CN101411038A - 电机特别是交流电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电机，特别涉及具有定子绕组(11)的交流电机(10)，定子绕组(11)总共具有7个相段(P1到P7)，它们以相同的电角度(α)彼此串联。为衰减磁体噪声以及增加电机的功率，在相段(P1到P7)的串联中至少跳过各每一电气上后继的相段(P)。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机，特别涉及根据权利要求1的类型的带有多相定子绕组的交流电机。
在用于汽车的交流发电机中绝大多数使用具有通过直流激励的齿形电极转子的电机，以便各汽车的直流车身电网在驱动电动机空转时也能够供给足够的电力。在对于发电机的大量其他的要求之外，还要求衰减发电机的所谓的磁体噪声，其特别在电机的低转速区域是可听得见的干扰。为抑制磁体噪声，已知在发电机的三相定子绕组上如此分配单个的绕组分支，使得它们部分在相邻的绕组分支的槽中使用。然而通过该种措施降低了发电机的功率输出并且增加了损失。此外，由于输出的直流的波动性，在汽车的电缆分支中在驱动电动机的规定的转速区域内能够出现振荡噪声。
此外已知给交流发电机装备一种六相系统，以便使整流的频率翻倍，并由此减小通过整流器组件向汽车车身电网的蓄电池供给的直流的波动性。关于这点从EP 0454 039 B1(图6)获知，一种交流发电机的定子绕组由两个绕组系统组成，每一绕组系统各具有三个彼此连接成星形的绕组分支。绕组分支在星形电路中彼此各错开120°的电角度。这两个绕组系统彼此彼此错开约30°的电角度。然而该电机由此产生的磁体噪声特别在低的区域未能充分衰减。此外这里的缺点是这种电机的电压和转矩的波动性更大，这特别对于大功率电机无论是发电机运行还是电动机运行都是这样。
最后从DE 102 09 054 A1获知，为衰减磁体噪声和减小汽车发电机的电流波动性，使用一种七相定子绕组，它的七个在定子叠片铁芯的槽中毗邻设置的相段连接成星形或者串联成七边形。这样的解决方案相对于六相系统虽然具有较小的电流波动性和较小的磁体噪声，然而其在低转速区域仍然不能充分衰减。此外，在低转速区域电机功率特性曲线的增加太小，因为在汽车中经常正好在内燃机的空转区域出现车身电网的高的功率需求。
通过本解决方案力求在电机的低转速区域能够既强烈衰减磁体噪声也改善电功率。
发明内容
本发明的具有权利要求1的特征的电机具有这样的优点，即通过七相定子绕组的新颖的接线相对于已知的实施形式能够实现更好的电磁的利用，由此减小电压和转矩的波动性，提高功率特性曲线，在很大程度上抑制由磁决定的噪声特别是在电机的下转速区域的噪声。作为另外的优点应该看到，特别在大功率交流电机中通过电压和转矩的波动性的减小也减小了电机的机械负荷。
通过在从属权利要求中说明的措施给出在权利要求1中给出的特征的适当的改进和扩展。
为尽可能简单地制造和均匀加载电机，下述措施是适当的，亦即所有七个相段的大小相等，由至少一个线圈组成，并且彼此错开电角度α连接，所述电角度在180°/7≈25.7°和180°*4/7≈102.9°之间。此外在四极或者更多极的电机中更有利的是，为制造定子绕组而使单个相段由多个优选串联的线圈组成。在位于电机的工作气隙的圆周上具有相等大小的齿距的定子叠片铁芯的情况下，当相段彼此错开180°/7*3≈77.3°的电角度α连接时可以得到对于磁体噪声以及电压和转矩的波动性的优化衰减。在齿距不相等时电角度α的单独要确定的优化角度在60°和100°之间。在此当在七个相段串联时各跳过一个电气上后继的相段时能够得到特别好的衰减，其中相段优选以P1-P3-P5-P7-P2-P4-P6的相序连接。也可能每次跳过两个电气上后继的相段。
在本发明的应用中在用于汽车的交流发电机的情况下通过下述方式能够特别适当地形成定子绕组，即相段的连接部朝向一个变流器特别是朝向一个具有七个整流器桥的整流器组件引出。这里相段在电机的两个绕组端部之一上以适当的方式彼此错开连接，使得从相段之间的连接部每次向七个整流器桥的一个引出仅一个连接。
在定子绕组可用一根线圈导线制造的电机中，当每一相段的线圈用该线圈导线绕制时是适宜的。在这种情况下当相段为形成串联以成本适宜的方式也用一根线圈导线绕制时也是有利的。
关于该电机作为汽车中的14V的车身电网中的交流发电机的应用，当定子槽中的相段或者线圈的导体数大于5而小于10优选为8时产生特别好的对于噪声的衰减。
此外，当相段在定子叠片铁芯的槽中以大于50％的槽填充系数嵌入时，关于噪声衰减是适宜的。
附图说明
本发明的另外的单元下面根据附图举例详细说明。这里，
图1表示一个用于汽车的具有齿形电极转子的交流发电机的纵截面，
图2表示一个具有本发明的定子绕组和整流器组件的交流发电机的电路图，
图3表示不同交流发电机的转速噪声特性曲线，
图4表示比较中的该发电机的转速功率特性曲线，
图5表示一个根据本发明的定子波形绕组的绕线图，
图6表示具有定子叠绕组的另一个绕线图，
图7表示具有本发明的定子绕组的按照图2的电机的定子叠片铁芯的一个局部截面，
图8表示七相定子绕组的另一个连接变型方案。
具体实施方式
图1表示实施为用于汽车的交流发电机10的一个电机的截面。它还具有两部分的外壳33，外壳由第一轴承盖33.1和第二轴承盖33.2组成。轴承盖33.1和轴承盖33.2其内收纳定子36，定子具有圆环形叠片铁芯18，在叠片铁芯18的向内开口的并且在轴向延伸的槽35内嵌入定子绕组11。环形定子36用其径向向内定向的表面包围一个被电磁激励的转子12，后者是齿形电极转子(
)。转子12还由两个齿形电极板42和43组成，在它们的外周上分别设置在轴向上延伸的齿形电极指44和45。两个齿形电极板42和43在转子12内这样设置，使得它们的在轴向延伸的齿形电极指44、45在转子12的圆周上彼此作为北极和南极交替。由此在相反磁化的齿形电极指44、45之间产生磁的所需要的齿形电极间隙，其由于朝向它们的自由端缩小的齿形电极指44和45对于电机轴线稍微倾斜延伸。为本发明的后面的说明，该延伸简称为轴向。转子12借助轴47和各在每一侧上的滚动轴承48在各轴承盖33.1或者轴承盖33.2内可转动地支撑。它具有两个轴向的端面，其上各固定一个风扇50。这些风扇50基本上由一个板形或者盘形的段组成，从该段以已知方式伸出风扇叶片。该风扇50用于使能够通过在轴承盖33.1和33.2上的开孔60在电机10的外侧和内部进行空气交换。为此开孔60设置在轴承盖33.1和33.2的轴向末端，通过该开孔60借助风扇50向电机10的内部空间吸入冷却空气。该冷却空气通过风扇50的转动被径向向外加速，使得该冷却空气能够通过驱动侧的冷却空气可穿透的绕组端部65和通过电子测的(汇流环侧、电刷侧或者整流器侧)冷却空气可穿透的绕组端部66。通过这一效应绕组端部被冷却。冷却空气在穿过绕组端部或者在环流该绕组端部后走通过所示接片之间未示出的开孔径向向外的路径。图1中右侧有一个保护罩67，它保护各个部件免受环境影响。这样该保护罩67例如覆盖汇流环组件69，它给激励绕组13供给激励电流。围绕该汇流环组件69设置一个冷却体73，它在这里作为正冷却体作用。轴承盖33.2作为所谓的负冷却体作用。在轴承盖33.2和冷却体73之间设置一个连接板76，它以桥电路的形式彼此连接在轴承盖33.2中固定的负二极管78和在冷却体73中在该图中未示出的整流器15的正二极管。
图2以示意图表示形式为一个用10表示的用于给汽车的车身电网供电的交流发电机的本发明的电机。这种具有多相定子绕组11的发电机通常装备一个电激励的齿形电极转子12，它的激励绕组13通过调节器14从整流器组件15的直流输出供电，并且转子与调节器14一起被固定在该发电机的未示出的后轴承盖上并与其固定连接。根据定子绕组11的相段的数目和连接方式，在此在发电机运行时在整流器组件15的输出上向未示出的车身电网输出一个或多或少地波动的直流电压，车身电网中整流器组件15的正和负连接端子16直接与汽车的蓄电池连接。
通过通常在这种电机中使用的风扇随着转速增加产生风扇噪声，根据定子绕组11的种类和接线，给其叠加由定子绕组在与齿形电极转子12共同时作用产生的磁体噪声。该磁体噪声特别在下转速区域出现，以致它作为特别的干扰被感觉到。
为尽可能强烈衰减电机的磁体噪声和减小它的电压和转矩的波动性，给交流发电机10的定子绕组11提供总共七个相段P1到P7。所有七个相段关于它们的线圈匝数和绕组匝数都是同样大小，并且彼此以相同的电角度α连接。在根据图2的实施例中相段P1到P7彼此这样串联，即在串联时每次跳过一个电气上后继的相段。由此按照图2有，相段P1到P7以相序P1-P3-P5-P7-P2-P4-P6串联。以这种方式所有相段P1到P7以180°/7*3≈77.1°的电角度α彼此连接。因此，在具有其定子叠片铁芯的不同大小齿距的发电机中七个相段彼此也可以不以相同的电角度α彼此连接。为在这里也能实现对于磁体噪声和波动性的良好的衰减，需要把相段P1到P7用上述相序以位于60°到100°之间的区域内的电角度α彼此连接。
因此给电机特别是用于汽车的交流发电机有一个转子12和在轴向延伸上的齿形电极指44、45，它们在转子12的圆周上作为北极和南极交替，电机还有一个定子36，它具有定子铁芯18，定子铁芯18具有在其槽内设置的定子绕组11，其中，定子36与转子12对置，定子36和转子12由两个轴承盖33支撑，电机还具有一个环形线圈形状的激励绕组13，其固定在转子12上，定子绕组11具有七个相段P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7，它们以一个至少大体相同的电角度α彼此串联，在相段P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7串联时每次至少跳过一个相邻的相段P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7。这里相段P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7的连接或者串联这样进行，使得定子绕组11的电气起作用的绕组列及从而七个相段P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7在两次循环后闭合。
此外提供一个交流发电机10，其中定子绕组11具有绕组端部65、66，它们可通过各一个似径向的冷却空气流冷却，这些冷却空气流由至少在一个齿形电极板42、43的一个轴向端上设置的风扇50产生。
此外从图2可知，相段P1到P7之间的连接部各向整流器组件15的七个整流器桥B1到B7之一引出。这里整流器桥B1到B7以已知方式通过各两个二极管连接到一个双路整流器组件15。这里相段P1到P7的连接适宜地在电机的后面的绕组端部进行，在其区域内以公知的方式还设置整流器组件15。这里规定，从相段P1到P7之间的连接部向七个整流器桥B1到B7分别仅引出一条连接线1a到7a。
图3比较从按照图2的交流发电机输出的取决于转速的噪声特性曲线与相同结构大小的已知的交流发电机的噪声特性曲线。这里在上面的轴n1上表示一个具有已知三相定子绕组的交流发电机的噪声特性曲线a。它表示在1500和4000转/分之间的下转速区域内显著加强地形成噪声，其基于发电机的磁体噪声且叠加有风扇噪声的。通过切断发电机的转子激励得到单独由电机的风扇引起的按照以虚线示出的特性曲线a’的噪声。在中间的轴n2上，表示出作为特性曲线b的具有已知的七相的、连接成七边形的定子绕组的交流发电机的与转速相关的声级。这里同样在1500和4000转/分之间的下转速区域内相对于按照特性曲线b’的纯风扇噪声能够看出相对于特性曲线a减小的，但是仍然被提高的声级，其同样仍被作为干扰感觉到。在具有按照图2的根据本发明连接的七相定子绕组的交流发电机中按照轴n3上的特性曲线c3，磁方面引起的噪声级现在也在下转速区域内才被衰减，从而它相对于按照特性曲线c’的风扇噪声在声学上实际上不再能被感觉到。
图4用曲线图表示发电机的功率对于转速的特性曲线。虚线特性曲线A表示一个具有已知三相定子绕组的交流发电机的输出功率的曲线，它的额定功率用100％评价，其在6000转/分的转速几时达到。点划线特性曲线B表示一个发电机的输出功率，该发电机的定子绕组以已知方式由七个连接成七边形的相组成。实线特性曲线C表示具有按照图2连接的具有七相定子绕组的本发明的发电机的取决于转速的输出功率。
从这些特性曲线的比较中可知，根据本发明制造的发电机按照它的特性曲线C在大约5000转/分时已经达到它的额定功率，并且特别在下转速区域内能够比按照特性曲线A和B的已知的实施方案输出显著更大的功率。在1800转/分的空载转速n0时由此功率能够从按照特性曲线A和B的约51％提高到按照特性曲线C的66％。
图5以示意方式表示一个七相定子绕组11a的绕线图，其中七个相段P1到P7以波形绕组的形式在一个未示出的定子叠片铁芯的槽中嵌入。在本例的情况下该电机具有两极转子12a。在图4的右侧用虚线表示，每一相段P1到P7以多个波在槽N1到N14中嵌入，使得对于每一相段P1到P7各产生一个由多匝组成的线圈。相段P1到P7的始端在此用1a到7a表示，末端用1e到7e表示。该波形绕组11a的卷绕跨距为七个槽。绕组相P1到P7的末端1e到7e在这里各形成到后继于它的串联的相段的线圈始端的连接。因为在这里也在串联相段P1到P7时为实现磁体噪声和波动性的最优衰减，每一电气上后继的线圈相被跳过，所以这里也和按照图2的实施例中同样的方式进行线圈分支的串联。第一绕组相P1的末端1e连接相段P3的绕组始端3a，它的末端3e连接相段P5的始端5a，它的末端5e连接相段P7的始端7a，它的末端7e连接相段P2的始端2a，它的末端2e连接相段P4的始端4a，它的末端4e连接相段P6的始端6a，而它的末端6e最后连接第一相段P1的始端1a。所有七个连接部位于定子绕组11a的后面的绕组端部的同一侧，其中相段P1到P7的始端1a到7a为与按照图2具有七个整流器桥的整流器组件15连接而从电机中引出。
图6中作为另一个实施例表示叠绕组(Schleifenwicklung)的形式的七相定子绕组的绕线图，该定子绕组对于按照图5的双极转子，同样在定子叠片铁芯的槽N1到N14中嵌入。相段P1到P7在这里分别由两个串联的线圈S1到S14以七槽的卷绕跨距形成。于是例如为线圈分支P1把例如具有4匝的第一线圈S1放入槽N1和N8，为在后绕组端部上连接整流器组件15而抽出线圈始端1a。然后不中断地在槽N8和N1中放入具有4匝的第二线圈S2并且同样把它的末端1e向整流器组件15抽出。然后以同样的方式把第二相段P2的各具有4匝的线圈S3和S4放入定子槽中，其中线圈S3放入槽N3和N10中，线圈S4放入槽N10和N3中。这里也把线圈分支P2的始端2a和它的末端2e在后绕组端部上向整流器组件15抽出。现在以同样的方式为各后继的相段P3到P7重复这一点。七个相段以图2的相序的连接这里通过整流器组件15内部相应的、未示出的导体桥进行。由此以有利的方式用一根绕组导线17绕制每一绕组相P的两个串联的线圈S。同样也能够用一根绕组导线17绕制全部七个相段P用于获得希望的串联，其中那时按照图4相段P1到P7的末端1e到7e作为到再下一相段P的各始端3a到2a的连接部设置在电机的整流器侧的绕组端部上。
图7表示如图2所示的具有七相定子绕组11的交流发电机10的定子叠片铁芯18的局部截面。这里相段P1、P5、P2、P6各在相邻的槽N1、N2、N3、N4中分别安放8个导体L。这里相段P各可以按照图6由两个串联的、各具有4个导体L的线圈制造，或者按照图5用各具有8个波的波形绕组制造。此外证实，当相段P以大于50％的槽填充系数Nf在定子叠片铁芯18的槽N中嵌入时(这点可在按照图7的实施例中看出)对于衰减磁体噪声是有利的。
图8表示七相定子绕组11的另一个连接可能性，其中在串联单个相段P1到P7时每次跳过两个相继的相段P。以这种方式相段P以相序P1-P4-P7-P3-P6-P2-P5通过连接部1e到7e串联。这里线圈分支P1到P7的始端1a到7a为连接整流器组件15按照图2在端面抽出。在这一电路实施方案中相段P1到P7以180°/7≈25.7°的电角度α彼此串联。该变型方案可能相对于根据图2的实现方案在噪声和功率方面较少优化。
根据七分支定子绕组11的串联电路的不同的电路可能性以及根据不同的齿距，因此为串联的相段P各产生位于50°和90°之间的范围内的一个电角度。
本发明不限于按照图1到8表示和说明的实施例。所以在本发明应用在用于具有14V的车身电网电压的汽车的交流发电机的情况下选择定子叠片铁芯18的槽N中的导体数Z大于5而小于10可能是完全适宜的，只要这能提供电机功率的优化。本发明的一种优选的应用在具有四到十八极的齿形电极转子和用调节器控制的激励电流的汽车交流发电机的情况下产生。代替用一根绕组导线绕制的定子绕组的相段，在大功率电机中把预先加工好的导体棒放入定子叠片铁芯的槽中并且以已知的技术将其在绕组端部处连接也许是适宜的。此外既可以把相段的单个线圈彼此串联也可以彼此并联。代替粗的绕组导线也可以用两根或者多根平行的绕组导线绕制相段。
Claims (11)
1.电机，特别是用于汽车的交流发电机，具有转子(12)和在轴向延伸的齿形电极指(44，45)，它们在转子(12)的圆周上作为北极和南极交替，所述电机还具有带有定子铁芯(18)的定子(36)，定子铁芯(18)带有在定子铁芯(18)的槽(35)中设置的定子绕组(11)，其中，定子(36)与转子(12)对置，定子(36)和转子(12)由两个轴承盖(33)支撑，电机具有环形线圈形状的激励绕组(13)，其固定在转子(12)上，定子绕组(11)具有七个相段(P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7)，它们以至少大体相同的电角度α彼此串联，在相段(P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7)串联时分别跳过至少一个相邻的相段(P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7)。
2.根据权利要求1的电机，其特征在于，定子绕组(11)具有可通过各近似径向的冷却空气流冷却的绕组端部(65、66)，该冷却空气流由至少在齿形电极板(42、43)的轴向端上设置的风扇(50)产生。
3.根据上述权利要求之一的电机，其特征在于，所有七个相段(P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7)大小相同，由至少一个线圈、特别由多个线圈(S1到S14)组成，并且以电角度α彼此错开连接，该角度在60°和100°之间。
4.根据权利要求3的电机，其特征在于，相段(P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7)以在70°到90°之间的电角度α彼此错开连接，优选以180°/7*3≈77.1°的电角度α彼此错开连接。
5.根据上述权利要求之一的电机，其特征在于，相段(P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7)以相序(P1-P3-P5-P7-P2-P4-P6)串联，其中分别仅跳过一个相段(P)。
6.根据上述权利要求之一的电机，其特征在于，进行相段(P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7)的连接或者串联，使得定子绕组(11)的电气作用的绕组列及从而七个相段(P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7)在两次循环后闭合。
7.根据上述权利要求之一的电机，特别是用于汽车的交流发电机，其特征在于，相绕组(P1-P7)之间的连接部朝向整流器、特别是朝向具有七个整流器桥(B1-B7)的整流器组件(15)引出。
8.根据权利要求7的电机，其特征在于，相绕组(P1-P7)在电机(10)的两个绕组端部之一上彼此连接，使得从相绕组(P1-P7)之间的连接部(1e-7e)中分别仅有一条电气连接线引向七个整流器桥(B1-B7)之一。
9.根据权利要求5到7之一的电机，其特征在于，每一相绕组(P1-P7)的线圈(S1-S14)、并且优选所有相绕组(P1-P7)各至少用一根绕组导线绕制。
10.根据权利要求5到8之一的电机，其特征在于，定子槽(N1-B14)中的各相段(P1-P7)或者各线圈(S1-S14)的导体(L)的数大于5而小于10，优选为8。
11.根据上述权利要求之一的电机，其特征在于，相段(P1-P7)以大于50％的槽填充系数(Nf)被嵌入电机的定子叠片铁芯(18)的槽(N1-B14)中。
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