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CN101847918B - 用于智能致动器的优化电动机器 - Google Patents

用于智能致动器的优化电动机器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于智能致动器的优化电动机器。电动机器包括用于产生第一磁场的多个磁体。磁体保持器保持多个磁体。第一定子被置于磁体保持器的径向外部以产生第二磁场。第一定子包括由槽隔开的多个定子极且每个定子极具有以相应匝数绕每个相应定子极形成的集中绕组。第二定子被置于磁体保持器的径向内部以产生第三磁场。第二定子包括由槽隔开的多个定子极且每个定子极具有以相应匝数绕每个相应定子极形成的集中绕组。磁体保持器和保持在其中的磁体可在第一定子和第二定子之间旋转。

Description

用于智能致动器的优化电动机器
技术领域
本实施例总体上涉及双定子电动机器。
背景技术
电动机器通常被设计成实现特定操作特征。例如，具有拖杯形转子的电动机器具有非常小的惯性特性。感应机器通常具有无转矩波动的特性，而常规永磁体同步机器具有大的转矩安培比。不过，实现相应的特定操作特征通常导致牺牲其他的操作特征。虽然上述示例均实现了一个所需操作特征，但是这通常是以不获得一个其他的相应所需操作特征为代价来实现的。也就是说，上述装置均不能在单个电动机器中实现所有的所需操作特征。
发明内容
本发明实施例的优点在于电动机器提供了最佳的操作特征，例如大的转矩安培比、大的转矩惯量比以及小的转矩波动。
一个实施例设想一种电动机器。该电动机器包括用于产生第一磁场的多个磁体。磁体保持器保持所述多个磁体。磁体保持器具有圆形构造，且多个磁体围绕磁体保持器的圆形构造均匀定位。第一定子被置于磁体的径向外部以便产生第二磁场。磁体和第一定子之间形成第一气隙。第一定子包括被槽隔开的多个定子极，且每个定子极均包括绕每个相应定子极形成的具有相应匝数的集中绕组。在第一定子中的每个相应的集中绕组均包括非重叠绕组。第二定子被置于磁体的径向内部以便产生第三磁场。磁体和第二定子之间形成第二气隙。第二定子包括被槽隔开的多个定子极，且每个定子极均包括绕每个相应定子极形成的具有相应匝数的集中绕组。在第二定子中的每个相应的集中绕组均包括非重叠绕组。磁体保持器和保持在其内的磁体可在第一定子和第二定子之间旋转。使用第一定子和第二定子的集中绕组通过减少端匝长度而增加了封装尺寸中定子的有效长度，并且因此增加了转矩密度。集中绕组减小了每个相应绕组相对于每个定子的每个定子极的外伸从而提高了机器效率。
本发明还提供了以下方案：
方案1：一种电动机器，包括：
用于产生第一磁场的多个磁体；
用于保持所述多个磁体的非磁性磁体保持器，所述磁体保持器具有圆形结构且所述多个磁体被定位成围绕所述磁体保持器的所述圆形结构；
被置于所述多个磁体的径向外部以产生第二磁场的第一定子，所述磁体和所述第一定子具有形成在其间的第一气隙，所述第一定子包括由槽隔开的多个定子极且每个所述定子极具有以相应匝数绕每个相应定子极形成的集中绕组，在所述第一定子中的每个相应集中绕组包括非重叠相；以及
被置于所述多个磁体的径向内部以产生第三磁场的第二定子，所述磁体和所述第二定子具有形成在其间的第二气隙，所述第二定子具有由槽隔开的多个定子极且每个所述定子极具有以相应匝数绕每个相应定子极形成的集中绕组，在所述第二定子中的每个相应集中绕组包括非重叠相；
其中所述磁体保持器和保持在其中的磁体能在所述第一定子和所述第二定子之间旋转，其中所述第一定子和所述第二定子的所述集中绕组增加了每个相应定子的绕组的有效长度，并且其中所述集中绕组减小了每个相应绕组相对于每个定子的每个定子极的外伸以便提高转矩效率。
方案2：根据方案1所述的电动机器，其中所述磁体保持器和所述磁体形成无芯转子。
方案3：根据方案1所述的电动机器，其中所述内定子包括与外定子相同数量的定子极。
方案4：根据方案1所述的电动机器，其中每个相应磁体代表相应转子极，其中转子极的数量和定子槽的数量的组合具有至少为36的最小公倍数。
方案5：根据方案4所述的电动机器，其中所述集中绕组包括大于0.7的绕组因数。
方案6：根据方案4所述的电动机器，其中磁体极的数量至少是8。
方案7：根据方案4所述的电动机器，其中定子槽的数量是偶整数。
方案8：根据方案1所述的电动机器，进一步包括连接于所述磁体保持器并与所述磁体保持器同轴的轴，所述轴被构造成连接于从动部件，其中由所述磁体、第一定子和第二定子产生的电磁力被转换成机械转矩，所述机械转矩经由所述磁体保持器和轴被施加于所述从动部件。
方案9：根据方案8所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于主动悬架系统的致动器。
方案10：根据方案8所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于半主动悬架系统的致动器。
方案11：根据方案8所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于电动转向系统的致动器。
方案12：根据方案8所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于机电制动系统的致动器。
方案13：根据方案8所述的电动机器可以被用作混合动力推进系统的牵引机器。
方案14：根据方案8所述的电动机器可以被用作燃料电池推进系统的牵引机器。
方案15：根据方案8所述的电动机器可以被用作电动推进系统的牵引机器。
方案16：根据方案1所述的电动机器，其中所述相应内定子极与相应外定子极角对齐。
方案17：根据方案1所述的电动机器，其中所述相应内定子极与相应外定子极角偏移。
附图说明
图1是电动机器沿直径平面的截面图。
图2是电动机器沿横向平面的截面图。
图3是磁体保持器和磁体的截面图。
图4是三相电动机器的集中绕组结构的电气示意图。
图5是电动机器的第一相的集中绕组结构的电气示意图。
图6是电动机器的第二相的集中绕组结构的电气示意图。
图7是电动机器的第三相的集中绕组结构的电气示意图。
图8是现有技术的常规重叠绕组的绕组结构的电气示意图。
图9是示出转子极和定子槽的优化组合的表格。
具体实施方式
参考图1和图2，分别示出了电动机器10沿直径平面和横向平面的截面图。如这里所述的电动机器10被用于需要大转矩和快速响应时间的装置和系统，例如半主动或主动悬架系统、电动转向系统、机电制动系统或类似系统。电动机器10是具有被固定在机器壳体15中的第一定子12和第二定子14的双定子电动机器。第一定子12和第二定子14是在机器壳体15中彼此同轴的并且具有不同直径。第一定子12和第二定子14具有集中绕组。集中绕组是将在下面被详细描述的非重叠绕组。
多个磁体16被径向置于第一定子12和第二定子14之间。多个磁体16被柱形构造的磁体保持器18保持从而可在第一定子12和第二定子14之间形成的空间内旋转。图3中大体示出了磁体保持器18和相应磁体的截面图。应该理解的是，仅示出磁体保持器的一种构造，并且该磁体保持器不限于所示的磁体保持器。第一定子12被置于多个磁体16的径向外部一相应距离，从而在其间形成第一气隙20。第二定子14被置于磁体保持器18的径向内部一相应距离，从而在其间形成第二气隙22。第一定子12与第二定子14和多个磁体16相配合来产生所示的通量路径，从而产生电磁场，所述电磁场被转换成转矩形式的机械能。第一定子12的定子极和第二定子14的定子极间的排布是彼此角偏移的。应该理解的是，根据具体电动机器操作的需要，两个相应定子的相应定子极可以彼此角对齐或者如所述彼此角偏移。
磁体保持器18在磁体保持器18的第一端被连接到轴24。磁体保持器18在磁体保持器18的第二端被轴承表面25支撑。所述轴轴向延伸穿过电动机器10并且与多个磁体16同轴。当轴24延伸穿过机器壳体15时，第一轴承26和第二轴承28支撑轴24。轴延伸穿过机器壳体15内的孔并且被构造成连接于电动机器10外部的相应部件29从而向相应部件29施加转矩。该部件可以包括主动悬架系统、电动转向系统、电动制动系统或类似系统的致动器。磁体保持器18优选地由非磁性不锈钢制成。可替换地，磁体保持器18可以由提供适当强度以便将机械转矩传递到相应车辆系统的其他非磁性材料制成。磁体保持器18与轴承表面25配合以及与轴承26和28所支撑的轴24间的连接保持了第一和第二定子12和14之间的空间关系。相应的轴承允许磁体保持器18和多个磁体16在第一定子12和第二定子14之间径向形成的空间内旋转。
如图1所示的电动机器10省去了通常在常规电动马达(例如永磁体电动机器)中使用的具有一体成形的转子轴的常规转子。与第二气隙22配合的第二定子14不仅用作转子芯来提供磁通量路径(在标准永磁体马达中由转子芯来提供)，并且还产生转矩以增加转矩密度。省去常规转子芯和一体成形的轴可以减小电动机器的旋转部分的整体重量，从而减少电动机器10的惯量。同时，除了第一定子和无芯PM转子产生的转矩之外，与无芯转子配合的内部第二定子可以产生附加转矩以便增加封装尺寸内的转矩密度。
如前面所述，第一定子12和第二定子14均具有非重叠集中绕组。图4-7示出图释了集中绕组的绕组结构。应该理解的是，绕组集中的绕组结构仅是示例性的并且这里可以使用任意结构的集中绕组。电动马达10是具有第一相(A)、第二相(B)和第三相(C)的三相马达。
由定子极32和定子极34代表了集中绕组结构中的相应一对接连缠绕的定子极。绕定子极32和34的绕组被电连接到相A。以集中结构绕定子极32形成第一绕组36，其包括在引出导线38离开定子极32之前以预定匝数连续缠绕定子极32并且其在到达下一个定子极34之前保持不中断。在定子极34处，通过以预定匝数连续缠绕定子极34来形成第二绕组40。之后，第二绕组40电连接到中性点30。使用集中绕组结构将下一对接连定子极电连接到相B。类似地，使用集中绕组结构将下一对接连定子极电连接到相C。对于相应定子的剩余的每一对接连定子极，重复绕组模式。相反，常规叠置绕组结构包括在进行到下一个极之前仅使用单匝缠绕相应极。接连地进行常规叠置结构的绕组，从而最终返回到每个先前缠绕极以增加了绕定子极的附加匝。因此，将接连定子极电连接的引出导线的数量将等于在每个定子极上形成的匝数。在接连极之间的多个引出导线彼此叠置从而产生了从相应定子径向向外延伸的外伸，如图8所示。在优选实施例中，如图4所示，仅单条引出导线电连接相应一对定子极。与常规叠置绕组结构相比，单条非重叠引出导线显著地减少了外伸。外伸的减少导致了封装尺寸内定子有效长度的增加从而增加了转矩密度，并且也导致了绕组占空因数的增加从而为大的功率密度提供了快速的响应时间。也就是说，在集中绕组结构中，全部绕组中的大多数被形成作为与连接相应匝的引出导线不同的部分匝，从而将整个绕组的长度集中到每个相应定子极。这导致减小了定子铜损失并且提高了电动机器的效率。对于相同的封装尺寸而言，减小端匝的长度会导致更长的有效定子长度，从而对于相同操作范围而言实现大的转矩安培比或者大的功率密度。由于提高了效率，所以增加机器的功率密度不会影响其热性能。
在利用具有集中绕组的电动机器时，与常规转子相比优选地可以使用增加数量的转子极(即磁体)。增加极的数量允许减小定子芯的厚度。减小定子芯的厚度，除了省去常规的一体成形的转子芯和轴之外，还导致减小了电动机器的整体重量。此外，增加电动机器中极的数量还产生了正弦反电动势，这提供了减小转矩波动的优势。
应该理解的是，可以选择相应的极/槽组合以便除了减小拉电流能力(current draw)和转矩波动之外还优化电动机器的转矩输出。图9示出了标示出转子极(即磁体)和定子槽组合的表格。表格标示了转子极和定子槽组合间的最小公倍数(LCM)因数，并且此外，以某种组合示出了绕组因数。LCM是可以由每个组合值除尽的最小整数。LCM因数越大，则产生的转矩波动越小。优选地，选择大于8的转子极数量并且必须选择具有至少36的LCM的转子极和槽组合。
绕组因数被限定为由实际绕组所关联的通量与已经由具有相同匝数的整节距集中绕组所关联的通量之间的比。绕组因数值越大，则转矩密度越大。优选地，选择大于0.7的绕组因数。
当选择提供了这里所述优点的组合时，应该选择提供了最大LCM和最大绕组因数的组合。不过选择具有最大LCM和绕组因数的组合也是有缺点的。例如，具有奇数定子槽的那些组合可能引起不平衡磁拉力，这会导致振动。作为可接受选择的组合是那些用星号标示的组合。那些具有大LCM值和绕组因数但可能会振动的组合是那些具有奇数槽的组合并且被#标记标出。
虽然已经具体描述了本发明的特定实施例，不过本发明相关领域的技术人员将意识到各种可替换设计和实施例来实现如所附权利要求所限定的发明。

Claims (17)

1.一种电动机器，包括：
用于产生第一磁场的多个磁体；
用于保持所述多个磁体的非磁性磁体保持器，所述磁体保持器具有圆形结构且所述多个磁体被定位成围绕所述磁体保持器的所述圆形结构，并且所述磁体保持器被轴承表面支撑；
被置于所述多个磁体的径向外部以产生第二磁场的第一定子，所述磁体和所述第一定子具有形成在其间的第一气隙，所述第一定子包括由槽隔开的多个定子极且每个所述定子极具有以相应匝数绕每个相应定子极形成的集中绕组，在所述第一定子中的每个相应集中绕组包括非重叠相；以及
被置于所述多个磁体的径向内部以产生第三磁场的第二定子，所述磁体和所述第二定子具有形成在其间的第二气隙，所述第二定子具有由槽隔开的多个定子极且每个所述定子极具有以相应匝数绕每个相应定子极形成的集中绕组，在所述第二定子中的每个相应集中绕组包括非重叠相；
其中所述磁体保持器和保持在其中的磁体能在所述第一定子和所述第二定子之间旋转，其中所述第一定子和所述第二定子的所述集中绕组增加了每个相应定子的绕组的有效长度，并且其中所述集中绕组减小了每个相应绕组相对于每个定子的每个定子极的外伸以便提高转矩效率。
2.根据权利要求1所述的电动机器，其中所述磁体保持器和所述磁体形成无芯转子。
3.根据权利要求1所述的电动机器，其中所述第二定子包括与所述第一定子相同数量的定子极。
4.根据权利要求1所述的电动机器，其中每个相应磁体代表相应转子极，其中转子极的数量和定子槽的数量的组合具有至少为36的最小公倍数。
5.根据权利要求4所述的电动机器，其中所述集中绕组包括大于0.7的绕组因数。
6.根据权利要求4所述的电动机器，其中转子极的数量至少是8。
7.根据权利要求4所述的电动机器，其中定子槽的数量是偶整数。
8.根据权利要求1所述的电动机器，进一步包括连接于所述磁体保持器并与所述磁体保持器同轴的轴，所述轴被构造成连接于从动部件，其中由所述磁体、第一定子和第二定子产生的电磁力被转换成机械转矩，所述机械转矩经由所述磁体保持器和轴被施加于所述从动部件。
9.根据权利要求8所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于主动悬架系统的致动器。
10.根据权利要求8所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于半主动悬架系统的致动器。
11.根据权利要求8所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于电动转向系统的致动器。
12.根据权利要求8所述的电动机器，其中所述磁体保持器适于被连接于机电制动系统的致动器。
13.根据权利要求8所述的电动机器可以被用作混合动力推进系统的牵引机器。
14.根据权利要求8所述的电动机器可以被用作燃料电池推进系统的牵引机器。
15.根据权利要求8所述的电动机器可以被用作电动推进系统的牵引机器。
16.根据权利要求1所述的电动机器，其中所述第二定子的相应定子极与所述第一定子的相应定子极角对齐。
17.根据权利要求1所述的电动机器，其中所述第二定子的相应定子极与所述第一定子的相应定子极角偏移。
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