CN101019295A

CN101019295A - 同步电机

Info

Publication number: CN101019295A
Application number: CNA2005800309724A
Authority: CN
Inventors: 罗尔夫·沃尔默
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2007-08-15
Also published as: JP2008514166A; US20070257575A1; DE102004044700A1; DE102004044700B4; WO2006029967A1

Abstract

一种永磁激励的同步电机(51)，其具有一定子(53)与一动子(55)，其中，所述定子(53)优选地具有一三相交流绕组，所述动子(55)具有永磁体(57)。所述定子(53)具有21个槽(1－21)，所述动子(55)具有4个磁极(39)。所述定子(53)的槽的绕线方案为，借助一绕组的绕线型设计来抑制一次谐波，借助一磁体几何形状来抑制二次谐波。

Description

同步电机

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机和一种抑制谐波的方法。

背景技术

与用电激励的同步电机相比，借助永磁体来激励动子的永磁同步电机具有多方面的优点。举例而言，永磁同步电机的动子不需要进行任何电连接。其中，能量密度高的永磁体，即磁通密度与场强之积很大的永磁体证明是优于能量较低的永磁体的。同样众所周知地，永磁体不仅可相对于气隙平面地排布，还可通过一种连接结构(joint configuration)(磁通集中)的形式进行定位。

永磁同步电机中会出现不利的摆动转矩(oscillating torque)。如EP 0545060 B1针对传统电动机所述，斜扭永磁同步电机的一动子或一定子例如一槽距，可以导致转矩的减少。为减少会导致摆动转矩出现的止动转矩(coggingtorques)，具有传统线圈的永磁同步电机中一般会进行一槽距的斜扭，其中，传统线圈指的是用牵引(pulling-in)工艺制成的线圈。

在具有锯齿状线圈的永磁同步电机中，例如可通过磁体的特殊形状来减少摆动转矩。其缺点在于，磁体的特殊形状会导致成本提高。

一三相永磁同步电机的定子的绕组和这个同步电机的动子的构造决定了这个同步电机也会有EMF谐波(electromotive force harmonics)。所述EMF谐波影响定子与动子之间的一气隙中的磁场分布。EMF谐波会导致摆动转矩的出现。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种可以简单的方式减少摆动转矩或止动转矩的永磁同步电机。这种减少的实现没有使用任何斜扭，例如永磁体，是非常有利的。

这个目的的解决方案通过一种具有权利要求1所述特征的方法而达成。另一解决方案通过一种具有权利要求3所述特征的永磁同步电机而达成。从属权利要求2和4至6公开的是本发明的其他有利改进方案。

在一永磁同步电机中抑制谐波的方法是借助一绕组结构(windingconfiguration)和永磁同步电机的一动子的永磁体的一磁体几何形状来减少谐波。其中，永磁同步电机具有一定子与一动子，其中，所述定子优选地具有一三相绕组，所述动子具有永磁体。所述绕组结构用于减少一次谐波，所述磁体几何形状用于减少二次谐波。磁体几何形状涉及的例如是永磁体的形状和/或永磁体的位置(例如永磁体的斜扭)和/或动子的由磁性材料(即永磁体)构成的覆层的尺寸。

可为这种方法建构一种相应的永磁同步电机。

一可实现本发明的目的的永磁同步电机具有一定子与一动子。所述定子具有一三相绕组，所述动子具有永磁体。此外，所述定子具有21个齿，所述动子具有4个磁极。

借助上述实施形式可使永磁同步电机有利地具有高利用率和高功率因数。特别是当永磁同步电机具有一如图2所示的绕组结构时，可实现上述情况。根据本发明，永磁同步电机因此可通过由定子中一定数量的槽和动子上一定的极数构成的特定组合来减少止动力矩。特别通过绕组方案可减少止动力矩。动子的极数(＝磁极数)表示有效极数。根据本发明，有效极数为四。

此外，在本发明的同步电机中无需在定子和/或动子中实施斜扭和/或分级(阶梯式斜扭)来减少止动转矩，这是因为通过动子和定子的设计就可达到减小转矩波动(torque ripple)的目的。上述无需借助斜扭和/或分级的可能性可降低永磁同步电机结构的复杂性。

借助在定子绕组中通过电流可产生一个气隙场的频谱。在分析气隙场的这一频谱时，可在360度的圆周上区分谐波场和一基础场。

本发明的永磁同步电机的基极对数(number of basic pole pairs)为pg＝1。基极对数pg的定义是：pg是对气隙场进行傅立叶分析得出的最小极对数。有效极对数pn由动子的极对数得出，其结果为2，这是因为动子具有2个磁极对。

对于永磁同步电机而言，由此产生了对一二次谐波的利用。例如可借助傅立叶分析来确定电机气隙中的磁场分布的基波和谐波。

根据一有利的改进方案，定子绕组的设计方式为，尤其是具有干扰效应的谐波，例如五次(5pn)和七次(7pn)谐波，只具有一很小的幅值。五次和七次谐波之所以不利的原因是其具有相反的旋转方向，且其会通过动子转速导致六次谐波的转矩波动(torque fluctuations)。

动子场的五次和七次谐波以动子频率旋转。定子磁场5pn以1/5动子频率相反于动子旋转方向旋转，定子磁场7pn以1/7动子频率在动子的旋转方向上旋转。动子每旋转一周，具有5pn和7pn的定子和动子磁场就相遇6pn次，并产生6pn/动子旋转一周的转矩波动。

为达到特别在同步电机中减少五次和七次谐波的目的，迄今为止的做法是通过18个槽来缩短绕组节距(short-pitched)。缩短绕组节距很复杂，本发明的永磁同步电机无需采用这种方案。

根据另一有利设计方案，永磁同步电机的定子具有21个槽，其中，三个槽不绕线。根据永磁同步电机的一有利改进方案，所述的三个不绕线的槽用于冷却永磁同步电机。借助这几个槽例如可使冷却介质通过。根据一实施方案，为此还在所述槽中设置了附加的冷却通道。所述冷却介质为气态或液态。所述的不绕线的槽也可例如用于容纳一热管或一冷却喷口，或具有一相应的冷却装置。这三个槽优选地对称地分布在定子中。

根据本发明的永磁同步电机的进一步的实施方式，动子的75％至85％由磁性材料覆盖。所述磁性材料基本为永磁体。因此，动子结构设计为，由磁性材料构成的覆层占极距的75％至85％。

根据永磁同步电机的进一步实施方式，定子的绕组结构所采取的设计使得七次谐波被大幅削减至趋近于0。根据这种绕组结构，定子具有编号为1至21的21个槽。对所述槽绕线，从而可用相U、V和W进行三相馈电。绕组线圈具有一第一绕组方向与一第二绕组方向，其中：

a)借助相U填充槽1、6、7、11、12和17，其中，在槽1和6中以第一绕组方向构成相U的一第一线圈，在槽7和11中以第二绕组方向构成相U的一第二线圈，以及在槽12和17中以第一绕组方向构成相U的一第三线圈，以及

b)借助相V填充槽8、13、14、18、19和3，其中，在槽8和13中以第一绕组方向构成相V的一第一线圈，在槽14和18中以第二绕组方向构成相V的一第二线圈，以及在槽19和3中以第一绕组方向构成相V的一第三线圈，以及

c)借助相W填充槽15、20、21、4、5和10，其中，在槽15和20中以第一绕组方向构成相W的一第一线圈，在槽21和4中以第二绕组方向构成相W的一第二线圈，以及在槽5和10中以第一绕组方向构成相W的一第三线圈。

槽2、9和16中不填充绕组(即未被占用)，其可例如用于冷却永磁同步电机。

由于无需斜扭动子的永磁体或定子的槽，由此可产生多方面的优点，例如：

-不再存在由斜扭系数造成的利用损耗，

-可用廉价的直永磁体代替昂贵的斜永磁体，

-如果根据现有技术必须斜扭定子的槽，从现在开始就可使用廉价和/或快捷的制造方法来建构槽和进行绕线。

-在无需斜扭的情况下可简化用于向动子装设永磁体和/或用于磁化磁性原料的生产工具，

-更易于实现生产过程的自动化，

-由于三个槽不绕线，因此定子槽的绕线更加简单，

-不绕线的槽中可放置例如用于测量温度的传感器(例如温度传感器)。

在本发明的永磁同步电机中，可附加实施能进一步改善谐波特性和转矩波动的措施，如斜扭动子上的永磁体，和/或斜扭定子中的绕组，和/或相应分级，和/或缩短绕组节距。借助上述附加措施还可减少其他非期望的谐波，从而借此改进永磁同步电机。在此情况下，每个措施例如可用于减少一不同的谐波和用于改善谐波特性。

此外，永磁同步电机还可设计为存在一为q＝7/4的孔数。孔数q表示的是，一个相的绕组在每一极上被分配给多少个槽，因此q就是每一极和每一相上的槽数。这个表示孔数的值的重要意义在于，可使极数和槽数的最小公倍变得很大。

为达到借助定子齿来减少动子永磁体的止动转矩的目的，可选择能使最小公倍尽可能高的槽数和极数。如果极对数(有效极对数)为一质数，就可实现上述情况。因此，有效极对数为一质数。

根据永磁同步电机的进一步改进方案，永磁体的边缘区域被设计为凹陷，从而在永磁体边缘的上方产生一较大的气隙。

多种措施的组合，例如选择极和槽的数量以共同作用产生较小的止动效果(止动转矩)，以及使用一特定绕组结构来抑制七次谐波，是本发明的有利特点。此外，通过选择一有利的磁体几何形状和/或磁体宽度，还可抑制五次谐波。除举例而言的80％的极覆层外，还可借助一有利的磁体轮廓来实现对五次谐波的抑制。磁体几何形状特别影响动子的极上由磁性材料构成的覆层。也可对绕组结构和/或磁体几何形状进行改动，使得通过改动来抑制不同于所例举的谐波的其他谐波。

附图说明

下面借助附图以实施例形式对本发明和本发明的有利改进方案作进一步说明，其中：

图1为一永磁同步电机的设计示意图；

图2为一绕组示意图；

图3为一具有21个槽的定子的一叠片截面，其中，三个槽不绕线；以及

图4为极距的一磁覆层。

具体实施方式

图1显示的是一永磁同步电机51，其具有一定子3与一动子5。动子55具有永磁体57。所述定子具有线圈59，其中，用虚线表示线圈59在呈叠片状的定子53内的分布。借助线圈59构成一绕组。线圈59构成末端绕组61。永磁同步电机1用于驱动一轴63。

图2显示的是涉及一永磁同步电机的绕组接线图，具有三个相U、V、W的三相电流可流过所述永磁同步电机。永磁同步电机的定子的绕组接线图涉及的是一具有21个槽的定子。这21个槽用1至21来表示。图2中未作图示的相关动子具有4个极(磁极)，即2个极对。根据图2所示的绕组接线图，定子具有9个线圈，其中，图2中所示的U、V、W中的任一个相均具有3个线圈。图2所示的绕组具有一星点(star point)30。如果三次谐波没有消除，星形连接就特别有利。在三次谐波无关紧要的情况下可以这样改动绕组接线图，即存在一在此未作图示的三角形连接。借助槽1至21的绕线构成线圈。线圈具有不同的绕组方向44，其中，用箭头表示绕组方向44。图2显示了一第一绕组方向41与一第二绕组方向42。

为相U填充(绕线)槽1、6、7、11、12和17，其中，在槽1和6中以第一绕组方向41构成相U的一第一线圈，在槽7和11中以第二绕组方向42构成相U的一第二线圈，以及在槽12和17中以第一绕组方向41构成相U的一第三线圈。

为相V填充(绕线)槽8、13、14、18、19和3，其中，在槽8和13中以第一绕组方向41构成相V的一第一线圈，在槽14和18中以第二绕组方向42构成相V的一第二线圈，以及在槽19和3中以第一绕组方向41构成相V的一第三线圈。

为相W填充(绕线)槽15、20、21、4、5和10，其中，在槽15和20中以第一绕组方向41构成相W的一第一线圈，在槽21和4中以第二绕组方向42构成相W的一第二线圈，以及在槽5和10中以第一绕组方向41构成相W的一第三线圈。

槽2、9和16未填充任何绕组。

图3显示的是一具有21个槽(1至21)和大量的齿65的定子的一个叠片截面32。槽2、9和16用于容纳一冷却通道34。

图4显示的是动子55的横截面。此外还显示了一极距38的一磁覆层36。动子55具有4个极39。极39由永磁体57构成。永磁体57安装在一支架35上。所述支架位于轴63上。在图4中，四个极中的每个极上的磁覆层36约占极距38的80％。

一根据图2至图4建构的永磁同步电机特别具有以下绕组系数：

P绕组系数

其中，第一栏表示极对数p，第二栏表示绕组系数。绕组系数的计算方法为：

ξ s_{p} : = | \frac{Σ_{i = 0}^{k} (a_{i} \cdot e^{j \cdot φ_{i, p}})}{Σ_{i = 0}^{k} a_{i}} |

k+1表示一个相上被占用的槽的数量。绕组系数为累计相电压的矢量值总和与相电压数值总和的比值。

矢量a_i表示相电压的电压矢量的幅值。

矢量φ_i表示电压矢量的角，其中，矢量w_i表示涉及的是一馈线(forwardconductor)还是一回线(return conductor)。

幅值：

a : = (\begin{matrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ 1 \\ 1 \\ 1 \end{matrix})

机械槽角：

α : = (\begin{matrix} 0 \\ 17.143 \\ 102.857 \\ 188.571 \\ 274.286 \\ 291.428 \end{matrix})

φ_{i, p} : = (α_{i \cdot p \cdot} \frac{π}{180}) + w_{i}

wi = (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ π \\ 0 \\ π \\ π \end{matrix})

馈线＝O，回线＝π

其中：

K：＝5

j : = \sqrt{- 1}

p：＝1..15

Claims

1.一种在一永磁同步电机(51)中抑制谐波的方法，所述永磁同步电机具有一定子(53)与一动子(55)，其中，所述定子(53)优选地具有一三相绕组，所述动子(55)具有永磁体(57)，

其特征在于，

借助一绕组结构抑制一一次谐波，借助一磁体几何形状抑制一二次谐波，其中，所述磁体几何形状特别涉及磁体宽度和/或极覆层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

使用一根据权利要求3至6中任一项权利要求所述的永磁同步电机。

3.一种永磁同步电机(51)，其具有一定子(53)与一动子(55)，其中，所述定子(53)优选地具有一三相绕组，所述动子(55)具有永磁体(57)，

其特征在于，

所述定子(53)具有21个槽(1-21)，所述动子(55)具有4个磁极(39)。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机(51)，其特征在于，

所述定子(53)具有三个不绕线的槽(2，9，16)。

5.根据权利要求3或4所述的永磁同步电机(51)，其特征在于，

所述动子(55)的75％至85％被磁性材料(57)覆盖。

6.根据权利要求3至5中任一项权利要求所述的永磁同步电机(51)，其特征在于，

所述具有槽(1至21)的定子(53)中，所述的槽通过相(U)、相(V)与相(W)进行三相绕组；通过具有一第一绕组方向(41)与一第二绕组方向(42)的绕组线圈进行绕组；其中：

a)所述槽(1，6，7，11，12和17)中填充相(U)，其中，在所述槽(1和6)中以所述第一绕组方向(41)构成所述相(U)的一第一线圈，在所述槽(7和11)中以所述第二绕组方向(42)构成所述相U的一第二线圈，以及在所述槽(12和17)中以所述第一绕组方向构成所述相U的一第三线圈，以及

b)所述槽(8，13，14，18，19和3)中填充相(V)，其中，在所述槽(8和13)中以所述第一绕组方向(41)构成所述相(V)的一第一线圈，在所述槽(14和18)中以所述第二绕组方向(42)构成所述相(V)的一第二线圈，以及在所述槽(19和3)中以所述第一绕组方向(41)构成所述相(V)的一第三线圈，以及

c)所述槽(1 5，20，21，4，5和10)中填充相(W)，其中，在所述槽(15和20)中以所述第一绕组方向构成所述相(W)的一第一线圈，在所述槽(21和4)中以所述第二绕组方向(42)构成所述相(W)的一第二线圈，以及在所述槽(5和10)中以所述第一绕组方向(41)构成所述相(W)的一第三线圈；

其中，所述槽(2，9和16)不填充绕组。