CN116783805A - 用于全波和脉宽调制控制的旋转电机和电气组件 - Google Patents

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CN116783805A CN202180090069.6A CN202180090069A CN116783805A CN 116783805 A CN116783805 A CN 116783805A CN 202180090069 A CN202180090069 A CN 202180090069A CN 116783805 A CN116783805 A CN 116783805A
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J·勒格兰杰
R·弗拉蒂拉
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Abstract

本发明涉及一种旋转电机，包括：‑定子(2)，包括转子体(9)和绕组(8)，绕组(8)穿过转子体(9)的槽(21)，槽具有峡部，‑转子(3)，包括具有腔(33,34,35,36,38,39)的转子体(24)和布置在腔中的永磁体(14,15,27,28,29,30,31,32)，形成具有中心轴线(d)的磁极(25,26)，正交轴线(q)与两个连续的中心轴线(d)等距，峡部的宽度与槽(21)的宽度之比(C1)大于或等于0.40且小于或等于0.7，中心轴线处的气隙与正交轴线处的气隙之比(C2)大于或等于0.8且小于或等于1.5。本发明还涉及包括这种旋转电机和逆变器的电气组件。

Description

用于全波和脉宽调制控制的旋转电机和电气组件
技术领域
本发明涉及适于用全波型控制策略和脉宽调制控制策略来控制的旋转电机。本发明还涉及包括这种旋转电机和逆变器的电气组件。
背景技术
专利申请FR3086118A1公开了一种具有旋转轴线的旋转电机，包括：
-定子，包括：
-定子体，特别是第一堆叠磁性叠片，包括径向内端自由的齿，槽由两个连续的齿界定，每个齿包括沿第一方向周向延伸的第一齿根和沿与第一方向相反的第二方向周向延伸的第二齿根，
-包括穿过槽的导体的绕组，
-转子，其内接于以旋转轴线为轴线并具有外半径的旋转圆柱体中，并且包括：
-转子体，特别是第二堆叠磁性叠片，包括腔，
-永磁体，其布置在腔内，以便形成一连串的北磁极和南磁极，每个北磁极和南磁极具有中心轴线，在该中心轴处磁场的一次谐波的绝对值最高，正交轴线与两个连续的中心轴线等距。
这种类型的旋转电机可以由逆变器供电，该逆变器在低转速下向绕组提供脉宽调制(PWM)型策略，在高转速下提供全波型策略。这种类型的供电可以减少逆变器的能量损耗。然而，在低负载下，全波策略增加旋转电机中的能量损失。电气组件的效率则降低，当电气组件在电动机模式下使用时增加电力消耗，并且当电气组件在发电机模式下使用时减少产生的能量。
发明内容
本发明寻求克服所有或一些这些缺点。
本发明涉及一种具有旋转轴线的旋转电机，包括：
-定子,包括：
-定子体，特别是第一堆叠磁性叠片，包括径向内端自由的齿，槽由两个连续的齿界定，每个齿包括沿第一方向周向延伸的第一齿根和沿与第一方向相反的第二方向周向延伸的第二齿根，
-包括穿过槽的导体的绕组，
-转子,包括：
-转子体，特别是第二堆叠磁性叠片，包括腔，
-永磁体,其布置在腔内，以便形成一连串的北磁极和南磁极,每个北磁极和南磁极具有中心轴线和与两个连续的中心轴线等距的正交轴线,中心轴线和正交轴线穿过旋转轴线，
其中，在垂直于旋转轴线的平面中：
-第一距离是在穿过槽的径向最内导体处径向限定的槽的宽度，
-第二距离是第一齿根之一的第一端和第二齿根之一的第二端之间的距离，第一齿根之一的第一端和第二齿根之一的第二端彼此面对并且属于两个连续的齿，
-第三距离是定子体的第一磁性材料特别是第一堆叠磁性叠片和转子的第一磁性材料特别是第二堆叠磁性叠片或永磁体之一之间的在北磁极和南磁极之一的中心轴线上径向测量的最小距离，
-第四距离是在定子体的第二磁性材料特别是第一堆叠磁性叠片和转子的第二磁性材料特别是第二堆叠磁性叠片或永磁体之一之间的在正交轴线上测量的最小距离，
以下之间的第一比率：
-第一距离和第二距离之差，和
-第一距离，
大于或等于0.40，特别是大于或等于0.48，并且小于或等于0.7，并且
第四距离和第三距离之间的第二比率大于或等于0.8且小于或等于1.5。
通过使用第一比率和第二比率的这些值，获得了与定子槽的尺寸相关的转子磁极的形状，这允许包括旋转电机和与之相关的逆变器的组件的效率的整体提高。为了使逆变器具有良好的效率，定子的绕组在低转速时采用脉宽调制型策略，在高转速时采用全波型策略。使用大于或等于0.40，特别是大于或等于0.48且小于或等于0.7的第一比率，以及使用大于或等于0.8且小于或等于1.5的第二比率，使得可以在低负载下以及当使用全波策略时减少旋转电机中的能量损失，而不会降低电气组件的最大功率。电气组件的整体效率随之增加。当电气组件以电动机模式使用时，电力消耗减少，而当电气组件以发电机模式使用时，产生的能量增加。
根据本发明的附加特征，腔在垂直于旋转轴线A的平面内是封闭的，从而永磁体被埋入。埋置磁体的使用使得可以在离心下改善磁体在转子体中的保持。这种特征也使得可以限制永磁体的退磁。
根据本发明的附加特征，永磁体具有径向磁化。
使用布置成相对于旋转轴线具有径向磁化的磁体允许简单的转子结构，其中转子的磁极例如通过单个磁体形成。
根据本发明的附加特征，对于转子的每个磁极，第一腔和第二腔各自接收至少一个永磁体，在垂直于旋转轴线的平面中限定V形，V形顶部径向向外定向，永磁体的朝向V形顶部的磁极是相同的，并且限定转子的所述磁极的极性。
V形结构的使用使得可以提高旋转电机的机械扭矩。这种结构还允许提高旋转电机的比功率。
根据本发明的附加特征，第一腔和第二腔在V形的尖端相遇。
这种特征使得可以在V形的尖端使磁体更靠近在一起。因此可以增加转子中磁体的体积，并因此增加电机的功率，或者使用较小功率的磁体而不降低旋转电机的功率。
根据本发明的附加特征，腔形成为使得永磁体具有正交径向磁化，两个连续永磁体的极的定向交替，使得两个连续磁体的彼此面对的极是北极或南极，从而分别形成转子的北磁极或南磁极。
永磁体的这种布置允许使用大量的永磁体。这种体积的永磁体使得可以获得良好的性能，特别是对于铁氧体类型的永磁体。
根据本发明的附加特征，转子的每个磁极的定子槽的数量大于或等于1。
根据本发明的附加特征，绕组包括多相，并且每相的槽数量大于或等于1。
根据本发明的附加特征，绕组为三相或双三相。
根据本发明的附加特征，第五距离H3是槽之一的最大宽度，第二距离H2小于第五距离H3。
根据本发明的附加特征，旋转电机的最大功率在10至35kW之间。
根据本发明的附加特征，定子体内接于直径大于或等于90mm且小于或等于250mm的圆柱体中。
本发明还涉及一种电气组件，其包括如前所述的旋转电机和为绕组供电并允许全波型控制和脉宽调制控制的逆变器。
这种逆变器的使用使得可以在旋转电机的整个转速范围内提高逆变器的效率。脉宽调制型控制可以在低转速下使用，全波型策略可以在高转速下使用。
根据本发明的附加特征，逆变器被供电或为电压在24V和60V之间的电能源供电。
在上述所有内容中，转子可以包括任意数量的磁极对，例如六对或八对磁极。
在上述所有内容中，旋转电机可以具有定子，该定子具有多相电绕组，例如由彼此连接的导线或导电棒形成。
旋转电机可以包括能够连接到车辆的车载网络的电力电子部件。该电力电子部件包括例如逆变器/整流器，其允许车辆的车载网络被充电，或者可以由该网络供电，这取决于旋转电机是作为电动机还是作为发电机运行。
旋转电机还可以包括滑轮或任何其他连接到车辆动力系其余部分的装置。旋转电机例如特别是通过皮带连接到车辆内燃机的曲轴。在变型中，旋转电机连接在动力系中的其他位置，例如关于传递到车轮的扭矩连接在变速箱的输入处，关于传递到车轮的扭矩连接在变速箱的输出处，关于传递到车轮的扭矩连接在变速箱处，或者连接在该动力系的前轴组件或后轴组件上。
附图说明
通过阅读以下对本发明的非限制性实施示例的描述并研究附图，可以更好地理解本发明，其中：
-图1描绘了旋转电机的示意性局部剖视图，
-图2描绘了根据本发明第一实施例的旋转电机的示意性局部剖视图，
-图3描绘了图2的细节的示意性局部视图，
-图4描绘了根据本发明第二实施例的旋转电机的示意性局部剖视图，
-图5描绘了根据本发明第三实施例的旋转电机的示意性局部剖视图。
具体实施方式
在所有附图中，相同或执行相同功能的元件具有相同的附图标记。以下实施例是示例。尽管描述涉及一个或多个实施例，但这并不一定意味着每个参考涉及相同的实施例，或者特征仅适用于一个实施例。各种实施例的各个特征也可以组合或互换，以便产生其他实施例。
图1示出了根据本发明第一实施例的具有旋转轴线A的旋转电机1的示意性局部剖视图。旋转电机1包括外壳中的定子2和转子3。该外壳包括例如第一轴承座5、第二轴承座6和管状间隔件7。管状间隔件7例如通过第一轴承座5和第二轴承座6之间的拉杆(未示出)被夹紧在第一轴承座5和第二轴承座6之间。定子被紧固在外壳32内部，例如紧密地装配到管状间隔件7中。
在本发明的含义中，除非另有说明，术语径向应理解为相对于旋转轴线A。在本发明的含义中，除非另有说明，术语纵向是指沿旋转轴线A的方向。
在未示出的本发明实施例中，管状间隔件包括液体冷却剂在其中流通的冷却室。
在未示出的本发明实施例中，没有管状间隔件，定子被夹紧在第一轴承座和第二轴承座之间。
定子包括定子体9和绕组8。定子体9包括例如第一堆叠磁性叠片。例如，绕组8包括电导体，其有效部分穿过形成在定子体9中的槽，并且连接部分或绕组突出部形成在槽的外部。绕组8例如是发夹绕组类型的绕组。
转子3例如固定在具有旋转轴线A的轴4上。轴4由安装在第一轴承座5中的第一滚动轴承11和安装在第二轴承座6中的第二滚动轴承12旋转引导。驱动元件13例如滑轮或齿轮紧固在轴4上。
在未示出的另一实施例中，轴4通过其他已知的旋转导向装置，例如滑动轴承，相对于第一轴承座和第二轴承座被旋转引导。
图2示出了在垂直于根据第一实施例的旋转电机的定子2和转子3的旋转轴线A的平面中的剖视图。
定子体9包括齿19，其径向内端20是自由的。槽21由两个连续的齿19界定。每个齿19包括沿第一方向周向延伸的第一齿根22和沿与第一方向相反的第二方向周向延伸的第二齿根23。
绕组8的导体例如容纳在槽21径向外侧的槽底部和第一齿根22和/或第二齿根23之间。
转子3内接于以旋转轴线A为轴线具有外半径L的旋转圆柱体中。
转子3包括转子体24和永磁体14、15、27、28。转子体24包括例如第二堆叠磁性叠片。转子体24包括腔21，永磁体14、15、27、28布置在腔21中，以便形成一连串的北磁极25和南磁极26。腔21例如是纵向腔。
每个北磁极25和南磁极26具有穿过旋转轴线A的中心轴线d。中心轴线d穿过磁极上磁场的一次谐波的绝对值最高的点。当围绕转子3相对于旋转轴线A旋转时，在外半径L上测量磁场的一次谐波的绝对值，转子3是不动的，并且定子2的绕组8没有被供电。应理解，这里关于围绕旋转轴线A的角度来考虑谐波。穿过旋转轴线A的正交轴线q与两个连续的中心轴线等距。
腔21可以在垂直于旋转轴线A的平面内封闭，使得永磁体如第一实施例中那样被掩埋。
对于转子3的每个磁极25、26，第一腔33、35和第二腔34、36各自接收例如至少一个永磁体14、15、27、28。第一腔33、35和第二腔34、36在垂直于旋转轴线A的平面中限定V形。第一腔33和第二腔34例如是纵向的。V形顶部径向向外定向。朝向V形顶部定向的永磁体的极是相同的，并且限定转子的所述磁极的极性。第一腔33、35和第二腔34、36可以在V形的尖端处分开，例如通过转子体24的材料带分开。
在本发明的未示出的另一实施例中，第一腔和第二腔在V形的尖端处相遇。然后，第一腔和第二腔形成单个V形腔。
在本发明的未示出的另一实施例中，容纳磁体的第一腔和第二腔在内部被同样容纳磁体的第三腔径向分开。第三腔的定向例如垂直于转子的半径。容纳在第三腔中的永磁体的径向向外定向的极与容纳在第一腔和第二腔中的永磁体的径向向外定向的极相同。第一腔、第二腔和第三腔限定U形。
在本发明的该另一实施例的变型(未示出)中，第一腔、第二腔和第三腔相遇，从而形成单个U形腔。在变型中，容纳在该单个腔中的磁体结合形成单个U形磁体。
每个磁极的定子槽的数量例如大于或等于1。在附图所示的本发明的实施例中，每个磁极的定子槽的数量是6。
绕组8包括例如多相，并且每相的槽数量大于或等于1。
旋转电机1的绕组8例如是三相或双三相。
电气组件可以包括旋转电机1和逆变器(未示出)。逆变器向绕组8供电。逆变器允许例如旋转电机的两种不同类型的控制：全波类型控制和脉宽调制控制。
例如，逆变器被供电或为电压在24V和60V之间的的电能源特别是电池供电。
图3示出了图2的本发明的第一实施例的细节。
第一距离H1是槽21之一在垂直于旋转轴线A的平面中的宽度。第一距离H1在穿过槽的径向最内导体37处径向限定。第一距离H1例如是在径向最内导体37的横截面的最宽区域径向测量的最小距离。
例如，在图中所示的实施例中，导体具有矩形横截面，并且槽21在垂直于旋转轴线A的平面中具有梯形横截面。槽的宽度在槽的径向外侧区域比在槽21的径向内侧区域更宽。因此，第一距离H1在径向最内导体37的径向内部水平处测量，不包括倒圆。
在本发明的未示出的另一实施例中，导体具有圆形横截面。因此，第一距离是在圆形横截面的中心径向测量的。
第二距离H2是在垂直于旋转轴线A的平面中测量的第一齿根22之一的第一端和第二齿根23之一的第二端之间的距离，第一齿根22之一的第一端和第二齿根23之一的第二端彼此面对并且属于两个连续的齿。
以下之间的第一比率C1：
-第一距离H1和第二距离H2之差，和
-第一距离H1
大于或等于0.40，特别是大于或等于0.48，并且小于或等于0.7。
第三距离E1是在定子体9的第一磁性材料和转子3的第一磁性材料之间的在北磁极25和南磁极26之一的中心轴线d上径向测量的最小距离。定子体9的第一磁性材料例如是第一堆叠磁性叠片。转子3的第一磁性材料例如是第二堆叠磁性叠片或永磁体之一。在图2和图3的本发明的第一实施例中，转子3的第一磁性材料是第二堆叠磁性叠片。
第四距离E2是在定子体9的第二磁性材料和转子3的第二磁性材料之间的在正交轴线q上测量的最小距离。定子体9的第二磁性材料例如是第一堆叠磁性叠片。转子3的第二磁性材料例如是第二堆叠磁性叠片或永磁体之一。在图2和图3的本发明的第一实施例中，转子3的第二磁性材料是第二堆叠磁性叠片。
第四距离E2和第三距离E1之间的第二比率C2大于或等于0.8且小于或等于1.5。
第五距离H3是槽之一的最大宽度。第二距离H2例如小于第五距离H3。
图4示出了根据第二实施例的旋转电机的定子2和转子3在垂直于旋转轴线A的平面中的剖视图。
第二实施例类似于第一实施例。然而，永磁体29、30在转子24的主体中的布置是不同的。腔38例如纵向腔形成在转子体24中，以便接收永磁体29、30。永磁体具有径向磁化，也就是说，永磁体的北极和南极中的一个径向向外定向，而北极和南极中的另一个径向向内定向。其极径向向外定向为北极的永磁体29和其极径向向外定向为南极的永磁体30周向交替。因此，在转子3上形成一连串的北磁极25和南磁极26。
永磁体29、30具有例如在腔38中纵向延伸的长方体形状。
在本发明的另一实施例(未示出)中，永磁体包括多个基本永磁体。
在第二实施例中，腔38可以在垂直于旋转轴线A的平面内封闭，使得永磁体被掩埋。
在本发明的第二实施例中，如在本发明的第一实施例中一样，用于限定第三距离E1的转子3的第一磁性材料是第二堆叠磁性叠片。类似地，如在本发明的第一实施例中，用于限定第四距离E2的转子的第二磁性材料是第二堆叠磁性叠片。
图5示出了根据第三实施例的旋转电机的定子2和转子3在垂直于旋转轴线A的平面中的剖视图。
第三实施例类似于第二实施例。然而，永磁体31、32在转子体24中的布置是不同的。
在本发明的第三实施例中，永磁体31、32布置在转子体24的外表面上。转子体24包括径向向外开口并容纳永磁体31、32的腔39。
在第三实施例的变型(未示出)中，转子包括由非磁性材料制成的外壳，特别是铝合金或塑料材料。例如，外壳参与磁体在转子体上的径向保持。
在第三实施例及其变型中，用于限定第三距离E1的转子3的第一磁性材料是永磁体31、32。如在本发明的第二实施例中，用于限定第四距离E2的转子的第二磁性材料是第二堆叠磁性叠片。
在本发明的未示出的另一实施例中，腔形成为使得永磁体具有正交径向磁化。两个连续的永磁体的极定向交替，使得两个连续的磁体的彼此面对的极是北极或南极，从而分别形成转子的北磁极或南磁极。

Claims (11)

1.一种具有旋转轴线(A)的旋转电机(1),包括：
-定子(2),包括：
-定子体(9)，特别是第一堆叠磁性叠片，包括径向内端自由的齿(19)，槽(21)由两个连续的齿(19)界定，每个齿(19)包括沿第一方向周向延伸的第一齿根(22)和沿与第一方向相反的第二方向周向延伸的第二齿根(23)，
-包括穿过槽(21)的导体的绕组(8)，
-转子(3),包括：
-转子体(24)，特别是第二堆叠磁性叠片，包括腔(33,34,35,36,38,39)，
-永磁体(14,15,27,28,29,30,31,32),其布置在腔(33,34,35,36,38,39)内，以便形成一连串的北磁极(25)和南磁极(26),每个北磁极(25)和南磁极(26)具有中心轴线(d)和与两个连续的中心轴线(d)等距的正交轴线(q),中心轴线(d)和正交轴线(q)穿过旋转轴线(A)，
其中，在垂直于旋转轴线(A)的平面中：
-第一距离(H1)是在穿过槽(21)的径向最内导体(37)处径向限定的槽(21)的宽度，
-第二距离(H2)是第一齿根(22)之一的第一端和第二齿根(23)之一的第二端之间的距离，第一齿根(22)之一的第一端和第二齿根(23)之一的第二端彼此面对并且属于两个连续的齿(19)，
-第三距离(E1)是定子体(9)的第一磁性材料特别是第一堆叠磁性叠片和转子(3)的第一磁性材料特别是第二堆叠磁性叠片或永磁体(14,15,27,28,29,30,31,32)之一之间的在北磁极(25)和南磁极(26)之一的中心轴线(d)上径向测量的最小距离，
-第四距离(E2)是在定子体(9)的第二磁性材料特别是第一堆叠磁性叠片和转子(3)的第二磁性材料特别是第二堆叠磁性叠片或永磁体(14,15,27,28,29,30,31,32)之一之间的在正交轴线(q)上测量的最小距离，
以下之间的第一比率(C1)：
-第一距离(H1)和第二距离(H2)之差，和
-第一距离(H1)，
大于或等于0.40，特别是大于或等于0.48，并且小于或等于0.7，并且
第四距离(E2)和第三距离(E1)之间的第二比率(C2)大于或等于0.8且小于或等于1.5。
2.如前一权利要求所述的旋转电机(1)，其中，所述腔(33,34,35,36,38)在垂直于所述旋转轴线(A)的平面内是封闭的，使得所述永磁体(14,15,27,28,29,30)被埋入。
3.如前述权利要求中任一项所述的旋转电机(1)，其中，所述永磁体(29,30,31,32)具有径向磁化。
4.如权利要求1和2中任一项所述的旋转电机(1)，其中，对于所述转子(3)的每个磁极(25,26)，第一腔(33,35)和第二腔(34,36)各自接收至少一个永磁体，在垂直于所述旋转轴线(A)的平面中限定V形，V形顶部径向向外定向，永磁体(14,15,27,28)的朝向V形顶部定向的极是相同的，并且限定转子(3)的所述磁极(25,26)的极性。
5.如前一权利要求所述的旋转电机(1)，其中，所述第一腔(33,35)和所述第二腔(34,36)在所述V形的尖端相遇。
6.如前述权利要求中任一项所述的旋转电机(1)，其中，所述转子(3)的每个磁极(25,26)的定子槽(21)的数量大于或等于1。
7.如前述权利要求中任一项所述的旋转电机(1)，其中，所述绕组(8)包括多个相，并且每相的槽(21)的数量大于或等于1。
8.如前述权利要求中任一项所述的旋转电机(1)，其中，所述绕组(8)为三相或双三相。
9.如前述权利要求中任一项所述的旋转电机(1)，其中，第五距离(H3)是槽(21)之一的最大宽度，所述第二距离(H2)小于第五距离(H3)。
10.一种电气组件，包括如前述权利要求中任一项所述的旋转电机(1)和为绕组(8)供电并允许全波型控制和脉宽调制控制的逆变器。
11.如前一权利要求所述的电气组件，其中，所述逆变器被供电或为电压在24V和60V之间的电能源供电。
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