CN102318167B - 永磁电机的定子绕组方案 - Google Patents

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Abstract

一种用于电机(100)的定子(104)，该定子(104)包括多个具有线圈的定子齿(106)，每个定子齿分布在沿着定子(104)的圆周的不均匀图案中，所述不均匀图案包括短齿跨度(116)和长齿跨度(117)，其中相距长齿跨度(117)的两个定子齿(106)之间的每个定子槽(118)毗邻用于承载磁通量的中间齿(122)。

Description

永磁电机的定子绕组方案
技术领域
本发明涉及通过调整定子槽提高电机的绕组因数。
背景技术
诸如制浆和造纸、塑料挤出、传送带和风力发电的工业应用通常特征为低速和高转矩性能。具有集中式绕组拓扑结构的永磁(PM)电机是这些应用的有吸引力的可替换方案，因为它们在被直接驱动时能够提供期望的性能。齿轮箱可以被淘汰，这进而降低成本并提高效率。
集中式绕组拓扑结构是指每个电枢线圈围绕电机内的单一定子齿缠绕。与其中线圈缠绕成围住若干定子齿的叠绕组的分布式绕组拓扑结构相比，这种绕组配置提供了大幅的铜材料减少。分布式绕组拓扑结构的线圈悬突产生不必要的铜损并且延长定子的轴向尺度，这减小了转矩密度(或者针对给定速度的功率密度)。集中式绕组拓扑结构因此提供的优点为电机总的有效体积和重量减小。使用更少线圈材料还提供了铜损方面的有利减小并且因此可以获得高转矩密度的电动机设计。
转子磁极和线圈之间的磁链(即绕组因数)是一个重要设计方面。最大平均转矩输出与绕组因数成正比，更高的绕组因数意味着对于具有给定框架大小的电动机的更高输出转矩。分布式绕组拓扑结构提供的绕组因数等于或者几乎等于理想值1。另一方面，集中式绕组拓扑结构典型地具有在0.93-0.96范围内的较低绕组因数。在理论上，利用集中式绕组拓扑结构，通过选择定子齿的数目等于转子磁极的数目可以容易地获得理想绕组因数，但是在实践中这造成严重的齿槽(cogging)问题。因此，转子磁极数目典型地不同于定子齿数目。在大多数情形下，转子磁极数目小于定子齿数目，但是在下述示例中，为了更好地说明本发明，传统电机被选择为具有比定子齿数目大的转子磁极数目。
图1示出传统PM电机100，其包含集中的电枢线圈102、具有18个齿106的定子104和具有20个磁极110(10个磁极对)的转子108。线圈102布置在两个绕组周期112内，每个绕组周期112包括代表三个电学相位的三个定子齿区段114，并且每个定子齿区段114包括处于同一电学相位的三个定子齿106。定子齿106沿着定子104的圆周按齿跨度115均匀的方式分布，即两个相邻定子齿106之间的角距离是均匀的。定子齿106通过定子槽118彼此分离。
诺伊比贝格慕尼黑联邦国防大学1991年Jürgen Friedrich的博士论文″Bauformen und Betriebsverhalten modularerDauermagnetmaschinen″在第28-36页公开了具有不均匀定子齿图案的PM电机。在一些实施例中，在定子齿之间存在具有变化宽度的中间齿，并且在其它实施例中，处于同一电学相位的定子齿区段通过加宽的定子槽而彼此分离。通过这些措施，绕组因数似乎被最优化，但是同时未缠绕的中间齿和加宽的定子槽似乎使整体转矩密度劣化。在此论文中公开的所有实施例中，仅仅存在单个绕组周期。
根据前文所述，仍然期望提高具有集中式绕组拓扑结构的电机的整体转矩密度。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有提高的转矩密度的电机的定子。
本发明的另一目的是提供一种具有提高的转矩密度的电机。
本发明的再一目的是提供一种用于提高电机的转矩密度的方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于电机的定子，该定子包括多个定子齿，所述定子齿通过定子槽彼此分离，每个定子齿被集中的电枢线圈围绕，所述电枢线圈代表两个或更多个不同电学相位，定子齿分布在沿着定子的圆周的不均匀图案中，所述不均匀图案包括至少一个短齿跨度和至少一个长齿跨度，该短齿跨度具有比长齿跨度小的尺度，其中相距短齿跨度的两个定子齿之间的定子槽均不配置成承载磁通量，而相距长齿跨度的两个定子齿之间的每个定子槽包括用于承载磁通量的中间齿。
通过为定子提供包括短齿跨度和长齿跨度的不均匀定子齿图案，以及通过在相距长齿跨度的定子齿之间引入中间齿，绕组因数和承载通量的材料的分布均可以被优化。
根据本发明一个实施例，具有处于不同电学相位的线圈的每对相邻定子齿之间存在长齿跨度。根据这种原则提供长齿跨度得到比较高数目的相对窄的中间齿。当将定子分割为多个节段时，这增加了可替换方案的数目。
根据本发明一个实施例，每个绕组周期存在一个长齿跨度，每个绕组周期包括用于每个不同电学相位的一个定子齿区段，每个定子齿区段包括具有处于相同电学相位的线圈的一个或多个定子齿。根据这种原则提供长齿跨度得到比较低数目的相对宽的中间齿。这种情况下，所有定子齿和所有中间齿在某一时间点与转子磁极严格对准，使得实现提高的电机性能。
根据本发明一个实施例，定子分割成多个节段，使得两个相邻节段之间的接触面跨过至少一个中间齿。将定子分割成多个节段改善了对定子的处理，因为这种定子会具有引起运输和物流方面的问题的非常大尺度。通过使相邻节段之间的接触面位于中间齿处，定子的磁属性受影响最小。中间齿不被任何线圈围绕的事实使得它们理想地用于将相邻节段机械地连接在一起。
根据本发明一个实施例，定子分割成6、3或2个节段。这些是由本发明优选实施例中的中间齿的数目得出的节段的自然数。
根据本发明一个实施例，该定子包含在一电机内，该电机进一步包括具有多个磁极的转子，其中短齿跨度基本上等于磁极跨度。通过使短齿跨度对应于磁极跨度，获得等于1的绕组因数。
根据本发明一个实施例，磁极包括永磁体。永磁体磁极由于其简单而是优选的，不过也可以使用电激励的磁极。
根据本发明一个实施例，磁极数目大于定子齿数目。利用此措施，通过将定子齿设置在一起使得短齿跨度对应于磁极跨度，从而形成用于中间齿的空间。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于提高电机的转矩密度的方法，该方法包括步骤：提供包括多个定子齿的定子，该定子齿通过定子槽彼此分离，每个定子齿被集中的电枢线圈围绕，该电枢线圈代表两个或更多个不同电学相位，定子齿分布在沿着定子的圆周的不均匀图案中，所述不均匀图案包括至少一个短齿跨度和至少一个长齿跨度，该短齿跨度具有比长齿跨度小的尺度；将相距短齿跨度的两个定子齿之间的定子槽配置成不承载磁通量；以及为相距长齿跨度的两个定子齿之间的每个定子槽提供中间齿用于承载磁通量。
附图说明
将参考附图更详细地解释本发明，在附图中：
图1示出具有均匀齿跨度的传统PM电机，
图2示出本发明的一个实施例，其中中间齿位于不同定子齿区段内的定子齿之间，
图3示出本发明的一个实施例，每个绕组周期具有一个中间齿，
图4示出针对传统电机以及本发明两个实施例的一个绕组周期，以及
图5示出针对传统电机和本发明一个实施例的定子星形图(starsof plots)。
具体实施方式
参考图2，示出了PM电机100，该电机包括与根据图1的电机100相同数目的定子齿106、转子磁极110、绕组周期112和电学相位。然而定子齿106不是按均匀距离分布。相反，提供了不同定子齿区段114内的定子齿106之间的长齿跨度117以及每个定子齿区段114内的定子齿106之间的短齿跨度116。短齿跨度116等于磁极跨度120，即两个转子磁极110之间的角距离。根据定子齿数目、转子磁极数目和定子齿区段114的数目之间的关系，在本实施例中，每个长齿跨度117的宽度(单位为度)是每个磁极跨度120的宽度的倍。中间齿122被引入在不同定子齿区段114中的定子齿106之间，每个中间齿122的宽度对应于磁极跨度120的1/3。
参考图3，示出了PM电机100，该电机同样包括与根据图1的电机100相同数目的定子齿106、转子磁极110、绕组周期112和电学相位。这次，长齿跨度117被提供在不同绕组周期112中的定子齿106之间，而每个绕组周期112内的定子齿106被短齿跨度116分离。从定子齿数目和转子磁极数目之间的关系得出，在本实施例中长齿跨度117为磁极跨度120的两倍。中间齿122被引入在不同绕组周期112中的定子齿106之间，每个中间齿122的宽度(单位为度)对应于磁极跨度120。
图4a示出根据图1的传统电机100的一个绕组周期112，而图4b和图4c分别示出根据图2和图3的电机100的一个绕组周期。可以看出，在具有不均匀齿跨度116、117的电机100中，每个定子齿区段114内的所有定子齿106(见图4b，相位C)或绕组周期112(见图4c)在某一时间点与相应转子磁极110严格对准。这种严格对准使能实现为1的理想绕组因数值。在传统电机100中，永远无法达到严格对准(见图4a)，并且因此绕组因数将总是保持低于理想值。
通过利用在定子槽118内每个单独线圈侧上感应的电压的相量元的取向来说明绕组因数。图4a和图4b的设计的相量元示于图5a和图5b的定子星形图128中。如本领域中所容易理解，图中的相量元的取向是按照电学角度给出，一个磁极对占据的角距离对应于360°。图5a中可以看出，与图4a的均匀齿跨度115相对应的第一角距离124为200°。与不同定子槽118中相同电学相位的线圈侧相对应的相量元不在同一方向上，并且当这些相量元如图5a中所进一步说明的那样被求和时，所得到的相量和的幅值小于单个相量元的幅值之和。
然而图5b中可以看出，与短齿跨度116相对应的第一角距离124为180°。与不同定子槽118中相同电学相位的线圈侧相对应的相量元都在同一方向上对准，并且当这些相量元被求和时，所得到的相量和的幅值等于单个相量元的幅值之和。长齿跨度117导致两个相邻定子齿区段114中的相量元形成的角度为60°的第二角距离126，此角度对应于中间齿122的宽度。如图5a和图5b中所说明的那样，通过将所有电压相量元对准在同一方向上，可以将基础绕组因数kw1从0.945增大到1。
图4c的设计的定子星形图未示出，但是由于绕组周期112内的所有定子齿106分离了短齿跨度116，并且由于中间齿122的宽度对应于180°的角距离，所述星形图将表现出在一个水平线上对准的所有相量元
当期望将定子104分割为多个节段时，中间齿122为两个所述节段之间的接触面提供了理想位置。由于中间齿122不被任何线圈102围绕，它们可以有效地用于将相邻节段机械地连接在一起。在中间齿122处的接触面对定子104的磁属性也具有最小的影响，因为磁通量可以至少部分地流过该中间齿122的一半而不跨过该接触面。
取决于中间齿122的数目，定子104可以按照多种方式分割为多个节段。例如，图2的定子104可以分割为6个节段，每个节段包括一个定子齿区段114；或者可以分割为三个节段，每个节段包括两个定子齿区段114；或者可以分割为两个节段，每个节段包括三个定子齿区段114。通过提供附加中间齿122，可以进一步增大节段的数目。节段无需是大小相同的，并且显然可以使用不同大小的节段的任何恰当组合。例如，图2的定子104可以分割为4个节段，1个节段包括三个定子齿区段114，并且3个节段每个包括1个定子齿区段114。
定子齿106、转子磁极110、绕组周期112和电学相位的数目不限于在上述实施例中给出的那些数目，这些可以在合理限制内自由地选择。也不排除在相距短齿跨度116的两个定子齿106之间引入类似中间齿的元件，只要这些元件不配置成承载磁通量即可。这种元件可以被引入例如用于冷却目的或者用于机械地支持电枢线圈102。
本发明不限于上文所示各实施例，在由权利要求书限定的本发明的范围内，本领域技术人员可以按照多种方式调整所述各实施例。

Claims (5)

1.一种用于电机(100)的定子(104)，所述定子(104)包括多个定子齿(106)，所述定子齿(106)通过定子槽(118)彼此分离，每个定子齿(106)被集中的电枢线圈(102)围绕，所述电枢线圈(102)代表两个或更多个不同电学相位，所述定子齿(106)分布在沿着所述定子(104)的圆周的不均匀图案中，所述不均匀图案包括至少一个短齿跨度(116)和至少一个长齿跨度(117)，所述短齿跨度(116)具有比所述长齿跨度(117)小的尺度，其中相距短齿跨度(116)的两个定子齿(106)之间的定子槽(118)均不配置成承载磁通量，而相距长齿跨度(117)的两个定子齿(106)之间的每个定子槽(118)包括用于承载磁通量的中间齿(122)，其中在具有处于不同电学相位的线圈(102)的每对相邻定子齿(106)之间存在长齿跨度(117)，其特征在于，所述电机(100)进一步包括具有多个磁极(110)的转子(108)，每一个磁极包括永磁体，其中所述短齿跨度(116)等于磁极跨度(120)，并且所述磁极(110)的数目不同于10，并且/或者所述定子齿(106)的数目不同于9，其中上述布置使得每个定子齿区段(114)内的所有定子齿(106)或绕组周期(112)在某一时间点与相应转子磁极(110)严格对准。
2.根据权利要求1所述的定子(104)，其中所述定子(104)分割成多个节段，使得两个相邻节段之间的接触面跨过至少一个中间齿(122)。
3.根据权利要求2所述的定子(104)，其中所述定子(104)被分割成6、3或2个节段。
4.一种电机(100)，包括根据任一前述权利要求所述的定子(104)，其中所述磁极(110)包括永磁体。
5.根据权利要求4所述的电机(100)，其中磁极数目大于定子齿数目。
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