CN109818436B - 同步磁阻电机定子区段的设计方法及其定子、磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

一种用于具有集中式绕组(20)的m相同步磁阻电机的定子(12)的定子区段的设计方法，其中，定子(12)能够划分为单个定子区段(10)或多个定子区段(10)，并且包括具有周向分布的齿结构(16)的铁磁基体(14)和附在基体(14)上的绕组系统(18)，其中，每个定子区段具有z个齿结构和数量与相数m对应的绕组绞线(U、V、W)，每个绕组绞线本身包括多个集中式绕组(20)的串联连接和/或并联连接，其中，同步磁阻电机的转子在定子区段(10)对应的周向区段上具有极数p。

Description

同步磁阻电机定子区段的设计方法及其定子、磁阻电机
相关申请的交叉引用
2017年11月21日提交的、并在本次申请被要求了优选权的德国申请102017127502.9的公开(包括说明书、权利要求书、附图以及摘要)以及其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于具有集中式绕组的m相同步磁阻电机的定子的定子区段的设计方法，其中，定子(a)被分成单个定子区段或多个定子区段，并且(b)包括具有周向分布的齿结构的铁磁基体和附在基体上的绕组系统，其每个定子区段具有z个齿结构以及数量与相数m对应的绕组绞线，每个绕组绞线本身包括多个集中式绕组的串联连接和/或并联连接，其中，同步磁阻电机的转子在定子区段所对应的周向区段上具有极数p。
本发明还涉及一种用于相应的m相同步磁阻电机的定子以及相应的m相同步磁阻电机。
背景技术
同步磁阻电机由于其高结实性和高效率被用作异步电机的成本中性的替代品。在被用做借助于额外安装的变频器的变速驱动器时，异步电机的磁阻电机在技术上甚至更优越。与永磁同步电机相比，磁阻电机由于没有磁体而具有成本优势，但在扭矩密度方面存在缺点。
传统上和现在使用的同步磁阻电机在结构上基于具有分布式定子绕组的设计，如已经从异步电机已知的设计。分布式绕组产生具有极低的谐波干扰分量的正弦磁动势(MMK)。由此，可以将漏磁通降至最低，并能高度利用该机器。相应地，反向电压较低，使得可以额外地实现高功率系数。
与分布式绕组相反，可以非常容易且方便地被制造在生产设备中的这里优选使用的集中式绕组(也称为齿电感线圈)。绕组可以例如这样被制造，即在外部完全地准备好安装，它们在制造中可以很容易地自动化，相较于分布式绕组，其安装同样容易机械化。价值创造(Wertschoepfung)可以被划分为子步骤并且被依次地处理，相较于此，在分布式绕组的情况下，仍然必须需要主要在机器上完成的、通常不可机械化的绕组系统的手工制造。因此，在将电动汽车
Figure BDA0001863113510000021
引入迄今只专注于工业方面的电动机领域的前提下，市场上存在对集中式绕组方面的强烈趋势。
与分布式绕组相反，具有集中式绕组(齿电感线圈)的定子绕组系统工作时具有较高空间谐波分量，从而使得它相较于分布式绕组在机器的接通的绕组系统中产生额外的谐波干扰分量。出于这个原因，用于同步磁阻电机的这些绕组类型迄今为止基于原理方面虽然是可用的，但是具有缺陷。此外，因为没有同等地利用所有的转子极，所以集中式绕组仅实现低扭矩密度。进一步地，由于叠加，常常会产生显著的扭矩波动。这两种效应也是由谐波干扰分量引起的。由此，,要么扭矩密度下降到非常低，要么相比之下功率系数较低。
科技文献[Lehner,B.und Gerling,D.:“Design Considerations forConcentrated Winding Synchronous Reluctance Machines”；IEEE TransportationElectrification Conference and Expo(2016)]描述了用于具有这种集中式绕组的同步磁阻电机的集中式绕组的设计。该机器实现了可接受的高功率系数。其扭矩密度可与市场上可获取的异步电机相媲美。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于同步磁阻电机的定子的定子区段的设计方法，一种相应的可被划分成一个定子区段或多个定子区段的定子，以及一种相应的同步磁阻电机，其中，同步磁阻电机具有高扭矩密度和高效率。
根据本发明，该目的的解决方案通过独立权利要求的特征来实现。本发明的有利实施方案在从属权利要求中指明。
提供了一种根据本发明的用于具有集中式绕组的m相同步磁阻电机的定子的定子区段的设计方法，其中，定子可以被划分成单个定子区段或多个定子区段，并且包括具有周向分布的齿结构的铁磁基体和附在基体上的绕组系统，其每个定子区段具有z个齿结构以及数量与相数m对应的绕组绞线，每个绕组绞线本身包括多个集中式绕组的串联连接和/或并联连接，其中，同步磁阻电机的转子在定子区段所对应的周向区段上具有极数p，该方法包括以下步骤：
(i)根据相的相数m和极数p，选择区段中齿结构的定子齿数z；
(ii)对于所述绕组绞线的多个排布和排列可能性确定绕组系数FW和扭矩系数FT，扭矩系数FT借助于下列公式来确定：
Figure BDA0001863113510000031
当使用与所述定子齿数z相关的所述集中式绕组时，得到对于给定量值的所述极数p和所述相数m的所述多个排布和排列可能性，其中，θ是在定子圆周方向上的所述角度，MMK(MMK：磁动势)是用于电负载的空间分布的量度，HP是分别通过所述角度θ的谐波幅度，以及K是示出在定子的总周长上定子区段的比重的分割系数；以及
(iii)确定定子区段的至少一个排布，在该排布中，绕组系数和扭矩系数的公式乘积FT·FW具有局部最大值。随后，选择该确定的排布或从这些确定的排布中选出一个。
通过这种方法设计和设想的绕组系统可以应用于不同的定子配置和极配置，并且达到非常高的扭矩密度，同时具有良好的效率和功率系数，并且同时保留了单独缠绕在定子上的绕组(齿电感线圈)的所有制造技术上的优势。另外，通过用作集中式绕组，可以实现定子的高度可分性，这实现了额外的、制造技术和特定应用的优点，而不会对基础机器的性能数据产生限制。机器的开发是通过这种评估方法进行的：该评估方法基于过程、目的明确地示出谐波对扭矩构成的持续影响。
尤其地，被设置成：通过绕组的数量和/或这些绕组的分布的变化，将绕组绞线的多个排布和排列的可能性覆盖在定子区段的齿结构上，其中对于多个排布和排列的可能性确定绕组系数FW和扭矩系数FT。
有利地，每个齿结构设置有单个绕组或多个绕组。如果每个齿结构设置有多个绕组，则优选地，这些绕组相对于齿结构的高度排列在不同的平面上。
根据本发明的有利实施例，被设置为：为了绕组绞线的排布和排列可能性的系统的贯通，
(a)齿结构相对于其齿高被细分为多个平面，
(b)每个平面上的每个齿结构对应于一个齿特定的绕组，以使得在每个平面上产生相同的绕组顺序，
(c)接通绕组和绕组绞线，以及
(d)通过与齿结构相关联的顺序的平面方式的移动来变换绕组的位置。
齿结构总共具有N个线圈，该N个线圈被分成n个绕组(n＝1,2,3，......)，其中为了划分每个齿结构的例如两个绕组(n＝2)的线圈数，N1＝N2并且可以是N1＝N2，或者N1不等于N2并且可以不等于N2。在制造方面，不同的线圈结构在线圈数相同或者甚至线圈数不同的情况下也可以是合理的，从而可以以优化的填充度来实现组装。因此，可以在机器上交替地设置锥形或平行的线圈，而不会违反根据公式的相互关系。
根据本发明另一有利实施例，被设置为：根据扭矩系数FT的量值，尤其是仅对于扭矩系数FT≥0.5而言，进行至少一个排布的选择。通过其他方法也可以实现更低的扭矩系数。
根据本发明的又一有利实施例，被设置为：仅对于每个定子区段的齿结构的定子齿数z进行至少一个排布的选择，该定子齿数z小于相数m和极数p的乘积(z<m·p)。
根据本发明的另一有利实施例，被设置为：从现有的数据记录，尤其是从作为文献值的现存的数据记录中确定绕组系数FW。在最简单的情况下，这是一个“读表值”。可选地，绕组系数FW被单独地计算。尤其是对于与文献不同的配置，绕组系数FW必须被单独计算。
根据本发明的另一有利实施例，该方法还包括根据期望的性能数据和/或预先确定的平均切向力密度几何地预设计孔容积的进一步的步骤。
最后有利地，被设置为：该方法具有通过DOE方法或其他已知方法精细设计以下至少一个量值的进一步的步骤：
-通量截面，
-电流占用，和
-磁量/磁阻部分的比例。
在根据本发明的用于具有集中式绕组的m相同步磁阻电机的定子中设置相数m＝3、极数p＝10、以及定子齿数为15或18或21，该定子可以分成单个定子区段或多个定子区段，并且包括具有周向分布的齿结构的铁磁基体和附在基体上的绕组系统，其每个定子区段具有z个齿结构以及数量与相数m对应的绕组绞线，每个绕组绞线本身包括多个集中式绕组的串联连接和/或并联连接，其中，同步磁阻电机的转子在定子区段所对应的周向区段上具有极数p。尤其地，定子的这种设计以上述方法的结果为基础。
根据本发明的定子的有利实施例，被设置为：齿结构相对于其齿高被分成多个平面，其中，在每个平面上产生在圆周方向上绕组的相同顺序，并且其中一个平面上的顺序被设置为相对于至少其中另一个平面的顺序偏移至少一个齿结构。优选地，设置两个平面，其中，尤其优选地，一个平面的顺序被设置为相对于至少另一个平面的顺序偏移七个齿结构。
根据本发明的定子的另一有利实施例，被设置为：对于相数m＝3、极数p＝10和定子齿数为18而言，三个绕组绞线U、V、W中的每一个都具有十二个集中式绕组的串联连接，该串联连接相对于绞线特定的第一齿结构位置具有以下绕组方案：第一绕组和第二绕组位于所述第一位置上，第三绕组位于第三位置上，第四绕组位于第六位置上，第五绕组和第六绕组位于第八位置上，第七绕组和第八绕组位于第十位置上，第九绕组位于第十二位置上，第十绕组位于在第十五位置上，以及第十一绕组和第十二绕组位于第十七位置上。如果定子被分成若干区段，则该方案跨越区段地产生在环绕方向上。
在此，优选地，被设置为：对于三个绕组绞线U、V、W中的每一个，
-第一绕组、第二绕组、第五绕组、第六绕组、第九绕组和第十绕组以一个方向围绕各自的齿结构缠绕，并且
-第三绕组、第四绕组、第七绕组、第八绕组、第十一绕组和第十二绕组以相反的方向围绕各自的齿结构缠绕。
在根据本发明的具有集中式绕组的、包括定子和转子的同步磁阻电机中，根据本发明被设置为：该定子被构造为上述定子。
附图说明
下面将参考附图根据优选的实施例示例性地阐述本发明，其中，下面示出的特征，无论是单独地还是组合地，都可以代表本发明的一个方面。
图1示出根据本发明的优选实施例的定子的定子区段的示意图。
具体实施方式
这里被示例性地而非限制性地理解的是定子12的定子区段10，用于具有集中式绕组和(未示出的)转子的(m＝3)相同步磁阻电机，其中，在所示的示例中，将360°定子区段10等同于定子12。定子区段10具有铁磁基体14和绕组系统18，该铁磁基体14具有十八个周向分布的齿结构16，该绕组系统18附在基体14的齿结构16中。其中，该定子区段具有z＝18个齿结构以及与相数m＝3相对应的数量为3的绕组绞线U、V和W，在这些绕组绞线中，每个绕组绞线本身包括多个集中式绕组20的串联连接和/或并联连接。其中，定子12被设置为用于同步磁阻电机，该同步磁阻电机的转子在对应于该定子区段的周向区段中具有极数p＝10(未示出)。
这产生了相应的“18-10绕组方案”，在该“18-10绕组方案”中，这三个绕组绞线U、V和W被设置为分别相互地偏移六个齿结构16。这三个绕组绞线U、V、W中的每一个都具有十二个集中式绕组20的串联连接，相对于特定于绞线的第一齿结构位置22、24、26，该串联连接具有以下绕组方案：第一绕组和第二绕组位于所述第一位置上，第三绕组位于第三位置上，第四绕组位于第六位置上，第五绕组和第六绕组位于第八位置上，第七绕组和第八绕组位于第十位置上，第九绕组位于第十二位置，第十绕组位于在第十五位置上，以及第十一绕组和第十二绕组位于第十七位置上。其中，对于这三个绕组绞线U、V、W中的每一个而言：
第一绕组、第二绕组、第五绕组、第六绕组、第九绕组和第十绕组在第一方向上围绕各自的齿结构缠绕，以及
第三绕组、第四绕组、第七绕组、第八绕组、第十一绕组和第十二绕组在相反的第二方向上围绕各自的齿结构缠绕。
如果定子被分成多个区段，则该方案跨越区段地产生在环绕的方向上，该环绕的方向在图1中由箭头的方向示出。
在特定于绞线的第十七(齿结构)位置处，每个绕组绞线U、V、W从铁磁基体中被引出。在该示例中，绕组绞线U、V、W的引出端连接到星形接点28。
因此，该三相同步磁阻电机的特征在于以下量值：十八个齿结构、十个极(＝五个极对)、作为四股绕组的绕组系统，该绕组具有七个齿(每相)的偏移(位移)。图1示出了相应的18-10绕组方案。
这里可以达到0.75的扭矩系数。与绕组系数0.735结合，该机器达到以下的总体系数：
F＝FT·FW＝0.735·0.75＝0.55
该具有18个齿和10个极的示例性机器也可以串联地接通，被作为三股的机器运行，而不会偏离优化设计的适用范围。
换而言之，本发明的进一步的细节以及优点可描述如下：
在组装时，定子被集中的、不重叠的绕组(齿电感线圈)缠绕。为此，该绕组可以被实现为多股的。该绕组可以被用于圆形的、封闭式机器，也可以被用于机器区段以及线性电机。为了产生导致高扭矩密度和良好的功率系数的、具有减小的空间谐波分量的磁动势MMK，与现有技术相反，在机器预设计中使用了两个系数，其中，第一系数单独而言基本上是已知的，并且只有通过第二后续步骤才可以实现齿电感线圈的合理的电机设计。
1.)根据绕组系数FW的预设计：在文献中已知，并且针对任何定子齿组合/转子极组合可以在表格中读数和/或计算。
2.)根据扭矩系数FT的预设计：该新定义的系数可以实现转子极的磁性利用率的计算。
如上所详述，在文献中众所周知的是，具有集中式绕组的同步磁阻电机不能或只能非常糟糕地被实现。这主要是由于传统的集中式绕组的糟糕的扭矩系数FT。该系数适用于具有永磁体的电机、同步磁阻电机，也适用于永磁体和磁阻电机的任何组合。该系数的计算不变地适用于永磁同步电机和同步磁阻电机。该系数通过机器的工作谐波的MMK波(由此，定义了极数)以及所有出现的谐波分量所产生的总体MMK计算出来。
在方法上，用于针对性设计的额外所需的新使用的扭矩系数可以被如下地定义：
Figure BDA0001863113510000081
此时，MMK对应于空间角度上的电磁场分布。HP是工作波的谐波振幅，由此定义了电机的极数。该系数通过角度的定子旋转的积分计算出。该积分从0°至360°/K被确定。K对应于分割系数，该分割系数描述了由定子区段的极数覆盖的角分段。因此，对于完全装备的圆形机器，K＝1。
在集中式绕组中，该系数通常为<0.4-0.7的值。
如果现在要将具有一个或两个平面的传统集中式绕组分为多个绕组系统，并且将其设置在2-x个绕组系统的2到i个平面上，其中，每个系统都偏移x个齿结构(X＝{1,…定子齿数})，那么，在根据本发明地使用评估方法和特定的排列时，会得到具有低谐波分量和良好扭矩系数FT的总体MMK。发明人能够以令人惊讶的方式和方法在这样排布的机器中确定：由绕组系数FW和扭矩系数FT的乘积给出了机器的总体利用率。
借助于使用了该新知识的根据本发明的设计方法，可以以简单的方式和方法，尽可能地目标明确地并且在设计中没有迭代回归地设计具有高功率密度、良好的功率系数和低扭矩波动的机器排布。
现在将在下面根据示例性的机器设计更详细地描述根据本发明的步骤，其中，本领域技术人员可以以相似的方法将该方法以不同的顺序或规定用于其他的机器设计，如同虽然它们在此没有被示例性的呈现，但同样合理地在该方法之内。
根据本发明的方法性的步骤：
1.)根据所需的相数定义第一定子齿数，或者根据机器的极宽度、直径和所需的旋转频率(转速)定义转子极对数。此处可以如通常用于工业机械的那样，在50Hz、60Hz的范围内进行设计，或者甚至达到1000Hz也是可以设想的；
2.)优化公式乘积，直到通过所有变量计算出局部最大值。这里，定子极数和转子极数可以被再次随意地改变，尤其基于变量的电感线圈的根据本发明的划分：
a.x齿的偏移，
b.在绕组系数的优化下的每个齿结构的线圈N的划分；
3.)根据上面的信息计算系数；
4.)根据期望的性能数据和使用的平均切向力密度(例如25kN/m2)几何预设计孔容积；以及
5.)通过已知方法的精细设计，例如借助于基于以下描述的DOE(设计实验)的方法：
a.通量截面的精细设计；
b.电流占用、热利用率的精细设计；
c.磁量与磁阻部分的比例。
齿结构总共具有N个线圈，其中例如对于每个齿的两个绕组的匝数的划分，N1＝N2并且可以是N1＝N2，或者N1不等于N2并且可以是不等于N2。因而在制造时，不同的电感线圈结构对于线圈数相同或者甚至线圈数不同的情况是合理的，从而可以以优化的填充度来实现组装。因此，可以在机器上交替地设置锥形或平行的电感线圈，而不会违反根据公式的相互关系。
根据本发明，所有的机器具有扭矩系数FT>0.5，以及满足如下条件：
Figure BDA0001863113510000091
译成中文为：
Figure BDA0001863113510000092
对于单纯使用没有磁性材料的磁阻力的极少情况，该方法的适用性不变。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种定子区段的设计方法，所述定子区段用于具有集中式绕组(20)的m相同步磁阻电机的定子(12)，其中，所述定子(12)能够划分为一个定子区段(10)或多个定子区段(10)，并且包括具有周向分布的齿结构(16)的铁磁基体(14)和附在所述基体(14)上的绕组系统(18)，其每个所述定子区段具有z个齿结构以及数量与相数m对应的绕组绞线(U、V、W)，每个所述绕组绞线本身包括多个所述集中式绕组(20)的串联连接和/或并联连接，其中，所述同步磁阻电机的转子在所述定子区段(10)对应的周向区段上具有极数p，其特征在于以下步骤：
-根据相(U、V、W)的所述相数m和所述极数p，选择所述区段(10)中所述齿结构(16)的定子齿数z；
-对于所述绕组绞线(U、V、W)的多个排布和排列可能性确定绕组系数FW和扭矩系数FT，所述扭矩系数FT借助于下列公式来确定，
Figure FDA0003790607670000011
当使用与所述定子齿数z相关的所述集中式绕组时，得到对于给定量值的所述极数p和所述相数m的所述多个排布和排列可能性，其中，θ是在定子圆周方向上的角度，MMK(MMK：磁动势)是用于电负载的空间分布的量度，HP是分别通过所述角度θ的谐波幅度，以及K是示出在定子的总周长上定子区段的比重的分割系数；以及
-确定所述定子区段(10)的至少一个排布，在所述排布中，绕组系数和扭矩系数的公式乘积FW·FT具有局部最大值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述绕组(20)的数量和/或所述绕组(20)的分布的变化，将所述绕组绞线(U、V、W)的多个排布和排列的可能性覆盖在定子区段(10)的齿结构(16)上，其中对于所述多个排布和排列的可能性确定所述绕组系数FW和所述扭矩系数FT。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每个所述齿结构(16)设置有单个绕组(20)或多个绕组(20)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了系统地贯通所述绕组绞线(U、V、W)的排布和排列的可能性，
-所述齿结构(16)相对于其齿高被细分为多个平面，
-对每个所述平面(E1、E2)上的每个所述齿结构(16)指定齿特定的绕组(20)，以便在每个所述平面(E1、E2)上产生相同的所述绕组(20)的顺序，
-所述绕组(20)被接通到所述绕组绞线(U、V、W)，以及
-通过与所述齿结构(16)相关联的顺序的平面方式的移动来变换所述绕组(20)的位置。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据扭矩系数FT的量值，进行至少一个所述定子区段(10)的排布的选择。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，至少一个所述定子区段(10)的排布的选择仅针对扭矩系数FT≥0.5来进行。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，仅对于每个所述定子区段的所述齿结构的所述定子齿数z进行至少一个排布的选择，所述定子齿数z小于所述相数m和所述极数p的乘积，即，z<m·p。
8.一种定子(12)，用于具有集中式绕组(20)的m相同步磁阻电机，所述定子(12)可划分为根据权利要求1所述的定子区段的设计方法得到的一个定子区段(10)或多个定子区段(10)，并且所述定子(12)包括具有周向分布的齿结构(16)的铁磁基体(14)和附在所述基体(14)上的绕组系统(18)，其每个所述定子区段具有数量与定子齿数z对应的齿结构(16)以及数量与相数m对应的绕组绞线(U、V、W)，每个所述绕组绞线本身包括多个集中式绕组(20)的串联连接和/或并联连接，其中，所述同步磁阻电机的转子在所述定子区段(10)对应的周向区段上具有极数p，其中，所述相数m＝3，所述极数p＝10、以及所述定子齿数为15或18或21，其特征在于，所述齿结构(16)相对于其齿高被分成多个平面(E1、E2)，其中，在每个所述平面(E1、E2)上产生相同的所述绕组(20)的顺序，其中，所述平面中的一个平面(E1)上的所述顺序被设置为相对于至少另一个平面(E2)的所述顺序偏移至少一个所述齿结构(16)，并且以下情况i)和ii)中的至少一个适用：
i)对于所述相数m＝3，所述极数p＝10和所述定子齿数为18，三个所述绕组绞线(U、V、W)中的每一个都具有十二个所述集中式绕组(20)的串联连接，所述串联连接相对于绞线特定的第一齿结构位置具有以下绕组方案：第一绕组和第二绕组位于第一位置上，第三绕组位于第三位置上，第四绕组位于第六位置上，第五绕组和第六绕组位于第八位置上，第七绕组和第八绕组位于第十位置上，第九绕组位于第十二位置，第十绕组位于在第十五位置上，以及第十一绕组和第十二绕组位于第十七位置上，以及
ii)对于三个所述绕组绞线(U、V、W)中的每一个，
-所述第一绕组、所述第二绕组、所述第五绕组、所述第六绕组、所述第九绕组和所述第十绕组以一个方向围绕各自的所述齿结构缠绕，并且
-第三绕组、第四绕组、第七绕组、第八绕组、第十一绕组和第十二绕组以相反的方向围绕各自的所述齿结构缠绕。
9.根据权利要求8所述的定子，其特征在于，所述一个定子区段(10)或多个定子区段(10)根据权利要求2至7中任一项所述的方法设置。
10.一种同步磁阻电机，具有集中式绕组，包括定子(12)和转子，其中，所述定子(12)根据权利要求8或9设置。
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