CN104335467B - 电机 - Google Patents

Abstract

指定了一种电机，电机包括定子(7)和相对于该定子(7)可移动的转子(8)。定子(7)具有用于容置电绕组(+A，‑A)的槽(1，2)，其中定子的齿(3)形成在相邻槽之间。在电机的工作期间，磁动势的工作波与磁通量的基波不同。定子(7)具有至少一个切口(4)，该切口(4)布置在齿区域中并且基本沿径向方向延伸。

Description

电机

本发明涉及一种电机。

电机通常包括固定于外壳的定子以及相对于该定子可移动的转子。例如，可以支撑转子使得转子相对于定子可旋转或者使得转子相对于定子可线性移动。电机被归类于电动机械能量转换器的范畴。电机可以用作为电动机或发电机。

近年来，已经表明了在许多工业应用中越来越多地使用包括集中绕组的无刷电机。这些电机可以通过借助于永磁体的激励来工作以及/或者可以被实现为磁阻电机。

这种类型的电机的特点例如是在设计紧凑、制造简单、高绕组因数、低铜损以及短绕组头方面的优势。

这种电机的缺点是在工作时由定子引起的磁动势中的除了用作为电机的工作波的分量之外的大量的谐波分量。当例如借助于傅里叶分解将磁动势分成其谐波分量时获得这些谐波。

这些不期望的谐波分量的后果是转子的铁损和磁损以及定子中的铁损。在其他方面中，因为(除了用作为电机的工作波的分量之外的)谐波分量导致损耗并且还可能引起不期望的特别是听力损伤和电机工作期间的振动，所以这些谐波分量是不利的。

可以将上述集中绕组实现为单层绕组或多层绕组。这里将单层绕组理解为下述绕组：其中沿着定子的圆周的仅每隔一个齿设置有电绕组。这里，齿形成在定子的两个相邻槽之间，槽用于容置电绕组。集中绕组与分布绕组相比的区别在于每个集中绕组的线圈绕着一个齿缠绕。

本发明的目的是减少磁动势的区别于电机的工作波的谐波分量，并且以这种方式来减少上述缺点。

通过包括权利要求1所述的特征的电机来实现该目的。

在一个实施方式中，电机包括定子和相对于该定子可移动的转子。定子包括用于容置电绕组的槽。定子的齿形成在定子的相邻槽之间。在工作期间，电机具有与磁动势的磁通量的基波不同的磁动势的工作波。此外，定子包括至少一个凹部，该至少一个凹部被布置在定子的齿区域中即两个槽之间的区域中，并且该至少一个凹部基本沿径向方向延伸。

定子通常由铁制成，并且优选地借助于金属片的叠层来实现定子。因此，术语“凹部”是指不存在铁并且以使得在凹部的区域中阻碍磁通量的方式而不存在承载磁通量的材料。

绕着定子的齿来缠绕电绕组系统的线圈。作为示例，定子的每个齿或者每隔一个齿可以设置有线圈以实现单层绕组或双层绕组。也可以是其他集中绕组系统。

齿区域中的凹部使得大大减小了磁动势的任何不期望的谐波分量。没有用作为工作波的所有这些谐波分量都被认为是不期望的。这些谐波可以是较高谐波和/或子谐波，术语“较高”和术语“子”在每种情况下与用作为工作波的谐波的次数相关。

减小不期望的谐波例如被分配的次数为1的基波具有提高电机的效率和/或减小不期望的听力损伤和振动的效果。

然而，齿区域中的凹部不仅使得大大减小了基波，而且使得减小了其他不期望的谐波，甚至同时增大了用作为工作波的谐波。这样，所提出的措施甚至提高了电机的额定转矩。

由于定子的金属片的叠层不管怎样通常是冲压件，并且可以在同一操作步骤中切割出凹部，所以所提出的凹部不涉及任何明显的额外制造工作。

在一个设计中，凹部形成用于减小齿区域中的磁通量的基波的机械屏障。

这里，例如，基波衰减了50％或更多。

在一个实施方式中，由于机械屏障而在齿区域中增大了工作波。换言之，以增强工作波的方式在齿区域中形成凹部。

可以将凹部实现为定子的齿区域中的附加槽。

在一个实施方式中，凹部设置在齿区域中并且延伸到定子的轭区域中。这具有下述效果：在轭区域中也实现了不存在定子铁材料。

通过这样做，可以将槽设置在定子的面向转子的一侧上和/或定子的面背转子的一侧上。

作为可替代的方式，可以将凹部设置为从定子的面向转子的一侧到达定子的面背转子的一侧的完全穿透槽，并且因此将齿分成彼此断开的两个齿元件。这里术语“断开”与定子的铁材料中的磁通量相关，并且意味着例如设置成不存在定子铁或不存在承载磁通量的任何其他材料，或者采用了用于衰减该区域中的磁通量的其他措施。

在分离的定子区域的情况下，定子包括沿着圆周布置的多个定子区域。定子区域中的每个定子区域包括至少一个槽区域和两个相邻的相对布置的齿元件。相邻定子区域的相应齿元件彼此耦接或者通过凹部彼此被间隔开。

例如，可以在定子的每个齿中或者在定子的每隔一个齿中形成凹部。如果在定子的每个齿中形成凹部，则例如可以以交替的方式将凹部实现为从定子的面向转子的一侧开始或者从定子的面背转子的一侧开始的槽。作为示例，可以将电机实现为其中槽的数量与转子中的极的数量的比率为12:10或12:14的电机。还可以选择槽的数量和/或极的数量的整数倍。

可以将电机实现为线性电机、轴向磁通电机、径向磁通电机、异步电机或同步电机。此外，可以将电机构造成具有内部转子或外部转子。在异步电机的情况下，可以将电机的转子实现为笼式转子或多层转子。在同步电机的情况下，转子可以是永磁体转子、包括埋入式磁体的转子、电供应转子，特别是实心极转子、凸极转子、异极转子以及同极转子。附加地或作为替代，该电机可以包括磁阻转子。

下面基于附图借助于多个示例性实施方式更详细地说明本发明。

这里，相同的附图标记表示相同部件或具有相同功能的部件。

图1以横截面图示出了根据所提出的原理的电机的示例性实施方式，

图2示出了图1的电机的设计相比于传统电机的气隙诱发的分布及其傅里叶分析中的对应的谐波的比较，

图3示出了电磁转矩的随不同电角度位置的路线的示例性图，

图4基于示例性图示出了对损耗的比较，

图5示出了基于具有不同齿宽的示例的根据所提出的原理的另一实施方式，

图6示出了在所有定子齿中包括凹部的根据所提出的原理的又一示例性实施方式，

图7示出了根据所提出的原理的再一示例性实施方式，其中，铁材料在圆周方向上被径向层叠,

图8示出了在每隔一个齿中包括磁通量屏障的根据所提出的原理的示例性实施方式，

图9示出了磁通量屏障的另一示例性实施方式，

图10示出了磁通量屏障被设置在所有齿中的又一示例性实施方式，

图11示出了在相邻齿中包括不同磁通量屏障的再一示例性实施方式，

图12示出了针对具有八个极的电机的根据所提出的原理的示例性实施方式，

图13示出了包括磁阻转子的所提出的原理的示例性实施方式，以及

图14示出了所提出的原理被应用于换向磁阻电机的示例性实施方式。

图1示出了包括定子7和转子8的电机的示例性实施方式。将该电机实现为包括外部定子和内部转子8的旋转电机。定子包括十二个齿和十二个槽。转子具有用永磁体实现的14个极，永磁体沿着圆周分布并且以交替的方式被实施为北极N和南极S。定子齿设置有集中单层绕组。这意味着每隔一个齿3设置有电线圈，相应的中间齿保持没有任何绕组。用包括电绞合线A、电绞合线B以及电绞合线C这三种绞合线的三相电系统来缠绕定子，电绞合线A、电绞合线B以及电绞合线C与三相电流系统的从电的角度看被位移了120°的三个相关联。

所有的无绕组齿设置有凹部4，该凹部沿着径向方向形成穿过相应齿的切口。凹部从定子的面向转子的一侧延伸到定子的轭区域中的定子的外围圆周，并且该凹部将齿中心对称地分成两个相等的半件。因此，定子被划分成六个定子区域。定子区域中的每个定子区域与定子铁芯中的相邻定子区域分离，这意味着通过凹部4实现的磁屏障显著减小了在电机工作时出现的在定子中的磁通量。这一点尤其是影响了基波。

在本电机中，磁动势的七次谐波用作为工作波。

凹部4具有从转子开始朝向定子的外侧的恒定横截面，并且凹部4在定子外围即在定子的轭区域中包括凹部的附加的横截面增大部。该增大部不再是在实际齿区域中而是在定子外侧的定子轭的区域中。

六个定子区域具有相同的设计，六个定子区域沿着定子的圆周分布并且都具有设置有绕组的中心齿3，中心齿与分别容置一个电绕组的相对的槽1、槽2邻接。在本示例中，所述槽与保持没有任何绕组的齿半件邻接。

图2示出了气隙诱发的谐波的分布的比较，其中并排示出了不具有凹部4的传统定子和根据图1的设计的定子以用于比较。

可以看出，一次子谐波即基波减小了73％。五次子谐波减小了约19％。同时，注意，工作波即七次谐波增大了约17％。

总之，新的定子布局显著减小了不期望的子谐波；因此，降低了电机中的损耗并且提高了效率。另一方面，在本示例中主要负责电机的额定转矩的工作波同时明显提高了17％。

与用于减小不期望的谐波的其他已知措施相比，所提出的原理的区别在于，不仅不存在有对工作波和电机的转矩的不期望的负面影响，而且，事实上发生了相反的情况，即增强了工作波。

图3阐明了根据图1的设计的所提出的原理的行为的有利模式。可以清楚地看到，对于新设计来说，对于70安培的有效电流，随着以电角度表示的角位置绘制的电磁转矩具有较高的绝对值，并且另一方面，示出了较少的波纹。

图4清楚地示出了所提出的原理在损耗方面的优势。以四个描绘对比了传统电机与根据图1的新电机的定子铜损、定子铁损、转子铁损以及磁损。直接可以看出，用所提出的原理显著减小了转子铁损和磁损，实际上将转子铁损和磁损减小了超过百分之五十。对于定子铜损和定子铁损来说，新电机布局没有缺点而是有一些微弱的优势。

对于图3和图4的附图存在相同的负载条件。

下面描述用于形成针对基波的屏障的定子中的即齿区域中的凹部的另外实施方式。此外，将所提出的原理转用到其他定子和转子几何结构以及其他转子类型等。

作为示例，图5示出了图1的示例性设计的另一实施方式。与图1相反，齿具有不同的齿宽。这里，也是在每隔一个齿中形成凹部。齿3'位于凹部之间并且设置有绕组，然而，齿3'具有被称为齿宽的较小横截面。对于这些附图以及随后的附图来说，也可以使用多层绕组而不是所示出的单层绕组。

根据图5，使设置有绕组的这些齿的有效齿宽适应于包括凹部的无绕组齿的齿宽，并且这样该有效齿宽实际上具有减小的横截面。

图6示出了作为图1的设计的修改的另一示例性实施方式。这里，不仅在无绕组齿中设置凹部4，而且在装配有绕组的齿中设置凹部4。

图7示出了图6的原理的改进。如在图6和图7的示例中那样，将定子细分成总共十二个U形定子元件，这十二个U形定子元件互相没有铁连接而是相互间隔开，可以借助于在径向方向以及在圆周方向但不在轴向方向被层叠的铁芯来实现十二个定子元件的U形。这产生了定子的片金属叠层的不同结构。虽然根据图7的转子仍然具有轴向层叠的金属叠的叠层，但是这里定子的叠层是径向地层叠。这对于涡流损耗具有益处，并且高效利用了所采用的铁材料。

图8示出了图1的设计的另一变型。图1的凹部4不是被形成为连续槽，而是形成为在径向方向上延伸且是在定子的每隔一个齿中形成的矩形凹部9；然而，薄壁铁连接保持在定子的面向转子的一侧上或者定子的面背转子的一侧上的各个定子区域之间。无论如何，凹部4延伸到定子的轭区域中。

为了给出更清楚的说明，图8中没有示出图1中的绕组系统。

在图1的基础上，图9示出了凹部的几何结构的又一修改。在图9中，在每隔一个齿中设置槽，该槽被加工到从定子的外围朝着定子的面向转子的一侧的材料中，替代了将定子作为整体划分成各个定子区域的连续凹部4。所述槽10具有恒定的横截面，并且从定子的外侧延伸到与同转子相对的齿前部接近，但是铁材料的薄区留在齿的面向转子的一侧的端部。

图10在图8的基础上示出了又一实施方式，该实施方式与图8的实施方式在很大程度上相似。然而，在图8的变型中，在集中单层绕组的情况下，图10的设计不是将凹部9设置在定子的每隔一个齿中，而是设置在定子的每个齿中，即在无绕组齿中以及在设置有绕组的齿中。定子的铁材料的薄片留在定子的面背转子的一侧以及定子的面向转子的一侧上，并且因此在定子中不存在连续的槽。在本示例中，凹部也是延伸到定子的轭区域中。

图11示出了图9的设计的又一改进。在图9的变型中，根据图9实现的没有任何凹部的齿3这里设置有槽11；然而，与根据图9设置的槽10相反，槽11在定子的面向转子的一侧上包括开口，因此，在图11的设计中，相邻的齿以交替的方式设置有在面向转子的一侧上具有开口的槽11和在定子的面背转子的一侧上具有开口的槽10。在槽10、槽11的各自的相对侧上，留有铁材料的薄片。在本示例中，在槽10、槽11中的所有槽中，凹部也是延伸到定子的轭区域中。

图12示出了对图1的设计的修改，其中将如在图1中示出的包括十二个齿和14个极的电机的所提出的原理转用到具有仅六个齿和八个极的电机中。

因此，沿着圆周将八个磁体分布在转子中，以交替的方式形成北极N和南极S。在本示例中，将其设计为埋入式永磁体。

与图1对应，定子在沿着定子的圆周的每隔一个齿中设置有凹部4，在本示例中，特别地是在不容置绕组的齿中设置有凹部4，因为涉及集中设计的单层绕组。由三相电系统以集中的方式缠绕的齿3保持没有任何用于磁通量的机械屏障。

在图1的设计的变型中，图13示出了另一转子布局，图13的定子7与图1的定子相同。

图13的转子8'没有被实现为具有埋入式永磁体的转子而是实现为磁阻转子。在该布置中，沿着转子8'的圆周形成总共14个转子极。对于每个极存在有以V形方式重复结合的(没有铁的)若干个区即空气。这产生了没有永磁体8'的磁阻转子。

图14示出了另一磁阻转子。在图14中，定子7还是与图1中示出的定子相同。然而，与图1相对照，转子8″形成有象包括矩形形状的齿的齿轮一样的横截面，并且因此再次将转子8″设计为不具有永磁体的磁阻转子。该原理也被称为换向磁阻电机，并且在目前情况下，用具有十二个槽即十二个齿和14个极的几何机构来实现本原理。

附图标记列表

1 槽

2 槽

3 齿

4 凹部

5 定子区域

6 径向层叠的定子区域

7 定子

8 转子

9 矩形凹部

10 槽，从一侧加工到材料中

11 槽，从一侧加工到材料中

A 绕组绞合线

B 绕组绞合线

C 绕组绞合线

N 北极

S 南极

+ 绕组感测(正)

- 绕组感测(负)

Claims (16)

1.一种电机，包括：

定子(7)，所述定子(7)包括用于容置电绕组(+A，-A)的槽(1，2)，所述定子(7)的齿分别形成在相邻槽之间，以及

转子(8)，所述转子(8)相对于所述定子(7)能够移动，

其中，在工作期间，磁动势的工作波与磁通量的基波不同，并且其中

所述定子(7)包括凹部(4)，所述凹部(4)基本沿径向方向延伸并且被布置在所述定子的每隔一个齿中。

2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述凹部形成用于减小所述磁通量的所述基波的机械屏障。

3.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述凹部被形成为使得所述定子(7)的所述齿区域中的所述基波衰减50％或更多。

4.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述凹部被形成为使得增强所述磁动势的用作为所述工作波的谐波。

5.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述凹部在所述定子的所述齿区域中包括附加槽。

6.根据权利要求5所述的电机，其中，所述槽(11)设置在所述定子(7)的面向所述转子(8)的一侧上。

7.根据权利要求5所述的电机，其中，所述槽(10)设置在所述定子(7)的面背所述转子(8)的一侧上。

8.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述凹部(4)从所述齿区域延伸到所述定子的轭区域中。

9.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述凹部被设置为从所述定子(7)的面向所述转子(8)的一侧到达所述定子(7)的面背所述转子(8)的一侧的完全穿透槽，使得所述齿被分成两个齿元件，在所述两个齿元件之间不存在任何铁连接。

10.根据权利要求9所述的电机，其中，在铁芯中分离的每个定子区域(5)包括槽区域和以相对的方式与所述槽区域邻接的两个相邻的齿元件。

11.根据权利要求10所述的电机，其中，所述定子区域中的每个定子区域包括径向层叠的弯曲的金属片的叠层(6)。

12.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述槽(1，2)的数量与所述转子中的极(S，N)的数量的比率为Z*12/10或Z*12/14，其中Z为正整数。

13.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述槽(1，2)的数量与所述转子中的极(S，N)的数量的比率为Z*6/8，其中Z为正整数。

14.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述电机包括下述类型中之一：线性电机、轴向磁通电机、径向磁通电机、异步电机、同步电机。

15.根据权利要求1或2所述的电机，所述电机被制成包括内部转子的电机或包括外部转子的电机。

16.根据权利要求1或2所述的电机，其中，所述转子是下述类型中之一：在异步电机的情况下为笼式转子或多层转子；在同步电机的情况下为永磁体转子或电供应转子。