CN1062386C - 多相电机及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种具有位错排列的多极电极单元的多相电机，包括多个电极单元(37a-b)，每个电极单元具有较少数量的相数并且在运动方向上具有交替极性的极。该电极单元在气隙中彼此相邻设置，且相对于转子极相互偏移几分之一个极距。它们的扇形结构导体(40)在平行于气隙的层中延伸。在单相电极单元中，导体绝缘仅需满足端电压的几分之一的要求。这种设计使得组装电机仅用少量的不同形状的部件，因此可以按自动方式大规模制造。

Description

多相电机及其制造方法

本发明涉及一种多相电机以及制造这样一种电机的方法。

在制造多相电机时，特别是制造在大电流和高电压条件下工作的电机时，为满足相交叉的导体相线的绝缘要求，导致其制造成本昂贵。要获得高功率密度和大能量密度(Kraftdichten)，应使在槽体积内的导体尽可能大，以及在绕组端部内的导体长度部分尽可能小。

美国第4398112号专利文献公开了一种盘式电枢和直线电动机的分层式绕组，其中冲压过的分层导体由槽的空隙处沿槽深方向插入槽内。由上述美国专利文献所提供的绕组，由于不同相的所有导体支路具有不同距离的空隙，这使得所有导体支路只具有很短的长度，于是只有在单相电动机中才能充分利用槽的空间，但是单相电动机的输出转矩稳定性很差。根据这篇美国专利文献的介绍，在双相电动机的情况下，采用这种绕组结构在槽内的充填系数为50％，而在三相电动机的情况下，槽内的充填系数则降为33％。

英国GB-A-A1099010中描述了一种具有轴向空隙的三极磁阻机，其下好线的定子装在两个转子盘之间，沿定子的周围均匀分布的各电极的数量为同样结构的转子之一的齿数的三倍，使软磁转子齿覆盖住三个相邻电极所要求的气隙表面的一半。这三个先后顺序布置的电极分属于不同的相，使同相的顺序的电极反向卷绕，并串联连接。于是气隙表面的磁利用率达到50％，尽管实现了较小的充填系数，但卷绕上浪费大。

在英国GB-A-945032中则披露了一种小型单相高频发电机，它的特点是具有极平的结构，一个具有弯曲形导体走向的压扁的绕组布置在一个多极永久磁铁上。在各匝之间的气隙上具有软磁的齿群，使相邻极的齿之间的间距大于在该极内部的齿距。

EP0341867A1进一步公开了一种两相步进电机，它的绕组由两个导体环构成，它们并列轴向布置。每个导体环由一个非拉牵的薄板所环绕，在其径向内表面上具有朝向转子的一个齿轮，这两个结构相同的步进电机转子的齿轮相互差180°布置。

为此本发明的目的是提供一种多相电机和制造这种电机的方法，能够在具有很小的欧姆损失的前提下实现高的功率密度和大的能量密度，并且能节省材料，易于批量自动生产，使制造成本经济。

本发明的目的是这样实现的，提供一种由多个电极单元构成的电机，每个电极单元的相数只是该电机的相数的一部分。一个电极单元在运动方向上或槽宽方向上具有多个带有交替极性的极，从而使一个电极单元内的极距为常数。有关的转子或定子是在其整个圆周(或长度)上具有这个极距。该电动机的相数是电极单元相数的倍数，相应于电机的转子电极，相互刚性连接的电极单元以一个极距的几分之一相互顺序布置。

最好将单相或两相电极单元沿槽的深度方向、或沿槽的走向、或沿槽宽方向先后布置，并且具有矩形截面的导体条。该导体条在与气隙平行的且与运动方向垂直的层和局部区域内曲折延伸，并且位于软磁体内。

在一个优选的实施例内，一个多相电机由结构相同的单相电极单元构成，电极单元的数量与电机相数或一相数的整数倍数相对应。在这种结构中，导体绝缘只需满足几分之一的端电压的要求。对具有平面气隙的电机，整个导体为两个盘形导体结构。带有槽的软磁体既可整体制造，也可由一齿分段和两个磁轭分段合成。其中包括槽楔的每个电极单元仅由六个简单的组件构成，它们按照一转子盘的较大位错排列的电极单元分配，并且转子盘数量等于相数的一半，一个三相电机也可以由三个转子盘和六个电极单元构成。

另一方面，将较大的旋转电机分为多个相同结构的扇形电极单元，其极限槽应宽于几分之一的极距。这种将电机对称分为多个相同的电极单元的设计能简化整个电机的制造和装配。

下面的附图展示了本发明的优选实施形式。

图1是外转子式转子的四相圆盘转子的纵剖面图；

图2是图1的穿过三十极圆盘转子剖面线A-A至F-F的六个侧视图；

图3是四相电机的有源部分的三个切面图；

图4是四相直线电机的五个构造形式；

图5是带有六个五极扇区的三相圆盘转子的开槽定子的纵剖面图；

图6是带有永久磁铁的图1的圆盘转子的32极转子的纵剖面图；

图7是直线电机的一个四极扇区的齿形件和槽楔的组装示意图；

图8是图7的扇区中10层导体堆放架的装配示意图；

图9表示怎样将图8的堆放架移入图7的齿形件中；

图10表示怎样插入磁轭使这种四极扇区保持稳固；

图11是径向气隙式电机的导体型材示意图，其截面是可变的；

图12是制造一由径向气隙式电机的导体型材构成的四极扇区的设备的纵剖面图。

图1是外转子式转子的四相圆盘转子的纵剖面图。在其内支架1上具有一空腔，其内流过一种冷却液体2。在装配时，首先将两个预先制造好的内部电极单元3b，3c沿轴线方向装入所述空腔内，使切向位错各为四分之一极距，这一措施是由插入内支架1的绝缘槽5内轴向向外伸出的馈电和电流支路4所保证的。接着将两个相同的转子盘6a，6b与其内轴承7一起和两个带散热器8的外电极单元3a，3b轴向压入空腔，在管状壳体9沿轴向滑动的过程中，转子盘的隆起10和隔棒11保持实现无间隙的力结合和使转子盘准确定位。最后将两个外轴承12装入。

图2是图1的30极圆盘转子的A-A至F-F剖面线的六个侧视图，附有阴影线图形。这四个相同结构的电极单元3a-d相对于两个对准套合的转子盘6a，6b相互转动不到一个极距。各属于一个转子盘的电极单元3a，3b或3c，3d相互转动二分之一极距布置。每两组之间的位错差四分之一极距。总导体由两个总是偏差开一个极距重叠位错的导体层13a，13b构成，当软磁体14是弯曲的阴影划线时，导体层可根据不同的阴影线角度和阴影线密度来区分。导体层13b只从两个线圈架15内才能看见，它利用导体层13a的缺口，使导体高度增加了一倍。

电流在每个导体层13a，13b中曲折地流过整个电机圆周，但少一个极距。在留出的这个缺口上，馈电和电流支路4实现控制作用，或连接到一个沿槽深度方向的相邻的导体层。转子盘6a，6b是可合成式的极距，使软磁和硬磁部分能被固定到非磁性的框架部分中。

图3表示一四相直线电机的三个切面视图，从中可看出电极单元的切向位错情况和硬和软磁部分的磁通走向。

图3a表示一个含有10个极距的断面，类似于图1和图2，也附有阴影线和标号，只是槽的深度减小了。

图3b表示一个不考虑电枢横向磁场的永久恒磁调节电机的磁场分布图。与这个转子位置有关的电流方向在图中用槽内的每两个圆圈符号表示，圆圈中一个点表示电流从纸内出来，圆圈内一个叉表示电流向纸内流入。在切面中间处软磁体槽17的伸出箭头用于指示磁通方向。电极单元16a的槽位于相对的转子两极间的间隙中。此时有关的相存在于换向过程中，因此没有电流。相反，电极单元16b产生完全的转矩。同样地，以一半极距相互位错的电极单元16c和16d能够提供所需要的转矩。朝右转动的转子盘包括轴向布置的稀土磁铁18，它由一个纤维加固的框架19保持定位。

图3c表示一个四相磁阻电机的电枢磁场分布图。软磁部分21向右运动，电枢磁场的磁阻变小，此时，各电极单元20a-20d中的电流均接通。对于图3c所示的转子位置，在电极单元20b中产生的磁场达到其最小磁阻，之后在导体22中流动的电流被中断。一个使转子向右运动的力则由电极单元20d中的电枢磁场所产生。这个磁阻电机也可用作步进电机。

图4表示四相直线电机的电机单元的五种排列方式。

图4a表示一四相直线电机的简化结构示意图，其中四个电极单元23a-23d沿运行方向顺序排列。在各相同的电极单元之间的间距24为四分之一个极距。这个间距与磁导轭铁25有关。由软磁材料构成的定子架26带有多个沿运行路径与定子架一体形成的槽。为了清楚地说明三维空间的布置关系，图中将转子27稍向上抬起示出，实际上该转子应与各电极单元固定连接在一起。

图4b展示了一种实施方式，这个转子29具有14个硬磁材料段28，它们环绕着四个三极电极单元30，每个三极电极单元相互各具有四分之一极距的间距，于是当电极单元中至少部分受到恒磁磁场作用时，这部分电极单元可通流。

如图4c所示，对于沿运动方向较短的电枢而言，电极单元31与运行方向或槽方向正交地相邻顺序布置。

如果电枢的长宽外尺寸较小，建议采用图4d所示的排列方式，电极单元32沿槽的深度方向顺序排列，电枢或定子33的有源部分在每两个相互位错的电极单元之间突出制成着陆滑架形。

图4e表示另一种布置，其中电极单元34与转子35相比，转子尺寸较大。其有源部分侧向地装在水平嵌入转子的分段层36上。为了补偿扭转力，将每两个同相的电极单元沿转子的对角布置。

在图5中示出了六个相同的扇形板37a-39b，每两个相对布置的扇形板同属一相，导体架由两个错开层叠排列的冲压件40，41共同构成。在加宽的极限槽42中，一厚绝缘层将导体分成不同的相。相邻扇区的边牙沿径向的中线之间的间距为四分之三个极距，这与转子极距相对应。

如图6所示，当转子由32个同样的磁极43对称构成时，这些磁极均套在一塑料架44中，定子具有六个宽极限槽42和30个极45，用于形成不同的相。

图7-10所示为一直线电机的四极扇区的装配图，图示的这种围绕不同的轴线弯曲的结构方式也可用于轴向和径向气隙式电动机。

在图7所示的安装图中，首先将绝缘板47插入齿形件46的槽中，接着嵌入弹性槽楔48到其最终位置。绝缘板应填满齿形件中线上的窄长导槽49，槽楔应保证齿形件之间的间距和避免空隙噪声。宽槽楔50适用于宽极限槽。

图8是图7的扇区中10层导体堆放架的安装示意图。左侧的五个导体组件已形成一紧凑的堆叠体，其余的五个导体组件或成对地或单个地嵌接在该堆叠体上，即多相直线电机的每个导体堆放架由两个冲压的导体型材构成，除输入和输出导体52之外还装有八个普通导体层53。在将这些导体层相互叠放在一起后，通过焊接其边棱54构成完整的导体架。

在图9中，将组装好的导体架51插入齿形件46中，最后如图10所示，将磁轭55，56沿槽方向嵌入由导体架51中突出的齿形件46a内，使该导体架压接在弹性槽楔48，50上，并且产生一无间隙的严密结构，这种组合件随时可拆开。除了一般的磁轭55外，邻接其它相的同样的扇区的极限槽要求使用展宽的磁轭56，这个磁轭件可以用铁氧体代替一般的多层磁轭件。

若将多相电机分成单相多电极单元，除了可使用无弯折的已制成的导体层外，由于导体走向无交叉，最好采用型材导体实现。

图11展示了用于径向气隙式电机的矩形型材导体的情况，在包覆绝缘层之前，型材导体在一涂布设备58内由一程序控制的轧辊59处理一预定长度，使其导体横截面发生变化。而横截面保持恒定的长度对应与气隙平行敷设的导体长度，使导体宽度的变化在每次位置变化时与其半径成正比。

图12表示一设备60，具有预先制成一径向气隙式电机的四极分段绕组61，它能自动装载在设备上。与齿条相对应的装置组件62插入一基座63内，并且有易于装入导体的锥形缩小端64。在展宽的极限槽65中，将绕组相66的倾斜走向的线段插入定位导向件67内，导向件由一种绝缘高硬度的塑料制成。在采用粘接剂组装该自行装载的预制的分段绕组61之前，和径向从设备60中抽出所有齿条62之后，获得的槽隔离使在极限槽65内的导体段再次变形，从而在稳固的定位导向件67内切向压缩。图中左侧所示的在极限槽65’内的导体段已被压缩变形，而在右侧槽65内的导体段尚未压缩。由薄绝缘板68相互切向分隔开的各分段绕组61组成多相电机的总线圈。

Claims (7)

1．多相电机，其特征在于下列特征：

该电机具有多个多极电极单元(3，16，20，37a-39b)，每个电极单元的相数是总电机相数的几分之一；

电极单元(37a-39b)的极(45)具有沿运动方向变化的极性；

电极单元(3a-3d)内的磁通是通过软磁材料(14)构成回路的；

导体(13，22，61)沿与气隙平行的层(40，41，53)敷设，并且沿运动方向曲折地经过每个电极单元(3，37a-39b)的整个长度；

导体(40，41，66)在电极单元内部具有矩形的横截面；

电极单元(3，37a-39b)内的极距是恒定的；

在转子或定子(6，18，21)相对布置的气隙上各电极单元(3，16，20)的极距在电机的整个圆周或整个长度上是不变的；

相互固定连接的电极单元(16a-16d，20a-20d)相对于相对布置的转子或定子电极(18，21)是顺序偏移几分之一个极距排列的；

电极单元(30，31，32)顺序沿槽深方向，沿槽的方向或沿运动方向排列。

2．根据权利要求1的多相电机，其中转子具有轴向或径向的气隙，相对于定子转动，其特征在于，电极单元(37a-39b)为扇形结构，导体(40，41，66)只沿着电极的圆周的一部分延伸，在两个切线相邻的扇形电极单元(37a-39b)之间的极限槽(42，65)的宽度比一个扇区内的普通的槽的宽度宽几分之一个极距。

3．根据权利要求1的多相电机，其特征在于，电极单元(3，37a-39b)的数量与电机的相数或相数的整数倍相一致，其中所有电极单元是单相的，并且结构相同。

4．根据权利要求3的多相电机，其特征在于，导体(13)的导体层(13a，13b)沿槽的深度方向由薄绝缘层相互分隔开，它们相互偏差一个极距布置，这些导体层直接位于软磁体(14)上，并且在线圈架(15)内的区域上沿槽的宽度方向延伸，与沿槽深走向的其它区域相比，前者的导体层高度加大。

5．根据权利要求1的多相电机，其特征在于，在一转子(6)或定子(36)的相对侧上装有两个相同的电极单元(3，34)，它们沿槽宽方向相互位错半个极距排列。

6．根据权利要求5的多相电机，其特征在于，还包括与电极单元(3，34)结构相同的组件，用于移动由电极单元(3，34)所移动的可运动部件，其中转子(6，35)各与这些可运动部件固定连接，电极单元(3，34)各以相应于相数的几分之一极距关于转子电极位错排列，在内电极单元(3b，3c)之间有冷却液(2)循环流动。

7．制造多相电机的方法，其特征在于，在包覆导体绝缘之前，矩形型材导体预加工为具有不同的导体截面，在引入一设备中的曲折通道内后，使位于在单相多极电极单元之间的极限槽内的导体断面再次变形，经过这样处理的多个电极单元相连共同构成电动机的总线圈。

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