的关系，而浅线B代表一个用来比较的按照WO92/12567的具有单相绕组系统的现有技术电机的DC连接负载电流。从图中可以明显地看出，图1A-1D所示电机的DC连接负载电流的脉动比现有技术电机的脉动明显地降低了，并且出现的重复频率达到了两倍。这就意味着图1A-1D所示电机中的DC连接负载电流波动对电源的影响比较小，或者是容易降低到一个理想的水平。

毫无疑问，如果采用图1A-1D的电机来降低对电源的不利影响，就可以用两个半导体开关桥式电路来代替现有技术电机所需的单个开关桥式电路。然而，在大多数情况下，这样做不但没有缺点反而实际上是有益的，这是因为在电机的输出功率相同的条件下为图1A-1D的电机提供两个开关桥式电路比为现有技术的电机提供一个开关桥式电路更便宜。前一种情况下使用的半导体元件的额定功率可以比第二种情况下更低。实际上，为每个绕组线圈提供独立的开关桥式电路甚至会更便宜。

在图1G中，深线H代表按照图1A-1D的电机的起动转矩(Ts)与用电角度表示的转子角位置(α)的关系，而浅线K代表用来比较的按照WO92/12567的电机中对应的转矩曲线(两个电机的平均转矩相同)。这些曲线还粗略地反映出两种电机之间在起动转矩和转子角位置关系上的差别。

显而易见，用图1A-1D代表的本发明的电机在运行速度下产生的气隙转矩比现有技术的电机更加平滑。另外，在图1A-1D的电机中，在最不理想的转子位置上产生的最低有效气隙转矩也就是起动转矩被明显地提高了。

图2A和2B所示的电机与图1A-1D的电机的实质区别仅仅是在定子211上设有三对相同和均匀分布的磁极单元212T,212U和212V，三相绕组系统的绕组线圈215T,215U和215V分别绕在这些磁极单元上面。转子216具有各自由一个磁性不对称的阻抗磁极219构成的十四个磁极单元。定子和转子的磁极单元和图1A-1D的电机都是相似的。

在图2A和2B所示的定子211和转子216的相对位置上，有四个转子磁极219相对于每个定子磁极单元212U的阻抗磁极213处在牵引的吸引位置上，对相应的绕组线圈215U通电，而所有其他的转子磁极219在圆周上偏离了定子磁极单元212T和212V的阻抗磁极213，因此相对于这些阻抗磁极处在非吸引位置。

每当通电的绕组线圈例如成对的绕组线圈215U被断电时，成对的绕组线圈215V就已经通电了。转子216受到定子磁极单元212V和另外两对绕组线圈中没有通电的磁极单元中的永磁体磁极的双重作用，使转子逆时针旋转。在转子移动了相当于三分之一转子磁极间距之后，四个新的转子磁极就会到达面对成对的定子磁极单元212V的阻抗磁极的吸引位置。

在图3A和3B所示的电机中，定子311象图1A-1D一样具有两对相同且均匀分布的磁极单元312U和312V，两相绕组系统的绕组线圈315U和315V分别绕在这些磁极单元上面。

然而，与图1A-1D电机的定子磁极单元不同，每个定子磁极单元312U或是312V仅仅包括一对阻抗磁极313，具体地说，各自的磁性不对称的阻抗磁极包括一个主磁极部分313A和一个从主磁极部分的顺时针一侧(也就是与转子316旋转时的起动方向相反的方向)突出的辅助磁极部分313B。

同样，与图1A-1D电机的转子磁极单元不同，转子316的十八个转子磁极单元各自是由一个磁性不对称的永磁体磁极319构成的，它包括一个主磁极部分319A和一个从主磁极部分的逆时针一侧也就是转子的旋转方向上突出的辅助磁极部分319B。相邻的永磁体磁极319的极性是相反的，并且其角度间隔或是间距只有阻抗磁极313的角度间隔的一半。

与图1A-1D的电机相比，图3A,3B所示的电机的另一个区别是向绕组线圈315U,315V提供交变极性的电流脉冲，从而改变各个阻抗磁极313的磁化方向。在图3A,3B所示的电机中，转子316的永磁体磁极319还可以将转子保持在起动位置，也就是说，它还完成图1A-1D中所示电机中定子磁极单元的永磁体磁极的那种功能。另外，在图3A,3B中，不对称的定子阻抗磁极还有助于形成不对称的转子磁极。

在图4A和4B所示的电机中，转子416与图3A,3B中的转子316相同，并且同样包括一个环形行列，它包括按照交替的极性均匀分布的十八个磁性不对称的永磁体磁极319。定子411同样包括四个相同的磁极单元412U和412V以及相关的一个两相绕组系统中的绕组线圈415U和415V，象图1A-1D的电机一样向绕组线圈提供脉动直流电流。

然而，与图3A,3B的定子磁极单元不同，定子磁极单元412U和412V中包括了阻抗磁极和永磁体磁极。具体地说，每个定子磁极单元412U和412V包括一对分开的对称阻抗磁极413(其角度间隔是转子磁极的角度间隔或是间距的二倍)和一个不对称的永磁磁极414，其位置正好处在阻抗磁极的中间，并且包括一个主磁极部分414A和一个从主磁极部分的顺时针一侧突出的辅助磁极部分414B。径向相对的定子磁极单元中的永磁体磁极414是极性相反的。

另外，与图3A,3B的定子磁极单元不同，定子磁极单元412U和412V不是均匀分布的。属于第一相绕组系统的带有相关绕组线圈415U的两个磁极单元412U在直径U上对中，而属于第二相绕组系统的带有相关绕组线圈415V的两个磁极单元412V同样在直径V上对中。如图4A所示，直径U和V不是正交的。每个定子磁极单元412U和412V与其相邻的定子磁极单元的角度间隔在一侧相当于四个转子磁极间隔(八十度)，而在另一侧相当于五个磁极间隔(一百度)。

在图4A,4B所示的定子411和转子416的相对位置上，转子416上位置对着第一相磁极单元412U的阻抗磁极413的四个永磁体磁极419处在相对于这些阻抗磁极的吸引位置上。同时，转子416上位置对着第二相磁极单元412V的永磁体磁极414的两个永磁体磁极419处在相对于定子上的这些永磁体磁极的吸引位置上。因此，图示的转子位置是一个起动位置，当第二相绕组通电时，电机就从该位置起动。

在图5A和5B所示的电机中，转子516与图1A-1D中是一样的，并且同样包括磁性不对称的阻抗磁极519的一个环形行列。在本实施例的情况下，阻抗磁极的数量是十一。

象图1A-1D中一样，图5A和5B中的定子511包括四个相同并且均匀分布的磁极单元512U和512V以及两相绕组系统中相应的绕组线圈515U和515V。然而，在这种情况下，定子磁极单元仅仅包括永磁体磁极514；每个定子磁极单元512U和512V一个行列交替极性的四个对称的永磁体磁极514，其磁极间距是转子磁极519的间距的一半。另外，象图3A和3B的电机一样向各相绕组系统提供交变极性的电流。

在图6A和6B所示的电机中，磁极行列中的磁性是不对称的，但是定子和转子上的所有单个磁极的磁性都是对称的。在这种电机中，本发明的目的是通过定子上的磁极单元内部的磁性不对称来实现的，也就是让磁极单元中的一对对称的阻抗磁极之间的一个对称的永磁体磁极的位置不对称。

具体地说，图6A,6B所示的电机包括一个定子611，其阻抗磁极类似于图1A到1D中所示的情况。转子616同样类似于图1A到1D中的转子，其区别仅是在磁极619的前端和尾端均设有辅助磁极部分619B，并且这些辅助磁极部分的直径比较小。

每个磁极单元612U和612V包括一个矩形的磁性对称的永磁体磁极614，将其放置在与相邻的两个阻抗磁极613之一不对称或是偏心的位置上。磁极单元612U和612V的永磁体磁极614被连接到一个共同的驱动机构620，这其中包括一个连杆621。

在电机的工作期间，永磁体磁极614在选定的偏心位置上是静止的，但是，如果从图6A中用实线所示的位置向下移动连杆621，磁极单元612U和612V的永磁体磁极614就可以在圆周上从图示的偏心位置移动到靠近其他定子阻抗磁极613的一个对应的偏心位置(在图6A,6B中用虚线表示)，这样就改变了转子旋转的优先方向。

图中的转子616的磁极619相对于磁极单元612U的阻抗磁极613处在牵引或是吸引位置。在该位置上，两个转子磁极尾端(假设转子是逆时针旋转)上的辅助磁极619B，左上磁极，以及右下磁极紧密地靠近每个永磁体磁极614的一端，最好让每个永磁体磁极和相邻的一个这种转子磁极之间稍有重叠。每个永磁体磁极614的相对一端和另一个相邻转子磁极的间隔是固定的。

与此相应，在图示的牵引转子位置上，从转子的旋转方向上看，每个永磁体磁极614和它前面的转子磁极619之间的磁性引力很大，超过了永磁体磁极和它后面的转子磁极之间的磁性引力。当转子处在这一位置时，如果切断绕组线圈615中的电流，永磁体磁极614就会把转子顺时针推动到起动位置。

在起动位置上，转子磁极619前端的辅助磁极部分619B将会紧密地靠近它前面的两个定子阻抗磁极613并且稍有重叠，此时如果对绕组线圈15通电，这些阻抗磁极就会在逆时针方向上全力推动转子，使其象参照图1A到1D所述的情况一样脱离起动位置。

在图示的所有实施例中，定子和转子都是用层叠的导电薄钢板制成的，如图1D所示(为了清楚而放大了板的厚度)。

在构成定子阻抗磁极13的那部分板中，每个第二定子板11A被稍微缩小，让板上面对着气隙的曲线边沿11B在径向上相对于相邻的板向外偏移，参见图1A和图1D的下部。换句话说，仅有各个第二板11C一直延伸到气隙，而间隔的板11A的端部离气隙比较远。在图2A-2B所示的电机中采用了类似的阻抗磁极结构。

在阻抗磁极的磁极面上使层叠的板变薄可以保证在转子的阻抗磁极越过定子阻抗磁极时在定子和转子磁极之间的气隙中产生的磁通量变化与磁极重叠面积的变化成正比。换句话说，就是只要磁通量变化没有受到磁路中不同区域内的磁饱和的限制，就可以保证磁极重叠面积上的磁通量密度基本上是恒定的，因此，由磁极的相互作用所产生的转矩也会是相当均匀的。

从磁路中来看，减少或是缩短每个第二板上的阻抗磁极部分的效果是可以将跨过磁极面的饱和磁通量密度的平均值降低50％，用来在产生铁心损耗的主要部分的层叠块中减少磁感应摆动(magneticinduction swing)(磁通量密度在电机的一个操作周期内变化的间隔)。

图7A和7B表示一种使磁极面上的阻抗磁极变薄的修改方案。这种修改方案适用于在高操作频率下运行的电机，它不仅限于上述的多相电机，还可以普遍用于在定子和转子双方都具有阻抗磁极的各种电机。例如，按照这种修改方案，在WO90/02437和WO92/12567中公开的那种电机都可以在定子和/或转子上采用阻抗磁极。

为了提高电机的速度，就需要增加提供给电机的电流的操作频率。然而，增加操作频率必然会增加铁心损耗。避免增加铁心损耗的一种方法是采用较薄的层叠板，但是，如果降低了板的厚度，就可能很难甚至无法使用自动化生产设备。另一种方式是把每三个板减少或是缩减到两个，但是这种技术在大多数场合不能令人满意。

本发明的目的是提供这样一种阻抗磁极结构，它可以适用于高频操作的电机，但是不需要依靠上述这些技术方案。

按照本发明，可以用图1A-1D和2A,2B所示的阻抗磁极在增大的操作频率下有效地减少感应摆动，其做法是在一直延伸到气隙的这些板中设置一些槽，用这些槽来限制板上面对磁极中的磁通量的截面面积，从而降低使磁极在磁极面上达到磁饱和的磁通量密度。

这些槽应该基本上均匀地分布在板的截面上。可以采取孔的形式，也就是不面向气隙的开口，或者是采取通过狭窄的通道与气隙连通的开口形式。孔的宽度不不宜过大，因为这样会在阻抗磁极的面上产生涡流，并且至少会在其他电机部件的某些永磁体材料的永磁体磁极中产生涡流。

在图7A和7B中表示了对图1A-1D的电机中的定子阻抗磁极进行的修改，也就是对上定子磁极单元12U右侧的定子阻抗磁极13的修改。图7A表示缩短一个板11A的阻抗磁极部分(它的板具有曲线的边沿11B)，图7B表示相邻的板11C的阻抗磁极部分的全长。在靠近气隙20的区域内，该部分具有三个由细长开口的封闭轮廓构成的槽11D，这些槽没有通到面对气隙的曲线边沿11E上。三个槽是沿着曲线边沿的长度均匀分布的。

在设计板的开槽部分时可以采用以下的公式：

ΔB₂=ΔB₁(f₁/f₂)^1/1.2

在这一公式中，ΔB₂和f分别代表感应摆动和操作频率，下标1和2表示两种不同的操作状态。从公式中可以看出，在不改变铁心损耗的情况下增加操作频率就可以减少感应摆动，使其比直接成正比地增加操作频率时更小。例如，如果要将操作频率提高一倍，若是铁心损耗保持不变，需要将感应摆动减少到其原先数值的56％。提高操作频率可以调整铁心和铜的损耗，使其达到或是接近产生所需转矩的要求。因此，与不改变铁心损耗时的磁通量密度相比，可以选择比较高的磁通量密度。

通过上述的开槽方式来降低阻抗磁极面上的饱和磁通量密度还有另一个优点，那就是在不需要增大电机尺寸的情况下可以明显地增加气隙功率(air gap power)。

按照上述原理，对板上的阻抗磁极部分开槽的方式同样可以用于所有板上的阻抗磁极部分都延伸到气隙的那种电机，例如图1D和7B中所示的板11C。如果有必要，相邻的板上的槽可以是不同的。

自然，值得注意的是，图1A到6A中所示的用来磁化磁极单元的线圈也可以布置成其他方式，例如象变压器式的线圈那样绕在磁极组之间的轭铁(yoke)上。定子轭铁还可以分割，以便使用预先绕制的线圈。或者是将轭铁制成环形的截面形状，线圈可以分段地环形绕制在轭铁上。这样做对小型电机具有经济上的好处，例如，可以用具有双倍截面面积的单个轭铁代替用来将两个磁极组连接到一起的两个轭铁，并且只有一个绕在轭铁上的线圈。这种结构对于小磁极面的电机和DC电机来说是公知的。

Claims

1．一种自起动无刷电机包括：

第一电机部件(11)，它具有按照一定间隔布置在第一磁极行列中的多个磁极单元，

第二电机部件(16)，它具有按照一定间隔布置在第二磁极行列中的多个磁极，

以及

装在第一电机部件上的一个绕组系统(15)，它包括配合着每个磁极单元的绕组线圈，用来在对线圈励磁时通过磁极单元产生一个链接第一和第二磁极行列中的磁极的磁场，

第一和第二磁极行列中至少有一个具有不对称的磁性，用来在对绕组系统励磁时产生电机部件的优先的相对运动方向，

其特征是：

绕组系统是一种至少具有两相绕组的多相绕组系统，绕组线圈包括至少一个第一相线圈(15U)和至少一个附加相线圈(15V)，它们分别构成了第一相绕组和附加相绕组的一部分，每一相绕组属于一种磁极类型，该类型对所有相的绕组是通用的，并且被包括在每相绕组的至少一个磁极单元中，以及

第一磁极行列的磁极单元的通用型磁极是分开的，因此，在电机部件的任何相对位置上，属于与一个给定相绕组的绕组线圈有联系的一个磁极单元的通用型磁极相对于第二磁极行列中的一个上述类型的磁极处在吸引的位置，

第二磁极行列中所有属于上述一种磁极类型的磁极相对于一个通用型磁极，或是联系一个绕组线圈的第一磁极行列中的磁极，或是属于不同相绕组的线圈都处在不吸引的位置。

2．按照权利要求1的电机，其特征是第一磁极行列的每一相绕组包括至少一对相对的磁极单元。

3．按照权利要求1或2的电机，其特征是：

第一磁极行列中的通用型磁极是第一型磁极，

第二磁极行列中的磁极是基本上均匀分开的第一型磁极，并且

第一磁极行列中的每个磁极单元包括一个第一型磁极和沿着磁极行列与第一型磁极相隔一定距离的一个第二型磁极，该距离相当于第二磁极行列中相邻磁极间隔的一半。

4．按照权利要求1或2的电机，其特征是：

第一磁极行列中的通用型磁极是第一型磁极，

第二磁极行列中的通用型磁极是第二型磁极，并且

第一磁极行列中的每个磁极单元包括一个第一型磁极和沿着磁极行列与第一型磁极相隔一定距离的一个第二型磁极，该距离相当于第二磁极行列中相邻的相同极性磁极的间隔的一半。

5．按照权利要求1或2的电机，其特征是：

第一磁极行列中的通用型磁极是第二型磁极，

第一磁极行列中的每个磁极单元包括至少一对第二型磁极，每个磁极单元中相邻的第二型磁极是极性相反的，并且沿着磁极行列相隔一定的距离，该距离相当于第二磁极行列中相邻磁极间隔的一半，并且

第一磁极行列中的磁极单元仅仅包括第二型磁极。

6．按照权利要求3的电机，其特征是第二磁极行列具有第一型的磁极，其辅助磁极部件从主磁极部件上向着优先的相对运动方向突出。

7．按照权利要求4的电机，其特征是第二磁极行列中的第二型磁极包括包括一个从主磁极部件上向着优先的相对运动方向突出的辅助磁极部件。

8．按照权利要求6或7的电机，其特征是第一磁极行列中的磁极单元包括第一型磁极和/或第二型磁极，其辅助磁极部件从主磁极部件上向着优先的相对运动方向突出。

9．按照权利要求1-8之一的电机，第一磁极行列中的每一相绕组包括至少一对相对的磁极单元，其特征是第一磁极行列中的磁极单元沿着磁极行列是间隔不等的，让属于一个给定相绕组的一对相对的磁极单元和属于不同相绕组的交错的磁极单元的间隔不同。

10．按照权利要求1-9之一的电机，其特征是第一电机部件是定子，而第二电机部件是被转动支撑在定子内部的一个转子。