CN101847922A - 用于智能致动器的优化电动机器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于智能致动器的优化电动机器。单定子电动机器包括用于产生第一磁场的多个磁体。每个相应磁体代表相应转子极。磁体保持器保持所述多个磁体。定子被置于所述多个磁体的径向外部以产生第二磁场。所述定子包括由槽隔开的多个定子极且每个所述定子极具有以相应匝数绕每个相应定子极形成的集中绕组。在所述定子中的每个相应集中绕组包括非重叠相，这增加了所述定子的所述绕组的有效长度并且减小每个相应绕组相对于每个定子极的外伸从而提高了转矩效率。转子极的数量至少是八，并且转子极的数量和定子槽的数量具有至少为36的最小公倍数。

Description

用于智能致动器的优化电动机器
技术领域
本实施例总体上涉及双定子电动机器。
背景技术
电动机器通常被设计成实现特定操作特征。例如，具有拖杯形转子的电动机器具有非常小的惯性特性。感应机器通常具有无转矩波动的特性，而常规永磁体同步机器具有大的转矩安培比。不过，实现相应的特定操作特征通常导致牺牲其他的操作特征。虽然上述示例均实现了一个所需操作特征，但是这通常是以不获得一个其他的相应所需操作特征为代价来实现的。也就是说，上述装置均不能在单个电动机器中实现所有的所需操作特征。
发明内容
本发明实施例的优点在于电动机器在同一机器中提供了最佳的操作特征，例如大的转矩安培比、大的转矩惯量比以及小的转矩波动。
单定子电动机器包括用于产生第一磁场的多个磁体。每个相应磁体代表相应转子极。磁体保持器保持多个磁体。磁体保持器具有圆形结构，且多个磁体被定位成围绕磁体保持器的圆形结构。定子被置于多个磁体的径向外部以产生第二磁场。磁体和定子具有在其间形成的第一气隙。定子包括由槽隔开的多个定子极且每个定子极具有以相应匝数绕每个相应定子极形成的集中绕组。在定子内的每个相应集中绕组包括非重叠相。集中绕组增加了定子绕组的有效程度并且减小了每个相应绕组相对于每个定子极的外伸以便提高转矩密度和机器效率。转子极的数量至少是八。转子极的数量和定子槽的数量具有至少为36的最小公倍数。
本发明还提供了以下方案：
方案1：一种单定子电动机器，包括：
用于产生第一磁场的多个磁体，每个相应磁体代表相应转子极；
用于保持所述多个磁体的磁体保持器，所述磁体保持器具有圆形构造且所述多个磁体被定位成围绕所述磁体保持器的所述圆形构造；以及
被置于所述多个磁体的径向外部以产生第二磁场的定子，所述磁体和所述定子具有形成在其间的第一气隙，所述定子包括由槽隔开的多个定子极且每个所述定子极具有以相应匝数绕每个相应定子极形成的集中绕组，在所述定子中的每个相应集中绕组包括非重叠相，所述集中绕组增加所述定子的所述绕组的有效长度并且减小每个相应绕组相对于每个定子极的外伸从而增大转矩密度并提高机械效率；
其中转子极的数量至少是八，并且其中转子极的数量和定子槽的数量具有至少为36的最小公倍数。
方案2：根据方案1所述的电动机器，其中所述磁体保持器和所述多个磁体形成无芯转子。
方案3：根据方案2所述的电动机器，其中所述磁体保持器由磁性材料制成以便与所述定子和多个磁体配合来产生通量环路，并且其中所述磁体保持器能旋转以便产生转矩。
方案4：根据方案2所述的电动机器，还包括被置于所述磁体保持器的径向内部的固定磁性内芯，其中在所述磁性内芯和所述磁体保持器之间形成第二气隙，其中所述固定磁性内芯与所述定子和多个磁体配合产生通量环路，并且其中所述磁体保持器由非磁性材料制成。
方案5：根据方案1所述的电动机器，其中所述集中绕组包括大于0.7的绕组因数。
方案6：根据方案1所述的电动机器，其中定子槽的数量是偶整数。
方案7：根据方案1所述的电动机器，还包括连接于所述磁体保持器并与所述磁体保持器同轴的轴，所述轴被构造成连接于从动部件，其中由所述磁体和所述定子产生的电磁力被转换成机械转矩，所述机械转矩经由所述磁体保持器和轴被施加于所述从动部件。
方案8：根据方案7所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于主动悬架系统的致动器。
方案9：根据方案7所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于半主动悬架系统的致动器。
方案10：根据方案7所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于电动转向系统的致动器。
方案11：根据方案7所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于机电制动系统的致动器。
方案12：根据方案7所述的电动机器，能够被用作混合动力推进系统的牵引机器。
方案13：根据方案7所述的电动机器，能够被用作燃料电池推进系统的牵引机器。
方案14：根据方案7所述的电动机器，能够被用作电动推进系统的牵引机器。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的电动机器沿直径平面的截面图。
图2是根据本发明第一实施例的电动机器沿横向平面的截面图。
图3是根据本发明第一实施例的磁体保持器和磁体的截面图。
图4是三相电动机器的集中绕组结构的电气示意图。
图5是电动机器的第一相的集中绕组结构的电气示意图。
图6是电动机器的第二相的集中绕组结构的电气示意图。
图7是电动机器的第三相的集中绕组结构的电气示意图。
图8是现有技术的常规重叠绕组的绕组结构的电气示意图。
图9是示出转子极和定子槽的优化组合的表格。
图10是根据本发明第二实施例的电动机器沿直径平面的截面图。
图11是根据本发明第二实施例的电动机器沿横向平面的截面图。
图12是根据本发明第二实施例的磁体保持器和磁体的截面图。
具体实施方式
参考图1和图2，分别示出了电动机器10沿轴向直径平面和横向平面的截面图。如这里所述的电动机器10被用于需要大转矩和快速响应时间的装置和系统，例如半主动或主动悬架系统、电动转向系统、机电制动系统或类似系统。电动机器10是具有被固定在机器壳体15中的定子12和内芯14的单定子电动机器。第一定子12和内芯14是在机器壳体15中彼此同轴的并且具有不同直径。第一定子12具有集中绕组。集中绕组是将在下面被详细描述的非重叠绕组。
多个磁体16被径向置于定子12和内芯14之间。多个磁体16被柱形构造的磁体保持器18保持从而可在定子12和内芯14之间形成的空间内旋转。多个磁体被构造成使得具有第一极性的每个磁体与具有第二极性的每个磁体交替。因此，具有第一极性的每个相应磁体与具有第二极性的磁体并置。南极磁体一般由17标出，而北极磁体一般由19标出。图3中大体示出了磁体保持器18和相应磁体的截面图。应该理解的是，仅示出磁体保持器的一种构造，并且该磁体保持器不限于所示的磁体保持器。
定子12被置于多个磁体16的径向外部一相应距离，从而在其间形成第一气隙20。内芯14被置于磁体保持器18的径向内部一相应距离，从而在其间形成第二气隙22。定子12与内芯14和多个磁体16相配合来产生所示的通量路径，从而产生电磁场，所述电磁场被转换成转矩形式的机械能。
磁体保持器18在磁体保持器18的第一端被连接到轴24。磁体保持器18在磁体保持器18的第二端被轴承表面25支撑。轴24轴向延伸穿过电动机器10并且与多个磁体16同轴。当轴24延伸穿过机器壳体15时，第一轴承26和第二轴承28支撑轴24。轴24延伸穿过机器壳体15内的孔并且被构造成连接于电动机器10外部的相应部件29从而向相应部件29施加转矩。该部件可以包括主动悬架系统、电动转向系统、电动制动系统或类似系统的致动器。磁体保持器18优选地由非磁性不锈钢制成。可替换地，磁体保持器18可以由提供适当强度以便将机械转矩传递到相应车辆系统的其他非磁性材料制成。磁体保持器18与轴承表面25配合以及与轴承26和28所支撑的轴24间的连接保持了定子12和内芯14之间的空间关系。相应的轴承允许磁体保持器18和多个磁体16在定子12和内芯14之间径向形成的空间内旋转。
如图1所示的电动机器10省去了通常在常规电动马达(例如永磁体电动机器)中使用的常规转子和一体成形的转子轴。与第二气隙22配合的内芯14用作转子芯来提供磁通量路径，而该磁通量路径在标准永磁体马达中是由转子芯提供的。省去常规转子芯和一体成形的轴可以减小电动机器的旋转部分的整体重量，从而减少电动机器10的惯量。同时，内芯提供了磁通量路径，以便产生大转矩。
如前面所述，定子12具有非重叠集中绕组。图4-7示出图释了集中绕组的绕组结构。应该理解的是，绕组集中的绕组结构仅是示例性的并且这里可以使用任意结构的集中绕组。电动马达10是具有第一相(A)、第二相(B)和第三相(C)的三相马达。
由定子极32和定子极34代表了集中绕组结构中的相应一对接连缠绕的定子极。绕定子极32和34的绕组被电连接到相A。以集中结构绕定子极32形成第一绕组36，其包括在引出导线38离开定子极32之前以预定匝数连续缠绕定子极32并且其在到达下一个定子极34之前保持不中断。在定子极34处，通过以预定匝数连续缠绕定子极34来形成第二绕组40。之后，第二绕组40电连接到中性点30。使用集中绕组结构将下一对接连定子极电连接到相B。类似地，使用集中绕组结构将下一对接连定子极电连接到相C。对于相应定子的剩余的每一对接连定子极，重复绕组模式。相反，常规叠置绕组结构包括在进行到下一个极之前仅使用单匝缠绕相应极。接连地进行常规叠置结构的绕组，从而最终返回到每个先前缠绕极从而增加了绕定子极的附加匝。因此，将接连定子极电连接的引出导线的数量将等于在每个定子极上形成的匝数。在接连极之间的多个引出导线彼此叠置从而产生了从相应定子径向向外延伸的外伸，如图8所示。在优选实施例中，如图4所示，仅单条引出导线电连接相应一对定子极。与常规叠置绕组结构相比，单条非重叠引出导线导致显著地减少了外伸。外伸的减少导致了封装尺寸内定子有效长度的增加从而增加了转矩密度。也就是说，在集中绕组结构中，全部绕组中的大多数被形成作为与连接相应匝的引出导线不同的部分匝，从而将整个绕组的长度集中到每个相应定子极。这导致减小了定子铜损失并且提高了电动机器的效率。对于相同的封装尺寸而言，减小端匝的长度会导致更长的有效定子长度，从而对于相同操作范围而言实现大的转矩安培比或者大的功率密度。由于提高了效率，所以增加机器的功率密度不会影响其热性能。
在利用具有集中绕组的电动机器时，与常规转子相比优选地可以使用增加数量的转子极(即磁体)。增加极的数量允许减小定子芯的厚度。减小定子芯的厚度，导致减小了电动机器的整体重量。此外，增加电动机器中极的数量还产生了正弦反电动势，这提供了减小转矩波动的优势。
应该理解的是，可以选择相应的极/槽组合以便除了减小拉电流(current draw)能力和转矩波动之外还优化电动机器的转矩输出。图9示出了标示出转子极(即磁体)和定子槽组合的表格。表格标示了转子极和定子槽组合的最小公倍数(LCM)，并且此外，以某种组合示出了绕组因数。LCM是可以由每个转子极和定子槽数量除尽的最小整数。LCM越大，则产生的转矩波动越小。优选地，选择大于8的转子极数量并且选择具有至少为36的LCM的转子极和槽组合。
绕组因数被限定为由实际绕组所关联的通量与已经由具有相同匝数的整节距集中绕组所关联的通量之间的比。绕组因数值越大，则转矩密度越大。优选地，选择大于0.7的绕组因数。
当选择提供了这里所述优点的组合时，应该选择提供了最大LCM和最大绕组因数的组合。不过选择具有最大LCM和绕组因数的组合也是有缺点的。例如，具有奇数定子槽的那些组合可能引起不平衡磁力，这会导致振动。作为可接受选择的组合是那些用星号标示的组合。那些具有大LCM值和绕组因数但可能会振动的组合是那些具有奇数槽的组合并且被#标记标出。
参考图10和图11，分别示出了第二实施例的电动机器50沿轴向平面和横向平面的截面图。相同附图标记将被用于类似部件。电动机器50是具有被固定在机器壳体51中的定子12的单定子电动机器。如前所述，定子12具有集中绕组。
多个磁体16被柱形构造的磁性磁体保持器52保持从而可在位于从定子12径向向内的空间内旋转。图12中大体示出了磁性磁体保持器52和相应磁体的截面图。定子12被置于多个磁体16的径向外部一相应距离，从而在其间形成第一气隙20。磁性磁体保持器52在磁性磁体保持器18的第一端54和磁性磁体保持器52的第二端56被连接到轴24。轴24轴向延伸穿过电动机器10并且与多个磁体16同轴。当轴24延伸穿过机器壳体15时，第一轴承26和第二轴承28支撑轴24。轴延伸穿过机器壳体52内的孔并且被构造成连接于电动机器10外部的相应部件29从而向相应部件29施加转矩。磁性磁体保持器18优选地由例如导电钢或类似材料的磁性材料制成。被轴24支撑的磁性磁体保持器52维持与定子12的空间关系。磁性磁体保持器52和多个磁体16在从第一定子12径向向内形成的空间内旋转从而为相应部件29提供转矩。
与非磁性磁体保持器相比，磁性磁体保持器52必须具有更大的径向厚度，因为磁性磁体保持器52用作内芯来完成通量路径。如所示，定子12与磁性磁体保持器52和多个磁体16相配合来产生通量路径，从而产生电磁场，所述电磁场被转换成转矩形式的机械能。应该理解的是，可以使用图4-7和图9中所述的集中绕组和转子与极的选择来配合如这里所述的电动机器50。
虽然已经具体描述了本发明的特定实施例，不过本发明相关领域的技术人员将意识到各种可替换设计和实施例来实现如所附权利要求所限定的发明。

Claims (10)

1.一种单定子电动机器，包括：
用于产生第一磁场的多个磁体，每个相应磁体代表相应转子极；
用于保持所述多个磁体的磁体保持器，所述磁体保持器具有圆形构造且所述多个磁体被定位成围绕所述磁体保持器的所述圆形构造；以及
被置于所述多个磁体的径向外部以产生第二磁场的定子，所述磁体和所述定子具有形成在其间的第一气隙，所述定子包括由槽隔开的多个定子极且每个所述定子极具有以相应匝数绕每个相应定子极形成的集中绕组，在所述定子中的每个相应集中绕组包括非重叠相，所述集中绕组增加所述定子的所述绕组的有效长度并且减小每个相应绕组相对于每个定子极的外伸从而增大转矩密度并提高机械效率；
其中转子极的数量至少是八，并且其中转子极的数量和定子槽的数量具有至少为36的最小公倍数。
2.根据权利要求1所述的电动机器，其中所述磁体保持器和所述多个磁体形成无芯转子。
3.根据权利要求2所述的电动机器，其中所述磁体保持器由磁性材料制成以便与所述定子和多个磁体配合来产生通量环路，并且其中所述磁体保持器能旋转以便产生转矩。
4.根据权利要求2所述的电动机器，还包括被置于所述磁体保持器的径向内部的固定磁性内芯，其中在所述磁性内芯和所述磁体保持器之间形成第二气隙，其中所述固定磁性内芯与所述定子和多个磁体配合产生通量环路，并且其中所述磁体保持器由非磁性材料制成。
5.根据权利要求1所述的电动机器，其中所述集中绕组包括大于0.7的绕组因数。
6.根据权利要求1所述的电动机器，其中定子槽的数量是偶整数。
7.根据权利要求1所述的电动机器，还包括连接于所述磁体保持器并与所述磁体保持器同轴的轴，所述轴被构造成连接于从动部件，其中由所述磁体和所述定子产生的电磁力被转换成机械转矩，所述机械转矩经由所述磁体保持器和轴被施加于所述从动部件。
8.根据权利要求7所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于主动悬架系统的致动器。
9.根据权利要求7所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于半主动悬架系统的致动器。
10.根据权利要求7所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于电动转向系统的致动器。
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