CN102577028B - 无电刷的同步马达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无电刷的同步马达(1)，其具有转子(4)，所述转子(4)具有一定数目n个嵌入式永磁体(5)，并且在形成气隙(11)的情况下可以相对于定子(2)转动，所述定子(2)包括一定数目的设有三相定子绕组(10)的定子齿(8)，其中，两个相邻的永磁体(5)之间的角度(α)为360°/n，且n＞8，其中，两个相邻的定子齿(8)之间的角度(β)为360°/n+2，以及其中，定子(2)的朝向转子(4)的内部型廓(13)具有弯拱结构，所述弯拱结构具有在端侧设置在定子齿(8)上的弯拱凹部(14)。

Description

无电刷的同步马达
技术领域
本发明涉及一种永磁体励磁式无电刷的同步马达。这类马达例如由DE 601 20 680 T2所公知。
背景技术
这种类型的同步马达，特别是电子换向的多极三相交流马达具有：定子以及经常也被称为电枢或转动件的转子。定子一般包括定子叠片，该定子叠片由大量的单个片材组装而成，并且具有定子齿连同设在这些定子齿之间的定子槽。将定子绕组(绕组线的线匝)装入定子槽内。
径向分布的定子齿在周向侧的磁轭内汇集，并且在朝向定子与转子之间气隙的槽入口侧的齿端部上具有在两侧沿周向指向的凸舌(极凸舌)。由此，呈轮辐状向内朝转子方向指向的定子齿在与磁轭相对置的自由端上构成通常非常紧密地彼此挨着的扇形极靴，这些极靴将磁性的激励磁场相应呈扇形地分布分配到转子上。
一般三相绕组系统通常由铜制成的相绕组(定子绕组)依据预先确定的绕组排布、以一定的匝数绕定子齿引导。在马达的运行中，这些相绕组或定子绕组由电流通流。由此产生的磁性的定子旋转磁场在与转子的激励磁场的相互作用下，产生驱动该转子的转矩。
由EP 1 746 707 A1公开了一种永磁体励磁式无电刷的同步马达，该同步马达的转子外部型廓以如下方式成型，即，使得感生到单齿-定子绕组中的电动势(EMK)(其也称为反电动势(back-EMF))呈梯形地分布。
特别是对于基于对马达供给直流电压的逆变器的同样呈条状的输出电流的条状端电压的情况而言，在与梯形电动势的结合下，马达功率与具有正弦形电动势的马达相比提高了12％以上，这正如在转子外部型廓的由DE 10 2007 038 094 A1所公开的对称弯拱结构中所产生的那样。但这种功率提升迄今为止仅在具有相应八个嵌入转子内的永磁体的8极马达中才能实现。
发明内容
本发明所基于的任务是，即便在更多极的无电刷同步马达中仍实现相应的功率提升。
依据本发明，该任务通过下述技术方案得以解决：
一种无电刷的同步马达，所述同步马达具有转子，所述转子具有一定数目n个嵌入的永磁体并且在形成气隙的情况下能相对于定子转动，所述定子包括一定数目的设有三相定子绕组的定子齿，
-其中，所述定子的朝向所述转子的内部型廓具有不对称的弯拱结构，所述定子侧的弯拱结构具有设置在所述定子齿端侧上的弯拱凹部，
-其中，在每个定子齿的齿端上各自的弯拱凹部关于该定子齿的径向对称轴线仅设置在该定子齿的一侧上，
-其中，相邻的定子齿的弯拱凹部彼此相向，
-其中，所述转子的朝向所述定子的外部型廓具有对称的且指向所述定子齿的周期性弯拱结构，所述转子侧的弯拱结构在每个永磁体的中部区域内达到最大Lmax以及在两个相邻的永磁体之间达到最小Lmin，
-其中，两个相邻的永磁体之间的角度α为360°/n，且n>8，以及
-其中，两个相邻的定子齿之间的角度β为360°/n+2。
为此，定子的朝向转子的内部型廓具有弯拱结构，该弯拱结构带有处于定子齿的齿端部上的弯拱凹部，其中定子的朝向转子的内部型廓具有不对称的弯拱结构，还有转子在其朝向气隙的外部型廓上也具有弯拱结构，但该弯拱结构为对称的。在此情况下，定子弯拱结构的不对称性是关于定子齿的径向对称轴线而言的，而转子的对称性则是关于永磁体的径向对称轴线而言的。两个相邻的永磁体之间的角度对于数目n>8个永磁体的情况而言，为360°/n，而两个相邻的定子齿之间的角度则为360°/n+2。
虽然EP 0 872 943 B1(DE 698 34 685 T2)公开了如下的电机，其具有：具备十二个定子齿的绕组定子以及具备十个永磁体的转子。但该转子与定子同样具有传统为圆形、无弯拱的型廓。
定子侧的弯拱结构优选以如下方式构成，即：使转子与朝向该转子的定子齿之间的气隙当转子经过定子齿时，周期性地在最大与最小之间变化。为此，定子侧的弯拱结构适当地通过每个定子齿的齿端部上的各一个弯拱凹部来形成，在这种情况下，弯拱凹部关于定子齿径向对称轴线仅设置在定子齿的一侧上。
根据认识，可以实现特别强有力的转矩的是，两个相邻定子齿的弯拱凹部彼此相向。于是，在另一侧上，定子齿以同样不具有弯拱凹部的那侧朝向相应的定子齿。由此，形成了定子朝向气隙的内部型廓优选不对称的弯拱结构。
在适当的构造方案中，转子在其朝向气隙的外部型廓上适当对称的弯拱结构在每个永磁体的中部区域内，也就是在其径向对称轴线的区域内达到最大。在两个相邻的永磁体之间，转子侧的弯拱结构分别达到最小。在这种结构中，适当的是，转子与朝向该转子的定子齿之间的气隙当转子侧的弯拱结构的最大处与定子侧的在定子齿的弯拱凹部以外的弯拱结构相对置时达到最小。如果转子侧弯拱结构的最小处与定子侧弯拱结构的弯拱凹部相对置的话，那么在该部位上气隙最大。
在永久励磁的无电刷同步马达的适当构造方案中，嵌入式永磁体的数目为十(n＝10)，而定子齿的数目则为十二(m＝n+2＝12)。因此，适用的是，相邻永磁体之间的角度分别为36°，而相邻定子齿之间的角度则仅为30°。
在无电刷马达的改进方案中，定子绕组具有各具备至少四个线圈的三个绕组支路(Wicklungsstrang)，其中，作为线圈对的各两个线圈由两个相邻的定子齿承载。同一绕组支路的两个线圈对适当地彼此在直径上相对置地布置在定子圆周上，也就是说，缠绕到在那里所设置的、分别相邻的定子齿上。在同一线圈对的相邻线圈之间和/或相邻线圈对的彼此挨着布置的线圈之间，可以将线圈隔离件置入到相应的定子槽内。
于是，另外的那两个线圈又安置在两个相邻的而且在直径上相对置的定子齿上。通过三个绕组支路同样由各两个处于分别相邻定子齿上的线圈对来形成，则在定子的周向上，获得了在半个圆周上每个绕组支路的线圈对彼此跟随的线圈样式或绕组样式，而于是在剩下半个圆周内接着的是相同的线圈对样式。
为此，各绕组支路的两个线圈连贯地、也就是无需附加的连接件或连接元件地缠绕成线圈对。如果线圈对在这种情况下设有仅两个绕组端部(线圈对端部)的话，那么三相定子绕组的每个绕组支路的两个布置在相邻定子齿上的线圈总共仅具有两个有待连接的绕组端部。
由此，所需连接元件的数目得到减少，并且定子的缠绕方案得到简化。因此，具有总计六个线圈对的三相定子绕组与具有十二个单线圈的三相定子绕组相对照地仅具有六个绕组端部。然后，这些绕组端部能以比较小的花费呈星形或三角形地相互接线。
附图说明
下面，参照附图对本发明的优选实施例进行详细阐释。其中：
图1示意示出依据本发明的电动马达的俯视图，该电动马达具有在外圆周上经结构化的转子以及在内圆周上同样经结构化的定子；
图2以放大比例示出图1中的截取部Ⅱ，其具有两个在形成最小气隙的情况下与转子相对置的定子齿；以及
图3以根据图1的视图示出马达，其具有具备各相绕组的对置线圈对的三相定子绕组。
彼此相应的部件在两个附图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示意示出无电刷电动马达或同步马达1，这种马达在汽车上例如作为用于对半自动变速器等提供支持的伺服马达。
同步马达1包括定子2，该定子2同轴包围安置在马达轴或转子轴3上的转子4。转子4由叠片构成，并在外圆周上具有数目为十(n＝10)的永磁体5。在转子4的内部，叠片的彼此叠置的单片具有一定数目的兜槽6，用于容纳永磁体5。
同样可以由具有彼此相叠的单片的叠片构成的定子2具有在圆周侧上的磁轭7以及偶数个定子齿8，连带有处于定子齿8之间的定子槽9。每个第二定子齿8承载一个定子绕组10(图3)。
由此，在转子侧配有十个永磁体5的马达1是具有十二个(m＝n+2＝12)定子齿8和十二个定子槽9的优选为十极的电动马达1。马达1例如也可以实施有十二个(n＝12)永磁体(也就是12极的)和十四个(m＝14)定子齿8。
具有n＝10个转子侧的永磁体5以及在定子侧具有m＝12定子齿8的优选为永磁体励磁式的无电刷同步马达1在转子侧在相邻的永磁体5之间具有的角度为α＝360°/n＝36°，以及在定子侧在两个相邻的定子齿8之间具有的角度为β＝360°/n+2＝30°。在这种情况下，各角度α、β在永磁体5的径向对称轴线S(α)之间测得或在定子齿8所示的径向对称轴线S(β)之间测得。
正如从图2比较清楚看出的那样，转子4在其朝向定子2与转子4之间的气隙11的外部型廓12上构造有如下的弯拱结构，其在圆周侧周期性交替出现最大处Lmax和最小处Lmin。最大处Lmax由指向气隙11及定子2定子齿8的拱出部来形成。弯拱结构的转子侧的最大处Lmax在区域A内对称地延伸，该区域A大致为恒磁体或永磁体5切向伸展的一半。
每个定子齿8在其也朝向气隙11的内部型廓13上具有弯拱凹部14。在齿端部上，也就是在各定子齿8的极靴区域内，弯拱结构的连至弯拱凹部14上的结构区域一致呈圆形地构造，并且以其在周向上延伸的切向伸展来覆盖弯拱结构的区域A。如果转子侧的弯拱结构的区域A与定子侧的弯拱结构的区域A相对置的话，那么径向气隙11最小。
在转子4相对于定子2的这个姿态下，当转子4的弯拱结构的最小处Lmin与相邻定子齿8的两个彼此相向的弯拱凹部14相对置，气隙11最大，也就是气隙11在相邻的定子齿8的这两个弯拱凹部14的区域内的径向伸展或宽度最大。因此，气隙11的径向伸展当转子4与定子2之间发生相对运动时，周期性地在最大值与最小值之间变化，其中，当定子齿8的及转子外部型廓12最大处Lmax的那两个区域A相对置时，是最大值，并且当定子侧弯拱结构的弯拱凹部14与转子侧弯拱结构的最小处Lmin相对置时，是最小值。
定子侧的弯拱结构特别是在与转子侧的弯拱结构结合下，在这种十极的同步马达1中，又可以提供梯形的电动势并且由此也提供了与具有十二个定子齿或者说十二个定子槽的传统10极的同步马达相比的功率提升。与正弦形的电动势相对比地，转矩进而还有功率可以提升6％以上。
定子侧的不对称的弯拱结构特别是在与转子侧对称的弯拱结构结合下，特别适用于图3所示的三相定子绕组10，三相定子绕组10具有对于每个相位u、v、w各两个线圈对10a、10b或10c，这些线圈对10a、10b或10c以所示的样式缠绕到定子2的定子齿8上。在这种情况下，每个相位u、v及w的每个线圈对10a、10b、10c缠绕到相邻的定子齿8上。在此，同一相位u、v及w的两个线圈对10a、10b、10c布置在直径上相对置的定子齿8上。
附图标记列表
1       同步马达/电动马达
2       定子
3       转子轴/马达轴
4       转子
5       永磁体
6       兜槽
7       磁轭
8       定子齿
9       定子槽
10      定子绕组
10a     相u的线圈对
10b     相v的线圈对
10c     相w的线圈对
11      气隙
12      外部型廓
13      内部型廓
14      弯拱凹部
α、β  角度
Lmax    弯拱最大处
Lmin    弯拱最小处
S(α)   对称轴线
S(β)   对称轴线

Claims (6)

1.无电刷的同步马达（1），所述同步马达（1）具有转子（4），所述转子（4）具有一定数目n个嵌入的永磁体（5）并且在形成气隙（11）的情况下能相对于定子（2）转动，所述定子（2）包括一定数目的设有三相定子绕组（10）的定子齿（8），
-其中，所述定子（2）的朝向所述转子（4）的内部型廓（13）具有不对称的弯拱结构，所述定子侧的弯拱结构具有设置在所述定子齿（8）端侧上的弯拱凹部（14），
-其中，在每个定子齿（8）的齿端上各自的弯拱凹部（14）关于该定子齿（8）的径向对称轴线仅设置在该定子齿的一侧上，
-其中，相邻的定子齿（8）的弯拱凹部（14）彼此相向，
-其中，所述转子（4）的朝向所述定子（2）的外部型廓（12）具有对称的且指向所述定子齿（8）的周期性弯拱结构，所述转子侧的弯拱结构在每个永磁体（5）的中部区域内达到最大（Lmax）以及在两个相邻的永磁体（5）之间达到最小（Lmin），
-其中，两个相邻的永磁体（5）之间的角度（α）为360°/n，且n>8，以及
-其中，两个相邻的定子齿（8）之间的角度（β）为360°/n+2。
2.按权利要求1所述的无电刷的同步马达（1），其特征在于，在所述转子（4）与朝向所述转子（4）的定子齿（8）之间的气隙（11）在所述转子（4）经过所述定子齿（8）时，周期性地在最大值与最小值之间变化。
3.按权利要求1所述的无电刷的同步马达（1），其特征在于，当所述转子侧的弯拱结构的最大处（Lmax）与定子侧的在所述定子齿（8）的弯拱凹部（14）以外的弯拱结构相对置时，所述转子（4）与朝向所述转子（4）的定子齿（8）之间的气隙（11）达到最小值。
4.按权利要求1所述的无电刷的同步马达（1），其特征在于，嵌入式永磁体（5）的数目为n=10，并且所述定子齿（8）的数目为m=n+2=12，其中，相邻的永磁体（5）之间的角度（α）为α=36°，并且相邻的定子齿（8）之间的角度（β）为β=30°。
5.按权利要求1所述的无电刷的同步马达（1），其特征在于，所述定子绕组（10）具有各具备至少四个线圈（10a、10b、10c）的三个绕组支路，其中，每个绕组支路的所述四个线圈（10a、10b、10c）中的各两个由两个相邻的定子齿（8）承载。
6.按权利要求5所述的无电刷的同步马达（1），其特征在于，所述各两个线圈（10a、10b、10c）与此绕组支路的另外两个线圈（10a、10b、10c）相对置地布置。
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