CN110462996A

CN110462996A - 具有优化布置的旋转电机

Info

Publication number: CN110462996A
Application number: CN201880019390.3A
Authority: CN
Inventors: R.弗拉蒂拉; J.莱格朗格; R.赫利萨
Original assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Current assignee: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2019-11-15
Also published as: KR20190120336A; EP3602755A1; FR3064834B1; JP2020512806A; US20210111614A1; KR102362548B1; FR3064834A1; WO2018177896A1

Abstract

本发明主要涉及一种机动车辆的旋转电机，包括：转子(12)，其具有轴线(X)，包括至少一个永磁体(20)，和定子(11)，其围绕转子并且包括设置有多个凹口(30)的主体(24)和电绕组(25)，该绕组包括布置在槽中的相绕组(26)，每个相绕组由至少一个导体(35)形成。转子(12)包括3、4或5对极。定子包括两个三相系统，每个都由三个三角形连接的相绕组(26)形成。每个槽(30)的导体(35)的数量严格大于2，并且每个导体具有插入相应槽(30)中的有源部分(40)，具有基本上矩形横截面的有源部分(40)的径向长度(L2)小于或等于3.6mm。

Description

具有优化布置的旋转电机

技术领域

本发明涉及一种具有优化配置的旋转电机。本发明具有特别有利但非排他性的应用，其具有高功率可逆电机，该电机可以在交流发电机模式和电动机模式下操作，与诸如变速箱的主元件联接。

背景技术

以已知的方式，旋转电机包括定子和与轴一体的转子。转子可以与驱动轴和/或从动轴是一体的，并且可以属于交流发电机、电动机或可以在两种模式下操作的可逆电机形式的旋转电机。在交流发电机模式下，当转子旋转时，其在定子上感应出磁场，定子将该磁场转换成电流，以便为车辆的耗电器供电并为电池充电。在电动机模式中，定子被电供电并且感应出磁场，磁场使转子旋转以便自动地或与热力发动机组合地启动热力发动机和/或参与车辆的牵引。

定子安装在壳体中，该壳体构造成通过滚子轴承使轴在轴承上旋转。此外，定子包括由一叠形成冠部的薄金属板构成的主体，其内表面设置有朝向内部开口的凹口，以便接收由相绕组形成的电绕组。这些绕组穿过定子主体中的凹口，并形成突出于定子主体两侧的凸起。相绕组例如由覆盖有搪瓷的连续导线或者由通过焊接而彼此连接的销形式的导电元件获得。这些绕组是以星形或三角形连接的多相绕组，其输出连接到逆变器，逆变器也用作整流桥。

对于这种类型的电机，电机的旋转速度会影响所提供的电压，从而影响电机的功率。因此，旋转速度越高，功率越大。对于同步电机，超过一定的旋转速度，以便使电机的功率最大化，重要的是能够使所述电机去磁通。图1表示根据这种类型的电机的旋转速度的特征扭矩和功率曲线，分别在电动机模式M_mth(参见特征扭矩曲线C1和特征功率曲线C2)和发电机模式M_gen(参见特征扭矩曲线C3和特征功率曲线C4)下旋转。通过参考恒定扭矩N1处的最大转速除以电机的最大转速N2之间的比率来定义去磁通范围P_def。由于该去磁通比率高(大于2.5)，电机可以在高速下运行同时处于准短路状态。

为了优化电机的运行，特别是为了能够达到高速运行并因此达到高功率，电机必须具有在稳态下对短路电流的良好抵抗力。电机的这种优化还必须考虑其他参数，比如电机的紧凑性，这是将所述电机集成在车辆中的重要参数，以及电机的热性能，这也是一个重要参数，既为了用户的安全，又为了不损坏电机。因此，本发明的目的是保证在稳态下对短路电流的抵抗力，同时优化电机的紧凑性和热特性。

发明内容

为此，本发明的主题是一种机动车辆的旋转电机。根据本发明，该电机包括转子，其沿着旋转轴线延伸，并且包括至少一个永磁体，和定子，其围绕转子并且包括设置有多个凹口的主体和电绕组，其中电绕组包括设置在凹口中的相绕组，每个相绕组由至少一个导体形成。另外，根据本发明，转子包括3或4或5对极，并且定子包括两个三相系统，每个由具有三角形联接的三相绕组形成。另外，根据本发明，每个凹口的导体的数量严格大于2，并且每个导体具有插入相应凹口中的有源部分，具有基本上矩形横截面的有源部分的径向长度为3.6mm或更小。

具有两个三相系统的事实使得可以简化功率模块的布置，因此可以获得可能更加紧凑的电机。另外，以三角形形式的绕组的联接使得可以不具有中性点，因此改善了电机的紧凑性。具有基本上矩形横截面的导线的事实使得可以改善凹口中的导体的填充系数，并因此改善电机的功率。基本上矩形横截面意味着由于生产原因导体的角部可以略微倒圆。每个凹口的导体的数量严格大于2使得可以在选择每个绕组的匝数方面获得更大的自由度。此外，与3和5之间的转子的对极数相关的导体的径向宽度为3.6mm或更小的事实使得可以最小化导体的电阻，从而以便限制导体的焦耳损耗。因此，所有这些参数一起产生改善的热阻，改善了在稳态下对短路电流的抵抗力，并且改善了旋转电机的紧凑性。因此，旋转电机可以以更高的速度安全地运行。

根据一实施例，两个三相系统彼此独立，并且旋转电机包括逆变器，该逆变器包括两个独立的模块，每个模块连接到三相系统。

根据一实施例，逆变器连接到具有30至60V范围内的电压的直流总线。

根据一实施例，导体的有源部分的正交长度为1.4mm或更大。

根据一实施例，定子主体的外径在80mm至180mm的范围内。例如，定子主体的外径选自以下值之一：80、90、100、110、153、161和180mm。

根据一实施例，所述旋转电机的最大功率在8kW至30kW的范围内。

根据一实施例，每个凹口的导体数量是偶数。

根据一实施例，每个凹口的导体数量等于4。作为变型，每个凹口的导体数量可以等于6、8或10。

根据一实施例，导体在相应凹口的内部相对于彼此径向对齐。

根据一实施例，每个相绕组由多个导体形成，所述多个导体尤其是以彼此电连接的销的形式。例如，销以“U”的形式延伸，包括在相应凹口中延伸的两个有源部分，以及连接两个有源部分的连接部分。优选地，通过将不同销的有源部分的自由端彼此焊接来形成相绕组。自由端是指未连接到连接部分的有源部分的端部。

根据一实施例，每个相绕组由连续导体形成。该连续导体例如是导线。

根据一实施例，导线包括具有基本上矩形横截面的有源部分，以及在两个相邻有源部分之间的连接部分，其横截面为圆形，特别是基本上为圆形。

根据一实施例，导体具有带圆角的矩形横截面。

根据一实施例，所述旋转电机包括冷却液回路。

根据一实施例，该电机是同步电机。

根据一实施例，该电机是具有永磁体的电机。

根据一实施例，所述旋转电机是转子、发电机或可逆电机的形式。

通过阅读以下描述并检查伴随它的附图，将更好地理解本发明。这些图纯粹是为了说明而提供的，并不以任何方式限制本发明。

附图说明

已经描述的图1示出了根据在本发明的上下文中使用的旋转电机的旋转速度的特征扭矩和功率曲线。

图2是根据本发明实施例的旋转电机的纵向剖视图。

图3是图2中的旋转电机的绕线定子和转子的透视图。

图4是根据本发明实施例的转子和绕线定子的局部横截面图。

图5示出了分别对于具有3对和5对极的转子的根据定子导体的有源部分的径向尺寸的电高频定子导体的电阻与电低频定子导体的电阻之间的比率的发展的图示。

图6表示根据转子的极对数的旋转电机的总轴向高度的发展。

相同、相似或类似的元件在各个图中保持相同的附图标记。

具体实施方式

在下文的描述中，“前”元件是指位于驱动部分侧的元件，比如在由电机的轴支撑的小齿轮侧，而“后”元件是指相对于电机的旋转轴线X位于相反侧的元件。

图2示出了旋转电机10，其包括围绕转子12的多相定子11，转子12安装在轴13上，轴13沿着对应于电机轴线的轴线X延伸。定子11围绕转子12，在定子11的内周和转子12的外周之间存在气隙。定子11装配在壳体14中，壳体14设置有前轴承15和后轴承16，后轴承16旋转地支撑轴13。

该电机10可以设计成联接到属于机动车辆牵引链的变速箱。在另一配置中，电机10可以联接到车辆的曲轴，或者也可以直接联接到车辆车轮的牵引链。例如，电机10可以通过小齿轮17联接到车辆的一部分，如图2所示。作为变型，电机10可以通过滑轮或任何其他联接装置联接到车辆的一部分。

电机10可以在交流发电机模式下操作，特别是为了向电池和车辆的车载网络供应能量，以及在电动机模式下操作，单独地或与热力发动机组合地，不仅为了确保车辆的热力发动机的启动，而且还参与车辆的牵引。作为变型，电机10可以植入在机动车辆的轴上，特别是后轴上。作为变型，电机10采用电动机或不可逆发电机的形式。电机10的功率有利地在8kW至30kW的范围内。

在图2的示例中，转子12包括呈一组金属板形式的主体19。永磁体20可以根据“V”形式的构造植入腔21的内部，如图4所示，或者它们可以径向地植入该组金属板的内部，并且与两个连续磁体20彼此相对的侧面可以具有相同的极性，如图3所示。然后转子12是磁通量集中类型的。可替代地，永磁体20在主体19中的腔21的内部正交地延伸。根据应用和电机10所需的功率，磁体20可由稀土或铁氧体制成。

另外，如图3和4所示，定子11包括由一组金属板构成的主体24，以及电绕组25。主体24由彼此独立的一叠金属板片形成，并且通过适当的固定系统以成组的形式保持。从图4中可以看出，主体24设置有齿28，齿28成对地限定用于安装定子绕组25的凹口30。因此，两个连续的凹口30通过齿28彼此分开。优选地，定子主体24的外径L1在80至180mm的范围内。有利地，定子主体24的外径L1选自以下值中的一个：80、90、100、110、153、161和180mm。

绕组25包括相绕组26的组件，相绕组26穿过凹口30并形成在定子主体24的两侧突出的凸起33，如图2和3所示。相绕组26的输出连接到逆变器34，其也可以作为整流桥操作。为此，逆变器34包括功率模块，其设置有连接到相输出的功率开关元件，比如MOS型晶体管。

每个相绕组26可以由多个由销37构成的导体35形成。这些销37可以具有“U”形，其分支的端部例如通过焊接彼此连接。作为变型，每个相绕组26由缠绕在凹口30中的定子11的内部中的连续导线形成，以便形成一个或多个匝。在所有情况下，在位于凹口30内部的导体35的有源部分40与将两个相邻的有源部分40彼此连接的连接部分41之间进行区分。因此，有源部分40对应于导体35的在凹口30的内部中轴向延伸的部分，而连接部分41在凸起33的内部沿周向延伸，以便将有源部分40彼此连接。导体35可以例如由基于搪瓷铜的材料制成。

相绕组26每个与一系列凹口30相关联，使得每个凹口30接收相同相的导体35若干次。有利地，定子11包括两个三相系统，其优选地是独立的，即A1、B1、C1和A2、B2、C2，每个由三相绕组26形成，如图4所示。这使得可以通过便于将逆变器34的功率模块布置在圆柱体中来保证逆变器34的紧凑性，该圆柱体位于用于集成系统(参见图2)的电机的后部或者在电机10侧的基本上平行六面体的容积中。

每个三相系统A1、B1、C1；A2、B2、C2以三角形的形式联接，以优化电机10的紧凑性。事实上，与双星型的联接相比，双三角形联接使得可以避免中性杆集成在绕线定子11中，这相对较笨重。

每个三相系统A1、B1、C1；A2、B2、C2电连接到逆变器34的独立模块。每个独立模块包括功率元件和专用于相应三相系统的控制模块。两个独立模块容纳在逆变器34的单个壳体中，该壳体位于后轴承的顶部。逆变器34优选地连接到具有30至60V范围内的电压的直流总线。

在该示例中，与一相相关联的一系列的两个相继凹口30由邻近的多个凹口30分开，每个凹口30对应于与其他相之一相关联的另一系列凹口。因此，当存在K相时，单相绕组26的所有导体35每K+1个凹口被插入。例如，如果相A1的绕组插入1号凹口中，然后将其插入具有两个三相系统的电机的7号凹口中，即K＝6。应当注意，在图4所示的配置中，两个系统的相根据定子11的圆周交替。在该示例中，考虑到圆周方向，第一凹口包括相A1，第二凹口包括相A2，第三凹口包括相B1，第四凹口包括相B2，第五凹口包括相C1，第六凹口包括相C2。根据变型实施例，还可以设想另一相配置。

导体35有利地具有基本上矩形的横截面，至少在其有源部分40中，并且它们在相应凹口30的内部中相对于彼此径向对齐。布置有具有基本上矩形横截面的导体35的这种类型的绕组结构使得可以减小凸起33的高度，并且与由圆线制成的随机绕组相比，有助于电机的紧凑性。根据用连续线缠绕的特定实施例，导电线可仅在有源部分40中被按压，并且在连接部分41中具有圆形横截面。有源部分40的基本上矩形的横截面可具有圆角，以免损坏搪瓷。作为变型，导体35可具有基本上方形的横截面。

每个凹口30内部的导体35的数量有利地严格大于两个，以便在每相绕组26的匝数选择方面具有自由度。优选地，每个凹口的导体35的数量是偶数。在这种情况下，它等于4，但作为变型，它可以是不同的，特别是等于6、8或10。

在高电频率下并因此在高转速时，导体35经受薄膜和邻近效应，这导致导体35中的电流密度不均匀。这导致导体35的表观电阻增加。电阻的这种增加通常通过高频下的AC电阻和在几赫兹的非常低的频率下的相同导体35的直流电阻之间的比率来量化。

因此，电阻取决于温度、定子11的尺寸、导体的尺寸和电频率fe，其通过以下公式与电机的每分钟转数的旋转速度N相关：fe＝(Nxp)/60，p是转子12的极对数。

该电阻的增加引起额外的焦耳损失，并且涉及增加电机10的尺寸以便能够释放卡路里，例如通过增加冷却液室44的尺寸，其在下文将更详细描述。

影响AC电阻的主要因素是凹口30内部的导体35的径向长度L2以及与相同旋转速度的转子12的极性相关的电频率fe。

对于定子直径L1约为160mm且转速为20000rpm的电机10，图5表示分别对于具有3对极(参见曲线C5)和5对极(参见曲线C6)的转子的根据导体35的有源部分40的径向长度L2的在高频下的定子导体的AC电阻与在低频下的该定子导体35的DC电阻之间的比率的发展。

已经发现，对于可由电机10排出的给定极限Lim损耗，导体35的最大径向长度L2对于具有五对极的电机来说为3.6mm。这种类型的值保证了具有三对极的电机的足够性能，其AC/DC比率全局地低于具有五对极的电机的AC/DC比率。

另外，有源部分40的正交长度L3为1.4mm或更大。该长度L3对导体35的AC电阻几乎没有影响。事实上，如图5所示，对于给定的径向长度L2，通过不同的点C7，以及通过改变导体35的正交长度L3，AC/DC比率的值仅非常轻微地变化。

图6表示根据转子12的极对数p的电机(参见图2)的定子11的总轴向高度L4的发展。轴向高度是指前后凸起33的两端之间的距离。该图示出了具有少于三对极的转子12导致电机的总高度L4的增加，因为凸起33的高度基本上与极性成比例。实际上，电机中的极越少，极之间的距离就越大。因此，单相绕组穿过的凹口彼此进一步分开，因此形成凸起的导体部分必须更大。另一方面，超过五对极的极性会导致太多的损失。在这些条件下，最佳极性在3到5对极之间，即转子12可包括3或4或5对极。

旋转电机10可包括冷却液回路，该冷却液回路包括冷却液输入和输出，以使液体在设置在定子11的外周上的室44中流体，如图2所示。电机10因此可以用水或油冷却。根据变型实施例，电机可以通过空气冷却，例如通过风扇。

应当理解，前面的描述纯粹是作为示例提供的，并不限制本发明的范围，通过用任何其他等同物替换不同的元件不会偏离本发明的范围。

另外，本发明的不同特征、变型和/或实施例可以根据不同的组合彼此相关，只要它们不是不相容的或相互排斥的。

Claims

1.一种机动车辆的旋转电机，包括：

-转子(12)，其沿着旋转轴线(X)延伸，包括至少一个永磁体(20)，和

-定子(11)，其围绕转子并且包括设置有多个凹口(30)的主体(24)和电绕组(25)，其中电绕组(25)包括设置在凹口(30)中的相绕组(26)，每个相绕组(26)由至少一个导体(35)形成，

其特征在于：

-所述转子(12)包括3或4或5对极；

-所述定子(11)包括两个三相系统(A1、B1、C1；A2、B2、C2)，每个由具有三角形联接的三相绕组(26)形成；

-每个凹口(30)的导体(35)的数量严格大于2，并且每个导体(35)具有插入相应凹口(30)中的有源部分(40)，具有基本上矩形横截面的有源部分(40)的径向长度(L2)为3.6mm或更小。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，两个三相系统彼此独立，并且所述旋转电机包括逆变器(34)，所述逆变器(34)包括两个独立的模块，每个模块连接到三相系统(A1、B1、C1；A2、B2、C2)。

3.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于，所述逆变器(34)连接到具有30至60V范围内的电压的直流总线。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转电机，其特征在于，导体的有源部分(40)的正交长度(L3)为1.4mm或更大。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述定子主体(24)的外径(L1)在80mm至180mm的范围内。

6.根据权利要求5所述的旋转电机，其特征在于，所述定子主体(24)的外径(L1)选自以下值之一：80、90、100、110、153、161和180mm。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述旋转电机(10)的最大功率在8kW至30kW的范围内。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的旋转电机，其特征在于，每个凹口(30)的导体(35)的数量是偶数。

9.根据权利要求8所述的旋转电机，其特征在于，每个凹口(30)的导体(35)的数量等于4。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述导体(35)在相应凹口(30)的内部相对于彼此径向对齐。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的旋转电机，其特征在于，每个相绕组(26)由多个导体形成，所述多个导体尤其是以彼此电连接的销(37)的形式。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的旋转电机，其特征在于，每个相绕组(26)由连续导体形成。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述旋转电机是转子、发电机或可逆电机的形式。