CN103210566A

CN103210566A - 具有低转矩脉动和低变动转矩特性的分段机电机器

Info

Publication number: CN103210566A
Application number: CN201180054715XA
Authority: CN
Inventors: 杰弗里·K·彼得; 赫克托·乌尔塔多
Original assignee: Northern Power Systems Utility Scale Inc
Current assignee: Wan Gao Electric Co Ltd
Priority date: 2010-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2031-09-23
Also published as: EP2619880A1; US8912704B2; US9812909B2; US20120074797A1; US20150137652A1; CN103210566B; BR112013006902A2; WO2012040542A1; CA2812209A1

Abstract

一种用于减少或消除例如电动机或发电机等机电机器中的转矩脉动和变动转矩的影响并且另外改善性能的方法和设备。该转子和/或定子在概念上分段并且这些区段（109）间隔开的量足以减轻变动转矩和转矩脉动的不利方面。定子齿或转子磁体的定位是基于计算出的间隔来确定。概念性区段可以形成为实际上独立的片段。可以在区段之间的末端空间中安置未缠绕齿，这些未缠绕齿占据的区域小于末端空间的整个区域。

Description

具有低转矩脉动和低变动转矩特性的分段机电机器

相关申请资料

本申请要求2010年9月23日申请的名称为“具有低转矩脉动和低变动转矩特性的分段机电机器（Sectionalized Electromechanical MachinesHaving Low Torque Ripple and Low Cogging Torque Characteristics）”的美国临时专利申请号61/385,660的优先权权益，该美国临时专利申请通过引用以全文并入本文。

发明领域

本发明总体上是关于机电机器的领域。具体来说，本发明是针对一种具有低转矩脉动和低变动转矩特性的分段机电机器。

背景

机电机器，即发电机或电动机，可以用广泛的大小来设计并配置，从例如相对小直径伺服电动机和汽车交流发电机到相对大直径水电涡轮机和用于轮船推进或其他用途的强力电动机。考虑到这些机器中的一些机器的大小，人们已经关注于从例如成段的转子或定子等一些较小组件来产生机器，从而实现制造、安装和维护的简便性。然而，当今的成段的设计具有多种缺陷，例如由于较难的制造和维护所致的增加的费用、对线圈的损坏的较大可能性、损失的转矩和/或转矩脉动和变动转矩的增加。简化制造和维护以及降低成本的一种已知方法是采用一种较不复杂的设计。

用于机电机器的较不复杂的设计的一个实施例是一种单齿同心缠绕设计。在这种设计中，定子或转子的每一个齿都围绕该齿同心地缠绕有一个单线圈。虽然这种设计可以比更复杂的缠绕模式便宜，但是它可能经受由于变动转矩和转矩脉动所致的甚至更大的不利影响。为了解决这些问题，已经开发各种齿偏斜方案，但是这些又增加了设计的成本并且可能由于组装的困难而与分段的设计不兼容。

发明内容

本发明描述用于减少机电机器中的转矩脉动和变动转矩的设备和方法。在一个实施方式中，本发明是针对根据本发明的一个实施例的一种机电机器，该机电机器包括多个内部和外部结构，所述结构中的至少一者相对于所述结构中的另一者旋转，多个转子极安置在该旋转结构上，多个定子极安置在另一结构上，其中这些转子极和定子极协作而从旋转产生电力或将电力转换为旋转。所述结构中的至少一者被形成为多个区段，每一个区段含有若干相应的极。包括一个或多个电路，所述转子极或定子极通过这些电路协作，所述电路以一个或多个电气相安排。在此实施方案中，区段的数目是相的数目的整数倍，电路的数目是电路的最大数目的一个因子，每个区段的极的数目是整数，该整数并非相的数目的整数倍，并且电路的最大数目对应于以下参数中的一者：如果每个区段的极的数目是偶数，那么将电路的最大数目设定为等于区段的数目的两倍除以相的数目；或者，如果每个区段的极的数目是奇数，那么电路的最大数目为区段的数目的两倍除以相的数目的结果的一半。

在另一实施方式中，本发明是针对一种机电机器，该机电机器具有多个转子极和多个定子极，这些转子极和定子极协作而从旋转产生电力或将电力转换为旋转。这种机电机器包括：多个内部和外部结构，所述结构中的至少一者相对于所述结构中的另一者旋转，其中这些转子极安置在该旋转结构上，这些定子极安置在另一结构上，所述结构中的至少一者包括多个区段；并且其中包括该多个区段的该结构的这些极是被安排在多组极中作为多个分段极，所述多个区段中的每一者中安置一组极，并且每一组具有两个末端极，在每一个区段末端处有一个末端极，并且末端极是分布于电路中而使得由于末端极变化所致的转矩脉动最小。另外，每一组内的极可以作为在该机器的操作中待减少的一个转矩脉动谐波的频率的函数来定位。

在又一实施例中，本发明是针对一种在一个机电机器中的转子或定子的片段，该机电机器具有多个转子极和多个定子极，这些转子极和定子极协作而从旋转产生电力或将电力转换为旋转。该机器包括：多个内部和外部结构，所述结构中的至少一者相对于所述结构中的另一者旋转，其中这些转子极安置在该旋转结构上，这些定子极安置在另一结构上，所述结构中的至少一者包括多个区段；其中包括该多个区段的该结构的这些极是被安排在多组极中作为多个分段极，该多个区段中的每一者中安置一组极，并且每一组具有两个末端极，在每一个区段末端处有一个末端极，每一组内的这些分段极是以一个区段极间距来安排，该区段极间距是在该机器的操作中至少待减少的一个转矩脉动谐波的频率的函数，邻近区段的这些末端极是以一个边界极间距来间隔，该边界极间距是该区段极间距的函数；并且其中该片段被配置并定尺寸而形成该多个区段中的一者，其中每一个所述区段被配置为多个可装卸式此类片段中的一者。

在再一实施方式中，本发明是针对一种用于减少一个机电机器中的转矩脉动和变动转矩的方法，该机电机器具有安置在多个相对旋转结构上的多个转子极和多个定子极，这些转子极和定子极协作而从旋转产生电力或将电力转换为旋转。该方法包括：概念上将这些相对旋转结构中的至少一者划分为多个区段以提供一个分段结构，每一个区段具有邻近于下一个区段的多个末端；将该分段结构的多个极安排在多组极中，每一组安置在一个区段内并且具有两个末端极，在每一个区段末端处有一个末端极；并且将每一组极内的多个邻近的极作为待减少的转矩脉动谐波的频率的函数而定位。

在本发明的又一实施方式中，一种机电机器的实施例具有多个转子极和多个定子极，这些转子极和定子极协作而从旋转产生电力或将电力转换为旋转，该机电机器包括多个内部和外部结构，所述结构中的至少一者相对于另一结构旋转。这些转子极安置在该旋转结构上，这些定子极安置在另一结构上。结构中的至少一者包括多个区段。包括该多个区段的结构的这些极是安排在形成于具有深度的多个齿上的多组缠绕极中。该多个区段中的每一者中安置每一组极中的一者，并且每一组具有两个末端极，在每一个区段末端处有一个末端极。这些末端极通过每一个区段末端处的一个末端空间与这些区段末端间隔开，该末端空间具有的宽度大约是从末端极绕组到区段末端的距离，深度大约是缠绕极齿的深度，从而界定一个末端空间区域。在每一个末端空间中安置一个未缠绕齿，使得未缠绕齿占据该末端空间区域的不超过90%。

附图说明

为了图解说明本发明的目的，这些附图示出了本发明的一个或多个实施例的多个方面。然而，应该理解的是本发明不限于附图中所示的这些精确的安排和器械，在附图中：

图1是根据本发明的实施例构造具有低转矩脉动和低变动转矩特性的分段机电机器的方法的流程图；

图1A是图解说明本发明的替代实施例中的定子设计的方法的另一个流程图。

图2是根据本发明的一个实施例的具有成段定子的机电机器的平面图；

图3是根据本发明的一个替代实施例的具有成段定子的机电机器的一部分的平面图；

图4是根据本发明的另一个实施例的具有分段定子的机电机器的平面图；

图5是根据本发明的一个实施例的具有成段转子设计的机电机器的平面图；并且

图6A到6C是采用不同末端齿配置的本发明的替代实施例的局部平面图。

具体实施方式

本文所说的机电机器是用于从机械功产生电能（例如，从涡轮机叶片的旋转产生电力）或将电能转换为机械功（例如，使用电力来使一个物体旋转）的机器。总体上，本发明是针对一种包括分段定子和转子设计并且用于减少机电机器中的变动转矩和转矩脉动的设备和方法。本发明的实施例尤其适用于单齿同心缠绕装置，但也可以适用于其他设计。

术语分段和分成段在本领域中相对于机电机器有许多种使用方法。举例来说，它们可以指代用多个弓形或弯曲区段来构造一台机器的转子或定子，这些区段可以安装到一个结构框架中而形成一个定子或转子。本文使用的分段意味着用概念性的区段来提供转子或定子，或者换句话说，定子或转子具有对应于每一个区段的重复的弓形设计部分，但可以是总体单位化的结构，即，定子或转子区段不是由单独零件制成。在一些实施例中，如本文在下文描述，这些区段可以形成为多个独立片段，这些片段经过组装而形成一个完整转子或定子。

根据本发明的实施例将一个机器分段涉及分析物理布局（例如，定子和转子极的位置和数目等等）和电气布局（例如，相数目、电路数目和线圈安排等等）。在描述根据本发明的实施例的一个机电机器的物理布局和电气布局的可能示例性实施例之前，关于图1和图1A来定义术语并且描述此机器的示例性设计过程的实施例。

电机器设计领域的普通技术人员将了解极和相的概念。定子和转子上的极分别称为定子极和转子极。为了说明起来简单和清楚，本文讨论的说明性实施例在定子上具有三个相，在转子上具有两个相。可以在实践中使用其他组合并且仍落在本发明内。在本文描述的示例性实施例中，转子相是北磁极和南磁极，定子相是单齿同心缠绕极。如本领域的普通技术人员将了解，当对于极使用磁体时，可以实际仅具有两个相，但是在具有缠绕极的转子中可能存在任意数目的相。如果定子具有缠绕极，那么同样也可能具有任意数目的相。

又一次，为了本文描述的概念和示例性实施例的简单和清楚，示例性定子设计使用单个线圈、单齿同心缠绕极。这也可以是用于许多大型机器的所希望的结构。然而，如本领域的普通技术人员将了解，单个极由若干个齿和若干个线圈形成也是可能的。在这种情况下，针对本发明讨论的概念是相同的，但说明和细节更为复杂。因此，为了简单，我们使用术语转子极和定子极来分别指代转子或定子上的一个永久磁体极或一个齿上的缠绕线圈。本领域的普通技术人员将能够将本发明的传授内容应用于甚至更复杂的设计。

本发明的某些方面涉及定子极或转子极的间距。对于均匀间距的应用，在极中心线之间测量间距。为了本文的说明目的，缠绕极的中心是处于线所缠绕的齿的中心处。磁极的中心是处于磁体的中心处。在以前，一台机器的极的中心总体上是围绕该机器相等地间隔。然而，本发明的方面包括一种用于使用不相等间距来降低转矩脉动和变动转矩并且同时使因为新安排所带来的转矩或功率密度的减小最少的结构和方法。

参见图1，在本发明的实施例中，许多设计过程的典型情况是，设计一台机电机器是从确定该机器的期望电气特性开始，该电气特性规定了物理布局。举例来说，一台发电机的设计过程可以包括，在步骤14处，初始确定例如绕组类型等基本配置，例如单齿同心缠绕、相的数目、针对所递送功率的期望电压和/或期望电流。作为另一个实施例，对于一台电动机，步骤14可以包括初始确定电动机轴的相的数目、期望转矩或期望速度。本领域的普通技术人员可以将确定为适用的其他初始考虑因素纳入考虑。

根据步骤14的初始期望设计可以确定物理特性和电气特性。在一个实施例中，下一个步骤16将是选择每一个转子和定子上的极的数目。总体上，从电气布局来看，并且如本领域的普通技术人员将容易了解，下一个步骤18将是确定区段结构，例如区段的数目和极的安排，包括每一串联串的极的数目以及区段和电路的数目。典型地，每一个极包括围绕一个芯缠绕的线圈，该芯经常称为齿，多个线圈可以串联连接在一起而形成一个串。每一个串接着并联连接而获得期望的设计结果。在一个示例性实施例中，极的每一个串将具有相同数目的极和相等数目的末端极（在一个区段的末端的极），使得这些串适当地共享电流。极的宽度（例如见图2，参考标号144）是也可以在此时设定的另一个物理参数。

作为一个参数，在步骤18中可以包括确定概念性区段的数目。在设计过程10的一个示例性实施例中，转子或定子的区段的数目是相的数目的整数倍。区段的数目的选择还可能部分地受到制造和组装需要的影响。应注意，在其中绕组配置包括反向线圈的实施例中，定子相的数目可以是电气相的数目的两倍。总体上，本领域的普通技术人员可以考虑本发明的传授内容，基于自身的应用和优选参数来确定区段的数目。

在总体上适用于具有分段的齿缠绕配置的发电机或电动机的一个示例性实施例中，步骤18可以分解为如图1A中图解说明的定子设计的一系列子步骤。为了在一台机器的每一个并联电路中提供平衡的电流，可能希望在每一个并联电路中以及机器的每一个电气相中具有相等数目的末端极。虽然三相设计总体上是主流的，但设计和使用具有任意整数个相的机器也是可能的。但是无论在特定实施例中将应用的相的数目如何，在本发明的一个示例性实施例中，每个区段的极的数目以及区段内的极的安排是考虑以下设计要求来选择：首先，每个区段的极的数目应当是整数，该整数并非相的数目的整数倍。其次，极的每一个串联串应当具有相同数目的极。再次，极的每一个串联串应当包括相等数目的末端极。

这些设计要求可以通过如对于图1A中的步骤18图解说明的以下子步骤来满足。在步骤20中，将区段的数目设定为相的数目的整数倍。在步骤22中，如下设定电路的最大数目：如果每个区段的极的数目是偶数，那么将电路的最大数目设定为等于区段的数目的两倍除以相的数目；替代地，如果每个区段的极的数目是奇数，那么将电路的最大数目设定为该数字的一半。接着，在步骤24中，从可能的电路数目选择电路的数目，可能的电路数目是电路的最大数目的因数。本领域的普通技术人员将了解，图1A中图解说明的步骤只是用于在末端极的特性足够不同而导致相或电路电流的可能不平衡，从而又将导致复杂的转矩脉动模式的情况下，得到一种可以工作的线圈、区段和电路的安排的一个示例性方法。如果末端极特性不重要，那么可以采用许多其他技术来得到可工作的安排，而不脱离如所附权利要求书中陈述的本发明的范围。

其中每一个字母A、B或C表示连接到每一个极的一个相，并且每一个“|”表示一个区段边界。应注意，对于每三个区段，存在字母ABC各七个并且一个区段边界旁边有两个相。由于在此设计中，每个区段的线圈的数目是奇数，因此电路的最大数目将是三个。根据以上陈述的设计参数，仅存在两种选项：一个或三个电路。

再次参见图1，根据本发明的一个实施例的总体设计过程可以用步骤26继续。线圈数目与磁体数目的比率（极比）产生了在基频的一个或多个谐波整数倍下的特征转矩脉动以及一个所得的变动转矩谐波。在步骤26处识别待消除或减少的频率的谐波整数。总体上，并且如本领域的普通技术人员将了解，一台机电机器产生具有特征转矩脉动频率的许多谐波，每一个谐波对机器操作具有不同量的影响。因此，待消除的所选谐波转矩脉动频率将总体上是对机器的操作具有最大影响的一个频率，例如，主要谐波转矩脉动频率。

接着可以通过在转子或定子中在区段内以及跨越邻近区段之间的边界的极的间距的适当安排来减少或消除转矩脉动和变动转矩。在本发明的一个实施例中，这可以在步骤30和34处仅基于少量选定的参数来实现：极的数目、相的数目、区段的数目以及平衡因子。

使用以上参数，如下使用等式1在步骤30中计算每一个区段内的极间距：

PPs = \frac{360}{P} \times (1 - \frac{N \times Ph \times X}{H \times P})

[等式1]

其中：

PPs 是区段极间距；

P 是极的数目；

Ph 是相的数目；

H 是待消除的谐波数目；

N 是区段的数目；并且

X 是在大于0到1的范围内的因子。

当通过如上所述对边界极间距设定大小而减少变动转矩时，还可能伴随有由机电机器产生的转矩密度的减小。转矩密度的这种减小在特定情况应用中可能是期望的或者可能不是期望的。等式1中的平衡因子X允许将这些考虑因素纳入考虑以在确定特定设计中的区段极间距时使期望的变动转矩减少与不期望的转矩密度损失相互平衡。在转矩脉动是主要问题的应用中，X可以设定为1。然而，在转矩密度的减小是待考虑的因素的应用中，可以通过选择值小于一的X来增加区段极间距。如从以下等式2可见，增加区段极间距还减小了边界极间距，从而提供机器周围的极的更均匀间隔，这将提供增加的转矩密度，同时将变动转矩的减小降低到某一程度。本领域的普通技术人员将能够基于本文包含的传授内容选择平衡因子X来实现针对特定应用的多个参数之间的最佳平衡。在一个示例性实施例中，将平衡因子X选择为处于约0.45到约0.95的范围内。在另一个实施例中，平衡因子X处于约0.60到约0.90的范围内。

接着，在步骤34处，基于所计算的区段极间距，根据等式2如下计算边界极间距，即邻近的末端极之间跨越区段划分处的中心到中心距离：

PPb = (\frac{360 - (P \times PPs)}{N}) + PPs

[等式2]

其中：

PPb 是边界极间距；

PPs 是区段极间距；

P 是极的数目；并且

N 是区段的数目。

使用以上等式1和2，转子或定子、缠绕或永久磁体的区段可以被安排成减少或消除选定的转矩脉动谐波。（在永久磁体转子的情况下，相的数目将为2——北和南）。为了在步骤38处构造转子/定子区段，将多个极安排在每一个区段内，这些极的中心位于区段极间距处，并且在区段的每一个末端处的最后一个极与区段边缘间隔开该边界极间距的一半。如先前选择的齿/线圈或磁体大小仍适用，仅需要注意的是它们不能太大，否则会在以所计算的区段极间距间隔时重叠。下文更详细描述转子和定子区段的构造的分段或不分段的实施例和实施例。如果定子或转子是独立片段，那么接着可以在步骤42处组装这些片段。本领域的普通技术人员将了解，图1和图1A中图解说明的设计过程步骤不需要按描绘的那样线性排序。在适当时可以根据特定设计或过程来使步骤循环或重排序。

图2所示为一个示例性实施例，其中机电机器100具有根据本发明的分段并且成段的定子设计。机电机器100尤其具有一个转子组件104和一个定子组件108。在此实施例中，定子组件的缠绕定子极被安排在多个区段109中，其中每一个区段是如下描述的独立片段124A到124C。典型地，转子组件104和定子组件108具有一个共同中心轴，并且驻留在一个外壳（未图示）内。总体上，转子组件104是通过以一个外力（例如，风）作用的一根轴106或本领域中已知的其他机构而旋转，或者转子组件可以通过由定子组件108作用（例如，通过对线圈136的周期性激励）来使轴旋转。在上文描述的示例性配置中，定子组件108保持静止。定子组件108包括一个定子框架120，载有多个定子片段124A到124C，每一个定子片段包括一个定子护铁128以及多个向内指向的齿132（有时也称为芯）。线圈136缠绕在齿132上以提供缠绕极144。多个末端极146位于每一个区段的末端处。在缠绕极144的情况下，在末端极146上的末端线圈之间存在一个末端空间148，表示在常规设计中原本将安置一个被跳过的齿或极的空间。

定子护铁128可以用本领域中已知的材料制造，例如具有足够刚性和电气特性、具有层压或实心构造的各种金属、组合物或其他材料，从而满足所希望的设计规范。齿（芯）可以安置在护铁上或者与护铁一起制造为一个单位体，并且也是用本领域中已知的材料制成。

转子组件104包括至少围绕转子构件112的表面约相等地安置的多个磁体116。磁体116典型地但并非一定是由本领域中已知的材料组成的永久磁体，例如复合金属或稀土磁体。转子构件112总体上是环形的并且可以用本领域的普通技术人员容易了解的材料制成，例如具有足够刚性的各种金属、复合物或其他材料，从而在旋转应力下维持转子构件112的环形形状。磁体116到转子构件112的附接可以通过本领域中众所周知的手段来实现。

再次参考如上所述的设计过程，作为一个实例，假定图2中的机器100是一台三相机器，其中定子极144与磁体116的极比为三比二，例如二十四个定子极和十六个转子极。具有此配置的机器可能预期具有处于电频率的六次谐波整数处的主要转矩脉动频率。为了至少基本上消除此频率，可以根据以上等式1来安排定子极。基于已经确定的设计参数，在此情况下定子极的极数目（P）为24，相的数目（Ph）为3，待消除的谐波（H）为6，并且区段的数目（N）为3。因此，为了在平衡因子X设定为1时得到最大变动转矩减小，将每一个区段内的区段极间距（PPs）计算为14.0625机械度。

末端极146则与区段末端126间隔一段距离，该距离等于根据以上等式2计算的边界极间距（PPb）的一半。基于以上参数，边界极间距为21.5625机械度，它的一半是10.78125机械度。如果假设齿132的宽度是在7.0度下选择，那么每一个区段中的齿之间的狭槽将为7.0625度，并且每一个区段的末端处在末端齿之外的空间将为7.28125机械度。片段或区段的末端处的绕组之间未被占据的末端空间148可以被未缠绕末端齿占据或可以不被未缠绕末端齿占据，如下文更详细讨论。

替代地，如上所述，如果确定希望增加转矩密度，同时降低变动转矩的减小，那么可以将平衡因子X设定于小于1的值，例如0.85。在平衡因子X为0.85并且所有其他参数如上确立的情况下，区段极间距是14.2031机械度。使用此经修改的区段极间距，再次如上使用等式2来计算边界极间距。（注意：将X的值设定为0产生PPs=PPb=15度的结果，这是一台传统机器中的相等间隔的极。）

虽然如图2所示的机电机器100的配置指示具有先前指定的部件的定子组件108环绕转子组件104（描述为“内部旋转配置”），但本领域的普通技术人员将容易了解机电机器100的其他配置。举例来说，转子组件可以环绕定子组件（描述为“外部旋转配置”），或者转子组件可以包括多个芯和多个线圈作为极，而定子组件可以包括多个磁体作为极。下文描述的是内部旋转配置的另外的示例性实施例，其中定子组件包括芯和线圈，转子组件包括磁体，但本发明不受这些示例性配置的限制。另外，在根据本发明的机电机器中可以使用一个以上转子组件/定子组件，例如转子组件和定子组件以一种堆叠配置（未示出）存在。本领域的普通技术人员将容易了解，本文传授的实施例和方法适用于在各种配置中利用多个转子组件和定子组件的机电机器。在另一替代例中，虽然图2中仅示出了三个片段，但本领域的普通技术人员将了解，更多或更少的片段是可能的。

图3中图解说明另一示例性实施例，其中转子组件的配置是根据示例性方法来安排，从而消除或减少不期望的转矩脉动频率。在这个实施例中，机器200包括一个转子组件204，该转子组件具有一个转子构件224，该转子构件包括多个区段224A和224B以及安置在周围的多个极216。在这个实施例中，存在16个极和2个转子区段。虽然机器200示出了2个相异的转子片段形成区段224A和224B，但在其他实施例中，转子区段可以是形成一个未划分的转子构件的多个概念性区段。定子组件208可以包括一个定子框架220、一个定子护铁228、多个齿232以及多个线圈236，这些线圈包围齿232而形成多个定子极244。齿232总体上（但不一定）径向地朝向定子组件208的中心轴延伸足以提供线圈236的量，但不会延伸太远而干扰转子组件204的移动。

借助于非限制性实例，由十六个转子极216和二十四个定子极244组成的一台机器的设计和配置在通过本领域中使用的典型程序构造的情况下可以产生六次谐波转矩脉动频率作为主要频率。在这个实施例中，为了至少基本上消除该六次谐波转矩脉动频率，如下根据上文描述的示例性方法来修改转子组件的配置。

将等式1应用于转子组件和永久磁体（转子极）（P=16，N=2，Ph=2，H=6），如果平衡因子X设定为1，则每一个区段中的极间距（PPs）被计算为21.5625机械度。接着，使用等式2，将边界极间距（PPb）计算为29.0625机械度。因此，在每一个区段的末端处每一个极的中心以边界极间距的一半或距每一个区段边缘22614.53125机械度间隔。

在这个情况下，磁体宽度对应于转子极的宽度。因此，磁体之间的距离是从区段极间距得出的。举例来说，如果将磁体宽度选择为20机械度，那么当以21.5625机械度的区段极间距间隔时，磁体之间的距离将为1.5625度。使用这些参数，示例性机器可以如图1的步骤38和42处描述而构造和组装。

如图4中所示的机电机器300图解说明本发明的又一个替代示例性实施例，其中定子组件308形成有作为独立片段提供的多个区段309。定子组件308和机器300的设计和配置类似于机器100，因为机器300包括一个转子组件304，该转子组件可以包括一个转子构件312和多个磁体316。定子组件308可以包括一个定子框架320以及多个定子片段324，该定子片段具有一个定子护铁328、多个向内延伸的齿332以及多个线圈336。通过成段的设计，区段末端326还对应于片段的实际末端。在这个实施例中，将基本结构选择为包括十八个分开的定子片段324A到324R（并未示出所有片段）的三相机器，每一个定子片段包括十个极，总共180个极。将齿332选择为具有1.0度的宽度。齿332和线圈336是成对的，从而形成定子极344。在这个实施例中，末端极346之间的空间是由未缠绕末端齿348占据，该齿是由两个半部形成，在每一个区段/片段末端326上有一个半部。

又一次，使用等式1，将平衡因子X设定为1，并且假定六次谐波整数将被消除或减少，则区段极间距（PPs）被计算为1.90机械度（P=180，Pu=3，N=18，H=6）。基于此确定，每一个区段中的末端极346的中心距区段末端336间隔0.45机械度，即，如以等式2计算的边界极间距（PPb）的一半。根据这些尺寸，本领域的普通技术人员可以根据这个实施例构造一台机电机器，该机器至少基本上消除了六次谐波频率下的转矩脉动。如图4中所见，每一个片段324具有末端齿348。当组装机器300时，相邻片段的末端齿348可以组合而形成一个经划分的未缠绕跳齿。

本领域的普通技术人员将能够基于如上传授的基本方法来得出任意数目的起作用的公式，以便提供对于特定设计考虑来说更方便的方法，而不会脱离本发明的主旨和范围。举例来说，在尤其适用于缠绕定子极的安排有待调整的设计的一种替代变化中，末端极的间隔可以初始确定为将360电度（electrical degrees）除以对应于待减少的频率的所识别谐波整数，这导致间隔大约等于转矩脉动频率波长。替代地，根据等式3以机械度为单位确定该间隔：

Ss=X*720/(H*Pr) [等式3]

其中：

Ss 是定子的以机械度为单位的区段间隔（这个参数对应于如上计算的边界极间距减去区段极间距（PPb-PPs））；

H 是与待减少或消除的谐波转矩脉动频率相关联的谐波整数；

Pr 是转子极的数目；并且

X 是在大于0到1的范围内的因子。

如上所述，可以应用平衡因子X来调整变动转矩减少与转矩密度损失之间的平衡。

使用这个变化，接着可以通过从片段的电度跨度减去该间隔Ss来确定定子上的极间距，即，围绕机器的圆周的、以电度为单位的角测量值除以片段的数目，并且接着将该结果除以片段中的极的数目。以机械度为单位，每一个片段内的极间距可以替代地使用等式4来确定：

PPs = \frac{(360 / N) - Ss}{Ps}

[等式4]

其中：

PPs 是区段内的以机械度为单位的定子极间距；

N 是区段的数目；

Ss 是以机械度为单位的区段间隔；并且

Ps 是每个定子片段的极的数目。

给定此信息的情况下，则可以构造定子片段。为此，可以使用等式5计算缠绕级的齿之间的距离D：

D=PP-Wt [等式5]

其中：

PP 是以机械度为单位的定子极间距；

Wt 是定子齿的角宽度；并且

D 是定子齿之间的角距离，例如一个定子芯的狭槽。

在距离D确定的情况下，本领域的普通技术人员可以用确定的极间距和极之间的距离来构造实际区段或概念区段，以至少基本上消除选定的转矩脉动谐波。

图5所示为机器400的又一个替代实施例，该机器具有三定子极比两转子极的极比，即，二十四个线圈比十六个磁体。机器400包括一个转子组件404，该转子组件具有一个转子构件412，该转子构件支撑多个磁体416。定子组件408可以包括一个定子框架420以及多个定子片段424，这些定子片段包括一个定子护铁428、多个齿432以及多个线圈436，如先前描述。然而，在这个情况下，区段424未形成为独立片段，因为定子是单件式构造。齿432和线圈436再次是成对的，从而形成定子极442。

如本领域的普通技术人员将了解，在典型的现有技术转子中，通过这个基本设计，在这个实例中，转子极416正常地将围绕圆周以大约22.5机械度（180电气度）的间隔大约相等地间隔。二十四个定子极442也将典型地围绕定子组件408以约15.0机械度（120电度）的间隔相等地间隔。然而，在本发明的这个示例性实施例中，为了至少基本上消除一个转矩脉动频率，使用如上所述的等式3到5来添加跳齿440并设定这些跳齿的大小。举例来说，如果希望最大程度地消除六次谐波频率并且因此将平衡因子X设定为1，那么间隔Ss将为7.5机械度。假设齿宽度Wt为7.0度，则极间距PP将因此是14.0625机械度，并且齿之间的狭槽宽度D将是7.0625度。跳齿440安置在末端极446之间的空间内，但由于定子是单一式构造，因此跳齿440也是单一式的。

例如图4中的末端齿348或图5中的跳齿440等跳齿或未缠绕齿的配置在另外的替代实施例中可以得到调整以进一步优化机器性能。图6A到6C中示出了有关于此的跳齿的示例性设计，这些图中图解说明了三种替代实施例，每一种都具有磁体516、齿532、线圈536和护铁528。在例如图5中的完整跳齿的情况下，末端极的泄漏电感将在某种程度上高于其他极，因为末端狭槽比其他狭槽窄。相反，在如图2中的非常短或没有末端齿的情况下，泄漏电感较低。因此，可以选择一种中间形状，该形状将提供与内部区段极更接近的类似的泄漏电感。

可以为跳齿或未缠绕末端齿选择广泛多种形状以影响泄漏电感。举例来说，图6A示出了一个短跳齿540A，图6B示出了一个锥形跳齿540B，并且图6C示出了一个薄跳齿540C。这些仅仅是许多形状的有限取样，可以由本领域的普通技术人员基于本文的传授内容来选择形状。任何形状都可以被调整而为定子提供期望的泄漏电感。泄漏电感仅仅是影响此末端线圈的性能的一个参数。另一个参数是转子磁体通量耦合。总体上可以通过调整靠近转子的跳齿的量以及该跳齿距转子的距离来控制转子通量耦合。跳齿的确切形状和尺寸随着发电机设计的许多细节而变化，并且必须针对每一种设计进行调整。这将取决于参数的选择，例如转子与定子之间的气隙、齿宽度、狭槽宽度以及在完全或部分功率下的期望性能，如本领域的普通技术人员基于本文继续传授的内容可以确定（针对特定应用）。

在一个示例性实施例中，跳齿可以被配置成采用图6A到6C的每一个实施例的特征。换句话说，跳齿可以是具有梯形形状的短跳齿，其中底边比可用的末端空间窄。在一个这种示例性实施例中，与缠绕齿532的约133mm的完整深度相比，跳齿距定子护铁528的深度可以是约125mm（即，短大约8mm），使得跳齿的深度是缠绕齿的深度的约94%，底边比末端空间的可用宽度小50%，并且还考虑梯形形状，末端极的线圈536之间的末端空间区域可能仅有大约68%被跳齿填充。总体上，末端空间区域可能被未缠绕齿占据不超过90%。在其他实施例中，末端空间区域可能被跳齿填充约55%到约80%之间。当如图6A中图解说明采用短齿型设计时，短跳齿可以具有缠绕齿的约90%到约98%的深度。替代地，跳齿可以比邻近的缠绕齿短约5到15mm。本领域的普通技术人员将了解，当如例如图4中的末端齿348图解说明地采用成段设计时，如图6A到6C中所示的实心跳齿也可以分多个部分形成。举例来说，跳齿可以作为单独部件而添加。

以上已经披露并且在附图中图解说明了多个示例性实施例。本领域的普通技术人员将理解的是可以对在此明确说明的内容进行不同的改变、省略和添加，而不背离本发明的主旨和范围。举例来说，如本领域的普通技术人员将了解，在前述实施例中消除六次谐波的决策是仅为了本文图解说明的目的而利用的基于特定应用的一个设计参数。可以针对特定设计确定以其他独立谐波为目标，而不脱离本发明的范围。

Claims

1.一种机电机器，包括：

多个内部和外部结构，所述结构中的至少一者相对于所述结构中的另一者旋转；

多个转子极，这些转子极安置在该旋转结构上；

多个定子极，这些定子极安置在该另一结构上，其中所述转子极和定子极协作而从旋转产生电力或将电力转换为旋转；

所述结构中的至少一者被形成为多个区段，每一个区段含有若干相应的极；以及

一个或多个电路，所述转子极或定子极通过这些电路协作，所述电路以一个或多个电气相安排；

其中，

区段的数目是相的数目的整数倍；

电路的数目是电路的最大数目的一个因子；

每个区段的极的数目是整数，该整数并非相的数目的整数倍；并且

电路的该最大数目对应于以下参数中的一者，

如果每个区段的极的数目是一个偶数，那么电路的最大数目等于区段的数目的两倍除以相的数目，或

如果每个区段的极的数目是一个奇数，那么电路的最大数目是区段的数目除以相的数目。

2.如权利要求1所述的机电机器，其中：

包括该多个区段的所述结构的这些极是被安排在多组极中作为多个分段极，

所述多个区段中的每一者中安置一组所述极，并且每一组具有两个末端极，在每一个区段末端处有一个末端极；并且

每一组内的这些极是作为在该机器的操作中至少待减少的一个转矩脉动谐波的频率而定位。

3.如权利要求2所述的机电机器，其中：

每一组内的这些分段极是以一个区段极间距来安排，该区段极间距是在该机器的操作中至少待减少的一个转矩脉动谐波的频率的函数；并且

邻近区段的这些末端极是以一个边界极间距来间隔，该边界极间距是该区段极间距的函数。

4.如权利要求3所述的机电机器，其中所述区段极间距进一步是所述机器中的极、相和区段的数目的函数。

5.如权利要求4所述的机电机器，其中所述区段极间距函数是：

PPs = \frac{360}{P} \times (1 - \frac{N \times Ph \times X}{H \times P})

其中：

PPs 是该区段极间距；

P 是极的数目；

Ph 是相的数目；

H 是待消除的谐波数目；

N 是区段的数目；并且

X 是在大于0到1的范围内的因子。

6.如权利要求5所述的机电机器，其中该因子X在约0.45与0.95之间。

7.如权利要求4所述的机电机器，其中所述边界极间距进一步是该区段极间距以及区段和极的数目的函数。

8.如权利要求5所述的机电机器，其中所述边界极间距函数是：

PPb = (\frac{360 - (P \times PPs)}{N}) + PPs

其中：

PPb 是该边界极间距；

PPs 是该区段极间距；

P 是极的数目；并且

N 是区段的数目。

9.如权利要求2所述的机电机器，其中包括该多个区段的所述结构被划分为多于一个可装卸式片段，其中所述可装卸式片段中的每一者对应于所述多个区段中的一个不同的相应区段。

10.如权利要求2所述的机电机器，其中包括所述多个区段的所述结构是一个定子。

11.如权利要求2所述的机电机器，其中包括多个区段的所述结构是一个转子。

12.如权利要求2所述的机电机器，其中所述分段极是缠绕极。

13.如权利要求2所述的机电机器，其中所述分段极是磁体。

14.一种机电机器，具有多个转子极和多个定子极，这些转子极和定子极协作而从旋转产生电力或将电力转换为旋转，该机电机器包括：

多个内部和外部结构，所述结构中的至少一者相对于所述结构中的另一者旋转，其中这些转子极安置在该旋转结构上，这些定子极安置在该另一结构上，所述结构中的至少一者包括多个区段；并且

其中

所述多个区段中的每一者中安置一组所述极，并且每一组具有两个末端极，在每一个区段末端处有一个末端极，并且

每一组内的极是作为在该机器的操作中至少待减少的一个转矩脉动谐波的频率来定位。

15.如权利要求14所述的机电机器，其中：

每一组内的这些分段极是以一个区段极间距来安排，该区段极间距是在该机器的操作中待至少减少的一个转矩脉动谐波的频率的函数；并且

16.如权利要求15所述的机电机器，其中所述区段极间距进一步是所述机器中的极、相和区段的数目的函数。

17.如权利要求16所述的机电机器，其中所述区段极间距函数是：

PPs = \frac{360}{P} \times (1 - \frac{N \times Ph \times X}{H \times P})

其中：

PPs 是该区段极间距；

P 是极的数目；

Ph 是相的数目；

H 是待消除的谐波数目；

N 是区段的数目；并且

X 是在大于0到1的范围内的因子。

18.如权利要求17所述的机电机器，其中该因子X在约0.45与0.95之间。

19.如权利要求16所述的机电机器，其中所述边界极间距进一步是该区段极间距以及区段和极的数目的函数。

20.如权利要求17所述的机电机器，其中所述边界极间距函数是：

PPb = (\frac{360 - (P \times PPs)}{N}) + PPs

其中：

PPb 是该边界极间距；

PPs 是该区段极间距；

P 是极的数目；并且

N 是区段的数目。

21.如权利要求14所述的机电机器，其中：

所述转子极或定子极中的至少一者通过一个或多个电路协作，所述电路以一个或多个电气相安排；

区段的数目是相的数目的整数倍；

电路的数目是电路的最大数目的一个公因子；

每个区段的极的数目是整数，该整数并非该相的数目的整数倍；并且

电路的该最大数目对应于以下参数中的一者，

如果每个区段的极的数目是一个奇数，那么电路的最大数目是区段的数目的两倍除以相的数目的结果的一半。

22.如权利要求14所述的机电机器，其中：

包括该多个区段的所述结构被划分为多于一个可装卸式片段；并且

所述可装卸片段中的每一者对应于所述多个区段中的一个不同的相应区段。

23.如权利要求14所述的机电机器，其中包括所述多个区段的所述结构是一个定子。

24.如权利要求14所述的机电机器，其中包括多个区段的所述结构是一个转子。

25.如权利要求14所述的机电机器，其中所述分段极是缠绕极。

26.如权利要求14所述的机电机器，其中所述分段极是磁体。

27.如权利要求26所述的机电机器，其中所述磁体是永久磁体。

28.如权利要求14所述的机电机器，其中这些末端极通过每一个区段末端处的一个末端空间与这些区段末端间隔开。

29.如权利要求28所述的机电机器，其中该区段末端安置在与末端极中心相距大约该边界极间距的一半的距离处。

30.如权利要求28所述的机电机器，其中这些分段极是缠绕极，并且所述末端空间至少部分地由未缠绕齿占据。

31.如权利要求30所述的机电机器，其中多个邻近区段的这些末端空间是由单个未缠绕齿占据。

32.如权利要求30所述的机电机器，其中多个邻近区段的这些末端空间是由多个分开的未缠绕齿占据。

33.如权利要求30所述的机电机器，其中：

这些缠绕极形成于具有深度的齿上；

该末端空间具有的宽度大约是从末端极绕组到区段末端的距离，深度大约是缠绕极齿的深度，从而界定一个末端空间区域；并且

该未缠绕齿占据所述末端空间区域的一部分。

34.如权利要求33所述的机电机器，其中这些未缠绕齿占据该末端空间区域的大约55%到80%。

35.如权利要求33所述的机电机器，其中这些未缠绕齿具有缠绕极齿的大约90%到98%的深度。

36.如权利要求33所述的机电机器，其中这些未缠绕齿具有梯形形状。

37.如权利要求33所述的机电机器，其中这些未缠绕齿具有基本上矩形形状以及小于缠绕极齿深度的深度。

38.如权利要求33所述的机电机器，其中这些未缠绕齿具有基本上矩形形状以及小于末端空间宽度的宽度。

39.如权利要求14所述的机电机器，其中：

这些分段极是缠绕定子极；并且

多个邻近区段的这些末端极是通过大约等于待减少的转矩脉动谐波的波长的区段间隔而间隔开。

40.如权利要求39所述的机电机器，其中该区段间隔是待减少的转矩脉动谐波和转子极的数目的函数。

41.如权利要求40所述的机电机器，其中该间隔函数是

Ss=X*720/(H*pr)

其中：

Ss 是以机械度为单位的区段间隔；并且

Pr 是转子极的数目；并且

X 是在大于0到1的范围内的因子。

42.如权利要求41所述的机电机器，其中每一个区段内的该极间距是

PPs = \frac{(360 / N) - Ss}{Ps}

其中：

PPs 是以机械度为单位的定子极间距；

N 是区段的数目；

Ss 是以机械度为单位的区段间隔；并且

Ps 是每个定子片段的极的数目。

43.如权利要求42所述的机电机器，其中X是在约0.45与0.95之间的因子。

44.一种在机电机器中的转子或定子的片段，该机电机器具有多个转子极和多个定子极，这些转子极和定子极协作而从旋转产生电力或将电力转换为旋转，该机器包括：

多个内部和外部结构，所述结构中的至少一者相对于所述结构中的另一者旋转，其中这些转子极安置在该旋转结构上，这些定子极安置在该另一结构上，所述结构中的至少一者包括多个区段；

其中

所述多个区段中的每一者中安置一组所述极，并且每一组具有两个末端极，在每一个区段末端处有一个末端极，

每一组内的这些分段极是以一个区段极间距来安排，该区段极间距是在该机器的操作中至少待减少的一个转矩脉动谐波的频率的函数，

邻近区段的这些末端极是以一个边界极间距来间隔，该边界极间距是该区段极间距的函数；并且

其中所述片段被配置并定尺寸而形成所述多个区段中的一者，其中每一个所述区段被配置为多个可装卸式的此类片段中的一者。

45.如权利要求44所述的机电机器的片段，其中所述区段极间距函数是：

PPs = \frac{360}{P} \times (1 - \frac{N \times Ph \times X}{H \times P})

其中：

PPs 是该区段极间距；

P 是极的数目；

Ph 是相的数目；

H 是待消除的谐波数目；

N 是区段的数目；

X 是在大于0到1的范围内的因子。

46.如权利要求45所述的机电机器的片段，其中该因子X在约0.45与0.95之间。

47.如权利要求44所述的机电机器的片段，其中所述边界极间距进一步是该区段极间距以及区段和极的数目的函数。

48.如权利要求45所述的机电机器的片段，其中所述边界极间距函数是：

PPb = (\frac{360 - (P \times PPs)}{N}) + PPs

其中：

PPb 是该边界极间距；

PPs 是该区段极间距；

P 是极的数目；并且

N 是区段的数目。

49.如权利要求44所述的机电机器的片段，其中所述片段被配置并定尺寸而包括多个缠绕极。

50.如权利要求44所述的机电机器的片段，其中所述片段被配置并定尺寸而包括多个磁性极。

51.一种用于减少一个机电机器中的转矩脉动和变动转矩的方法，该机电机器具有安置在多个相对旋转结构上的多个转子极和多个定子极，这些转子极和定子极协作而从旋转产生电力或将电力转换为旋转，该方法包括：

概念上将这些相对旋转结构中的至少一者划分为多个区段以提供一个分段结构，每一个区段具有邻近于下一个区段的多个末端；

将该分段结构的多个极安排在多组极中，每一组安置在一个所述区段内并且具有两个末端极，在每一个区段末端处有一个末端极；并且

将每一组级内的多个邻近的极作为待减少的该转矩脉动谐波的频率的函数而定位。

52.如权利要求51所述的方法，其中所述定位包括：

在每一组内定位这些极是以一个区段极间距来安排，该区段极间距是在该机器的操作中至少待减少的一个转矩脉动谐波的频率的函数；并且

将多个邻近区段的这些末端极定位在一个边界极间距处，该边界极间距是该区段极间距的函数。

53.如权利要求52所述的方法，其中所述区段极间距进一步是所述机器中的极、相和区段的数目的函数。

54.如权利要求53所述的方法，其中所述区段极间距函数是：

PPs = \frac{360}{P} \times (1 - \frac{N \times Ph \times X}{H \times P})

其中：

PPs 是该区段极间距；

P 是极的数目；

Ph 是相的数目；

H 是待消除的谐波数目；

N 是区段的数目；并且

X 是在大于0到1的范围内的因子。

55.如权利要求54所述的方法，其中该因子X在约0.45与0.95之间。

56.如权利要求53所述的方法，其中所述边界极间距进一步是该区段极间距以及区段和极的数目的函数。

57.如权利要求54所述的方法，其中所述极间距函数是：

PPb = (\frac{360 - (P \times PPs)}{N}) + PPs

其中：

PPb 是该边界极间距；

PPs 是该区段极间距；

P 是极的数目；并且

N 是区段的数目。

58.如权利要求52所述的方法，进一步包括将这些概念上的区段提供为实际上分开的片段。

59.如权利要求51所述的方法，其中所述分段结构是一个定子。

60.如权利要求51所述的方法，其中所述分段结构是一个转子。

61.如权利要求51所述的方法，其中所述分段结构的这些极是缠绕极。

62.如权利要求51所述的方法，其中所述分段结构的这些极包括永久磁体。

63.如权利要求52所述的方法，进一步包括使这些末端极通过每一个区段末端处的一个末端空间与这些区段末端间隔开。

64.如权利要求63所述的方法，其中该区段末端安置在与末端极中心相距大约该边界极间距的一半的距离处。

65.如权利要求63所述的方法，其中所述分段结构的这些极是缠绕极，并且所述方法进一步包括将未缠绕齿定位在所述末端内。

66.如权利要求65所述的方法，其中单个未缠绕齿定位在多个邻近区段的这些末端空间内。

67.如权利要求65所述的方法，其中多个分开的未缠绕齿定位在多个邻近区段的这些末端空间内。

68.如权利要求67所述的方法，其中：

这些缠绕极形成于具有深度的齿上；

该未缠绕齿占据所述末端空间区域的至少一部分。

69.如权利要求68所述的方法，进一步包括将这些未缠绕齿定大小为占据该末端空间区域的大约55%到80%。

70.如权利要求68所述的方法，进一步包括将这些未缠绕齿定大小为具有缠绕极齿的大约90%到94%的深度。

71.如权利要求68所述的方法，其中这些未缠绕齿具有梯形形状。

72.如权利要求68所述的方法，其中这些未缠绕齿具有基本上矩形形状以及小于该缠绕极齿深度的深度。

73.如权利要求68所述的方法，其中这些未缠绕齿具有基本上矩形形状以及小于末端空间宽度的宽度。

74.一种机电机器，具有多个转子极和多个定子极，这些转子极和定子极协作而从旋转产生电力或将电力转换为旋转，该机电机器包括多个内部和外部结构，所述结构中的至少一者相对于所述结构中的另一者旋转，其中这些转子极安置在该旋转结构上，这些定子极安置在该另一结构上，所述结构中的至少一者包括多个区段，其中：

包括该多个区段的所述结构的这些极是安排在形成于具有深度的多个齿上的多组缠绕极中；

所述多个区段中的每一者中安置一组所述极，并且每一组具有两个末端极，在每一个区段末端处有一个末端极；

这些末端极通过每一个区段末端处的一个末端空间与这些区段末端间隔开，该末端空间具有的宽度大约是从末端极绕组到区段末端的距离，深度大约是缠绕极齿的深度，从而界定一个末端空间区域；并且

在每一个末端空间中安置一个未缠绕齿，这些未缠绕齿占据所述末端空间区域的不超过90%。

75.如权利要求74所述的机电机器，其中这些未缠绕齿占据该末端空间区域的大约55%到80%。

76.如权利要求74所述的机电机器，其中这些未缠绕齿具有这些缠绕极齿的大约90%到98%的深度。

77.如权利要求74所述的机电机器，其中这些未缠绕齿具有梯形形状。

78.如权利要求74所述的机电机器，其中这些未缠绕齿具有基本上矩形形状以及小于该缠绕极齿深度的深度。

79.如权利要求74所述的机电机器，其中这些未缠绕齿具有基本上矩形形状以及小于末端空间宽度的宽度。

80.如权利要求74所述的机电机器，其中多个邻近区段的这些末端空间是由单个未缠绕齿占据。

81.如权利要求74所述的机电机器，其中多个邻近区段的这些末端空间是由多个分开的未缠绕齿占据。