CN102422510B - 同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机(1)，包括：具有14个转子极(8)的转子(4)，该转子可围绕中心轴转动地设置；具有18个定子齿(3)的定子(2)，这些定子齿(3)在径向对于中心轴从定子(2)向转子(4)的方向上延伸，其特征在于，每一个定子齿(3)由一个仅围绕一个定子齿的定子线圈(9)围绕。

Description

同步电机

技术领域

本发明涉及具有18个定子齿和14个转子极的电机，特别为在电动助力转向器中使用。

背景技术

在为汽车应用中具有电机支持的转向系统中的电力驱动中要求在轴上产生的驱动转矩的波动尽可能小。通常为这种应用使用永久磁铁激励的电子换向的同步电动机，因为这种电机由于它的功率密度、它的效率和它的调节可能性而具有优点。

但是在电子换向的同步电动机中通过谐波产生所谓的谐波转矩，其能够导致转矩的强烈波动。因此必须如此构成这样的驱动装置，使得尽可能减少该谐波，或者它们对于转矩变化的影响尽可能小。此外在这种同步电机中不仅在有负载的情况下出现转矩波动，而且在没有电流的定子绕组的情况下也出现，这称为止动转矩。特别在小的电机中由于空间情况不可能在电枢内放入精细分布的绕组来产生理想的正弦形的气隙磁场。因此在小的电机中必须考虑气隙中相应的谐波。因此当通过电极的制造使得谐波尽可能不对转矩作用是有利的。

此外希望减小这种电机的故障可能性，并且在故障情况下例如在绕组短路的情况下保持产生的止动转矩比较小。止动转矩的产生是因为与电气激励的电机不同在永久磁铁激励的电机中不能切断磁场的缘故。

在电机中经常提供3/2拓扑结构的定子绕组，其中单个定子线圈不重叠，也就是说定子线圈以无交叉的定子绕组的形式设置。3/2拓扑结构规定，面对转子的每一极对(两个磁极)存在三个定子槽，例如具有9个定子齿和6个转子极的电机或者12个定子齿和8个转子极的电机。然而这种结构具有转矩波动显著的缺点，这种波动通常仅能通过花费很大的附加措施减小(例如倾斜、展宽气隙、附加槽)，由此大大减小电机的功率密度。此外由此提高对于加工过程的容差的灵敏度。

此外已知具有18个定子齿和8个转子极的电机，然而它具有下面的缺点，即它具有分布的绕组，其中在绕组端部不同相的线圈绕组交叉，并且在定子槽内存在不同相的线圈边。因此在绕组端部内和在槽内可能发生不同相之间的短路。这能够导致不允许的高止动转矩，这在转向驱动机构中必须避免。从该理由出发，在这种电机中经常提供星型结点分开。另外可以选择的方案是给星型结点电路提供多个星型结点。

此外已知具有12个定子齿和10个转子极的电机，其与具有12个定子齿和8个转子极的电机相比能够实现较小的止动转矩，然而与具有18个定子齿和8个转子极的电机相比仅能实现较低的转矩质量。此外这种拓扑结构对于加工容差具有显著的灵敏度。

本发明的任务在于提供一种电机，其具有小的止动转矩(Rastmomente)、小的转矩波动性和高的防故障性。

发明内容

该任务通过根据权利要求1的电机解决。

另外有利的结构在从属权利要求中给出。

根据第一方面提供一种电机。该电机包括具有14个转子极的转子，该转子可围绕中心轴旋转地设置，该电机还包括具有18个定子齿的定子，这些定子齿在径向对于中心轴由定子在转子的方向上伸出。每一个定子齿由仅围绕其中一个定子齿的定子线圈围绕。

在使用具有18个定子齿和14个转子极的电机的拓扑结构的情况下，当绕组作为无交叉的单齿绕组实现时意外地有非常小的止动转矩和低的转矩波动性。无交叉的单齿绕组的提供另外提供特别的优点，即提高防止分配给不同相的定子线圈之间短路的安全性。

根据一种实施方式，可以把每一个定子线圈分配给三相中的一相，其中每三个给一相分配的定子绕组构成一个线圈组，其中每一个线圈组用由分配给同一相的两个彼此相邻的定子线圈组成的定子线圈对和一个不与该定子线圈对相邻的单个的定子线圈构成，其中在该定子线圈对和该单个的定子线圈之间提供三个定子齿，其上设置分配给另外的相的定子线圈。

一相的定子绕组的这种设置使得能够显著减小转矩波动。对于转矩波动，转子的外表面和定子齿朝向它的表面之间的气隙中的谐波负有责任。转矩波动通过不与相数的倍数相对应的阶的转子谐波和定子谐波的共同作用引起。特别干扰的是具有6倍或者12倍极对数目的转矩波动，亦即在本情况下具有42和84的机械的阶。它们从定子电流的基波振荡与电动力的5/7次或者11/13谐波振荡的叠加产生。在上面建议的电机的拓扑结构与作为单齿线圈构造的定子线圈的接线的结合导致为5/7或者11/13谐波的绕组系数(由所研究的谐波引起的电动力与总电动力的比)较小，使得42和84的机械的阶的转矩波动尽可能小。同时保证基波绕组系数尽可能大，以便实现大的功率密度。

此外可以把两个给同一相分配的线圈组在定子中相对设置，特别是同一相的一个或者多个线圈组的彼此相邻的定子线圈的绕线方向不同。

每两个给同一相分配的线圈组可以串联成一个串联电路，或者彼此并联成一个并联电路，其中同相的线圈组的串联电路或者同相的线圈组的并联电路连接成具有一个公共的星形结点的星形结点电路或者三角形电路。

此外各个给同一相分配的线圈组连接成具有一个星形结点的星形结点电路或者三角形电路。

此外永久磁铁可以分别在转子极内或在其上设置，并且如此取向，使得其磁极分别指向径向。

此外永久磁铁可以分别在两个转子极之间的凹处内设置，并且如此取向，使得它的磁极指向切线方向。

根据另一种实施方式，转子极的朝向定子的外表面可以具有比通过外表面离开转子的中心轴线的距离规定的圆周曲率大的曲率。特别是转子极的外表面可以具有矫正器轮廓或者具有半径小于外表面离开转子的中心轴线的距离的圆形轮廓。

此外分配给一个公共的相的定子线圈可以具有在定子的圆周方向上依次看互相相反的绕线方向。

根据另一方面，上述电机在汽车的转向系统中应用。

附图说明

下面根据附图详细说明电机的实施方式，附图中：

图1表示具有18个定子齿和14个带有在表面上设置的磁铁段的转子极的电机；

图2表示分配给一个确定的相的定子线圈的示意图；

图3表示三相的定子线圈在该电机的定子齿处的分布图，其中通过每三个定子线圈构成的线圈组彼此并联；

图4表示三相的定子线圈在该电机的定子齿处的分布图，其中通过每三个定子线圈构成的线圈组彼此串联；

图5a-5f表示接线图，它们表示单个线圈组对三相系统的可能的接线。

具体实施方式

图1表示电机1的横截面。该电机包括定子2，后者围绕可围绕中心轴线M旋转的转子4。电机1在所示实施例中为同步电机。

定子2包括18个定子齿3，它们从定子2的定子体出发在径向突出向内指向转子4的方向。也就是说，定子齿3在电机1的中心轴线M的方向上取向。定子齿3在切线方向以均匀的间隔亦即以相等的偏移角在定子体内设置。

转子4以可围绕中心轴线M旋转的方式设置，并且具有永久磁铁6。永久磁铁6构成转子极8并且如此设置，使得它的磁极在径向延伸。相邻的永久磁铁6相反地极化。所示转子4的转子极8的数目为14。如在图1的实施方式中所示，永久磁铁6能够作为表面磁铁构造，它们被设置在转子体4的外表面上，或者也嵌入转子体4的外表面内的槽中，使得永久磁铁6的各个极在径向向外露出。另外可选择的方案是永久磁铁6可以作为埋置的永久磁铁6构造，它们位于相应的转子极8的内部，并且通过转子极8的材料在径向向外覆盖。使用在转子4内埋置的永久磁铁6可能是有利的，因为例如可以用平的表面使用简单和成本低的磁铁形状，此外由此能够允许无箍圈和防腐蚀保护的简单的转子结构。

定子齿3由定子线圈9围绕，线圈9各围绕一个定子齿3，在每一个定子齿3上提供一个定子线圈9能够避免定子线圈9的线圈绕组相交或者交叉。由此减小定子线圈9之间短路的危险，因为在两个定子齿3之间的一个槽内仅设置两个线圈边。

每一个定子齿3的内端可以具有一个终端，其称为齿端5。齿端5用于提供一个面，通过该面接收从在转子4内设置的永久磁铁6发出的磁通。在本实施例中电机1具有定子齿3，它们不具有展宽的齿端5，使得能够以简单的方式在定子齿3上设置线圈绕组9。换言之，定子齿3作为定子体的圆柱形或者长方体形突出构造。

另选或者附加地，可以给转子极8提供一个外轮廓，以便在转子极8上实现尽可能正弦形的磁通密度分布。通常具有外轮廓的转子极8的特征在于，它的位于相关的转子极8的中间区域内的外表面(相对于圆周方向)具有比通过围绕转子4的中心轴线M的、以中心轴线M和该相关的转子极的中间区域之间的距离为半径的圆的圆周曲率规定的曲率大的曲率。一种可能性在于把转子极8作为所谓的正弦极构造。按照矫正器作为转子外半径的公式产生：

式中，R相应于空间角 (极形状轮廓)下的半径，p相应于极对数， 相应于关于极中心的空间角，R₁相应于定子半径(在内转子的情况下是内直径，反之亦然)，以及δ₀相应于极中心内的最小气隙。产生转子4的一种波形的外表面，其中一般每一个转子极8的最高的突起的区域相应于转子极8的中轴线，其在径向延伸。气隙的轮廓产生通过一个凸极转子近似的正弦形气隙场，其能够显著减小空载运行下的止动转矩和负载下的谐波力矩。

另外可选择的方案是极形状轮廓也可以通过一个外轮廓近似，该外轮廓相应于具有恒定轮廓半径的弧轮廓。这里该轮廓半径小于转子4的外表面的半径，以便在转子4的外表面和在转子极8的中间区域内的中轴线M之间存在最大的距离。

另外可选择的方案是，可以在其磁极在径向取向的永久磁铁6的位置处作为轮辐磁铁构造永久磁铁。轮辐磁铁在这样的电机1中在转子4的两个转子极8之间的凹处内设置，其中在两个各相邻的凹处内在转子极8的两侧使永久磁铁6如此设置永久磁铁6，使得它的磁极基本上在切线方向彼此对置。该凹处可以向外敞开，或者封闭。

在这样的轮辐磁铁装置的情况下转子极8也可以具有上述的极形状轮廓。

具有竖立的磁铁亦即具有轮辐磁铁的电机具有优点，即特别在极数多的情况下能够集中磁铁对于极的磁通，并且相对于平的埋置的或者在表面上设置的磁铁能够在气隙上产生较大的磁通，因此能够在相同结构大小的情况下产生较大的转矩。

如上所述，定子线圈9作为单齿绕组实现，以便能够从结构上消除不同相的导体之间的短路。这特别当在相邻的定子线圈9的在两个定子齿3之间的一个公共的槽中的线圈边之间保证有足够的绝缘距离，或者在相应于定子线圈9的在该槽中的部分的定子线圈9的线圈边之间提供绝缘元件(未图示)时特别有效。该绝缘元件可以通过粘接或者夹子在线圈边之间固定。

所研究的电机1相应于三相永久磁铁激励的同步电动机。亦即单个的定子线圈3分配给不同的相，这里在图2中示意表示属于一个公共的相(相U)的定子线圈9。可以看出，每六个定子线圈9分配给一相。六个定子线圈9构成两个各具有三个定子线圈9的线圈组G1、G2。

每一个线圈组G1、G2具有一个由两个彼此相邻的分配给同一相的定子线圈3组成的定子线圈对P1、P2和一个不与该定子线圈对相邻的单个的定子线圈9E1、E2。在定子线圈对P1、P2和单个的定子线圈9E1、E2之间提供三个定子齿3，在其处设置给其他相分配的定子线圈9。

一相的定子线圈对P1、P2如此设置，使得它们在定子2内彼此相对。这对于单个的定子线圈9E1、E2相应适用。每一相的线圈组G1、G2彼此错开设置，其中每一相U、V、W的所有定子线圈对P1、P2都彼此错开设置，以便给位于两个定子线圈对之间的定子齿3提供一相的一个不与相邻的定子线圈对的相对应的单个的定子线圈9。也就是说对于本实施例，给U相分配具有号码2、6、7、11、15和16的定子齿3处的定子线圈9，给V相分配具有号码3、4、8、12、13和17的定子齿3处的定子线圈9，以及给W相分配具有号码5、9、10、14、18和1的定子齿3处的定子线圈9，如在图3中在径向地示意示出定子齿3。

给一个公共的相分配的定子线圈9具有依次看相反的绕线方向。这在图3中通过圆箭头在U相的定子线圈上表示。由此给一个公共的相分配的两个在定子中彼此相对的定子线圈9具有相反的绕线方向。此外的结果是，彼此相邻的定子线圈9同样具有相反的绕线方向。

图3中相U、V、W的线圈组G1、G2彼此并联，以便为有关相构成一个线圈设备。与此类似，图4中相U、V、W的线圈组G1、G2彼此串联，以便为有关相构成一个线圈设备。

在图5a-5e中示意表示电机的不同接线，其中线圈组作为块用线圈组的符号和相的符号表示，例如G2/W。

在图5a中表示带有唯一的星型结点ST的在星型结点电路中串联的线圈组G1、G2(参见图4)的连接。在图5b中表示带有唯一的星型结点ST的在星型结点电路中并联的线圈组G1、G2(参见图3)的连接。与此类似，在图5c和5d中表示串联的线圈组G1、G2在三角型电路中或者并联的线圈组G1、G2在三角型电路中的连接。

在图5e中表示这样的接线，其中把线圈组G1、G2分开与两个各具有一个星型结点ST1、ST2的星型结点电路彼此连接。换句话说，每一相的各其中第一线圈组G1在一个星型结点电路中通过第一星型结点ST1连接，每一相的第二线圈组G2在第二星型结点电路中通过第二星型结点ST1连接。

在图5f中表示一个类似的接线，其中把线圈组G1、G2分开与两个三角形电路彼此连接。换句话说，每一相的各其中第一线圈组G1在第一三角形电路中连接，每一相的其中第二线圈组G2在第二三角形电路中连接。

上面根据具有内转子的电机说明了本发明。然而该原理也能够在具有外转子的电机上应用。

Claims (6)

1.一种电机（1），包括：

- 具有14个转子极（8）的转子（4），该转子能围绕中心轴线旋转地设置；

- 具有18个定子齿（3）的定子（2），这些定子齿（3）在径向上相对于中心轴线从定子（2）在转子（4）的方向上伸出；

- 每一个定子齿（3）由仅围绕其中一个定子齿的定子线圈（9）围绕；

- 两个给同一相分配的线圈组在定子中相对设置，

其中，

各个给同一相分配的线圈组连接成具有一个星形结点的星形结点电路或者三角形电路，其中把每一个定子线圈（9）分配给三相中的一相，其中每三个给一相分配的定子线圈（9）构成一个线圈组，其中每一个线圈组用由分配给同一相的两个彼此相邻的定子线圈（9）组成的定子线圈对和一个不与该定子线圈对相邻的单个的定子线圈（9）构成，其中在该定子线圈对和该单个的定子线圈（9）之间提供三个定子齿（3），其上设置分配给另外的相的定子线圈（9），转子极（8）的朝向定子（2）的外表面具有比通过外表面离开转子（4）的中心轴线的距离规定的圆周曲率大的曲率，转子极（8）的外表面具有矫正器轮廓或者具有半径小于外表面离开转子（4）的中心轴线的距离的圆形轮廓。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，同一相的一个或者多个线圈组的彼此相邻的定子线圈（9）的绕线方向不同。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，永久磁铁（6）分别在转子极（8）之一内或在其上设置，并且取向，使得其磁极分别指向径向。

4.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，永久磁铁（6）分别在两个转子极（8）之间的凹处内设置，并且取向，使得其磁极指向切线方向。

5.根据权利要求1或2所述的电机，其中分配给一个公共的相的定子线圈（9）具有在定子（2）的圆周方向上依次看相反的绕线方向。

6.根据权利要求1到5之一所述的电机在汽车的转向系统中的应用。