CN101379678A - 磁噪声降低的电机及相应方法 - Google Patents

Abstract

本发明汽车用交流发电机包括：具有多个极的转子；与所述多个极连通的多个相；及与所述转子连通的定子铁心，所述定子具有按下述等式确定的槽数：S＝(PxPH)+((MxPH)+N)，其中S＝槽数，P＝极数，PH＝相数，M＝大于或等于0的整数，N＝从范围从1(含1)到(相数－1)的一组整数选择的整数。本发明还公开了降低汽车用交流发电机中的磁噪声的方法，该方法包括：选择极数、选择相数、选择定子铁心槽数，前述选择与汽车用交流发电机交互作用以产生与相数的任何倍数不同且不同于交流发电机的径向力频级的切向力频级。

Description

磁噪声降低的电机及相应方法

发明背景

电机是包括如汽车的许多现代组合装置的构成部分。一种类型的电机，称为汽车用交流发电机，将一个源产生的机械能转换为汽车按需使用的电能。汽车用交流发电机被定义为任何电机，其将机械能转换为汽车按需使用的电能。在所述需要有用的同时，与电能产生相关联的磁噪声是不合需要的。为本领域技术人员众所周知的原因，电机的定子铁心为下述之一：1)整节距，即槽的数量等于电机相数乘以电机极数；及2)分数节距，即槽的数量电机相数的多倍。本发明的发明人已意识到，在两种结构中，运行电机的径向力和切向力结合从而产生较大的力，所述较大的力引起电机不合需要的磁噪声。

能够更安静运行的电机应更能为本领域接受。

发明内容

在此公开了汽车用交流发电机，其包括：具有多个极的转子；与所述多个极连通的多个相；及与所述转子连通的定子铁心，所述定子具有按下述等式确定的槽数：

S＝(P x PH)+((M x PH)+N)

其中S＝槽数

P＝极数

PH＝相数

M＝大于或等于0的整数

N＝从范围从1(包括1)到(相数-1)的一组整数选择的整数。

在此进一步公开的汽车用交流发电机包括：定子、与所述定子连通的转子、具有多个端环和多个槽段的至少一导体、及在定子中形成的不寻常数量的槽，所述槽包括至少一由与填充另一槽的多个槽段不同的多个槽段填充的槽。

在此进一步公开了降低汽车用交流发电机中的磁噪声的方法。所述方法包括：选择极数、选择相数、选择定子铁心槽数，前述选择与汽车用交流发电机交互作用以产生与相数的任何倍数不同且不同于交流发电机的径向力频级的切向力频级。

附图说明

下面参考附图，其中同一元件在多个图中标记为相同的附图标记：

图1为使能在此公开的槽结构的导体的示意图示。

图2A为具有6相的第一通路，每一导体按在此公开的特别形成。

图2B为具有6相的第二通路，每一导体按在此公开的特别形成。

图3为使用图2A/2B的绕组图案的另一局部截面图，其中槽37和43中的每一槽具有成对关系的四个导体。

图4为绕组图案的示意图。

图5为定子铁心中的导体引线位置的图示。

图6为用根据图2A/2B的绕组图案的导体填充的定子铁心的示意局部截面图，其中槽37和43仅包括分组为对的四个导体。

图7A为备选绕组图案的第一通路的示意图。

图7B为图4A备选绕组图案的第二通路的示意图。

图8为使用图4A/4B的绕组的另一备选绕组图案，其中槽37和38仅具有四个导体。

图9为另一备选绕组图案，其中所有通路跳过同一槽，使其保持为空。

图10为现有技术交流发电机的示意截面图。

图11为按现有技术级联绕组图案叠置的导体的示意图。

图12A为双Y形绕组的示意图。

图12B为三相Y形绕组的示意图。

具体实施方式

为了抗击在更现代应用中使用的电机的磁噪声，其中所述噪声是消费者满意、组件交互作用等的问题来源，本发明的发明人已从整节距和分数节距定子铁心的传统学识中脱离出来。所述脱离背后的推理在于下述认识，由转子极在通过每一定子铁心齿时的变动转矩产生的切向力是由转矩脉动产生的径向力的附加。这两个力是附加力因而结合形成产生磁噪声的较大力的原因在于，对于整节距绕组，它们两个力展现相同的频级，其为极数乘以相数，对于典型的分数节距绕组，它们展现的频级为相数的多倍。为使磁噪声最小，定子铁心中的槽数应为在此教示的槽数，其中切向力的频级和径向力的频级将按可实行的尽可能从相互中去除，优选二者均不是相数的倍数。换言之，如果通过仔细选择极数、相数和槽数以交互作用从而确保交流发电机的切向力频级不同于相数的任何倍数并不同于径向力的频级，噪声可被降低。

在电机中，上述效果通过选择由下述等式确定的定子铁心槽结构实现：

槽数＝(P x PH)+((M x PH)+N)

其中P＝极数；

PH＝相数；

N＝从1(含1)到(相数-1)的整数集中的任一整数；及

M＝大于或等于0的整数。

如所述公式所见，槽数永远不能等于相数乘以极数甚或相数的倍数乘以极数。当槽数不等于相数乘以极数或不等于相数倍数乘以极数时，定子被确定为具有不寻常的槽数。例如，当槽数不等于36、72、108等时，具有3相和12极的定子被确定为具有不寻常的槽数。典型的汽车用交流发电机具有3相或6相。

按在此教示构造的定子铁心的一个例子为：M＝0，85、86、87、88或89个槽与具有14极的转子一起使用，且电机包括6相。应意识到，所述数量的槽不适合整节距系统或分数节距系统。此外，希望使M＝0，以使得槽数最小从而降低绕组复杂性并保持定子槽填充因数(更少部分填充的槽)--当槽数已经较大时这特别实际。如果相数大，例如对本领域技术人员公知的双绕组(Y形或Δ形)PH＝6时，则槽数可大。当使用本领域技术人员公知的设计时，槽数也可较大，其中槽数等于相数乘以极数的两倍—在这种情形下，本发明技术导致定子槽数大于相数乘以极数的两倍。

改变定子铁心中的槽数不同于常规数量将在于定子中安装绕组时导致某些困难。这是因为，绕组图案将不在相邻的槽中开始和结束。为此，在此教示，在绕组绕制过程中特定槽将被跳过。跳跃槽大致正相对以提高可用电磁力的空间均衡。

由于所述被跳过的槽，不使用工业标准类型的导体。而是，使用具有独特图案的端环和槽段的导体。由于端环的独特图案，发夹类型的绕组将需要大量的发夹形状，因此，从如图1中所见的一个连续导体形成所述导体是符合需要的，但不是必须的。参考图1，其示出了导体的一个实施例10。该特定实施例构造用于86槽的定子铁心。应意识到，有由槽段14和两个跳跃端环16互连的“正常”端环12。尽管未在图1中示出，所述连续导体将被插入定子铁心，使得槽段14位于铁心槽中。跳跃端环16用于使邻近端环16的槽段14能被接收在不同于被标准端环填充的槽的槽中。换言之，跳跃端环16将相邻槽段置于远离“正常”端环12的槽中。在此使用的术语相邻槽段指连到同一端环的两个槽段。这样的导体使能绕制不规则的槽数，而没有绕组重叠问题。如所提及的，图1实施例的导体10用于将与14极转子和6相一起运行的86槽定子铁心。应意识到，如果是整节距，这样的电机应具有84个槽，如果是分数节距，则应具有6的倍数的槽。通常，“正常”端环12的数量大大超过跳跃端环16的量。这是因为，跳跃端环16的数量正比于超过槽标准数量(极数乘以相数)的另外的槽的数量((M x PH)+N)，及如上所述，可能希望槽数最小。因此，在具有跳跃端环16之前，导体展现(从左到右)一连串至少两个连续“正常”端环12。

在图1的特定导体被指定与86槽定子铁心一起使用的同时，应意识到，具有14极和6相的电机不限于86个槽以获得本发明的益处。而是，14极、6相电机在M＝0时可具有85、86、87、88或89个槽，在M＝1时可具有91、92、93、94或95个槽，依此类推。对于14极、6相电机，这些数量的槽中的任何一种均将实现所希望的磁噪声降低。

参考图2A和2B且依然使用86槽的例子，示出了两个绕组通路，每一图中一个。应注意，在每一图中，包括虚线部分。该部分用于表示图左侧所示导体的弯曲图案的复制。在每一情形下，所示弯曲图案在虚线部分重复三次以上以完成一个全长度导体(对于下面的图7A和7B中所示的导体也是如此)。为简单起见，绕组在图2A、2B、7A、7B和11中还被示为呈直线状态，就像它们与铁心分离并展平一样。6相由每一图中所示的6个导体显示。第一通路P1(图2A)的导体具有与图1所示一样的形式。第二通路P2(图2B)具有稍微不同的结构，但其包括相同的数字。应意识到，术语“跳跃”用引线箭头提供在图上以表明在该特定通路期间存在定子槽但未被槽段14填充。在图2A和2B的实施例中，在第一通路P1中槽43和86被跳过，在第二通路P2中槽37和80被跳过。另外的绕组通路将以交替方式重复图2A和2B的图案。在完成8个通路之后，图2A和2B的这种绕组图案的示意图可在图3中看见。图3中所示为定子铁心的部分截面表示，其为按图2A/2B绕制的结构，其中定子铁心的槽37和43中的每一个仅由4个槽段填充，因此，在8个通路之后，槽37和43(及未在图3中示出的槽80和86)相比其余槽而言由较少的槽段填充。

图2A和2B导体所得的绕组还示意性地图示在图4中，使得导体的每一相在每一通路的末端径向向内的步骤直观可见。应当理解，P1-P8为通路。此外，为了使(下述的)图10A和10B清楚，每一导体上的每一引线(每一导体将具有两根引线)被分别标记。例如，引线A1和A7从单一导体的每一末端延伸。类似地，A6和A12从单一导体的每一末端延伸。同样，以B开始标记的引线也是如此。参考图5并结合上述内容，引线因而导体被怎样接收在定子铁心的槽内将非常明显。

相关地，图6为备选绕组图案的部分截面图，其中图2A的绕组图案重复两次，之后图2B的绕组图案重复两次，重复这样的图案直到完成8个通路为止。在该实施例中，槽37和43中的每一个仅具有4个槽段且所述槽段在这些槽内按对分组。这种图案的需要性在于，所述槽段按对置于槽37和43中，使得典型的定子上漆操作将把所述对结合在一起，从而在较少填充的槽37和43中产生更刚性的槽段组装。如图2A和2B图页上的相对位置所示，第二通路可从第一通路偏移PH个槽，使得第二通路的特定相的导体从第一通路的相同相的导体移位。

在另一备选实施例中，参考图7(再次具有86个槽)，第一通路与图2A中所示的类似，但跳跃端环16定位成使得导体跳过槽37和槽80。在第一通路P1中，所有导体跳过槽37和80。图7B所示不同于图7A所示。图7B示出了不同于图7A所示的第二通路P2导体，在图7A中，跳跃端环16定位成使其填充与槽38相对的槽37及与槽81相对的槽80。在第二通路P2中，所有导体跳过槽38和81。在该实施例中，如图2A/2B的实施例一样，第一和第二通路可交替，或者两个第一通路和两个第二通路可交替，或者任何其它类似的交替图案。该图案的需要性在于容易制造，因为只有第一相根据通路位于不同的槽中。

参考图8，示意性地示出了另一实施例，其中采用图7A/7B的绕组图案，在8个通路之后，4个隔开的槽段被图示在槽37和38中。

参考图9，其示出了另一备选绕组图案，其中每一通路使用相同的图案。例如，所示图案可以与图7A的类似。这样的安排将留下两个空槽，例如37和80。这种图案的需要性在于容易制造，因为每一相的所有导体均具有相同的形状(导体相同但相互移位一个槽)。

为确保不太熟悉交流发电机的人员清楚理解在此公开的内容，现在参考图10，其示出了现有技术交流发电机的示意性截面图。交流发电机100包括连接到转子轴104的皮带轮102，一对极件106和108被旋转地支撑在所述转子轴上。极件106、108构造成在轴104周围圆周呈现多个极爪110、112(两个可见)。转子铁心绕组114定位在爪110/112之间。交流发电机100还包括具有多个槽的定子铁心，所述数量为整节距或分数节距，如上所述(未示出)，及槽中的定子铁心绕组118。所提及的交流发电机组件由前端框架120和后端框架122支撑在适当的位置。转子及相关转动极部分在定子铁心绕组中产生感生电流，该电流可用于产生电能。

参考图11，示出了级联类型的绕组图案。在所示图案在本领域众所周知的同时，与在此教示的定子铁心槽结构结合是不为人知的。

由于前述关于定子铁心的结构和绕组的教示，包括示意绕组图以确保读者完整理解是明智的。参考图12A和12B，示出了双Y形及3相分布Y形图。在图12A中，Y形的每一分支并联连接，例如，A2和B2相互连接并还连接到二极管对130，如图所示。对于每一导体的每一其它对的二极管末端引线，连接类似。此外，Y形的每一分支分别连接在中性点132或134。如图12A中所见，一个Y形绕组相对于另一Y形绕组大约移位30度。回到图12B，3相Y形使用单一中性点136及仅使用3对二极管138。另外的导体引线连接在每一结点140、142和144并联连接。如图12B中所见，每一相由两部分组成，其中一部分相对于另一部分大约移位30度。

Claims (28)

1、汽车用交流发电机，包括：

具有多个极的转子；

与所述转子连通的多个相；及

与所述转子连通的定子铁心，所述定子接收所述相并具有按下述等式确定的槽数：

S＝(P x PH)+((M x PH)+N)

其中S＝槽数

    P＝极数

    PH＝相数

    M＝大于或等于0的整数

    N＝从范围从1(含1)到(相数-1)的一组整数选择的整数。

2、根据权利要求1的汽车用交流发电机，其中所述电机还包括多个导体，所述导体具有：

多个槽段；

多个端环，每一端环电连接一对相邻槽段；

一个或多个跳跃端环，每一跳跃端环电连接一对相邻槽段，所述跳跃端环远离所述端环连接的槽段定位其所连接的相邻槽段。

3、根据权利要求2的汽车用交流发电机，其中所述跳跃端环使所选定子槽不被特定导体的槽段填充。

4、根据权利要求3的汽车用交流发电机，其中所述未被填充的槽的数量为每绕组通路两个。

5、根据权利要求2的汽车用交流发电机，其中，对于单一通路中使用的导体，所述多个导体相互完全一样。

6、根据权利要求5的汽车用交流发电机，其中所述导体的第二通路与导体的第一通路的形式不同。

7、根据权利要求5的汽车用交流发电机，其中所述导体的第二通路与导体的第一通路一样。

8、根据权利要求7的汽车用交流发电机，其中相同导体的所述第一通路和第二通路与至少一不同的导体通路交替。

9、根据权利要求1的汽车用交流发电机，其中所述M＝0。

10、根据权利要求1的汽车用交流发电机，其中所述多相等于6。

11、根据权利要求1的汽车用交流发电机，其中所述定子至少包括第一Y形绕组和第二Y形绕组，及所述第二Y形绕组相对于所述第一Y形绕组移位所选数量的电度。

12、根据权利要求1的汽车用交流发电机，其中所述定子至少包括第一3相绕组，每一相具有第一部分和第二部分，所述第二部分相对于所述第一Δ绕组移位所选数量的电度。

13、根据权利要求1的汽车用交流发电机，其中至少一所述相包括连接第一、第二和第三槽段的两个连续端环，其中所述第一、第二和第三槽段按与所述铁心的中心轴成相同径向距离进行布置。

14、根据权利要求1的汽车用交流发电机，其中至少一所述相包括连接第一和第二槽段的端环，其中所述第一和第二槽段按与所述定子铁心的中心轴成相同径向距离进行布置。

15、根据权利要求1的汽车用交流发电机，其中所述多相等于3，及所述槽的数量大于相数乘以极数的两倍。

16、汽车用交流发电机，包括：

定子；

与所述定子连通的转子；

具有多个端环和多个槽段的至少一导体；及

在所述定子中形成的不寻常数量的槽，所述槽包括至少一由与填充另一槽的多个槽段不同的多个槽段填充的槽。

17、根据权利要求16的汽车用交流发电机，其中每一所述槽由至少一所述槽段填充。

18、根据权利要求16的汽车用交流发电机，其中至少一所述槽为空槽。

19、根据权利要求16的汽车用交流发电机，其中所述多相等于6。

20、根据权利要求16的汽车用交流发电机，其中所述多相等于3，所述槽的数量大于相数乘以极数的两倍。

21、根据权利要求16的汽车用交流发电机，其中所述定子至少包括第一Y形绕组和第二Y形绕组，及所述第二Y形绕组相对于所述第一Y形绕组移位所选数量的电度。

22、根据权利要求16的汽车用交流发电机，其中所述定子至少包括第一3相绕组，每一相具有第一部分和第二部分，所述第二部分相对于所述第一部分移位所选数量的电度。

23、根据权利要求16的汽车用交流发电机，其中至少一所述相包括连接第一、第二和第三槽段的两个连续端环，其中所述第一、第二和第三槽段按与所述铁心的中心轴成相同径向距离进行布置。

24、根据权利要求16的汽车用交流发电机，其中至少一所述相包括连接第一和第二槽段的端环，其中所述第一和第二槽段按与所述定子铁心的中心轴成相同径向距离进行布置。

25、根据权利要求16的汽车用交流发电机，其中：

至少一所述导体包括至少两个连续端环和至少一跳跃端环，其中所述跳跃端环远离所述端环连接的槽段定位其所连接的相邻槽段。

26、根据权利要求25的汽车用交流发电机，其中至少一所述导体包括至少四个连续端环。

27、根据权利要求25的汽车用交流发电机，其中所述两个连续端环和位于所述两个连续端环之间的槽段均由一个连续导体形成。

28、降低汽车用交流发电机中的磁噪声的方法，包括：

选择极数；

选择相数；及

选择定子铁心槽数，前述选择与汽车用交流发电机交互作用以产生与相数的任何倍数不同且不同于交流发电机的径向力频级的切向力频级。

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