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根据本发明的同步电动机在较高效率、较低成本、减小的体积及减小的接头力下运行。选择磁铁尺寸，使得即使其比正常情况具有较少槽，也可减小接头力至可忽略的大小。也可能视情况使用非重叠绕组与更深及敞开的槽。本方法可应用于旋转及直线电动机及在场结构中使用永久磁铁或电磁铁的电动机。该方法尤其适用于具有一大的气隙的直线或旋转电动机，以及适用于小的电动机，该小电动机必需传递一高的推力或转矩相对电动机体的比率。

1.  一种同步电动机，其包括一个或多个场结构以及一个或多个电枢；该场结构具有确定波长λ的磁场的磁极，该电枢具有若干齿，在该等齿间具有槽，且线圈绕组缠绕在这些槽中，改进在于：齿数相对波长比率为3∶1，且其中磁极及齿彼此关联确定尺寸以最小化接头力。

2.  根据权利要求1所述的同步电动机，其进一步的改进为多个齿的末端没有增大部分。

3.  根据权利要求1与2中任一权利要求所述的同步电动机，其进一步的改进为其中一个或多个磁极包含有永久磁铁。

4.  根据权利要求1与2中任一权利要求所述的同步电动机，其进一步的改进为其中至少一个场结构的磁极以霍氏排列布置。

5.  根据权利要求1与2中任一权利要求所述的同步电动机，其进一步的改进为其中在至少一个场结构的端部提供半磁极。

6.  根据权利要求1与2中任一权利要求所述的同步电动机，其进一步的改进包括一连串所述绕组缠绕在该槽中，以便在该连接中至少那些线圈绕组的一个不会与下一个紧接的线圈绕组重叠。

7.  根据权利要求6所述的同步电动机，其进一步改进为其中每一线圈绕组绕一各自齿缠绕。

8.  根据权利要求6所述的同步电动机，其进一步改进为其中线圈绕组数相对波长比率为3∶1。

9.  根据权利要求1与2中任一权利要求所述的同步电动机，其进一步的改进为其中将场结构及电枢布置为确定一直线同步电动机。

10.  根据权利要求1与2中任一权利要求所述的同步电动机，其进一步的改进为其中将该场结构与电枢布置为确定一旋转同步电动机。

11.  一种同步电动机，其包括一个或多个场结构及一个电枢，该场结构具有若干磁极，该电枢具有若干齿，此等齿间具有若干槽，若干线圈绕组缠绕在那些槽中，其改进为其中该等磁极与齿彼此相关联确定尺寸以使所选择的力谐函数最小化，那些所选择的力谐函数与磁极强度的平方成比例。

12.  根据权利要求11所述的同步电动机，其进一步改进为其中该等磁极确定一波长为λ的磁场，其进一步的改进还为磁铁长度相对λ/2的比率大体上为0.77∶1或0.45∶1。

13.  根据权利要求11与12中任一权利要求所述的同步电动机，其进一步的改进为其中该等磁极确定一波长为λ的磁场，其进一步的改进还为其中齿数相对波长的比率为3∶1。

14.  根据权利要求11与12中任一权利要求所述的同步电动机，其进一步改进为其中多个齿的末端没有增大部分。

15.  根据权利要求11与12中任一权利要求所述的同步电动机，其进一步改进为其中该等磁极与齿彼此相关联确定尺寸以使在它们之间的第六力谐函数最小化。

16.  一种同步电动机，其包括一个或多个场结构以及一个或多个电枢，该场结构具有若干确定一磁场的磁极，以及该电枢具有若干齿，在该等齿之间有若干槽，且若干线圈绕组缠绕在那些槽中，其改进为其中将在至少一个场结构端部的磁极布置为使在场结构与电枢间的第三力谐函数最小化，而不会在它们之间增加第六谐函数。

17.  根据权利要求16所述的同步电动机，其中该场结构的磁极确定了一波长为λ的磁场，其进一步改进为其中场结构的相对尺寸选择为大体上与下表一致：
参数                            尺寸
波长                             60
磁间隙                            4
周期磁铁长度                     23
周期磁铁高度                       5
端部磁铁长度                      14
端部磁铁高度                       4
端部磁铁与其邻近磁铁间间距        11

同步机器设计及制造
技术领域
本申请案主张2001年10月1日申请的、名称为“同步机器设计及制造”的美国序列号60/326,278的优先权利益，该专利的内容以引用方式并入本文。
本专利是关于设计及制造直线及旋转同步电动机及发电机。本发明应用于几乎所有同步机器，尤其对于那些为场的目的而使用永久磁铁的同步机器。
背景技术
设计及制造同步电动机已经进行超过100年了，但是其应用一直主要对于必需同步的低功率电动机，以及对于效率及尺寸优势胜过其它劣势的高功率电动机。
1888年，尼古拉斯·泰斯拉(Nicola Tesla)发明了感应式电动机，也称为异步电动机，且从那时起，感应式电动机支配着旋转电动机市场。对于电业产生动力的电动机来讲，感应式电动机一直是较佳选择，因为它们构造及控制起来一直更便宜，而对于大多数变速应用场合它们是不划算的。
逐渐增加使用同步电动机是由于：专门为电动机控制而设计的微处理器的发展；可使用更划算的供能的电子装置；较好的永久磁铁；及逐渐增加的共识即变速操作使得性能有优势。例如，永久磁铁旋转同步电动机正作为用于电动车辆驱动及用于低速、高转矩应用场合的候选对象而受到真正注意，在该低速、高转矩的应用场合，选择感应式电动机就显得笨重、低效及昂贵。此电动机的直线形式，也称作直线同步电动机(LSM)，现在应用于直线感应式电动机(LIM)不能有效应用的场合，及作为驱动轮子的旋转电动机的一替代物。
应认识到在设计一电动机与设计一发电机(或交流发电机)之间通常只有非常微小之差别。因此，在此处所有讨论中，应将术语电动机理解为暗含电动机及发电机与设计以执行两者功能的机器。
还有若干电动机设计者必需处理的问题：减小尺寸及重量、增加效率、降低成本、消除接头力或波动力、以及简化制造。已经发行了许多专利，其试图表示如何改善同步机器的这些因数：6,081,058(具有一永久磁铁电动机的电动机结构，其带有若干槽以减小转矩波动)；5,990,592(包含有磁铁型交流电动机以及设计该类型电动机的方法)；5,757,100(在一电动机中用于减小接头转矩的方法及设备)；5,723,917(平直线电动机)；5,523,637(具有低磁阻转矩的永久磁铁发电机)；5,521,451及5,126,606(廉价步进或同步电动机及电驱动电动机，尤其用于控制及调节)；5,519,266(高效直线电动机)；5,444,341(用于转矩波动补偿的方法及设备)；5,214,323及5,032,746(具有减少的接头的直线电动机及具有驱动设备的直线电动机)。在这些专利的每一个中，其焦点都在于解决一单一问题，且在电动机性能和/或制造成本的一些其它方面其效果变差。
上面确定的问题如此重要以至其在关于同步电动机设计的参考书籍中比较详细地涉及，而没有充分解决。这些参考书籍实例包括：Gieras、Jacek与Piech、Zbigniew，直线同步电动机，输送及自动控制系统(Linear Synchronous Motors，Transportation and Automation Systems)，CRC出版社，2000；Nassar，直线电动机(Linear Motors)，Wiley出版社，1994；Hughes、Austin，电动机及驱动：基本原理，类型及应用(ElectricMotors and Drives：Fundamentals，Types and Applications)，第二版，Butterworth-Heinemann出版社，1993。
考虑到上面的描述，本发明的一个目的是提供改进的同步机器，其包括同步电动机及设计及制造同步电动机的方法，该改进后的同步机器具有改进的性能及较低制造成本。
发明内容
本发明提供新颖的同步机器以及设计与构造该同步机器的方法，更特别地，例如，以多种组合为基础以提高性能及降低成本，这些组合为：(i)选择磁铁及绕组槽尺寸以消除接头力，(ii)使用一绕组，该绕组由非重叠线圈组成以简化制造并允许较深槽；(iii)省略极端上的增大部分，以便可将预先缠绕的线圈插入此极端上，由此减小绕组的电阻及电感；以及(iv)减少用于绕组的槽数。
通过非限制实例的方式，本发明在驱动用于物料处理及运输的车辆、组合的磁悬浮及推进方面具有应用。本发明也应用于旋转及直线同步机器以及应用于带有一永久磁铁或电磁场的机器。
由于下列原因的任一个或多个，根据本发明的同步机器在降低成本情况下提供改进的性能。
i.有磁性的及铁磁的部件的形状消除了接头或波动力，而不需要使用偏斜槽或其它使性能退化的装置。
ii.主绕组由非重叠线圈构成，以减小末匝的长度；
iii.主要铁磁结构使用没有(或大体上没有)极端增大部分的磁极，以便可将预先缠绕的线圈插到磁极上；以及/或
iv.用于绕组的槽的数量大大少于大多数同期的设计。
本发明特别提供在各种组合中使用这些方法，以至获得一较高的性能成本比。于是，根据本发明的一方面，其提供了带有有磁性的部件及铁磁部件的同步机器及电动机，该有磁性的部件及铁磁部件地形状设计为消除接头或波动力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的装置)，该同步机器及电动机另外具有一主绕组，该主绕组由不重叠线圈构成以减小末匝的长度。
根据本发明一相关方面，其提供了带有有磁性的部件及铁磁部件的同步机器及电动机，该有磁性的部件及铁磁部件的形状设计为消除接头或波动力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的装置)，该同步机器及电动机另外具有一带有磁极的主铁磁结构，该磁极没有(或大体上没有)极端增大部分。
根据本发明另一相关方面，其提供了带有有磁性的部件及铁磁部件的同步机器及电动机，该有磁性的部件及铁磁部件的形状设计为消除接头或波动力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的装置)，该同步机器及电动机另外具有数量减少的用于绕组的若干槽。
本发明的另一方面提供带有一主绕组的同步机器及电动机，该主绕组由非重叠线圈构成以减小末匝长度，以及该同步机器及电动机另外具有一主铁磁结构，该主铁磁结构具有若干磁极，所述磁极没有(或大体上没有)极端增大部分。
本发明的一相关方面提供带有一主绕组的同步机器及电动机，该主绕组由非重叠线圈构成以减小末匝长度，以及该同步机器及电动机另外具有一数量减少的用于绕组的若干槽。
本发明的另一方面提供带有一主铁磁结构的同步机器及电动机，该主铁磁结构不具有(或大体上不具有)极端增大部分，以及该同步机器及电动机另外具有一数量减少的用于绕组的若干槽。
本发明再一方面提供了带有有磁性的部件及铁磁部件的同步机器及电动机，该有磁性的部件及铁磁部件的形状设计为消除接头或波动力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的装置)，该同步机器及电动机另外具有一主绕组，该主绕组用非重叠线圈构成以减小末匝长度，以及该同步机器及电动机进一步具有一主铁磁结构，该主铁磁结构不具有(或大体上不具有)极端增大部分。
本发明的再一方面提供了带有有磁性的部件及铁磁部件的同步机器及电动机，该有磁性的部件及铁磁部件的形状设计为消除接头或波动力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的装置)，以及该同步机器及电动机另外具有一主绕组，该主绕组用非重叠线圈构成以减小末匝长度，以及该同步机器及电动机进一步具有一数量减少了的用于绕组的若干槽。
本发明的再一方面提供了带有一主绕组的同步机器及电动机，该主绕组用非重叠线圈构成以减小末匝长度，该同步机器及电动机还带有一主铁磁结构，该主铁磁结构没有(或大体上没有)极端增大部分以便可将预先缠绕的线圈插到磁极上，该同步机器及电动机还具有一数量减少了的用于绕组的若干槽。
本发明的进一方面提供了带有有磁性的部件及铁磁部件的同步机器/电动机，该有磁性的部件及铁磁部件的形状设计为消除接头或波动力(不需要使用斜槽或其它使性能退化的装置)，该同步机器/电动机还具有一主绕组，该主绕组用非重叠线圈构成以减小末匝长度，该同步机器/电动机还带有一具有若干磁极的主铁磁结构，该等磁极没有(或大体上没有)极端增大部分以便可将预先缠绕的线圈插到磁极上，且该同步机器/电动机还具有一数量减少了的用于绕组的若干槽。
根据本发明的再一方面，其提供了若干车辆，该等车辆由根据前面所述的同步直线电动机驱动。
本发明的另一方面提供一车辆，该车辆由上面所述类型的直线电动机驱动，该直线电动机带有一永久磁场且位于车辆上。相对既较少且较深组合的绕组槽使得每单位面积上有较大的力，而不会过热。该磁铁尺寸设计为几乎消除接头力且使磁铁成本最小。对该车辆上一给定推进力，该组合在定子发动机与车辆之间产生一比正常比率更低的吸引力。
根据本发明的另一方面，其提供一根据前面所述而构造的旋转电动机，该旋转电动机具有一高的转矩相对于电动机质量比率。通过在比正常直径大转子上使用相对小的永久磁铁，但不需要使用窄槽以减小接头力来实现该旋转电动机。
本发明的这些及其他方面在图示及下面的描述中表示的很清楚。
附图说明
可通过参考下面的描述结合附图达到对本发明更完整的理解，其中：
图1表示一传统直线同步机器与一根据本发明的直线同步机器的横截面的比较；
图2表示一传统旋转同步机器与一根据本发明的旋转同步机器的横截面的比较；
图3为一图解表示在一直线同步电动机(LSM)中接头力的起源。
图4表示根据本发明构造的一直线同步电动机(LSM)的两实例的磁场线：图4A表示一简单的仅具有y方向磁铁的磁铁排列，图4B表示一改进的具有x与y两个方向磁铁的霍氏(Halbach)排列；
图5表示力的谐函数的峰值振幅，其作为图4中设计的直线同步电动机(LSM)的磁铁长度的一函数，且具有典型的导磁率值；
图6表示本发明的一实例，其将电磁场应用于一直线同步电动机(LSM)；
图7表示力的谐函数的峰值振幅，其作为图6中设计的直线同步电动机(LSM)的磁铁长度的一函数；以及
图8表示根据本发明的一直线同步电动机的磁通量分布图，将场(或电动机定子)端部磁铁布置为终止磁力线及最小化接头力。
具体实施方式
工作原理
申请者的发明使用若干设计技术的组合以对各种类型同步机器实现高性能及较低的制造成本。开始的讨论及图示涉及带有永久磁场的直线机器，但是所传授内容可应用于一较宽种类旋转及直线机器及包括使用超导的机器，该旋转及直线机器带有永久磁场或电磁场。
图1A是先前技术直线同步电动机(LSM)的一实例，图1B是根据本发明的一应用的直线同步电动机(LSM)的一实例。在此图中，场结构由后铁11a、11b及永久磁铁12a、12b组成。该场(或“场结构”)及电枢均是2λ长，此处的波长λ在图中定义。该场具有三个完整磁极及两个半磁极，在场的端部使用半磁极的目的是为了最小化端部效应。在一实际电动机中，该场通常比2λ长且是波长长度的一整数倍。对于直线电动机来说，电枢通常比场长，但是反过来场比电枢长也可正确。对于旋转电动机来说，将电枢及场限制在一圆内，且其通常一样长。这些电枢铁芯叠片具有齿13a、13b，且在这些齿之间的槽容纳多相绕组。该电枢的后铁15a、15b容有齿间的磁力线。将这些绕组14a、14b缠绕在这些电枢铁芯叠片中的槽中。在传统电动机的情况下，这些齿具有末端16a，但是这些末端在建议设计的一样式中被省略掉了。
在图1A中每波长有6个槽，且这些绕组为半波长长度。注意末匝必需向下弯曲，以使得每一槽具有尽可能多的匝数；对末匝偏斜的要求限制了这些槽的实际深度。为了减小接头力及提高性能，通过在这些齿上的末端使这些槽部分闭合。
图1B每波长仅具有三个槽及不重叠绕组。其每波长具有一半绕组数，且很显然更易于缠绕。由于其结果证明是不合理的原由，设计者曾经避免该方法。本发明者已发现在图1B中图解说明的具体实施例获得较佳性能及较低的制造成本，其中的一些原因在下面讨论中是显而易见的。
为了最小化所需要的磁铁体积，传统的知识建议一个人必需具有部分闭合的用于绕组的槽，但是本发明者已发现如果永久磁铁具有几乎一致导磁率或气隙相对较大，那么磁场线可几乎同样容易穿过槽的侧部进入电枢齿。通过不使用部分闭合槽，其就有更多用于绕组的空间，绕组电感就越低，就越容易用最小长度的导线线匝来缠绕该电枢。
传统的想法也提出图1B的设计将具有非常大的接头力。本发明者已进一步发现如果适当选择磁铁尺寸，就会有非常小的接头力，而且，减小接头的适当尺寸也将产生一经济上划算的设计。
最后，传统想法提出使用不重叠绕组将由于绕组节距的减小而导致低效率运行。然而通过每波长使用较少的槽且在绕组中没有重叠，就可能使用更深的用于该绕组的槽，且该等绕组的末匝阻抗得到充分的减小。由于较短的末匝及开放的槽，该线圈电感就较低，所以就可能使用一较短磁极节距，其导致较高的频率激励。这减小了所需要的后铁的质量，且导致一较轻的电动机，尤其在场通过永久磁铁提供的情况下。
该图解表示的具体实施例的一优点是，对于一给定驱动力在场与电枢之间有较小的吸引力。这是由于事实上一些磁场线从侧部而不是从顶部进入电枢齿，所以它们不会产生一吸引力。在直线电动机的情况下，这可是一重要优点，尤其当非常大的吸引力对于轮及支撑结构产生附加成本时。
图2表示图1中所示的同一结构的一旋转形式。已经省略了这些绕组，然而在其它设计方面却非常类似于等价的直线电动机。注意也可将旋转电动机构造为场磁铁在内部而电枢绕组在外部。以旋转或直线形式及将电枢或场作为移动部件来构造电动机的技巧是众所周知的事，所以对于本专利，其焦点在于直线电动机，但是其方法可同样地应用于旋转电动机。
减小接头力
图解表示的具体实施例通过适当选择尺寸减小接头力，特别地，例如，当对于电动机的每一波长其具有相对少的槽及齿的情况下。传统的思想告知不要使用每波长仅三个齿，这是由于这种情况可产生强接头力，特别当在齿上没有末端时。该接头问题是由于场磁铁与齿交互感应引起的，且与绕组无关。图3表示一实例，此处磁铁尺寸选择得不好且选择场与电枢的相对位置来图解说明接头力的起源。在图3A中，系统在一“势阱”中处于稳定平衡，且如果将场结构向左或右推，其就会有一回复力。这是由于磁铁的北极与南极相对于这些齿对称放置。相反，在图3B中，磁铁的北极向左拉，且南极向右拉。通过对称，且由于有限数量磁极而忽略端部影响，很显然没有净力，但是如果将场结构向左或右移动，就会存在一沿那个方向趋向进一步移动的力。简言之，图3B中所示的位置是其中一个不稳定平衡位置。当场相对该电枢移动时，在这些平衡位置之间，其将产生波动的力。将这些有节奏跳动的力称作接头力或波动力。在旋转电动机的情况下，将其称作转矩波动。
典型场设计
图4表示本发明此方面的两个具体实施例。除了永久磁铁场结构外，这两个实例是相同的。在此两种情况下都有三个相位，相位A电流被标为A+及A-，相位B与C与相位A类似。
在图4A中，场仅使用带有交替磁铁极性的y方向磁铁。在图4B中，y与x方向磁铁都有，一般称作改进的霍氏排列(通常假定霍氏排列不具有后铁)。在这两幅图中，选择磁铁尺寸以使接头力最小。霍氏排列产生稍微更大的力，但是其使用更多的永久磁铁。使用霍氏排列则后铁可更薄从而场可更加轻及产生更大力。
可使用其它类型磁铁排列以得到好处。例如，通过调整场，就可能同时减小接头力及磁阻力。
分析在一同步机器中的力
在任何同步机器中都有三类力：由于绕组电流与场的相互作用而产生的力，该力与电枢电流及场强的乘积成比例；由于该绕组的变化的磁阻而产生的力，该力与电枢电流的平方成比例；由于场与电枢的铁磁结构相互作用而产生的接头力，该力与场磁铁的强度平方成比例。尽管存在各种情况，此情况下磁阻力或接头力可以是期望的，但是由于电枢铁磁结构与场磁铁的交互作用，所以图解表示的具体实施例抑制这些力的大部分。
在下面的讨论中，我们作某些关于电动机结构的假设：
·其假定每波长上有两个相同的场磁极结构，且他们在x方向上对称且具有相等且相对的磁极。
·每波长上有n个齿，在x方向上每一齿都均衡且用一分离的电线缠绕。
·通过将相继的绕组连接至相继的相位，所述绕组从一n-相交流电源获得供电，从而产生一移动的磁场。
·该铁磁结构具有一非常高的导磁率且该导磁率的准确值不会对场结构产生主要影响，因此可使用一直线模型。
·将场磁铁强度定义为在电枢的表面测量的磁场。
这些假设允许使用傅立叶方法来分析这些力。由于该模型被假定为直线性，所以就可能在这些力的傅立叶分析中将该三类力的每一类与特定谐函数相关联。表示这些力的本质的一种方式为在绕组中输入一电流，该电流对应于时间中一特定点，接着相对该电枢移动场。在理想情况下，力将随位置正弦变化。
如一实例，假定永久磁铁的导磁率与自由空间的导磁率相同，因此就没有磁阻力。力的傅立叶分析表明仅存在的谐函数为1、5、6、7、11、12、13、…我们可将这些力分成两类：6的倍数及所有其它。进一步分析表明6的倍数的力与场磁铁的强度的平方成比例，而其它力与电枢电流乘以场强成比例。如果磁铁的导磁率与自由空间的导磁率不同，则由于磁阻力就存在另外的频率。表1给出了对于每一类力及对于不同相位数的谐函数。在此表中，参数p是绕组槽数，假定绕组槽数与相位数相同，m是p与2(因为在场中有两个对称磁极)的最小公倍数。不管对电枢如何缠绕都不要紧，只要绕组用p相位激励，以便如果场移动1/p乘以波长，则场将保持不变，仅时间移动1/p周期。
表1是用于三类力及不同相位数的谐函数；m是p与2的最小公倍数，i是任意正整数。