CN103250326A - 电机和用于该电机的定子 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于电机的定子，所述定子包括至少两个分定子，所述分定子分别具有用于容纳绕组的凹槽。两个分定子的凹槽开口在周向方向上相互偏移。此外还提出一种具有定子的电机。两个分定子轴向地和/或在周向方向上相互组合。

Description

电机和用于该电机的定子

技术领域

本发明涉及一种用于电机的定子以及一种具有定子和转子的电机。

背景技术

电机包括位置固定的定子和可相对于该定子运动的转子。定子包括凹槽，电绕组能够插入到所述凹槽中。这种电机通常具有一个或多个永久磁体，所述永久磁体各具有北极和南极。由此产生电机的齿槽力矩，所述齿槽力矩与电机的几何形状相关。齿槽力矩导致所不期望的噪声和机械振动。此外，降低电机的能源利用率和效率。

此外，齿槽力矩或者与其关联的转矩波动导致转速的波动和控制中的问题。

最后，齿槽力矩由交互作用造成，即由磁体的磁通和定子几何形状之间的磁性引力造成，所述磁性引力导致具有转子的角度相关性的可变的磁阻。转矩波动是气隙中磁通密度的较高次谐波的交互作用的结果，所述交互作用由转子磁体和定子电流引起。在凸极转子拓扑中，出现转矩波动的附加的分量作为定子电流的磁通和转子的磁导的较高次谐波之间的交互作用的结果。

在工业应用中，存在对于具有小的转矩波动和小的齿槽力矩的新式马达的需求。转矩波动和齿槽力矩例如应当小于额定转矩的5%或0.5%。

在文献“Cogging Torque Reduction in a Permanent Magnet WindTurbine Generator”E.Muljadi和J.Green,21.American Society ofMechanical Engineers,Wind Energy Symposium,Reno,Nevada,2002年1月14日至17日,NREL/CP-500-30768中提出，在风力涡轮机中降低齿槽力矩。为此，考虑同样的气隙、极宽的影响和转子的倾斜位置。

然而这些方案中的缺点是，效率的降低和/或制造成本的提高。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种电机和一种用于电机的转子，其中在良好的效率和低制造耗费的情况下可以实现降低的齿槽力矩和更小的转矩波动。

所述目的通过独立权利要求的特征来实现。改进形式和设计方案是从属权利要求的主题。

在一个实施方案中，用于电机的定子包括至少两个分定子。分定子共同形成用于电机的定子。每个分定子包括用于容纳绕组的凹槽。凹槽具有凹槽开口。至少一个第二分定子的凹槽的凹槽开口沿周向方向相对于第一分定子的凹槽的凹槽开口位置偏移。两个分定子轴向地和/或在周向方向上彼此组合。

优选地，凹槽开口朝向电机的气隙定向。

例如，第一分定子的凹槽的凹槽开口的对称轴线沿着一个方向相对于凹槽的对称轴线偏移第一角度，而设计：至少一个第二分定子的凹槽开口的对称轴线相对于所述第二分定子的凹槽的对称轴线沿着相反方向偏移相同的或者不同的角度。

凹槽开口的偏移引起齿槽力矩的转矩曲线相应地偏移特定的角度。将定子分成多个分定子实现下述配置：在所述配置中，转矩的齿槽力矩曲线本身借助分定子的凹槽开口的不同位置刚好相互抵消。换而言之，通过分定子的凹槽开口的适当的相对偏移实现使电机的总定子的齿槽力矩消失。这例如当分定子的齿槽力矩曲线相互偏移180°进而曲线完全地相互抵消时才是这种情况。

与倾斜的转子相反，所提出原理具有至少两个分定子，定子在轴向方向上或者在周向方向上划分成所述分定子，以及凹槽开口的偏移能够以相对较低的耗费在批量生产中制造。因此得到低成本的实现方案。在此，电机的效率以及其它的性能参数基本上保持不变。

在一个改进形式中，至少一个第二分定子的凹槽的凹槽开口相对于第一分定子的凹槽的凹槽开口沿轴向方向上或者沿周向方向偏移，使得分定子的齿槽力矩相互抵消，和/或降低转矩波动。

在改进形式中除了凹槽开口的偏移之外，电机的定子被划分成的分定子具有相同的结构和尤其相同的几何形状。

特别是，构成在相邻的凹槽之间的齿部具有同样的极形和极宽，并且仅在凹槽开口的位置方面不同，所述凹槽开口配属于不同的分定子。

根据所提出原理提出轴向地补偿齿槽力矩。为此，在所述分定子的一个中能够附加地设置有加深的凹槽。

在周向方向上划分定子时，例如能够在一个分定子中沿着环周在定子的在横截面中呈半圆形的区段中设计凹槽开口向右偏移，并且在相对置的半个区段中，也就是说在另一个分定子中能够设计凹槽开口向左偏移绝对值相同的角度。

在另一个实施方式中设有电机，所述电机包括如前文所述的定子。转子设置成可相对于定子旋转地安装。转子能够如在常规的电机中一样构成并且例如能够包括永久磁体。

替选于旋转对称的电机，所提出的原理也能够应用在线性电机中，即线性马达或者线性发电机。在该情况下，设有可沿着定子运动的转子。

在线性电机中，凹槽开口不从对称轴线或者中央位置偏移特定的角度，而是沿着转子的运动方向从对称轴线或者中央位置偏移特定的长度。

电机例如包括下述类型中的一种：线性电机、轴流式电机、径流式电机、异步电机、同步电机。

此外，电机还构造有内电枢或者构造为具有外电枢的电机。

转子能够被构造为笼式转子，或者在异步电机的情况下构造为多层转子。在同步电机的情况下，转子能够构造为永磁转子、具有内埋磁体的转子、馈电转子，特别是全极转子、凸极转子、异极转子或者同极转子。

附图说明

下面在多个实施例中根据附图详细阐明本发明。在此，相同的或者起相同作用的部分设有相同的附图标记。图中示出：

图1A示出根据所提出的原理的分转子的第一实施例的展开图；

图1B示出所属的齿槽力矩曲线；

图2A示出根据所提出的原理的示例的两个分转子；

图2B示出所属于图2A的齿槽力矩曲线；

图3示出图1B和图2B中齿槽力矩曲线的组合；

图4A示出在具有第一分定子的电机中的所提出的原理的实施例；

图4B示出图4A的视图，然而具有第二分定子，以及

图5沿着周向方向示出图4A和图4B中的实施方案的组合；

图6A示出具有可分的轭部的定子的实施例；

图6B示出具有左移的凹槽开口的定子的实施例；

图6C示出具有右移的凹槽开口的定子的实施例；

图6D沿着定子的周向方向示出根据图5B和5C的两个分定子的组合。

具体实施方式

图1A以横截面的断面分别示出定子1和转子2的展开图。在定子1和转子2之间设有气隙。定子1具有多个并排设置的凹槽3，在所述凹槽之间形成齿部4。凹槽具有方形的横截面并且各具有一个凹槽开口5。凹槽开口5朝气隙定向，也就是朝向转子定向。凹槽开口具有比凹槽本身更小的宽度，使得凹槽朝向气隙变细。凹槽3具有对称轴线A，同样凹槽开口也具有对称轴线B。这些在横截面中可被识别为是轴线的对称线，实际上是空间伸展的电机的对称平面。认识到的是，所有的凹槽开口5具有对称轴线B，所述对称轴线相对于凹槽3本身的对称轴线A向右偏移角度α_X1。由于展开的视图而将角度示为距离。

换而言之，凹槽开口不是设置在凹槽的朝向气隙的一侧的中央，而是相对于之偏移角度α_X1。

转子2基本上设置为与定子1平行，并且具有永磁体形式的北极和南极，所述转子的磁化通过箭头来示出。

根据图1B中的转矩曲线立即知道：通过右移凹槽开口也实现右移所属的齿槽力矩曲线。在此，常规的电机是其中凹槽开口的对称轴线B和凹槽的对称轴线A重合的电机，也就是说，在常规的电机中凹槽开口没有从凹槽的中央移出。在常规的电机中，图1A中的角度为零。

如图2A中示出，这同样适用于在凹槽开口左移的情况下。在此，凹槽开口5的对称轴线B相对于凹槽3的对称轴线A向左偏移，更确切地说向左偏移角度α_X2。这适用于根据图2的定子的所有凹槽开口。

图1A和2A的凹槽的凹槽开口的偏移角度绝对值相同，然而指向相反。除此之外，图1A和2A的分定子的结构和几何形状相同。

如按照根据图2B的所属的齿槽力矩曲线变得明显的是，凹槽开口的对称轴线的左移进而凹槽开口从中央左移也引起所属的齿槽力矩曲线的左移。

当现在例如将图1A和图2A中的定子彼此组合成唯一的定子结构时，更确切地说例如使得电机的轴向长度的一半相当于根据图1A的定子，以及另一半相当于根据图2A的定子，因此能够将整个定子的所引起的齿槽力矩减小到零。例如，偏移角度α_X1和α_X2根据马达设计而能够选择为是相同的或不同的。

如根据图3示出，对于凹槽开口的预设的偏移角度而言，电机转子的第一部分和第二部分的齿槽力矩分量能够以在电学上相对彼此偏移180°。在该情况下，完全消除整个定子的或者整个电机的所产生的齿槽力矩。

图4A和4B以另一实施例中示出相应的分定子，所述分定子在轴向上彼此组合成总定子。如图4中示出，在轴向长度的一部分中，凹槽开口向右偏移。如在图4B中示出，在定子的轴向长度的另一部分中，凹槽开口相对于凹槽中央向左偏移。

因此知道，在图4A中凹槽开口从凹槽中央中全部向右偏移角度α_X1，或者换而言之以顺时针方向偏移，而图4B示出按照绝对值以相同的角度然而以相反的方向向左偏移。换而言之，在图4B中凹槽开口以数学上的正方向，即逆时针方向偏移。

这种类型的定子结构也称作具有离散的凹槽开口的定子结构。在电机的两个半部中，也就是说在第一分定子和第二分定子中，所述定子结构能够用相同的层压板来制造。

替选地，也能够将多个或者甚至任意多个分定子沿轴向方向依次相互组合，由此自然增加制造耗费。如果执行超过边界（Grenzübergang），能够实现具有连续变化的凹槽开口的定子拓扑。

与图4A和4B相反，图5没有示出在轴向上的分定子的组合，而是示出在周向方向上的分定子的组合。在此，定子的基本圆形的横截面被分成两个同样大小的半部，即上半部6和下半部7。

因此在图5的上半部图中，类似于图4A，设有带有将凹槽开口右移角度α_X1的分定子6，而在下半部图中设有带有将凹槽开口向左偏移的、即向左偏移角度α_X2的分定子7。

一般而言，如在根据图5的横截面中示例地示出，定子能够在每个板平面中均借助一件式的板来实现。替选地，每个板平面也能够设有两个或更多的板，并且在制造时彼此组合。

这也是一种可简单制造的实现方案。在该情况下，定子芯仅由轴向方向上的层压结构组成。在电机的最低对称性的一个半部中，凹槽开口向右偏移，并且在最低对称性的第二半部中，凹槽开口向左偏移。

相对于图4A和4B中的实施方案，根据图5的实施方案具有如下优点，即在轴向方向上凹槽开口是恒定的，这还进一步简化定子的缠绕。显然能够应用多于两个的、不同的离散的凹槽开口角度，也就是说，定子能够由多于两个的分定子组成。如图5中以一个实例示出，在沿周向方向划分定子时，限制因素在此是指电机的最低对称性。

根据图4A和4B的实施方案和根据图5的实施方案的特征在于，齿槽力矩和转矩波动能够借助简单的措施显著地降低。相对于常规的定子结构，生产成本基本相同。

图6A至6D示出根据所提出的原理的定子的示例性的模块化构造，所述模块化构造引起尤其有利的安装和制造中的低成本。

对于具有集中的绕组拓扑结构的电机而言，当定子芯借助于单独的部件如下文中所描述的模块化地构成时，能够减少定子的制造成本。这以具有十二个齿部和十个极的电机的实例来阐明。

如图6A中示出，首先构造单个的定子部件，所述定子部件包括齿部和半个轭部。在下一个步骤中，如在图6A中同样在上半部图中可见，将集中的绕组围绕定子齿部缠绕。绕组在横截面中通过X来标记。

如图6A的下半部图中示出，两个合起来的具有如上半部图所示的结构和绕组的定子部件在轭部侧彼此组合。

通过如图6B中示出的定子模块的安装来制造完整的定子。已经分别成对地组合的定子部件借助于其它非磁性的部分安装成定子。

在图6A和6B的实例中得到具有左移的凹槽开口的分定子。

如图6C中示出，以类似的方式能够通过模块化制造方法实现具有向右偏移的凹槽开口的定子的配置。如果将根据图6B和6C的实施方案作为分定子沿轴向方向组合成总定子，那么得到一个类似的实施方案，如图4A和4B中具有在该处所描述的优点。

替选地，如图6D中示出，类似于根据图5的实施方案也能够沿周向方向进行分定子的组合。在根据图6D的实施方案中，也能够使用多于两个的、不同的凹槽开口角度来偏移凹槽开口，这产生相应数量的分定子。在此，电机的定子的最低对称性是受限的。

如根据实施例明显看出的是，所提出的原理允许实现定子以及如下具有定子的电机，所述电机引起降低或者完全地抵消齿槽力矩并且同时能够以较低的耗费来制造并且实现良好的效率。所提出的定子拓扑能够用于全部类型的已知的电机，例如异步电机，永磁体（PM）激励的同步电机，无刷直流PM电机，转换磁阻电机、同步磁阻电机、直流电机等。此外使用转子极数和定子凹槽数的不同的组合是可行的且有意义的。

附图标记列表

1    定子

2    转子

3    凹槽

4    齿部

5    凹槽开口

6    分定子

7    分定子

A    槽的对称轴线

B    凹槽开口的对称轴线

α_X1 偏移角

α_X2 偏移角

Claims (10)

1.用于电机的定子，所述定子（1）包括：

第一分定子（6）和至少一个第二分定子（7），所述第一分定子和所述至少一个第二分定子分别具有用于容纳绕组的凹槽（3），

其中所述至少一个第二分定子（7）的所述凹槽的凹槽开口（5）相对于所述第一分定子（6）的所述凹槽的凹槽开口沿周向方向偏移，并且

两个所述分定子在轴向上和/或在周向方向上彼此组合。

2.根据权利要求1所述的定子，其中所述至少一个第二分定子（7）的所述凹槽的所述凹槽开口（5）相对于所述第一分定子（6）的所述凹槽的所述凹槽开口沿周向方向偏移成，使得所述分定子的齿槽力矩相互补偿和/或降低转矩波动。

3.根据权利要求1或2所述的定子，其中除了所述凹槽开口（5）的偏移之外，至少两个所述分定子（6,7）具有相同的结构，特别是相同的几何结构。

4.根据权利要求1或2所述的定子，其中至少两个所述分定子（6，7）在相邻的凹槽之间具有极齿，所述极齿具有相同的极形和极宽，然而具有相互偏移的凹槽开口（5）。

5.根据权利要求1至4之一所述的定子，其中所述分定子（6,7）在轴向方向上组合并且设有不同深度的凹槽。

6.根据权利要求1至4之一所述的定子，其中所述分定子（6,7）在周向方向上组合并且所述定子具有至少一个能够分开的轭部。

7.电机，所述电机具有根据权利要求1至6之一所述的定子以及还包括：

相对于定子（1）能够旋转地安装的转子（2）。

8.根据权利要求7所述的电机，其中所述电机包括下述类型中的一种：线性电机、轴流式电机、径流式电机、异步电机、同步电机。

9.根据权利要求7或8所述的电机，所述电机构造为具有内电枢的电机或构造为具有外电枢的电机。

10.根据权利要求7至9之一所述的电机，其中所述转子（2）是下述类型中的一种：笼式转子、在异步电机的情况下是多层转子或者在同步电机的情况下是永磁转子、具有内埋磁体的转子或者馈电转子，特别是全极转子、凸极转子、异极转子、同极转子。

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