CN101411036A

CN101411036A - 具有带矩形齿及梯形齿的定子的电机

Info

Publication number: CN101411036A
Application number: CNA2007800114458A
Authority: CN
Inventors: 弗雷德里克·伊德兰; 埃德加·勒弗里; 西格德·奥弗里博
Original assignee: SMARTMOTOR AS
Current assignee: SMARTMOTOR AS
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2009-04-15
Also published as: CA2643125A1; RU2422968C2; WO2007100255A1; AU2007221525A1; NZ570889A; RU2008136563A; NO324241B1; JP2009528811A; US20100253176A1; EP1994627A1; AU2007221525B2; NO20060966L; EP1994627A4

Abstract

一种电机装置，尤其是马达、发电机或致动器，该装置具有：带有齿(11，12)的、承载尤其是单层集中绕组的线圈(15)的定子；以及永磁转子，其可以相对于定子(11，12)移动。定子的齿设置为容置具有大致矩形开口的线圈(15)。如果定子的齿(11，12)设置为容置大致相同的、封闭槽(14，16)的线圈(15)，就可以获得本发明的优点。齿(11，12)可以是交替排列的矩形齿和朝顶端收缩/发散的齿，以形成槽(14、16)，所述槽具有平行的侧面以装入线圈(15)。优选地，收缩的齿(22)具有缩短的顶端(23)。优选地，槽形成为用于容置相邻的齿之间的半磁体槽楔(39)的空间。

Description

具有带矩形齿及梯形齿的定子的电机

技术领域。

本发明涉及一种如权利要求1的前序部分中所述的电机装置。该电机装置可以是带有沿着直线或弧形路径移动的电枢(armature)的电动马达或发电机、或致动器。如实例中所述，这种电机装置可根据不同的使用目的而制造为不同的尺寸。

背景技术

传统上，电机是以带有励磁绕组(field winding)的同步电机以及异步电机为基础的。最近十年中，永磁同步电机(PMSM)的应用增多。随着对这类电机的研发的加强，永磁体的成本已经下降。现今，PMSM电机应用于多个领域，诸如造纸工业、海上(offshore)及海运部门。PMSM电机在其他使用电机的领域也已更加普及。

前述的PMSM电机中的一些是以使用来自异步电机中的标准定子及具有永磁体的转子为基础的。这种定子在Lonel，D.M.，Popescu.M.，McGilp.M.I.，Miller T.J.E.，Dellinger.S.J.的“Assessment of torque components inbrushless permanent magnet machines through numerical analysis of themagnetic field”一文中被公开(Industry Applications，IEEE Transactions，2005年9-10月第41卷第5期，第1149-1158页)。

传统上，这种电机的定子中使用分布绕组(distributed windings)和部分闭口的槽。已经开始研发使用集中绕组(concentrated windings)。集中绕组的使用提供了若干新颖和有利的电机设计：分组(sectioning)、磁极的数目增多、更低的转速、直接牵引等等。除了更简化的设计之外，具有这种绕组的电机的端部绕组比具有分布绕组的电机更短。由于端部绕组并不占据同样的轴向长度，所以可以使电机更加紧凑。大多数具有集中绕组的电机中普遍使用部分闭口的槽。这种槽的设计缺点是需要将导体一根一根地嵌入槽中，所以也称为嵌入绕组(fed-in winding)。部分闭口的槽用以降低磁阻差和定位力矩(cogging moment)。

已经使用带有矩形齿的开口凹槽来安装预制的绕组。美国专利申请2005035/80和2002047425均描述了一种马达，其中制作完成的绕组安装在每个齿上。这种设计的缺点是每个凹槽中均具有没用到的空隙。此外，在定子叠片和磁体内还会产生脉冲磁场。在日本专利申请2002112484中，通过使绕组在齿的一侧形成为梯形、在齿的另一侧形成为矩形来利用整个槽，这种设计的缺点是绕组的几何形状复杂。另一种绕组设计是如欧洲专利说明书1376830中所述的那样完全填满槽，绕组的截面关于矩形齿对称。在这种设计中使用部分闭口的凹槽。在将绕组放置在齿上之后，安装定子轭时可以使用之前制作完成的绕组。除了绕组的特殊设计之外，这种电机的组装也较复杂。

欧洲专利说明书0627805中所述的电机由较小的单元组装而成。其定子包括一列层叠的单元，每一个层叠的单元都具有两个带有集中绕组的槽。这种构思的缺点在于待组装的零件数量非常多。

在所有PM电机中，期望减小由转子和定子内的感应电流而产生的损耗。传统上，通过使用层叠片来降低定子的损耗。尽管如此，磁特性将由于槽的存在而变得不均匀。定子中的槽将使定子和转子之间的磁耦合增强，从而在磁体、转子轭和定子轭中形成变化的磁场强度。用于减少这种变化的传统方法是部分地封闭定子槽。许多出版物都通过定子叠片的不同设计涉及这种情况的改进，例如，Ishak D.、Zhu Z.Q.、以及Howe D等人的“Comparison ofPM Brushless Motors，Having either all Teeth or Alternate Teeth Wound”(IEEETransactions on Energy Conversion，2005年第PP卷第99期，第1-1页)。

另一种现有技术是使用带有裂口的或变形的磁体的转子。通常，使用属于一个磁极的磁体的三分之一。这种磁体的安装是以较小的角移位进行粘贴从而使转子倾斜。以上两种方法的缺点都是使电机结构复杂，从而增大了电机的制造成本。

美国专利说明书6661137(Leroy-Somer 2003)描述了带有矩形齿的定子片。在这些矩形齿上安装相同的线圈会在线圈之间留下空隙。

发明目的

本发明的主要目的在于提供一种改进的、简单的和低成本的、以PMSM技术为基础的电机。这种电机应当适用于批量生产，而且还是紧凑的和高效的。本发明的构思应当适用于不同的电机，并且适用于不同用途的电机中。

发明内容

本发明描述于权利要求1中。

本发明使用带有平行的矩形槽的定子，该定子中可直接安装预制的、紧凑的线圈。凹槽(groove)由槽楔(slot wedge)来闭口以形成机械保护。绕组可以是集中的分段单层绕组。电机的运行频率可设计为150Hz，而线圈可由Litz-wire(商标名)缠绕而成，以提高效率。

本发明可以用于具有外部定子或内部定子的旋转电机上。平行齿和收缩齿(converging tooth)设计为提供最小的定位力矩及优化的感应电压曲线形状。在内部定子中，梯形齿在槽的内部中是最窄的。与具有平行齿的内部定子相比，本发明的这一实施例可以使用相同的线圈，并且不需要使用锥形线圈。

本发明的有利的特征陈述于权利要求2中。其他的特征描述于权利要求3-7中。

这一构思背后的思想是，可以制造矩形线圈，以用于不留气隙地安装在定子中。为最优地达到这一目的，必须改变定子的设计。根据这一新颖的构思，定子中必须使用不同形状的齿。该新颖设计中的每一第二个齿分别是矩形齿和锥形齿，相邻的齿的宽度设计为优化电压曲线(voltage curve)和定位力矩。

这种设计的优点主要是线圈的制造简单。所有的矩形齿都相同，以使所有的线圈相同。当缠绕线圈时，只需一种线圈缠绕模具。可以预制线圈并且可以使线圈紧凑，以提高共同(cobber)的填充因子(filling factor)。这种定子设计使电机易于大量生产。

下一步骤将使线圈的安装更加容易。凹槽的填充因子在电机设计中很重要。通过应用本发明，可以批量生产线圈。

本发明的下一个优点是使线圈的安装更加容易。凹槽的填充因子对于所有电机的设计均很重要。通过应用本发明，可在装配前容易地使线圈紧凑。某些电机设计为用于较高的基频。这种电机的绕组可以具有特殊的横截面，例如品牌“Litz-Wire”的横截面，以减小铜损(copper loss)。这一新颖构思允许不做改变地使用矩形导线。本发明还适用于其他电机，特别是例如可能使用异形线(profiled wire)的、具有大的导体横截面的电机。

另一种形式的凹槽是在定子中形成有梯形截面的凹槽。由于该线圈的侧面(顶部和底部)不垂直于模具，而模具具有矩形齿，所以这种线圈的制造将会更加复杂一些。这种电机的安装仍然是简单的。梯形凹槽可适用于小半径的、粗糙的槽。这样，矩形齿和锥形齿的长度差将会较大。通过在这种电机中使用矩形齿，在一对凹槽的侧面上的沟槽(groove)将会较深，需要增大定子轭的厚度。

与凹槽内具有气隙的美国专利申请2005035680和2002047425的电机相比，通过应用本发明，可以在定子绕组和定子铁芯之间实现更好的热传递。

与欧洲专利0627805相比，本发明由于显著地减少了零件数量，因此将能够提供较廉价的电机。

本发明可以有利地选择齿和磁极的数目，以消除由于磁阻力矩(reluctance moment)而造成的力矩波动。以此方式，无需像传统电机一样完全地封闭凹槽。类似地，可以优化电压的变化。定子的设计以及凹槽和磁极的选择都应当确保信号中的非期望的谐波分量(harmonic component)最少。

本发明尤其适用于单层绕组。在凹槽和磁极的数目的特定组合情况下，可以获得分段单层绕组。分段绕组是电机设计中公知的现有技术。这样将减少绕组的头部，并减少感应电压中多余的谐波分量。凹槽和磁极的数目的不同组合可产生不同的定位力矩。

电机的通常失效是高电压和绝缘子损坏，例如由于来自变压器的高的dV/dt值所导致的损坏。由于局部的高电压和被损坏的绝缘子，组合有集中线圈的本发明具有若干优点。定子的每一个凹槽将只包括一个相位，使作用在绝缘子的电压被限制为单相接地(phase-earth)。在绕组的头部也可获得同样的优点：所有线圈从相邻的凹槽延伸，没有重叠的线圈。由于末端绕组具有较低的顶面(overhead)，因此本发明中从绕组的端部到定子铁芯有较大的距离，这是减少绝缘子击穿的风险的常用方法。此外，开口的凹槽将使得预制的凹槽绝缘子的安装更为容易。此方式还应用于相对于定子铁芯而将线圈遮蔽。

具有集中线圈的单层绕组允许对绕组进行电学和物理分组(sectioning)。这将使电机更不容易发生故障(error)，并且还能够以减少的输出功率地运转。由于段(phases)的悬臂和电缆均有影响，所以不易发生故障的程度由连接器结构决定。

绕组的分组使得可以对单个线圈或线圈组分别进行控制，这使得转子能够定位在定子中。这样就可以读出定子中的转子的位置，并且将绕组用作位置传感器。

此外，分组的绕组可以将整个定子分组，这对于运载和操作均为限制因子的大型电机是有利的。当定子损坏时，可以更换单个的组件，从而降低了因故障而造成的破坏。因此电机能够进行局部修理。

本发明可用于所有类型的电机的定子，诸如异步电机、标准同步电机、DC、BLDC及所有类型的PMSM电机的定子。

附图说明

下面参照附图进一步描述本发明，其中图1示出本发明第一实施例的外部定子的一部分，图2示出根据本发明实施例的用于外部定子的定子叠片，而图3示出带有槽楔的两个齿的顶端的端视图。

具体实施方式

图1示出带有齿11、12、13的一叠定子片1d，齿11、12、13上形成槽14、15，用以安装线圈16。每一第二个齿12都是平行的齿，并可安装带有相同的开口和相同的绕组的线圈16。如参照图3所说明的，本实例中的槽由槽锲17、18封闭。

图2示出用于制备外部定子的定子叠片20的另一个实施例。该电机的转子可采用现有技术的设计并且未示出。定子叠片20带有交替排列的平行齿21以及向外朝着齿顶端23收缩的梯形齿22。因此，设置了用以插入现有技术的矩形线圈的多对平行槽24。相邻的齿的宽度应当被确定为使电压曲线和定位力矩得到优化。在该实例中示出的齿具有相同的顶端宽度。但该宽度可以在0.9-1.1比1的比例关系范围内变化。齿22的收缩程度取决于电极的数量和槽的宽度。线圈25设置在齿21上。也可以在槽的底面不与承载线圈的齿的侧面垂直情况下，在槽中设置具有平行四边形截面的线圈，以进一步优化槽的填充。

图3示出带有齿31、32、33的定子叠片30，齿31、32、33限定了两个槽34、35。每个齿的顶端36的边缘(limb)具有V形沟槽37、38，所述V形沟槽37、38与槽楔39的斜的侧边配合。在槽楔39从侧面插入之后，将线圈固定在槽内并防止线圈(未图示)从槽中被推出。槽楔可以由铁粉、玻璃纤维和胶制成。槽楔的侧面也可具有其他几何形状的沟槽。

槽楔的使用是本发明特别有用的特征。选择槽楔的材料时应考虑磁导率，并且在设计槽楔时，还要提供相同的磁阻。通常，槽楔的材料的磁导率是真空中的磁导率的5-10倍，并且比用于普通叠片的材料的磁导率低100-1000倍。槽楔可以是普通的矩形或可做其他适合的变型。利用例如不同材料中的不同的磁饱和点(magnetic saturation point)等机制(mechanisms)是该优化过程的重要部分。

在槽楔的选材和设计中，应考虑避免由于涡流造成的不适当的损耗。否则，在接近槽楔的区域可能产生临界热点(critical hotspot)。

损耗是由于磁通量的变化造成的。

在铁芯中：

PFe～k1B2f+k2B2f 2+k3B3/2f 3/2是一个方程式的实例，该方程式描述了作为磁通密度(B)和频率(f)的函数的、铁芯的损耗。常数k1、k2、k3的值取决于材料的性质和定子片的设计。该方程式描述了正弦曲线磁通量情况下定子片中的损耗。上述的磁通密度可以与由于开口的凹槽和永磁体而导致的磁通量的变化相关。通过采用半磁性的槽楔，磁通量的变化和损耗随着磁通密度的变化的平方而显著减小。

在磁体中：

方程式PPM～k4B2描述了作为磁通密度(B)的函数的永磁体的典型损耗。该损耗是磁导率、厚度、宽度、磁通密度和频率的函数。在带有开口的凹槽的PMSM电机中，磁体内的磁通量将发生变化，且磁体内将发生涡流损耗。上述的磁通密度可以与由于开口的凹槽和永磁体的使用而导致的磁通量的变化相关。由于损耗随着磁通密度的变化的平方而减小，所以通过采用半磁性的槽楔可以显著减小磁通量的变化。

电机的磁通密度还可与该电机的定位力矩相关。通过采用槽楔并与集中绕组组合使用，可以将损耗减小到可忽略的程度。现有技术的电机具有很大的定位力矩。

槽楔的设置和装配必须考虑到电压曲线的形状和定位力矩。槽楔对定位力矩的减小和谐波的贡献随着槽楔与气隙的接近度而不同。如果槽楔依靠摩擦力来装配，则应校验每个槽楔与气隙的接近度。对机械装配的需求取决于铜线施加到槽楔上的压力。另外，如果设置了内部定子环或类似零件，则槽楔还可能会受到来自气隙一侧的压力。获得增强的机械强度的方法是可以将半磁性材料结合在更为坚固的材料内，或是设置两个槽楔，其中一个槽楔用于提高机械强度，另一个用于使磁阻平滑地变化。

本发明能够用于不同用途的电机，尤其是可以用于旋转电机。例如，本发明能够用于陆地或海上的推进器系统，即可以用于船舶、汽车及特殊车辆。在海上，本发明能够用于控制系统和绞车。本发明能够用于水和空气动力的发电机及其他涡轮机上。本发明还可用于多种工业应用。

单层集中绕组的使用为在电机内加入冗余度提供了多种机会。使用开口的凹槽使制造和安装变得简单并且廉价。使用半磁性槽楔使电机的损耗显著减小。

本发明能够优化电机的效率、可靠性和成本。在具有开口的凹槽和现有技术中的槽楔的电机中，由于不同的转子位置会导致不同的磁阻，所以在铁芯和磁体内将产生脉动磁场。磁阻的变化是由于定子的结构不连续造成的。在现有技术的电机中，部分闭口的凹槽用以限制这种效果。在本发明中，使用具有磁特性的槽楔来补偿凹槽和齿之间的磁特性差。这种槽楔被称作半磁体。这类槽楔的特征在于其部分是由磁导率超过1的材料制成的。组合有半磁体槽楔的、开口的凹槽尤其适用于优化电压曲线形状和定位力矩，并使安装的复杂度显著地降低。槽楔的材料通常应选择为可以结合磁导率和槽楔的设计的物质，以提供所期望的磁阻补偿。如果槽楔的磁导率比开口的凹槽更大，那么就可以使用其他的槽楔。

本发明利用优选数目的齿和磁极来消除由于磁阻磁矩而造成的磁矩波动。因此，无需像现有技术的电机一样在最大程度上封闭凹槽。相应地，优化电压曲线的形状和定子的设计、选择凹槽和磁极的数目时应当考虑在输出中使非期望的谐波组分最小化的需求。

本发明可与不同的转子结合。对于PM马达，能够提供方形或正弦曲线形的反向感应电压(counter induced voltage)。所述电机被称为无刷直流电机和永磁同步电机。这种电机的磁体能够安装在表面或内部(submerged)。转子轭可以是层叠的或实心的。在需要高效率的电机中层叠多个磁体以减小损耗。

Claims

1.一种电机装置，尤其是马达、发电机或致动器，该装置具有：带有齿(11，12)的定子，所述齿承载尤其是单层集中绕组的线圈(15)；以及可动的、尤其是可转动的永磁转子或电枢，所述转子或电枢相对于定子移动；该定子的齿(11，12)设置为容置带有大致矩形开口的线圈(15)，其特征在于，该定子的齿(11，12)设置为容置封闭凹槽(14，16)的、大致相同的线圈(15)。

2.根据权利要求1所述的电机装置，其特征在于，所述齿(11，12)为交替排列的矩形齿和朝向顶端收缩/发散的齿，以形成槽(14、16)。

3.根据权利要求2所述的电机装置，该电机装置具有外部定子装置，其特征在于，所述收缩的齿(22)具有缩短的顶端(23)。

4.根据权利要求3所述的电机装置，其特征在于，所述齿(11，12)的顶端的宽度基本相同。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的电机装置，其特征在于，所述槽形成为用于容置相邻的齿之间的半磁体槽楔(39)。

6.根据权利要求5所述的电机装置，其特征在于，所述槽楔(39)的磁导率大于或等于1，并且所述槽楔(39)设置在齿(31，32)之间。

7.根据权利要求6所述的电机装置，其特征在于，所述凹槽的侧壁上具有沟槽(37，38)，以导引所述槽楔(39)。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的电机装置，其特征在于，所述线圈被压成一定的形状。