CN101069337A - 带有锯齿状线圈的多极永久磁铁励磁的同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有转子(3)和定子(2)的永久磁铁励磁的同步电机，该定子包含一个由锯齿状线圈(9)构成的三相绕组系统(8)。所述定子(2)共具有三个或六个槽(5)，在这些槽之间分别构成一个锯齿(6，7)。在所述槽(5)中共设置三个锯齿状线圈(9)，这些锯齿状线圈中的每个与三个绕组相中的一个相对应。有效极对数(pN)被规定为四或五。所述转子(3)具有以两倍有效极对数(pN)在圆周上均匀分布的永久磁铁(18)。

Description

带有锯齿状线圈的多极永久磁铁励磁的同步电机
技术领域
本发明涉及一种带有转子和定子的永久磁铁励磁的同步电机，该定子包含一个由锯齿状线圈构成的三相绕组系统。
背景技术
目前，这种永久磁铁励磁的同步电机以不同的实施方式应用。在DE 19961 760A1和在DE 101 24 415A1中说明了一些例子。在通常的电机类型中，低线圈数(例如为三)总是伴随着低有效极对数(例如为一)出现。这类电机在定子的基本极对数的条件下被运行。已知的还有所谓的谐波电机，其中转子的极对数对应于定子的基本极对数的整数倍。这种多极同步电机例如具有为四的有效极对数，其中不过总是还提供了更高的线圈数。于是通常是九或十二个线圈。
在该永久磁铁励磁的同步电机的设计中，特别注意到廉价的实现以及尽可能高的利用率。利用率被定义为单位结构空间内可以实现的转矩。其它同样决定性的标准涉及以高的(即，位于数百伏范围内的)电压运行的可能性，以及尽可能小的结构尺寸。尽管存在多个可供使用的变形，但是还没有公知任何同等地考虑到所提到的要求的最佳的实施方式。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种上述类型的永久磁铁励磁的同步电机，其具有高的利用率并且可以低成本地制造。
上述技术问题是通过独立权利要求1的特征解决的。按照本发明的永久磁铁励磁的同步电机是这样一种永久磁铁励磁的同步电机，其中，
a)所述定子共具有三个或六个槽，在这些槽之间分别形成一个锯齿，
b)在所述槽中共设置三个锯齿状线圈，这些锯齿状线圈中的每一个与三个绕组相中的一个相对应，
c)有效极对数被规定为四或五，以及
d)所述转子具有以两倍有效极对数在圆周上均匀分布的永久磁铁。
由于与高的有效极对数组合的低的线圈数，按照本发明的同步电机显著地偏离了迄今为止常见的电机概念，这些概念总是包含低线圈数与低有效极对数或者高线圈数与高有效极对数的组合。在本发明的范围内公开了：如果多极设计规定有效极对数为四或五，则在对于三相的同步电机最可能小的线圈数为三的条件下，可以实现极其高的并且与公知的实施方式相比也明显改善的利用率。由于低的线圈数而同样低的槽数，连同锯齿状线圈的使用，有助于简单和廉价地制造按照本发明的电机。此外，低槽数和由于锯齿状线圈而导致的小的线圈体允许极小的总尺寸。
按照本发明的永久磁铁励磁的同步电机的优选的实施方式由从属于权利要求1的权利要求的特征给出。
优选地，所述定子共具有六个槽并且在这些槽的每一个中仅仅设置所述三个锯齿状线圈中的唯一一个的绕组。这样，在圆周方向上被绕线的锯齿与未被绕线的锯齿交替。这种单层的锯齿状线圈分别包围一个锯齿，并且由一个未被绕线的锯齿在结构上相互隔开。由此，形成了由结构决定的锯齿状线圈相互间的极其良好的电绝缘，而不必为此采用专门的绝缘材料。此外，带有六个槽的该实施方式具有特别高的利用率。
在另一种变形中，所述被绕线的锯齿的锯齿宽度按照
0.75·bM＜bZ＜1.25·bM
确定，其中，bZ表示该被绕线的锯齿的锯齿宽度，而bM表示所述永久磁铁的磁铁宽度。这样，产生一种特别良好的磁通引导。定子和转子之间的磁场耦合是极其有效率的。特别是，被绕线的锯齿的锯齿宽度基本上恰好与永久磁铁的磁铁宽度一样。
此外，可以将所述锯齿状线圈设计为预制成型线圈。这点极大地简化了加工。这种变形没有在定子叠片铁心上进行的对锯齿的绕线，否则该绕组可能包含昂贵的并因此提高造价的穿线技术。此外，成型线圈的使用还带来针对槽横截面的极其高的铜槽填充，由此降低了线圈电阻并且提高了利用率。
另一种实施方式的特征在于，所述锯齿状线圈分别包括一个由多匝组成的绕组，并且这样设计相应的绕组，使得相邻的匝在运行期间处于仅仅稍微相互偏差的电位上。特别是，相邻的匝之间的电位差为在两个线圈引线之间所施加的电位的仅仅一小部分。也就是说，这样首先也将与引线连接的第一匝在绕组内部与和另一条引线连接的最后一匝局部隔开地设置。由此，可以减小对于为了加工锯齿状线圈而采用的电导体进行电绝缘的花费，并且可以在槽中加入更高的铜比例。单个匝的精确放置特别良好地借助于对成型线圈的预制而实现。
优选地，所述槽分别具有一个被设计成朝向所述转子并开口的侧面，从而可以容易地植入特别是被设计为预制成型线圈的锯齿状线圈。此外，开口的槽带来对无发送器(geberlos)的运行而言有利的感应特性。
此外，有利的是，所述槽分别具有两个远离所述转子延伸的并且相互平行设置的侧壁。与放射状伸展的侧壁相比，平行的实施形式更好地适合于植入预制成型线圈，并且还允许更高的铜槽填充。
此外，为了保证锯齿状线圈在槽中，还可以将所述槽由槽闭锁元件覆盖。该槽闭锁元件尤其被设计成加工简单且容易放置的开槽的管。优选地，所述槽闭锁元件由电绝缘和/或非磁性的材料组成。这样就不会以不希望的方式对于同步电机的磁特性或电特性产生影响。例如，该槽闭锁元件由塑料或陶瓷组成。
另一种变形的特征在于，在所述转子上设有所述永久磁铁的极距的4/5、即80％的磁极覆盖。该措施压制了导致转矩波动性的转子磁场波与定子磁场波的相互作用。这样，特别是切断了对于有效极对数的第五谐波，由此至少实现了不希望的转矩波动性的减小。
就避免转矩波动性而言同样有利的是这样一种实施方式：其中，所述定子具有一个朝向所述转子的、带有一个圆周的圆柱形边界面，该边界面尤其在内部转子电机中是定子钻孔的壁面。所述槽分别具有一个等于被三倍有效极对数除的圆周的槽缝隙宽度。这种措施在对于有效极对数的第三谐波以及在对于第三谐波的所有整数倍的情况下压制了所谓的槽间歇运动(Nutrasten)。
所述永久磁铁励磁的同步电机既可以利用内部转子、也可以利用外部转子实施。上面描述的有利的结构可以在两种实施方式中采用。
附图说明
本发明的其它特征、优点和细节由下面借助于附图对实施方式的描述给出。附图中：
图1以剖面图示出了多极永久磁铁励磁的同步电机的一种实施例，
图2示出了图1的永久磁铁励磁的同步电机的槽闭锁元件，以及
图3示出了在圆周角上以及在极对数上记录的、永久磁铁励磁的同步电机的定子中的电流分布(Strombelag)图。
相互对应的部件在图1和2中被标记有相同的附图标记。
具体实施方式
图1中以剖面图示出了被设计为电动机的永久磁铁励磁的同步电机1。其包含一个带有圆柱形定子钻孔的定子2以及一个被设置在该定子钻孔中的转子3，该转子被可以围绕旋转轴线4转动地支撑。转子3是一个内部转子。定子2在其朝向转子3的内壁上具有六个槽5，在这些槽之间分别构成了锯齿6和7。外部环绕的磁轭将锯齿6和7相互连接。在槽5中设置了一个共带有三个锯齿状线圈9的三相绕组系统8，这些锯齿状线圈中的每一个在图1中以不同的阴影标记出。
每个锯齿状线圈9包围一个锯齿6，使得在圆周方向上被绕线的锯齿6与未被绕线的锯齿7交替。在每个槽5中仅仅设置了来自于单个的锯齿状线圈9的匝。也就是说，是单层的锯齿状线圈9。
槽5具有近乎平行四边形形状的横截面。两个在定子2内部延伸的槽侧壁10和11相互平行。朝向转子的槽端侧12不是平的、而是对应于定子钻孔的曲率半径弯曲地构成的，从而仅仅近似地实现与相对的槽底部13的平行。槽端侧12是完全开口的。由于这种槽形形状，被绕线的锯齿6与未被绕线的锯齿7具有不同的横截面形状。
带有平行的槽侧壁10和11以及开口的槽端侧12的特定槽形形状使得锯齿状线圈9可以被构造为可简单地植入到定子2中的预制成型线圈。
为了保证这样植入的锯齿状线圈9的位置，提供了呈开槽的塑料管15形式的槽闭锁元件14，图2示出了该开槽的塑料管的透视图。其包含在移动通过锯齿6和7的位置上的缝隙16以及17，这些缝隙的宽度相互的偏差对应于锯齿6和7在钻孔壁上的宽度。
转子3带有八个永久磁铁18。由此，对于永久磁铁励磁的同步电机1形成了四个有效极对数pN。也就是说，永久磁铁励磁的同步电机1是一个多极谐波电机。永久磁铁18的磁体宽度bM大致等于被绕线的锯齿6的锯齿宽度bz。
槽5分别具有一个等于被三倍有效极对数pN除的圆柱形定子钻孔的圆周的槽缝隙宽度bN。因此，在实施例中在定子钻孔直径D为37mm的条件下出现为9.687mm的槽缝隙宽度bN。
永久磁铁18被这样设置在转子3上，使得共形成八个均匀分布在圆周上的磁极19。一个磁极19上标记了由一个圆周角α的角度区域构成的极距τp。永久磁铁18在圆周方向上不是在极距τp的整个角度区域、而是仅仅在一部分x·τp上延伸。在此，参数x表示极覆盖。其具有小于1的值。在实施例中，该极覆盖x为4/5、即80％。
下面，详细地描述永久磁铁励磁的同步电机1的作用方式以及优点。
该电机由于迄今为止未公开的低槽数(或线圈数)与高的有效极对数pN的组合而具有特别高的利用率。
低的槽数如同锯齿状线圈9的采用一样，对于小的结构尺寸以及低成本的加工来说是有利的。此外还发现，极对数p为四和五这两种情况具有显著突出的地位。
在为一或二的较小的极对数p的情况下在定子2中要求相对高的磁轭高度，从而槽横截面相对于定子2的整个横截面较小。由此，形成仅仅相对小的铜槽填充。此外，由于这样相对大的线圈体而产生仅仅低的绕组系数。后者以及低的槽横截面积导致绕组系统8电阻的提高。反之，在为四或五的极对数p的条件下电阻显著地较小。
在为七和更大的高极对数p的条件下，在定子2中在有意义的槽缝隙宽度bN下可以实现的电流分布IB降低。永久磁铁18的磁铁宽度bM同样也降低。此外，出现较高的频率，由此在定子2中的铁损耗增加。所有这些导致与根据本发明得知的在极对数p为四或五的情况下的最佳值相比利用率的降低。
因此，在实施例中对于有效极对数pN规定的值为四。通过对槽缝隙宽度bN以及锯齿状线圈9的线圈(平均)宽度的改变，可以在极对数p＝4的条件下以主导的分量调整定子磁场。
在图3的图形中为这样设计的定子2示出了在绕组系统8的两个锯齿状线圈9中呈现的电流分布IB的变化曲线。提供的槽缝隙宽度bN为18°而线圈宽度为50°。在上面的图形中在圆周角α上记录了电流分布IB，在下面的图形中则是在极对数p上记录了电流分布IB，其中，下面图形的变化是借助于傅立叶变换从上面图形中确定的。从下面图形中看出，作为有效极对数pN提供的极对数p＝4是占优势的。
在运行期间，永久磁铁励磁的同步电机1可以具有可能出于不同原因的不希望的转矩波动性。
一方面，永久磁铁18与锯齿6和7之间的磁阻力导致磁导的周期波动并且导致槽间歇运动。结果，转矩包含带有摆动转矩分量。
借助于在实施例中选择的对槽缝隙宽度bN的专门尺寸设计，在对于有效极对数pN的第三谐波(即，极对数p＝12)以及在极对数p＝12的所有整数倍中压制了槽间歇运动。在此，作为基础的是下列一般地适用的关系：
b N = D · π p 0 - - - ( 1 )
其中，D表示定子2的内部圆柱形边界面的直径，而p0表示其中应该首次压制槽间歇运动的极对数。在等式(1)的应用中槽缝隙宽度bN是作为弧长给出的。类似地，可以是一种其中对应于完全的回转给出360°的圆周角而不是圆周D·π的等式。这样得出的槽缝隙宽度bN就以角度形式的圆周角扇形给出。
作为转矩波动性的原因，除了槽间歇运动之外，还有在定子2和转子3之间存在的空隙20中的转子磁场波和定子磁场波的相互作用。特别干扰的是对于在空隙20中构成的磁空隙场的有效波的第五和第七谐波。
定子场和转子场的第五谐波在空隙20按照相反的方向旋转，并且由此产生在有效极对数pN的六倍下的间歇运动。为了压制该部分，将或者定子场或者转子场的第五谐波保持极小就足够了。作为压制措施对于定子场采用这样的绕组系统8，即，其在第五谐波下具有低的绕组系数，或者对于转子场带来转子场的低的第五谐波的极覆盖。在实施例中选择了第二种方案。恰好将极覆盖x的值选择为4/5，从而有效地减小了转子场的第五谐波。
除了高的利用率、廉价的加工以及低的转矩波动性之外，永久磁铁励磁的同步电机1还具有其它的优点。例如，可以按照极其小的外部尺寸、例如40或72mm的外直径实现该电机。尽管如此，可以在600V以及更高的高电压上运行。由于通过分别一个未被绕线的锯齿7将锯齿状线圈9在空间上的分离，形成了高度固有的电绝缘。定子2的简单结构特别好地适合于分割以及适合于尽可能自动化的加工。
由此，开发了宽广的应用领域，其包括了侍服电机的范围，不过首先也包括了简单的电机应用。

Claims (13)

1.一种带有转子(3)和定子(2)的永久磁铁励磁的同步电机，该定子包含一个由锯齿状线圈(9)构成的三相绕组系统(8)，其中，
a)所述定子(2)共具有三个或六个槽(5)，在这些槽之间分别形成一个锯齿(6，7)，
b)在所述槽(5)中共设置三个锯齿状线圈(9)，这些锯齿状线圈中的每个与所述三个绕组相中的一个相对应，
c)有效极对数(pN)被规定为四或五，以及
d)所述转子(3)具有以两倍有效极对数(pN)在圆周上均匀分布的永久磁铁(18)。
2.根据权利要求1所述的永久磁铁励磁的同步电机，其特征在于，所述定子(2)共具有六个槽(5)并且在这些槽(5)的每一个中仅仅设置所述三个锯齿状线圈(9)中的唯一一个的绕组，使得在圆周方向上被绕线的锯齿(6)与未被绕线的锯齿(7)交替。
3.根据权利要求1或2所述的永久磁铁励磁的同步电机，其特征在于，所述被绕线的锯齿(6)的锯齿宽度(bZ)按照
0.75·bM＜bZ＜1.25·bM
确定尺寸，其中，bZ表示该被绕线的锯齿(6)的锯齿宽度，而bM表示所述永久磁铁(18)的磁铁宽度。
4.根据上述权利要求中任一项所述的永久磁铁励磁的同步电机，其特征在于，所述锯齿状线圈(9)被设计为预制成型线圈。
5.根据上述权利要求中任一项所述的永久磁铁励磁的同步电机，其特征在于，所述锯齿状线圈(9)分别包括一个多匝组成的绕组，并且这样地设计相应的绕组，使得相邻的匝在运行期间处于仅仅稍微相互偏差的电位上。
6.根据上述权利要求中任一项所述的永久磁铁励磁的同步电机，其特征在于，所述槽(5)分别具有一个被设计成朝向所述转子(3)并开口的侧面(12)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的永久磁铁励磁的同步电机，其特征在于，所述槽(5)分别具有两个远离所述转子(3)延伸的并且相互平行设置的侧壁(10，11)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的永久磁铁励磁的同步电机，其特征在于，所述槽(5)由槽闭锁元件(14)覆盖。
9.根据权利要求8所述的永久磁铁励磁的同步电机，其特征在于，所述槽闭锁元件(14)被设计为开槽的管(15)。
10.根据权利要求8或9所述的永久磁铁励磁的同步电机，其特征在于，所述槽闭锁元件(14)由电绝缘的材料组成。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的永久磁铁励磁的同步电机，其特征在于，所述槽闭锁元件(14)由非磁性的材料组成。
12.根据上述权利要求中任一项所述的永久磁铁励磁的同步电机，其特征在于，在所述转子(3)上设有对所述永久磁铁(18)的极距(τp)的80％的极覆盖(x)。
13.根据上述权利要求中任一项所述的永久磁铁励磁的同步电机，其特征在于，所述定子(2)具有一个朝向所述转子(3)的、带有一个圆周的圆柱形边界面，并且所述槽(5)分别具有一个等于被三倍有效极对数(pN)划分的圆周的槽缝隙宽度(bN)。
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