CN113452162A - 定子、转子和电机 - Google Patents

Abstract

一种用于电机的定子，该定子包括沿着定子的圆周分布的至少三个模块(1)，其中，模块(1)各自带有多相齿集中绕组的线圈(2)，并且其中，包括线圈(2)的模块(1)分别在轴向方向上由定子盖(3)覆盖。一种用于电机的转子，该转子包括沿转子的圆周分布的至少两个磁体(9)，其中，磁通主要在轴向方向闭合，而较小程度在圆周方向上通过相应的相邻磁体(9)闭合。

Description

定子、转子和电机

技术领域

本发明涉及定子、转子以及具有这种定子和转子的电机。

背景技术

电机从最早的时候就已经非常重要，并且在今天变得越来越重要。电机通常由两个重要的部件组成，即固定部分—定子和旋转部分—转子。两个部件—定子和转子均包含磁体材料。在定子和转子之间存在一个很小的区域，其称为气隙。传统的定子结构在气隙区域附近具有沿着圆周分布的多个槽或凹部，线圈绕组嵌入在该槽或凹部中。线圈绕组例如是分布式重叠绕组或齿集中绕组。

在传统的电机中或在这种电机的定子中，绕组的端部通常伸出定子的铁芯之外，从而使得它们在定子的轴向长度之外并且不会对扭矩有贡献。因此，在这样的电机中，仅定子的铁芯的轴向长度有助于电磁扭矩的产生。这个长度因此通常被称为电机的有效长度。

流过绕组的电流在端部区域产生不必要的欧姆损耗。此外，特别是对于在轴向方向上具有有限空间的应用，绕组端部的长度相对于绕组的总长度或电机的有效长度而言可能会是相对较大的。

发明内容

本发明提供一种用于电机的改进的概念，利用该概念能够实现电机的更高的效率。

改进的概念首先基于以如下方式设计电机的定子绕组的思想，即，线圈的所有绕组部件都能够位于定子的有效长度内。为此，提供至少三个模块，每个模块带有一个这样的多相齿集中绕组的线圈。此外，相应的定子盖设置在轴向方向的每一侧，其覆盖线圈。具有线圈的模块因此沿着定子的圆周分布。特别地，定子盖确保线圈的所有区域，即沿圆周延伸的区域和沿轴向方向延伸的区域，包括相应的过渡部分，被布置在定子的有效长度内。定子的有效长度由此来自于模块的轴向长度以及定子盖的轴向长度。

改进概念还基于的思想是沿转子的圆周分布磁体并选择它们的极性，以使磁通主要在轴向方向上闭合，而较小程度在圆周方向上通过相应的相邻磁体闭合。因此，磁通与沿着圆周延伸的线圈的绕组区域相适应地行进。

最终，改进概念使得能够设计有效的电机，其中具有线圈的定子的设计能够有利地适应具有磁体的转子的几何形状，并且具有磁体的转子的设计能够有利地适应具有线圈的定子的几何形状。

根据一个实施例，用于电机的定子包括沿定子的圆周分布的至少三个模块。模块分别带有多相齿集中绕组的线圈。由此，包含线圈的模块分别在轴向方向由定子盖覆盖。例如，每个模块由定子齿和围绕定子齿延伸的线圈形成。

例如，定子盖被布置成在电机的操作期间产生有效通量，并且因此有助于扭矩的产生。例如，定子盖能够有效地引导由线圈的周向延伸部分所产生的磁通。这些部分也可以称为绕组头。

在各种实施例中，定子盖分别具有在模块之间的槽开口和/或槽。特别地，槽开口形成在定子盖的外围处，而槽主要沿径向方向延伸。

线圈的形状例如基本上是矩形。这尤其想要表示，线圈的沿轴向方向延伸的区域与线圈的沿圆周延伸的部分垂直或基本垂直地相交。应考虑绕组在线圈的转角处的必要弯曲半径，并且不得改变基本的矩形形状。这也包括，例如，如果定子中正好有三个模块，则线圈在轴向平面图中可能是弧形的。在模块数量更多的情况下，该路线也可以是直线的，以便通过线圈以多边形的方式绘制圆周。

在各种实施例中，线圈沿定子的圆周的长度大于线圈沿轴向方向的长度。特别地，如果仅使用三个模块时，这使得能够开发具有短轴向范围的定子。然而，在模块数量较多的情况下，这种关系能够颠倒，因为随着模块数量的增加，沿着圆周的长度变短。

模块和/或定子盖包括例如铁、钢、软铁和/或软磁复合材料(SMC)。例如，特别是定子齿和/或定子盖的模块由诸如具有一个或更多个上述材料的固体材料形成。这例如在材料成本、生产和三维各向同性铁磁特性方面提供了优于常规叠层钢芯的优势。

每个模块与例如可连接到多相齿集中绕组的多相电气系统的电相相关联。

在一个实施例中，一种用于电机的转子包括沿着转子的圆周分布的至少两个磁体。这些磁体的磁通主要在轴向方向上闭合，而较小程度在圆周方向上通过相应的相邻磁体闭合。例如，转子的磁体数量是2的倍数。在这种情况下，磁体例如位于转子芯中或转子芯上。

在传统的电机中，极对的最佳数量通常取决于电机的直径。因此，更高数量的极对通常更适于更大直径的转子。然而，考虑到电源频率或铁损耗随极对数的增加而线性地或二次方地增加，这种具有更高数量的极对的电机不适于高速应用。因此，转子例如被设计为仅具有两个极，因此包括一个极对。

由于磁通主要在轴向方向上闭合，因此该磁通分布在转子的整个圆周上。从而，转子在轴向方向上的有效长度对于通量来说不太重要，特别是与传统的转子相比。

例如，在转子中，在圆周方向上相邻的各个磁体包括不同取向的极性。例如，磁体的磁偶极子的方向是交替的。

在轴向方向上的闭合通量能够例如通过在径向方向上磁化磁体来实现。例如，磁体分别包括在径向方向上向外指向的第一极性和向内指向的第二极性。因此，例如，地磁北极径向向内指向，而地磁南极径向向外指向，反过来，地磁南极径向向内指向，而地磁北极径向向外指向。

在具有径向磁化的磁体的这种实施方式中，转子还包括例如沿转子的圆周分布的至少两个另外的磁体，其在轴向方向上与所述至少两个磁体相邻地布置，尤其是成对相邻地布置。例如，因此至少四个另外的磁体与至少两个磁体轴向地相邻设置。优选地，另外的磁体也在径向方向上被磁化，并且具有相对于它们在轴向方向上的相邻磁体的相反极性。

在具有恰好两个磁体并且相应地恰好具有四个另外的磁体的情况下，这两个磁体在轴向方向上居中地布置在四个另外的磁体之间。中心磁体在轴向方向上比外部磁体宽。因此，通过这样的布置，磁通在带有一些径向分量的情况下继续主要轴向地闭合。该原理不随极对数的增加而改变。

在没有另外的磁体的实施例中，磁通例如经由转子齿或转子芯的齿闭合，所述转子齿或转子芯的齿被布置为与至少两个磁体轴向地相邻。

在另一实施例中，转子包括沿转子的圆周分布的至少两对磁体。在这种情况下，磁体在轴向方向上被磁化。此外，轴向地相邻的磁体包括不同取向的极性。轴向磁化尤其应理解为，磁体分别具有沿轴向方向上的第一极性和沿与之相反的方向上的第二极性。例如，这些对分别以彼此相距一定距离的方式插入在转子芯中。

由于在轴向方向上的这种极化，直接导致磁通主要在轴向方向上闭合。

根据改进的概念，电机包括根据前述实施例中的任何一个的定子和根据前述实施例中的任何一个的转子。例如，转子和定子的空间尺寸彼此适配。在这方面，特别地，例如线圈的尺寸，特别是线圈的轴向宽度的尺寸适配于转子的磁体的尺寸，特别是其宽度或彼此之间的距离。

这样能够开发出具有较小的轴向延伸的电机，使得这种电机特别适合于空间有限的应用。

另一方面，电机的轴向狭窄的设计使得能够使用两个或更多个具有狭窄设计的这种电机，以提供具有相应更高的转矩的模块化布置。因此，这种机器包括所述类型的另一定子和另一转子，所述另一定子和另一转子分别沿轴向方向与定子和转子相邻布置。例如，由转子和定子形成的两个模块具有相同的结构，但这不是强制性的。

附图说明

下面将参照附图借助于示例性实施例更详细地解释本发明。这里，相似的元件或相同功能的元件将用相同的附图标记表示。由此可以省略对各个元件的重复说明。

在附图中：

图1A和图1B示出了定子的模块的各种表示，

图2A和图2B示出了定子的各种详细视图，

图3A、图3B、图3C示出了定子盖的各种实施例，

图4以分解图示出了定子的实施例，

图5和图6示出了定子的各种实施例，

图7A至图7F示出了转子的各种实施例，

图8A、图8B、图8C示出了电机的实施例的各种视图，

图9A至图9D示出了电机的另一实施例的各种视图，

图10A和图10B示出了电机的另一实施例的各种视图，

图11A、图11B、图11C示出了电机的另一实施例的各种视图，

图12A和图12B示出了电机的另一实施例的各种视图，

图13A和图13B示出了定子的另一实施例的各种视图，以及

图14A、图14B和图14C示出了电机的另一实施例的各种视图。

具体实施方式

本文描述的改进概念尤其涉及一种用于电机的定子，该定子包括沿定子的圆周分布的至少三个模块。每个模块都承载多相齿集中绕组的线圈。此外，包含有线圈的模块分别在轴向方向上由定子盖覆盖。

在下文中，首先根据附图描述这种定子的单个部件以及完整的定子。此外，下面说明根据改进概念的转子以及由转子和定子形成的电机。

图1A和图1B示出了定子的模块1的不同的视图，该定子的模块例如由定子齿1'和盖组成。模块还包括线圈2，所述线圈仅在图中示意性地示出。在图1A中分开地示出了模块和线圈2，在图1B中它们被连接在一起。定子齿1'是平整的，并且线圈2被引导围绕定子齿1'。在该实施例中，线圈2基本上上是矩形的，特别是具有正交延伸的角。线圈2沿着圆周相应地弯曲。为了清楚起见，没有示出线圈2的各个匝，但是与所示路线是相对应的。

在所示的实施例中，模块沿定子的圆周的长度大于其在轴向方向上的偏转。这对于轴向长度短的定子是有利的，但是原则上该比率能够是相反的或相同的。

例如，为了能够容易地制造和能够三维地传导磁通，定子齿1'由包括例如铁、钢、软铁和/或软磁复合材料(SMC)的固体材料形成。与传统的叠层铁芯相比，这样的材料在材料成本、生产成本和三维各向同性铁磁特性方面是有利的。

在图2A和图2B中，一起示出三个这样的定子模块。在此，例如，三个线圈2形成三相系统。为了清楚起见，在图2A中还示出了圆周方向α和轴向方向z。在图2B中，为了说明的目的，没有示出具有定子齿的三个模块载体中的两个模块载体。

能够从先前的图中看出，沿圆周α的绕组长度明显大于线圈在轴向方向z上的长度。这意味着，线圈2的磁场的主要部分在线圈2的轴向外侧的端部区域中产生，该轴向外侧的端部区域也能够被称为绕组头。为了利用这个磁场，根据改进概念，提出将该区域包括在磁通中，其中定子盖3沿轴向方向放置在模块1的两侧上。

图3A、图3B和图3C示出了这种定子盖3的各种实施例。在图3A的实施例中，定子盖3分别在模块相遇的点处具有槽开口4和位于下方的径向延伸的槽5。出于透视的原因，在图3A中仅示出了两个槽开口4和槽5。

定子盖3优选地由与模块1相同的材料形成，即由铁、钢、软铁和/或SMC形成。模块1和定子盖3的材料可以是相同的，但这不是必须的。

在图3B中，定子盖3仅具有对应的槽开口4，而没有槽5。在图3C中，定子盖3连槽开口4都没有。

槽开口4或槽5能够用于例如减少或避免漏磁通。

最后，图4以分解图示出了完整的定子，在该实施例中，定子由图2A中示出的模块和两个图3A中示出的定子盖3形成。本领域技术人员将认识到其他组合作为替代方案。

最后，图5示出了基于图4的实施方式的完整的定子6。在图5中，另外示出了磁通的可能路线，该磁通例如在线圈2上有电流流过时产生。在此能够清楚地看到，沿圆周延伸的线圈2的绕组头通过定子盖3产生相应的磁通，该磁通主要沿轴向方向在定子盖3与模块1之间闭合。一小部分的通量由通过沿轴向方向延伸的线圈2的部件产生。

应当注意的是，相比于传统定子的布置，线圈的所有部件都对磁通有贡献，因此也有助于扭矩的产生。这特别是由定子盖3引起的，该定子盖包围了线圈沿圆周延伸的部分，并且因此在定子运行期间产生有效的通量。

图6示出了定子6的改进的实施例，其中，使用了没有槽开口4或槽5的定子盖3。在其他方面，上述效果也适用于该实施例。

改进的概念还提出了一种用于电机的转子布置，其被设计成用于较小的轴向延伸和较少数量的极对。

图7A至图7F示出了这种转子7的各种实施例，每个转子包括转子芯8和沿转子7的圆周分布的至少两个磁体9。在所示的实施例中，所有转子7都是两极设计，即具有一个极对。但是，以下描述的原理也能够转移到更高数量的极对上。

在图7A的实施例中，除了径向磁化的两个磁体9外，还提供了两个附加的成对磁体9'。特别地，径向磁化意味着磁体9分别具有在径向方向上向外指向的第一极性和向内指向的第二极性。附加的成对磁体9'各自与磁体9在轴向方向上相邻布置。外部磁体9'的极性分别与中间磁体9的极性相反。类似地，在圆周方向上相邻的各个磁体也具有不同取向的极性或交替取向的极性。由于磁体9、9'的所示布置，磁通主要在轴向方向上闭合，较小程度而在圆周方向上通过各自相邻磁体闭合。这确保了转子的圆周在磁通中不起作用，因此能够使用较少数量的极对。

图7B和图7C的实施例是基于图7A的转子的实施例，其中，每个外部磁体9'相对于中央磁体9具有倾斜度，即在圆周方向上的位移。例如，该偏斜是角度为α_x的一步偏斜。这种类型的极移位能够有效地用于进一步提升诸如扭矩波动、振动等的机器性能。

例如，偏斜角度α_x为0°至20°,每个角度都视为一个电角度。

在图7B中示出了完整的转子7，然而为了说明的原因没有在图7C中示出转子芯8。

在图7D和图7E的实施例中，与图7A至图7C不同，仅存在相应的中央磁体9，使得磁通在相邻的转子齿10上延伸。图7D和图7E不同之处在于，在图7D的转子中，磁体可以说是与转子齿10嵌入在同一平面，而在图7E中，磁体9相对于转子齿10布置在升高的位置。然而，在这两个实施例中，相对于图7A的实施例，存在关于磁通的类似行为。

在图7F的实施例中，在轴向方向磁化的两对磁体9被设置在分离的转子芯8中，一对磁体9的极化是不同的。从代表磁通的相应箭头也可以明显看出这一点。尽管磁体9的极化不同，但是磁通的闭合主要是在轴向方向上导致的。

根据改进概念的定子和转子能够被组装在一起以形成电机。下面参照附图描述对此的各种实施例。原则上，如果定子和转子的几何形状彼此适配，例如就线圈2和磁体9以及磁体9'(如果存在的话)的尺寸而言，则在此是有利的。例如，在图8A、图8B和图8C中示出了电机20的实施例的各种视图。例如，图8A示出了具有根据图5描述的实施例的内部定子6和根据图7A描述的实施例的外部转子7的电机。

在图8B中，选择了局部截面图，其中仅示出了外部转子7的一半，以使得能够看到磁体9和磁体9'分别相对于线圈(不可见)与模块1的布置之间的几何关系。在图8C中，由于省略了定子盖3，所以线圈2也是可视的。

在图9A至图9D中示出了电机20的另一实施例的各种视图，该电机被设计成例如具有如图6示出的内部定子6和如图7F示出的外部转子7。图9A示出了电机20的整体视图。在图9B中，选择了截面图，其中还示出了径向和轴向地穿过定子和转子的磁通线。在此可以很容易的看出，线圈的沿圆周延伸的部分完全贡献了有效磁通，并因此有助于扭矩的产生。

在图9C中，为了清楚起见，省略了外部转子7的一半。在图9D中，再次没有示出定子盖3中的一个。

在图10A和图10B中，以完整的视图和截面视图示出了电机的另一实施例。在此，例如，转子7如图7A所示设计，而定子6被设计成具有定子盖3，该定子盖没有槽或槽开口，例如如图3C所示。与图9B类似，图10B再次示出了通过线圈的磁通的路线，该路线是径向的，而当转子的两极之间的过渡的一小部分沿圆周发生时，该路线是轴向的。

图11A、图11B和图11C示出了具有内部转子的电机20a的实施例。在图11A中，示出了具有三个线圈和仅一个定子齿模块的定子的一部分。在图11B和图11C中示出了完整的电机，其中仅未示出一个模块区域的罩。

图12A和图12B示出了具有内部转子的电机20a的另一实施例。在此，定子形成为没有槽，并且转子形成为类似于图7A，磁体沿径向向外指向。

在先前所描述的实施例中，在每种情况下，示出了具有三个模块或三个线圈的定子。但是，所描述的方法也能够扩展到更大数量的模块。例如，在图13A的实施例中，示出了具有六个模块和相应的六个线圈的定子，其中，由此定子盖也相应地具有六个槽和槽开口。在图13B中，出于说明目的，示出了六个模块中的单个模块。对应于具有三个线圈或模块的不同设计的变化是可能的。

在图14A、图14B和图14C中，示出了根据前述实施例之一的由两个可能相同的电机20、20'形成的布置。由于电机的狭窄的设计，即电机的轴向延伸较小，因此，例如，如果需要更高的扭矩和/或在轴向方向上有足够的空间，则能够以模块化的方式组装多个这样的电机。因此，相同的电动机模块能够用于具有不同需求的不同应用。

尽管图14A示出了完整的布置，但图14B没有示出外部转子之一。在图14C中，省略了两个转子，并且仅示出了内部定子6、6'。在此，两个电机在轴向上彼此连接。

Claims (14)

1.一种用于电机的定子，所述定子包括

-沿所述定子的圆周分布的至少三个模块(1)，

-其中，所述模块(1)各自带有多相齿集中绕组的线圈(2)，并且

-其中，包含有所述线圈(2)的模块(1)各自在轴向方向上由定子盖(3)覆盖。

2.根据权利要求1所述的定子，

其中，所述定子盖(3)被配置成在所述电机的操作期间产生有效通量，从而有助于产生扭矩。

3.根据权利要求1所述的定子，

其中，所述定子盖(3)分别在所述模块(1)之间包括槽开口(4)和/或槽(5)。

4.根据权利要求1所述的定子，

其中，所述线圈(2)的形状基本上是矩形。

5.根据权利要求1所述的定子，

其中，所述模块(1)和/或所述定子盖(3)包括铁、钢、软铁和/或软磁复合材料。

6.根据权利要求1所述的定子，

其中，每个模块(1)与可连接到多相齿集中绕组的多相电气系统的电相相关联。

7.一种用于电机的转子，

所述转子包括沿所述转子的圆周分布的至少两个磁体(9)，对于所述磁体，磁通主要在轴向方向上闭合，而较小程度在圆周方向上通过相应的相邻磁体(9)闭合。

8.根据权利要求7所述的转子，

所述转子被设计成具有两极。

9.根据权利要求7所述的转子，

其中，各个周向相邻的磁体(9)具有不同取向的极性。

10.根据权利要求7所述的转子，

其中，所述磁体(9)沿径向方向被磁化，并且特别地，每个磁体具有在径向方向上向外指向的第一极性和向内指向的第二极性。

11.根据权利要求10所述的转子，

还包括沿所述转子的圆周分布的至少两个另外的磁体(9')，所述至少两个另外的磁体与所述至少两个磁体(9)在轴向方向上相邻地布置，特别是成对相邻地布置。

12.根据权利要求7所述的转子，

其包括沿所述转子的圆周分布的至少两对磁体(9)，其中

-所述磁体(9)沿轴向方向被磁化，并且特别地，每个磁体具有在轴向方向上的第一极性和与所述第一极性相反地指向的第二极性；并且

-轴向相邻的磁体具有不同取向的极性。

13.一种电机(20)，包括根据权利要求1至6中任一项所述的定子(6)和根据权利要求7至12中任一项所述的转子(7)。

14.一种电机，包括：

-根据权利要求1至6中任一项所述的定子(6)；

-根据权利要求1至6中任一项所述的另一定子(6')；

-根据权利要求7至12中任一项所述的转子(7)；以及

-根据权利要求7至12中任一项所述的另一转子；

-其中，所述另一定子和所述另一转子各自与所述定子(6)和所述转子(7)轴向地相邻布置。

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