CN113615040A - 具有非对称的齿几何结构的定子齿 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电机的定子的齿并且尤其涉及定子齿的齿顶区域的几何结构。所述齿顶区域例如在带有处于外部的定子和处于内部的转子的典型的径向磁通机器的情况下沿轴向的视线方向具有非对称性，所述非对称性通过如下方式来提供，即在所述齿顶区域的第一切向的端部处设置有凹处。所述第一切向的端部的位置取决于所述电机的转子的优选转动方向T并且如下地进行选择，使得其沿所述转子的优选转动方向T来看处于所述头部区域的后方的端部处。

Description

具有非对称的齿几何结构的定子齿

技术领域

本发明涉及一种用于电机的定子的齿并且尤其涉及定子齿的齿顶区域的几何结构。

背景技术

为了驱动空中行驶工具，例如对于飞机或直升机，或还对于电驱动的水路行驶工具等，作为常用的内燃机的备选方案研究和使用基于电驱动系统的构思。这种电或混电驱动系统通常具有一个或多个电机，所述电机能够根据应用目的在驱动系统中配置为发电机和/或电动马达。

能够用于这种可移动的应用的驱动构思例如基于所谓的直接驱动，其中，电机直接地（也就是说，没有传动机构地）与待驱动的推进器件，例如与推进器连接。刚好在直接驱动的情况下，极其高的转矩密度是必要的，以便能够产生对于推进来说所需的功率。一般情况下，用于具有高转矩和低转速要求的应用的电驱动器能够要么借助于具有传动机构的高速或快速转动的机器要么但是借助于针对高转矩密度进行设计的机器来实现。在具有高转矩密度的电机的情况下放弃传动机构本身带来如下优点，即能够降低整个系统的复杂性以及重量。在此，所需的转矩完全由现在缓慢地转动的机器来提供。为了这个目的典型地合适的电磁的设计方案通常通过如下方式出众，即其具有相对大的空隙直径、短的轴向长度、小的或细的空隙以及具有在转子处装配在表面的永磁体的细极距的高的极对数。

然而，由于在转子中的细极距在空隙处出现漏磁场，其磁场线虽然在转子极处进入和离开，然而，没有由定子绕组包围并且由此不参与电功率到机械功率的转换。此外，由漏磁通或相应的漏磁场产生切向的力分量具有不利的影响，所述力分量导致不期望的所谓的“转矩波动”和摆动力矩。所述力的法向分量加载电机的结构并且能够导致引起声学上可感知的振动以及如有可能导致机器的损伤。

此外，转子的永磁体的漏磁场穿过在定子齿的位置处的定子铁芯并且在此处引起提高了的铁芯损失以及提高了的材料的调制。前后一致地，用于最终形成转矩的主磁通的磁阻上升，这必须通过在定子绕组中的较高的电流强度来补偿，然而，这由此提高了欧姆损失。这在结合图2的附图描述的范围中更详细地进行阐释。

漏磁场的减小能够例如通过提高磁阻来实现。这又通过在转子极之间的较大的间距或通过在相同的空隙直径的情况下降低极对数来实现。备选地或附加地，为了降低漏磁场能够扩宽空隙，这使在空气中的漏磁场线的路径增大。同样备选地或附加地，降低齿宽还能够提高用于转子漏磁场的磁阻。然而，所有这些措施起削弱作用地影响主磁通的磁通链和能够使用的轴转矩，从而使得机器的效率变差。

发明内容

因此，本发明的任务是，说明一种用于提高磁阻以降低漏磁场的可行方案。

所述任务通过在权利要求1中描述的用于根据权利要求11的电机的根据权利要求7的定子的起引导磁通作用的部件。从属权利要求描述有利的设计方案。

用于具有定子和转子的电机的定子的部件设置、构造和布置成用于引导定子的定子绕组的主磁通，以便在电机的运行时，也就是说，尤其在被电流流经的定子绕组的情况下，引导通过所述电流流动所促使的主磁通。所述部件具有颈部区域和在装入到机器中的状态中面向电机的转子的头部区域，其中，所述部件沿轴向的或如有可能径向的视线方向来看至少在头部区域中具有非对称性。

在此和在下面提及的主磁通（与漏磁通不同）是如下磁通，其应该与永磁体或其转子的场电磁地相互作用，以便产生机器的转矩。

相应的非对称性尤其通过如下方式来实现，即在相应的头部区域的第一切向的端部处相应地设置有凹处。除了已经阐释的期望的效应之外，由于这样的凹处的存在此外得出如下可能性，即将相应的定子齿形状配合地置入到定子的相应的承载结构中。

相应的凹处能够例如如下地成型，使得其沿轴向的视线方向来看具有矩形的轮廓。

所述部件能够例如是定子齿，所述定子齿引导能够由定子绕组产生的主磁通。

所述部件或齿能够在特别的设计方案中构造为爪、尤其爪对，以用于电机的构造为爪形极定子的定子。在此，电机构造为横向磁通机器。

此外，所述部件能够在颈部区域的与头部区域对置的端部处具有另外的头部区域，所述另外的头部区域在装入到机器中的状态中面向电机的另外的转子，其中，所述部件沿轴向的视线方向来看在另外的头部区域中具有另外的非对称性。这例如对于具有双转子或双空隙的电机来说是有利的。

用于具有所述定子和转子的电机的定子具有定子绕组用于产生主磁通和这种非对称的部件用于引导主磁通。定子绕组和所述部件相对于彼此如下地进行布置，使得在电机的运行中通过定子绕组产生的主磁通通过所述部件进行引导。

在此，所述部件能够是定子齿，所述定子齿从定子的定子环沿径向的方向朝着转子延伸，并且所述定子齿如下地承载定子绕组，使得定子绕组至少在颈部区域中绕定子齿进行卷绕。典型地，定子齿具有齿根，所述齿根固定在定子环处或所述齿根与定子的另外的定子齿的齿根一起形成定子环，其中，齿颈在齿根与齿顶之间延伸。在定子齿上存在有定子绕组或至少其一部分，从而齿对主磁通进行引导。然后，由于通过凹处在头部区域中得到的非对称性得出上面提及的优点。

定子在一实施方式中能够构造为爪形极定子，其中，那么所述部件呈现爪形极定子的爪对。在此，电机构造为横向磁通机器。

定子能够具有如下结构，所述部件以其具有非对称性的区域如下地置入到所述结构中，使得得出在所述部件与所述结构之间的形状配合。由此确保，所述部件即使在所期待的高的力的情况下也保持在原位。

相应的电机包括这样的定子以及转子，其在机器的正常运行中尤其沿优选转动方向T进行旋转。

所述部件如下地装入到定子中，使得所述部件的相应的头部区域的相应的第一切向的端部从头部区域中心沿转子的优选转动方向T来看处于相应的头部区域的后方的端部处。

相应的形成非对称性的凹处从相应的头部区域的与相应的转子对置的表面（所述表面与转子如下地对置，使得在所述切向的表面与转子之间延伸有空隙）以延伸部XR并且从相应的头部区域的切向的表面以延伸部XT延伸进入到相应的头部区域中。在此，XR基本上相应于电机的在定子与转子之间形成的空隙的径向的延伸部R150的两倍，而XT基本上相应于相应的头部区域的切向的延伸部T122a的20%。凹处沿轴向的方向延伸经过整个部件。在所述配置中，能够期待的是，期望的效应在对主磁通的同时最小的消极的影响的情况下被最大化。

优选的、但是不是唯一的，所述电机适用于电的空中行驶工具的驱动系统。所述机器能够根据使用目的构造为电的发电机或但是构造为用于驱动空中行驶工具的推进器的电动马达。

另外的优点和实施方式从附图和相应的描述中得出。

附图说明

在下面，根据附图更详细地阐释本发明和示例性的实施方式。在此，在不同的图中的相同的部件通过相同的附图标记进行标记。因此，可行的是，在描述第二幅图时对于已经结合其它的、第一幅图进行阐释的确定的附图标记不再做更详细的阐释。在这种情况下，在第二幅图的实施方式中能够从如下出发，即在此以该附图标记进行标记的部件即使没有更详细地结合第二幅图进行阐释也具有与结合第一幅图进行阐释的相同的特性和功能。此外，为了清楚明了起见，部分地、并非全部的附图标记在全部图中都被示出，而是仅仅示出在描述相应的图时所参考的附图标记。

其中：

图1示出已知的电机，

图2示出朝着两个根据现有技术的定子齿的轴向的视图，

图3示出朝着两个根据本发明的定子齿的轴向的视图，

图4示出朝着两个根据本发明的以第一变型方案的定子齿的轴向的视图，

图5示出朝着根据本发明的以第二变型方案的定子齿的轴向的视图，

图6示出朝着具有根据本发明的定子齿的横向磁通机器的一部分的透视的视图，

图7示出图5的横向磁通机器的爪形极对，

图8示出两个根据本发明的用于具有双转子的径向磁通机器的定子齿。

具体实施方式

应该说明的是，如“轴向”、“径向”、“切向”等概念涉及在相应的图中或在相应描述的示例中使用的轴或轴线。换言之，轴向、径向、切向这些方向始终涉及转动件的转动轴线。在此，“轴向”描述平行于旋转轴线的方向，“径向”描述正交于旋转轴线、朝着所述旋转轴线或还远离所述旋转轴线的方向，并且“切向”是如下运动或方向，其相对于旋转轴线以恒定的径向间距并且在恒定的轴向位置的情况下圆形地围绕旋转轴线进行指向。

此外，“轴向”、“径向”或“切向”这些概念结合面、例如表面应该意味着，相应的轴向的、径向的或切向的面的法向矢量沿轴向的、径向的或切向的方向进行定向，由此来明确地描述相应的面在空间中的定向。

“相邻”这一概念结合部件、例如环或接片应该表述为，在“相邻的部件”的情况下，在所述两个部件之间尤其不存在另外的这种部件，而是最多存在空的中间空间。

“同轴的部件”（例如同轴的环）这一表述，在此理解为如下部件，所述部件具有相同的法向矢量，也就是说，对于所述法向矢量，由同轴的部件界定的平面彼此平行。此外，该表述应该包含，同轴的部件的中心点虽然能够位于相同的旋转或对称轴线上，但是在所述轴线上如有可能能够处于不同的轴向位置处并且也就是说，所提及的平面与彼此具有大于零的间距。该表述不强制性地要求同轴的部件具有相同的半径。

图1示范性地示出构造为电动马达的电机100，如其在现有技术中已知的那样。应该提到的是，电机100基本上还能够以类似的结构作为发电机运行。此外应该说明的是，在下面进行描述的机器的结构被强烈地简化并且此外没有示出结合另外的图进行阐释的细节中的一些细节，而是仅仅用于说明电动马达的基本的工作原理。能够前提为已知的是，机器的不同的部件能够根据电机构造为发电机或构造为电动马达和/或构造为例如具有构造为内部转动件或还构造为外部转动件的转子的径向或轴向磁通机器等以不同的方式布置。

电动马达100具有基本上环形的定子120以及构造为内部转动件的、基本上柱状的转子110，其中，转子110布置在定子120之内并且在电动马达100的运行状态中绕旋转轴线旋转。转子110或其基本上柱状的转子基体112抗转动地与轴130连接，从而转子110的旋转能够通过轴130传递到未示出的待驱动的部件上，例如传递到飞机的推进器上。

定子120具有第一磁性器件121，所述第一磁性器件例如能够实现为定子绕组121。绕组121中的每个通过电导体形成。导体121相应地卷绕到定子120的定子齿122上并且在电动马达100的运行状态中由电流流过，从而产生磁场。定子齿122固定在定子环123处。转子110具有第二磁性器件111，所述第二磁性器件能够例如构造为永磁体111并且能够布置在转子基体112的面向定子120的表面处。为了清楚明了起见，仅仅一些永磁体111设有附图标记。

第一和第二磁性器件121、111如下地构造并且相对于彼此通过空隙150彼此间隔开地进行布置，使得其在电动马达100的运行状态中以电磁的方式与彼此相互作用。所述构思（包括针对磁性器件111、121或转子110和定子120的构造方案和准确的布置方案的条件在内）本身是已知的并且因此在下面没有更详细地进行阐释。

仅仅应该提到的是，为了使电机100作为电动马达运行，借助于未示出的电流源以电流加载定子绕组121，所述电流促使，绕组121产生与其相应的磁场，所述磁场与转子110的永磁体111的磁场进入电磁的相互作用中。这引起，有转矩沿第一切向的方向T作用于永磁体111，所述转矩在永磁体111足够固定地与转子基体112连接这一前提下引起，在将所提及的部件相对于彼此合适地构造和布置的情况下，转子110被置于旋转中并且轴130与所述转子一同被置于旋转中。

电机100构造为电动马达这一构思能够是前提为已知的。电机100相应地配置和应用为发电机也能够是前提为已知的。因此，电机100的这两种构造方案在下面没有进一步详细说明。

图2示出朝着根据现有技术具有流动通过在此未示出的绕组121的定子电流IS和由此得出的主磁通mH的定子齿122中的两个的轴向的视图。如开头已经描述的那样，由于在转子110中的细极距在空隙150处得出漏磁通mS。转子110的所述漏磁场mS穿过在定子齿122的位置处（尤其在其齿顶区域122a中）的定子铁芯。通过磁通mH和mS的共同作用尤其在用虚线标记的分布区SAT中得出具有在此存在的材料的高调制或提前饱和的区域，伴随着提高了的铁芯损失。前后一致地，对于最终形成转矩的主磁通mH的磁阻上升，这必须通过在定子绕组121中的较高的电流强度IS来补偿，这如开头所描述的那样应该被避免。

图3同样示出朝着具有流动通过在此又未示出的绕组121的定子电流IS和由此得出的主磁通mH的定子齿122中的两个的轴向的视图。然而，与现有技术不同，定子齿122的相应的几何结构沿轴向的视线方向从现在起是不对称的，这通过如下方式来实现，即其在齿顶区域122a中具有凹处122x。对称轴线SYM对于所示出的齿122中的每个都用虚线进行标记。非对称的齿顶几何结构实现，对于转子漏磁场mS的磁阻独立于主磁通mH的磁阻被提高。在最好的情况下，转子漏磁通线路和主磁通线路的分开在设计磁环路时被实现。一般情况下，在分布区SAT中从现在起注意较小的漏磁通mS，这就此而言意味着用于引导主磁通mH的附加的电势，从而能够最大程度上避免上面提及的缺点。

在定子120关于凹处122x在定子齿122处尤其沿切向的方向T的定位的构造方案中，在电机100的运行中必须考虑转子120的有意的转动方向。在图3中从如下出发，即在机器100的运行中由于在定子绕组121与永磁体111之间的电磁的相互作用起作用的切向的力分量向左与转子110对准，相应于在所示出的R、T坐标系中的正向的切向的T方向。转子110前后一致地向“左”转动。与此相应地，在齿顶122a中的“左边的”区域仅仅弱地参与主磁通mH的引导。通过切去在所述区域中的定子材料形成凹处122x，伴随有用于转子漏磁场mS的磁阻的明显的提高。这引起转子漏磁通mS降低，而对主磁通mH的影响小到能够被忽略。

也就是说，凹处122x设置在齿顶区域122a的从齿腰来看处于相应于转子110的转动方向的方向上的切向的端部处。也就是说，凹处122x沿转子110的转动方向T来看处于相应的齿顶区域122a的后方的端部处。由此，得出用于装备有设有凹处122x的定子齿122的电机100的优选转动方向。其对于在此所设置的作为用于驱动空中行驶工具的推进器的马达的应用来说不呈现缺点，因为所述推进器通常始终沿相同的转动方向运行。相同的内容如例如在很多牵引、泵、压缩机、工具或通风机驱动器中的应用中适用，在其中不要求对称的特性，从而能够接受非对称的转矩常数。沿相反的方向的运行基本上是可行的，然而，如此运行的马达的效率或如有可能转矩会明显小于沿优选转动方向的运行时。

各个凹处122x如下地定尺寸，使得其径向的延伸部XR基本上相应于空隙150的径向的延伸部或厚度R150的两倍。沿切向的方向，相应的凹处122x的延伸部XT基本上为齿顶区域122a的切向的延伸部T122a的20%，在所述齿顶区域中布置有凹处122x。沿轴向的方向，凹处122x延伸经过整个齿122，也就是说，对于定子齿122包括多个沿轴向的方向彼此堆叠的单个片的通常的情况，相应的齿122的每个单个片具有相应的凹处。

图4本身示出与图3相同的情况，然而，定子齿122的齿顶区域122a相应地如下地构造，使得其沿正向的和负向的切向方向T延伸超过相应的齿颈122b。所述几何结构并非不常见，因此在下面没有进一步进行阐释。仅仅应该指出的是，即使在齿顶区域中存在所述齿形状也能够放置凹处122x，以便得到上面提及的优点。

在图5中示出的构造方案还继续如下步骤。在此，凹处122x通过如下方式来形成，即定子齿122的齿顶区域122a仅仅沿切向的方向T延伸超过相应的齿颈122b。换言之，在此也就是说，凹处122x的径向的延伸部XR相应于齿顶区域122a的径向的延伸部。

结合图3、4、5描述的方式原则上独立于机器拓扑结构。图3、4、5已经说明了对于典型的具有定子120和例如构造为内部转动件的转子110的径向磁通机器100的情况。与此相对，图6示出具有双转子110的横向磁通机器100的布局。设计成用于最高的转矩密度的机器100应用具有第一转子部件110`和第二转子部件110``的双转子110。转子部件110`、110``中的每个具有表面磁体111。沿径向的方向R来看布置在转子部件110`、110``之间的定子120具有定子绕组121，所述定子绕组基本上构造为环形绕组。又具有凹处122x的定子齿122在此构造为爪对，以便引导由环形绕组121产生的主磁通mH，也就是说，定子120实现为爪形极定子120。凹处122x又处于相应的齿顶区域122a中，其中，齿或爪对122相应于具有两个转子部件110`、110``的机器100的构造方案具有两个头部区域122a`、122a``，其中，颈部区域122b沿径向的方向R在所述两个头部区域122a`、122a``之间延伸。在相应的头部区域中，凹处122x又取决于双转子110的优选转动方向T进行布置，即如下地进行布置，使得其设置在相应的头部区域122a`、122a``的从齿腰来看处于相应于双转子110的优选转动方向T的方向上的切向的端部处。也就是说，凹处122x沿双转子110的转动方向T来看处于相应的头部区域122a`、122a``的后方的端部处。

例如在图6中示出的具有双空隙的拓扑结构中，凹处122x的存在除了已经阐释的对漏磁通mS的积极的起削弱作用的作用之外此外只要由于凹处122x能够提供在定子120的定子齿122与相应地构造的结构129之间的形状配合就表现为积极的。这在图7中进行说明，其呈现定子120的局部，所述局部包括两个环形的结构129，齿122如下地置入到所述结构中，使得齿顶区域122a延伸进入到相应的结构129中。例如，形成齿122的片由于在齿顶区域122a中的通过凹处122x形成的台肩即使在将所述片保持在一起的粘合剂失效的情况下也不能够滑动到空隙150中。也就是说，这积极地影响机器100的运行安全性。

结构129能够例如对于机器100具有在图6中示出的拓扑结构这一情况包括两个或更多个定子管129。齿122尤其在其齿顶区域122a中插入到定子管129中并且由此为了支持用于固定的粘合剂被附加地固定。凹处122x的存在允许在齿122与结构129之间的形状配合。

图8示出相对于此的备选方案。机器100在此所说明的情况下构造为具有双空隙150的径向磁通机器。在此，定子120也具有结构129，所述结构用于固定定子齿122。为此，齿122和结构129如下地相对于彼此进行布置，使得结构129处于凹处122x的位置处并且由此能够促使形状配合，从而对齿12进行固定。

与上面的实施方案不同（在所述实施方案中在相应的头部区域122a方面的非对称性在轴向的视线方向上已经是可见的），非对称性由于凹处122x在该实施方案中在径向的视线方向上显现出来。然而，在所有的实施方式中，凹处122x处于相应的头部区域122a、122a`、122a``的切向的端部处，即在从齿腰来看处于相应于转子110的转动方向的方向上的切向的端部处。

在所示出的示例中，凹处122x沿相应的视线方向来看是矩形的。当然能够考虑其它的形状，例如凹处122x沿轴向的视线方向代替所示出的矩形的轮廓还能够具有圆形的、倾斜的或其它的轮廓。

为了制造这种非对称的定子齿122，能够采用传统的生产方法。典型地，定子齿122成片地进行实施，也就是说，由多个沿轴向的方向彼此堆叠的片层制成。所描述的齿顶几何结构能够在没有特别的附加消耗的情况下在已知的过程中在定子片生产中、例如激光切割或冲压中进行考虑。

如开头说明的那样，如此构建的电机能够用在电的空中行驶工具的驱动系统中，例如作为用于驱动推进器的马达或作为用于提供在空中行驶工具上的电能量的发电机。

Claims (14)

1.用于具有定子（120）和转子（110、110`）的电机（100）的定子（120）的部件（122），以用于引导所述定子（120）的定子绕组（121）的主磁通（mH），具有颈部区域（122b）和在装入到机器（100）中的状态中面向所述电机（100）的转子（110）的头部区域（122a、122a`、122a``），其中，所述部件（122）至少在所述头部区域（122a、122a`、122a``）中具有非对称性。

2.根据权利要求1所述的部件（122），其特征在于，所述部件（122）是定子齿。

3.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述部件（122）是用于所述电机（100）的构造为爪形极定子的定子（120）的爪、尤其是爪对。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的部件（122），其特征在于，所述部件（122）在所述颈部区域（122b）的与所述头部区域（122a`）对置的端部处具有另外的头部区域（122a``），所述另外的头部区域在装入到所述机器（100）中的状态中面向所述电机（100）的另外的转子（110``），其中，所述部件（122）在所述另外的头部区域（122a``）中具有另外的非对称性（122x）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的部件（122），其特征在于，相应的非对称性（122x）通过如下方式来实现，即在相应的头部区域（122a、122a`、122a``）的第一切向的端部处相应地设置有凹处（122x）。

6. 根据权利要求5所述的部件（122），其特征在于，相应的凹处（122x）如下地成型，使得其具有矩形的轮廓。

7. 定子（120），用于具有所述定子（120）和转子（110）的电机（100），具有

- 定子绕组（121）用于产生主磁通（mH），以及

- 根据前述权利要求中任一项所述的部件（122）用于引导所述主磁通（mH），

其中，所述定子绕组（121）和所述部件（122）相对于彼此如下地进行布置，使得在所述电机（100）的运行中通过所述定子绕组（121）产生的主磁通（mH）通过所述部件（122）进行引导。

8.根据权利要求7所述的定子（120），其特征在于，所述部件（122）是定子齿，所述定子齿从所述定子的定子环（123）朝着所述转子（110）延伸并且所述定子齿如下地承载所述定子绕组（121），使得所述定子绕组（121）至少在所述颈部区域（122b）中绕所述定子齿（121）进行卷绕。

9.根据权利要求7所述的定子（120），其特征在于，所述定子（120）构造为爪形极定子，其中，所述部件（122）呈现所述爪形极定子的爪对。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的定子（120），其特征在于，所述定子（120）具有如下结构（129），所述部件（122）以其具有所述非对称性的区域（122a、122a`、122a``）如下地置入到所述结构中，使得得出在所述部件（122）与所述结构（129）之间的形状配合。

11.电机（100），具有根据权利要求7至10中任一项所述的定子（120）和具有优选转动方向T的转子（110）。

12.根据权利要求11所述的电机（100），其特征在于，所述部件（122）如下地装入到所述定子（120）中，使得所述部件（122）的相应的头部区域（122a、122a`、122a``）的相应的第一切向的端部沿所述转子（110）的优选转动方向T来看处于所述相应的头部区域（122a、122a`、122a``）的后方的端部处。

13.根据权利要求11至12中任一项所述的电机（100），其特征在于，相应的形成所述非对称性的凹处（122x）从所述相应的头部区域（122a、122a`、122a``）的面向所述相应的转子（110）的表面以延伸部XR并且从所述相应的头部区域的切向的表面以延伸部XT延伸进入到所述相应的头部区域（122a、122a`、122a``）中，其中，XR基本上相应于所述电机（100）的在定子（120）与转子（110）之间形成的空隙（150）的径向的延伸部R150的两倍并且其中，XT基本上相应于所述相应的头部区域（122a、122a`、122a``）的切向的延伸部T122a的20%。

14.电的空中行驶工具，带有具有根据权利要求11至13中任一项所述的电机的驱动系统。

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