CN102035272A - 多相电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相电机，具有围绕转子的环形定子，在定子和转子之间具有气隙；定子具有径向延伸的槽，所述槽限定径向延伸的定子齿。多个电绕组位于所述槽中，以限定沿周边隔开的磁极。独立的线圈组形成电机的多个相。通过对给定线圈组形成具有不同宽度的定子齿来削弱马达扭矩脉动。本发明能够减弱传动系速度振荡，减轻车辆振动和噪音。

Description

多相电机

技术领域

本发明涉及一种多相电机，更为具体地，涉及可用作马达或发电机的电机的定子设计。

背景技术

在传统无刷多相马达-发电机的设计中使用具有设置在其周边的永磁体的转子和围绕永磁体的具有多定子磁极的定子是众所周知的实践。当以多相正弦电压向缠绕在定子上的定子线圈充能时，形成磁通量流型(magnetic fluxflow pattern)。

多相电机的输出扭矩包含不变扭矩分量和变化扭矩分量。变化扭矩分量由于定子和转子中的谐波磁通量分布而形成。电机的总扭矩输出为不变扭矩分量和变化扭矩分量的叠加，其导致了被称为扭矩脉动(torque ripple)的现象。这种扭矩脉动导致传动系速度振荡，其会导致车辆振动和噪音，因为电机与车身和底盘结构共振。扭矩脉动的现象在低车速时特别明显。

被转让给本发明的受让人的美国专利6,867,524描述了电机中的扭矩脉动问题的一个解决方案。该方案包括将电机转子成型为多个节段。这些节段包含堆叠的可渗透性金属叠片，其具有周边开口用于容纳永磁体。当磁极移动越过定子磁极时，磁体的磁通量场与通过多相电压充能的定子电绕组的磁通量场相互作用。节段相对于转子的几何轴线彼此倾斜，这样各个节段的磁极产生的扭矩脉动将趋向于去除相邻磁极的扭矩脉动效应，使得组合的独立扭矩脉动分量将被削弱。

发明内容

本发明提供了一种扭矩脉动问题的可选的解决方案。其包含用于电机的定子，其中改变定子的物理特性以减少前文所述的扭矩脉动效应。本发明的定子可包含多个围绕转子周边的金属叠片(例如多孔含铁叠片)，在定子和转子之间有气隙。

与电机现有定子构造的情况相同，本发明的定子具有容纳定子线圈绕组的大体径向的槽，其中，槽被设置为具有关键的沿着周边的间隔。绕组可被设置为形成多个磁极的线圈组。

本发明的定子中定子槽的数目和电机相位的数目将确定电机的工作特性。例如，其有效地降低了较高的扭矩脉动分量，例如使用已知的电机转子时滞技术(skewing technique)无法有效削弱的第24阶扭矩脉动。

尽管这里公开的本发明的实施例为三相电机，但是本发明可用于具有不同数目相位的电机。其可用在具有永磁体转子的电机中。本发明的范围不受特定设计的限制。出于说明本发明选定实施例的示例的目的而选择本说明书中的设计。

传统电机可具有具有用于容纳定子绕组的径向槽的定子，定子围绕转子，在定子和转子之间具有气隙。两个相邻槽之间的电角度(槽距)(θ)、定子线圈绕组之间的电角度位移(γ)、和线圈节距(δ)对于给定的定子设计和几何形状是固定的。相反，本发明的设计去除了已知设计对θ、γ和δ值的约束。在本发明的情况下，θ、γ和δ值可为与定子的物理限制和尺寸相一致的任意大小。

本发明公开了一种多相电机，具有围绕转子的环形定子，在定子和转子之间具有气隙；定子具有定子槽限定的朝向转子向内延伸的定子齿；定子线圈绕组处于定子槽中用于形成与转子的通量流型互相作用的定子通量流型；定子齿具有至少两种弧厚从而削弱转子扭矩脉动。

本发明还公开了一种用于多相电机的定子，该定子包含定子体，具有位于其内周上在其几何中心轴的方向延伸的内槽，该槽具有多个弧厚，该定子体的内周围绕转子，槽容纳定子线圈绕组，从而削弱了转子扭矩脉动。

本发明还公开了一种用于多相电机的定子，该定子包含定子体，具有位于其围绕转子的内周上的内槽；以及位于槽中的定子线圈绕组，第一对相邻槽的槽距不同于第二对相邻槽的槽距，从而削弱了转子扭矩脉动。

附图说明

图1为具有径向延伸的传统内槽的定子的正等轴测图。

图2为图1的定子的正等轴测图，其中示出了定子的电绕组。

图3为图1中示出的传统定子的单个叠片的平面图。

图4为本发明第一实施例的定子的单个叠片的平面图，其中定子槽的角间距不均匀，由定子槽限定的一个定子齿的厚度与相邻定子齿的厚度不同。

图5为根据本发明第二实施例的定子的单个叠片的示意图，其中定子齿具有三种不同的厚度。

图6为显示了具有传统定子构造的电机的多个转子位置的扭矩脉动的图表。

图7为具有传统定子的电机中由图6中示出的扭矩脉动所导致的马达转速波动时间表。

图8为传统定子的示意图，其中齿距或槽距一致，且定子具有24个槽、4个磁极和4个线圈组，仅出于示出目的而将槽显示为展开形式。

图9为具有24个槽、4个磁极和两个线圈组的传统定子的槽的展开示图。

图10为具有24个槽、4个磁极、两个线圈组和两种不同线圈节距的传统定子的槽的展开示图。

图11为本发明定子的第一实施例的定子槽的展开示图，其中定子具有24个槽和4个磁极。

图12为图11的实施例的另一示图，其中显示了三相绕组。

图13为本发明第二实施例的定子槽的展开示图，其中绕组与图11实施例的情况一样显示为四组。

图14为本发明第三实施例的定子槽的展开示图，其中绕组与图11实施例的情况一样显示为四组。

图15为本发明第四实施例的槽的展开示图，其中使用了线圈节距不同的线圈组。

图16为显示了具有采用本发明特征的定子的电机的第24阶扭矩脉动相对于具有传统定子的电机的扭矩脉动的对比的图表。

具体实施方式

在传统电机以及采用本发明的电机中，两个相邻槽之间的电角度(即槽距)可计算如下：

$\mathrm{\θ}=\frac{N_p}{2}\·\frac{360}{N_t}---\left(1\right)$

其中N_p＝磁极数，N_t＝槽数。

定子绕组的各个相位均具有N_p或N_p/2个线圈组，其中N_p为电机的磁极数。在具有4个磁极的三相电机中，各个相绕组均可具有如图8中所示的四个线圈组或如图9中所示的两个线圈组。

同一相位的任何两个相邻线圈组之间的角位移γ(以电角度来计量)被展示如下：

γ＝M*180        (2)

其中，如果线圈组数等于磁极数，则M＝1；

如果线圈组数等于磁极数的一半，则M＝2。

线圈的跨度角(即以电角度计量的线圈节距)确定如下：

δ＝K_iθ        (3)

其中K_i为整数。

图1在10处显示了用于电机的传统定子。其包含堆叠的多个图3中12处所示类型的叠片。图2显示了具有处于适当位置的线圈绕组24′的图1的定子，如24’和26’处所示。绕组在各个相位的端子处连接在一起，图5中24、26处显示了一个相位的端子。

叠片可由含铁金属形成。其可为环形。当它们堆叠在一起时，其形成如图1中14处所示的圆柱体。

圆柱体14的内周形成有多个径向槽16。槽围绕内周均匀间隔，图3中可看得最为清楚。槽形成宽度一致的定子齿18。

图3的传统叠片设计用于三相电机中的定子。相位由附图标记A、B、C表示。各个附图标记带有加号或减号。出于参考目的，加号指示用于三个相位中一个相位的绕组的单根电线进入的方向。减号用于指示该相绕组的电线的出来。将参考图5解释这种布线方式，图5示出了用于本发明第二实施例的定子的单个叠片。

图6显示了传统电机扭矩脉动的波形17，图7显示了扭矩脉动对转子转速的影响19。本发明将降低图7时间表中19处的转速“峰值”的大小。

图4显示了本发明第一实施例的单个定子叠片。其特征在于限定定子齿的48个槽。槽编号由数字1至48表示，其显示为遍布叠片的360°范围。槽被布置成使得齿具有“较大”宽度和“较小”宽度。各个相位的各个齿通过相同的附图标记或者表示了另一相位的对应齿的附图标记表示。

如20处所示，具有较大弧宽的大齿与第一相位的槽#1直接相邻。22处显示了用于第一相位的具有较小弧宽的小齿。用于第二相位的限定大齿和小齿的第二组槽由字母B表示。限定大齿和小齿的第三组槽由字母C表示。各个字母具有加号或减号取决于绕组进入特定槽还是穿过特定槽返回或离开。

出于描述定子线圈绕组样式的目的，假设图5中绕组从端子24处开始。图5中示出的绕组样式类似于各个实施例的定子设计的绕组样式。图5显示了本发明第二实施例的槽样式，其具有多个槽组，每个槽组具有三个周边宽度不同的齿。绕组进入槽#6并延伸至槽#1。绕组穿过槽#1返回。随后其延伸至槽#7并进入槽#7。其穿过槽#12返回并随后进入槽#18。随后绕组穿过槽#13返回并穿过槽#19进入。随后绕组穿过槽#24返回并穿过槽30进入。随后绕组穿过槽#25返回并穿过槽31进入。随后绕组穿过槽#36返回并穿过槽42进入。随后绕组穿过槽#37返回并穿过槽#43进入。其穿过槽#48返回。随后绕组在端子26处终止从而完成三相电机的第一相位的绕组样式。

三相电机的另两个相位B、C的绕组具有类似的进入和返回样式。槽1至6所限定的齿和其相应的绕组产生第一磁极。类似地，槽#7至#12的齿和绕组产生第二磁极。槽#13至#18的齿和绕组产生第三磁极。槽#19至#24的齿和绕组产生第四磁极。槽#25至#30的齿和绕组产生第五磁极。槽#31至#36的齿和绕组产生第六磁极。槽#37至#42的齿和绕组产生第七磁极。槽#43至#48的齿和绕组产生第八磁极。这样，共有八个磁极和48个槽，其形成由字母A、B、C表示的三个相位。

第一实施例的定子叠片在图4中由附图标记28表示。本发明第二实施例的对应定子叠片在图5中由附图标记30表示。

如上所述，图11显示了第一实施例的单相绕组。图12显示了图4中所示的本发明第一实施例的三相绕组样式。图8、9、10中以图形化六边形示意指示了传统定子设计的绕组。

图8的六边形图形显示于32处。各组绕组均可具有150电角度的线圈节距。各个槽距均可为30电角度。六个槽一组的各线圈绕组均可为180电角度。在图8的实施例中，各个线圈组32包括六个槽。

图9显示了具有24个槽、4个磁极、两个线圈组、且线圈节距为180°的传统定子的相绕组。同样，与图8的设计的情况一样，槽距为30电角度。在图9的绕组的情况下，线圈组之间的角位移为360°。

图9中显示的第一线圈组的绕组由附图标记34和36表示。各个组的绕组穿过定子齿任一侧的相邻槽。绕组34、36的线圈节距为180电角度。相邻的线圈组具有两组绕组38、40，其分别与绕组34、36类似，但彼此间隔开360电角度，而非图8中所指示的180°。

图10中显示了用于传统定子的另一相绕组。在图10的情况下，相绕组具有24个槽、4个磁极、和两个线圈组。两个线圈组之间的角位移为360°。线圈组的一个绕组的线圈节距为150电角度。另一线圈节距为210电角度。

图11的定子显示了本发明第一实施例的一个示例，其具有两种厚度的定子齿，以交替顺序设置遍布在定子的周边。这导致了两种槽距。图11的实施例的线圈组具有三个窄(小)定子齿。两个宽(大)定子齿设置在窄定子齿之间。窄齿的一侧和宽齿的对应侧之间的齿距可为40电角度。在各个线圈组中窄齿和宽齿的靠近侧之间的齿距可为20电角度。图11中所示的任何两个线圈组之间的角位移可为180°。各组本身的线圈节距可为140°。图11的实施例的绕组可类似于先前参考图5所描述的绕组。

图12为三相电机各个相位的绕组的一个实例的示意图。相位B、C的绕组可与参考图11描述的用于第一相位(即相位A)的绕组相同。图11的相位B的绕组可从相位A的绕组角位移120电角度。图11中相位C的绕组可与相位A的绕组的位置相差240电角度。

与图10、11、12中的示意图的情况一样，未显示各个线圈组的绕组之间的连接。

图13显示了本发明第一实施例的绕组样式，其类似于图11的绕组样式，除了一个线圈组的线圈边缘偏移了一个定子槽。图13中两个相邻线圈组之间的角位移等于图13中窄定子齿的宽度而非图11中宽定子齿的宽度。图13中的线圈节距的示例中，线圈节距增加至160电角度而非图11中所示的示例的140电角度。

图14显示了第三定子实施例，其具有三个不同的齿厚。具体地说，图14的实施例在各个线圈组中具有宽齿厚度、中等齿厚度、和窄齿厚度。在图14的实施例中，相邻线圈组之间的角间隔相差β电角度。这是由于定子齿的不同厚度引起的。此外，图14的设计具有三个槽距，即40电角度、30电角度、和20电角度。同样，图14中未显示线圈之间的连接。图14的相绕组样式可与图11中所示本发明的第一实施例的相绕组样式相同。

在图14中，β＝20电角度(即，190°-170°＝20°)。然而，根据设计的选择，β值可与20°不同。

图15中显示了本发明第四实施例。图15中相位A的线圈具有两个线圈节距，即160电角度和140电角度。相同相位的两个相邻线圈组之间的角位移为180电角度。定子具有三个槽距，即40°、30°、和20°。

图11至15中所示的实施例有更多变形，其对本领域技术人员是显而易见的。

除了图11-15的实施例的齿尺寸变量和绕组样式之外，还可使用其它齿间距和绕组样式而不脱离本发明的范围。

图16为使用本发明的定子构造和定子绕组样式可获得的改进程度的示意图。50处显示了使用传统定子构造和传统定子绕组样式的以第24阶扭矩脉动为特征的扭矩。52处显示了使用本发明的改进定子构造和定子绕组样式的第24阶扭矩脉动的对比扭矩。

尽管已经公开了本发明的实施例，但应理解的是，本领域技术人员可进行修改而不脱离本发明的范围。权利要求意图覆盖本发明的所有这种修改及其等效变化。

Claims (5)

1.一种多相电机，具有围绕转子的环形定子，在所述定子和所述转子之间具有气隙；

所述定子具有定子槽，所述定子槽限定朝向所述转子而向内延伸的定子齿；

定子线圈绕组处于所述定子槽中，用于形成与所述转子的通量流型互相作用的定子通量流型；

所述定子齿具有至少两种弧厚，从而削弱转子扭矩脉动。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述定子具有沿周边隔开的多个第一齿和沿周边隔开的多个第二齿，所述多个第二齿中的至少一个齿位于一对第一齿的齿之间，第二齿的弧厚小于第一齿的弧厚。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述定子齿具有多组具有第一弧厚、第二弧厚、和第三弧厚的齿。

4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，定子线圈绕组形成三个相位和多个磁极。

5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述定子具有三个相位，第一组槽容纳第一相位的定子线圈绕组，第二组槽容纳第二相位的定子线圈绕组，第三组槽容纳第三相位的定子线圈绕组；三个相绕组连接至多相电源。

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