CN101689774A - 具有12个定子齿和10个转子极的同步电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电机，尤其是一种同步电机，它具有一个定子装置(3)，包括12个定子齿(2)和具有10个转子极(4)的转子(6)，其中转子极(4)通过气隙(9)分开，而且转子极(4)设计成正弦极。

Description

具有12个定子齿和10个转子极的同步电动机
技术领域
本发明涉及一种具有12个定子齿和10个转子极的同步电动机，尤其是用于电转向增力器。
背景技术
在用于汽车中具有电机支持的转向系统的电驱动装置中，必需使轴上所产生的驱动力矩的波动很小。通常将永久磁体励磁的电子整流同步电机应用作为这样的驱动装置，因为这种装置由于其功率密度，其效率和其对于这种应用的可调节性而被优选。在电子整流同步电机中，然而由于谐波而产生所谓谐波矩，这种谐波矩可能导致转矩有很大波动。因此必须这样来设计这样的驱动装置，使这些谐波尽可能地减小或者对转矩曲线的影响比较小。
此外在这种同步电机里，不仅在有负载时，而且也在称为制动力矩的无电流定子绕组中出现转矩的波动。一种用来减小制动力矩的通常方法在于：选择定子槽数与极数的比例，使得最小公倍数尽可能地大。这例如可以通过精细分布的绕组来达到(例如每个极和相具有q＝2，或者说2个槽)。然而在小电动机时由于空间位置狭小，往往不可能将一个精细分布的绕组置入在电枢里，以便产生具有小的谐波成分的的气隙场。因此尤其是在这种结构形式较小的同步电机时，必须考虑气隙中的谐波。然而谐波应该是这样的，它们并不产生或者只有很小的谐波矩。因而在小的同步电机时往往就转变成分数槽绕组(每个极和绕组相的槽数)。这例如在一种在定子里具有9个定子齿和有8个转子极的，或者说在定子里具有18个定子齿和8个转子极的同步电机来达到。
另外一个主要的要求在于：电机更可靠。与电励磁的电机不同，在永久磁体励磁时不可能使磁场断开。这可能在故障情况下，例如像绕组里的短路，导致很大的制动力矩，当使用在一种转向系统中时，可能导致转向的卡锁。因此希望能提供一种电动机，它们具有低的失效概率，而在故障情况下具有小的制动力矩。
发明内容
因而本发明的任务是提出一种同步电机，其结构简单，具有小的制动力矩和小的力矩波动，而且除此之外由于其结构原理提高了可靠性。
这个任务通过按照权利要求1所述的同步电机来解决。
本发明的其它有利的设计方案在从属权利要求中加以说明。
按照一个方面，设计一个电机，尤其是一种同步电机。电机包括有一个具有12个定子齿的定子装置以及一个具有10个转子极的转子，其中转子极通过气隙分开，而且转子极设计成正弦极。
具有12个定子齿和10个转子极的电机的结构与转子极结构的结合有以下优点：制动力矩和谐波矩相比于一种没有正弦极的电机来说可以明显的降低。
此外在极之间的切向气隙可以在径向方向上向外扩展。
按照另一种实施形式，每个转子极设有一个永久磁体，其北极-南极-方向径向延伸，其中相邻永久磁体的极性相反。
此外，转子极构造成跟随极布置，其中仅每隔一个转子极设置一个永磁体，其北极一南极方向沿径向延伸，永磁体的极性同向。
按照另一种实施形式，可以尤其是在槽里设置有竖在转子之内的永久磁体，其北极-南极-方向沿圆周方向。相邻的竖起的永久磁体具有相反的极性方向。
此外在每两个转子极之间可以设有一个槽用于安放其中的一个永久磁体，其中只是每隔一个槽分别装有一个永久磁体。
定子齿可以对应于跟随齿的布置来缠绕，其中只是每隔一个定子齿有一个定子线圈。
此外每个定子齿可以设有一个定子线圈，其中定子线圈设计成分别具有两个串联的定子线圈的组，其中定子线圈组可以成一个或几个星形线路。定子线圈组尤其是可以成一种双星形线路，它们分别具有三个定子线圈组，其中对应的三个定子线圈组与三个相电压的接头连接。
每个定子齿可以备选地设有一个定子线圈，其中定子线圈设计成分别具有两个串联的定子线圈的组，其中定子线圈组可以连接成一个或几个三角形线路。定子线圈组尤其是可以连接成一种双三角形线路，它们分别具有三个定子线圈组，其中对应的三角形线路的每一个的定子线圈的三个组与三个相电压的接头连接。
附图说明
以下按照附图所示对本发明的优选的实施形式进行详细说明。所示为：
图1按照本发明的第一种实施形式的一种12/10同步电动机的横断面图；
图2按照本发明的另一种实施形式的一种12/10同步电动机的一个转子的横断面图；
图3按照本发明的另一种实施形式的一种12/10同步电动机的一个转子的横断面图；
图4按照本发明的另一种实施形式的一种12/10同步电动机的一个转子的横断面图；
图5按照本发明的另一种实施形式的一种12/10同步电动机的一个转子的横断面图；
图6按照另一种实施形式的一种定子装置的横断面图；
图7至12按照上面的实施形式的12/10同步电动机的定子线圈接线的不同方案。
具体实施方式
在以下的实施形式中相同的附图标记对应于相同的或者有可比的功能的元件。
图1表示了按照本发明的一个实施形式的同步电动机1的横断面图。同步电动机1的结构具有12个定子齿和10个转子极，以下称之为12/10同步电动机。定子齿2布置在一个定子3上，因此它们各自的齿头5向着共同的中心，其中它们各自的中心轴线延伸在径向方向上，围绕一个优选包围住环状定子2的中心。此外定子齿2均匀地，也就是说，相互以相同的间距(角度偏转)分布在定子3的内部。在定子3内部此外还有一个转子6，其转动轴线优选相应于中心。在转子6上均匀地围绕圆周分布设置了10个极磁体7(永久磁体)，其极向基本上在转子6的径向方向上。相邻的极磁体7在径向方向上具有相反的极性，其中分别有两个方向相同的极磁体对于转子轴线来说相互对峙布置。
定子齿2由定子线圈8围住，后者在所示的实施例中分别包围住一个定子齿2(在所示实施例中，为了一目了然起见只表示了一个定子线圈)。其优点在于：与包围住两个或者几个定子齿2的定子线圈8中的由现有技术已知的实施形式相反，可以避免交叉布置的绕组相，因此减小了发生短路的概率并因此可以提高可靠性。为了清楚起见在图1中只表示了一个定子线圈8。
转子6的极磁体7埋入在转子6里，也就是说，设计成所谓掩埋的磁体。转子6的一个基本为圆柱形的外圆周面设有转子极并在转子极4之间设有气隙9，这气隙从一个限制住气隙的深度的隔片出发，在径向方向上向外扩展，以形成所谓的正弦极。正弦极是一个电动机的磁极，在此磁极中有一种正弦状的气隙感应。这样的正弦极例如已经由鲁道尔夫莱西特(Rudolf Richter)在“电机”，第一卷第170页，爵留世-斯珀林尔出版社(Julius-Springer-Verlag)，1924中进行了说明。因为极间隙的，也就是在两个极之间的气隙里的轮廓并不能符合精确的公式，因此可以按照机械的观点来设计永久磁体6之间的这个部位。因而例如使这通过正弦极构造所规定的轮廓在各自的转子极4上只是一直继续到某一个宽度。两个极之间的间隙只是设计至某一个深度，这是因为它在这个部位里对于气隙场没有什么大的作用。在这个部位里它按照机械的观点来设计。
气隙的扩展在掩埋式永久磁体时导致了：在径向方向上在永久磁体之外，通过其极使转子6的材料比转子6的外径的圆周线弯曲得更强烈，因此在转子6的极4之间形成了扩展的气隙。气隙的轮廓产生了一个通过磁极转子的近似为正弦状的气隙场，因而可以在空转时明显地降低制动力矩，而在受载时降低谐波矩。优先应用了气隙扩展的轮廓的一个近似函数，它可以用1/cos(PΦ)表示。P表示了极对数，Φ表示从极4的一个中心线开始的空间角。(这个近似公式的更准确的说明可以见DE103 14 763)
图2表示了用于按照本发明的另一种实施形式的同步电动机的转子6的横断面图。转子6设计成一种跟随极布置(Folgepolanordung)，并只有五个相同指向的永久磁体7，其中只是每两个转子极4设置有一个永久磁体7。没有设置永久磁体7的转子极4通过邻接的相同指向的永久磁体7，由于磁轭通过转子6的材料形成。这在图2所示的同步电动机时，导致了一种具有5个主极和5个跟随极的转子装置。一种这样的跟随极装置可以有利地应用在一种12/10同步电动机中，因为一种这样的同步电动机不产生半个阶(1/2＝0.5)的(波长＝二倍的转子基波＝四倍的极距)，或者其奇数的多倍的次谐波的定子波。通过跟随极布置的可能性可以降低尤其是在结构小的电动机时的装配费用，节省相对昂贵的永久磁体。
在图3的实施形式中表示了一个按照本发明的另一个实施形式的同步电动机的转子的横断面图。永久磁体6布置在梯形槽10里，因而主极的磁力线的影响可以通过相邻跟随极的磁力线来减少。梯形槽10设计成在径向方向上向里逐渐变小。所使用的永久磁体7例如设计成长方体形或者整面包状，因此在各自一个梯形槽10的壁和对应的永久磁体7之间形成一个空腔，该空腔用于使返回的磁通以一定的间距在永久磁体旁经过。反过来可以使槽向着里面也扩展。因此可以将槽继续向外移动到极里，并使磁体设置在气隙附近。
图4表示了一个带有竖起的磁体的转子装置的另一个实施形式。与如此布置永久磁体，从而使永久磁体7的北极和南极于径向方向上延伸相反，图4表示了一种实施形式，其中永磁体7由这样提到的轮辐磁体构成，其磁极布置在圆周方向上。相互指向的极磁体相应于同样的极。永久磁体7布置在竖起的槽12里。通过布置在竖起的永久磁体7之间的转子材料，使磁力线向外导引，其中通过转子6的对应于一种正弦极成型的外表面，在位于两个相邻的竖起的永久磁体7之间的扇段里，同样也导致一种正弦状的气隙场，它具有上述的优点。永久磁体7布置成轮辐磁体可以提高转矩密度和同步电动机的极通。通过布置成轮辐磁体7可以使磁通从永久磁体7向着转子6的转子极4集中，并可以通过气隙产生更大的极通。因此可以在永久磁体7具有相同的结构尺寸和数量时产生更大的转矩。
图5表示了一种在应用轮辐磁体7时的跟随极布置，其中只是在转子6的每两个槽12里布置了一个轮辐永久磁体7，而位于其间的槽12却空着。在永久磁体7的轮辐布置时也可以实现一种跟随极布置，尽管没有形成主极和跟随极，而是转子极4基本上引起了一种相同的磁力线曲线。为了提高一个这样的转子6的机械稳定性，合理的是：给未装备的槽12装上非活性磁材料。这些空的槽12此外还可以被用于其它的结构部分。
图6表示了一种同步电动机的定子装置，其中每隔一个定子齿2不缠绕，因此只需设有6个定子线圈8。一种这样的布置相应于上面所述的跟随极布置，称为跟随齿布置，其中不缠绕的定子齿2通过磁轭形成一种具有功能的定子齿2。一种这样的定子装置可以每一种以前所述的转子装置应用。
在图7至12中表示了图1至5所示的实施形式的定子线圈8的电接线的不同实施形式。分别有两个定子线圈8相互串联，优选是两个在定子里相互对峙的定子线圈8。分别有两个串联的定子线圈8在触发时引起了径向方向上反向的磁通。也就是说，如果两个定子线圈8中之一的磁通方向在转子6的方向上，那么对应的另外的定子线圈8的磁通方向与之相反，也就是说从转子6离开。
12个定子线圈也就是构成了6个组，每个组分别有两个串联的，在定子里直径方向相互对峙的定子线圈8，它们通过三个相U，V，W进行电触发。分别有两个定子线圈8的组连接于一个相。图7表示了定子线圈8的组的星形线路的接线，也即是说，定子线圈8的每个组以一个接头与相U，V，W之一连接，并用另一个接头与一个共同的星点S连接。
图8表示了一种三角形线路的接线，其中分别有两组定子线圈8相互并连接，并且对应的并联电路用其两个节点与并联电路中的另一个的一个节点连接，以便形成一种三角形线路。每个节点与相U，V，W之一连接。
如图9所示，定子线圈8的组也可以成星形线路接线，其具有分开的星点S1，S2，其中三个定子线圈8的组分别通过三个相运行，并具有一个共同的星点，因此两个相互并行地与相U，V，W连接的星形线路并排存在。
图10至12表示了定子线圈8的接线，它们分别用两个三相的系统来驱动。
图10表示了具有一个共同的星点的接线，其中定子线圈8的三个组分别用分开的三相触发电压U1，V1，W1或U2，V2，W2来驱动。
在图11中表示了一种实施形式，其中三组定子线圈8构造得完全相互独立，也就是三组定子线圈8通过一个共同的星点S1相互成星形线路连接，并且由第一三相系统的相电压来驱动，而具有三组定子线圈8的另一个星形线路S通过另一个三相系统的相电压来驱动。有利的是：一种这样的系统以对称的构造设置在定子里。
类似于图11的实施形式，图12的实施形式表示了一种三角形线路的接线，其中两个相互独立地运行的三角形线路分别具有三组各两个定子线圈8，三角形线路相互并排尽可能对称地设置在定子上。星点分成两个或几个相互分开的星点，或者说设置具有分开触发的定子线圈装置具有以下优点：在故障情况下，也就是说，出现短路和类似情况时，可以降低所引起的制动力矩。

Claims (14)

1.电机(1)，尤其是同步电机，它包括有
具有12个定子齿(2)的定子装置(3)，
具有10个转子极(4)的转子(6)，
其中转子极(4)通过气隙(9)分开，而且转子极(4)设计成正弦极。
2.按权利要求1所述的电机，其中切向气隙(9)在径向方向上向外扩展。
3.按权利要求1或者2所述的电机，其中通过转子极(4)和气隙(9)形成的正弦极的极轮廓按照具有1/cos(PΦ)的近似函数设计。
4.按权利要求1，2或者3所述的电机，其中每个转子极(4)设有永久磁体，其北极-南极-方向为径向，其中相邻的永久磁体(7)的极性相反。
5.按权利要求1，2或者3所述的电机，其中转子极(4)设计成跟随极布置，其中只是每隔一个转子极(4)设有一个永久磁体(7)，其北极-南极方向径向延伸，其中永久磁体(7)的极性方向相同。
6.按权利要求1，2或者2所述的电机，其中尤其是在槽里设置有竖起在转子(6)之内的永久磁体(7)，其北极-南极-方向沿圆周方向延伸。
7.按权利要求6所述的电机，其中相邻的竖起的永久磁体(7)具有相反的极性方向。
8.按权利要求6所述的电机，其中在两个转子极(4)之间设有槽(12)用于安放永久磁体(7)，其中只是每隔一个槽(12)设有一个永久磁体(12)。
9.按权利要求1至8所述的电机，其中定子齿(2)对应于跟随齿布置来缠绕，其中只是每隔一个定子齿(2)有一个定子线圈。
10.按权利要求1至8之一所述的电机，其中每个定子齿(2)设有定子线圈(6)，其中定子线圈(8)设计成分别具有两个串联的定子线圈(8)的组。
11.按权利要求9或者10所述的电机，其中定子线圈(8)的组接成一个或几个星形线路。
12.按权利要求9或者10所述的电机，其中定子线圈(8)的组以两个分别具有定子线圈的三个组的星形线路相接，其中对应的定子线圈(8)的三个组与三个个相电压的接头连接。
13.按权利要求9或者10所述的电机，其中定子线圈(8)的组以一个或多个三角形线路相接。
14.按权利要求13所述的电机，其中定子线圈(8)的组以两个分别具有定子线圈(8)的三个组的三角形线路相接，其中所述三角形线路中的每一个的定子线圈(8)的对应的三个组与三个相电压的接头连接。
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