CN109309411A - 旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转电机，该旋转电机能够抑制逆变器的效率下降、减少控制的复杂程度以及由于谐振频率导致的铜损，并能够增大感应电流量。在该旋转电机中，定子(10)具有：定子线圈(12)；多个定子线圈卷绕部(15)，其用于卷绕定子线圈(12)，并且至少其一部分由磁性材料构成；以及磁轭部(16)，其用于支承定子线圈卷绕部(15)，并由非磁性材料构成。转子(20)具有转子线圈(22)和转子芯(21)，该转子芯(21)形成有用于收纳转子线圈(22)的多个槽状的间隙(24)。

Description

旋转电机

技术领域

本发明涉及一种旋转电机。

背景技术

感应马达作为一种旋转电机，用于混合动力汽车、电动汽车等车辆的驱动源。专利文献1记载了现有的感应马达。为了实现超轻量化，专利文献1的感应马达采用了去除铁芯且仅使用非磁性材料构成转子和固定子的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2017-038511号公报

发明内容

发明要解决的问题

在通常情况下，如专利文献1所述的只使用非磁性材料构成转子和固定子，则能够实现马达的轻量化。但是，在另一方面，由于转子绕组和固定子绕组之间的磁耦合度下降，即使电枢绕组有电流通过，也会因为电磁感应使得流向转子线圈的感应电流量减少。

为此，专利文献1所述的感应马达将向转子绕组通电的电流频率设定为50KHz以上的高频以增加感应电流量，并且将电容器分别串联连接于转子绕组和固定子绕组，分别形成谐振电路，并将各谐振电路的谐振频率设定为上述的高频，通过电磁感应的一种，即电磁谐振和电磁的共振作用进一步增加转子绕组的感应电流量。

但是，专利文献1所述的感应马达使用高频作为电流频率，因此存在逆变器的效率下降、控制的复杂程度增加以及由于谐振频率导致铜损增加的问题。

此外，利用电磁谐振和电磁共振，谐振电路能够在线圈和电容器的阻抗变小的谐振状态下进行动作，尽管能够获得较大的电流，但是仍然存在电流的频率越远离谐振频率，感应电流变得越小，动作点狭窄的问题。

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够抑制逆变器的效率下降、减少控制的复杂程度以及由于谐振频率导致的铜损并且能够增大感应电流量的旋转电机。

用于解决问题的方案

为了达到上述目的，本发明提供一种具有固定子和能够相对于所述固定子移动的动子的旋转电机，该旋转电机的特征在于，所述固定子具有：固定子线圈；多个固定子线圈卷绕部，其用于卷绕所述固定子线圈，并且至少其一部分由磁性材料构成；以及磁轭部，其用于支承所述固定子线圈卷绕部，并由非磁性材料构成，所述动子具有动子线圈和动子芯部，该动子芯部形成有用于收纳所述动子线圈的多个槽状的间隙。

发明的效果

根据本发明，能够抑制逆变器的效率下降、减少控制的复杂程度以及由于谐振频率导致的铜损，并且能够增大感应电流量。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的将旋转电机在与旋转轴正交的平面上剖切得到的剖视图。

图2是本发明的一个实施例的旋转电机的定子线圈和转子线圈的接线图。

图3是表示本发明的一个实施例的旋转电机的转子频率和扭矩的关系的特性图。

图4是表示本发明的一个实施例的旋转电机的、电磁谐振时的磁通密度分布的图。

图5是表示本发明的一个实施例的旋转电机的变形例的图。

图6是表示本发明的一个实施例的旋转电机的第1电容器和第2电容器的变形例的图。

附图标记说明

1、旋转电机；10、定子(固定子)；12、定子线圈(固定子线圈)；15、定子线圈卷绕部(固定子线圈卷绕部)；16、磁轭部；17、第1电容器；18、第1谐振电路；20、转子(动子)；21、转子芯(动子芯部)；22、转子线圈(动子线圈)；24、间隙；27、第2电容器；28、第2谐振电路；40、逆变器(频率改变部)；S1、S2、···Sn、开关(容量改变部)。

具体实施方式

本发明的一个实施例的旋转电机。该旋转电机具有固定子和能够相对于固定子移动的动子，该旋转电机的特征在于，固定子具有：固定子线圈；多个固定子线圈卷绕部，其用于卷绕固定子线圈，并且至少其一部分由磁性材料构成；以及磁轭部，其用于支承固定子线圈卷绕部，并由非磁性材料构成，动子具有动子线圈和动子芯部，该动子芯部形成有用于收纳动子线圈的多个槽状的间隙。由此，本发明的一个实施例的旋转电机能够抑制逆变器的效率下降、减少控制的复杂程度以及由于谐振频率导致的铜损，并且能够增大感应电流量。

下面参照附图详细地说明本发明的实施例的旋转电机。

在图1中，本发明的一个实施例的旋转电机1是能够实现低频高效率电磁谐振的低频电磁谐振型的感应电动机，其具有：定子10，其作为固定子，形成为大致圆筒形状；转子20，其作为动子，在径向的内侧配置在与定子10相对的位置并隔有间隙。转子20被支承为能够以旋转轴5为旋转中心相对于图中未显示的马达壳体旋转。

另外，“径向”指与旋转轴5延伸的方向正交的方向并以旋转轴5为中心放射的方向。“径向的外侧”指在径向上远离旋转轴5的一侧，“径向的内侧”指在径向上靠近旋转轴5的一侧。

此外，“周向”表示以旋转轴5为中心的圆周方向。此外，“轴向”表示旋转轴5延伸的方向。

定子10具有：作为固定子线圈的定子线圈12；多个作为固定子线圈卷绕部的定子线圈卷绕部15，其用于卷绕定子线圈12，并且至少其一部分由磁性材料构成；以及磁轭部16，其用于支承定子线圈卷绕部15，并由非磁性材料构成。

定子线圈12设置为与该多相交流的各相相对应。在本实施例中使用三相交流电流，定子线圈12设置为对应于三相交流电流的W相、V相、U相。

卷绕定子线圈12可以使用集中卷绕式或分布卷绕式。若为了减少定子铜损，建议使用集中卷绕式卷绕定子线圈12。

可以使用利兹线、扁平线或圆线卷绕定子线圈12。若为了减少因漏磁通的交链导致导体产生铜损，建议使用利兹线卷绕定子线圈12。

定子线圈卷绕部15是将高导磁率磁性构件的电磁钢板在轴向上层叠形成的。

通过磁性材料构成定子线圈卷绕部15，能够使定子线圈卷绕部15具有换向极功能，能够提高定子线圈12的电感并易于在低频条件下进行电磁谐振。

磁轭部16设于定子10中的、比定子线圈卷绕部15靠外周侧的位置，磁轭部16由非磁性材料的PPS(聚苯硫醚)树脂构成。

磁轭部16从外周侧支承定子线圈卷绕部15，以防止定子线圈卷绕部15在离心力等的作用下向外周侧脱落。此外，磁轭部16连结相邻的定子线圈卷绕部15。

此外，定子10具有由非磁性材料构成的桥部19。桥部19设于定子10中的、比定子线圈卷绕部15靠内周侧的位置，由非磁性材料的PPS等树脂构成。

桥部19从内周侧支承定子线圈卷绕部15，以防止定子线圈卷绕部15向内周侧脱落。此外，桥部19和磁轭部16分别连结相邻的定子线圈卷绕部15，以提高转子20的刚性。

由此构成的定子线圈12在通电时产生磁通(电枢磁通)。定子10通过向定子线圈12提供三相交流电流由此产生沿周向旋转的旋转磁场。该定子10通过使已产生的电枢磁通交链于转子20驱动转子20旋转。

转子20具有转子线圈22和作为动子芯部的转子芯21，该转子芯21形成有用于收纳转子线圈22的多个槽状的间隙24。此外，转子20具有沿转子芯21的周向排列成等间隔的多个转子齿23。转子线圈22卷绕于转子芯21或者转子齿23。

转子芯21是将磁性材料的电磁钢板层叠构成的。间隙24在转子芯21的外周面的附近形成为沿轴向延伸的槽状。

转子线圈22在分布卷绕的状态下收纳于间隙24。进而言之，转子线圈22以隔着旋转轴5来回往返的方式分布卷绕。

在图2中，定子线圈12是三相星形接线(称为三相Y形接线)。第1电容器17与定子线圈12串联连接。定子线圈12和与该定子线圈12相连接的第1电容器17形成第1谐振电路18。第1谐振电路18为串联LC谐振电路。

另一方面，第2电容器27串联连接于转子线圈22。转子线圈22和与该转子线圈22相连接的第2电容器27形成第2谐振电路28。

第2谐振电路28为串联LC谐振电路。各相的第2谐振电路28互相独立。即，各相的第2谐振电路28构成为电浮动状态。在本实施例中，第1谐振电路18和第2谐振电路28的谐振频率大概一致。

在此，由于向定子线圈12提供的三相交流电流为数十Hz至数百Hz的低频，因此，第1谐振电路18和第2谐振电路28的谐振频率也设定为与该三相交流电流大概一致的低频频率。大概一致的意思为，仅定子10和转子20之间的转差频率部分存在微小差异程度时为大概一致。

由此，向定子线圈12提供的三相交流电流能够用于下面两种情况：对转子20的转子线圈22进行励磁；以及形成第1谐振电路18和第2谐振电路28的谐振耦合并进行供电。

在本实施例中，由磁性材料构成定子线圈卷绕部15，由非磁性材料构成磁轭部16，因此能够大幅度地减少定子10的铁芯使用量，能够实现旋转电机1的轻量化和小型化，能够减少定子10的铁损。

此外，定子线圈12的电感和第1电容器17的电容之积与转子线圈22的电感和第2电容器27的电容之积大概一致。

定子线圈12和转子线圈22分别设置为与至少两个相位以上的电流相位相对应，通过将各相的第1电容器17连接于各相的定子线圈12，形成各相的第1谐振电路18，通过将各相的第2电容器27连接于各相的转子线圈22，形成各相的第2谐振电路28。

图3表示通过电磁场解析求得的与转子旋转频率相对的扭矩特性，横轴表示转子20的旋转频率(下面称为转子旋转频率)，纵轴表示扭矩。

在图3中，定子励磁基本频率Fs是定子10产生的旋转磁场的频率。该定子励磁基本频率Fs也是对转子20的转子线圈22进行励磁时的励磁频率。

在图3中，使定子励磁基本频率Fs变化为100Hz、150Hz、175Hz以及200Hz。横轴的转子旋转频率是在定子10的各励磁频率下使转子20的旋转速度发生变化时的结果。

如图3所示，旋转电机1在转子旋转频率为第1谐振电路18和第2谐振电路28的谐振频率时，旋转电机1能够产生较大的扭矩。即，能够通过定子10的第1谐振电路18和转子20的第2谐振电路28的谐振耦合实现供电和电能-机械能转换。

图4表示第1谐振电路18和第2谐振电路28在电磁谐振时的磁通密度分布。该磁通密度分布是以900AT的定子磁动势进行励磁时的结果。

如图4所示，由磁性材料构成的定子线圈卷绕部15为高磁通密度分布，能够形成闭合磁路。也就是说，定子线圈卷绕部15具有换向极功能。

此外，在除了定子线圈卷绕部15之外的、由非磁性材料构成的磁轭部16等部分中也成为高磁通密度分布，能够形成闭合磁路。由此，，通过定子10的第1谐振电路18和转子20的第2谐振电路28的谐振耦合能够确认实现电能-机械能转换。

在本实施例中为了以低频进行电磁谐振，将共振电路设计成提高耦合系数k，而不是提高Q值(Quality Factor)。为此，能够以数百AT的普通的磁动势进行电磁谐振。

因而，作为感应电动机的本实施例的旋转电机1以低频进行电磁谐振，因此，能够构成在定子10和转子20之间转子20的滑差频率的电力向两个方向供电的二次励磁系统，实现无刷化。由此，并由无刷化实现结实耐用和小型化。在此，无刷是指通过电磁耦合以非接触的方式供给电力，替代利用刷和滑环之间的接触面供给电力。

为了提高耦合系数k，建议将共振回路设计成：如本实施例所述的通过磁性材料构成定子线圈卷绕部15增大定子线圈12和转子线圈22之间的磁耦合系数，而不是使用空芯线圈以高频进行驱动。

由于这样的理由，旋转电机1通过在定子10设置由磁性材料构成的定子线圈卷绕部15，使定子线圈卷绕部15具有换向极功能。

另外，即使在后磁轭连接多个定子线圈卷绕部15不形成闭合磁路时，在多个定子线圈卷绕部15之间的低导磁率的部位(作为非磁性材料的磁轭部16等)处，在谐振时能够以高磁通密度进行磁耦合。

因而，通过将磁性材料的定子线圈卷绕部15配置在由非磁性材料的树脂构成的轻量的磁轭部16之中，能够减少铁芯等磁性材料的使用量，以及减少磁性材料产生的铁损。

此外，能够最大限度地提高定子线圈12和转子线圈22之间的导磁率。以及能够利用磁轭部16支承定子线圈卷绕部15。

并且，通过设置具有换向极功能的定子线圈卷绕部15，能够大幅度减少交链于定子线圈12的漏磁通，因此能够减少定子线圈12的铜损。

另外，如图5所示，可以将供电部30设置为独立于定子线圈12，其中，在该供电部30和转子线圈22之间形成谐振耦合。该供电部30具有励磁线圈32和相当于第1电容器17的图中未显示的电容器。供电部30设置成与定子10一体或独立的并且处于安定状态。

在该情况下，优选设计为：励磁线圈32通电的频率即励磁线圈32和转子线圈22之间的电磁谐振时的频率设为数十Hz至数百Hz的低频，并且提高耦合系数k。通过这样设置，能够构成能够将转子20的滑差频率的电力在定子10和转子20之间向两个方向供给的二次励磁系统。

在图5的旋转电机1中，逆变器40连接于定子10，从该逆变器40向定子10的定子线圈12提供三相交流电流。此外，逆变器50连接于励磁线圈32，从该逆变器50向励磁线圈32提供三相交流电流。

此外，为了扩大旋转电机1的动作点，优选构成是，第1电容器17和第2电容器27的容量分别构成为可变的。

能够通过使相对的电极的面积发生变化改变第1电容器17和第2电容器27的容量。或者能够通过使相对的电极的距离发生变化改变第1电容器17和第2电容器27的容量。

或者，能够通过使电介质的介电常数(或相对介电常数)发生变化改变第1电容器17和第2电容器27容量。

上述通过使相对的电极的面积发生变化改变容量的方法，例如，如图6所示，使用n个电容器C1、C2、···Cn和开关S1、S2、···Sn构成回路，能够通过开关S1、S2、···Sn的开闭的组合对并联连接的电容器C1、C2、···Cn进行选择以实现改变容量。

此外，在改变第1电容器17和第2电容器27的容量时，第1谐振电路18和第2谐振电路28的谐振频率也发生变化，因此，逆变器40改变向定子线圈12通电的电流频率，使得与变化后的谐振频率大概一致。

由此，用于改变第1电容器17和第2电容器27的容量的开关S1、S2、···Sn构成本发明的容量改变部。此外，用于改变向定子线圈12通电的电流频率的逆变器40构成本发明的频率改变部。

此外，旋转电机1只要具有作为固定子的定子10和能够相对于该定子10移动的作为动子的转子20的电机即可，也可以为线性马达型的旋转电机。

如上所述，在本实施例中，定子10具有：定子线圈12；多个定子线圈卷绕部15，其用于卷绕定子线圈12，并且至少其一部分由磁性材料(换向极)构成；以及磁轭部16，其用于支承定子线圈卷绕部15，并由非磁性材料构成。

此外，转子20具有转子线圈22和转子芯21，该转子芯21形成有用于收纳转子线圈22的多个槽状的间隙24。

由此，由非磁性材料构成磁轭部16能够使旋转电机1轻量化。

此外，能够提高定子线圈12和转子线圈22之间的磁耦合度，能够增加在对定子线圈12通电时流向转子线圈22的感应电流。

此外，交链于定子线圈12的漏磁通在转子侧交链，因此能够大幅度地减少该漏磁通，能够减少铜损。

此外，与磁性材料构成的磁轭部16相比，能够减少磁性材料的使用量，能够减少铁损和旋转电机1的重量。

此外，在本实施例中，利用定子线圈12和与该定子线圈12相连接的第1电容器17形成第1谐振电路18，利用转子线圈22和与该转子线圈22相连接的第2电容器27形成第2谐振电路28，第1谐振电路18和第2谐振电路28的谐振频率大概一致。

由此，通过电磁谐振、磁场共鸣作用，将具有谐振频率的电流提供于定子线圈12(或转子线圈22)，从而能够增加在定子线圈12(或转子线圈22)中产生的感应电流量。

此外，在本实施例中，定子线圈12的电感和第1电容器17的电容之积与转子线圈22的电感和第2电容器27的电容之积大概一致。

由此，通过电磁谐振、磁场共鸣作用，将具有谐振频率的电流提供于定子线圈12(或转子线圈22)，从而能够增加在定子线圈12(或转子线圈22)中产生的感应电流量。

此外，在本实施例中，定子线圈12和转子线圈22分别设置为与至少两个相位以上的电流相位相对应，通过将各相的第1电容器17连接于各相的定子线圈12，形成各相的第1谐振电路18，通过将各相的第2电容器27连接于各相的转子线圈22，形成各相的第2谐振电路28，各相的第2谐振电路28互相电分离。

由此，在对定子线圈12通电具有谐振频率的电流时，能够防止在转子线圈22的各相之间产生谐振引起旋转电机1的动作变得不稳定。在专利文献1中，由于三相互相短路，因此有可能导致各相互相谐振而使动作变得不稳定。

此外，本实施例的旋转电机1具有用于改变第1电容器17和第2电容器27的容量的、作为容量改变部的开关S1、S2、···Sn和用于改变向定子线圈12通电的电流频率的、作为频率改变部的逆变器40。

由此，定子电容器和转子20电容器的容量是可变的，因此能够扩大旋转电机1的动作点。

另外，流向定子10的定子线圈12的电流并不限定于三相，也可以是三相以上的多相。此外，转子线圈22设为如本实施例的三相星形接线是所期望的，但也可以设为笼形转子构造。

此外，本发明并不限定于本实施例的内部转子型的旋转电机1，而且还能够适用于外部转子型的旋转电机。

此外，本发明并不限定于本实施例的径向间隙型的旋转电机1，而且还能够适用于轴向间隙型的旋转电机。

以上公开的本发明的实施例并非限定本发明的权利范围。本领域技术人员能够不脱离本发明的范围进行变更是显而易见的。但是，所有这样的修改和与此相当的变更包含在本申请的权利要求书中。

Claims (5)

1.一种旋转电机，该旋转电机具有固定子和能够相对于所述固定子移动的动子，其特征在于，

所述固定子具有：

固定子线圈；

多个固定子线圈卷绕部，其用于卷绕所述固定子线圈，并且至少其一部分由磁性材料构成；以及

磁轭部，其用于支承所述固定子线圈卷绕部，并由非磁性材料构成，

所述动子具有：

动子线圈；以及

动子芯部，该动子芯部形成有用于收纳所述动子线圈的多个槽状的间隙。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

通过所述固定子线圈和与该固定子线圈相连接的第1电容器形成第1谐振电路，

通过所述动子线圈和与该动子线圈相连接的第2电容器形成第2谐振电路，

所述第1谐振电路和所述第2谐振电路的谐振频率大概一致。

3.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，

所述固定子线圈的电感和所述第1电容器的电容之积与所述动子线圈的电感和所述第2电容器的电容之积大概一致。

4.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，

所述固定子线圈和所述动子线圈分别设置为与至少两个相位以上的电流相位相对应，

通过将各相的所述第1电容器连接于各相的所述固定子线圈，形成各相的所述第1谐振电路，

通过将各相的所述第2电容器连接于各相的所述动子线圈，形成各相的所述第2谐振电路，

各相的所述第2谐振电路是互相独立的。

5.根据权利要求3所述的旋转电机，其特征在于，

该旋转电机具有用于改变所述第1电容器和所述第2电容器的容量的容量改变部和用于改变向所述定子线圈通电的电流频率的频率改变部。