专利名称：永久磁铁型三相ac回转电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种回转式多相电机，比如三相AC发电机和三相AC发动机，尤其涉及为此所作的改进的线圈绕组布置。
三相AC发电机或发动机已知有许多应用。无刷电动机是这种类型机器的一个示例。在传统的回转电机中，在磁极齿上形成的连接线圈绕组的线圈与永久磁铁对应。根据线圈绕组和永久磁铁的相对转动，在每个线圈上感应出电动势(用做发电机时)或者在转子中产生一种扭矩(用做发动机时)。每一相或每一线中产生的电动势或者反电动势是每一相或每一线中所有线圈结果的矢量和。
在家用电器或者工业广泛使用的回转电机中，供给或者输出电压相对较高。因此，一种绕在每个相线的磁极齿上的小直径柔性绕组可用于线圈绕组上。这些绕组通常以Y-型或△-型的连接方式相互串联连接。定子线圈的缠绕方向交替变化可以使线圈的极性一样。
除了家用或工业应用外，这种回转电机可以广泛用于车辆比如汽车和摩托车上。例如，无刷发动机可用做电车等的电源。通常，这种车辆上的供电电压低于家用或工业用供电电压。因此，必须用强电流来获得大动力。所以，在车辆用的回转电机中，绕在每个芯件上的线圈匝数相对较少，而线圈直径相对较大。
然而，当使用大直径线圈时，磁极齿上线圈绕组的效率显著降很低。还有，每一相上的线圈端部必须连接在线圈各线的端部，而且必须是中性连接。结果加工很慢，而且很难提高生产能力和降低成本。另外，线圈端子的接头难免很大，导致绕组部件的尺寸过大，发电机或发动机的尺寸很大。
为了降低电流，可以并联连接每一相的线圈。这样就可以采用小直径的绕组。这可以增加每个线圈的匝数。因为车用回转电机的电压较低，所以增加的匝数相对较少。
然而，已经发现，当每一相的线圈并联连接时，由于每个线圈中产生的电动势或反电动势存在相位差，所以在并联连接的线圈形成的封闭回路中产生循环电流。
因此，本发明的主要目的是提供一种具有并联绕组的永久磁铁型三相AC回转电机，而且可以防止或者减少任何循环电流流动。
本发明进一步的目的是提供一种具有小直径线圈绕组的永久磁铁型三相AC回转电机，以减小机器的尺寸。
发明概述本发明具体表现为一种永久磁铁型三相AC回转电机，它包括一个永久磁铁元件和一个线圈绕组元件。这些元件可相对转动。线圈绕组元件以三相缠绕连接到一个线电流回路上。每一相由一个并联回路组成，该并联回路通过并联多个串联回路而成。每个串联回路使用的磁芯这样联合，即根据永久磁铁和线圈对称布置，每一相的多个串联回路的相对端产生的电动势电压或反电动势电压基本相同，从而防止在并联回路中产生循环电流。
根据本发明的另一特点，永久磁铁元件有n个永久磁极。线圈绕组元件有m个线槽。m值至少是6。
图面说明
图1是根据本发明一个实施例构造的三相、Y布线法的回转电机的端部正视图。
图2是三相线圈绕组连接线路图。
图3是表示本发明另一个△布线法的实施例的端部正视图，其中一部分与图1类似。
图4是部分与图2类似的配线图，但表示该实施例的各线圈相的配线。
图5是表示现有技术采用的三相Y布线法的回转电机的端部正视图，其中部分与图1类似。
图6是表示现有技术装置的配线图，其中部分与图2类似。
图7示意性地表示另一种现有的△布线法的配线图，其中部分类似于图6。
图8是表示图7所示现有装置的回路波形输出的示意图。
图9是表示组成线电压的线路波形的谐波频率和的示意图。
图10是图9波形的总谐波变化的图表；图11是部分与图8类似的波形图，但是示出了图3和4所示电路的波形。
图12是部分与图9类似的谐波分配曲线，但是示出了该实施例的结构。
图13是表示根据本发明该实施例的总谐波分布的图表。
图14是表示另一个线圈绕组布置的端部正视图，其中部分与图1类似。
图15是该实施例的线圈绕组布置的电路示意图。
图16是表示本发明另一个实施例的图，其中部分与图3类似。
图17是该实施例的线圈绕组布置的电路示意图。
图18是另一种现有结构的端部图，其中部分类似于图5。
图19是该实施例的配线图，其中部分类似于图6。
图20是为比较目的而设的表示线槽数、极数和齿轮扭矩频率与各种参数的绕组系数之间关系的图表。
详细说明首先参考图1和2，这些图示出本发明第一个实施例的结构，它包括一个18线槽，16极的发电机或发动机，发电机或发动机通常用附图标记51表示。在该图示实施例中，附图标记52表示的线圈绕组元件组成定子并且以Y型布置接线。显然，线圈绕组元件51也可以包括转子。
图1中，标记52是一个环形定子线圈绕组元件，它有18个径向向内延伸的磁极齿53。每个磁极齿53上绕一个定子线圈54。一个转子周围或永久磁铁元件(未示出)可转动地保持在定子52内部，转子相同地固定16个永久磁铁。即，有16个磁极的永久磁铁型转子在有18个线槽(沟)的定子52中转动。如上所述，静止和固定元件可以互换。
因为本发明涉及线圈54的绕组及其电连接，所以电机51的某些机械部件未被图示也未进行详细说明。本领域的普通技术人员可以明白如何根据所需的机械结构和形状实施本发明。
16个永久磁铁以固定间隔有规律的在16一极转子的外圆周上，这样永久磁铁的极性按N-S形式交替改变。相同极性的磁铁被布置在相对于转动中心彼此对称的位置。
对于定子52的磁极齿53及其线圈绕组54来讲，U相包括以三个线圈绕组为一组的两组线圈，每一个线圈绕组分布在三个相邻铁芯53的周围。这两组线圈在圆周上彼此隔开。其中的第一组包括三个定子线圈54a，54b和54c，它们连续分布在圆周上。第二组包括三个定子线圈54d，54e和54f，它们与第一组在圆周上隔开。由于V相和W相的情况也一样，因此这里只描述U相。
转子的永久磁铁之间在圆周上的间隔比定子52的磁极齿53之间的间隔大。然而，在转子的某一个转角位置，当线圈54a，54c，54d和54f沿一个方向缠绕，线圈54b和54e沿相反方向缠绕时，所有线圈54的极性可以相同。
因此，在该实施例中，如图2所示，串联回路55a和串联回路55b并联，回路55a包括三个线圈54a，54b和54c，它们按上述交替方向缠绕，回路55b包括三个线圈54d，54e和54f。用56表示的该并联回路是一个线电流回路。也就是并联回路56的一端连接到中点57，另一端作为U相的端子58(U)。
图3和4表示采用△型连接的具有18个线槽和16个极的发电机或发动机61。该实施例中，一个形成线电压的线回路由与图1和2相同的并联回路56组成。图3和4中与图1和2对应的部分用相同附图标记表示，这里不再重复说明，因为本领域的普通技术人员容易理解该实施例的结构和工作。
图5和6表示一种为了与图1和2的结构比较而采用Y型接线的现有结构。在该现有技术中，组成每一相的线电流回路的6个线圈54a到54f串联连接。图5和6中与图1和2对应的部件用相同附图标记表示，并且不再重复说明。
图7是部分与图6相同的图，其目的是为了与图3和4所示的本发明的布置进行比较。具有该结构的机器被一个电机驱动，测量该驱动电机的驱动电流量。对图3和4的结构也做同样的操作。驱动每个机器的实际电流量基本相同，但是从图8，9和10与图11，12和13的比较可以看出，与本发明结构关联的波形更均匀，总谐波扰动非常小，这如表11和13分别所示。另外，由于该结构，基本不存在会使运行周转的转动逆电流。
比较图1和2的实施例和图5和6所示现有结构可以得出类似结果。即，绕组效率基本相同，但是直接串联的谐波扰动比根据本发明的串联结构的并联连接的谐波扰动大许多。
图14和15，图16和17，图18和19表示一个12一线槽，14一极发电机或发动机的结构，它用来解释本发明的其他特点。这些结构中前两个(图14和15，图16和17)具体实施本发明。其他结构是用于比较的现有结构。
图14和15分别表示根据本发明的采用Y型接法的定子的磁极齿的结构(Y型并联连接)及其线圈绕组图。
图16和17表示根据本发明的采用△型接法(△并联连接)的一个实施例的定子磁极齿的结构及其线圈绕组图(B)。图18和19分别是Y型接法的现有技术中的定子的磁极齿的结构其及线圈绕组图的一个比较示例。
在图16到19中，由于结构与前述的结构相同，除了组成每一个线电流回路或线电流55的线圈54数量是4个(54a到54d)，因此相同部件用相同附图标记表示，并且不再重复说明。在图14，16和18中，示出了转子71。转子71有14个永久磁铁72，它们交替地以有规则的间距沿圆周布置。图14和15及16和17所示实施例与图1和2和3及4的实施例产生的效果相同。
虽然这里具体描述了有18线槽和16个极以及12个线槽和14个极的实施例，但是本发明不限于这些实施例中。线槽数m和极数n可以有其他组合。当极数n和线槽数m有一个公约数时，多个串联回路的每个线圈产生的结果相同，布置在每一相或线上的该多个串联回路组成多个并联回路。
其原因是，比如，当有公约数2时，转子磁极相对中心轴对称布置并且在一个并联回路中的形成两个串联回路的多个线圈相对该中心对称。在这种情况下，由于多个串联回路的电动势和反电动势一直相同，因此确实可以消除并联回路中的循环电流。
组成该并联回路的多个串联回路中的每一个回路可以由一个线圈组成，但是最好由至少两个线圈构成。当由至少两个线圈构成时，一个并联回路有至少4个线圈。即，线槽数m是3M(这里M是2或3的倍数，至少是4)，与一相对应的m个线圈被分成L组，每一组包括M/L个线圈，由此每组中的串联回路的电动势或反电动势相等。
在永久磁铁型回转电机中，当转子转动时引起驱动转矩(也称为齿轮转矩)的周期变化。最好减小该齿轮转矩，因为在发电机情况下可以减少驱动转矩，在发动机情况下可以减少输出的转矩变化。
作为提高转动电机效率的条件之一，绕组系数Kw是公知的。当不用倾斜线槽时，绕组系数Kw由短跨距绕组系数Kp和分布绕组系数Kd的乘积表示。即，Kw＝Kp*Kd。短跨距绕组系数Kp表示线圈的跨距和磁极齿跨距之间的差，分布绕组系数Kd表示线圈绕组集中的程度。
图20是根据线槽数m(磁极齿数)和磁极数n的各种组合获得的绕组系数(下一行)和齿轮转矩频率(上一行)。已经发现，分别由下面公式表示的“x”线和“y”线之间的z区域中的组合最佳。
X线；m＝(3/4)*n，y线；m＝(3/4)*n，即在z区组合中，由于绕组系数Kw足够大，齿轮转矩频率足够大，因此齿轮转矩相对较低。这样，选择线槽数m和极数n最好在z区中的组合内。
如上所述，一个有相电流流过的线电流回路由一个并联回路形成，该并联回路由多个串联回路组成，每个串联回路包括一个或多个定子线圈，这样在这些串联回路的相反两端产生的电磁电压或反电磁电压几乎总是相同。这样循环电流不会流进并联回路中，由此提高回转电机的效率。还有，因为每一个相的线电流回路由一个并联回路组成，所以每个定子线圈中流过的电流较小，这样，定子线圈的直径可以较小。从而改善线圈的绕组。还有，线圈端子容易加工，端子的加工部分可以做得较小，从而实现小型化的回转电机。当然前述说明只是最佳实施例，在不背离本发明权利要求限定的精神和范围内可以做各种变化。
权利要求
1.一种永久磁铁型三相AC回转电机，它包括一个永久磁铁元件和一个线圈绕组元件，该永久磁铁元件有多个永久磁铁磁极，线圈绕组元件有多个线槽，所述三相中的每一相以线电流回路连接，并由一个并联回路组成，该并联回路由多个串联回路并联组成所述线圈绕组元件包括每一个组合的所述串联回路的磁芯，这样，根据所述永久磁铁和所述线圈的对称布置，使构成每一相的所述多个串联回路的相对端产生的电动电压或反电支电压基本相同，从而防止在所述并联回路中产生循环电流。
2.根据权利要求1所述的永久磁铁型三相AC回转电机，其中永久磁铁元件有n个永久磁铁磁极，线圈绕组元件有m个线槽，m的值至少是6。
3.根据权利要求1所述的永久磁铁型三相AC回转电机，其中相以Y型相连。
4.根据权利要求3所述的永久磁铁型三相AC转动电机，其中永久磁铁元件有n个永久磁铁磁极，线圈绕组元件有m个线槽，m的值至少是6。
5.根据权利要求1所述的永久磁铁型三相AC回转电机，其中相以型相连
6.根据权利要求5所述的永久磁铁型三相AC回转电机，其中永久磁铁元件有n个永久磁铁磁极，线圈绕组元件有m个线槽，m的值至少是6。
7.根据权利要求2所述的永久磁铁型三相AC回转电机，其中磁极数n和所述线槽数m有一个公约数。
8.根据权利要求2所述的永久磁铁型三相AC回转电机，其中线槽数m是3的倍数用3M表示，M至少是4，对应于一个相的M个线圈被分成L组，每组包括M/L个串联的线圈。
9.根据权利要求2所述的永久磁铁型三相AC转动电机，其中极数n和线槽数m分别满足下列关系n＝2N，m＝3M其中N和M是整数并满足下列方程2m/3＜n＜4m/3。
全文摘要
永久磁铁型三相AC回转电机的几个实施例,其中相电流由并联回路组成,该并联回路由多个串联回路组成,每个串联回路包括一个或多个定子线圈,这样在多个串联回路的相对端产生的电磁电压或反电磁电压几乎一直相等。这样,并联回路中没有循环电流,由此可以提高发动机的效率。还有,由于每一相的线电流回路由并联回路组成,因此每个定子线圈中的电流很小,从而可以减小定子线圈的直径。另外线圈端子易于加工并且端子加工部分可以做得很小,因此回转电机可以小型化。
文档编号H02K3/28GK1375910SQ0210562
公开日2002年10月23日 申请日期2002年3月14日 优先权日2001年3月15日
发明者安间达也, 高野正 申请人:株式会社萌利克