CN102204062A

CN102204062A - 电机

Info

Publication number: CN102204062A
Application number: CN2009801439244A
Authority: CN
Inventors: 古拉克·达亚库
Original assignee: FEAAM GmbH
Current assignee: FEAAM GmbH
Priority date: 2008-11-03
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: EP2359458A1; EP2359458B1; DE102008054284A1; WO2010060409A1; CN102204062B; US20110316368A1

Abstract

本发明涉及一种电机，其包括定子(7)和相对于定子能运动的转子(8)。定子具有用于容纳电绕组(+A、-A)的槽口(1、2)。当电机工作时，磁通势的传输波与磁通的基波不同。在定子的至少一个部分处设置用于磁通的基波的机械阻障。

Description

电机

本发明涉及一种电机。

电机通常包括固定于壳体的定子和可相对于定子运动的转子。转子可被支撑为例如相对于定子能转动或相对于定子能线性移动。电机属于电—机械能量转换器。在该上下文中，它们可作为电动机或发电机而操作。

例如，电机可用于驱动机动车。为达到此目的以及用于其它应用，获得电机操作表现的限定特性可是有利的。扭矩、声学性能、铁损、以及绕组损耗和磁体损耗均可包括在这些特性之中。

具有集中绕组的电机的定子区别于具有分布绕组的电机的定子之处在于紧凑设计。诸如分数槽绕组的绕组类型容许极对数和槽口数的不同组合形式。转子中的极对数量可理解为极对数，而定子中的槽口作用为容纳绕组。

在机动车驱动系统中的电机情况下，具有三个电相的电机是多相电机中最常用的。在此，三相电机可连接到具有三个相的三相电气系统，三个相相对于彼此移相120°。

转子中的每个磁极对包括两个磁极，北极和南极。

每个极和每个相中的槽口数量限定为：q＝Qs/(2*p*m)，其中，m表示相位数量，Qs是槽口数量，P是转子中的极对数量。

作为工作波施加于具有集中绕组的电机中的波不一定是主波。利用磁通势的较高阶谐波分量作为工作波可是相当有利的。

例如，文献US 2007/0194650 A1描述一种包括十二个槽口和十个极的电机。在这种类型的电机中，定子在操作中感生的磁通势不依照简易正弦波分布。而是，当例如用傅立叶分解来分析磁通势及其谐波分量时，明显出现了很多非期望的谐波分量。在此，除用作电机的工作波外的所有谐波分量都是非期望的，因为它们可导致损耗，另外可造成非期望的声学损伤。

术语“次谐波”将要与工作波相关。

举例而言，第五或第七谐波分量可用作包括具有集中绕组的定子的电机中的工作波，两个相邻齿之间设置有绕组方向(winding sense)相反的股线(有时也称作“相”)的线圈。以基本形式，这导致形成具有十二个槽口和十个极、或十二个槽口和十四个极的电机。在此，槽口数量的全部整数倍数和极数的全部整数倍数也是可能的。

工作波也可称作同步分量。可由电流量、磁通势分布和磁通密度分布计算出电机扭矩。

为了产生与时间无关的扭矩，在考虑到最低对称性时转子的极对数量必须就所述对称性而与磁通势的主波的谐波阶数一致。所需对称性可例如在旋转电机的四分之一周长或二分之一周长上给出。

从引述文献US 2007/0194650 A1中已知一种用于减小次谐波分量的措施。然而，在该参考文献中，每个线圈分成两个线圈，因此所获得的多个线圈系统相对于彼此移相(shift)。然而，这种措施使得绕组系统和电机复杂化，并提高了其价格。

本发明的目的是以较低花费实现电机中的次谐波分量的减小。

根据本发明，该目的由包括独立权利要求的特征的电机实现。在从属权利要求中分别限定了具体实施方式和进一步的改进。

在基于建议原理的一个实施方式中，电机包括定子和能相对于定子运动的转子。定子包括用于容纳电绕组的槽口。在工作中，磁通势的工作波与磁通的基波不同。同时，在至少一个定子部分处设置有用于所述磁通的基波的机械阻障。

所述磁通可理解为定子中的磁通、和/或定子与转子之间气隙内的磁通。

在此，机械阻障设计为使得基波减弱，而工作波保持实质上未受影响或仅在较小程度上受到影响。机械阻障妨碍基波的形成。在该上下文中，基波可理解为相对于工作波的次谐波分量。

基于建议原理实现的次谐波分量的显著减小，可仅通过在定子中实施的机械措施而实现。

在这样做时，可在转子中和/或绕组中添加其它措施；然而，这并不是强制性的。

在一个实施方式中，定子设计为具有集中绕组的定子，其中定子的各自形成于定子的相邻槽口之间的两个相邻齿设置有股线的沿相反绕线方向的线圈。

在一个实施方式中，采用绕定子的相应齿缠绕的集中绕组。在这种配置中，不一定定子的每个齿都承载绕组。

在一个实施方式中，定子的所述至少一个部分位于定子的设置有电机的定子绕组的共用股线的线圈的两个区域之间。不同股线分配给多相绕组的不同电相。例如，在三相绕组的示例中可设置三个股线。

在一个实施方式中，在定子中设置若干个机械阻障。

优选地，如果提供旋转电机，则所述若干个机械阻障沿定子的圆周规则地分布。在转子相对于定子进行线性运动的情况下，机械阻障可沿直线等距设置。

对于具有十二个槽口和十个或十四个极的电机而言，举例而言，六个机械阻障可沿圆周规则地分布，意味着在每隔60°的距离处设有一个机械阻障。

对于整数倍数，即十二个槽口的整数倍数和十个或十四个极的相等整数倍数，优选地，用于基波的六个机械阻障的对应整数倍数在圆周上以规则分布设置。

机械阻障可设计成，例如，呈定子的定子叠片铁心的轭部截面的减小的形式。

减小定子的轭部截面，可以若干种方式实施。

机械阻障可例如以如下形式形成，使得定子的无论如何呈现于机械阻障区域内的槽口相对于定子的不设置在包括机械阻障的部分内的槽口加深。优选地，每隔一个的槽口形成有较深深度。

在一个实施方式中，槽口形成为在定子的设置有共用股线的线圈的两个区域之间加深。该区域的两个外部槽口——其设置有股线的线圈——并不形成为加深的。

在一个实施方式中，在各种情况下加深槽口形成为具有如下这种深度，即产生定子的中断。例如，在定子的设置有共用股线的每两个的区域之间，定子中断。

交替地或附加地，轭部截面可在定子的与上述槽口相对的一侧上减小。在旋转电机情况下，这可通过使圆周变扁平而实现。替代地或附加地，在定子的背向转子的一侧上可结合附加槽口。

在另一实施方式中，可通过在轭部区域内结合有孔而减小轭部截面。

举例而言，与无这些机械阻障的设计相比，机械阻障可通过所述示例性实施方式在定子的至少一个部分处减弱50％或更多。

机械阻障可设计为，使得相对于无这些附加机械阻障的惯常电机而言，在电机的额定扭矩下，在定子的至少一个部分处的基波减弱至少50％，该区域内的工作波减弱小于5％。

在替代性实施方式中，机械阻障可设计为，使得相对于无这些附加机械阻障的惯常电机而言，在电机的额定扭矩下，在定子的至少一个部分处的基波减弱至少90％，该区域内的工作波减弱小于10％。

冷却管道可结合进例如转子侧的槽口的附加加深处。这就容许以额外的优点冷却工作时的电机。

替代地或附加地，也可以在轭部截面不作任何几何结构减小的情况下获得机械阻障。为达到此目的，用于磁通回路(flux course)的轭部截面可例如沿周向有效地减小。在这样做时，可例如插入磁通传导(flux-conducting)部件，上述磁通传导部件沿周向具有不良传导率，而沿轴向和/或径向具有良好传导率。

机械阻障可例如包括叠片铁心，上述叠片铁心显示优选方向，该优选方向与定子的惯常设置的叠片铁心的优选方向不同。

替代地或附加地，位于定子的至少一个部分处的机械阻障可包括与位于所述至少一个部分外部的定子的材料不同的材料。这种材料可例如包括烧结铁或软磁复合材料(SMC)。

无需赘言，在电机中，上述的机械阻障实施方式中的两个、三个或更多个可彼此结合。

基于建议原理的绕组的可行基本形式包括集中绕组，其中，定子的两个各自形成于两个相邻槽口之间的相邻齿设置有集中线圈。这些线圈每个均属于共用股线，并产生沿不同方向的磁通。

整个定子可包括一个股线基本形式或若干个并排的这种股线基本形式。

定子可包括一个股线序列或多个并排的这种股线序列；优选地，所有股线具有相同构造。

整个定子的定子叠片铁心可由一个件或多个部分制成。

槽口的数量与转子中的极的数量之比可例如为12∶10。替代地，上述比可例如为12∶14。替代地，在各种情况下槽口的数量的整数倍数与极的数量的整数倍数可设置有上述比。

定子优选地包括三相绕组。因此，以此方式构造的电机可连接到三相电气系统。作为替代例，2、4、5或更多相或股线也是可以的。

替代地或附加地，电机可包括下列类型之一：线性电机、轴向同量型电机、径向通量型电机、异步电机、同步电机。

电机可构造为具有内部转子的电机、或具有外部转子的电机。

建议电机的转子可例如为下列类型之一：在异步电机情况下的笼型转子或多层转子，或者在同步电机情况下的永磁体型转子，具有埋入式磁体的转子或供电型转子，例如整极型转子、凸极型转子、异极转子、同极转子。

永磁体电机可设计具有表面磁体或嵌入式或埋入式磁体。电机可设计为具有笼型转子、实心转子或多层转子的同步电机或异步电机。

在基于建议原理的一个实施方式中，定子的槽口中的一些具有比定子中的其它槽口深的深度。这就容许该区域内的轭部截面大体上减小例如至少10％。

优选地，定子中沿着转子的主要方向的每隔一个的槽口设计为具有较深深度。

在定子中具有十二个槽口的电机的情况下，例如这些槽口中的六个，即每隔一个，可形成得较深。对于包括十二个槽口的整数倍数的电机而言，这些槽口中的六个的整数倍数，优选地沿圆周规则地分布，可形成为加深的。

在这样做时，可获得以下优点：

所述绕组形式产生场激励器曲线，其中基波不具有最大幅度。然而，这就意味着电机的工作波是较高阶的谐波分量，基波产生损耗。在如上所述轭部截面在若干点处显著减小的情况下，基波可仅以减弱的方式传播，结果由基波引起的损耗也减小。在此工作波的传播将不受影响、或仅受到少量影响。

电机的与槽口相关的横向场(transverse field)在槽口的绕组的导体中产生附加损耗。这些损耗尤其是在槽口开口附近在高频情况下产生。在槽口中的一些较深的情况下，这可以各种方式加以利用：

在较深槽口处，实际绕组可放置在槽口底部处。在此，槽口的远离转子的端部称作槽口底部。槽口底部可具有较大尺寸。对于损耗传播较为关键的槽口开口的附近区域可保持未被占用。

另外，槽口内无绕组的所述部分可用于冷却电机。例如，可提供气体基或液体基的冷却系统。在使用液体基冷却系统的情况下，液体输送冷却管道优选地由具有不良传导率或非传导性的材料组成。

如果位于较深槽口内的槽口底部无任何绕组，则在槽口底部处可进行冷却。

所采用措施中的一个或多个可彼此结合。

在另一构造中，定子的每隔一个的齿设计成，使得沿电机的运动部分的运动方向的磁通回路受阻碍，即在径向通量型电机情况下沿周向。这可例如通过使叠片铁心的层叠方向不同或通过使用烧结铁材料而实现。对于部分地具有较深深度的槽口而言，也可采用这种设计齿的措施。

在另一实施方式中，定子的至少一个部分处的机械阻障可以如下方式设计成，使得沿运动方向的用于基波的有效磁阻也增大。在这样做时，用于工作波的有效磁阻事实上未受影响。

以下将在附图基础上更详细地解释本发明。就此而言，具有相同效果的相同部分设有相同参考标号。

图1示出具有绕定子的相邻齿的同心线圈的示例性实施方式，

图2示出根据具有加深槽的建议原理的第一示例性实施方式，

图3示出包括冷却管道的图2的另一改进，

图4示出包括位于示例底部上的冷却管道的图2的另又一改进，

图5示出图3和4的冷却管道的组合形式的示例性实施方式，

图6示出具有叠片铁心的示例性实施方式，

图7示出具有烧结铁的示例性实施方式，

图8示出在定子中包括孔的示例性实施方式，

图9示出在定子中包括附加槽口的示例性实施方式，

图10示出图6的另一改进，

图11示出具有十二个槽口和十个极的示例性实施方式，

图12示出图11的磁通势与角位置(弧度)之间关系的图表，

图13通过分解成傅立叶分量示出磁通势的图表，

图14示出根据建议原理的具有加深槽口的电机的示例性实施方式，

图15示出图14的设计的磁通势与角位置(弧度)之间关系的图表，

图16通过将图14的设计分解成傅立叶分量示出磁通势的图表，以及

图17示出图13和16的磁通势的相应分解的图表比较。

图1示出电机的定子的部分的示例性实施方式。该电机实施为线性电动机。转子未示出。

可看到，相邻齿各自设置有一个集中线圈。这些线圈是共用股线(strand)A的部分。因为两个线圈具有不同绕线方向，所以它们产生不同方向的磁通。这就是为什么这些线圈标示为+A、-A。在这种示例中，整个定子由三个股线A、B、C组成，而在此并未绘出另外两个股线B和C。这就致使产生了集中绕组。

整个定子可具有一个这样的股线基本形式或多个并排的这种股线基本形式。这就致使产生例如+A、-A、或+A、-A、+A、-A的绕组拓扑结构。整个定子可例如包括一个股线序列(strand sequence)或多个并排的股线序列，即+A、-A、-B、+B、+C、-C、-A、+A、+B、-B、-C、+C。优选所有股线具有相同构造。在这种配置中，每个股线被分配给可连接该电机的三相电气系统的一个电相。

在根据图1的示例中，所有槽口1均具有相同槽口深度。

图2示出根据建议原理的定子的部分的示例性实施方式。以图1为基础，在图2中每隔一个的槽口2形成得较深。在这样做时，槽口2形成深度V2，深度V2比槽口1的深度V1显著深。在定子的该相应区域内，较深槽口2致使在槽口区域处余留的定子材料所形成的轭部截面减少了50％。在这种示例中，每隔一个的槽口2实施为较深。在这种示例中，根据图2的定子设计为定子叠片铁心，并可由一个件或多个部分制成。

加深槽口2各自设置在定子的如下多个部分之间，上述多个部分包括设置有同一股线的绕组的相邻齿。与加深槽口2相比，位于定子的包括设置有不同股线的绕组的相邻齿的多个部分之间的任何槽口1，具有惯常深度V1。

在若干位置即在加深槽口2的区域内轭部截面的减小，导致基波的传播减弱。这就减少了由基波引起的损耗。然而，工作波的传播，例如磁通势的傅立叶分解的第五或第七谐波分量的传播，事实上未受影响。

另外，在根据图2的示例中绕组放置在较深槽口2的槽口底部内。这就产生如下附加优点，即在损耗形成方面更为关键的槽口开口的附近区域可保持未被占用。这种损耗尤其在高频率时出现。

图3示出图2的定子截面的另一改进。根据图3的设计与图2的设计大部分对应。然而，在图2上附加地，在较深槽口2的槽口开口的区域内引入冷却管道3。该冷却管道可用于气体基或液体基冷却系统。

图4示出图2的另又一改进。与图2不同，在根据图4的设计中较深槽口2内的绕组并未放置在槽口底部内。而且，该绕组设置得与图1中的相似。借助于这种措施，较深槽口的槽口底部保持无任何绕组。在较深槽口2的槽口底部内附加获得的该空间可用于在槽口底部内提供冷却管道3。

在示例性实施方式中，图5示出较深槽口2的槽口开口区域处的冷却管道和槽口底部区域处的冷却管道的组合形式。因此，图5在较深槽口的槽口开口区域处和槽口底部区域处组合了根据图3和4的冷却管道的设计。较深槽口2内的绕组在槽口开口区域内改变了位置，但未完全转移到槽口底部内，而是定位在两个位置之间的中间部位处。

图6示出位于定子的至少一个部分处的用于基波的机械阻障的另一实施方式。替代在图2至5内图示的加深槽口2，图6示出如下示例，其中每隔一个的齿4不用惯常定子材料形成，而是包括叠片铁心。叠片铁心延伸超过形成有惯常深度的槽口1的槽口底部，并延伸进轭部的区域内。与其它定子区域——在很多情况下上述其它定子区域实施为定子叠片铁心——相比，该层叠方向在齿4的区域内具有另一方向。在当前示例中，齿4区域内的层叠方向位于与转子的运动方向相垂直的面内。以这种方式修改的位于齿4之间的齿5保持未变。

图7示出图6的设计的替代例。在图7中标有参考标号4’的这些修改齿4并未实施为具备不同优选方向的定子叠片铁心，但与其它定子的不同之处在于所选定的材料。在齿4’的区域内，使用烧结铁材料。齿4’，即根据图7的示例性实施方式中的每隔一个的齿，包括这种烧结铁材料。其它齿5像图6中的一样保持未变。

在未示出的实施方式中，用于根据图6和7的齿的措施也可与基于图2至5示例性地示出的加深槽口2相组合。

图8示出根据图2的设计的替代性实施方式。

替代如图2至5中示例性示出的加深槽口2，在图8的设计中，用于在定子的部分处的磁通的基波的机械阻障由孔6实施。在此，孔在设置有图2中的加深槽口的轭部区域内延伸。当设计为旋转电机时，孔沿轴向延伸。一般而言，孔与槽口1、2的槽口底部平行。

在替代性设计中，替代具有圆形截面的孔，可提供椭圆形或角形截面。无需赘言，在建议原理的上下文中其它截面也是可行的，例如三角形截面。

图9示出图2的设计的另一替代例。替代通过图2至5示例性示出的加深槽口2，图9的设计在定子的背向转子的一侧设置有附加槽口9。槽口9设置于包括图2中的加深槽口2的轭部区域内。在图9的设计中，附加槽口9与该区域内设置在转子一侧的槽口1对齐。

图10示出根据图6的机械阻障的另一改进。在图10中，每隔一个的齿4”设计成包括定子叠片铁心。然而，各个叠片长度不同。在轭部区域内，不存在矩形截面，但俯视时定子示出箭头形的锥形，该箭头形的锥形指向定子的背向转子的一侧。这就导致对这些齿4”的轭部区域内的基波产生附加阻障效果，这些齿4”的叠片铁心与定子叠片铁心相比具有另一优选方向。因此，关于基波的定子磁通因此进一步减小。

图11示出包括定子7和转子8的旋转电机的示例性实施方式。定子包括十二个槽口1。三相绕组的绕组+A、-A、+B、-B、+C、-C绕定子的各个齿缠绕成集中绕组。转子8具有十个极，上述十个极实施为具有施加到转子的永磁体。分别为五个的北极N和五个的南极S设置成彼此交替。

图12和13中的示例性图表示出绘出的磁通势与以弧度表示的角位置之间的关系(图12)以及与通过对应分解所得的傅立叶分量之间的关系(图13)。可看到，在这种电机中，在此尤其基波较为显著，基波即第一谐波阶的傅立叶分量，代表相对于工作波即第五谐波分量而言的次谐波分量。

图14示出根据建议原理的旋转电机的示例性实施方式，其中基于图13描述的基波显著地减小。为达到此目的，根据图14的设计具有实施为具有较深深度的每隔一个的槽口。较深槽口设有参考标号2，而惯常的槽口以及因此如图11所示的具有较浅深度的槽口设有参考标号1。图14的绕组拓扑结构与图11中的绕组拓扑结构相同。

在图14中可看到，在十二个槽口1、2中总数有六个的槽口2形成得较深。该轭部截面减小到小于惯常槽口1的轭部截面的50％的值。

在总共具有十二个槽口和十个极的电机示例中，用于基波的机械阻障在定子的六个部分处形成，这六个部分沿着定子的圆周规则地分布。在此，机械阻障由位于加深槽口2与定子的背向转子的相应一侧之间的减小了的轭部截面形成。这就导致基波的传播有效地和显著地减少了，而工作波即在该示例中为第五谐波分量事实上未变。

在加深槽口的轭部区域内沿运动方向的用于基波的有效磁阻增大。用于工作波的有效磁阻事实上未受影响。

在这种配置中，这些较深槽口在同一股线的多个绕组之间、而非在电绕组的不同股线之间，设置有不同绕线方向。实际上在电绕组的不同股线之间的槽口，相对于图11而言槽口的深度并未改变。这种加深槽口的配置对于基波有影响，但事实上对于工作波无影响。

在此应注意，位于较深槽口2区域内的轭部在磁性状况方面并不是有效中断了，而仅是减弱了。有效中断也将减弱有用磁场的传输运动。在图14的设计中，例如，基波减弱了90％；然而，工作波仅减弱了小于5％的值。这些附图是电机在工作中以额定力矩工作情况下的应用。

图15至17基于绘示的磁通势与图15的角位置之间的相应图表、与图16的傅立叶分量之间的相应图表、以及通过将图13和图16的图表对比，来图示图14的设计的优点。

参考标号列表

1 槽口

2 加深槽口

3 冷却管道

4 叠片铁心

4’ 烧结铁

4” 叠片铁心

5 齿

6 孔

7 定子

8 转子

9 附加槽口

A 绕组

B 绕组

C 绕组

+ 正绕线方向

- 负绕线方向

Claims

1.一种电机，

包括：定子(7)，定子(7)包括用于容纳电绕组(+A，-A)的槽口(1、2)，以及

转子(8)，转子(8)能相对于所述定子(7)运动，

其中，当工作时，磁通势的工作波与磁通的基波不同，以及

其中，在所述定子的至少一个部分处设置有用于所述磁通的基波的机械阻障。

2.如权利要求1所述的电机，其中，所述定子(7)的至少一个部分位于所述定子(7)的设置有所述电机的定子绕组的共用股线(A、B、C)的线圈的两个区域之间。

3.如权利要求1或2所述的电机，其中，所述机械阻障设计为使得在所述定子(7)的至少一个部分处的基波减弱50％或更多。

4.如权利要求1或2所述的电机，其中，所述机械阻障设计为使得在额定扭矩时，在所述定子的至少一个部分处的基波减弱至少90％，在所述区域内的工作波减弱小于10％。

5.如权利要求1至4中任一项所述的电机，其中，所述机械阻障包括位于所述定子中的槽口(2)。

6.如权利要求5所述的电机，其中，所述槽口(2)设置在所述定子(7)的面向所述转子(8)的一侧上。

7.如权利要求5所述的电机，其中，所述槽口(9)设置在所述定子(7)的背向所述转子(8)的一侧上。

8.如权利要求5至7中任一项所述的电机，其中，在所述槽口(2)中结合有冷却管道(3)。

9.如权利要求1至8中任一项所述的电机，其中，所述机械阻障包括位于所述定子中的孔(6)。

10.如权利要求1至9中任一项所述的电机，其中，所述机械阻障包括显示优选方向的叠片铁心(4)，所述优选方向与所述定子的叠片铁心的优选方向不同。

11.如权利要求1至10中任一项所述的电机，其中，位于所述定子的至少一个部分处的机械阻障(4’)包括与位于所述至少一个部分外部的所述定子的材料不同的材料。

12.如权利要求1至11中任一项所述的电机，其中，所述机械阻障(4’)包括烧结铁或软磁复合材料SMC。

13.如权利要求1至12中任一项所述的电机，其中，所述槽口(1、2)的数量与所述转子中的极(S、N)的数量之比是12/10或12/14，或在各种情况下由所述槽口(1、2)的数量的整数倍数与所述极(S、N)的数量的整数倍数限定。

14.如权利要求1至13中任一项所述的电机，其中，所述电机包括下列类型之一：线性电机、轴向同量型电机、径向通量型电机、异步电机、同步电机。

15.如权利要求1至14中任一项所述的电机，构造为具有内部转子的电机、或具有外部转子的电机。

16.如权利要求1至15中任一项所述的电机，其中，所述转子是下列类型之一：在异步电机情况下的笼型转子或多层转子，或者在同步电机情况下的永磁体型转子，具有埋入式磁体的转子或供电型转子，特别是整极型转子、凸极型转子、异极转子、同极转子。

17.一种电机，

包括：定子(7)，定子(7)包括用于容纳电绕组的槽口，以及

转子(8)，转子(8)能相对于所述定子(7)运动，

其中，当工作时，磁通势的工作波与基波不同，以及

其中，在所述定子的至少一个部分处以如下方式设置有机械阻障，使得用于所述基波的有效磁阻沿运动方向增大，而用于所述工作波的有效磁阻事实上未受影响。