CN1091323C - 无刷多相电机,特别是汽车交流发电机 - Google Patents

Abstract

一种通量转换电机，它包括一个定子(200)和一个转子(100)，定子在其内表面上包括一系列保护一系列电枢线圈的槽(213)，并且还包括一系列用于励磁装置的凹口，转子包括多个通量转换的齿(101)，它用于按对有选择地建立闭合的通过励磁绕组的磁回路。根据本发明，定子包括多个独立的电枢线圈(213)，它确定同样多的相，并处于在其圆周上成角形分布的独立单元(210)内，并且转子的齿(101)规则地成角形分布，以便使得不同齿对的角位置相对于不同的个体单元具有预定的相位差。本发明特别适用于汽车无刷交流发电机。

Description

无刷多相电机，特别是汽车交流发电机

本发明一般而言涉及到旋转的电机，例如汽车交流发电机。

构成一台传统汽车交流发电机的多相发电机一般包括一个定子，其内部旋转有一个带有励磁绕组的转子。该绕组通过与安装在转子轴伸出部分上的两集电环相接触的电刷供电。

采用电刷的方法总是有缺陷，包括必须具有较长的发电机轴，电刷组件和换向器使成本增加，并且由于在电刷与集电环之间出现接触故障，尤其是造成损耗，使运行不良。

在现有技术中也存在一些解决方案，用于汽车发电机的旋转电机可以不带电刷。

因此们知道一种发电机，其中转子的两极轮盘一般相互贯穿的爪被截去一段，以使得在其横切面内能够通过一个支撑，用于支撑固定安装于极轮内部的励磁绕组。该方法总是要损害电机的效率，因为气隙的表面被减得太小了。另外，对于给定的排量/速度曲线，该类型的电机要比传统的电机重，这对于汽车发电机来说是一个特别突出的缺点。

我们还知道一种发电机，其中具有交错卡爪的极轮盘自电机的一个轴端被悬伸安装于内部固定的励磁绕组和外部定子绕组之间。

该公知的解决方案同样有缺陷，尤其是电机轴向尺寸必需增大，并且其重量也要增大。另外，转子处气隙的增大减小了电机的效率。

再有，在前述的两种情况下，电机的设计所必须要考虑电磁现象，不仅在旋转轴的垂直面上，也就是说在二维平面上，而且要在该轴的方向上考虑也就是说在三维空间内考虑。

该电机的三维设计需要使得不同参数的建模和优化非常棘手和枯燥。

最后，通过文献EP-0707374我们还知道一种无电刷的通量换向电机，由于是纯二维的，因此它具有容易建模和优化的优点。

尽管如此，该公知的电机带有只能单相工作的缺陷，而三相电机却在大量的应用中适用，尤其是在电磁效率和整流及相关的平滑装置的简化性和经济性方面。

申请人揭示出利用通量转换技术生产出各种具有更大灵活性的多相电机，并保留二维设计和二维优化。

因此，本发明提出一种通量转换电机，它包括一个定子和一个转子，定子在其内表面上具有一系列保护一系列电枢线圈的槽，并且还包括一系列用于励磁装置的凹口，转子包括多个通量转换的齿，它用于按对有选择地建立穿过电枢线圈的闭合磁回路，其特征在于定子包括多个独立的电枢线圈，确定同样多的相，并处于在其圆周上成角形分布的独立单元内，其特征还在于转子的齿被规律地角形间隔，以便使得不同齿对的角位置相对于个体的不同单元具有预定的相位差。

根据本发明的最佳的但并非限制性的电机是：

每个个体单元包括一个定子结构，它为电枢线圈两边确定一对间隔槽，所述槽侧向由两定子齿所限定，还包括一个用于在位于所述电枢线圈内部的这个或那个定子齿内建立一个磁场的励磁装置，该磁场根据转子齿和定子齿的相互角位置是可变化的。

个体单元由间隙彼此分开。

个体单元彼此间由去耦永磁体分开，其磁场方向与励磁装置的磁场方向相对。

每个单元的励磁装置包括一个安置于侧面通常成“U”形的两定子部件之间的永磁体，两部件确定了所述槽和所述定子齿。

每个单元的励磁装置包括一个安置在单一定子部件的两槽内的励磁绕组，其中一个基本上位于同样在所述定子部件内形成的两个电枢线圈槽之间的半路位置。

励磁绕组被安置在位于定子部件内表面和外表面的两槽之内，以在所述绕组的位置处产生一个基本上相切的磁场。

励磁绕组被安置在两个都位于定子部件内表面的槽之内，以在所述绕组的位置处产生一个基本上径向的磁场。

不同的励磁绕组被并联在同一电流源上。

电机包括在保护对应于两个不同相的两个电枢线圈的同一结构部件上实现的单元对，一个用于励磁电枢线圈之一的磁铁和一个用于励磁另一电枢线圈的励磁绕组。

电枢线圈的边等距角形分布在定子内部所有周边上，不同单元间的角形间隔基本上等于由容纳电枢线圈一个边的一个槽所覆盖的角区域。

位于同一单元或同一单元组中间的电枢线圈的边由恒定的角度间隔所分隔，并且在连续分布于两单元或不同单元组内的电枢线圈边之间的角形间隔与所述恒定角形间隔不同。

所述恒定角形间隔与相邻两转子齿之间的角形间隔相同。

电机的转子和定子的结构几何满足下列条件：

      N_M.q.[(N_C+1).Δθ_R+(m/q).Δθ_R]＝k.Δθ_S＝2π

其中

N_M是在定子圆周上电机部件的数目，

q是每个电机部件的相数，

N_C是每个电机部件每相的励磁磁铁数，

m是表示两电机部件间相位差的正或负整数，并且是在-(q-1)和+(q-1)之间，

Δθ_R是两相邻转子齿之间或转子齿距间的恒定角间隔，

Δθ_S是电枢线圈两相邻边之间或定子齿距之间恒定角间隔，并且

k是一个整数。

转子齿距和定子齿距满足下列关系：

            (7/8).Δθ_S≤Δθ_R≤(5/4).Δθ_S.

定子齿距等于转子齿距，并且电机转子和定子结构几何满足下列条件：

             N_M.q.(N_C+1)+N_M.m＝k.

电机包括一个有三个规律分布并分别保护三相电枢线圈的个体单元的单一电机部件，并且转子包括在4，5，7和8之中选择的数目的转子齿，并且最好等于5。

电机包括两个具有三个个体单元的电机部件，三个个体单元中每一个规律分布并分别保护三相电枢线圈，转子包括在8，10，14和16之中选择的数目的转子齿，并且最好等于10。

电机包括一个单一的定子框架，该框架包括至少两系列用于分别保护电枢线圈和磁铁或励磁绕组的内槽。

如前所述，根据本发明的旋转电机最好是用于汽车的无刷发电机。

本发明的其它情况、目的和优点将根据所给出的最佳实施例及参照附图的说明书中的详细介绍更加清晰，在图中：

图1是根据本发明的一个旋转电机的转子和定子结构的线描简图，并且

图2到9简要示出了根据本发明的一个旋转电机的转子和定子结构的8种实现方式的剖面图，

图10简要示出了根据本发明的一个电机的转子和定子结构通常可能的形式的剖面图。

图11是根据本发明的没有相应的绕组和磁体的一个实际实施例的转子和定子结构的剖面图。

注意我们首先将要描述的是作为发电机的工作模式。所属技术领域的技术人员通过阅读可以很容易的理解电机如何作为电动机工作的。

我们还应注意到，从一张图到另一张图相同或相似的部件或部分尽可能被用同样的标记表示。

首先参看图1，我们以专业的考虑通过线描的方式示出了能够装配于根据本发明通量转换电机的定子和转子的一部分。

转子100包括沿着边缘的多个转子齿101，它最好是以齿距为Δθ_R规律地间隔。

定子200对于它来说包括多个单元210，每一单元包括最好相同的两个定子部件211，其截面成U形并在其弯向转子的表面上形成容纳电枢绕组213的槽。因此每一部件211确定位于该槽的两侧的两个齿212。在两部件211之间置有一个励磁永久磁铁214，如图所示的N/S方向由一个定子部件指向其近邻。每一单元210由空间间隔300与相邻单元隔开，间隔宽度做好等于磁铁214的宽度。在这种情况下，不同定子部件211之间被记作Δθ_S的齿距是恒定的。

如同在文献EP-A-0707374中特别记载的，对于一个装有前述转子和定子的电机，其必要条件是齿距Δθ_R接近于齿距Δθ_S.

在这种情况下，转子齿对101当其与同时限定励磁磁铁214和电枢线圈边213的两定子齿212成直角时，它给该电枢线圈以最大励磁磁通量。因此转子的旋转在该绕组中产生一个交流电流。

构成本发明基础的构想是构造转子和定子的几何形状，使得转子齿对相对于定子部件的位置各单元彼此是不同的，这可以通过对于给定的值Δθ_S合理地选择值Δθ_R来获得。

特别地，如果我们希望实现三相电机，也就是说在三个定子单元210中包括三个独立的电枢线圈，我们能可以证明必须满足下列关系：

             2.Δθ_S＝2.Δθ_R+(m/3).Δθ_R            (1)

其中m∈{-2，-1，1，2}。

在下面我们将选择m＝-1。

根据上面的假设，以及根据三个单元210每一个包括两个部件211，也就是说在环形定子周边上均匀分布六个部件211，我们有：

            Δθ_S＝2π/6＝π/3

因而上面的关系(1)给出：

            Δθ_R＝2π/5

因此，通过选择一个在其周边上包括等分布的五个齿101的转子，我们就获得了一个三相磁通量转换的电机。

另外，值m＝-2，m＝1和m＝2分别给出具有4，7和8个齿101的转子。

我们还能理解道，上面的推论可以很容易地用于任意个相数目。

如此获得的电机被简要地表示在图2上。

在该图中我们看到，由于必然存在于Δθ_R和Δθ_S之间的差值，转子齿101和临近于槽的定子齿212之间的排列永远不能优化。尽管如此由此造成的通量损失还是非常能够接受的。

自然地，也可以将上面的思想用于包括数目等于相数整数倍的单元210的定子。

例如，当定子200装有六单元210时，根据上面的计算得出转子包括十个等角分布的转子齿101。

该实现的变型在图3上示出。在这种情况下，三相电枢线圈被顺序地布置：相1，相2，相3，相1，相2，相3；在该具体的例子中，同相的两个绕组因而位于两个径向相对的单元210内。

在这里我们将看到，根据优选输出电压或电流，我们可以将同相的两个电枢线圈或是串联，或是并联。

图4示出了一种图2的转子和定子结构的一种变型的实施例，其中附加的永磁铁215被嵌入到两两分隔定子单元210的空间间隔300内。

这些磁铁215以N/S方向与励磁磁铁214的N/S方向相反的方式被安置，如图所示。

这些磁铁215在每一单元有限的角度内阻挡通量线这一方面，一方面可以加强励磁通量，另一方面能够改善不同相间的去耦。

图5所示的是相同变型，但用于图3所示的转子和定子结构。

在这里我们将看到由永久磁铁产生的励磁，如图2到5所示，可以由绕组产生的励磁来代替。

因此图6示出了与图2相似的三个单元定子210和五个转子齿的三相结构，其中励磁借助于与电枢线圈交错的绕组来实现。

所以我们示出了对应于三相的三个电枢线圈213，213′和213″，以及在指定方向上缠绕的三个励磁绕组216，216′和216″。三个电枢线圈和三个励磁绕组最好安置在规律分布于被标记为211′的单一定子框架的内表面上的十二个槽内。

每一单元或相210限定于虚线所示的部分。

在上述类型的实施例中，每个励磁绕组216产生一个基本上径向的将在两定子齿212之一内循环的磁通量，并在该齿将与转子齿101之一磁接触时确定范围，所观察到的现象与永久磁铁产生励磁所获得的现象基本相同。

进一步，并且在电机与汽车边缘电路相连时能够获得尽可能高的励磁电压，三个励磁绕组216，216′和216″最好被并联于EXC励磁输入接线柱上，如图所示。

图7示出了与图3类似的由空间间隔300分隔的六个单元210的转子和定子结构。在此情况下，电机是混合励磁的。因此三个第一单元210在两个“U”型相邻转子部件211之间拥有一个励磁磁铁214，而另外三个单元210′每个拥有一个单一转子框架部件211′，它为电枢线圈213限定两个内槽，并且在圆周方向上这些槽之间的一半距离位置上，一个励磁绕组217在轴-径向平面内延伸，并位于分别在框架部分211′内表面部分和外表面部分分别形成的两个不同的槽内。

为在旋转时平衡电性能，单元210和210′最好是交替布置。因此每一相拥有一个磁铁励磁单元210和一个绕组励磁单元210′。

图8示出了与图7不同的一种变型实施例，其不同有三个方面：

首先，两相邻单元210，210′在同一框架部件211″上重新组合；

其次，绕组励磁单元210′不仅拥有一个在轴-径向延伸的绕组，而且还有一个与图6类似的绕组216，也就是说在切面内延伸；在这点上我们将看到，这些绕组的每一个拥有一个在相关相绕组213内延伸的边及一个在两单元的同组的两个相绕组之间延伸的边；

最后，框架部件211″由与图4和5类似的去耦和通量增强的反向磁铁所分隔。

这里我们将看到，在前述的所有实施例中，转子齿距Δθ_R，也就是说两转子齿101间的角间距，不等于定子齿距Δθ_S，也就是说对应两相邻定子单元210的两定子齿212之间的角间距。

现在我们将参照图9描述一种实施例，它完全保留了电机多相的特点，特别是三相，它允许具有相同的分别为Δθ_R和Δθ_S的转子和定子齿距。

在该特殊的实施例中，我们看到转子100拥有七个转子齿距Δθ_R为2π/7的间隔的齿。

另外我们看到，三个定子单元210的每一个，如图2所示的情况，包括两定子单元211，它容纳有两齿212间的电枢线圈213由励磁永久磁铁214分隔开。在每一单元中，如同上面指出的那样，定子齿距Δθ_S也等于2π/7。

为保证第一和第二单元210之间2π/3的电去耦，在上述两单元之间必须并且足够的角间距Δθ_C等于：

            2π/7+2π/7+(1/3).2π/7＝2π/3

这能很好地得到以2π/3规律分隔的三个单元210。

另外，我们以最佳的方式给出齿212，电枢线圈213的槽和励磁磁铁214的同样角度Δθ_D。在此具体的情况下，该角度是(2π/7)/4，即：

               Δθ_D＝π/14

在上面的情况中，为优化转子齿101和定子齿212间的耦合，所述转子齿101拥有同样的一个π/14的角度。

另外，相邻单元210间的间隔300的角度在这种情况下等于

               2π/3-(7.π/14)＝π/6

现在参照图10，我们将解释如何将本发明推广到每相有任意数目单元的多相电机。

我们预先假定：

N_M：在定子圆周上电机部件数

q：每个电机部件的相数

N_C：每个电机部件的每相的励磁磁铁数

m：表示两个电机部件间相移值的整数。

在本例中每一相由相互被N_C个磁铁分隔开的N_C+1个“U”形定子元件211的整体构成。

为确定连续相的角位移，我们考虑每一相占据等于(N_C+1).Δθ_S的角区域，假设并入有图中以虚线所示并标记为214′的第(N_C+1)个磁铁。

假定连续相为被(m/q).Δθ_R的间隔隔开，因此q相电机部件将要占据的角区域为：

           q.[(N_C+1).Δθ_R+((m/q).Δθ_R]

因此一个具有N_M个电机部件的电机将在定子圆周上占据的角区域为：

           N_M.q.[(N_C+1).Δθ_R+(m/q).Δθ_R]＝2π      (2)

假设定子为其定子部件211规律分布，我们另外还有：

           k.Δθ_S＝2π                              (3)

k是整数。

这里我们将看到，假设一台多相电机有多个单元电机(machines debase)，数k必须要大于6。

另外，为保证由转子齿101提供合适的通量转换，我们最好将Δθ_R和Δθ_S选择得尽量接近，并且最好选择下面类型的关系：

          (7/8).Δθ_S≤Δθ_R≤(5/4)Δθ_S

最后我们将注意到，最好将m值赋予一个正值，因为一个负值会在两连续相之间产生不合时宜的重叠的危险，或者由于相间过于接近而产生去耦不足的危险。

下面我们将简要地描述分别从上述两相和三相电机的情况下发展来的最优化的电机，假设Δθ_S＝Δθ_R.在该情况下，所得到的数k是准确的转子上的齿101的数目。

在两相电机的情况下(q＝2并且m＝±1)，我们从关系式(2)和(3)得到：

            k＝2N_M.[(N_C+1)±1/2]

作为例子，我们得到：

对于m＝+1，N_M＝2及N_C＝1

            k＝4.[(1+1)+1/2]＝10

对于m＝+1，N_M＝2及N_C＝2

            k＝4.[(2+1)+1/2]＝14

对于m＝-1，N_M＝2及N_C＝1

            k＝4.[(1+1)-1/2]＝6

对于m＝-1，N_M＝2及N_C＝2

            k＝4.[(2+1)-1/2]＝10

在三相电机的情况下，我们有q＝3，而m∈{-2，-1，1，2}。采用与前面同样简单的假设，即Δθ_S＝Δθ_R，我们得到：

            k＝3N_M.[(N_C+1)+m/3]

作为例子，我们得到：

对于m＝+1，N_M＝1及N_C＝1

            k＝3.[(1+1)+1/3]＝7

对于m＝+1，N_M＝1及N_C＝2

            k＝3.[(2+1)+1/3]＝10

对于m＝-1，N_M＝2及N_C＝3

            k＝3.[(3+1)+1/3]＝13

另外，为确定转子齿最佳数目，当电机的参数被设定为：

它的外部半径R_ext；

它的气隙半径R_ent；

它的气隙尺寸E。

我们能够证明，最佳齿数，记为k_opt，由下式获得：

     k_opt＝π/(4.√[(E/R_ent).((R_ext/R_ent)-(1+(E/2.R_ent))])

最后，我们在图11上示出了一个根据本发明的旋转电机的定子结构和转子结构的实际实现形式，它特别是根据图8所示的方案而实现的(由绕组和磁铁励磁并且另外装有去耦磁铁的电机)。

我们看到每个转子齿101和每个定子齿212具有稍大的根部，分别为101a和212a。

我们还看到定子包括一个单一的铁磁框架部件211′，它由以15°均匀间隔的二十四个槽形成。定子间距Δθ_S在这种情况下为30°。

这些槽根据它们所容纳的相绕组，励磁绕组或磁铁，分为三个不同深度的组。

更准确地说，最深的槽220用于容纳励磁磁铁214和去耦磁铁215(未示出)，中间深度的槽221用于容纳励磁绕组216(未示出)，而最浅深度的槽222容纳相绕组213(未示出)。

最后，在定子外部周边211′上有六个加强处223，用于以传统的方式构成的定子框架的叠层钢片焊接的齿尖。

转子100本身包括十三个齿101，两两以一个2π/13的角度Δθ_R均匀间隔。

当然，本发明不仅限于所记载和描述的实施例的形式，而且还能适用于所述技术领域的技术人员根据其思路所能想到的所有变化或改变。

Claims (20)

1.一种通量转换电机，它包括一个定子(200)和一个转子(100)，定子在其内表面上包括一系列保护一系列电枢线圈的槽(213)，并且还包括一系列用于励磁装置的凹口，转子包括多个通量转换的齿(101)，它用于按对有选择地建立闭合的穿过电枢绕组的磁回路，其特征在于定子包括多个独立的电枢线圈(213)，它确定同样多的相，并处于在其圆周上角形分布的独立单元(210)内，其特征还在于转子的齿(101)规则地角形间隔，以便使得不同齿对的角位置相对于不同的个体单元具有预定的相位差。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于每一个个体单元(210)包括一个定子结构(211)，它为电枢线圈(213)的两边确定一对间隔槽，所述槽侧向由两定子齿(212)所限定，还包括一个用于在位于所述电枢线圈内部的这个或那个定子齿中建立一个磁场的励磁装置(214；216；217)，该磁场根据转子齿(101)和定子齿(212)的相互角位置是可变化的。

3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于个体单元(210)由空间间隙(300)彼此分开。

4.根据权利要求2所述的电机，其特征在于个体单元(210)彼此间由去耦永磁体(215)分开，其磁场方向与励磁装置(214；216；217)的磁场方向相对。

5.根据权利要求2所述的电机，其特征在于每个单元(210)的励磁装置包括一个安置于其侧面通常成“U”形的两定子部件(211)之间的永磁体(214)，它确定了所述槽和所述定子齿(212)。

6.根据权利要求2所述的电机，其特征在于每个单元(210)的励磁装置包括一个安置在单个定子部件(211’；211”)的两槽内的励磁绕组(216；217)，其中一个基本上位于同样在所述定子部件内形成的电枢线圈(213)的两槽之间的半路位置。

7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于励磁绕组(217)被安置在位于定子部件内表面和外表面的两槽之内，以在所述绕组的位置处产生一个基本上相切的磁场。

8.根据权利要求6所述的电机，其特征在于励磁绕组(216)被安置在两个都位于定子部件内表面的槽之内，以在所述绕组的位置处产生一个基本上径向的磁场。

9.根据权利要求6所述的电机，其特征在于不同的励磁绕组(216；217)被并联在同一电流源(EXC)上。

10.根据权利要求5所述电机，其特征在于它包括在同一结构部件(211”)上的单元对，用于保护对应于两不同相的两个电枢线圈(213)，一个用于励磁电枢线圈之一的磁铁(214)及一个用于励磁另一个电枢线圈的励磁绕组(216)。

11.根据权利要求1所述的电机，其特征在于电枢线圈的边(213)等距角形分布在定子(200)内部所有周边上，不同单元间的角形间隔(300)基本上等于由容纳电枢线圈一个边(213)的一个槽所覆盖的角区域。

12.根据权利要求1所述的电机，其特征在于位于同一单元(210)或同一单元组中间的电枢线圈的边(213)由恒定的角度间隔(Δθ_S)所分隔，并且在连续分布于两单元(210)或不同单元组内的电枢线圈边之间的角形间隔与所述恒定角形间隔不同。

13.根据权利要求12所述的电机，其特征在于所述恒定角形间隔(Δθ_S)与相邻两转子齿(101)之间的角形间隔(Δθ_R)相同。

14.根据权利要求1所述的电机，其特征在于电机的转子和定子的结构几何满足下列条件：

      N_M.q.[(N_C+1).Δθ_R+(m/q).Δθ_R]＝k.Δθ_S＝2π

其中

N_M是在定子圆周上电机部件的数目，

q是每个电机部件的相数，

N_C是每个电机部件每相的励磁磁铁数，

m是表示两电机部件之间相差值的一个正数或负数，并且是在-(q-1)和+(q-1)之间，

Δθ_R是两相邻转子齿之间或转子齿距的恒定角间隔，

Δθ_S是电枢线圈两相邻边之间或定子齿距的恒定角间隔，并且

k是一个整数。

15.根据权利要求14所述的电机，其特征在于转子齿距和定子齿距满足下列关系：

           (7/8).Δθ_S≤Δθ_R≤(5/4).Δθ_S.

16.根据权利要求15所述的电机，其特征在于定子齿距等于转子齿距，并且电机转子和定子结构几何满足下列条件：

           N_M.q.(N_C+1)+N_M.m＝k

17.根据权利要求14所述的电机，其特征在于它包括一个有三个规则分布并分别保护三相电枢线圈(213)的个体单元(210)的单一电机部件，并且其特征在于转子包括在4，5，7和8之中选择的数目的转子齿(101)，并且最好等于5。

18.根据权利要求14所述的电机，其特征在于它包括两个具有三个个体单元(210)的电机部件，每一个体单元规则分布并分别保护三相电枢线圈，其特征还在于转子包括在8，10，14和16之中选择的数目的转子齿(101)，并且最好等于10。

19.根据权利要求1所述的电机，其特征在于它包括一个单一的定子框架(211’)，该框架包括至少两个系列用于分别保护电枢线圈(213)和磁铁(214)或励磁绕组(216)的内槽(220，221，222)。

20.根据权利要求1所述的电机，其特征在于它构成了一台多相汽车交流发电机。

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