CN112913115A

CN112913115A - 具有分段定子或转子的电机

Info

Publication number: CN112913115A
Application number: CN201980072510.0A
Authority: CN
Inventors: Z·阿扎尔; R·克拉克; A·杜克; A·托马斯
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2019-10-18
Publication date: 2021-06-04
Also published as: WO2020088956A1; EP3811496A1; US11888348B2; EP3811496B1; US20210359558A1; EP3648306A1; DK3811496T3

Abstract

一种用于电机（10）的定子（11），其包括多个部段（100），其中为了减少由于两个周向相邻的定子部段（100）之间中置的周向间隙（110）引起的转矩谐波和功率谐波，每个定子部段（100）的两个端齿（15）中的至少一个在相应的齿径向端部（35）处包括周向突起（45），所述周向突起（45）从相应的侧面（25）朝向相应的周向端部（23）突出。

Description

具有分段定子或转子的电机

技术领域

本发明涉及一种具有定子或转子的电机，该定子或转子具有分段的几何形状，即，定子或转子包括周向接合在一起的多个定子部段。

背景技术

在大型电机中，需要对定子和/或转子结构分段，以便利制造和运输。对于设置绕组的定子或转子而言，这是特别需要的。由于制造公差和限制，通常在部段之间设计容差周向间隙（tolerance circumferential gap）。与单定子相比，部段周向间隙的存在可能会导致电磁性能的差异，并且经常会导致电机的不期望的转矩谐波和输出功率谐波的问题，这可能会导致高水平的振动和声音噪声以及损耗和复杂的控制。因此，重要的是控制周向间隙的形状和尺寸，以便最小化分段所引入的对性能的不利影响。

对于在部段的周向端部处具有半齿（half teeth）的电机（通常为具有分布绕组的整体槽电机（integral slot electrical machine）），可通过方便地对该半齿成形和设定尺寸而在形状和尺寸上控制部段周向间隙。这对用于收容铜绕组的槽的面积没有不利影响，并且因此，电机的转矩和输出功率不受影响。对于在部段的每个周向端部处存在半槽的电机（通常为具有集中绕组的分数槽电机），该槽无法例如通过在宽度上减小它们来修改，因为这将会减小用于绕组的面积。绕组面积的减小将会增加该特定线圈的电阻，并且因此增加损耗。通过使线圈之间的损耗不平衡，将预期会在周向端部线圈中形成热点，从而从热的角度限制整个电机的操作点。

在后一种情况下，设定期望的部段周向间隙的尺寸的另一种方法是减小每个部段中的最终齿的宽度。这确保了绕组面积与所有其他槽保持相同或相似，从而消除了热点的风险，然而，由于所产生的齿围绕气隙周界的不均匀分布，其可能会引入另外的转矩谐波和功率谐波。期望避免齿围绕气隙周界的不均匀分布，并且最小化影响电机的性能的由于定子分段而引起的转矩谐波和功率谐波。

专利申请US5592731A（Haung Hao等人）公开了一种电机的定子芯，该定子芯由多个部段形成，该部段由压制的双涂层铁粉形成，这些部段具有多个径向定向的齿。各个部段周向组合，以形成带有绕组的圆柱形定子或电枢。图1示出了单独的部段，其在相应的周向端部处具有半槽，其中齿径向向内突出。多个齿在齿尖处布置有相同的突起。

专利文献JP5644880B2（三菱电机公司，Mitsubishi Electric Corp）描述了一种旋转电机，其能够减少由于定子芯的变形或铁芯材料的磁各向异性而引起的齿槽转矩和转矩波动。该定子由六个部段形成，该部段包括六个齿，其中三相绕组同心地缠绕在这些齿周围，以减小转矩脉动（图2）。图8和图9示出了在相应的周向端部处具有半槽的各个部段，其中齿径向向内突出。多个齿在齿尖处布置有相同的T形突起。

专利申请WO2017/012707A1（Ziehl-Abegg SE）公开了一种作为电机的定子和/或转子的一部分的芯体，该芯体具有主体，该主体沿其周界具有凹槽（槽）。这些凹槽（槽）中的至少一些具有不对称的轮廓。该芯体设置有至少一个镜像轴线，相对于该镜像轴线，不对称的凹槽镜像对称地布置在该芯体中。这些凹槽（槽）被布置成凹槽组。该镜像轴线将芯体分成至少两个部段，该部段包括至少一个凹槽组。这些凹槽组关于镜像轴线镜像对称。

专利申请GB2508022A（Jaguar Land Rover LTD）公开了一种电机，其包括基本上圆形的转子和定子，其中，该定子包括至少一个基本上弧形的部段。该部段的形成突出部的端部部分可开槽，以接合安装钩，或者这些钩可被布置成接合该部段的内径向表面。图4示出了单独的定子部段，其在相应的周向端部处具有半槽，其中齿径向向内突出。

发明内容

本发明的范围在于提供一种新的部段设计，以用于控制在部段的周向端部处具有半槽的分段定子或转子中的周向间隙的形状和尺寸，以便最小化上述不利影响。

该范围通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。

根据本发明，提供了一种用于电机的定子，该定子包括多个部段，

- 其中，每个部段包括在两个周向端部之间绕定子部段的纵向轴线（Y）周向延伸的部段主体，所述部段主体包括：

- 多个齿，其按照与所述纵向轴线（Y）正交的径向方向从所述部段主体的轭部突出到相应的齿径向端部，每个齿在两个相应的侧面之间周向延伸，所述多个齿周向地分布在所述多个齿中的两个端齿之间，所述多个齿包括周向地包括在所述端齿之间的至少一个中间齿，

- 多个槽，其周向地置于所述定子的所述齿之间，所述多个槽周向地分布在两个端槽之间，每个端槽周向地包括在相应的端齿和相应的周向端部之间，所述多个槽包括多个中间槽，所述中间槽周向地包括在两个端槽之间，

- 其中，每个部段包括布置在所述部段主体中的线圈绕组，所述线圈绕组包括分别收容在所述端槽中的至少两个侧线圈，所述两个侧线圈中的至少一个径向地置于所述部段的周向突起和所述轭部之间，

- 其中，所述多个部段以如下方式在它们的端部处周向地接合在一起，即：使得部段容差周向间隙置于两个周向相邻的定子部段之间，

其特征在于，

为了减少由于两个周向相邻的定子部段之间中置的周向间隙引起的转矩谐波和功率谐波，每个定子部段的两个端齿中的至少一个在相应的齿径向端部处包括周向突起，所述周向突起从相应的侧面朝向相应的周向端部突出。

上述部段可有利地整合在电机的分段定子或转子中，无论是发电机还是马达。例如，上述部段可有利地整合在用于风力涡轮机的发电机的定子中。

根据本发明，周向突起的存在导致某些齿槽和负载转矩谐波以及电压和功率谐波的减少。

特别重要的是，当本发明用于连接到转换器的发电机中时，齿槽转矩谐波的减少，这是因为当转换器在开路期间不起作用时，无法通过转换器主动地减少齿槽转矩谐波。

该周向突起可在横向于纵向轴线的剖面中具有矩形或三角形的形状。该周向突起可在横向于纵向轴线的剖面中具有与矩形或三角形形状不同的其他形状。为了高效地减少齿槽转矩谐波以及电压和功率谐波，端齿上的周向突起可具有与中间齿上的周向突起不同的形状。每个部段包括至少一个中间齿，其周向地包括在部段的两个端齿之间。每个部段包括两个端齿，其位于部段的周向端部上。

根据本发明的实施例，端齿的相应的齿径向端部处的第二周向宽度与中间齿的相应的齿径向端部处的周向宽度相同。如此，端齿的径向端部的宽度与部段中的所有其他中间齿一致。由于线圈的顶部不比部段中的其他齿宽，因此这些端齿不需要特殊的线圈设计，从而保持了制造的便利，并且改善了对部段的端部处的线圈的机械支撑。

本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。

附图说明

图1示出了风力涡轮机的示意性剖面图，该风力涡轮机包括具有根据本发明的定子几何形状的发电机。

图2示出了根据本发明的发电机的局部剖面图。

图3示出了图2的发电机的第一实施例的局部剖面图。

图4示出了图2的发电机的第二实施例的局部剖面图。

图5示出了根据本发明的实施例的发电机的局部剖面图。

具体实施方式

附图中的图例是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件配有相同的附图标记。

图1示出了根据本发明的风力涡轮机1。风力涡轮机1包括塔架2，其被安装在未描绘出的基座上。机舱3被布置在塔架2的顶部上。

风力涡轮机1还包括具有两个、三个或更多个叶片4（在图1的视角中仅两个叶片4是可见的）的风力转子5。风力转子5可围绕旋转轴线Y旋转。当未不同地指定时，下文中的术语“轴向”、“径向”以及“周向”是参考旋转轴线Y作出。旋转轴线Y可与定子纵向轴线Y重合。

叶片4相对于旋转轴线Y径向延伸。

风力涡轮机1包括集中绕组发电机10。

风力转子5借助于可旋转的主轴9与发电机10旋转地耦接。

根据本发明的其他可能的实施例（未在附图中呈现），风力转子5直接与发电机10旋转地耦接（直接驱动式发电机构造）。

设置了示意性地描绘的轴承组件8，以便将转子5保持就位。可旋转的主轴9沿旋转轴线Y延伸。永磁发电机10包括定子11和转子12。转子12处于定子11的径向外部，并且可相对于定子11绕旋转轴线Y旋转。根据本发明的其他实施例（未示出），转子处于定子11的径向内部。

根据本发明的其他可能的实施例（未在附图中呈现），本发明可应用于具有集中绕组拓扑结构的任何发电机或马达，例如同步或异步类型的齿轮传动系或电机。

根据本发明的其他可能的实施例（未在附图中呈现），本发明可应用于具有双层线圈分布绕组的任何发电机或马达。

图2示出了具有径向内部的定子11和径向外部的转子12的发电机10的正交于旋转轴线Y的剖面的局部示意图。发电机10包括径向地置于定子11和转子12之间的周向气隙19。转子12包括多个周向分布的永磁体31。周向气隙19径向地置于永磁体31和定子11之间。

定子11包括多个周向部段100（在图2中示出了两个部段100），这些周向部段100以如下方式周向接合在一起，即：使得周向间隙110置于两个周向相邻的定子部段100之间。定子11具有带齿的结构，如下文中所述，以用于收容布置在每个定子部段100中的线圈绕组30。

根据本发明的其他可能的实施例（未在附图中呈现），本发明和下面的描述适用于电机的转子。

每个部段100包括部段主体22，其在两个周向端部23之间绕纵向轴线Y周向延伸。部段主体22包括轭部（yoke）13、多个齿15、16以及多个槽17、18。

每个齿15、16按照与纵向轴线Y正交的径向方向从轭部13突出。该多个齿15、16周向地分布在该多个齿15、16的两个端齿15之间。每个端齿15在两个相应的侧面25之间周向延伸。该多个齿15、16包括周向地包括在端齿15之间的至少一个中间齿16（图2中示出了每个部段100的两个中间齿16）。每个中间齿16在两个相应的侧面26之间周向延伸。

该多个槽17、18周向地置于齿15、16之间，并且周向地分布在两个端槽17之间。每个端槽17周向地包括在部段主体22的相应的端齿15和相应的周向端部23之间。该多个槽17、18包括周向地包括在该两个端槽17之间的多个中间槽18（图2中示出了每个部段100的两个完整的中间槽18）。

线圈绕组30是双层绕组，其包括相应地收容在端槽17中的两个侧线圈41以及收容在每个中间槽18中的两个线圈42。侧线圈41和线圈42中的每一个从轭部朝向相应的槽17、18的径向外端部、即朝向周向气隙19径向延伸。

根据本发明的可能的实施例，线圈绕组30可以是线圈集中绕组或者双层线圈分布绕组。

端齿15在相应的齿径向端部35处包括周向突起45，该周向突起45从相应的侧面25朝向相应的周向端部23突出。

根据图3和图4中所示的实施例，端齿15在轭部13处具有第一周向宽度D1，并且在相应的齿径向端部35处具有第二周向宽度D2。第二周向宽度D2大于第一周向宽度D1。端齿15的周向宽度D1、D2的差异是由相应的齿径向端部35处的相应的周向突起45引起。

根据其他实施例（附图中未示出），第二周向宽度D2小于第一周向宽度D1。可替代地，第一周向宽度D1和第二周向宽度D2可相等。端齿15的相应的齿径向端部35处的第二周向宽度D2与中间齿16的相应的齿径向端部36处的周向宽度D2相同。

根据其他实施例（附图中未示出），端齿15的周向宽度D1、D2不同于中间齿16的周向宽度。

根据图3和图4中所示的实施例，周向突起45以如下方式径向定位，即：使得在每个端槽17中，相应的侧线圈41径向地置于相应的部段100的周向突起45和轭部13之间。

可调整周向突起45在径向和周向方向上的尺寸，以在电机10的转矩、功率和电压的谐波减少方面获得最有利的结果。

参考图3的实施例，周向突起45在横向于纵向轴线Y的剖面（图4中示出的剖面）中具有三角形形状，即周向突起45以倒角连接相应的端齿15的相应的齿径向端部35和相应的侧面25。

参考图4的实施例，周向突起45在横向于纵向轴线Y的剖面（图3中示出的剖面）中具有矩形形状，即周向突起45以台阶连接相应的端齿15的相应的齿径向端部35和相应的侧面25。

根据本发明的其他实施例（未示出），周向突起45具有与图3和图4的周向突起不同的形状，即，不是矩形也不是三角形。

根据图5中所示的实施例，端齿15在相应的齿径向端部35处包括三角形的周向突起45，该周向突起45从相应的侧面25朝向相应的周向端部23突出。此外，端齿15在相应的齿径向端部35处包括矩形突起46，该矩形突起46从相应的侧面25朝向中间槽18突出。中间齿16包括矩形突起46。为了减少由于两个周向相邻的定子部段100之间中置的周向间隙110引起的转矩谐波和功率谐波，与中间齿16处的周向突起相比，端齿15处的周向突起在形状上不同。图5中图示了一个这样的示例，但是还存在其他可能性。例如，每个端齿15可在端齿15的两个周向侧上包括三角形的周向突起（图中未描绘出），而中间齿16可包括全部矩形的周向突起46。选择每个端齿15处的从相应的侧面25朝向相应的周向端部23突出的周向突起的形状，以便减少由于两个周向相邻的定子部段100之间中置的周向间隙110引起的转矩谐波和功率谐波。中间齿16处的周向突起可全部具有相同的形状。为了实现期望的谐波减少，处于每个定子部段100的至少一个端齿15处的面向相应的周向端部23的周向突起45在形状上不同于中间齿16处的周向突起46。如图5中所描绘的，端齿15的周向宽度D2与中间齿16的周向宽度D2相同。

Claims

1.一种用于电机（10）的定子（11），包括多个部段（100），

- 其中，每个部段（100）包括在两个周向端部（23）之间绕定子部段（100）的纵向轴线（Y）周向延伸的部段主体（22），所述部段主体（22）包括：

- 多个齿（15、16），其按照与所述纵向轴线（Y）正交的径向方向从所述部段主体（22）的轭部（13）突出到相应的齿径向端部（35、36），每个齿（15、16）在两个相应的侧面（25、26）之间周向延伸，所述多个齿（15、16）周向地分布在所述多个齿（15、16）中的两个端齿（15）之间，所述多个齿（15、16）包括周向地包括在所述端齿（15）之间的至少一个中间齿（16），

- 多个槽（17、18），其周向地置于所述定子（11）的所述齿（15、16）之间，所述多个槽（17、18）周向地分布在两个端槽（17）之间，每个端槽（17）周向地包括在相应的端齿（15）和相应的周向端部（23）之间，所述多个槽（17、18）包括多个中间槽（18），所述中间槽（18）周向地包括在两个端槽（17）之间，

- 其中，每个部段（100）包括布置在所述部段主体（11）中的线圈绕组（30），所述线圈绕组（30）包括分别收容在所述端槽（17）中的至少两个侧线圈（41），所述两个侧线圈（41）中的至少一个径向地置于所述部段（100）的周向突起（45）和所述轭部（13）之间，

- 其中，所述多个部段（100）以如下方式在它们的端部（23）处周向地接合在一起，即：使得部段容差周向间隙（110）置于两个周向相邻的定子部段（100）之间，

其特征在于，

为了减少由于两个周向相邻的定子部段（100）之间中置的周向间隙（110）引起的转矩谐波和功率谐波，每个定子部段（100）的两个端齿（15）中的至少一个在相应的齿径向端部（35）处包括周向突起（45），所述周向突起（45）从相应的侧面（25）朝向相应的周向端部（23）突出。

2.根据权利要求1所述的定子（11），其中，所述端齿（15）的相应的齿径向端部（35）处的第二周向宽度（D2）与所述中间齿（16）的相应的齿径向端部（36）处的周向宽度（D2）相同。

3.根据权利要求1或2所述的定子（11），其中，所述周向突起（45）在横向于所述纵向轴线（Y）的剖面中具有矩形形状。

4.根据权利要求1或2所述的定子（11），其中，所述周向突起（45）在横向于所述纵向轴线（Y）的剖面中具有三角形形状。

5.根据前述权利要求中任一项所述的定子（11），其中，所述线圈绕组（30）是在每个所述中间槽（18）中包括两个线圈（42）的双层绕组。

6.根据前述权利要求中任一项所述的定子（11），其中，所述线圈绕组（30）是线圈集中绕组或双层线圈分布绕组。

7.根据前述权利要求中任一项所述的定子（11），其中，至少一个端齿（15）处的所述周向突起（45）在形状上不同于所述中间齿（16）的周向突起（46），所述周向突起（45）从相应的侧面（25）朝向相应的周向端部（23）突出。

8.一种电机（10），其包括根据前述权利要求中任一项所述的定子（11）。

9.一种包括发电机（10）的风力涡轮机（1），所述发电机（10）包括根据前述权利要求中任一项所述的定子（11）。