CN104868630A - 旋转电机 - Google Patents

Abstract

一种旋转电机包括转子和定子。定子芯具有沿圆周方向设置并且与磁极对应的n个同相槽，并且，在该n个同相槽的每个同相槽中安装有相同相的相绕组。相绕组中的每个相绕组被沿延伸方向划分成2n个部分，使得相绕组中的每个相绕组由从沿延伸方向定位的一端起按顺序布置的第一部分绕组、第二部分绕组、……、以及第2n部分绕组构成。第一部分绕组和第2n部分绕组插入至定子芯的不同的同相槽中。从沿延伸方向定位的一端算起的偶数位置处的第2m(1≤m≤n)部分绕组以及第2m-1部分绕组插入至定子芯的不同的同相槽中。

Description

旋转电机

技术领域

本发明涉及旋转电机，其例如用作车辆的发电机或牵引电动机。

背景技术

已知旋转电机包括转子和定子。转子具有沿圆周方向布置的多个磁极对。定子具有定子芯和定子绕组。定子芯具有沿圆周方向布置的多个槽并且被设置成沿径向与转子相对。定子绕组由插入至槽中并且缠绕在定子芯中的多个相绕组构成。在这样的旋转电机中，为了响应对提供更高的功率的请求，定子芯具有n(为大于或等于2的自然数)个同相槽，沿圆周方向相继设置这n个同相槽以便与磁极对应。在同相槽的每个同相槽中，安装有相同相的相绕组。

如图11所示，JP-A-2013-81356公开了这样的配置：其中每个相绕组41从沿延伸方向定位的一端(每个相输出端子43)至另一端(中性点44)被划分成2n(当n＝2时为4)个部分。此外，第一部分绕组a和第四部分绕组d插入至不同的同相槽中。因此，减少了在定子绕组的相绕组41之间产生的谐振，以降低相绕组41之间的最大电压。因此，可以缩短绝缘所需要的相间距离。

例如，为了使用逆变器来驱动电动机(牵引电动机)，需要在例如PWM控制下高速进行切换。在这种情况下，在每次切换时，在电动机的输入部分或者在电动机的相之间产生高于驱动电压的浪涌电压(surgevoltage)。如果相间电压超过预定值，则在相绕组的表面之间导致作为微小放电(minute discharge)的所谓的局部放电。当该状态继续时，最终会导致击穿。因此，需要防止该局部放电以确保绝缘。

为了防止局部放电，需要加厚绕组表面上的绝缘膜。然而，如果绝缘膜被加厚，则插入至槽中的绕组的占空系数减小，从而降低电动机效率并且增大旋转电机的尺寸。此外，虽然牵引电动机中的线圈之间的电压由于牵引电动机中的谐振现象而增大，但是该电压的最大值基于逆变器切换速度以及牵引电动机中的谐振频率和增益峰值来确定，并且，该电压随着切换速度的增大而增大。因此，为了提高逆变器的效率，在切换速度增大的情况下不能确保电动机的绝缘。

发明内容

实施方式提供了一种旋转电机，该旋转电机在逆变器被高速切换时降低相绕组之间的最大电压，从而既确保逆变器的较高的效率(较高的切换速度)又确保绝缘的可靠性。

实施方式提供了一种旋转电机，包括：转子，其具有沿圆周方向布置的多个磁极对；以及定子，其具有定子芯和定子绕组，定子芯具有沿圆周方向布置的多个槽并且被布置成沿径向与转子相对，并且定子绕组由插入至槽中并且缠绕在定子芯中的多个相绕组构成。定子芯具有n(其为大于或等于2的自然数)个同相槽，该n个同相槽被沿圆周方向相继设置以便与磁极对应，并且在该n个同相槽的每个中安装有相同相的相绕组。相绕组中的每个相绕组从沿延伸方向定位的一端至另一端被划分成2n个部分，使得相绕组中的每个相绕组由从沿延伸方向定位的一端起按顺序布置的第一部分绕组、第二部分绕组、……、以及第2n部分绕组构成。第一部分绕组和第2n部分绕组插入至定子芯的不同的同相槽中。从沿延伸方向定位的一端算起的偶数位置处的第2m(m为满足1≤m≤n的自然数)部分绕组以及第2m-1部分绕组被插入至定子芯的不同的同相槽中。

附图说明

在附图中：

图1是沿根据第一实施方式的旋转电机的轴向截取的截面图；

图2是根据第一实施方式的定子的总体透视图；

图3是用于说明导体段被插入至根据第一实施方式的定子芯的槽中的状态的图；

图4A是从斜上方观察的、用于说明根据第一实施方式的相绕组的缠绕方法的透视图；

图4B是沿轴向观察的、用于说明缠绕方法的平面图；

图4C是沿圆周方向展开的、用于说明缠绕方法的展开图；

图5A是构成根据第一实施方式的定子绕组的相绕组的连接图；

图5B是示出插入至根据第一实施方式的定子芯的两个U相同相槽中的U相部分绕组的位置的示意图；

图6A是示出第一测试中的电压测量结果的图，该图为逆变器的输出侧的电压波形；

图6B是示出第一测试中的电压测量结果的图，该图示出根据第一实施方式的定子绕组的相绕组之间的电势差以及根据第一常规示例的定子绕组的相绕组之间的电势差；

图7是示出第一测试的定子绕组的电压测量位置的图；

图8是示出根据第一实施方式的第二测试的测量结果和根据第一常规示例的第二测试的测量结果的图；

图9是示出根据第一实施方式的第三测试的频率与谐振增益之间的关系和根据第一常规示例的第三测试的频率与谐振增益之间的关系的图；

图10是示出在第三测试中在电动机中产生的两个谐振路径的图；

图11A是构成常规旋转电机中的定子绕组的相绕组的连接图；以及

图11B是示出插入至常规旋转电机中的定子芯的两个U相同相槽中的U相部分绕组的位置的示意图。

具体实施方式

参照附图，在下文中描述本发明的实施方式。贯穿附图，彼此相同或相似的部件被给予相同的附图标记，以便省略不必要的说明。

(第一实施方式)

根据本实施方式的旋转电机1用作车辆的电动机(牵引电动机)。如图1所示，旋转电机1包括壳体10、转子14和定子20。通过使一对有底圆柱形壳体构件10a、10b的开口部分彼此接合来形成壳体10。转子14固定至旋转轴13，经由轴承11、轴承12将旋转轴13以可旋转的方式支撑至壳体10。定子20固定至壳体10，以便围绕壳体10中的转子14。

转子14的外圆周处布置有多个磁极对，该外圆周与定子20的内圆周沿径向相对。多个磁极对沿圆周方向以预定间距布置，使得彼此相邻的磁极的极性彼此不同。磁极由埋于转子14的预定位置处的多个永磁体形成。转子14的磁极的数目因旋转电机而不同。因此，磁极的数目不受限制。在本实施方式中，使用八极(四个N极和四个S极)转子。

接着，参照图2至图5来说明定子20。如图2所示，定子20包括环形定子芯30和三相(U相、V相、W相)定子绕组40。定子芯30具有沿圆周方向布置的多个槽31，并且被布置成与转子14沿径向相对。三相定子绕组40以下述状态缠绕在定子芯30中：插入至槽31中的多个U形导体段50的开口端的端部通过在定子芯30的沿轴向的一侧焊接而彼此连接。

通过沿轴向层压多个芯板(钢板)来构成定子芯30。在定子芯30的内周中，沿圆周方向以固定间距并且沿径向呈放射状的形式来布置多个槽31，多个槽31中的每个槽具有矩形截面形状并且沿轴向穿透定子芯30。相对于转子14的磁极的数目(8)，在定子芯30中形成的槽31的数目为定子绕组40的每个相两个。槽倍数n(为大于或等于2的自然数)为2。也就是说，在定子芯30中，沿圆周方向连续设置两个同相槽以与磁极中的每个磁极对应。在同相槽中的每个同相槽中，安装有相同相的相绕组41。因此，槽的数目为48，因为8×3×2＝48。

通过焊接使U形导体段50的开口端的端部彼此连接，来构成穿过定子芯30的槽31缠绕的定子绕组40。通过将矩形导体弯曲成U形来形成导体段50，其中矩形导体的外周涂覆有绝缘膜(未示出)。注意，通过焊接连接导体段50的端部而形成的接合部56具有导体暴露部分(未示出)，通过剥离绝缘膜而形成该导体露出部分。

如图3所示，U形导体段50包括彼此平行的一对直线部分即直线部分51、直线部分51，以及使直线部分51、直线部分51的末端彼此连接的转弯部分52。转弯部分52的中心部设置有沿定子芯30的端面30a延伸并且与端面30a平行的顶部台阶部分53。在顶部台阶部分53的两侧，设置有相对于定子芯30的端面30a以预定角度倾斜的倾斜部分54。注意，附图标记24指示使定子芯30与定子绕组40彼此电绝缘的绝缘体。

图3示出插入至彼此相邻的两个槽即槽31A、槽31B中的一对导体段即导体段50A、导体段50B。在这种情况下，直线部分51、直线部分51未从定子芯30的沿轴向定位的一侧插入至同一槽31中，而是分别插入至彼此相邻的两个槽即槽31A、槽31B中。也就是说，图3的右侧绘出的两个导体段即导体段50A、导体段50B中的一个导体段50A的直线部分51中之一插入至一个槽31A的最外层(第六层)中，而直线部分51中的另一个被插入至另一槽(未示出)的第五层中，该另一槽沿定子芯30的逆时针方向与槽31A相距一个磁极间距(NS磁极间距)。

此外，两个导体段即导体段50A、导体段50B中的另一导体段50B的直线部分51之一插入至与槽31A相邻的槽31B的最外层(第六层)中，而直线部分51中的另一个插入至另一槽(未示出)的第五层中，该另一槽沿定子芯30的逆时针方向与槽31B相距一个磁极间距(NS磁极间距)。也就是说，两个导体段即导体段50A、导体段50B被布置成沿圆周方向相距一个槽间距。因此，导体段50的直线部分51被插入至整个槽31中，直线部分51的数目为偶数。在本实施方式的情况下，六个直线部分51被插入至整个槽31中以使其沿径向呈直线布置且层压。

从槽31延伸至定子芯30的沿轴向定位的另一侧的一对直线部分即直线部分51、直线部分51的开口端沿与圆周方向相反的方向扭曲，以便相对于定子芯30的端面30a以预定角度倾斜。从而，形成长度大致为磁极间距一半的倾斜部分55(参见图2和图4A和图4B)。导体段50的预定倾斜部分55的端部通过焊接而彼此接合(图4中的接合部分)，以使彼此以预定模式电连接。也就是说，预定导体段50沿圆周方向并且沿定子芯30的槽31串联连接，以形成具有以螺旋形式缠绕的三相绕组(U相、V相、W相)41的定子绕组40，即，波形绕组。

注意，对于定子绕组40的每个相，由基本的U形导体段50形成绕定子芯30六次的绕组(线圈)。然而，对于定子绕组40的每个相，整体地具有用于输出的引导线和用于中性点的引导线的段以及具有连接第一转弯和第二转弯的转弯部分的段由不同于基本导体段50的不规则形段(未示出)构成。如图5A所示，通过星形连接来连接定子绕组40的相的绕组端。

如图2所示，被如上所述地配置的定子绕组40的沿轴向定位的一侧(图2的下侧)设置有第一线圈端部47，其中，导体段50的从定子芯30的一个端面伸出的转弯部分52沿定子芯30的径向层压。此外，定子绕组40的沿轴向定位的另一侧(图2的上侧)设置有第二线圈端部48，其中，导体段50的从定子芯30的另一端面伸出的倾斜部分55和接合部分56(参见图4A和图4B)沿定子芯30的径向层压。

如图5A所示，构成定子绕组40的三相绕组(U相、V相、W相)41中的每个从沿延伸方向定位的一端的输出端子43至另一端的中性点44被划分成2n(本实施方式中为4，n＝2)个部分。从而，三相绕组中的每个由从沿延伸方向定位的一端起按顺序布置的第一部分绕组a、第二部分绕组b、第三部分绕组c和第四部分绕组d构成。第一部分绕组a至第四部分绕组d中的全部以螺旋形式缠绕。

在本实施方式中，如图5B所示，第一部分绕组a和第四部分绕组d被插入至定子芯30的不同的同相槽中。也就是说，第一部分绕组a被插入至两个相邻的同相槽即同相槽U1、同相槽U2中的一个同相槽U1中，并且第四部分绕组d被插入至两个相邻的同相槽即同相槽U1、同相槽U2中的另一同相槽U2中。注意，在图5B中，U相的两个同相槽即同相槽U1、同相槽U2被示出为典型示例。V相和W相的同相槽的状态与U相的同相槽的状态相似。

在相绕组41中的每个相绕组的情况下，从输出端子侧算起的偶数位置处的第2m(m为满足1≤m≤n的自然数)部分绕组与第2m绕组之前的奇数位置处的第2m-1部分绕组被插入至定子芯30的不同的同相槽中。具体地，如图5B所示，相绕组41的第二部分绕组b和第一部分绕组a被插入至不同的同相槽中。相绕组41的第四部分绕组d和第三部分绕组c被插入至不同的同相槽中。也就是说，在本实施方式中，第一部分绕组a和第三部分绕组c被插入至两个相邻的同相槽即同相槽U1、同相槽U2中的一个同相槽U1中，并且第二部分绕组b和第四部分绕组d被插入至两个同相槽即同相槽U1、同相槽U2中的另一同相槽U2中。

注意，可以通过稍微修改定子绕组40的从定子芯30的沿轴向定位的另一端面向外伸出的第二线圈端部48的连接导线的连接来改变相绕组41的第一部分绕组a至第四部分绕组d所插入的同相槽。因此，可以在防止电动机的性能下降的情况下容易地实现定子20。

根据如上所述地配置的本实施方式的旋转电机1，构成定子绕组40的相绕组41中的每个被划分成2n(当n＝2时为4)个部分，以使其由第一部分绕组a至第四部分绕组d构成。第一部分绕组a和第四部分绕组d被插入至不同的同相槽即同相槽U1、同相槽U2中。从沿延伸方向定位的一端算起的偶数位置处的第2m部分绕组以及第2m-1绕组被插入至同相槽即同相槽U1、同相槽U2中。因此，由于可以降低旋转电机1中的谐振增益的峰值，所以能够在逆变器被高速切换时减小相绕组之间的最大电压。因此，逆变器的效率可以更高(切换速度可以更高)，同时能够确保绝缘的可靠性。

此外，在本实施方式中，槽倍数n为2。相绕组41中的每个从沿延伸方向定位的一端至另一端被划分成4(2n)个部分。此外，第一部分绕组a和第三部分绕组c被插入至一个同相槽U1中，并且第二部分绕组b和第四部分绕组d被插入至另一同相槽U2中。因此，槽倍数n被设置成2的旋转电机能够可靠地提供上述优点。

此外，在本实施方式中，由于相绕组的第一部分绕组a至第四部分绕组d中的全部以螺旋形式缠绕，所以能够容易地形成定子绕组40。此外，能够可靠地减小在定子绕组40的相绕组之间产生的谐振。

此外，定子绕组40为由多个相绕组41构成的分段类型，其中以如下方式形成多个相绕组41：插入至槽31中并且沿轴向的多个导体段50串联连接并且缠绕在定子芯30中。因此，与定子绕组40由连续导线构成的情况相比，单个导体段50长度非常短并且易于操作。因此，能够容易地制造定子绕组40。

(第一测试)

针对通过第一实施方式的缠绕方法和通过常规示例的缠绕方法制造的电动机(牵引电动机)进行了第一测试以比较在切换逆变器时相绕组之间的最大电势差。在JP-A-2013-81356中公开了常规示例。如图11B所示，第一部分绕组a和第二部分绕组b被插入至两个同相槽即同相槽U1、同相槽U2中的一个同相槽U1中，并且第三部分绕组c和第四部分绕组d被插入至两个同相槽即同相槽U1、同相槽U2中的另一同相槽U2中。通过对插入至同相槽的部分绕组a至部分绕组d的不同布置方法来形成第一实施方式的和常规示例的要比较的电动机。要比较的电动机具有其他相似配置和相似性能(功率、效率等)。

如图7所示，在相绕组之一(U相)(在该相中，在逆变器被切换时电压最大)的输入侧端与相绕组的另一绕组(V相)的第一部分绕组a和第二部分绕组b之间的连接部分之间进行对第一实施方式的定子绕组的相绕组之间的电势差和常规示例的定子绕组的相绕组之间的电势差的测量。图6B中示出该结果。注意，图6A示出逆变器的输出侧的电压波形。从图6B清楚地看出，第一实施方式的相绕组之间的最大电势差低于常规示例的相绕组之间的最大电势差。

(第二测试)

使用第一测试中的第一实施方式的电动机和常规示例的电动机进行了第二测试以比较在逆变器的输出波形的上升速率变化时相绕组之间的最大电势差。图8中示出第二测试的结果。

从图8清楚地看出，在A点之前并且上升速率较低的区域中，第一实施方式的最大电压和常规示例的最大电压大致相同。在从A点至B点的中间区域中，第一实施方式的最大电压高于常规示例的最大电压。此外，在B点之后并且上升速率较高的区域中，常规示例的最大电压高于第一实施方式的最大电压。因此，可理解的是，当逆变器的切换速度较高时，第一实施方式中的相绕组之间的最大电压能够低于常规示例中的相绕组之间的最大电压。

(第三测试)

针对测试1和测试2中所使用的第一实施方式的电动机和常规示例的电动机进行了第三测试以检查逆变器的输出端子与电动机的输入端子之间的传递特性。图9中示出第三测试的结果。在图9中，谐振增益为0dB或更高的区域为放大区域。在电动机的输入端子处产生与该放大区域的频率和增益对应的浪涌电压。

具体地，随着传递特性的最大增益的增大，浪涌电压被更大程度地放大，从而增大电动机的输入端子处的最大浪涌电压。此外，随着逆变器的切换速度增大，最大浪涌电压取决于高频区域中的增益特性而增大。也就是说，在具有增益在传递特性的高频区域中更高的特性的电动机中，在逆变器的切换速度(电压的增大速率)较高的区域中浪涌电压被放大，并且电动机的输入端子处的最大电压也增大。

将图9所示的第一常规示例的缠绕方法的传递特性和第一实施方式的缠绕方法的传递特性相互比较，在整个频率区域中，第一实施方式的缠绕方法的增益峰值低于第一常规示例的缠绕方法的增益峰值。当切换速度较高时，与第一常规示例的缠绕方法相比，第一实施方式的缠绕方法能够抑制浪涌电压。这是因为，如图10所示，在引起电动机的相绕组之间的电势差增大的切换时刻，在电动机中产生两个路径即第一路径和第二路径之间的谐振。

根据第一实施方式的缠绕方法，连接顺序的改变使得谐振电流在插入至同一同相槽的两个部分绕组(a和c、b和d)之间沿相反方向流动，以抵消互感。因此，谐振路径的电感降低。当降低谐振Q因数时，谐振增益降低。

要理解，本发明不限于上述配置，而是可以由本领域技术人员作出应当认为落入本发明的范围内的任何及所有变型、变体或等同方式。

(其他实施方式)

例如，虽然在第一实施方式中将具有U形的导体段50用作构成定子绕组40的基本构件，但是可以使用具有I形的导体段。

此外，虽然在第一实施方式中n＝2(n为大于或等于2的自然数)，但是可以任选地设置n。

此外，第一实施方式为根据本发明的旋转电机被应用于电动机(牵引电动机)的示例。然而，本发明可以应用于安装在车辆中的，可以被选择性地用作牵引电动机、发电机或者牵引电动机和发电机二者的旋转电机。

在下文中，将概述上述实施方式的方面。

实施方式提供了一种旋转电机，包括：转子(14)，其具有沿圆周方向布置的多个磁极对；以及定子(20)，其具有定子芯(30)和定子绕组(40)，定子芯(30)具有沿圆周方向布置的多个槽(31)并且被布置成沿径向与转子相对，并且定子绕组(40)由插入至槽中并且缠绕在定子芯中的多个相绕组形成。定子芯具有n(为大于或等于2的自然数)个同相槽(U1、U2)，所述n个同相槽沿圆周方向相继设置以与磁极对应，并且所述n个同相槽中的每个同相槽中安装有相同相的相绕组。相绕组中的每个从沿延伸方向定位的一端至另一端被划分成2n个部分，使得相绕组中的每个由从沿延伸方向定位的一端起按顺序布置的第一部分绕组(a)、第二部分绕组(b)、……、以及第2n部分绕组(d)构成。第一部分绕组和第2n部分绕组被插入至定子芯的不同的同相槽中。从沿延伸方向定位的一端算起的偶数位置处的第2m(m为满足1≤m≤n的自然数)部分绕组与第2m-1部分绕组被插入至定子芯的不同的同相槽中。

根据本实施方式，第一部分绕组和第二部分绕组被插入至不同的同相槽中。从沿延伸方向定位的一端算起的偶数位置处的第2m(m为满足1≤m≤n的自然数)部分绕组与第2m-1部分绕组被插入至定子芯的不同的同相槽中。因此，改变部分绕组中的每个的部分绕组所插入的同相槽能够减小旋转电机中的谐振增益的峰值。因此，能够在逆变器被高速切换时降低相位绕组之间的最大电压。因此，逆变器的效率能够更高(切换速度能够更高)，同时能够确保绝缘的可靠性。

注意，可以仅通过稍微修改定子绕组的从定子芯的沿轴向定位的两个端面向外伸出的线圈端部的连接导线的连接来改变相绕组中的每个的部分绕组所插入的槽。因此，能够在防止电动机的性能下降的情况下容易地实现定子。

此外，逆变器的切换速度取决于功率元件的性能。然而，由于已作为下一代元件被开发的碳化硅(SiC)元件、氮化镓(GaN)元件等有望具有更高的速度，所以在使用这种元件驱动电动机时，旋转电机尤其高效。

Claims (3)

1.一种旋转电机，包括：

转子，其具有沿圆周方向布置的多个磁极对；

定子，其具有定子芯和定子绕组，所述定子芯具有沿所述圆周方向布置的多个槽并且被设置成沿径向与所述转子相对，并且所述定子绕组由插入至所述槽中并且缠绕在所述定子芯中的多个相绕组形成，其中，

所述定子芯具有n个同相槽，其中n为大于或等于2的自然数，所述n个同相槽被沿所述圆周方向相继设置以便与所述磁极对应，并且所述n个同相槽中的每个同相槽中安装有相同相的所述相绕组，

所述相绕组中的每个相绕组从沿延伸方向定位的一端至另一端被划分成2n个部分，使得所述相绕组中的每个相绕组由从沿所述延伸方向定位的一端起按顺序布置的第一部分绕组、第二部分绕组、……、以及第2n部分绕组构成，

所述第一部分绕组和所述第2n部分绕组插入至所述定子芯的不同的同相槽中，并且

从沿所述延伸方向定位的一端算起的偶数位置处的第2m部分绕组与第2m-1部分绕组插入至所述定子芯的不同的同相槽中，其中m为满足1≤m≤n的自然数。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其中

所述定子芯具有两个同相槽，所述两个同相槽沿所述圆周方向相继设置以便与所述磁极对应，

所述相绕组中的每个相绕组从沿延伸方向定位的一端至另一端被划分成四个部分，使得所述相绕组中的每个相绕组由从沿所述延伸方向定位的一端起按顺序布置的所述第一部分绕组、所述第二部分绕组、第三部分绕组和第四部分绕组构成，并且

所述第一部分绕组和所述第三部分绕组插入至两个相邻的同相槽中的一个同相槽中，并且所述第二部分绕组和所述第四部分绕组插入至所述两个相邻的同相槽中的另一个同相槽中。

3.根据权利要求1所述的旋转电机，其中

所述第一部分绕组至所述第2n部分绕组全部以螺旋的形式缠绕。