CN111835103B - 旋转电机 - Google Patents

Abstract

根据本公开的旋转电机提供一种具有转子和与转子同轴地布置的集中绕组定子的旋转电机，其中，将所述集中绕组定子的齿数设定为质数序列中的相邻质数之间的、3的倍数的整数乘以2的值，并且将转子的极数设定为相邻质数之间的任意质数乘以2的值。

Description

旋转电机

技术领域

本公开涉及一种用于在低速范围内需要大转矩的车辆或飞行器的旋转电机。

背景技术

一般而言，旋转电机的绕组系统包括：整节距绕组，在该整节距绕组中，绕组节距与极节距n(弧度)相同；短节距绕组，在该短节距绕组中，绕组节距比极节距短；以及长节距绕组，在该长节距绕组中，绕组节距比极节距长。

近来，对于短节距绕组，在设计/制造旋转电机中，通常采用集中绕组来连接定子绕组。这是因为，在整节距绕组中，不能容纳在定子芯中的部分的绕组、即所谓线圈端部的形成会变得复杂。其结果是，尽管包括线圈端部的定子的总长度变大，但是短距绕组使用集中绕组，从而可以简单地设计线圈端部。

然而，在集中绕组的情况下，已知由于绕组节距不在整节距范围内，因此短节距因数降低，由此使得旋转电机的性能降低。例如，定子的普通八极十二槽的短节距因数是0.866。这意味着当假定旋转电机的输出转矩的理想值为1时，实际的输出转矩会降低到0.866。

为了减少旋转电机的输出转矩的降低，已知将绕组节距设定为(6±1)/6π，并且将转子和定子的构造设计为十极十二齿或十四极十二齿。

例如，日本专利第5905176号公开了一种旋转电机的发明，其中，将绕组节距设定、为(9±2)/9π，并且将转子和定子的构造设计为十四极十八齿。

根据如上所述的专利文献的如上所述的旋转电机，利用如上所述的极数和齿数来提高旋转电机的输出转矩，并且抑制由旋转电机引起的振动和噪声。在这方面，如何确定如上所述的极数和齿数是很重要的。

例如，对于极数和齿数的各种组合连续地进行试错过程，从而确定满足旋转电机所需效率的极数和齿数的组合。试错过程需要大量时间，大量成本并且是劳动密集型的。

发明内容

本公开是鉴于如上所述的情况而作的，并且提供一种旋转电机，该旋转电机具有根据极数与齿数之间已经发现的恒定规则的极数和齿数的优化组合。

根据本公开的旋转电机提供一种具有转子和与所述转子同轴地布置的集中绕组定子的旋转电机。

将所述集中绕组定子的齿数设定为质数序列中的相邻质数之间的、3的倍数的整数乘以2的值，并且将所述转子的极数设定为所述相邻质数中的任意质数乘以2的值。

根据这种结构，在不需要试错方法的情况下，根据在极数与齿数之间已经发现的恒定规则，可以获得具有极数和齿数的优化组合的旋转电机。

附图说明

在附图中：

图1A、图1B和图1C是分别示出本公开的本实施方式的旋转电机中根据基于质数序列的恒定规则确定的极数和齿数的示例的表；

图2A和图2B是分别示出本实施方式的基于相对于质数的设计规则来实现对称的三相绕组的旋转电机的极数和齿数的组合的示例的表；

图3是示出本实施方式的旋转电机中具有三十四极三十六齿的、永磁体和定子绕组的布置的示例的展开平面图；

图4是示出用于具有三十四极三十六齿的旋转电机中的各相的布置的示例的对应表；

图5是示出本实施方式的配置在与旋转电机的旋转轴线正交的平面上的定子的三十四极三十六齿的布置的示例的说明图；以及

图6是示出十极十二齿的布置的示例的说明图。

具体实施方式

在下文中，参照附图，对本公开的各实施方式进行描述。根据本实施方式的旋转电机用于在低速范围内需要大转矩的车辆或飞行器的移动力。

传统上，在旋转电机的极数与齿数之间发现无规则。然而，发明人已经发现，在本实施方式的旋转电机的开发期间，在特定的集中绕组中的极数与齿数之间存在如下恒定规则。本实施方式提供根据如下规则设计的、作为旋转电机的电动机和发电机。此外，为了有效地改善旋转电机和发电机的设计，对说明书进行了阐明。

极数与齿数之间存在的恒定规则被定义为使得，将与转子同轴地布置的集中绕组定子的齿数设定为质数组中的相邻质数(P1、P2且P1＜P2)之间的、作为3的倍数的整数S乘以2的值(2S＝P1+P2)，并且将转子的极数设定为相邻质数(P1、P2)中的任意质数乘以2的值(2P1或2P2)。

参照图1A、图1B和图1C，对如上所述的设计规则进行详细的描述。图1A、图1B和图1C中的每一个在第一行示出了以升序布置的质数。在第二行，示出了相邻质数(P1、P2)的中间值((P1+P2)/2)。例如，质数11、13的中间值为12。第三行示出了第二行中的数字分别乘以2的值，其中，第三行是本实施方式的旋转电机中的定子的齿数。在第四行，示出了第一行中的质数乘以2的值，其中，第四行是表示本实施方式的旋转电机的极数的值。由此，当假定图1A、图1B和图1C的第一列为空时，第二列中的组合表示具有十极十二齿的定子绕组。类似地，第三列中的组合表示具有十四极十二齿的定子绕组，第六列中的组合表示具有二十二极二十四齿的定子绕组，并且第七列中的组合表示具有二十六极二十四齿的定子绕组。

注意，图1A中所示的第一列至第六列中的各组合(即十极十二齿至二十二极二十四齿)是已知的，不包括第七列以后的组合。在图1A、图1B和图1C的每一个中，在第五行，示出了绕组节距、即相邻一个齿的电角度。当假定2/3π或4/3π出现在绕组节距的整数倍时，意味着实现对称的三相绕组。图1A、图1B和图1C的每一个中的第八行示出了使用符号“〇”(实现)或“×”(未实现)对是否实现对称的三相绕组做出判断。

例如，第八列中的二十六极三十齿在相邻齿之间具有13/15π的齿距，并且第十一齿相对于第一齿具有130/15π的齿距(绕组齿距的十倍)、即(8+2/3)π。类似地，第二十一齿具有260/15π的齿距(绕组节距的二十倍)、即(16+4/3)π。

由此，第十一齿和第二十一齿的2/3π和4/3π是指正在实现的对称的三相绕组。即，与120度或240度的机械角度对应的任意位置处的齿被指定为120度或240度的电角度。2/3π或4/3π是否出现在绕组节距的整数倍的值中的规则可以应用于除如上所述的组合以外的极数或齿数的各组合中的绕组节距。

然而，在如上所述的规则应用于图1A的第十四列所示的四十六极五十二齿的组合的情况下，四十六极五十二齿的相邻齿之间的间隔为23/26π，并且包括在绕组节距的整数倍中最接近4/3π的值的齿为第八齿。七乘23/26π等于161/26π，并且结果是(5+31/26)π。此外，31/26π为1.19弧度，小于4/3π、即1.33π弧度。因此，根据如上所述的组合，无法实现对称的三相绕组。类似地，第十五列中的五十八极五十二齿也不是合适的三相绕组。

相对于图1A、图1B和图1C中每一个所示的质数的组合，可以提供对称三相绕组的条件是第二行中所示的值、即相邻质数之间的中间值是三的倍数。

在图1A、图1B和图1C的每一个的第六行中，示出了根据极数和齿数的绕组的短节距因数。在图1A、图1B和图1C中，发现随着极数变大，短节距因数变得更接近于1，并且当极数超过80时，短节距因数变得近似0.999。

随着极数变大，短节距因数变得更接近于1的事实表明，对于在低速范围内需要大转矩的旋转电机来说，具有大直径和平坦形状的极的极数优选为80以上。特别地，当磁路的外径超过200时，可以相对容易地设计和制造具有大量极的旋转电机。根据本公开的旋转电机，电磁尺寸预计为以上。更具体而言，本公开的旋转电机是定子芯的外径为以上的内转子型旋转电机，或是转子的外径为以上的外转子型旋转电机。此外，可以是定子芯的外径为以上的轴向间隙型旋转电机。

在图1A、图1B和图1C各自的第七行中，极数被示出作为参考，以便为第三行中所示的齿数提供基本的2-3系统绕组(两极和三齿的整数倍)。在实现对称的三相绕组的情况下，第七行中的值变为整数是有意义的。

图2A和图2B分别示出了旋转电机的根据相对于质数的设计规则满足同步三相绕组的极数和齿数的组合的示例。

图2A示出了旋转电机的满足三相绕组的极数，该旋转电机的齿数为6的倍数(除12的倍数以外)。图2B示出了旋转电机的满足三相绕组的齿数，该极数的齿数为12的倍数。如图2A和图2B所示，对于图2A和图2B中所示的六倍和十二倍的每一个情况，在满足三相绕组的相应齿数与相应极数之间存在相关性。具体而言，在齿数为6的倍数的情况下，通过从齿数中减去或加上4来确定极数。此外，在齿数为12的倍数的情况下，通过从齿数中减去或加上2来确定极数。

图2A和图2B所示的齿数与极数之间的相关性可以概括如下。在齿数为12的倍数的情况下，极数为12k±2(例如，k为3、5、7、17)。在齿数为6的倍数的情况下，极数为6m±4(例如m为4、5、7、13、15)。

已经参照图1A、图1B、图1C和图2A、图2B进行了描述的旋转电机的绕组的如上所述的设计规则可以应用于需要对称的三相绕组的外转子型、内转子型、轴向间隙型或是多间隙型的上述类型的旋转电机，而不管旋转电机的结构如何。

接下来，对本实施方式的旋转电机的详细构造进行描述。图3示出了具有三十四极三十六齿和永磁体60的定子50的布置的示例。

由于将定子的一周除以34的节距10.588度等于电π弧度，因此，相邻齿之间的间隔为34/36π、即17/18弧度。

如图3所示，将编号添加到相应齿上以识别它们。引线绕着相应齿缠绕多次，其中所有齿中的匝数相同。此外，引线被连接成使得相邻绕组的通电方向为彼此相反方向。根据本实施方式，引线被连接成使得通电方向对于奇数齿设定为逆时针方向，而对于偶数齿则设定为顺时针方向。

对于图3所示的相应齿，连续的三个齿构成一个相位。因此，齿编号1、2、3构成U相，齿编号4、5、6构成W相的相反侧，齿编号7、8、9构成V相，齿编号10、11、12构成U相的相反侧，齿编号13、14、15构成W相，齿编号16、17、18构成V相的相反侧，齿编号19、20、21构成U相，齿编号22、23、24构成W相的相反侧，齿编号25、26、27构成V相，齿编号28、29、30构成U相的相反侧，齿编号31、32、33构成W相，并且齿编号34、35、36构成V相的相反侧。

此外，由于相应的三个齿单元中的中心绕组具有与两端的绕组相反的极性，因此，齿编号1、2、3分别对应于U相、-U相和U相。类似地，齿编号4、5、6分别对应于-W相、W相和-W相。这些齿的对应表示于图4。

对于相应绕组端子，标记有U、-U、V、-V、W、-W，并且-U端子、-V端子和-W端子被系在一起成为中性点，从而产生对称的三相绕组的星形连接。替代地，可以使用对称的三相三角形绕组，其中U和-V、V和-W以及W和-U被连接。

如上所述，由于相邻齿之间的间隔为17/18π的电角度，因此，第一齿与第七齿之间的间隔为6×17/18π＝(5+2/3)π、即2/3π节距。类似地，第一齿与第十三齿之间的间隔为12×17/18π＝(10+4/3)π、即4/3π节距。因此，以第一齿为基准分配U相，将V相分配给第七齿，将W相分配给第十三齿，从而产生对称的三相绕组。

如图5所示，根据三十四极三十六齿的布置，由于齿被圆形地布置，因此，相应齿在将圆的一圈(360度)作为电角度的一个周期而指定为2π弧度的状况下被布置。注意，“17/18π＝10degM”的表述指的是电角度17/18π对应于机械角度10度。

图5中所示的圈中的数字表示图3和图4中所示的齿编号。在图5中，具有相邻齿编号的齿以如上所述的电角度17/18π的间隔布置。例如，参考图1A，在三十四极三十六齿的构造中，由于相邻齿1与齿2之间的间隔是17/18π的电角度，如图5所示，齿2被布置在沿顺时针方向前进17/18π的位置处。类似地，齿3被布置在沿顺时针方向前进17/18π的位置处。因此，相应齿随后如图5所示布置。当将每个相位分配给如图5所示布置的齿时，齿20被布置在齿1与齿3之间。齿20用作-U相，显然，用作-U相的齿2布置在作为U相的齿1与齿3之间。因此，绕组顺序被遍及三个连续齿地构造。

在对称的三相AC电流流过如上所述的三相绕组的情况下，对称的三相AC电流与转子的磁极的布置的相互作用可以产生看起来具有三十四极的旋转磁场。

图3示出了实际空间中的绕组的布置，而图5示出了虚拟空间中的绕组的布置。具体地，对于具有三十四极三十六齿(具有三十八极三十六齿亦是如此)的构造来说，各个极部分以等效的正方形形状布置。例如，对于U相组，每组、齿1、20、2，齿28、11、30，齿19、2、21和齿10、29、12中的每一个以大致正方形形状布置。假定构成U相组的齿被定义为顶点，则连接顶点的线(如上所述的正方形的对角线)彼此大致正交地交叉。对于对应于V相组和W相组的相应齿，与对应于U相组的相应齿相似地，假定具有大致正方形形状，在该大致正方形形状中，构成各个V相组和W相组的齿是顶点，并且连接顶点的线彼此大致正交地交叉。因此，具有图5所示的三十四极三十六齿的旋转电机100被假定具有大致正方形形状，在该大致正方形形状中，同相中的齿组是顶点，并且连接同相中的顶点的线彼此大致正交地交叉。

由于在同相中连接齿组的线彼此大致正交地交叉，因此，可以抑制旋转电机100的内部空间磁场中的磁场畸变。因此，可以减少旋转电机引起的噪声。

图6示出了具有十极十二齿的定子的布置。在图6中，U相组以矩形形状布置(齿1、8、7、2)，并且在产生磁场中产生各向异性磁场。产生磁场中的各向异性磁场可能会引起旋转电机中的噪声。

不管旋转电机100的转子的结构如何，都可以设计图5所示的绕组构造。例如，转子可以构造为转子在定子内旋转的内转子型、或转子在定子外旋转的外转子型、或是转子沿旋转轴线面向定子旋转的轴向间隙型。

转子可以构造为磁体组合型或是励磁绕组型。永磁体60的布置可以任意设计并且可以应用于哈尔巴赫(Ha l bach)阵列。此外，永磁体60可以是IPM(I nter ior PermanentMagnet：内部永磁体)型，其中，永磁体60布置在靠近转子的转轴的中心位置的部分。

如上所述，根据本实施方式，根据在极数与齿数之间已经发现的恒定规则，可以获得具有极数和齿数的优化组合的旋转电机100。

极数与齿数之间的恒定规则被定义为使得将与转子同轴地布置的集中绕组定子(50)的齿数设定为质数序列中的相邻质数(P1、P2且P1＜P2)之间的、3的倍数的整数乘以2的值(2S＝P1+P2)，并且将转子的极数设定为相邻质数中的一个质数乘以2的值(2P1、2P2)。

当齿数为6的倍数时，通过从齿数中加上或减去4来确定极数。当齿数为12的倍数时，通过从齿数中加上或减去2来确定极数。

根据本实施方式的旋转电机，可以使用基于极数与齿数之间的组合的质数序列的明确规则来简单地执行判断过程，而以往这种判断过程通过试错方法来执行。其结果是，具有极数和齿数的优化组合的旋转电机的设计和开发能够以低成本迅速地进行。

此外，根据本实施方式的旋转电机100能够使用具有大致正方形形状的构造，其中，同相中的齿组是顶点，并且连接同相中的顶点的线彼此大致正交地交叉。根据该构造，可以抑制旋转电机100的内部空间磁场中的磁场畸变。因此，可以减少旋转电机引起的噪声。

Claims (9)

1.一种旋转电机，包括：

转子；以及

集中绕组定子，所述集中绕组定子与所述转子同轴地布置，

其中，

将所述集中绕组定子的齿数设定为乘以2后的值，所述值是3的倍数的整数，且所述整数位于质数序列中的相邻质数之间，

将所述转子的极数设定为所述相邻质数之间的任意质数乘以2的值，

齿数为12的倍数，极数被定义为12k±2，其中，k是7或17，极数为至少80，

所述集中绕组定子的短节距因数为0.998至1的范围。

2.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述齿数为至少24。

3.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述旋转电机构造为内转子型旋转电机。

4.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述旋转电机构造为外转子型旋转电机。

5.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述旋转电机构造为轴向间隙型旋转电机。

6.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述转子包括永磁体。

7.如权利要求6所述的旋转电机，其特征在于，

所述转子构造成使得所述永磁体被布置为哈尔巴赫阵列。

8.如权利要求6所述的旋转电机，其特征在于，

所述转子构造成使得所述永磁体被布置在靠近所述转子的转轴的中心位置的部分。

9.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述旋转电机构造成具有所述齿数和所述极数的组合，所述组合是权利要求1中选择的所述齿数和所述极数的组合的整数倍。