CN102217172A

CN102217172A - 电机

Info

Publication number: CN102217172A
Application number: CN2009801456945A
Authority: CN
Inventors: 古拉克·达亚库
Original assignee: FEAAM GmbH
Current assignee: FEAAM GmbH
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2029-11-13
Also published as: US9318926B2; US20120025634A1; WO2010054651A2; WO2010054651A3; CN102217172B; DE102008057349B3

Abstract

公开一种包括定子(8)和转子(9)的电机。定子包括用于容纳电绕组的线圈的槽口(1、2)。线圈在第一槽口(1)内具有第一匝数(n1)，在第二槽口(2)内具有第二匝数(n2)。

Description

电机

本发明涉及一种电机。

电机通常包括固定于壳体的定子和可相对于定子运动的转子。转子可被支撑为例如相对于定子能转动或相对于定子能线性移动。电机属于电-机械能量转换器。在该上下文中，它们可作为电动机或发电机而操作。

例如，电机可用于机动车中的驱动系统。为达到此目的以及用于其它应用，获得电机操作表现的限定特性可是有利的。扭矩、声学性能、铁损、以及绕组损耗和磁体损耗均可包括在这些特性之中。

具有集中绕组的电机的定子区别于具有分布绕组的电机的定子之处在于紧凑设计。在此，不同极对数可与定子中的不同槽口数相组合。转子中的极对数量可理解为极对数。定子中的槽口作用为容纳绕组。转子中的每个磁极对通常包括两个磁极，北极和南极。

例如，文献US 2007/0194650 A1描述一种包括十二个槽口和十个极的电机。在这种类型的电机中，定子在操作中感生的磁通势不依照简易正弦波分布。而是，当例如用傅立叶分解来分析磁通势及其谐波分量时，明显出现了很多非期望的谐波分量。在此，除用作电机的工作波外的所有谐波分量都是非期望的，因为它们可导致损耗，另外可造成非期望的声学损伤。

作为工作波施加于具有集中绕组的电机中的波不一定是主波。利用磁通势的较高阶谐波分量作为工作波可是相当有利的。

举例而言，第五或第七谐波分量可用作包括具有集中绕组的定子的电机中的工作波，两个相邻齿设置有具有一个股线(有时也称作“相”)并且绕组方向(winding sense)相反的线圈。以基本形式，这导致形成具有十二个槽口和十个极、或十二个槽口和十四(14)个极的电机。在此，槽口数量的整数倍数和极数的整数倍数也是可能的。

本发明的目的是以较低花费实现电机中的次谐波分量的减小。在本案中，术语“次谐波”与工作波相关。

根据本发明，该目的由包括独立权利要求的特征的电机实现。在从属权利要求中分别限定了具体实施方式和进一步的改进。

在基于建议原理的一个实施方式中，电机包括定子和能相对于定子运动的转子。定子包括用于容纳电绕组的线圈的槽口。在第一槽口中，线圈具有第一匝数。同一线圈的特性是位于定子另一槽口内的第二匝数，所述第二匝数与所述第一匝数不同。

包括在定子各槽口内具有不同匝数的线圈的绕组的建议示例容许例如磁通势的傅立叶分解的第一次谐波分量显著减少，或消除它。

为达到此目的，既不需要待插入槽口内的附加绕组，也不需要对定子几何结构或转子进行改动。

优选地，线圈从定子的一主侧插入定子，该主侧与线圈退出定子所经过的主侧不同。换言之，线圈的这些端子并不类似于传统方式设置在共同侧，即不设置在定子的同一主侧，而是设置在定子的不同主侧上。

例如，在旋转电机中，定子的一个主侧包括沿轴向的曲面法线。

优选地，第二匝数与第一匝数不同。

第二匝数优选地比第一匝数大。

在一个实施方式中，第一槽口中的匝数总数与第二槽口中的匝数总数不同。在每槽口若干个线圈的情况下，位于各槽口内的这些线圈的匝数总数可理解为匝数总数。第一和第二槽口优选地设置成彼此相邻。

第一匝数n1优选地在第二匝数n2的大于等于50％并小于100％之间的范围内。换言之，第一匝数n1与第二匝数n2之比大于或等于0.5并小于1。

举例而言，线圈放置在定子中的第二槽口内，并延伸穿过该第二槽口直到线圈在定子相对主侧退出定子。然后，绕该第二槽口所在的齿缠绕另一360°整匝。在这种配置中，该匝设置成穿过第一槽口并返回穿过第二槽口。这就是线圈不从线圈进入定子的主侧退出定子的原因。由此，第二匝数n2是第一匝数n1的两倍。换言之，第一匝数n1是第二槽口内的第二匝数n2的50％。

优选地，除了上述线圈外，具有第一匝数的另一线圈设置在第一槽口内。在这种示例中，具有第二匝数的另一线圈设置在第二槽口内。

在一个实施方式中，无任何槽口示出不同匝数的组合形式。而是，在槽口内插入线圈，这些线圈在所述槽口内都具有相同匝数；这优选地对于定子的所有槽口都符合。

在一个示例中，第一槽口的线圈来自同一股线，位于第二槽口内的线圈来自不同股线。

在此，电机的各股线被分配于电机的一个电相，使得不同股线被分配于不同电相。

例如，设置在一个槽口内并来自同一股线的这些线圈在该槽口内具有第一匝数。在插入不同股线的线圈的这些槽口内，这些线圈在该槽口内具有第二匝数。优选地，具有第一匝数和第二匝数的槽口沿转子的运动方向在定子内周期性的交替。

优选地，同一股线的线圈在各槽口内具有相同的电流方向。同一股线的相邻线圈可布线成具有相反的绕组方向。

不同股线的线圈在这些槽口内具有相反电流方向。在这种配置中，不同股线的相邻线圈可布线成相同绕组方向。

定子优选地包括具有三个股线的三相绕组，上述三个股线各自联接一个电相。相关的电气系统是具有三个相的三相系统，这三个相在各种情况下相移120°。

定子优选地为具有集中绕组的定子。在此优选地，各自形成于定子的相邻槽口之间的定子的两个相邻齿包括具有一个股线和相反绕组方向的线圈。

在一个示例中，定子中的槽口等距分布。

所有齿可具有相同的几何结构。

类似地，定子中的所有槽口可具有相同几何结构。

建议原理优选地可应用于定子中具有十二个槽口并且转子中具有十个磁极的电机。作为替代例，例如，电机可包括定子中的十二个槽口和转子中的十四个(14)磁极。又替代地，可提供相同整数倍数的槽口数量和极数量。

替代地或附加地，电机可包括下述类型之一：线性电机、轴向通量型电机、径向通量型电机、异步电机、同步电机。

电机可构造为具有内部转子的电机或具有外部转子的电机。

建议电机的转子可例如是下述类型之一：笼型转子、异步电机情况下的多层转子、或同步电机情况下的永磁体型转子、具有埋入型磁体的转子或供电型转子，例如整极型转子、凸极型转子、异极转子、同极转子。

在另一改进中，定子具有对于给定的转子极对数p而言所需最少槽口数的加倍的槽口数。关于所述的定子中槽口数加倍，参照本申请人在2008年10月9日向德国专利商标局提交的专利申请10 2008 051 047.5。关于此方面，请整体参照该专利申请。

以下将基于附图通过若干示例性实施方式更详细地解释建议原理。就此而言，具有相同效果的相同部分设有相同参考标号。

图1基于定子的一部分示出建议原理的第一示例性实施方式，

图2示出根据建议原理的线圈的一示例性实施方式，

图3示出根据建议原理的线圈的另一示例性实施方式，

图4示出旋转电机的一示例性实施方式，

图5示出磁通势与以弧度表示的角位置之间关系的一示例性图表，

图6示出磁通势与傅立叶分量的分布图，

图7A示出具有补偿绕组的图4的电机的另一改进，

图7B基于示例示出补偿绕组与在槽口内具有不同匝数的建议线圈之间的比较，

图8示出根据图7A示例的磁通势的第一谐波分量的分布图，

图9和10分别示出根据建议原理的示例的磁通势与以弧度表示的角位置之间关系、以及该磁通势与傅立叶分量之间关系的图表，

图11示出图6的图表与图10的图表之间比较的示例，

图12示出用于具有二十四(24)个槽口和十个极的电机的建议原理的一示例性实施方式，

图13示出具有附加集中绕组的建议原理的又另一改进，

图14示出基于旋转电机的图13的示例性实施方式，

图15示出用于图14示例的磁通势与角位置之间关系的一示例性图表，

图16示出图14示例中磁通势与傅立叶分量之间关系的图表的一示例性实施方式，

图17示出与传统电机相比的图16的图表，以及

图18示出包括具有不同深度的槽口的图1的另一示例性改进。

图1基于截面视图中的一部分示出根据建议原理的定子的一示例性实施方式。该电机示例性地设计为线性电机。电绕组的第一股线A的线圈插入第一槽口1内和第二槽口2内。股线A的线圈在第一槽口1内具有第一匝数n1，同一线圈在第二槽口2内具有第二匝数n2。第一股线A的另一线圈放置在第一槽口1内以及在第一槽口1左侧绘出的第三槽口3内。该另一线圈也在第一槽口1内具有匝数n1，而它在第三槽口内具有第二匝数n2。

除了上述匝数——在本示例中同一线圈情况下匝数在各个槽口内不同——外，从绕组拓扑结构的角度看，当它设置于具有十二个槽口、十个极以及三个股线的电机中时，这是一个传统绕组拓扑结构的问题。在此，这些电股线标示为A、B、C，且各自被分配于三相系统中的一个电相。符号+、-表示绕组方向。

以下将更详细解释可以根据建议原理显著减少例如磁通势的傅立叶分解的第一次谐波分量。

图2以俯视图示出定子的一示例性实施方式。为更清楚观察，仅示出了分别绕在第一槽口与第三槽口或第一槽口与第二槽口之间形成的两个齿4、5放置的这两个线圈。可以看到，在各个槽口1、2、3内获得不同匝数n1、n2是因为，线圈从主侧6上进入定子，主侧6不是线圈又退出的那一侧即相对主侧7。还可以看到，绕两个齿4、5的两个线圈均是同一股线A的线圈。在此，以共用槽口1内同一股线的线圈具有相同匝数n1的方式，实施绕组方法。

参考标号n2表示位于上述承载不同股线A、B、C的绕组线圈的槽口2、3内的线圈的匝数。

图2仅示出单个股线A，而在图3中绘出若干个股线A、B、C。可以看到，在图3中，不同股线A、C位于第三槽口3内，且不同股线A、B位于第二槽口2内，这些线圈各自具有第二匝数n2。进一步地，显然，线圈布线成，使得在用同一股线A的线圈占据的这些槽口1内获得沿同一方向前进的电流，而在槽口2、3内的线圈布线成，使得不同股线在这些槽口内具有相反的电流。

在各种示例中形成于定子的相邻槽口1、2与2、14之间的定子的两个相邻齿5、10，包括不同股线A、B的具有相同绕组方向的线圈。

在这些线圈相对于定子主侧具有不同引入部和引出部的情况下，第一匝数与第二匝数之比在此描述如下：n1＝n2-1以及50％≤n1/n2＜100％。

由于大于等于50％并小于100％之间范围的可调匝数比，第一次谐波分量可减少到0，如图10中示例性地示出的。

如基于图1至3示例性地示出的，可看出建议原理的优点在于如下事实，即为了减小第一次谐波分量无需补偿绕组或附加绕组。

图4示出基于旋转电机的整个定子8和转子9的建议原理的示例。例如，定子包括十二个槽口，而转子包括五个极对，即十个极S、N。根据如下方案沿逆时针方向施加具有集中绕组的绕组拓扑结构：-A、+A、+B、-B、-C、+C、+A、-A、-B、+B、+C、-C。

图5和6分别示出用于具有图4的拓扑结构、但无图1至3的不同匝数的传统电机的磁通势MMK与角位置(弧度)之间关系、以及该磁通势MMK与傅立叶分量之间关系的图表。

可以看到，清楚的是利用第五谐波分量作为工作波。特别地，第一和第七谐波分量是非期望的谐波分量。在替代示例中，第七谐波分量可用作工作波。为达到此目的，将在定子中设置十四(14)个极而非示出的十个极，这14个极相似地沿圆周对称分布。第一谐波分量的减少是极为重要的，尤其对于转子损耗而言更是如此。

图7A示出具有不同匝数n1、n2的图1至3中示例性实施方式的替代例。基于图7A的解释用来更好地理解建议内容的功能性原理。

在图7A中，所有主绕组具有与包括十二个槽口和十个极的传统12/10型电机的匝数相同的匝数。然而，提供分布的附加绕组，这些附加绕组每隔一个地插入槽口，并作用为削弱第一次谐波分量。上述附加绕组在下文也称作补偿绕组。

图7B的图的左半部示出在此以-a标示的上述补偿绕组的一部分。相应地，还存在两种补偿绕组b和c。

主绕组A、B、C的匝数称作N1，附加绕组a、b、c的匝数标为N2。

根据图7A的附加绕组产生磁通势，该磁通势的大小形成为使得根据图6的第一次谐波分量实际上被磁通势的相反分量抵消了。借助于N1与N2之间的比率，可完全消除所生成的磁通势的第一谐波分量。这基于图10示出。

在图8中进一步解释上述的相反曲线轮廓的原理，在图8中，实线描绘图7A的主绕组A、B、C的磁通势的第一谐波分量，而虚线指示附加绕组a、b、c的磁通势的第一谐波分量。该相反曲线轮廓从图8中清楚看到，并导致第一次谐波分量实际上消失。

图7B还示出一方面根据图7A包括附加绕组a、b、c的绕组拓扑结构与另一方面基于图1至3示例性地示出的绕组拓扑结构可互相转换。如基于图7B清楚的，可通过替代补偿绕组a、b、c而利用在各槽口内具有不同匝数n1、n2的线圈，以等同方式实现第一次谐波分量的减少。参考标号n1指示被引入容置同一股线的线圈的槽口内的这些线圈的第一匝数，而n2指示容置不同股线A、B、C的线圈的槽口内的第二匝数。

可借助于以下数学表达式、以股线A为例并基于图7A，描述图7B左侧和图7B右侧的示例之间的转换。在所形成的匝数方面，以下是正确的：∑I＝N1·ia+N1·ia-N2·ia＝2·N1·ia-N2·ia，其中N1指示主绕组的匝数，N2指示附加绕组的匝数，∑I是容置同一股线的线圈的槽口内的总电流，而ia是股线A的并且也在补偿绕组a内流动的电流。

以上公式可变形成：∑I＝2·n1·ia，且

其中n1指示容置同一股线的线圈的槽口内的线圈匝数。

类似比应用于另外两个股线B、C的电流ib、ic。

以类似方式，容置例如股线A、B等不同股线的线圈的这些槽口内的线圈匝数将导致：∑I＝-N1·ia+N1·ib＝-n2·ia+n2·ib，且n2＝N1，其中n2指示具有不同股线的线圈的槽口内的线圈匝数。

以上同样适用于股线A和C、以及股线B和C。

在将两个等式比较之后，得出图7B中的第一匝数n1和第二匝数n2必须不等。因此：n1≠n2.

因此，可以看到，根据在相同的线圈中具有不同匝数但是这些线圈处于不同槽口的建议原理的实施方式，与具有补偿绕组a、b、c的实施方式等同，并且使得这些补偿绕组a、b、c变得不必要。由此，可以利用这些优点借助于简单绕组结构就获得期望的成功，即减少或避免第一次谐波分量。

图9和10分别示出磁通势与以弧度表示的角位置的分布图、以及基于傅立叶分量分解的该磁通势的分布图。这些附图9和10适用于根据图7A和7B左侧的实施方式、以及根据图7A和7B右侧的以及根据建议原理的图1至3的实施方式。

图11示出图6和图10的图表的比较。

图12示出根据基于图1示例性地图示出的该原理的另一改进。在此，电机的12/10拓扑结构的原理转换成24/10拓扑结构，该24/10拓扑结构与具有二十四(24)个槽口和十个极的电机的绕组结构相关。在此还有，次谐波分量可通过第一匝数n1与第二匝数n2之间的比率减少到0。

在前述示例中已示例性地解释了，可实现基于具有十二个槽口和十个极的绕组拓扑结构的次谐波分量的减少，是因为在不同槽口内插入同一线圈的不同匝数的匝。以此方法，可免去基于图7A示出的附加绕组a、b、c。

作为替代例，也可借助基于图13示出的附加集中绕组实现不同的有效匝数。为简化起见，仅图示出股线A。主绕组的匝数称作n′2，而附加集中绕组的匝数标示为n′1。

图13图示相对于置于槽口11和13之间的槽口12而言，在槽口11和13内所产生的匝数增加。由于主绕组的匝数n′2与集中附加绕组的匝数n′1之间的比率，由整个绕组拓扑结构产生的磁通势的第一谐波分量可减少到0。

图14示出在包括十二个槽口和十个极的旋转电机的情况下基于图13原理的完整绕组拓扑结构。

图15和16分别示出关于图14的示例性实施方式的磁通势与以弧度表示的角位置之间关系、以及该磁通势与对应分解的傅立叶分量之间关系。

图17图示关于将磁通势分解成傅立叶分量的图表的比较。根据图16和6的示例性实施方式在此互相比较。

图18示出图1的示例性的另一改进，其中这些槽口具有不同深度。在此，第二和第三槽口2、3与图1示例相比具有未变的槽口深度T2。然而，第一槽口1′具有第一槽口深度T1，第一槽口深度T1比第二和第三槽口2、3的槽口深度T2深。

在图18中，所有包括具有第一匝数n1的线圈的槽口，基本上形成为在这种相应槽口内具有较深深度T1。

这就容许主波进一步减少。

作为图18中示出的实施例的替代例，在如下实施例(在此未示出)中，即从图1开始，第一槽口1具有未变深度；替代地，第二和第三槽口的深度增加，也是可以的。

借助于上述措施，例如，在考虑了较高匝数n2时，第二和第三槽口内的电流密度可与第一槽口1内的一样高。

替代地或附加地，具有较深深度的槽口可用于更好的冷却效果，例如通过在较深槽口内引入冷却管道。

参考标号列表

1 第一槽口

1′ 第一槽口

2 第二槽口

3 第三槽口

4 齿

5 齿

6 第一主侧

7 第二主侧

8 定子

9 转子

10 齿

11 槽口

12 槽口

13 槽口

14 槽口

A 股线

B 股线

C 股线

a、b、c 附加分布绕组的股线

+，- 绕组方向

n1 第一匝数

n2 第一匝数

N1 主绕组匝数

N2 附加绕组匝数

n′1 集中附加绕组匝数

n′2 主绕组匝数

T1 第一槽口深度

T2 第二槽口深度

Claims

1.一种电机，包括：

定子(8)，定子(8)包括用于容纳电绕组的线圈的槽口(1、2)，以及

转子(9)，转子(9)能相对于所述定子运动，

其中，

位于第一槽口(1)内的线圈具有第一匝数(n1)，以及

位于第二槽口(2)内的线圈具有第二匝数(n2)。

2.如权利要求1所述的电机，其中，所述定子(8)包括用于接触所述电绕组的两个相对主侧(6、7)，所述线圈的第一端子形成在所述相对主侧中的第一主侧(6)上，所述线圈的第二端子形成在所述相对主侧中的第二主侧(7)上。

3.如权利要求1或2所述的电机，其中，在相邻槽口(1、2)内，位于所述槽口(1、2)内的匝数(n1、n2)的总数不同。

4.如权利要求1至3中任一项所述的电机，其中，具有第一匝数(n1)的另一线圈设置在所述第一槽口(1)内，具有第二匝数(n2)的另一线圈设置在所述第二槽口(2)内，所述第一匝数(n1)与所述第二匝数(n2)不同。

5.如权利要求4所述的电机，其中，位于所述第一槽口(1)内的线圈来自同一股线(A)，且位于所述第二槽口(2)内的线圈来自不同股线(A、B)。

6.如权利要求5所述的电机，其中，所述定子设计为具有集中绕组的定子，其中各自形成于所述定子的相邻槽口(1、2；2、14)之间的所述定子的两个相邻齿(5、10)设置有具有不同股线(A、B)和相同绕组方向的线圈。

7.如权利要求1至6中任一项所述的电机，其中，所述定子(8)包括具有三个股线(A、B、C)的三相绕组，所述三个股线(A、B、C)各自联接一个电相。

8.如权利要求1至7中任一项所述的电机，其中，所述定子设计为具有集中绕组的定子，其中各自形成于所述定子的相邻槽口(1、2；1、3)之间的所述定子的两个相邻齿(4、5)设置有具有一个股线(A)和相反绕组方向的线圈。

9.如权利要求1至8中任一项所述的电机，其中，所述定子的槽口(1、2、3)数量与所述转子中的磁极(S、N)数量之比是12/10或12/14、或者表示所述槽口(1、2、3)的数量的整数倍数和所述磁极(S、N)的数量的整数倍数。

10.如权利要求1至9中任一项所述的电机，其中，所述电机包括下述类型之一：线性电机、轴向通量型电机、径向通量型电机、异步电机、同步电机。

11.如权利要求1至10中任一项所述的电机，构造为具有内部转子的电机或具有外部转子的电机。

12.如权利要求1至11中任一项所述的电机，其中，所述转子是下述类型之一：笼型转子、异步电机情况下的多层转子、或同步电机情况下的永磁体型转子、具有埋入型磁体的转子或供电型转子、特别是整极型转子、凸极型转子、异极转子、同极转子。

13.如权利要求1至12中任一项所述的电机，其中，所述第一槽口(1′)具有第一槽口深度(T1)，所述第一槽口深度(T1)与第二槽口(2)的第二槽口深度(T2)不同。