CN109863668B - 具有导电条和端面组件的电机和定子 - Google Patents

Abstract

一种电机与一种定子一起被描述。电机包括定子，所述定子包括具有端面的圆柱形定子芯；设置在端面上的槽，每个槽延伸穿过定子芯；设置在槽内的多个导体条；和电连接至少两个导体条的端面组件；具有多个磁极对的转子；以及电连接至所述定子以调节供应至导体条或从导体条供应的励磁电流的控制器，其中，所述控制器独立于励磁电流的频率调节励磁电流的幅值。这种布置简化了定子结构并允许电机的优化。

Description

具有导电条和端面组件的电机和定子

技术领域

描述了一种用于高速、低电感电机的电机和定子。特别地，描述了具有多个导体条和电连接导体条的端面组件的电机和定子。

背景技术

传统电机(在本公开的上下文中，电动机、发电机和电动发电机)通常以转子为特征，该转子布置在由定子的中空圆柱形芯限定的孔内。定子通常包括多个槽，这些槽布置在芯内并围绕芯同心。多个电线绕组形成线长的导电束，通常称为导体，其在承载电流方面起积极作用。然后将绕组馈送到槽内并缠绕在槽周围，以形成多匝绕组，每匝具有两个线长或导体。放置在互补的槽内并串联连接的一个或多个匝限定了可用于简化结构的线圈。另外，每个线圈包括两个线圈侧，每个线圈侧放置在不同的槽中。因此，线圈通常将已经通过槽交织多次的电绕组捆在一起。

随着电机的功率和控制要求的增加，槽绕组的模式和配置变得越来越复杂、卷曲和密集。这在小型电动机中是一个特殊问题，其由于通常较小的几何形状而导致制造复杂。然后，根据电机的运行模式，使用控制器来调节向定子的电流供给或来自定子的电流供给。

现代电机——在该实例中涉及电动机(尽管类似的观察结果适用于发电机)——通常由传统的脉宽调制交流(AC)或无刷直流(无刷DC)控制器驱动。在特定幅值和频率的电流供给方面的控制器限制已经驱使电机设计，导致控制器的改进并导致机器设计的改进等。这导致机器具有极其复杂的绕组模式以试图接受(或产生)由控制器提供的更平滑的波形。

EP2112748中示出了本领域中普遍的复杂绕组模式的一个反例。在该实例中，在每个定子槽内使用4个实心条。然而，然后使用复杂的一系列连接端板(每个电相8个)将条连接到电相，使得每个槽内的条连接到多个相。在需要焊接在一起的情况下，如果每个槽使用太多的端板或条，就会出现问题。

可以理解，与在常规缠绕的定子中增加匝数的相对成本相比，该方法极大地增加了向定子增加匝数的成本(给定相通过串联连接的给定槽的次数)，使得每个槽4个导体引起了对这种大规模制造方法的可行性的高度关注。因此，该方法适用于需要非常低的匝数的应用。由于通常情况下，(匝数)×(电动机速度)＝(反EMF电压)，因此这种应用要么用于具有低压电源的电动机(通常是低功率和低成本电动机)，要么用于具有高转速的电动机。

另一种方法，例如WO2011161408中概述的方法，通过促进励磁电流到电动机绕组的幅值变化而不依赖于励磁电流的定时(timing)和持续时间，来远离脉冲宽度调制的复杂电动机设计。该控制器的架构和控制方法非常适用于具有高电气开关频率的电动机和发电机。如果电机具有以下属性中的一些或全部，则该电机就非常适合这种控制方法，所述属性包括(最突出的)：

(1)低电感

(2)与方波信号兼容的绕组模式

(3)以与方波信号兼容的方式磁化和布置的磁体

(4)信号的高电气开关频率

在设计与这种控制器兼容的机器时，可以采取这样的设计决策，其通常被认为对于通常由传统脉冲宽度调制(PWM)交流(AC)或无刷直流(无刷DC)控制器驱动的机器而言是折中的。

本发明的目的在于提供一种理想地适用于这种控制器的改进的电机和改进的定子。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种电机，包括：定子，所述定子包括：具有端面的圆柱形定子芯；设置在端面上的槽，每个槽穿过定子芯；设置在槽内的多个导体条，其中每个条的一端从端面向外突出；和接收所有导体条的端部的端面组件，所述端面组件电连接至少两个导体条；具有多个磁极对的转子，所述转子位于定子芯内；以及电连接到所述定子的控制器，用于调节提供给导体条或从导体条供给的励磁电流，其中控制器独立于励磁电流的频率调节励磁电流的幅值。

通过具有高开关频率的控制器所带来的设计自由度，本发明可以通过增加串联连接槽的数量和通过增加电动机速度来提供更高的电动机电压，而不是依靠增加定子内的匝数来实现，如上所述，本发明使得该方法昂贵。

根据本发明的另一方面，提供一种用于高速、低电感电机的定子，所述定子包括：具有端面的圆柱形定子芯；设置在端面上的槽，每个槽穿过定子芯；设置在槽内的多个导体条，其中每个条的一端从端面向外突出；和接收所有导体条的端部的端面组件，所述端面组件电连接至少两个导体条。

可以理解的是，以上和以下关于电机描述的实施方案或特征可以单独适用于定子，反之亦然。

在一个实施方案中，励磁电流可以包括多个相。然后，控制器可以配置成向设置在槽内的每个导体条供给相同相的励磁电流。

可选地或优选地，定子内的多个槽中的一个或多个形成一个或多个电槽分组或电槽组。每个分组可以独立于其他分组而串联地电连接到控制器。每个电槽分组也可以由具有单独电相的励磁电流通电。以这种方式，槽内的所有条可以连接到单个电相。

电相可以以三角形或Y形绕组模式(直接或间接)连接到导体条。

通常，在实施方案中，控制器包括：用于向导体条提供励磁电流的电源；和换向控制器，其独立于电源操作，并且可操作以在任何给定时间控制向定子的不同导体条的励磁电流供给的定时和持续时间。

电源可以包括电流供给控制器，以控制提供给导体条的电流幅值。电流供给控制器可以包括调节电流供给反馈回路，其用于根据电动机的目标速度调节提供给导体条的电流幅值。

因此，励磁电流的供给的定时和持续时间可以取决于电动机的角位置，并且励磁电流的幅值可以独立地改变施加至导体条的励磁电流的定时和持续时间。

使用导体条而不是由绕组组成的标准线圈以及使用电连接导体条的端面组件，允许电动机中的匝数(导电铜线缠绕通过绕组模式并穿过电动机轴磁铁的磁场的次数)减小到最小值(一次通过)或接近最小值(两次或三次通过，或者在任何情况下小于就给定的应用设计而言的正常值)。

与使用缠绕(铜)线的更传统的方式制造相比，这种几何形状的简化使得有机会降低低匝数定子的制造成本。

减少定子中的匝数会降低电动机常数，这意味着与具有较高匝数的相同电动机相比，电机产生较少的反EMF，并且在给定的运行速度下通过更多的电流。

本发明允许增加机器中的磁极数量和机器的定子中的槽数，其大于满足任何其他设计限制所需的数量，纯粹是为了允许以非常低的匝数控制机器中的电压:电流比。在高速机器的情况下，这尤其不同寻常，因为它进一步增加了机器中传递信号的电频率，其频率在高速机器中已经过高。然而，这种定子适用于不受开关频率增加到与传统控制器相同程度的压力的影响的控制器。

在实施方案中，定子的每个条单独地填充槽的大约60％至90％的体积。相比之下，常规定子的典型值为40％。这允许槽的总填充因数的更大增加，而没有与使用绕组的大填充系数相关联的典型缺点(复杂的绕组模式/结构和在槽之间的定子的端面周围的大量绕组重叠)。可以理解，条可以由几个潜在的不同的条制成，但是，条意图指当进行电连接时用作单个导体的一个或多个导体。

在实施方案中，每个槽提供一个或两个导体条。导体条可以被认为是非平行导体条。

特别地，采用导体条方法代替传统的铜线方法，允许定子在槽中实现良好的填充因数，由此使得在更多数量的槽中分配必要数量的铜(以及电流量和产生的电磁通量)成为可能。这允许更大量的更小的槽，其中：(a)允许导体周围的电磁场直径更小并且通过更短的总距离传导，从而节省定子中的“铁”(通量的导电介质)并减少其尺寸和成本；(b)使平均导体更靠近转子中的磁体(更接近定子的内径)，从而更容易实现目标转矩密度和效率水平。然而，相对于机器的(机械/实际)转速，较大数量的槽倾向于增加控制器所需的开关频率(机器的电气速度)。

使用端面组件电连接导体条而不是将导体条缠绕在多个槽周围的另一个好处是可以大大简化绕组模式——这种布置适用于提供适合方波输出的梯形波形的电动机/发电机。这允许增加功率密度。梯形波形也可有助于减少转矩波动。该波形输出通常来自24槽8极设计(具有90度电角度极角)，即极角/线圈角比＝1。

如上所述，方波输出可用于驱动定子。这种布置的一个优点是与脉冲宽度调制相比，方波输出需要降低的开关频率。这反过来允许在槽内使用较厚的铜填充因数(即较厚的导体条)，其用作透入深度较少受到关注。

此外，与脉冲宽度调制相比，降低的开关频率允许增加极数，这允许单个并联磁化磁体段更接近径向磁化磁体段的理想情况，这减小了转矩波动并且增加了功率密度而无需使用更复杂的部件。由高极数引起的减小的电流波动允许减小电容器尺寸。

在实施方案中，端面组件接收导体条的端部，特别是端面组件所电连接到的端部。导体条的端部延伸超过定子芯。通过接收导体条的所有端部，端面组件提供紧凑的结构，增加了定子芯的结构刚度，并且允许导体条(并因此槽)根据需要使用端面组件内的电通路进行电通电。

每个导体可以是均匀的实心条，例如由单片铜制成。每个条可以是层压实心导体的刚性复合结构。可以使用搪瓷涂层(具有封闭端部以允许传导)。在一个实例中，涂层可以用Kapton胶带涂覆。条可以用标准铜条冲压或剪切。

在一个实施方案中，导体条可以由端面组件内的切口部分接收。这确保了紧凑的设计并减少了定子的总长度。

端面组件可包括用于电连接导体条的一个或多个端面导体。每个端面导体可以包括封装在绝缘材料中的导电材料，使得每个端面导体是电隔离的。以这种方式，端面导体以期望的方式电连接所选择的导体条。例如，12个槽定子的槽1和槽4内的导体，每个在其内部具有导体条的槽可以使用这种端面导体电连接。类似地，槽2、7、10和11内的导体可以电连接。通过电连接意味着在端面导体和外部电源之间形成的电连接使得通过端面导体电连接的所有导体条通电。

以这种方式，电绕组模式由端面组件的端面导体所形成的电连接决定，而不是由电动机内的电绕组的实际绕组模式决定。这具有易于更换的显著优势——可以在不解绕和移出定子导体的情况下改变“绕组模式”(即，对槽进行电连接或互补的布置)，否则电线布线非常耗时。

端面导体可以夹在一起。在该实例中，端面导体通常是板结构，允许多个端面导体堆叠在一起，同时占据定子芯的主轴方向上的最小空间。由于每个端面导体因为被封装在绝缘材料中或者用绝缘间隔件隔开而通常是电隔离的，所以可以堆叠多个端面导体，其中，每个端面导体可操作以电连接不同的导体条。

在实例中，每个端面导体布置成将两个或更多个导体条电连接到单相电信号。例如，在使用三相电源时，3个端面导体可以用于选择性地使它们所连接的导体条(和槽)通电。可以理解，取决于所期望的电动机配置和所使用的电源，可以使用其他数量的导体条。

端板导体可以分段以形成不连续表面。以这种方式，若干端面导体可以一起形成上述板结构。这提供了一种以最大的便利和最小的空间在导体条和槽之间进行电连接的方便的方式。替代地或另外地，端板导体内的区段可以被认为是用于电连接两个或更多个导体条的汇流条。

汇流条或端面导体可包括用于接收导体条的端部的一个或多个孔。孔通常是未涂覆的并且提供端面组件和导体条之间的电接触。

可以在端面导体内提供切口。这种切口可以提供用于将控制器和电源直接电连接到导体(例如使用相绕组)的区域。

端面导体可以提供中性点。这种中性点通常是提供刷子以允许电动机在前后方向上以相同速度运行的地方。

如上所述，可以提供两个或更多个端面导体，每个端面导体通过绝缘层分离并电隔离。

端面组件可被配置以接收用于冷却端面组件的外部热板。通过允许端面组件抵靠热板，可以确保热接触。可以理解，对于端面导体，使定子芯和任何热板之间的距离最小化的板结构是有用的。类似地，为端面组件提供平板结构允许更好的热接触。

另外地或替代地，端面组件可包括散热器，用于将热量从定子散发出去。

端面组件可设置有用于接收来自冷却系统的冷却流体的多个冷却通道。

在补充的替代或另外的实施方案中，端面组件可包括电路板。电路板可用于提供允许槽内导体条之间的电连接的电通路。为电路板提供绝缘基板确保了相邻的通路或板彼此电隔离。如所提到的，电路板可以包括一个或多个电通路，每个电通路电连接两个或更多个导体条。每个通路可以将导体条电连接到电源的单独相。电路板还可包括用于使连接器条通电的外部电连接。

在现代电路板制造中，成本随厚度(每平方英寸铜的盎司数)增加而以指数增长超过约4。让我们说6盎司是批量生产项目的实际限制。当在电路板中移动超过共12个彼此绝缘的导体层时，也会遇到制造问题和/或过高的成本。因此，在最多12层中每层实际限制为6盎司。在电路板中，至少需要2层才能形成每个槽带一个导体的电动机。如果使用6层来制造具有两匝(每个槽两个导体)的三相电动机(每个槽具有一个相)，则在单匝电动机的端件中需要12×6oz/2＝36oz的导电材料，但是在双匝电动机中仅12*6oz/6＝12oz的导电截面。因此，双匝电动机的损耗会更高。因此，对于将电路板用作端件的制造方法，3匝电动机不太实用。

在实例中，多个槽可以形成一个或多个电槽分组，每个分组独立于其他分组而串联电连接到控制器。然后，每个电槽分组可以通过具有单独电相的电流通电。因此，可以理解的是，每个电槽分组可以通过单独的端板电连接。

电机通常使电流通过定子中的多个槽，并且在由电动机周围的几个不同磁体产生的电场(沿径向方向)的存在下布置电流。这些不同的槽通常(但不总是)并行布置。通过将它们串联布置，机器上的总电压增加并且机器通过的总电流减小，这提供了更有效的电动机。

如上所述，电动机导体的端部绕组通常是绕定子端部从一个槽传送电流到另一个槽的铜线束，其可以用更简单的几何形状代替，例如电路板或诸如绝缘铜板的端面组件。如果匝数较低并且传输通过定子的大部分电子并联(在相同的电压下，能够共用相同的导体)而不是串联(在不同的电压下且需要不同的导体)，这是特别有用的。

槽可以由定子芯内的齿分开。齿可以将导体条限制在槽内。

每个导体条可以是整块导电材料。或者，每个导体条可以是缠绕的线束，但是在这种情况下，与标准电动机绕组相比，从一个槽延伸到另一个槽的线的数量显著减少或消除。

根据本发明的另一方面，提供了一种电机，包括：根据单独或组合描述以上方面的任何实例或实施方案的定子；具有多个磁极对的转子，所述转子位于定子芯内；和控制器，其电连接至所述定子，用于调节供给至导体条或从导体条供给的电流。

控制器可以独立于电流的频率调节电流的幅值。这允许控制器更容易地驱动适合于方波输入的电动机，其允许电动机需要较低的开关频率。这非常适合于上述方面所述的定子。

在实例中，由电流产生的反EMF电压可以通过改变转子上的极数和定子中的槽的数量来配置，而不是改变每个槽内的导体的配置和数量。这对于电动机设计来说是不寻常的，其通常旨在改变电绕组模式而不是增加槽的数量。

在另一个实例中，转子的旋转速度可以等于或大于50,000rpm。控制器可以以等于电动机的旋转速度的频率调节电流。该机器还可以在10V和200V之间的电压下工作，并且电流在10A和200A之间。

所述机器可以是电动机、发电机或电动发电机。

在本发明的第三方面中，提供了一种强制感应系统，其包括第二方面的任何部分的机器。

根据本发明的第四方面，提供了一种制造用于电机的定子的方法，所述方法包括以下步骤：提供圆柱形定子叠层，所述叠层具有中空芯和设置在端面上、穿过芯并围绕芯的多个槽；将所述叠层安装在定子组装工具上，所述工具具有容纳在所述芯内的突起；在多个槽内插入多个导体条；和将端面组件放置在端面上，所述端面组件电连接两个或更多个导体条。

端面组件可以通过将端面组件压制或熔接(welding)到端面上而形成。

在实例中，导体条可以比所述定子叠层的长度长，使得导体的端部远离所述端面突出超过所述槽。

端面可包括多个孔，其被成型以容纳所述端部，所述方法还包括将所述导体的端部插入孔中的步骤。

定子组装工具可包括具有通道的外缘，其中外缘接收定子叠层，并且通道接收导体条。

将端面组件的一部分与控制器的连接件对准也可以是制造中的一个步骤。

如上所述，可以实施导体条和端面组件之间的刚性结合，例如通过熔接、焊接、压装或互锁。与围绕每个槽和每个导体的传统多线匝相比，这导致紧凑的设计。

该方法还可包括将定子的端面组件连接到热板，使得端面组件基本上邻接热板的步骤。另外地或替代地，端板组件可包括多个冷却通道，使得所述方法还包括将冷却通道连接到冷却系统的步骤。

该方法通过消除对线圈绕组和插入机器以及线圈成形机的需要而允许降低制造成本。另外，该方法允许从各个部件构建端部绕组——即通过使用端面组件，而不是槽内的布线。这具有进一步的效果，即例如多个单独的端面组件的端部绕组子组件可以单独制造并压到定子芯上。

参考下文描述的实施方案，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。

附图说明

参考附图，将仅以举例的方式描述实施方案，其中：

图1示出了根据本发明的实施方案的具有多个槽的定子芯；

图2示出了配置为布置在图1的槽内的定子导体；

图3a示出了用于接收图2的定子导体的端部的端板组件；

图3b示出了图3a的端板组件的侧视图；

图3c示出了根据本发明的实施方案的图3a的另一种端板组件；

图4示出了根据本发明的实施方案的示意性相绕组图；

图5示出了图1的定子芯、图2的导体条及图3a、图3b、图3c的端板和端板组装器的分解图；

图6a至6g示出了构造定子的步骤；

图7是与本发明的机器一起使用并形成本发明的机器的一部分的控制电路的功能框电路图；

图8是示出图7的电路的细节的框图。

应该注意的是，附图是示意性的而不是按比例绘制的。在图中为了清楚和方便起见，已经放大或缩小了这些附图的部分的相对尺寸和比例。相同的附图标记通常用于指代修改的和不同的实施方案中的对应或类似部件。

具体实施方式

图1示出了传统的定子叠层或芯100。所述芯通常被定义为空心圆柱形芯，具有用于接收电机的转子(未示出)的孔102和端面104。多个槽110布置在芯的端面104内。

围绕孔102周向布置的槽110可以被认为是沿芯的长度延伸形成在芯内的凹槽。齿112在相邻的槽之间类似地形成。槽可以向芯102敞开或者可以包封在定子芯内。

定子芯通常由诸如电工钢的接合的层压片制成。芯可以冲压和接合。这些是指制造过程。冲压是一种通过剪切作用从实心金属板切割出芯的层压部分的方法。接合典型地涉及将层压的部分粘合在一起以形成“叠层”(芯)。

在传统的定子布置中，定子导体，几乎普遍的电绕组束和更典型的铜线束，多次穿过槽缠绕在齿周围以填充槽的一部分。绕组的每次缠绕可以被认为是一匝。换句话说，导体通常围绕定子缠绕若干圈。匝数和槽内绕组的数量或厚度越大，槽的填充因数越高。

可以理解，对于提供给绕组的给定电流，较高的填充因数为定子提供了较大的功率响应，但是必须考虑滞后，电阻损耗和其他影响。另外，在传统的电机装置中，只有一部分绕组由换向控制器控制而在任一给定时间通电，目的是提供发动机的平稳响应。脉冲宽度调制通常用于驱动这种电动机。

图2示出了用于本发明的定子导体200。代替铜绕组，每个定子导体200由单个均匀条，导体条，由固体材料或由彼此电绝缘的复合层压片制成。铜由于其导电性和导热性，是优选的材料。

导体条200通常是细长形的并且成形为基本上填充定子芯中的一个槽110。可以理解的是，两个或更多个条可以放置在单个槽内，每个条填充槽的大约25％或更大的体积。通常，相比于使用布线的40％的填充因数，使用条的槽的铜的总填充因数为80％。

搪瓷涂层用于保护条并使每个条电绝缘。搪瓷本身很少使用-搪瓷是描述涂层线的常用术语-通常使用聚合物。Kapton胶带是另一种选择。所述导体可以从标准铜条冲压或剪切。与铜线相比，这使得条的制造相对便宜。导体条可以是层压固体导体的复合结构。

条被成形为配合在槽内，但是端部或部分210构造成远离端面104突出超过定子芯以提供电连接并允许传导。端部210通常没有搪瓷。

除了定子芯和导体条之外，如图3a和3b所示，还提供端面组件300。所示的端面组件300是两层端面组件，但是可以提供附加层。端面组件300可以被认为是端板组件，每个层310、320设有单独的端板。绝缘层330，332用于分离端板310、320，但是每个端板可以另外或替代地封装在绝缘体中。

如图所示的端板310、320是圆柱形板结构，其具有与定子芯的端面形状基本匹配的盘状形状。端板为芯和导体条200的端部结构提供盖。

端面组件300电连接两个或更多个导体条200，导体条200设置在电互补槽(electrically complimentary slot)中。这意味着端面组件300用于在槽之间电连接导体条，使得供给到一个导体的电流也经由端面组件提供给任何其他电连接的导体条。因此，每个端板可以配置成与特定的电源相电连接(藉此特定的相电流)。可选地或另外地，可以向每个端板提供变化的电流幅值。

如图3a所示，端面组件具有多个切口部分340，用于接收导体条200的端部。切口部分显示为组件外表面内的槽或通道。

在所示的实例中，每个端板夹在一起，其中切口部分对准以允许导体条200被两个端板310、320接收。

端板通常由绝缘材料制成(或涂覆)。可以使用陶瓷。导体条之间的导电性由诸如汇流条(下面描述)的导电路径或诸如电路和电路系统的电路径提供。

在汇流条的情况下，这些汇流条可以成形、绝缘或附接以仅接触特定槽内的特定导体条，以实现相同的效果。

汇流条可以选择性地熔接、焊接、机械压制或以其他方式仅连接到定子槽中的导体的特定部件或部分。值得注意的是，可以获得具有不同熔化温度的焊接材料，以便可以使用一种焊接材料制造一组焊接连接(例如在烤箱中)，并且可以利用更低的熔点，使用不同的焊接温度制造一组不同的焊接连接。因此第二次焊接工艺不需要干扰第一次焊接工艺。通过这种方式，可以在狭小的空间内建立复杂的连接模式。

作为替代或补充实例，(一个或多个层的)电路板可以提供导电路径(“轨道”)以将电流从一个槽中的一个或多个导体传输送到不同槽中的一个或多个导体。在这种情况下，电路板包括具有一系列电通路或布线的绝缘基板，所述电通路或布线以前述方式电连接导体条200。电路板的使用可有助于减小定子和相关系统的整体尺寸。

端板310、320布置成将导体条200电连接到单相电信号。电信号通常是三相电信号。

在所示的实例中，每一端板包括多个汇流条350、360。汇流条用于通过在槽和汇流条之间形成的导电路径在导体条200之间提供电通路。汇流条构造成具有与端板310、320类似的槽或切口部分，汇流条为端板提供不连续的分段面。以这种方式可以理解，汇流条通过端板用于以适当的顺序匹配磁铁在轴上的分布并允许电机产生扭矩来使电流通过导体条。

端板300的另一种结构如图3c所示。端板370与组件300的不同之处在于提供了不使用汇流条的切口区域380。相反，380的切口区域为控制器提供连接点，以直接或通过端板组件向导体条供给，调节和/或收集电流。

中性点也在图3c中的385处示出。在所示的配置中，中性点(可以放置刷子以激励定子使得电动机的前进和后退速度相同的点)在跨越三个导电条的汇流条处。

可以理解的是，可以在端部绕组上增加另外的绝缘层和另外的导体和绝缘层(或电路板上的附加轨道)，以允许每个槽串联连接多于一个导体(通常称为在定子中附加的“匝”)。然而，串联导体的数量(“匝”)将受到限制，通常每个槽只有一个导体而很少超过四个。

图4示出了定子内的电路径的程式化视图。在所示的实例中，24个槽定子提供有三相电源。使用控制器提供和换向(commutated)电源。

在所示的实例中，每个槽与单相电源或电流电连接。例如，槽1，4，7，10，13，16，19和22电连接到相1；槽2，5，8，11，14，17，20，23与相2电连接和槽3，6，9，12，15，18，21，24与相3电连接。其他配置当然是可能的。但是，匝数(即导体条和槽之间的重叠)应该最小化。在所示的例子中，每个槽提供单个导体并且示出单匝(即，每个槽电连接到单相电流)。

如图4所示，槽串联布置，使得电路径直接从每个互补电槽中和在每个互补电槽之间通过。这确保了槽内的所有电子以相同的矢量电流(即，在相同的方向上)传输。

在这种绕组方法中每个槽的平行导体数量的实际限制意味着该方法适用于梯形电流波形，特别是在极端情况下，槽的数量可被磁极的数量整除，并且定子的每个槽包括仅一相定子绕组的导体。为了使转子达到高速，需要并使用能够处理这种信号的控制器。这种信号基本上是方波(通常称为控制器的“六步桥”换向)。能够独立地提供与电流频率无关的电流幅值的控制器理想地适用(即，具有单独的幅值控制的简单六步桥)。

由于槽的填充率高(与传统定子的40％相比，通常为80％)，从而提高了电动机的效率。趋向于更高效率的因素是通过电气周围的铁的电磁通量的较短的传导路径长度。另外，电动机对电流的响应也得到改善。这种定子中匝数的降低减小了电动机的常数，这意味着与具有较高匝数的相同电动机相比，电机产生较少的反EMF并且在给定的操作速度下传递更多的电流。

限制于小匝数电动机的电动机设计者可以通过如图4所示串联布置定子槽来重新控制电机中电压与电流的比率。电机通常使电流通过定子中的多个槽并且在存在由电动机周围的几个不同磁体产生的电场(沿径向方向)的情况下布置电流。如上所述，这些不同的槽通常(但不总是)平行布置。通过将它们串联布置，机器上的总电压增加并且通过机器的总电流减小。然而，在本发明中，电动机设计者可以增加机器中的磁极数量和增加机器的定子中的槽的数量至大于满足任何其他设计限制所需的数量，纯粹是为了允许以较低的匝数控制机器中的电压与电流比。这是可能的，因为电动机的高填充因数和使用了容忍高开关频率的合适的控制器，通常是通过六步桥产生方波输出的控制器，或容忍(或能够)高开关频率的类似控制器。

在高速机器的情况下，这尤其不寻常，因为它进一步增加了在机器中传递的信号的电频率，其频率在高速机器中已经过高。如上所述，这个不寻常的步骤可以通过控制器来探索，该控制器特殊地不受开关频率增加到与传统控制器相同的程度的压力的影响。

图5示出了定子芯100、导体条200和端面组件300的分解图，以及使用定子组装工具510构造定子的方法。可以看出，提供了与定子芯100内的槽的数量相等的多个导体条200。

下面参考图6a至6g描述该方法的细节。图6a以剖视图示出了定子组装工具510、定子芯100、导体条200和端板300。在第一步骤中，提供这些组件。然后将定子芯安装到定子组装工具510上。组装工具510包括中心突起512，其被成形为配合在大致圆柱形的中空定子芯100的孔102内。组装工具还具有基部514，以及外突起或边缘516。突起512从该基部514突出。基部512提供肩部或凸缘514，该肩部或凸缘514远离突起的周边的外表面延伸，并用作调节和控制导体条相对于定子组装工具的相对位置的止动件以确保当定子导体滑入槽中时，暴露出预定量的未涂覆导体。

一旦耦接，导体条200就穿过槽滑动就位。外突起或边缘514用于控制定子100和组装工具510之间的相对位置，以在边缘516、突起512和基座514之间为导体200留下足够的空间。

在下一步骤中，端板300自由地与导体200和定子芯100接合。首先将端板300对准，然后通过任何合理的方式将端板300压到或固定到定子芯上。然后可以移除定子组装工具并用于组装相对侧，如图6e和6f所示。最终组装的定子如图6g所示。端板300通常作为整体件安装，但是它可以根据端板的设计而被安装在部件中。

在图7中示出了与上述定子一起使用的优选的控制器。该控制器80的主要特征在于它与换向分开地寻址功率(addresses power)。这种控制方法是这样实现的，即通过流向电动机84的总电流i1 82的控制与电动机84的相连接器上的电流iu、iv、iw 86a-c的换向之间的逻辑分离。在这种情形下，电动机84具有上述的定子布置，即，在槽内具有条形导体。控制器电连接到定子的端板组件。特别地，控制器电连接以利用具有单相的励磁电流使每个端板组件通电。总电流82具有两个比例积分(PI)反馈控制回路88、90，其调节总电流82。

内环88直接控制电流幅值，外环90响应于电动机84的转矩要求(速度/目标速度不匹配)调节电流。内环88包括提供总电流82的幅值的占空比(duty cycle)92以及将当前的总电流82与外环90所需的电流进行比较的(幅值)调节器94。如果外环90所需的总电流82大于当前提供的总电流，那么通过占空比92调节电流以匹配所需电流。可以理解，内环88可以被认为是用于调节电流幅值的调节反馈回路。

外环90还包括(速度)调节器94，其将速度目标96与电动机84的当前速度进行比较，并确定加速到速度目标96所需的总电流82。提供饱和检查100以确保当前需求在控制器80和电动机84的能力范围内。电动机的速度由FN转换器102提供，FN转换器102分析从电动机获得的反EMF信号Vw、Vv、Vu 104并将它们转换以确定电动机速度98和电动机(和磁铁)的角度位置。用于调节总电流82的组件(内部和外部反馈控制回路88、90)可以被认为是用于向电动机84导体提供电流幅值的电流供给反馈回路。

实施这种双层方法是为了防止过电流情况，因为电动机84被最佳地设计为用于非常低的内电感并且因此对损坏非常敏感，除非在短时间内严格控制电流82。为了控制速度96，控制系统80测量电动机反EMF 104的频率以获得电动机速度98。通过将电流指令90设定到内环88，控制系统可以控制扭矩。如果电动机84需要加速，则控制器90将增加电流指令以增加扭矩。总电流82的换向是单独实现的并且出现在电动机84的右侧。换向模式110被动地响应于电动机位置，通过跟踪相连接器上显示的反EMF104测量电动机位置。

优选实施例使用相间电压来测量反EMF。根据电机的典型特性(见下文)，这通常会导致相对于最佳电流换向定时的90度相位。因此，优选实施例实现了低通滤波器112，其在测量的相间电压中产生90度相移。另外，该低通滤波器112从反EMF信号104中去除误差并同时调整相位角，使得该定时适合用作电流换向控制信号。一旦确定了换向模式110，就将其提供给IGBT模块114。然后，可以通过IGBT模块114以所需的换向模式110调节总电流84，以向电动机84输送所需的电流iu、iv、iw。组件110、112和114的这种组合用作换向反馈回路，以控制提供给电动机条导体的励磁电流的定时和持续时间。

图8突出显示占空比92和IGBT模块114。占空比92用作“DC/DC电流源”部分并且产生几乎连续的受控的总安培值82的电流。占空比具有两个IGBT 120、122，并且通过接通和断开IGBT，可以调节总安培值82。占空比92连接到IGBT模块114，其作为对应三相信号的六脚反相器。由于电动机的高基频，该IGBT模块114仅控制换向，并且不需要中断总电流流通以控制功率(如在更传统的控制布局中进行的那样)。“反相器”部分将来自数字控制器(未示出)的换向信号和由占空比92产生的总电流82作为输入。

作为输出，IGBT模块114产生方波电流信号以驱动PM电动机。IGBT模块114的功能是使用简单的开关模式将从占空比92可用的任何总电流82直接传递到电动机84。对于电流86a-c的每个相，提供两个IGBT。电流iu 86a的换向模式由IGBT的116、116b提供，其接通和断开总电流82供给以用于所需的换向模式110。对于电流iv 86b、iw86c的每个附加相，类似的IGBT的118a、118b、120a、120b执行相同的功能。因此，每相提供的电流供给可以是正的、负的或零。

可以理解的是，可以设想与任何早期角色相比的，包括了如上所描述的定子的电机。该电机可以是电动机、发电机、电动发电机或另一系统的一部分，诸如强制感应系统。电机通常具有带有多个磁极对的转子。转子可以位于定子芯内，或者可以根据设想的电机和应用调转。还可以提供如上所述的控制器，该控制器电连接到所述定子。

这里描述的构造方法极大地简化了定子的构造，而不需要通常需要机器人构造和大量时间来设计和构造的详细电动机绕组模式。

通过阅读本公开，其他变化和修改对于本领域普通技术人员将变得显而易见。这些变化和修改可以包括在电机领域中已知的等效和其他特征，并且可以代替或补充本文已经描述的特征。

尽管所附权利要求涉及特征的特定组合，但应理解，本发明的公开内容的范围还包括本文公开的无论是明确地还是隐含地或其任何概括的任何新特征或任何新特征的组合，无论它是否与在任何权利要求中要求保护的发明相同，以及无论它是否缓和了与本发明相同的任何或所有相同的技术问题。

在单独的实施例的上下文中描述的特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，出于简要，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。申请人在此通知，在本申请或由此衍生的任何进一步申请的审查期间，可以对这些特征和/或这些特征的组合制定新的权利要求。

为了完整起见，还指出，术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一个”或“一个”不排除多个，并且权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (50)

1.一种电机，包括：

定子，所述定子包括：

圆柱形定子芯，具有端面；

槽，设置在所述端面上，每个槽延伸穿过所述定子芯；

多个导体条，设置在所述槽内；和

端面组件，电连接至少两个所述导体条；所述端面组件包括电路板；所述电路板包括一个或多个电路径，每个电路径电连接两个或更多个导体条，所述电路板还包括用于使连接器条通电的外部电连接；

转子，具有多个磁极对；以及

控制器，电连接至所述电路板，用于调节供应至所述导体条或从所述导体条供应的励磁电流，其中，所述控制器独立于所述励磁电流的频率来调节所述励磁电流的幅值；

所述端面组件包含多个切口区域，所述切口区域为所述控制器与所述导体条的连接点。

2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个导体条填充所述槽的体积的60％至90％。

3.根据权利要求1所述的电机，其中，每个槽提供有一个或两个导体条。

4.根据权利要求1所述的电机，其中，至少两个导体条的端部从所述端面向外突出，并且其中，电连接至所述导体条的端面组件接收所述导体条的端部。

5.根据权利要求1所述的电机，其中，所述励磁电流包括多个相，并且其中，所述控制器被配置为向设置在槽内的每个导体条供应相同相的励磁电流。

6.根据权利要求1所述的电机，其中，多个槽形成一个或多个电槽分组，每个分组独立于其他分组串联电连接到控制器。

7.根据权利要求6所述的电机，其中，每个电槽分组由具有单独电相的励磁电流通电。

8.根据权利要求1所述的电机，其中，所述控制器包括：

电源，用于向所述导体条提供励磁电流；和

换向控制器，独立于电源操作，并且可操作以在任何给定时间控制供给到定子的不同导体条的励磁电流的定时和持续时间。

9.根据权利要求8所述的电机，其中，所述电源包括电流供给控制器，以控制供应至所述导体条的电流的幅值。

10.根据权利要求9所述的电机，其中，所述电流供给控制器包括调节电流供给反馈回路，用于根据电机的目标速度调节供应至所述导体条的电流幅值。

11.根据权利要求8所述的电机，其中，所述励磁电流的供给的定时和持续时间取决于电机的角位置，并且励磁电流的幅值独立于施加到导体条的励磁电流的定时和持续时间而变化。

12.一种强制感应系统，包括权利要求1至11中任一项所述的电机。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的电机，其中，每个导体条是均匀的实心条。

14.根据权利要求1至11中任一项所述的电机，其中，每个导体条是层压实心导体的刚性复合结构。

15.根据权利要求1至11中任一项所述的电机，其中，所述导体条由所述端面组件内的切口部分接收。

16.根据权利要求1至11中任一项所述的电机，其中，所述端面组件包括用于电连接所述导体条的一个或多个端面导体。

17.根据权利要求16所述的电机，其中，每个端面导体包括封装在绝缘材料中的导电材料，使得每个端面导体是电隔离的。

18.根据权利要求16所述的电机，其中，所述端面组件包括夹在一起的一个或多个端面导体。

19.根据权利要求16所述的电机，其中，每个或所述端面导体布置成将两个或更多个导体条电连接到单相电信号。

20.根据权利要求16所述的电机，其中，每个或所述端面导体被分段以形成不连续表面。

21.根据权利要求20所述的电机，其中，所述不连续表面包括用于电连接两个或更多个导体条的一个或多个汇流条。

22.根据权利要求21所述的电机，其中，所述汇流条包括用于接收所述导体条的端部的孔。

23.根据权利要求16所述的电机，其中，所述端面导体包括切口，所述切口提供用于将导体条直接电连接到控制器的区域。

24.根据权利要求16所述的电机，其中，提供两个或更多个端面导体，每个端面导体通过绝缘层分离并电隔离。

25.根据权利要求1所述的电机，其中，所述端面组件配置为接收热板以冷却所述端面组件。

26.根据权利要求25所述的电机，其中，所述端面组件构配置为抵靠热板。

27.根据权利要求1所述的电机，其中，所述端面组件包括用于使热量远离所述定子耗散的散热器。

28.根据权利要求1所述的电机，其中，所述端面组件设置有用于从冷却系统接收冷却流体的多个冷却通道。

29.根据权利要求1所述的电机，其中，所述端面组件基本上邻接所述定子芯的端面。

30.根据权利要求1所述的电机，其中，所述电路板包括绝缘基板。

31.根据权利要求1或30所述的电机，其中，每个路径将导体条电连接到电源的单独相。

32.根据权利要求6或7所述的电机，其中，每个电槽分组通过单独的端面组件电连接。

33.根据权利要求1所述的电机，其中，槽由齿分开，并且其中，所述导体条被齿限制在槽内。

34.根据权利要求1所述的电机，其中，每个导电条是整体件。

35.根据权利要求1所述的电机，其中，

由励磁电流产生的用于电机的期望的反EMF电压通过改变转子上的磁极对的数量和定子中的槽的数量来配置，优先于改变每个槽内的条的数量和配置。

36.根据权利要求1所述的电机，其中，所述转子的旋转速度等于或大于50,000 rpm。

37.根据权利要求1所述的电机，其中，所述控制器以等于所述电机的旋转速度的频率调节所述电流。

38.根据权利要求1所述的电机，其中，所述电机在10V和200V之间的电压下操作，其中，电流在10A和200A之间。

39.根据权利要求1所述的电机，其中，所述电机是电动机、发电机或电动发电机。

40.一种用于高速、低电感电机的定子，所述定子包括：

圆柱形定子芯，具有端面；

槽，设置在所述端面上，每个槽延伸穿过定子芯；

多个导体条，设置在每个槽内；

端面组件，所述端面组件电连接至少两个导体条；以及

其中，设置在槽内的多个导体条电连接至励磁电流的单个电相，

其中，每个条的端部从容纳所有导体条的端部的端面向外突出；

所述端面组件包括电路板；所述电路板包括一个或多个电路径，每个电路径电连接两个或更多个导体条，所述电路板还包括用于使连接器条通电的外部电连接；

所述端面组件包含多个切口区域，所述切口区域用于导体条与电机控制器连接。

41.根据权利要求40所述的定子，其中，每个槽中的所述多个导体条是2个导体条。

42.根据权利要求40所述的定子，其中，所述电路板包括一个或多个电路径，每个电路径将两个或更多个导体条电连接到由电源供给的励磁电流的单独相。

43.一种制造用于电机的定子的方法，所述方法包括以下步骤：

提供圆柱形定子叠层，所述叠层具有中空的芯以及设置在端面上，穿过芯并围绕芯的多个槽；

将所述叠层安装在定子组装工具上，所述工具具有容纳在所述芯内的突起；

在所述多个槽内插入多个导体条；和

将端面组件放置在所述端面上，所述端面组件电连接两个或更多个导体条；

所述端面组件包括电路板；所述电路板包括一个或多个电路径，每个电路径电连接两个或更多个导体条，所述电路板还包括用于使连接器条通电的外部电连接；

所述端面组件包含多个切口区域，所述切口区域用于导体条与电机控制器连接。

44.根据权利要求43所述的方法，其中，所述导体条长于所述定子叠层的长度，使得所述导体的端部远离所述端面突出超过所述槽。

45.根据权利要求44所述的方法，其中，所述端面包括多个成形为容纳所述端部的孔，所述方法还包括将所述导体的端部插入所述孔中的步骤。

46.根据权利要求44或45所述的方法，其中，所述定子组装工具包括外边缘，所述外边缘包括通道，其中，所述外边缘接收所述定子叠层并且所述通道接收所述导体条。

47.根据权利要求44所述的方法，还包括将所述端面组件的一部分与用于控制器的连接件对准的步骤。

48.根据权利要求44所述的方法，还包括步骤：在所述导体条和所述端面组件之间形成刚性结合。

49.根据权利要求44 所述的方法，还包括将定子的端面组件连接到热板的步骤，使得所述端面组件基本上邻接所述热板。

50.根据权利要求44 所述的方法，其中，端板组件包括多个冷却通道，所述方法还包括将所述冷却通道连接至冷却系统的步骤。

Images