CN103872808A - 带有分数槽绕组的电机 - Google Patents

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CN103872808A
CN103872808A CN201310683229.5A CN201310683229A CN103872808A CN 103872808 A CN103872808 A CN 103872808A CN 201310683229 A CN201310683229 A CN 201310683229A CN 103872808 A CN103872808 A CN 103872808A
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L.郝
K.M.拉曼
E.L.凯瑟
R.布里森巴赫
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Abstract

电机包括定子芯部，该定子芯部限定定子槽的数量。转子组件至少部分地被定位在定子芯部内。转子组件包括至少一个永磁体且限定极(M)的数量。多个定子绕组被定位在所述数量的定子槽中且限定相(M)的数量。电机限定每个极每个相的非整数个槽(X)，其表示为A(B/C)的形式的带分数，其中A、B以及C是整数值。用于电机的优化配置被指出，其最大化扭矩同时将扭矩波动，噪音和制造复杂度最小化。在一个实施例中，每个极每个相的槽的数值(X)是21/2。在另一实施例中，每个极每个相的槽的数值(X)是31/2。

Description

带有分数槽绕组的电机
技术领域
本公开通常涉及一种电机，特别是用于内置式永磁体电机的优化配置。
背景技术
电机诸如内置式永磁体电机通常包括转子，该转子具有多个交变极性的磁体，该些磁体被定位为邻近转子的外周边。该转子可在定子组件内旋转，该定子组件通常包括多个定子绕组。定子组件的配置影响电机的扭矩输出以及由电机产生的不期望的扭矩波动(导致振动和噪音)的量。
发明内容
电机包括定子芯部，该定子芯部限定一些定子槽。转子组件至少部分地被定位在定子芯部内。转子组件包括至少一个永磁体且限定一定数量(M)的极。多个定子绕组被定位在所述一些定子槽(Z)中且限定相的数量(M)。用于电机的优化配置被指出，其最大化扭矩同时将扭矩波动，噪音和制造复杂度最小化。
电机限定每个极每个相的非整数个槽(X)，其表示为A(B/C)的形式的混合分数，其中A、B以及C是整数值。极的数量(P)可大于或等于12。优化配置要求C的数值可不等于相的数量(M)。定子槽的数量(Z)和极的数量(P)的最大公约数(GCD)至少为6，其中GCD被定义为整除定子槽的数量(Z)和极的数量(P)的最大正整数。
在一个实例中，每个极每个相槽的数值(X)是恰好是21/2。在一个实例中，相的数量(M)是3，极的数量(P)是12且定子槽的数量(Z)是90。在另一实例中，相的数量(M)是3，极的数量(P)是14且定子槽的数量(Z)是105。在另一实例中，相的数量(M)是3，极的数量(P)是16且定子槽的数量(Z)是120。在另一实例中，相的数量(M)是3，极的数量(P)是18且定子槽的数量(Z)是135。
在另一实例中，每个极每个相槽的数值(X)是恰好31/2。在一个实例中，相的数量(M)是3，极的数量(P)是12且定子槽的数量(Z)是126。在另一实例中，相的数量(M)是3，极的数量(P)是14且定子槽的数量(Z)是147。在另一实例中，相的数量(M)是3，极的数量(P)是16且定子槽的数量(Z)是168。
在另一实例中，每个极每个相槽的数值(X)是恰好11/2。在一个实例中，相的数量(M)是3，极的数量(P)是14且定子槽的数量(Z)是63。在另一实例中，相的数量(M)是3，极的数量(P)是16且定子槽的数量(Z)是72。在另一实例中，相的数量(M)是3，极的数量(P)是18且定子槽的数量(Z)是81。
多个定子绕组可包括每个相至少五个平行路径。定子槽的数量(Z)和极的数量(P)的最小公倍数(LCM)可至少为72。该LCM被定义为可被定子槽的数量(Z)和极的数量(P)两者整除的最小正整数。
当结合附图时，从下面的用于执行如所附权利要求限定的本发明的一些最佳方式和其它实施例的具体描述可容易地明白本发明的上述特征和优点，以及其它特征和优点。
附图说明
图1是具有定子组件的电机的示意性平面图；
图2是根据第一实施例沿图1中的轴线2-2的电机的示意性部分横截面视图；
图3是图1中所示的定子组件的示意性部分横截面视图；
图4是图2中所示的部分4的放大图；
图5是根据第二实施例沿图1中的轴线2-2的电机的示意性部分横截面视图；
图6是根据第三实施例沿图1中的轴线2-2的电机的示意性部分横截面视图；及
图7是图1中的定子组件的定子绕组的每个相位的电连接或平行路径的一个实例的示意性图解。
具体实施方式
参考附图，其中在几个附图中相同的参考标号指示相同或相似的部件，图1是电动机/发动机或电牵引机的示意性平面图，此处被称为电机10。电机10可被使用在车辆12中。车辆12可为乘客或商务汽车，比如混合动力电动车辆，包括插电式混合动力电动车辆，增程式电动车辆，或其他车辆。该电机10可包括任何设备，该设备被配置为通过例如转换电能为旋转运动以产生电机扭矩。例如，电机10可被配置为从电源(比如电池组列阵(未示出))接收电能。电源可被配置为储存或输出电能，比如直流电(DC)电能。车辆12可包括逆变器(未示出)，用于将来自电池组列阵的直流电电能转换为交流电(AC)电能。该电机10可被配置为使用来自逆变器的AC电能以产生旋转运动。电机10还可被配置为当被提供扭矩（比如发动机扭矩）时产生电能。
图2是电机10的一部分的示意性部分横截面视图。参考图1-2，电机10包括转子组件14和定子组件16。该电机10可包括壳体17，该壳体17用于支撑转子组件14和定子组件16。参考图1-2，转子组件14可相对于定子组件16且在定子组件16内绕纵向轴线18(从图2中的页面延伸出)旋转。转子组件14可为环状形状且定位在轴20周围，如图1-2所示。
参考图2，转子组件14包括多个转子槽22，转子槽22延伸入转子组件14的体部内且限定具有任何适当的形状的三维空间。转子组件14可被形成为具有任何数量的转子槽22。一个或多个永磁体24可被定位在转子槽22内。
转子组件14包括多个极。图2示出了一个极对或两个极，两个极通常标示为参考标号26。该极26在转子组件14内的总数在这里被称为或限定为“P”。每个极26由相应的极轴线限定，极轴线中的一个大体标示为参考标号28。转子槽22可被配置为相对于相应极轴线28对称。每个极26至少部分通过转子槽中的永磁体24形成。
参考图1，定子组件16包括定子芯部30，该定子芯部30沿纵向轴线18在第一轴向端部32和第二轴向端部34之间延伸。图3是定子组件16的示意性部分横截面视图。参考图2-3，定子芯部30限定多个定子槽36。在定子组件16中的定子槽36的数量在这里称为或限定为“Z”。参考图2，定子槽36沿纵向轴线18(延伸出页面)纵向延伸且绕纵向轴线18成角度地间隔开。参考图2，定子槽36可径向地绕纵向轴线18从彼此均匀间隔开。
参考图2，多个定子绕组40被定位在定子槽36的每个中以便限定一个或多个绕组组。在所示实施例中，定子绕组40包括被定位在定子槽36中的分段条状导体42。参考图3，定子芯部30和一个条状导体42示意性地显示以示出条状导体42关于定子芯部30的相对定位。为了清晰起见，图3仅仅示出了一个条状导体42。每个条状导体42跨预定数量的定子槽36。该条状导体42的跨度被定义为在定子槽36之间的角度间距，由此单个条状导体42被定位。
每个条状导体42包括冠部部分44，也就是“U”型端部转向部，和两个腿部部分，也就是第一腿部部分46和第二腿部部分48。该第一和第二腿部部分44、46从冠部部分44延伸到相应的第一条状端部50和第二条状端部51。每个条状导体42的第一腿部部分46和第二腿部部分48被布置在定子芯部30的不同的定子槽36内。该U型条状导体还被称为“发卡式”导体。当然，如本领域技术人员所知的，在图3中示出的条状导体42仅仅是示意性的，且不意味着表示条状导体42的尺寸或具体形状。参考图2，条状导体42可包括基本矩形横截面。然而，任何其他横截面形状可被使用。
参考图3，条状导体42的每个的冠部部分44限定定子芯部30的冠状端部。条状导体42的第一和第二条状端部50、51沿纵向轴线18延伸越过定子芯部30的第二轴向端部34以限定定子芯部30的焊接端部。在插入之后，第一和第二条状端部50、51向外弯曲以使得相应的条状导体42之间能通过焊接连接。
参考图2，定子绕组40限定一些相(M)。该定子绕组40可被分为独立的绕组组，每个绕组组限定相同数量的相(M)。在一个实施例中，每个绕组组限定三个相，也就是绕组组限定“U”相、“V”相和“W”相。在另一实施例中，每个绕组组限定五个相，也就是绕组组限定“U”相、“V”相、“X”相、“Y”相和“Z”相。然而，电机10不被限制为三相或五相电机，且相数可与这里描述的相不一样。
图4是图2中的一部分4的放大图，示出了定子槽36A、B、C、D和E。每个定子槽36A-E包括预定数量的腿部部分(比如图3中所示的第一和第二腿部部分46、48)，且每个腿部部分被称为在定子槽36内的“层”。参考图4，电机10的每个定子槽36A-E包括四个条状导体42的层(也就是四个腿部部分)，其携带相同相电流或不同相电流。参考图4，在这里标示的层为第一层52(也就是最接近定子芯部30的内直径的层)，第二层54，第三层56以及第四层58(也就是离定子芯部30的内直径最远的层)。然而，应该理解每个定子槽36可包括不同数量的条状导体42的层，包括但不限于两个层或六个层。最大数量的绕组组通常由每个极每个相(X)的定子槽的数量(如下所述)以及定子槽36中的层的数量的乘积而确定。因此，如果每个极每个相的定子槽的数量(X)是21/2且层的数量是4，则绕组组的最大数量将为10。
参考图4，定子绕组40可包括五个绕组组61、62、63、64、65。然而，定子绕组40可包括适用于即将到来的特殊应用的任何数量的绕组组。绕组组61在定子槽36A-D中。绕组组62在定子槽36A-C、E中。绕组组63在定子槽36A-B、D-E中。绕组组64在定子槽36A、C-E中。绕组组65在定子槽36B-E中。参考图4，定子组件24可包括跳线66，该跳线66用于将至少两个条状导体42的端部电接合。为了清晰起见，仅仅两个跳线66被示出。定子组件24可包括绝缘体68，该绝缘体68被布置在定子槽36的第一至第四层52、54、56以及58之间以防止相应层52、54、56以及58之间的电连接。最大数量的绕组组通常由每个极每个相的定子槽的数量(X)(如下所述)以及定子槽36中的层的数量的乘积而定。因此，如果每个极每个相的定子槽的数量(X)是21/2且层的数量是4，则绕组组的最大数量将为10。
电机10可改变其产生的系统电压和扭矩，通过改变它的设计中的每个相中串联的匝数（N）。用于矩形发卡式绕组，N可表示成：
N=[P*X*W/n]，
其中P是相的数量；X是每个极每个相的定子槽的数量；W是绕组组的数量；且n是每个相平行路径的数量。通常，每个极每个相的槽的数值(X)是整数。
参考图2和4，用于条绕电机10的优化配置70被指出。用于电机10的优化配置70包括限定参数组，该参数组将扭矩最大化同时将扭矩波动、噪音以及制造复杂性最小化。参考图2-3，优化配置70限定每个极每个相的定子槽的非整数值，用字符“X”表示。X表达成A(B/C)的形式的带分数，其中A、B以及C是整数值。
参考图2，在第一优化配置70中，每个极每个相的槽数值(X)被设定为恰好21/2。在第一优化配置70中，极的数量(P)可大于或等于12。C的数值可不等于相的数量(M)。在第一优化配置70中，定子槽的数量(Z)和极的数量(P)的最大公约数(GCD)至少为6。该GCD被定义为其除定子槽的数量(Z)和极的数量(P)而没有余数的最大正整数。最大公约数(GCD)还被称为最大公因数或最高公因数。需要最小GCD为6来降低电机10中的不期望噪音的量。
在第一优化配置70中，定子槽的数量(Z)和极的数量(P)的最小公倍数(LCM)至少为72。该LCM被定义为可被定子槽的数量(Z)和极的数量(P)两者整除的最小正整数。需要最小LCM为72来降低电机10中不期望的阻碍扭矩的数量。如本领域技术人员所知，阻碍扭矩是扭矩波动的组成部分。
在第一优化配置70中，由于每个极每个相的槽数值(X)为恰好21/2，因此在两个极26中存在的定子槽36(或每个极对的定子槽)的数量可通过在每个绕组组中的相的数量(M)来确定。例如，如果在每个绕组组中的相的数量(M)是3，则在两个极26中存在的定子槽36的数量(也就是每个极对的定子槽36的数量)是十五个[每个极对的定子槽的数量=21/2(每个极每个相的槽)*3相*每个极对2个极]。按照正常理解，星号*是指乘。因此，示出在图2中的实施例显示了十五个定子槽36用于两个极26。在每种情况下的定子槽的数量(Z)将为21/2(每个极每个相的槽)乘以相的数量(M)和极的数量(P)。
在一个实例中，相的数量(M)是3且极的数量(P)是12。在这种情况下，定子槽的总数量(Z)将为90(21/2*3*12)。这个配置导致定子槽的数量(Z=90)和极的数量(P=12)的最大公约数(GCD)为6。这个配置导致定子槽的数量(Z=90)和极的数量(P=12)的最小公倍数(LCM)为180。
在另一实例中，相的数量(M)是3且极的数量(P)是14。在这种情况下，定子槽的数量(Z)将为105(21/2*3*14)。这个配置导致定子槽的数量(Z=105)和极的数量(P=14)的最大公约数(GCD)为7。这个配置导致定子槽的数量(Z=105)和极的数量(P=14)的最小公倍数(LCM)为210。
在另一实例中，相的数量(M)是3且极的数量(P)是16。在这种情况下，定子槽的数量(Z)将为120(21/2*3*16)。这个配置导致定子槽的数量(Z=120)和极的数量(P=16)的最大公约数(GCD)为8。这个配置导致定子槽的数量(Z=120)和极的数量(P=16)的最小公倍数(LCM)为240。
在另一实例中，相的数量(M)是3且极的数量(P)是18。在这种情况下，定子槽的数量(Z)将为135(21/2*3*18)。这个配置导致定子槽的数量(Z=135)和极的数量(P=18)的最大公约数(GCD)为9。这个配置导致定子槽的数量(Z=135)和极的数量(P=18)的最小公倍数(LCM)为270。
替代地，每个极每个相的槽(X)可被设置为恰好为21/2，而相的数量(M)被设置为5。极的数量(P)可被设置为12。在这种情况下，定子槽的数量(Z)将为150(21/2*5*12)。这个配置导致定子槽的数量(Z=150)和极的数量(P=12)的最大公约数(GCD)为6。这个配置导致定子槽的数量(Z=150)和极的数量(P=12)的最小公倍数(LCM)为300。
现在参考图5，用于电机10的第二优化配置72被示出，其中相同参考标号指示相同或相似部件。该第二优化配置72相似于第一优化配置70，除非另有说明。在第二优化配置72中，每个极每个相的槽数值(X)被定在恰好31/2。由于每个极每个相的槽数值(X)是31/2，因此在两个极26中存在的定子槽36(或每个极对的定子槽)的数量可由在每个绕组组中的相的数量(M)确定。例如，如果在每个绕组组中的相的数量(M)是3，则在两个极26中存在的定子槽36(也就是每个极对的定子槽36)的数量是二十一个[每个极对的定子槽的数量=31/2(每个极每个相的槽)*3相*每个极对的2个极]。示出在图5中的实施例显示了二十一个定子槽36用于两个极26。
相似于第一优化配置70，在第二优化配置72中C的值可不等于相的数量(M)，且极的数量(P)可大于或等于12。同样相似于第一优化配置70，在第二优化配置72中定子槽的数量(Z)和极的数量(P)的最大公约数(GCD)至少为6。该GCD被定义为除定子槽的数量(Z)和极的数量(P)没有余数的最大正整数。在第二优化配置72中，定子槽的数量(Z)和极的数量(P)的最小公倍数(LCM)至少为72。
在一个实例中，相的数量(M)是3且极的数量(P)是12。在这种情况下，定子槽的总数量(Z)将为126(31/2*3*12)。这个配置导致定子槽的数量(Z=126)和极的数量(P=12)的最大公约数(GCD)为6。这个配置导致定子槽的数量(Z=126)和极的数量(P=12)的最小公倍数(LCM)为252。
在另一实例中，相的数量(M)是3且极的数量(P)是14。在这种情况下，定子槽的数量(Z)将为147(31/2*3*14)。这个配置导致定子槽的数量(Z=147)和极的数量(P=14)的最大公约数(GCD)为7。这个配置导致定子槽的数量(Z=147)和极的数量(P=14)的最小公倍数(LCM)为294。
在另一实例中，相的数量(M)是3且极的数量(P)是16。在这种情况下，定子槽的数量(Z)将为168(31/2*3*16)。这个配置导致定子槽的数量(Z=168)和极的数量(P=16)的最大公约数(GCD)为8。这个配置导致定子槽的数量(Z=168)和极的数量(P=16)的最小公倍数(LCM)为336。
替代地，每个极每个相的槽(X)可被设置为恰好为31/2，其中相的数量(M)被设置为5。极的数量(P)可被设置为12。在这种情况下，定子槽的数量(Z)将为210(31/2*5*12)。这个配置导致定子槽的数量(Z=210)和极的数量(P=12)的最大公约数(GCD)为6。这个配置导致定子槽的数量(Z=210)和极的数量(P=12)的最小公倍数(LCM)为420。
现在参考图6，用于电机10的第三优化配置74被示出，其中相同参考标号指示相同或相似部件。在第三优化配置74中，每个极每个相的槽数值(X)被设置为恰好11/2。由于每个极每个相的槽数值(X)是11/2，因此在两个极26中存在的定子槽36(或每个极对的定子槽)的数量可通过在每个绕组组中的相的数量(M)确定。例如，如果在每个绕组组中的相的数量(M)是3，则在两个极26中存在的定子槽36(也就是每个极对的定子槽36)的数量是九个[每个极对的定子槽的数量=11/2(每个极每个相的槽)*3相*每个极对2个极]。示出在图6中的实施例显示了九个定子槽36用于两个极26。此外，定子槽的数量(Z)可被要求至少为60。
该第三优化配置74相似于第一和第二优化配置70、72，除非另有说明。在第三优化配置74中，定子槽的数量(Z)和极的数量(P)的GCD和LCM分别至少为6和至少为72。在一个实施例中，相的数量(M)是3，极的数量(P)是14且定子槽的总数量(Z)是63(11/2*3*14)。这个配置导致（定子槽的数量和极的数量的）GCD和LCM分别为7和126。
在另一实例中，相的数量(M)是3，极的数量(P)是16且定子槽的总数量(Z)是72(11/2*3*16)。这个配置导致（定子槽的数量和极的数量的）GCD和LCM分别为8和144。在另一实例中，相的数量(M)是3，极的数量(P)是18且定子槽的总数量(Z)是81(11/2*3*18)。这个配置导致（定子槽的数量和极的数量的）GCD和LCM分别为9和162。
图7是图3、5和6中的定子绕组40的每个相(n)的电连接100或平行路径的示意性图解。参考图7，在每个优化配置70、72和74中，定子绕组40可每个相包括至少五个平行路径。换句话说，每个相可包括五个绕组的并联支路。应该理解定子绕组40可包括任何数量(M)的相和任何数量(n)的每个相的平行路径。参考图7，定子绕组40可包括第一、第二和第三相102、104、106。第一相102包括路径108、110、112、114和116。第二相104包括路径118、120、122、124和126。第三相106包括路径128、130、132、134和136。每个平行绕组支路或路径108、110、112、114、116、118、120、122、124、126、128、130、132、134和136可包括至少一个线圈段107。
具有如上述的限定参数集的每个极每个相的分数定子槽(X)配置(优化配置70、72、74)允许具有特殊扭矩或系统电压要求的电机10的设计中的更大的灵活性。任意指定用于电机10的配置将不产生所需扭矩输出或不满足最小噪音需求。仅仅具有特定数量(Z)的槽，特定数量(M)的相，特定数量(P)的极，特定数量(W)的绕组组等等的特定配置将产生所期望的功能。这些特定配置不能简单地通过察看确定。如果配置不能够正确地选择，则设计将表现不佳或将不能满足功能需求。由于存在大量的可能组合，因此优化配置既不容易确定也不明显。
例如，如果每个极每个相的定子槽(X)被选择为21/4或13/4或11/5，则交叉跳线被需求以便完成在条状导体42之间的连接。如在图4中的先前所示，定子组件24可包括跳线66，用于将至少两个条状导体42的端部电接合。交叉跳线是具有两个端部的跳线，其必须在其他跳线上交叉以便连接。优化配置70、72、74(X分别=21/2、31/2、11/2)不需要交叉跳线以便完成条状导体42之间的连接。换句话说，优化配置70、72、74(X分别=21/2、31/2、11/2)提供了在一个极对(图2，5和6中所示的两个极26)之上可重复的绕组配置。附加地，如果每个极每个相的定子槽(X)是被选择为21/4或13/4或11/5，则更大量的总跳线66被需求以便完成在条状导体42之间的连接。
详细的说明书和附图支持和描述了本发明，但是本发明的范围仅受到权利要求的限定。尽管用于执行本发明的一些最佳模式和其他实施例已经详细地描述，存在用于实施所附权利要求中限定的本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种电机，包括：
定子芯部，限定一定数量（Z）的定子槽，所述定子槽沿纵向轴线延伸且绕纵向轴线成角度地间隔开；
转子组件，至少部分地被定位在定子芯部内，所述转子组件包括至少一个永磁体且限定一定数量（P）的极；
其中，极的数量(P)大于或等于12；
多个定子绕组，被定位在所述数量(Z)的定子槽的每个中且限定一定数量(M)的相；
其中，电机限定每个极每个相的非整数数值(X)的槽，每个极每个相的槽的数值(X)被表示为A(B/C)形式的带分数，因此A、B以及C是整数值；
其中，C的数值不等于相的数量(M)；及
其中，定子槽的数量(Z)和极的数量(P)的最大公约数(GCD)至少为6，所述GCD被定义为除定子槽的数量(Z)和极的数量(P)没有余数的最大正整数。
2.如权利要求1所述的电机，其中每个极每个相槽的数值(X)是恰好21/2。
3.如权利要求2所述的电机，其中相的数量(M)是3，极的数量(P)是12且定子槽的数量(Z)是90。
4.如权利要求2所述的电机，其中所述多个定子绕组每个包括每个相至少五个平行路径。
5.如权利要求2所述的电机，其中定子槽的数量(Z)和极的数量(P)的最小公倍数(LCM)至少为72，所述LCM被定义为可由定子槽的数量(Z)和极的数量(P)整除的最小正整数。
6.如权利要求1所述的电机，其中每个极每个相槽的数值(X)是恰好31/2。
7.如权利要求6所述的电机，其中相的数量(M)是3，极的数量是(P)12且定子槽的数量(Z)是126。
8.如权利要求6所述的电机，其中所述多个定子绕组每个包括每个相至少五个平行路径。
9.如权利要求1所述的电机，其中每个极每个相槽的数值(X)是恰好11/2
10.一种电机，包括：
定子芯部，限定一定数量(Z)的定子槽，所述定子槽沿纵向轴线延伸且绕纵向轴线成角度地间隔开；
转子组件，至少部分地被定位在定子芯部内，所述转子组件包括至少一个永磁体且限定一定数量(P)的极；
其中，极的数量(P)大于或等于12；
多个定子绕组，被定位在所述数量(Z)的定子槽的每个中且限定一定数量(M)的相；
其中，电机限定每个极每个相的非整数槽数值(X)，每个极每个相的槽的数值(X)被表达为A(B/C)形式的带分数，因此A、B以及C是整数值；
其中，C的数值不等于相的数量(M)；
其中，定子槽的数量(Z)和极的数量(P)的最大公约数(GCD)至少为6，所述GCD被定义为除定子槽的数量(Z)和极的数量(P)没有余数的最大正整数；
其中，定子槽的数量(Z)和极的数量(P)的最小公倍数(LCM)至少为72，所述LCM被定义为可由定子槽的数量(Z)和极的数量(P)整除的最小正整数；
其中，每个极每个相槽的数值(X)是恰好11/2。
其中定子槽的数量(Z)是至少60；及
其中所述多个定子绕组每个包括每个相至少五个平行路径。
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