CN109980824A - 电机、致动单元和用于操作电机的方法 - Google Patents

电机、致动单元和用于操作电机的方法 Download PDF

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Abstract

提供一种电机(21)，其具有定子(20)并且具有可旋转地安装到定子(20)的转子(29)。定子(20)包括定子绕组(24)、至少三个齿(23)和至少三个凹槽(22)。在每种情况下，沿定子(20)的圆周在两个凹槽(22)之间布置定子(20)的一个齿(23)，并且定子绕组(24)具有至少三个线圈(25)，其中线圈(25)中的每个围绕定子(20)的齿(23)缠绕，使得定子绕组(24)是集中绕组。另外，所有线圈(25)的缠绕方向相同，线圈(25)中的每个设计成用其自己的相电流来馈送，并且定子(20)设计成生成至少两个旋转磁场，至少两个旋转磁场特别是同时地具有彼此独立的不同数量的极对。另外，指定用于电机(21)的致动单元(40)和用于操作电机(21)的方法。

Description

电机、致动单元和用于操作电机的方法
技术领域
本申请涉及一种电机、致动单元和用于操作电机的方法。
背景技术
通常，电机包括定子和相对于定子可移动的转子。电机能够作为电动机或发电机操作，其中，将电能转换成动能或相反。
电机的定子通常具有导电的定子绕组。定子绕组能够由布置在定子的凹槽中的线棒形成。然而，在较高的频率下，能够在线棒中发生集肤效应，这能够导致损耗增加。另外，只能通过增加各个线棒的相电流来增加由定子生成的旋转磁场的磁动力。这能够导致较高的成本或较大体积的电力电子器件。
发明内容
要达到的目的是提供一种能够高效操作的电机。要达到的另一个目的是提供一种能够高效操作的致动单元。要达到的另一个目的是提供一种用于操作电机的有效方法。
通过独立权利要求的主题来实现这些目的。在从属权利要求中描述了有利的实施例和进一步的发展。
根据电机的至少一个实施例，电机包括定子以及可旋转地安装到定子的转子。转子例如能够由以下形成：笼式转子、具有永磁体的转子、外部激励的同步转子、用于开关磁阻电机的转子或用于同步磁阻电动机的转子。转子能够是内转子或外转子。能够在定子和转子之间布置气隙。
定子包括定子绕组。定子绕组至少在合适的位置处能够导电。此外，定子绕组至少在合适的位置处能够布置在定子中。定子绕组能够连接到电力电子器件并且设计成生成旋转磁场。
定子还包括至少三个齿。齿能够在定子的纵向轴线上延伸。另外，齿能够沿定子的圆周分布。定子能够具有垂直于定子的纵向轴线延伸的横截面。定子的圆周能够由围绕横截面的周围给出。定子的横截面能够是近似圆形的。齿能够沿定子的圆周均匀分布。齿能够与定子整体形成。
定子还可以具有一个定子叠片或多个定子叠片。一个定子叠片或多个定子叠片能够形成齿。齿能够布置在定子的内侧上。这意味着，例如，齿布置在定子的侧上，电机的转子能够布置在该侧上。齿能够成形为使得凹部布置在沿定子的圆周的齿之间。因此，每个齿能够与另一个齿间隔开，并且凹部能够布置在每两个齿之间。
还可以将齿布置为定子的外侧(例如内侧)上的突起。突起中的每个能够在定子的整个纵向轴线上均匀地延伸。齿还能够形成为尖峰或峰。
定子还具有至少三个凹槽。凹槽能够是定子中的凹部。凹槽能够各自沿定子的整个纵向轴线延伸。凹槽能够完全布置在定子的内侧。在这种情况下，凹槽没有通向定子的外侧的开口。还可以的是，每个凹槽具有至少一个开口。开口能够布置在例如定子的外侧上。例如，开口能够布置在定子的侧上，电机的转子能够布置在该侧上。凹槽能够沿定子的圆周分布。例如，凹槽能够沿定子的圆周均匀分布。
在每种情况下，定子的一个齿布置在沿定子的圆周的两个凹槽之间。凹槽和齿能够沿定子的纵向轴线平行延伸。凹槽能够是凹部，其能够布置在每两个齿之间。因此，齿中的每个能够布置在每两个凹槽之间。
定子绕组具有至少三个线圈，其中，线圈中的每个线圈围绕定子的齿缠绕，使得定子绕组是集中绕组。用于集中绕组的另一个术语能够是齿线圈绕组。至少三个线圈能够包括导电材料。线圈中的每个能够具有多个绕组。换句话说，线圈中的每个能够具有多个导体部分，其中，至少两个导体部分布置在定子的不同凹槽中。导体部分彼此连接并形成线圈的绕组。线圈中的每个能够围绕定子的齿缠绕，使得每个线圈的至少一个导体部分平行于定子的纵向轴线延伸。线圈能够彼此电绝缘。此外，线圈中的每个能够连接到其自己的电源单元。
线圈中的每个能够形成定子绕组的电相。这能够意味着能够单独驱动线圈中的每个线圈，并且线圈彼此电绝缘。因此，定子绕组能够具有用于生成旋转磁场的多个电相或至少三个电相。
所有线圈的缠绕方向相同。这能够意味着所有线圈都以相同的方式缠绕。线圈中的每个能够围绕定子的齿以同一方向缠绕。
线圈中的每个设计成用其自己的相电流来馈送。各种相电流能够由电力电子器件提供。线圈中的每个能够连接到其自己的电源单元，该电源单元设计成对线圈中的每个线圈用其自己的相电流来馈送。相电流能够彼此异相。此外，相电流能够具有不同的幅度。通过对线圈用它们自己的相电流来馈送，在电机的操作期间，定子绕组能够生成旋转磁场。旋转磁场能够设计成驱动电机的转子。
这里描述的定子的定子绕组能够具有至少三个线圈并且因此具有至少三个电相。此外，定子绕组能够具有任何更多数量的电相。定子绕组的电相的数量不限于3的倍数。例如，定子绕组因此能够具有十个或十一个电相。
定子设计成生成至少两个旋转磁场，该至少两个旋转磁场具有彼此独立的、不同数量的磁极对。定子还能够设计成同时生成至少两个旋转磁场，该至少两个旋转磁场具有彼此独立的、不同数量的磁极对。通过用彼此异相的相电流来馈送定子绕组的线圈，定子能够生成时变磁场，例如旋转磁场。极对的数量指示旋转磁场的极对的数量。极对的数量能够是可调节的。
能够叠加相电流，例如，以生成第一旋转磁场和第二旋转磁场。因此，每个旋转磁场的参数能够彼此独立地改变或控制。在这种情况下，第一旋转磁场能够具有与第二旋转磁场不同数量的极对。例如，在不改变其他旋转磁场的情况下，能够改变或调整每个旋转磁场的极对的数量。也就是说，每个旋转磁场的极对的数量能够针对每个旋转磁场而单独改变或设置。因此，能够彼此独立地生成旋转磁场。
还可以叠加相电流以生成多于两个的旋转磁场。通过将线圈中的每个设计成用其自己的相电流来馈送，可以进行相电流的叠加，以独立地生成不同的旋转磁场。
具有定子，该定子设计成生成具有不同数量的极对的至少两个旋转磁场，的电机能够用于不同类型的电机和不同的操作状态。例如，这种电机能够用于电流激励同步机，其中，旋转磁场的工作波用于生成转矩，并且其中，工作波的高次谐波用于将能量传递到转子。在这种情况下，有利地，能够是基波的工作波和高次谐波能够彼此单独地设置和控制。
此外，在异步机中，具有不同数量的极对的几个旋转磁场能够同时生成并用于生成转矩。另外，对于这里描述的电机，能够经由相电流调节旋转磁场中的每个旋转磁场对总转矩的贡献。
另外，这里描述的电机能够具有包括多个永磁体的转子。在这种情况下，永磁体能够布置在转子中，使得转子能够与具有至少两个不同数量的极对的旋转磁场相互作用。因此，例如，能够在定子中生成旋转磁场，转子的该数量的极对中的仅一个极对能够与该场相互作用。还可能在定子中生成多个旋转磁场，转子的不同数量的极对能够与这些旋转磁场相互作用。
类似地，这里描述的电机能够用于同步磁阻机，其中，转子设计成与多于一个的数量的极对相互作用。
这里描述的电机还能够用于各种类型的电机，例如混合机。混合机能够具有各种组合的转子，例如，以下中的至少两个的组合：异步转子、具有永磁体的转子、用于开关磁阻机的转子、用于同步磁阻机的转子以及具有倍数数量的极对的转子。
除了别的以外，这里描述的电机基于以下思想：定子绕组中最大可达到电流能够增加，其中，定子绕组由至少三个线圈形成，该至少三个线圈具有每个线圈的多个导体部分。与用各个导体细丝形成的电绕组相比，利用具有线圈的定子绕组，能够使每个凹槽的最大总电流可以更高。利用每个凹槽的更高的总电流，能够生成由定子绕组生成的旋转磁场的更大的磁动力。由于定子绕组包括线圈，因此能够增加每个凹槽的最大总电流，而不显着增加电力电子器件的体积或成本。因此，能够更有效地操作定子。
此外，电机的定子能够具有任何数量的至少三个电相。因此，电机能够具有各种类型的转子，例如，同步转子、具有永磁体的转子、外部激励的同步转子、用于开关磁阻电机的转子或用于同步磁阻电动机的转子。此外，由于任意数量的至少三个电相，能够优化定子或电机的各种参数。例如，能够选择电相的数量，使得能够优化诸如齿凹槽转矩、转矩波动、电力密度或噪声和振动问题的抑制之类的参数。
根据电机的至少一个实施例，相电流彼此异相。这意味着相电流在时间上彼此偏移或在时间上相移。能够设置相电流以生成随时间可变化的旋转磁场，使得能够在电机的转子中生成转矩。因此，电机能够有利地用作电动机。
根据电机的至少一个实施例，围绕定子的每个齿缠绕定子绕组的一个线圈。在这种情况下，定子绕组的电相的数量能够等于定子的齿的数量。恰好能够围绕定子的每个齿缠绕定子绕组的一个线圈。这种类型的定子绕组能够实现高的绕组因数。
根据电机的至少一个实施例，围绕定子的每个第二齿缠绕定子绕组的一个线圈。这意味着定子绕组的线圈围绕其缠绕的每个齿布置在两个齿之间，这两个齿没有定子绕组的线圈。这也意味着定子的齿，其布置在定子绕组的线圈围绕其缠绕的每两个齿之间，没有定子绕组的线圈。在这种情况下，不需要将凹槽中的两个线圈相对彼此电绝缘，因为线圈中的每个布置在其自己的两个相应的凹槽中。
根据电机的至少一个实施例，线圈经由短路装置在定子的第一侧上彼此电连接。这意味着线圈在定子的第一侧上彼此连接以形成短路。为此目的，线圈能够各自导电连接到短路装置。短路装置能够是短路环。短路装置能够包括导电材料。在定子背离第一侧的第二侧上，线圈中的每个能够连接到电源单元，例如半桥。这种布置允许单独控制线圈。
根据电机的至少一个实施例，线圈各自包括单个导体或者在每种情况下的彼此平行布置并且并联电连接的多个导体细丝。因此，线圈能够各自包括单个导电线或线棒，或者用一种或多种导电材料形成。还可以的是，线圈各自包括彼此平行布置的多个导电线、线棒或导体细丝。还可以的是，一些线圈各自包括单个导体，并且其他线圈各自包括彼此平行布置并且并联电连接的多个导体细丝。因此，每个线圈能够供应有其自己的相电流，使得定子能够生成旋转磁场。另外，在线圈各自包括多个导电线的情况下，能够减少线圈中的集肤效应。
根据电机的至少一个实施例，定子设计成生成至少一个旋转磁场，其中，极对的数量是可变的。例如，能够通过改变相电流来改变极对的数量。由于线圈中的每个设计成用其自己的相电流来馈送，因此能够改变极对的数量。因此，极对的数量能够取决于相电流。旋转磁场的极的数量能够例如等于定子的电相的数量。还可以的是，旋转磁场的极的数量小于定子的电相的数量。如果电机的转子能够与旋转磁场的该数量的极对相互作用，则转子能够由旋转磁场生成的扭矩驱动。
有利地，在不改变定子的结构的情况下，能够改变由定子生成的旋转磁场的极对的数量。因此，还可以在操作电机时改变极对的数量。
根据电机的至少一个实施例，在至少一个齿的第一侧上的线圈的导体部分的数量大于在同一齿背离第一侧的第二侧上的线圈的导体部分的数量。这意味着，例如，定子的第一侧上的线圈连接到短路装置，并且定子的第二侧上的线圈各自连接到电源单元。
如果线圈包括多个导体部分，则在齿的一侧上比在背离该侧的一侧上需要再多一个导体部分，使得线圈连接到在定子的第一侧上的短路装置，并且能够连接到定子的第二侧上的电源单元。例如，齿的第一侧能够比同一齿的第二侧邻近于不同的凹槽。在齿的第一侧上的至少一个线圈的导体部分的数量，该至少一个线圈围绕该齿缠绕，能够大于该齿的第二侧上的同一线圈的导体部分的数量。例如，与第二侧上的导体部分的数量相比，在齿的第一侧上，至少一个线圈的导体部分的数量能够大1或至少大1。还可能的是，在齿的第一侧上的每个线圈的导体部分的数量，相应的线圈围绕该齿缠绕，大于相应的齿的第二侧上的同一线圈的导体部分的数量。例如，齿的第一侧上的每个线圈的导体部分的数量能够比第二侧上的导体部分的数量大1或至少大1。
这还能够意味着第一凹槽中的至少一个线圈的导体部分的数量大于第二凹槽中的同一线圈的导体部分的数量，其中，第一凹槽和第二凹槽彼此邻近布置，并且各自邻近同一齿。还可能的是，第一凹槽中的每个线圈的导体部分的数量大于第二凹槽中的相应线圈的导体部分的数量。
还可能的是，对于线圈中的每个，至少一个齿的第一侧上的相应线圈的导体部分的数量大于同一齿的第二侧上的相应线圈的导体部分的数量，或反之亦然。例如，相应齿的第一侧上的每个线圈的导体部分的数量能够与相应齿的第二侧上的相应线圈的导体部分的数量相差至少1。线圈能够布置成使得每个线圈的至少一个导体部分布置在第一凹槽中，并且至少一个其他导体部分布置在第二凹槽中，其中，第一凹槽和第二凹槽彼此邻近并且邻近于同一齿。针对线圈中每个，第一凹槽中的导体部分的数量能够与第二凹槽中的其他导体部分的数量不同。
在围绕定子的齿中的每个齿缠绕一个线圈的情况下，线圈的导体部分能够分布成使得在每个凹槽中布置同一数量的导体部分。
根据电机的至少一个实施例，转子具有励磁绕组和磁场绕组。励磁绕组和磁场绕组能够各自具有至少三个线圈，这些线圈能够沿转子的圆周布置。励磁绕组的线圈能够彼此串联连接。这种转子能够与这里描述的定子一起用于电流激励(自励)同步机和/或无刷电流激励同步机。
根据电机的至少一个实施例，励磁绕组具有至少三个线圈，并且线圈中的每个连接到其自己的整流器。整流器电连接到电压输出端。因此能够针对线圈中的每个线圈来矫正感应电压。这种转子能够与这里描述的定子一起用于电流激励(自励)同步机和/或无刷电流激励同步机。
此外，指定了一种用于电机的致动单元。
根据致动单元的至少一个实施例，致动单元包括补偿单元，补偿单元设计成生成补偿信号，以用于至少部分地补偿磁力的至少一个不希望的分量，其中，在电机的操作期间，磁力由定子生成的旋转磁场感应出。补偿单元能够布置成使得线圈中的每个能够用其自己的相应补偿信号来馈送。因此，补偿单元设计成生成至少三个补偿信号。补偿信号能够设计成在电机的操作期间在定子中生成至少一个补偿分量。补偿分量能够是在电机的操作期间由定子生成的旋转磁场的谐波分量。旋转磁场的谐波分量能够是例如旋转磁场的基波、谐波、模式或高次谐波。
在电机的操作期间能够由定子生成的旋转磁场能够具有谐波分量，该谐波分量至少在一个频率范围中能够对电机中的振动、振荡或噪声的发展有贡献。在电机的操作期间，振动、振荡和噪声的发展通常是不希望的。
因此，补偿分量能够设计成补偿由定子生成的旋转磁场的至少一个不希望的谐波分量。这意味着补偿分量能够设计成感应出磁力，该磁力至少部分地补偿在电机的操作期间、由定子生成的旋转磁场感应出的磁力的不希望的分量。不期望的谐波分量可以例如是在电机的操作期间生成振动和/或噪声的谐波分量。
为了补偿不期望的谐波分量，补偿分量能够具有例如与一个或多个待补偿的谐波分量相同的幅度，以及到一个或多个待补偿的谐波分量的180°的相移。在这种情况下，由补偿分量生成的磁力和在操作期间由定子生成的旋转磁场的至少一个谐波分量生成的磁力能够至少部分地彼此补偿。优选地，由补偿分量生成的磁力和在操作期间由定子生成的旋转磁场的至少一个谐波分量生成的磁力能够彼此补偿或很大程度上补偿。因此，并非由在操作期间生成的旋转磁场感应出的所有磁力都被补偿，而是仅补偿感应出的磁力的至少一个不期望的分量。
补偿信号还能够设计成在电机的操作期间、在定子中生成至少一个补偿分量或几个补偿分量。如果生成几个补偿分量，则能够至少部分地补偿在电机的操作期间、由定子生成的旋转磁场感应出的磁力的至少两个不希望的分量。此外，在操作期间、由定子生成的至少两个旋转磁场感应出的磁动力的至少两个不希望的分量还可能由至少一个补偿分量来补偿。
补偿单元能够设计成生成可调节的补偿信号。为此，例如，能够设置诸如补偿信号的幅度或相移之类的参数。在由补偿单元生成的补偿信号被馈送到定子绕组之前，补偿信号能够与用于生成相电流的信号叠加，由此能够生成旋转磁场。
根据致动单元的至少一个实施例，在电机的至少一个可指定的操作点生成补偿信号。电机的操作点能够对应于例如转子的旋转速度。指定生成补偿信号的至少一个操作点，在磁力的相应分量对在至少一个操作点在电机中发生振动、振荡或噪声有贡献的情况下，使得能够补偿磁力的至少一个不期望的分量。
例如，能够在测试台上确定至少一个操作点，在该操作点发生振动、振荡和/或噪声的发展。能够为补偿单元指定至少一个确定的操作点，以便在至少一个确定的操作点生成补偿信号。有利地，因此能够避免或减少在电机的操作期间的不期望的振动、振荡和/或噪声。
此外，指定了一种用于操作电机的方法。因此，针对用于操作电机的方法，还公开了所描述的电机和所描述的致动单元的所有特征，且反之亦然。
根据用于操作电机的方法的至少一个实施例，该方法包括提供电机的定子的步骤，该定子具有至少三个齿、至少三个凹槽以及具有至少三个线圈的定子绕组。电机还能够包括可旋转地安装到定子的转子。
根据用于操作电机的方法的至少一个实施例，该方法具有步骤：对定子的至少三个线圈各自用其自己的相电流来馈送。线圈中的每个能够由其自己的电源单元用其自己的相电流来馈送。
根据用于操作电机的方法的至少一个实施例，在每种情况下，定子的一个齿布置在沿着定子的圆周的两个凹槽之间。
根据操作电机的方法的至少一个实施例，线圈中的每个线圈围绕定子的一个齿缠绕，使得定子绕组是集中绕组。
根据用于操作电机的方法的至少一个实施例，所有线圈的缠绕方向相同。
根据用于操作电机的方法的至少一个实施例，定子设计成，特别是同时地，生成具有不同数量的极对的至少两个旋转磁场。
根据用于操作电机的方法的至少一个实施例，该方法具有步骤：在电机的操作期间，由定子生成至少一个旋转磁场，由补偿单元生成至少三个补偿信号，其中，每个补偿信号相应地与相电流相关联，并且将相应的补偿信号叠加在相应的相关联的相电流上，借以至少部分地补偿由旋转磁场感应出的磁力的至少一个不希望的分量。这意味着能够用补偿信号和用于生成旋转磁场的相电流来馈送线圈。在这种情况下，对于每个线圈，将相应的相电流和相应的补偿信号叠加。有利地，通过生成至少一个补偿分量，能够至少部分地补偿或很大程度上补偿由旋转磁场感应出的磁力的至少一个不期望的分量。因此能够防止或减少电机的操作期间的不期望的振动和/或噪音。
在下文中，结合实施例和相关附图更详细地解释在此描述的电机、致动单元和用于操作电机的方法。
附图说明
图1示出了穿过定子的实施例的示意性横截面。
图2示出了定子的实施例的示意性结构。
图3A和3B中以示例的方式示出了线圈的构造。
图4、5、6、7A、7B、8A和8B示出了根据各种实施例的定子绕组的布置。
图9A、9B、9C和10示出了定子的各种实施例的磁动力。
图11A和11B示出了穿过定子的其他实施例的示意性横截面。
图12指定了用于定子的各种实施例的绕组因数。
图13A和13B中以示例的方式示出了补偿分量。
图14示出了致动单元的实施例的示意性结构。
图15示出了穿过电机的实施例的横截面。
图16示出了电机的实施例的力密度。
图17以示例的方式示出了对电机实施例的磁力的分量的补偿。
图18A和18B示出了用于电机的定子。
图19A、19B、19C和19D示出了转子的实施例。
具体实施方式
图1示出穿过用于电机21的定子20的实施例的示意性横截面。定子20沿纵向轴线延伸，该纵向轴线的走向垂直于横截面的表面。定子20的横截面是圆形的。定子20具有中空圆柱体的形状。转子29能够布置在定子20的内部中。
定子20具有定子绕组24。定子绕组24具有11个线圈25。线圈25中的每个围绕定子20的齿23缠绕。定子绕组24是集中绕组。对于所有线圈25，11个线圈25的缠绕方向相同。线圈25中每个线圈的缠绕方向用正号和负号表示。定子20还具有沿定子20的圆周均匀分布的11个齿23。齿23能够形成为使得在每种情况下在两个齿23之间布置凹部。另外，定子20具有11个凹槽22。凹槽22沿定子20的圆周均匀分布。在每种情况下，定子20的一个齿23沿定子20的圆周布置在两个凹槽22之间。
线圈25中的每个形成定子绕组24的电相。另外，线圈25中的每个设计成用其自己的相电流来馈送。为此目的，线圈25中的每个连接到其自己的电源单元31。由于线圈25中的每个线圈能够由其自己的电源单元31单独驱动，因此相电流能够彼此异相。定子20设计成生成至少两个旋转磁场，这些旋转磁场(特别地同时)具有彼此独立的不同数量的极对。
图2示出了定子20的实施例的示意性结构。定子20具有多个线圈25，每个线圈25连接到其自己的电源单元31。
举例而言，图2中示出了五个线圈25及它们的电源单元31。线圈25经由定子20的第一侧26上的短路装置28彼此电连接。线圈25在与第一侧26相对的第二侧27上连接到它们各自的电源单元31。
图3A以示例的方式示出了线圈25的结构。举例而言，线圈25具有三个导体部分32。导体部分32大体沿定子20的纵向轴线延伸。另外，示意性地表示了线圈25的缠绕方向。导体部分32中的两个在一个方向上延伸，该方向由两个正号示出；并且另一个导体部分32在相反方向上延伸，该方向由负号示出。换句话说，线圈25总共具有1.5个绕组44。线圈25电连接到第一侧26上的短路装置28。线圈25电连接到第二侧27上的电源单元31。在该实施例中，线圈25包括单个导体。
图3B以示例的方式示出了穿过线圈25的导体部分32的横截面。线圈25包括彼此平行布置并且并联电连接的多个导体细丝。因此能够避免或减少集肤效应。
图4示出了根据实施例的定子绕组24的布置。为此目的，在平面中投影示出了穿过定子20的横截面。齿23示出为彼此相邻布置。线圈25围绕齿23缠绕并布置在凹槽22中。凹槽22的开口侧能够例如指向转子29能够布置在定子20中的方向。线圈25中的每个线圈具有由正号和负号标记的三个导体部分32。因此，定子20的纵向轴线垂直于图片平面延伸。线圈25中的两个布置在定子20的外侧，以示出凹槽22中的线圈25。第一线圈25围绕齿23缠绕，使得两个导体部分32布置在第一凹槽22中，并且一个导体部分32布置在第二凹槽22中。一个第二线圈25围绕一个齿23缠绕，使得两个导体部分32布置在与第一线圈25的一个导体部分32相同的凹槽22中。第二线圈25的第三导体部分32布置在第三凹槽22中。如图所示，通过举例的方式针对第一和第二线圈25来布置剩余的线圈25。
图5示出了根据图4中所示实施例的定子绕组24的示意图。定子20具有多个线圈25。如图4中所示，线圈25各自具有三个导体部分32。在每种情况下，一个线圈25的两个导体部分32布置在与另一线圈25的一个导体部分32相同的凹槽22中。线圈25电连接到第一侧26上的短路装置28。在第二侧27上，线圈25中的每个连接到能够是半桥式的电源单元31。例如，电源单元31中的每个能够具有两个开关36，如针对电源单元31之一所示。电源单元31电连接到电机21的电源33。
图6示出了根据另一实施例的定子绕组24的示意图。与图4和5中所示的实施例相对比，在图6中，线圈25中的每个具有两个导体部分32。线圈25中的每个电连接到电源单元31和第一侧26上的短路装置28。
图7A、7B、8A和8B示意性地示出了能够为了计算定子20的实施例中的磁动力而单独考虑每个线圈25的各个导体部分32。
图7A示出了投影在平面中的穿过定子20的横截面的片段。定子20具有多个齿23，围绕齿23中的每个缠绕一个线圈25。为了计算由定子绕组24生成的旋转磁场的磁动力，图7A中的线圈25具有偶数个导体部分32，并且因此仅示出了导体部分32的总数的一部分。图7A中未示出的最后导体部分32在图8A中单独示出，以用于计算磁动力。在图7A中，两个凹槽22之间的距离对应于定子绕组24的两个电相之间的角度
图7A中所示的导体部分32与由定子绕组24生成的旋转磁场的磁动力F的比例F1能够如下式给出：
在这种情况下，x表示沿定子20的圆周的位置，t表示时间，m表示电相的数量，N表示导体部分32的数量，表示相应相电流的幅度，ξ表示线圈绕组因数，以及ω表示相电流的频率。
相电流ik由下式给出：
谐波数ν由下式给出：
V＝m*g+p，
其中，g是整数。这意味着磁动力F1能够具有偶数阶和奇数阶的谐波分量。
线圈绕组因数ξ由下式给出：
p是极对的数量并且是可变参数，该可变参数能够经由定子凹槽的数量Q来计算，并且能够采用以下值：
此外，图7B示出了能够表示缠绕函数θ。在x轴上以弧度为单位表示沿着定子20的圆周的位置x。绕组函数θ的幅度绘制在y轴上。一个示例是具有由正号和负号指示的两个导体部分32的线圈25。导体部分32分别以角度和布置。绕组函数θ的正幅度由下式给出：
绕组函数θ的负幅度由下式给出：
类似于图7A，在图8A中在平面中投影示出了穿过定子20的横截面的细节。在这种情况下，在每个齿23的第一侧26上的线圈25比每个齿23的第二侧上的线圈具有数量多1的导体部分32的情况下，示出另外的导体部分32。在这种情况下，导体部分32指向图平面中。由定子绕组24生成的旋转磁场的总磁动力F能够由图7A中所示的磁动力F1和图8A中所示的导体部分32的磁动力F2之和确定。因此，总磁动力F涉及定子绕组24，例如，如图5中的实施例所示。
图8A中所示的导体部分32与由定子绕组24生成的旋转磁场的磁动力F的比例F2能够给出如下：
因此，总磁动力F由下式给出：
F＝F1+F2
类似于图7B，图8B示出了用于图8A中所示的导体部分32的绕组函数θ。在x轴上以弧度为单位表示沿着定子20的圆周的位置x。绕组函数θ的幅度绘制在y轴上。以示例的方式示出了由叉号指示的导体部分32。
图9A示出了针对本文根据实施例描述的定子20和另一定子的磁动力的模拟。在上图中，在x轴上以弧度为单位绘制沿着定子20的圆周的角度因此，所示的片段对应于围绕定子20的圆周的2π的周期。在y轴上绘制归一化为1的磁动力。曲线A示出了根据实施例的定子20的磁动力。曲线B示出了在其中定子绕组由各个导电线棒形成的定子的磁动力。在图18A中以示例的方式示出了一个这样的定子。对于图9A的两个定子，电相的数量是18。在定子20的该实施例中，针对线圈25中的每个，每个线圈25的第一侧26上的导体部分32的数量是两个，并且在每个线圈25的第二侧27上是一个。这意味着线圈25中的每个具有总共三个导体部分32。该实施例以示例的方式在图5中示出。另外，图9A中所示的两个定子的极对的数量是1。图9A中的上图示出了，相比于利用定子绕组由各个导电线棒形成的定子，利用这里描述的定子20能够生成具有更大幅度的磁动力。此外，两个定子都设计成生成旋转磁场。
在图9A中下图中的x轴上，绘制上图中所示的磁动力的谐波分量。在y轴上绘制归一化为1的磁动力。情况A和B对应于利用图9A中上图所描述的那些情况。在两个定子中，磁动力具有基波(p＝1)和两个其他谐波分量，其中，这两个其他谐波分量的幅度相对于基波显着减小。进一步示出，相比于定子绕组由各个导电线棒形成的定子，这里描述的定子20的磁动力的幅度更大。
图9B示出了针对具有两个极对(p＝2)的旋转磁场、如图9A所描述的两种不同定子的磁动力。在所描述的两种定子中，能够通过改变相电流来改变所生成的旋转磁场的极对的数量，而不需要改变相应定子的结构。如图9A所描述地，在图9B中的上图中相对于沿定子20的圆周的角度并且在下图中相对于谐波分量，以弧度为单位绘制磁动力。即使在两个极对的情况下，曲线A具有比曲线B更大的幅度。对于两个定子，磁动力具有2阶谐波分量和16阶的其他谐波分量，其中，16阶的谐波分量的幅度明显小于2阶谐波分量的幅度。
图9C示出了针对旋转磁场的三个极对、如图9A所描述的两种不同定子的磁动力。如图9A所描述地，在图9C中的上图中相对于沿定子20的圆周的角度并且在下图中相对于谐波分量，以弧度为单位绘制磁动力。即使在三个极对的情况下，曲线A至少在合适的位置处具有比曲线B更大的幅度。对于两个定子，磁动力具有3阶谐波分量和15阶的其他谐波分量，其中，15阶的谐波分量的幅度明显小于3阶谐波分量的幅度。针对根据这里描述的实施例的定子20，磁动力具有非常小幅度的其他谐波分量。
因此，根据实施例，针对所示的三对极对中的每一对，这里描述的定子20具有比定子绕组由各个导电线棒形成的定子更大的磁动力。另外，针对这里描述的定子20，生成的旋转磁场的功率密度随着极对的数量的增加而增加。
图10示出了如图9A所描述的两种不同定子的磁动力。针对由相应的定子同时生成具有极对的数量为1和2的两个旋转磁场的情况，示出了磁动力。如图9A所描述地，在图10中的上图中相对于沿定子20的圆周的角度并且在下图中相对于谐波分量，以弧度为单位绘制磁动力。同样在这种情况下，曲线A具有比曲线B更大的幅度。下图示出针对两种定子，磁动力具有1阶和2阶谐波分量以及具有显着更低幅度的其他谐波分量。
在这里描述的定子20被设计成生成具有不同数量的极对的至少两个旋转磁场的情况下，将不同数量的极对的比例添加到磁动力。
在这种情况下，磁动力的分量F1和F2给出如下：
其中，对于j，使用多个极对中的每个。这意味着，能够针对多个极对中的每个单独控制或调整旋转的幅度、频率和方向。
图11A和11B示出了定子20的两个另外的实施例。如图11A和11B中所示，由于定子20中的凹槽22的数量至少为三个并且另外可自由选择，则凹槽22的数量例如能够是10个。
在图11A的实施例中，围绕定子20的每个第二齿23缠绕一个线圈25。如图1中，线圈25的缠绕方向由正号和负号表示。因此，在每个凹槽22中仅布置一个线圈25的多个导体部分32或一个导体部分32。因此，不需要在一个凹槽22内使不同线圈25的导体部分32彼此电绝缘。线圈25中的每个连接到其自己的电源单元31。
在图11B中的实施例中，围绕定子20的每个齿23缠绕线圈25。因此，在每个凹槽22中，在每种情况下，布置两个线圈25的多个导体部分32或一个导体部分32。线圈25中的每个连接到其自己的电源单元31。
图12示出了用于定子20的各种实施例的绕组因数。在这种情况下，在水平方向上，用值2-20指定了由定子20生成的旋转磁场的极的数量。在垂直方向上，用值4-18指定定子20的电相的数量。该表指定了各组合的绕组因数。在定子20的每个实施例中，如图11B中所示地布置线圈25。这意味着围绕定子20的每个齿23缠绕一个线圈25。图12中的表示出了利用定子20的各种实施例能够实现高达99.6％的绕组因数。
图13A以示例的方式绘制补偿分量。在这种情况下，在x轴上以弧度为单位绘制沿定子20的圆周的角度并且各个谐波分量的幅度在y轴上归一化为1。实线对应于由定子20生成的2阶旋转磁场的谐波分量的磁力。由这里描述的定子20生成的旋转磁场能够具有几个谐波分量。谐波分量中的一些可能是不期望的，是因为例如它们在电机21的操作期间会促进振动、振荡或噪声发展，并且至少在一些情况下不会促进可用转矩。如果谐波分量的旋转频率类似于或等于电机21中的振动模式的基频，则谐波分量能够在电机21的操作期间促进振动或噪声发展。在大多数情况下，这仅适用于低阶谐波分量，因为高阶振动模式的基频通常处于旋转频率，该旋转频率大于电机21可实现的最大旋转频率。因此，在图13A中以示例的方式示出了阶数2的谐波分量。在某些旋转频率下，即在转子29的某些旋转速度下，2阶谐波分量能够促进电机21中的振动和噪声发展。能够利用另外生成的补偿信号至少部分地补偿2阶谐波分量。
例如，磁力的m阶谐波分量能够由以下给出：
是力密度的幅度，其中：
其中，和表示谐波分量ν1和ν2的磁通量密度。
为了通过生成补偿信号来补偿m阶谐波分量，定子中的补偿信号必须生成另外的谐波分量，即补偿分量。为了使补偿分量能够补偿m阶谐波分量，必须确保补偿分量的幅度对应于m阶谐波分量的幅度，并且这两个信号彼此异相180°。
图13A通过虚线示出补偿分量。补偿分量和2阶谐波分量彼此相位偏移45°的角度。在这种情况下，补偿分量不能完全补偿2阶谐波分量。
图13B示出了图13A的2阶谐波分量。轴与图13A中的相同。补偿分量用虚线示出，该分量与2阶谐波分量相位偏移180°。在这种情况下，2阶谐波分量能够通过补偿分量被完全补偿。因此，补偿分量能够视为另外生成的2阶谐波分量，由于180°的相位偏移，该另外生成的2阶谐波分量被设计为补偿不期望的2阶谐波分量。还可能的是，因为除了发生振动或噪声之外的其它问题，由旋转磁场感应出的磁力的谐波分量是不期望的，并且由补偿分量来补偿。
图14示出了具有补偿单元30的致动单元40的实施例的示意性结构。致动单元40连接到电机21。能够经由控制单元34驱动电机21的定子。例如，能够经由控制单元34设置相电流、频率和负载角度。另外，能够调整待生成的旋转磁场的极对的数量。由四个箭头表示各种参数的可调节性。控制单元34连接到转换器35。转换器35能够是例如逆变器。转换器35包括多个输出端37。输出37中的每个能够连接到电机21的相应输入端38。因此，能够单独地驱动定子20的电相中的每个电相。
致动单元40还具有补偿单元30。补偿单元30设计成生成补偿信号，以用于至少部分地补偿磁力的不期望的分量，其中，在电机操作期间由定子20生成的旋转磁场感应出该磁力。能够经由补偿单元30来设置补偿信号的参数，例如，幅度、频率、负载角度或待生成的补偿分量的阶。由五个箭头表示各种参数的可调节性。补偿单元30还被设计成在电机21的可预定义的操作点生成补偿信号。在这些情况下，添加补偿信号和控制单元34的信号以驱动电相。这意味着相应的补偿信号与每个电相的相应相电流叠加。用来自转换器35的这两个信号的叠加来馈送定子20的电相。可预定义的操作点能够是例如发生振动或不期望的噪声的旋转速度。能够例如在测试台上确定这些可预定义的操作点。有利地，补偿信号因此仅在需要它们时生成。
致动单元40包括控制单元34、补偿单元30和转换器35。
图15示出了穿过电机21的实施例的横截面。电机21具有定子20和可旋转地安装到定子的转子29。电机21的定子20具有11个凹槽22。围绕定子20的齿23中的每个齿缠绕定子绕组24的一个线圈25。凹槽22具有朝着定子20的内侧的开口。转子29布置在定子20的内侧上。因此，转子29布置在定子20中。转子29具有十个永磁体。电机21能够是永磁同步电动机。
图16示出了图15中所示的电机21的实施例的磁力密度的径向分量。在上图中在x轴上，以度为单位绘制沿定子20的圆周的角度。在y轴上，以kN/m2为单位绘制力密度的径向分量。在这种情况下，径向方向是平行于定子20的横截面或半径走向的那些方向。在电机21操作期间由定子20生成的旋转磁场具有十个极。在下图中在x轴上绘制力密度的径向分量的谐波分量的阶。在y轴上，以kN/m2为单位绘制力密度的径向分量。0阶谐波分量具有最大幅度。此外，存在10阶和11阶谐波分量。然而，在大多数情况下，这些分量仅在大于通常的最大旋转速度的旋转速度下导致不期望的振动或噪声发展。相比之下，1阶谐波分量在某些旋转速度下会产生不希望的振动或噪声发展。
图17以示例的方式示出了对图16的1阶磁力的不期望的分量的补偿。从等式(1)得出1阶谐波分量的相电流ik。将相电流与补偿信号叠加。索引1表示用于生成1阶磁力的谐波分量的相电流，并且索引2表示补偿信号：
其中，δ是负载角度。
在图17中在x轴上，绘制相电流的有效值之比I2/I1。在y轴上，以度为单位绘制负载角度，并且在z轴上绘制磁力密度的径向分量的1阶谐波分量的经补偿的部分与磁力密度的径向分量的1阶谐波分量的未经补偿的部分之比。这意味着，在相电流的有效值之比约为0.6并且负载角度约为50°的情况下，能够补偿不期望的1阶径向力分量的约80％。
图18A和18B示出了用于电机21的定子20。该定子20和电机21并非具体实例。定子20示出为具有图18A中的定子绕组24。定子20具有多个凹槽22，定子绕组24布置在凹槽22中。定子绕组24由各个导电线棒39形成，其中，在每种情况下，线棒39中的每一个布置在一个凹槽22中。线棒39经由定子20的第一侧26上的短路装置28彼此电连接。
图18B示出了具有短路装置28并且没有定子20的定子绕组24。线棒39沿定子20的圆周布置并且彼此平行地延伸。
图19A示出了用于电机21的转子29的绕组。该绕组具有类似于图5中所示的定子绕组的结构。转子29具有多个线圈25。线圈25各自具有三个导体部分32。在第一侧26上，线圈25电连接到短路装置28。在与第一侧26相对的第二侧27上，线圈中的每个连接到一个整流器41。整流器41电连接到电压输出端47。因此，能够针对线圈25中的每个线圈对感应电压进行调整。
图19B示出了穿过转子29的实施例的横截面。转子29具有励磁绕组42和磁场绕组43。
此外，转子29具有至少三个(在这种情况下为八个)齿23和至少三个(在这种情况下为八个)凹槽22。在每种情况下，转子29的一个齿23布置在沿转子29的圆周的两个凹槽22之间。励磁绕组42具有至少三个线圈25，在这种情况下为八个线圈25。如图19A中所示来构造励磁绕组42。在这种情况下，线圈25中每个连接到其自己的整流器41。励磁绕组43还具有八个线圈25。图19D中示出了励磁绕组43的结构。这种转子29能够与这里描述的定子20一起用于电流激励(自励)同步机和/或无刷电流激励同步机。
图19C示出了转子29的实施例的框图。转子29能够用于电流激励同步机，并且图19B中示出了转子29的结构。如图19A中所示，构造了具有八个线圈25的励磁绕组42。整流器41形成多相整流器单元45。磁场绕组43经由两个连接件46电连接到整流器单元45。
图19D示出了磁场绕组43的实施例的结构。磁场绕组43具有彼此串联连接的八个线圈25。在磁场绕组43的两个连接件46处，磁场绕组43电连接到整流器单元45。
参考标记列表
20：定子
21：电机
22：凹槽
23：齿
24：定子绕组
25：线圈
26：第一侧
27：第二侧
28：短路装置
29：转子
30：补偿单元
31：电源单元
32：导体部分
33：电源
34：控制单元
35：转换器
36：开关
37：输出端
38：输入端
39：线棒
40：致动单元
41：整流器
42：励磁绕组
43：磁场绕组
44：绕组
45：整流器单元
46：连接件
47：电压输出端
A、B：曲线

Claims (13)

1.一种电机(21)，具有定子(20)并且具有相对于定子(20)可旋转地安装的转子(29)，其中，定子(20)包括：
-定子绕组(24)，
-至少三个齿(23)，和
-至少三个凹槽(22)，其中
-在每种情况下，沿定子(20)的圆周在两个凹槽(22)之间布置定子(20)的齿(23)，
-定子绕组(24)包括至少三个线圈(25)，其中，线圈(25)中的每个线圈围绕定子(20)的齿(23)缠绕，使得定子绕组(24)是集中绕组，
-所有线圈(25)的缠绕方向相同，
-线圈(25)中的每个设计成用其自己的相电流来馈送，以及
-定子(20)设计成生成至少两个旋转磁场，所述至少两个旋转磁场，特别是同时地，具有不同数量的彼此独立的极对。
2.根据权利要求1所述的电机(21)，其中，相电流彼此异相。
3.根据权利要求1所述的电机(21)，其中，围绕定子(20)的每个齿(23)缠绕定子绕组(24)的线圈(25)。
4.根据权利要求1所述的电机(21)，其中，线圈(25)经由短路装置(28)在定子(20)的第一侧(26)上彼此电连接。
5.根据权利要求1所述的电机(21)，其中，线圈(25)各自包括单个导体或者各自包括多个导体细丝，所述多个导体细丝并联电连接并且彼此平行布置。
6.根据权利要求1所述的电机(21)，其中，定子(20)设计成生成至少一个旋转磁场，其中，极对的数量是可变的。
7.根据权利要求1所述的电机(21)，其中，在至少一个齿(23)的第一侧(26)上的线圈(25)的导体部分(32)的数量大于在同一齿(23)的与第一侧(26)相对的第二侧(27)上的线圈(25)的导体部分(32)的数量。
8.根据权利要求1所述的电机(21)，其中，转子(29)具有励磁绕组(42)和磁场绕组(43)。
9.根据权利要求8所述的电机(21)，其中，励磁绕组(42)具有至少三个线圈(25)，并且线圈(25)中的每个连接到相应的单独的整流器(41)。
10.一种用于根据权利要求1所述电机(21)的致动单元(40)，具有补偿单元，所述补偿单元设计成生成补偿信号，以用于至少部分地补偿磁力的至少一个不希望的分量，其中，所述磁力是在电机(21)的操作期间由定子(20)生成的旋转磁场感应出的。
11.根据权利要求10所述的致动单元(40)，其中，补偿信号在电机(21)的至少一个可预定的操作点生成。
12.一种用于操作电机(21)的方法，具有以下步骤：
-提供电机(21)的定子(20)，定子(20)具有至少三个齿(23)、至少三个凹槽(22)、以及定子绕组(24)，定子绕组(24)具有至少三个线圈(25)，并且
-向定子(20)的至少三个线圈(25)馈送单独的相电流，其中
-在每种情况下，沿定子(20)的圆周在两个凹槽(22)之间布置定子(20)的齿(23)，
-线圈(25)中的每个线圈围绕定子(20)的齿(23)缠绕，使得定子绕组(24)是集中绕组，
-所有线圈(25)的缠绕方向相同，并且
-定子(20)设计成生成至少两个旋转磁场，所述至少两个旋转磁场，特别是同时地，具有不同数量的极对。
13.根据权利要求12所述的用于操作电机(21)的方法，具有以下步骤：
-在电机(21)的操作期间，由定子(20)生成至少一个旋转磁场，
-由补偿单元(30)生成至少三个补偿信号，其中，每个补偿信号与相应的相电流相关联，
-将每个补偿信号叠加在相应的相关联的相电流上，以此至少部分地补偿由旋转磁场感应出的磁力的至少一个不希望的分量。
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