CN1240539A

CN1240539A - 电动机

Info

Publication number: CN1240539A
Application number: CN97180636A
Authority: CN
Inventors: O·马蒂尔森
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 1996-12-14
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 2000-01-05
Anticipated expiration: 2017-12-11
Also published as: WO1998029934A3; FI991358A; CN1237684C; DE19652186C2; WO1998029934A2; DE19652186A1; AU7893398A; GB2334828A; FI991358A0; GB2334828B; GB9911428D0; US6717318B1

Abstract

本发明涉及一种电动机,其具有带腔(13)的定子(10),在腔中设置有转子,还具有控制装置,所述控制装置具有至少一个带有铁芯(15)的线圈(9),该线圈通过电机电流。线圈以节省空间而不太多地干扰电机的磁场的方式被设置。为了解决这个问题,所述线圈(5,8,9)的铁芯(15)被设置在定子(10)上,所述定子的铁芯芯铁被用作磁路。

Description

电动机

本发明涉及一种电动机，其具有带有腔的定子，在腔中设置一转子，还具有控制装置，所述控制装置具有至少一个带有铁芯的线圈，该线圈由电机电流加载。

所述控制装置能够改变对电机的电流和电压的供应，借以改变速度和转矩。为此目的，控制装置可以是被控制的整流器、被控制的逆变器、频率变换器等。通常，控制装置由电力电子电路构成。

和控制装置的具体的实施方式无关，其通常需要由线圈实现的感应性。一个例子是中间电路线圈，其由中间电路电流，即在频率变换器中的整流器和逆变器之间的电流加载。这意味着，流过电机的总电流也流过中间电路线圈。由电机电流加载的线圈的另一个例子是滤波器线圈，其被设置在控制装置的输入区域内，用于减少电噪声信号的发射。还可以设想出输出和电机线圈，其被设置在控制装置的输出区域内，用于保护电机免受电压瞬变，所述电压瞬变可能破坏电机的绝缘。电机电流也流过这些线圈，即使仅仅涉及一相的电流时。

然而，对于所有这些线圈的共同之点是，由于相当大的电流负载，它们发出相当数量的热，并因而是相当大的，这意味着，它们需要更大的空间。如在许多情况下那样，控制装置必须被集成在电机内，即和电机共同形成一个单元，此时线圈的设置便成为问题。为了解决这个问题，DE3642724提出，频率变换器的中间电路线圈以这样的方式被设置在电机壳体中，使得其相对于定子和转子被轴向地设置，并围绕着转子转轴的延伸段。此时转子转轴形成线圈的铁芯。中间电路线圈由来自风扇的气流冷却，所述风扇也围绕转子转轴设置。

这种解决办法节省空间，但是在这种电机的结构中，线圈仍然占据相当大的空间。电机轴必须被至少延长一个线圈的宽度，这意味着电机尺寸的附加增大。电机轴的延伸可以引起稳定性问题。此外，通过转子转轴的磁通是难于控制的。并存在可能发生不希望的和电机的磁场相互影响的危险。

本发明的任务在于，以节省空间的方式设置线圈，而不对电机的磁设计带来大的干扰。

在前言部分所述的电机中，这个任务被这样解决了：线圈的铁芯被设置在定子上，其中所述定子的铁芯芯铁被用作磁路。

定子的铁芯芯铁被用作磁路这个事实使得可以实现线圈的所需的感应性，即使在只有有限的空间可利用时。然而，无论如何，定子的铁芯芯铁是可以利用的。线圈被设置在定子的外侧上，即，和定子腔分开。这并不意味着，铁芯被装配在定子的外侧上。线圈也可以被设置在定子内，如果至少在装配期间从外侧可以接近的话。因为定子的铁芯芯铁“短路”线圈和定子绕组两者的磁力线，所以不会发生相互干扰。即使发生磁场的相互影响，也是处于可允许的范围内。因为铁芯芯铁是公知的相当好的热导体，所以由线圈产生的热量被相当快地散发。线圈可以分布在定子上，使得定子表面可以用作散热表面。还可以避免由于较高的功率消耗而过热。

在优选实施例中，铁芯是定子的一部分。因而，铁芯和定子被作成一构件，亦即被制成定子的一突出部。用这种方式，可以避免如果把铁芯固定在定子铁芯芯铁上时所产生的气隙，因而保持小的磁路磁阻。线圈也可以更容易地被集成在电机中。

定子最好具有至少一个磁通约束，用于分开在一侧上的线圈的磁通和在另一侧上的定子绕组的磁通。如果需要更强地避免线圈磁场和定子绕组磁场的相互影响，则磁通约束有助于形成一种可利用的措施，利用这种措施几乎完全消除这种影响或者至少极大地减少这种影响。磁通约束增加线圈周围的磁阻，因而屏蔽了线圈的磁场对定子绕组的磁场的影响，也屏蔽了定子绕组的磁场对线圈磁场的影响。

在优选实施例中，磁通约束被制为定子中的槽，其被非磁的或导磁不好的材料填充。这个槽可以例如是空气隙。考虑到稳定性，设置彼此相邻的几个空气隙可能是有利的。原理上，定子铁芯芯铁中的其余的肋可以使磁场穿过，不过，这些影响是可以忽略的。

冷却介质最好可以通过槽流动。在简单情况下，其可以是冷却空气。在涉及一种流体冷却的电机的情况下，冷却介质也可以是油或其它的流体。因而这种槽不仅屏蔽线圈的磁场和定子绕组的磁场，还使得可以立即除去在线圈中产生的热量。

铁芯最好只在定子的轴向长度的一部分上延伸。因而线圈尺寸可适用于所述要求，而不必改变设置铁芯的部位。因而不需要使线圈在铁芯的整个轴向长度上延伸，虽然这当然也是可能的。

在正视图中，定子最好具有基本上为矩形的截面，并把线圈设置在这种截面的角部区域中。为了电机的装配或处理，在许多情况下定子具有矩形的甚至是方形的截面。显然，在对角线的区域中，即在所述矩形或方形的角部区域中，定子具有较大的直径，虽然通常这不是为磁或电气性能所要求的。这有些富裕的铁芯芯铁和空间可分别被线圈及其铁芯使用，这是一个利用率非常高的空间。

定子和铁芯最好由层叠的钢板制成。这对于利用交流AC或三相电流操作的电机尤其有利。用公知的方式，阻止涡流的形成。此外，尤其有利的是，铁芯由和用于形成定子的层叠钢板的相同的钢板坯料工具制成。产生这种钢板的形状和轮廓是相当简单的。一般情况下，这种层叠钢板由冲压而成。提供具有相应的切割线的冲压工具可以使得相当简单地制成层叠钢板的形状，从而使得在通过层叠这些钢板组装电机时，便自动地形成铁芯。

在这种连接结构中，其优点在于，定子沿轴向至少包括具有不同形状的两类不同的层叠钢板，其中一类没有铁芯形成区域。而具有铁芯形成区域的层叠钢板形成铁芯。不过，它们只在定子的预定的轴向长度上延伸，因为并不是所有钢板都可以如此制做。其余的长度没有这种铁芯。此时，定子相应于一般电机的定子。

线圈最好被装配在可被压到铁芯上的线圈支架上。这可以简化生产过程。线圈可以予装配，例如，可以在线圈支架被压到铁芯上之前把线圈绕到线圈支架上。线圈支架例如可以由合成材料制成，使得磁性能不受影响或不受大的影响。因此，当线圈支架的厚度被减小时，线圈和铁芯之间存在的距离可以保持足够小。

在优选实施例中规定，铁芯的定位基本上沿径向方向。当铁芯被设置在矩形或方形截面形状的角部区域中时，尤其建议采用这种定位。这使得定子的相当大的铁芯芯铁区域可用于磁路。

尤其优选的是，铁芯被设置在由盖封闭的定子的容积内。这样，磁路可以通过盖而闭合。在盖和定子之间存在的任何气隙是如此之小，以致这些气隙是可以接受的。

为了进一步减少甚至消除这种气隙，可以把盖焊到定子上。在这种情况下，具有铁芯的线圈被集成在定子中。这个例子清楚地表明，具有线圈的定子不必比没有线圈的定子具有较大的尺寸。

在另一个实施例中，铁芯基本上和定子的一个外侧平行。这也能形成所需的磁路。

在这种结构中，最好设置铁芯使其从外侧向内偏置。这样在外侧上可以得到用于容纳线圈绕组的足够的空间，而不必增加定子的外部尺寸。

如果铁芯具有EI铁芯的形状也是有利的。这有助于设计，因为这种铁芯的计算是公知的。

最好几个线圈中的每一个具有其自己的铁芯。此时这些线圈围绕定子分布，或者，如果每个线圈不需要定子的整个轴线长度，它们可以沿轴向设置。使用一个或几个线圈根据电机设计而定。

在一个特别优选的实施例中，可以提供至少两个线圈作为中间电路线圈、滤波线圈、噪声抑制线圈或电机线圈组中的功能线圈的部分线圈，借以使电机线圈设置在电机连接和控制装置之间。在许多情况下，把在原理电路图中被称为集中元件的功能线圈划分成几个在物理上分开的部分线圈，对于机械、磁、电气或热力性能可能是有利的。这可以通过使用几个线圈来实现。

线圈最好是中间电路线圈、滤波线圈、噪声抑制线圈或电机线圈组中的至少两个不同的功能线圈，借以使电机线圈设置在电机连接和控制装置之间。此时，几个所需的线圈可以被设置在定子中，而不必增加控制装置和电机的尺寸。

下面结合附图根据优选实施例说明本发明，其中：

图1是电路结构的原理图；

图2是电机定子的透视图；

图3是层叠的钢板坯料；

图4是不同电机的磁力线图；

图5是各种不同分层叠板坯料。

图1中的电路结构1具有一电机2和一控制装置3。控制装置3是频率变换器，即，其包括通过滤波线圈5由三相主电源供电的整流器4。通过中间电路6整流器4和逆变器7相连，逆变器通过电机线圈或输出线圈8驱动电机2。输出线圈的用途是，例如，保护电机2不发生任何的电压瞬变，这些电压瞬变可能破坏电机2的绝缘。中间电路6还包括一个中间电路线圈9。

滤波线圈5和输出线圈8是部分电机电流的负载。在两者的情况下，所述部分电流是一相电流。中间电路线圈9是整个电机电流的负载。因此，所有这些线圈5、8、9的大小和其吸收的电流以及由此而产生的热量有关。一方面，这要求较大的空间，在另一方面，还涉及一些热力学问题。

以中间电路线圈9为例，现在说明这种线圈如何被设置在电机2中而不需要较多的附加空间或根本不需要任何附加空间。

图2表示电机2的定子10，其由层叠钢板，即，许多彼此相互叠置的钢板制成。叠置的方向相应于定子10的轴向。这种钢板例如图3所示。

定子10具有围绕腔体13设置的许多定子槽12，在腔体13中可转动地设置转子(没有示出细节)。所述转子可以是鼠笼型转子。定子槽12还握持定子绕组(未示出)，定子绕组产生驱动转子的旋转磁场。

定子10的截面呈方形(或一般的矩形)，在这种情况下，其角部被削平了。相应地，沿对角线方向并在该边缘区域内的定子铁芯芯铁的径向延伸部分大于定子侧面的区域的径向延伸部分。

在设置中间电路线圈9时便可以利用这个事实。

如图2和3所示，用于形成定子的钢板具有特定的形状。在上右角(图3)区域内，提供有容积14，在其内部作为凸起设置有铁芯15。容积14可以由盖16封闭，盖16的一侧17可被焊到钢板11上。当然，在把钢板11装配成定子10之后，才进行这种焊接。相应地，形成容积14和铁芯15只需要坯料工具的相应的设计，即，坯料或切割线的相应的设计。实际上，铁芯15在定子10的制造期间被自动地形成。

图2表示中间电路线圈9被绕在线圈支架18上，线圈支架可以由塑料制成，并被压到铁芯15上。中间电路线圈9也可以预先制造。线圈支架18可以被制成具有凸起部分，使得绕制的中间电路线圈9不能向下滑动。

电机是7.5HP的三相异步电动机。流入B6整流器4后面的中间电路6的电流具有13.7A的RMS有效值，并以300Hz的频率脉动。相应地，中间电路线圈9的的尺寸使其具有1mH的电感。由图3可见，铁芯具有EI铁芯的形状。因而线圈的尺寸可以按照普通的EI铁芯设计。相应地，中间电路线圈9具有10个绕组。线圈的长度为109.5mm，绕组的平均长度是265mm。

绕到线圈支架18上的线圈连同线圈支架18一起被装配到铁芯15上。然后，盖16被装配到容积14上并通过焊接固定。虽然中间电路线圈9被设置在定子10内，但是定子的尺寸没有增加。而且，定子还用于分散和耗散由中间电路线圈9产生的热量。中间电路线圈9的轴向长度小于定子10的轴向长度。因而线圈的长度只覆盖定子总长度的一部分。当然，这可以改变，以便适用于不同的要求。在极端的情况下，线圈可以达到定子10的长度。

由图2和3可见，钢板11在容积14的区域内具有各个槽19到22。当钢板被装配后，这些槽19到22就形成通道。

这些通道19-22具有两个功能。一个功能是，它们是磁通约束，用于分开中间电路线圈9的磁通和由定子绕组产生的磁通。这个分开是通过增加这两个磁场所在区域之间的磁阻来简单地实现的。在通道之间存在的肋允许磁力线通过。不过，一般这是可以忽略的。另一个功能是，由孔19-22形成的通道也可用作冷却介质，例如空气，油或其它流体或气体的流通通路，用于快速耗散由中间电路线圈9产生的热量。

为了更加清楚地说明由孔19-22形成的磁通约束的作用，图4中示出了中间电路线圈9和定子绕组23的磁场的磁力线图。可以看出，这两个磁场基本上是隔离的，其中沿着槽19-22发生隔离。在本实施例中，示出了具有不同槽数的定子。

图5表示在定子10的角部中的线圈9的几种可能的结构。在图a-c中的线圈是水平设置的，即其铁芯基本上平行于定子的侧面。在图5a中，铁芯和定子作成一构件，即线圈9必须在各个钢板装配之后进行处理。

在图5b中，铁芯15是一个例如通过焊接被装配在定子10上的独立的单元。也可以用其它方法固定铁芯。和图5b相比，图5c中的铁芯15向内部有点偏移。这样线圈9的外部轮廓不会从定子10的外部轮廓凸出。

图5d基本上相应于图2和3说明的实施例。其中盖16被焊接到定子10的侧面17上。

图5e表示另一个实施例，其中在铁芯15的头部25和定子10的其余部分之间存在气隙24。通过气隙24，可以把线圈绕到铁芯上。

图5f表示一种解决方案，其中线圈9被固定在仅仅是定子10之一个凸起的铁芯15上。其中磁路具有相当大的空气路径。

图5中所示的所有解决方案都具有例如由槽19-22形成的磁通约束(未示出)。在极端情况下，如图5f所示，可以把线圈9绕在一个铁芯上，然后再把铁芯固定在定子10的外侧。

并不限于把线圈只设置在定子10的一个角部上。当然，定子10的所有4个角部都可用于固定线圈。如果出于对机械、磁、电气或热力性能的考虑，把一个线圈，例如中间电路线圈分成几个部分线圈可能是方便的。也可以把中间电路线圈9设置在一个角部上，把滤波线圈5或输出线圈8设置在另一个角部上。这里给出几种设计的可能性。

图2表示中间电路线圈9被设置在定子10的轴向的一端。然而，并不要求如此。中间电路线圈9和任何其它线圈，也可以被设置在定子10的轴向的中心部位。这一位置对于散热的考虑也可能是方便的，一方面改善线圈的冷却，另一方面减少由于在定子10的整个长度上不均匀分布的热负荷而产生的电位差。

Claims

1.一种电动机，其具有带一腔的定子，在腔中设置一转子，还具有一控制装置，所述控制装置具有至少一个带有铁芯的线圈，该线圈由电机电流加载，其特征在于，所述线圈(5，8，9)的铁芯(15)被设置在定子(10)上，所述定子的铁芯芯铁被用作磁路。

2.如权利要求1所述的电机。其特征在于，铁芯(15)是定子(10)的一部分。

3.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，定子(10)具有至少一个磁通约束(19-22)，用于分离在一侧上的线圈(19)的磁通和在另一侧上的定子绕组(23)的磁通。

4.如权利要求3所述的电机，其特征在于，磁通约束(19-22)被作成在定子(10)中的槽，其中填充非磁材料或导磁性差的材料。

5.如权利要求4所述的电机，其特征在于，冷却介质可以流过槽(19-22)。

6.如权利要求1-5之一所述的电机，其特征在于，铁芯(15)只在定子(10)的轴向长度的一部分上延伸。

7.如权利要求1-6之一所述的电机，其特征在于，在正视图中，定子(10)具有基本上为矩形的截面，并且线圈(9)被设置在该截面的角部区域内。

8.如权利要求1-7之一所述的电机，其特征在于，定子(10)和铁芯(15)利用层叠的钢板制成。

9.如权利要求8所述的电机，其特征在于，铁芯(15)由用于形成定子的层叠钢板(11)的同一个钢板坯料工具制成。

10.如权利要求8或9所述的电机，其特征在于，沿轴向，定子至少包括两种具有不同形状的层叠钢板，其中的一个没有铁芯形成区域。

11.如权利要求1-10之一所述的电机，其特征在于，线圈(9)被装配在可被压到铁芯上的线圈支架(18)上。

12.如权利要求1-11之一所述的电机，其特征在于，铁芯(15)基本上沿径向定位。

13.如权利要求12所述的电机，其特征在于，铁芯(15)被设置在定子(10)内的容积(14)中，该容积(14)由盖(16)封闭。

14.如权利要求13所述的电机，其特征在于，盖(16)被焊到定子(10)上。

15.如权利要求1-11之一所述的电机，其特征在于，铁芯(15)基本上和定子(10)的一个外侧平行配置。

16.如权利要求15所述的电机，其特征在于，铁芯(15)被设置在从外侧向内偏移的位置。

17.如权利要求1-16之一所述的电机，其特征在于，铁芯(15)具有EI铁芯的形状。

18.如权利要求1-17之一所述的电机，其特征在于，几个线圈(5，8，9)中的每一个具有自己的铁芯。

19.如权利要求18所述的电机，其特征在于，至少两个线圈是中间电路线圈、滤波线圈、噪声抑制线圈或电机线圈组中功能线圈的部分线圈。

20.如权利要求18所述的电机，其特征在于，所述线圈是中间电路线圈、滤波线圈、噪声抑制线圈或电机线圈组中的至少两个不同的功能线圈。