CN1757149A - 具有不同线规、匝数的绕组的电动机 - Google Patents

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Abstract

一种多相电机，包括多个铁磁定子铁芯段，这些铁芯段大体均匀地间隔分布在转轴四周，并彼此不直接接触。每个铁芯段形成至少一个极对，其上绕有线圈，以形成相绕组。每个定子相绕组配置成的拓扑与其它每个相绕组的拓扑不同。每个相扰组的总线圈匝数与其它一个多个相绕组的总线圈匝数不同。每个相绕组包括的线圈线规与其它一个或多个相绕组的线圈线规不同。优选的是，全部相绕组具有大体相同的总线圈质量。

Description

具有不同线规、匝数的绕组的电动机
相关申请
本申请的主题与下列待批的美国申请有关，这些待批的美国申请号是：Maslov等在2001年4月5日申请的09/826423、Maslov等在2001年4月5日申请的09/826422、Maslov等在2002年6月19日申请的10/173610、Maslov等在2002年11月8日申请的10/290505，所有这些待批申请号共同属于本申请。这些申请所公开的内容作为参考被包含在本文中。
技术领域
本发明涉及电动机结构，更具体地，涉及定子结构，该定子结构包括多个带有各自绕组的段，这些绕组具有不同的绕组线圈总数和线规。
背景技术
电子系统的改进，比如应用在电机控制领域的微控制器、微处理器以及改良的便携式电源等，已经使车辆的高效电机驱动得到发展，这种电机驱动已经可代替内燃机，是内燃机的主要竞争产品。电机绕组的电子控制脉冲励磁为更灵活的运用电机特性提供了前景。通过控制脉冲的宽度、占空比以及对加到适当定子绕组上的电池电源进行切换，可以实现功能多样性，这种功能的多样性与交流同步电机运行没有本质的区别。
前面提到的Maslov等的待审批的相关美国专利申请09/826423，指出并叙述了对改良电机的需求，这种电机易于简化制造并能提供有效、灵活的运行特性。在车辆驱动环境中，非常需要在较宽速度范围内获得平滑的运行特性，同时在最小功耗下维持高的转矩输出能力。待审批的相关美国申请将电磁极合并成分隔开的导磁结构，该导磁结构形成为段，设置在沿径向相对较薄的环孔上，以提供有利的效果。与现有技术中的实施方式相比，采用这种结构，磁通可以集中于电磁铁芯中而几乎没有损耗或有害的互感干扰。
Maslov等的申请认为磁体段之间分隔开可以使每个磁性铁芯段中的磁通单独地集中，而几乎没有任何磁通损耗或者是由与其它铁芯段中磁通相互作用而产生的有害互感干扰。通过将单个极对配置成独立的电磁体，可以获得运行上的优势。当对极对绕组的励磁进行切换时，单个极对与其它极对之间的磁路隔离消除了相邻组之间的磁通互感效应。
前面提到的Maslov等的待审批的美国专利申请10/173610的内容所针对的对象是具有这些结构特征的多相电机控制系统。因为每一相的控制环都与其对应的绕组和结构完全匹配，所以描述的控制策略是：对单相电路特性进行补偿并提供更高的控制精确度。控制参数与各自定子相中每一相的特性匹配。控制器对每相绕组的连续励磁切换进行控制，控制器根据与被励磁相绕组的定子相组件相关的参数产生信号。
尽管上面提到申请中的电机具有操作上的优势，但是在所有的宽运行速度范围内，甚至所带负载不变的情况下，这些电机和先前技术的电机都没有始终保持高效率。对于一个固定的电机拓扑而言，有效的磁动势(MMF)取决于绕组匝数和励磁电流。这里，使用的术语“电机拓扑”指电机物理特性，例如尺寸、定子铁芯的磁特性、定子绕组的匝数以及线径(规格)等等。有效的磁动势将转矩和速度在运行范围内之间的关系限定成是一个变化，通常是反向，的关系。施加的励磁电流将电机驱动到额定运行速度。当电机向额定速度加速时，转矩减小，驱动电机的吸入电流也相应地减少，并且效率增加到最大水平。当速度超过最大效率对应的速度时，这时需要额外的驱动电流，因此这降低了效率。所以，效率在整个速度范围内是变化的，并在速度恰好低于最大速度时就达到了最大效率。
图1所示，具有不同拓扑电机可在不同的速度下达到最大效率值。该图给出的是在宽速度范围内、具有不同拓扑电机的效率与电机运行速度之间关系曲线图。图中表示的拓扑仅在于定子绕组匝数不同。当速度从0增加到一特定速度时，每条效率曲线都达到峰值然后逐渐降低到0。曲线A表示具有最大绕组匝数的电机，该曲线A具有最大的斜率，并在速度V2时最先达到峰值效率。然而在超过这个速度时，曲线具有相似的负斜率。因此，电机的运行范围是有限的。电机在可接受的效率或者高于这个效率，在图1中用X％表示，运行时所对应的速度窗口是比较小窄的。
曲线B～E依次表示具有更小绕组匝数的电机。当绕组匝数减小时，与最大效率时对应的电机运行速度增加。曲线B在速度V3时达到峰值效率，曲线C在速度V4时达到峰值效率，曲线D在速度V5时达到峰值效率，曲线E在速度V6时达到峰值效率。每个电机在不同的电机运行速度下都具有峰值效率，但是在整个电机运行速度范围内，没有可令人满意的效率。
在较宽速度范围内驱动电机的应用中，比如在车辆驱动场合，图1显示出没有理想的单个电机拓扑可以在整个速度范围内始终提供较高的运行效率。例如，在速度大于V6时曲线A和B示出的效率是零。在速度范围的低速端，例如一直到V2，曲线C到曲线E示出的效率明显低于曲线A和B。
在电机车辆驱动中，运行效率尤其重要，因为需要延长电池的寿命，而超过电池的使用寿命时必须要对其进行充电或者换掉车内电池。因此存在这样的需求——需要电机在比目前使用的更宽的速度范围内运行时，始终具有较高的效率。上述Malslov等的美国申请(`030)就致力于满足这个需求。文中所采用的方法是，基于动态原理，在对应每一个期望电机在其间运行的速度范围内，改变每一个定子绕组的有效线圈数，其中这个速度范围是起动速度和最大速度之间多个速度范围中的速度范围。这些速度范围与图1中示出的速度范围类似，为每个速度范围指定将要被励磁的不同数目的电机定子绕组线圈数，以获得对应于多个运行速度范围中每个速度范围的最大效率。当速度经过相邻速度范围之间的阈值时，励磁线圈的数目被改变。每个绕组包括多个单个、串联的线圈组，这些线圈组利用抽头连接方式而分开。在单个的、相应速度范围期间，各个抽头通过开关连接到激励源上。因此在每个速度范围内，绕组具有不同的被励磁线圈数。
尽管这种设置拓宽了可获得高效率的速度范围，但是电机绕组的感应特性需要对抽头与电源之间的连接或断开进行精确的时间控制。因此需要提供大量的电子电源电路和控制电路来实现正确的功能。特殊电机结构中的结构限制可以限制每个定子绕组可用的抽头数目，并由此限制线圈组数目。
从而，需要在扩展的速度范围获得高效电机运行的其它方法。
发明内容
本发明实现了现有技术上述的各种需求，并为象前述Maslov等申请中公开的对单个定子铁心进行隔离的这样结构提供了额外的优点。本发明阐述的原理对任何定子结构的电机或者发电机都是有利的，包括单铁芯结构。
例如，至少在由多个铁磁铁芯段组成定子的多相电机中可以获得一部分优势，这些铁芯段绕大体均匀地分布在旋转轴的四周，彼此之间进行隔离不直接接触。每个铁芯段形成至少一对极，该对极上绕有线圈以形成相绕组。每个定子相绕组具有的拓扑与其它每个相绕组的拓扑不同。绕组拓扑特征在于线圈总数和每个相绕组中线圈的线规。每个相绕组与一个或多个其它相绕组具有不同的线圈总数。每个相绕组包括的线圈的规格与一个或多个其它相绕组的线规不同。尽管相绕组的绕组拓扑与其它相绕组的绕组拓扑不同，但尤其有利的是，全部相绕组具有大致相同的线圈总质量。也就是说，具有越少线圈匝数的绕组具有更大的线圈直径(规格)。优选的是，全部相绕组具有的不同的总匝数和不同的线规，该规格尺寸与线圈匝数之间是反比关系。
本发明中的电机结构是很有优势的，因为可对绕组励磁进行调整使电机在期望其运行的从起动速度至最大速度之间的多个运行速度范围中的每个速度范围内都能得到最大的效率。可以确定单个速度范围，并且在每个速度范围内，如施加在上面的电压表明的那样，可推导出每相绕组的励磁程度以最大化运行效率。在每一运行速度范围内，可以通过理论基础或者试验导出每相绕组的最优施加电压。举例来说，对于一个具有多相的电机结构，在每个速度范围内导出的电压可以表明：某相绕组上不能施加电压，而余下的绕组上必须施加不同的电压。励磁相绕组的数目和特性以及个别所施加电压的幅值在每一速度范围内可以不同。在某个速度范围内，可以预先确定每相绕组的最优施加电压，这样，在运行中某个特定相绕组的励磁、每相绕组上施加的电压幅值随着电机速度的增加或者减少到一个相邻的速度范围而进行动态改变。
对本领域的技术人员来说，仅通过对实施本发明的最佳预期方式举例，通过下文的详细描述可以清楚的了解本发明的其它优点，其中本发明仅示出和描述了一个最佳实施方式。应该了解的是，本发明还有其它不同的实施方式，各种实施方式中的细节可以在不偏离本发明的情况下进行各种明显的改进。因此，附图和说明书是要阐释实质问题而非限制性的。
附图说明
本发明通过举例来说明，但不是限制性的，其中附图中相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1给出的是电机效率与电机运行速度之间的关系曲线图，这个关系曲线图是不同普通电机在较宽速度范围内得到的，并且这些不同的普通电机具有不同绕组匝数。
图2给出的是应用在本发明中的转子和定子元件的示意性结构。
图3列出的是一图表，其显示的是本发明举例的多相电机每一相绕组的线规和绕组总匝数。
图4是图2中电机的电压源电路的部分框图。
图5是图2所示电机在运行速度范围内提供给每相绕组的电压示意图。
图6是对应图5工作电压下的电机效率与电机运行速度的关系曲线图。
具体实施方式
图2是应用在本发明中的转子和定子元件的示意性结构。以前面提到的待批Maslov等的申请09/826422作为参考来更详细的说明本文所列举的电机。转子件20是环形结构，具有彼此间隔开并沿圆周支撑板25大体均匀分布的永磁体21。永磁体是转子极，沿环孔内周其磁极性是交替的。转子环绕定子件30，转子和定子件通过环形径向气隙而间隔开。定子30包括多个统一结构的电磁铁芯段，这些铁芯段沿气隙均匀分布。
定子包括七个铁芯段，每个铁芯段形成为普通的U形磁结构36，该结构包括两个极，该极具有面对气隙的表面32。极对的脚上缠绕着绕组38，尽管铁芯段的结构可以构造成在连接极对的部分上容纳单个绕组。每个定子电磁铁芯段是分隔开并与相邻铁心元件磁性绝缘的。每个铁芯段可以认为代表一相，相绕组沿气隙用标记38a-38g连续标识。定子元件36固定到非导磁支撑结构上，进而形成了环形结构。这种结构可以消除相邻定子极组产生的杂散互感磁通的泄漏。适当的定子支撑结构可以在前述专利申请中了解到，该结构在本文中没有说明，这样可以使有效的电机元件更清楚直观。
绕组38a-38g在线规和绕组线圈总匝数方面，具有彼此不同的绕组拓扑。尽管在本实施方式中优选的是，每个相绕组具有唯一的绕组总匝数和唯一的线规，但两个或多个相绕组可以具有相似的线规或匝数。其它实施方式可以包括更多分隔开的铁芯段极对。在这些实施方式中优选的是某些相绕组具有相同绕组拓扑。
图3是以图2中示出七相电机的相绕组为例的拓扑图。每个相绕组具有唯一的线圈匝数并用唯一规格的线圈构成。每相绕组的总的铜质量是相同的。
图4是附图2中电机的电压供电电路的部分框图。相绕组38a-38g通过分别与电压转换器42a-42g串联而与直流电源40连接。每个电压转换器的控制端与控制器44连接，控制器44也与电源40连接。控制器和电压转换器是普通的装置，在Maslov等的待审批申请10/173610中有更详细的描述。包括微控制器和相关存储装置的控制器44可以具有一个或多个用户输入端和多个用于检测电机运行期间状态的输入端。为了清楚的解释本发明，电机速度输入端是唯一被示出的电机状态反馈输入端。速度输入信号可由任何普通速度传感器产生。存储在控制器中的是一个表，该表可确认将要加给每个相绕组的电压值，该电压对应于工作范围内多个速度范围中的每个速度范围。在下表中给出电压值，这些求得的电压值为每相绕组38a-38g提供各种速度范围内的最大工作效率。每个范围的工作效率也在该表中列出。
表
  RPM   相绕组38a的电压   相绕组38c的电压   相绕组38e的电压   相绕组38g的电压   相绕组38b的电压   相绕组38d的电压   相绕组38f的电压   效率
  0   24.0   16.3   10.8   6.8   0.0   0.0   0.0   0.0
  10   24.0   16.4   10.9   6.9   0.0   0.0   0.0   13.3
  20   24.0   16.7   11.2   7.2   0.0   0.0   0.0   26.1
  30   24.0   17.1   11.7   7.6   0.0   0.0   0.0   38.1
  40   24.0   17.8   12.4   8.1   0.0   0.0   0.0   49.1
  50   24.0   18.6   13.3   8.9   0.0   0.0   0.0   59.0
  60   24.0   19.6   14.4   9.8   0.0   0.0   0.0   67.6
  70   24.0   20.8   15.7   10.8   0.0   0.0   0.0   74.6
  80   24.0   22.2   17.2   12.1   0.0   0.0   0.0   79.3
  90   24.0   23.8   18.9   13.5   0.0   0.0   0.0   80.9
  100   0.0   24.0   20.8   15.0   0.0   0.0   0.0   83.5
  110   0.0   24.0   22.9   16.7   0.0   0.0   0.0   83.2
  120   0.0   0.0   24.0   18.6   12.7   0.0   0.0   84.1
  130   0.0   0.0   24.0   20.7   14.1   0.0   0.0   86.2
  140   0.0   0.0   24.0   22.9   15.8   0.0   0.0   84.3
  150   0.0   0.0   0.0   24.0   17.5   0.0   0.0   84.5
  160   0.0   0.0   0.0   24.0   19.3   0.0   0.0   86.8
  170   0.0   0.0   0.0   24.0   21.3   14.0   0.0   85.6
  180   0.0   0.0   0.0   24.0   23.4   15.5   0.0   82.8
  190   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   17.0   0.0   85.0
  200   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   18.6   0.0   87.7
  210   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   20.3   0.0   87.4
  220   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   22.1   0.0   84.4
  230   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   23.9   15.3   80.5
  240   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   16.6   84.9
  250   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   18.0   87.9
  260   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   19.4   88.6
  270   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   20.8   87.2
  280   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   22.3   84.0
  290   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   23.9   79.7
  300   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   81.9
  310   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   84.6
  320   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   87.4
  330   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   90.1
  340   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0   92.8
  350   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0
  360   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   0.0   24.0
在工作中，控制器44对表格中的数据进行访问以确定在起动时要激励哪些相绕组以及要加给每个相绕组的电压值。控制器将对应于这些值的适当控制电压输出到与相绕组连接的各个电压转换器中。在电机加速时，对电机速度进行连续取样并作为信号输入反馈到控制器中。响应于接收到的速度输入信号，控制器对存储的表进行访问，以获得在检测到的速度的所在范围内，每相绕组的电压数据。新的控制信号，对应于所访问到的数据，输出到电压转换器，如果合适的话，改变要加给相绕组的电压。随着电机负载改变，电机速度可以相应地改变。控制器按照表中提供的数据为这些变化依次调节其输出的控制电压，以在整个运行速度范围内维持最优的工作效率。
该表描述的速度运行范围是360rpm，为了精确调节电压值，对这个速度运行范围进行了非常细的划分，以应用精确调节的电压电平。图5中的图形可以体现这个信息，每个曲线表示在全部范围内要加到各个相绕组上的电压。曲线1表示加到绕组38a上的电压；曲线2表示加到绕组38c上的电压；曲线3表示加到绕组38e上的电压；曲线4表示加到绕组38g上的电压；曲线5表示加到绕组38b上的电压；曲线6表示加到绕组38d上的电压；曲线7表示加到绕组38f上的电压。
在运行速度范围的不同部分期间，将励磁不同组合方式的相绕组。在任何时候都不是励磁全部七相绕组。如图5中所证实，在起动的时候，采用如图所示的变化的电压值对四个相绕组励磁，直到速度上升至100rpm。对于100到140rpm之间的速度，用如图所示的电压值对三相绕组进行励磁140到160rpm之间的速度，两相绕组受到励磁；160到180rpm之间的速度，三相绕组受到励磁；180到220rpm之间的速度，两相绕组受到励磁；220到230rpm之间的速度，三相绕组受到励磁；230到290rpm之间的速度，两相绕组受到励磁；大于290rpm的速度，只有一个绕组受到励磁。对于这些范围中的每一个范围，给出不同组合方式的受励磁绕组，然后施加不同的励磁电压。
在整个速度范围内根据该图表运行而获得的电机效率在图6中示出。这个曲线同图1中示出按常规运行的电机的效率曲线相比，本发明的运行效率有改善。当整个电机运行范围内采用图表中示出的电压进行励磁时，在大约四分之三的速度范围内，本发明定子绕组结构所提供的电机工作效率超过了百分之八十。
在公开的内容中，图示和描述的仅是本发明的优选实施方式以及仅仅几个其通用性的例子。应该了解的是，本发明可以用于各种组合和场合，本发明也可以在本文阐述的发明原理范围内进行变化和更改。例如，有利的是，电机拓扑可以根据不同的极数、极尺寸与结构、极组成物等等而明显改变。可以选择不同线圈匝数和速度范围子集来适应特殊的拓扑。可以全部采用相同规格的绕线，而改变每一定子铁芯段的匝数，取代用不同规格的绕线制作每一定子铁芯段绕组。线圈部分的结构可以针对不同拓扑进行改变以达到最优效率曲线。可以对阈值进行调整，以增加和/或减少一个或多个速度范围，从而设定多个均匀或不均匀分布的速度范围子集。

Claims (13)

1.一种包括定子和转子的电动机，该定子包括：
多个铁芯段，每个段具有缠绕其上的线圈总数；
其中，该在铁芯段之中第一铁芯段上的线圈总数与在铁芯段之中第二铁芯段上的线圈总数不同。
2.根据权利要求1的电动机，其中，在第一铁芯段上的线圈具有的线规与第二铁芯段上的线圈线规不同。
3.根据权利要求1的电动机，其中，该定子包括至少三个铁芯段；以及
每个铁芯段加工成至少一个极对结构，缠绕其上的线圈形成相绕组；
每个相绕组与其它每个相绕组具有不同的线圈总数。
4.根据权利要求3的电动机，其中，每个铁芯段由铁磁材料制成，每个铁芯段与其它任何一个铁芯段都分隔开而不直接接触，并且铁芯段环绕转轴大体均匀地间隔分布。
5.根据权利要求3的电动机，其中，一个相绕组包括的线圈的规格与至少一个其它相绕组的线规不同。
6.根据权利要求5的电动机，其中，每个相绕组包括的线圈的规格与其它每个相绕组的线规不同。
7.根据权利要求6的电动机，其中，相绕组的规格尺寸与相绕组的线圈总匝数呈反比关系。
8.根据权利要求1的电动机，其中，转子包括多个永磁体。
9.一种包括定子和转子的电动机，该定子包括：
至少三个包括铁磁材料的铁芯段，这些铁芯段环绕转轴大体均匀地间隔分布，并且相互分开而不直接接触，每个铁芯段加工成至少一个极对的结构，具有缠绕其上的一定数量的线圈以形成相绕组；
其中，相绕组中的第一相绕组具有的线规与相绕组中的第二相绕组的线规不同。
10.根据权利要求9的电动机，其中，每个相绕组具有的线规与其它每个相绕组的线规不同。
11.根据权利要求9的电动机，其中第一相绕组的线圈数与第二相绕组的线圈数不同。
12.一种包括定子和转子的多相电机，该定子包括：
多个铁磁铁芯段，这些铁芯段环绕转轴大体均匀地间隔分布，且彼此分开而不直接接触，每个铁芯段加工成至少一个极对，该对极上绕有线圈以形成相绕组，该相绕组具有的拓扑特征在于线圈总数和线圈的线规，至少两个相绕组中的每一个具有互不相同的拓扑。
13.根据权利要求12的多相电机，其中全部相绕组具有大体相同的线圈总质量。
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