CN103026584B - 电机的用于减少涡流的绕组齿和组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种绕组齿（3），其用于电机（1）的组件（2）、尤其用于定子和/或转动件，所述绕组齿包括：齿柄，所述齿柄用于利用绕组线圈（4）进行缠绕；以及齿顶（5），所述齿顶关于绕组轴线布置在所述齿柄的端部上，其中在所述绕组齿（3）的至少一个端部区段上设置一个或者多个槽（14），所述槽沿着绕组轴线穿过所述齿顶（5）延伸，其中所述端部区段相当于沿着基本上垂直于绕组轴线延伸的横向方向在所述绕组齿（3）的一个或者两个端部上的区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电机的组件的绕组齿，尤其涉及一种由叠片制成的绕组齿。
背景技术
通常电机具有定子和相对于定子运动的转动件。不仅定子而且转动件能够具有利用绕组线圈缠绕的齿，交流电流在电机运行时输入到绕组线圈中，以便产生变化的磁场。这样产生的磁场穿过定子齿或者说转动件齿朝向转动件或者说定子分布，其中所述磁场的磁力线的分布进而磁场变化的方式通过位于所述齿上的齿顶的外轮廓的形式确定。目前关于效率和运行特性的优化只是沿着在转动件和定子之间的相对运动的方向调整所述外轮廓。
用于电机的组件的缠绕的齿通常利用叠片构造，以便阻止通过在齿中分布的变化的磁场产生的涡流。用于构造组件的叠片的堆叠方向相当于垂直于缠绕的齿的绕组轴线的方向，并且基本上垂直于在转动件和定子之间的相对运动方向。尤其对于旋转的电机来说该堆叠方向相当于轴向方向。
在定子和转动件之间的气隙中在组件的端部区域处沿着堆叠方向出现边缘场，所述边缘场在齿顶和转动件或者说定子之间不是直线地分布，而是沿着堆叠方向向外弯曲，并且由此在堆叠方向上具有磁场组件。由于磁场的方向变化对于所述齿的端部区域来说在横向方向上存在磁场组件，该磁场组件在叠片的平面中产生涡流。
所述通过边缘磁通产生的涡流具有一定频率，该频率与转动件速度、即与电机的转速和极数成比例。通常，涡流引起损耗，因此降低了电机的效率并且能够引起在沿堆叠方向的组件齿的端部区段中的齿顶的局部加热。此外，在转动件中产生的涡流能够引起制动力矩，所述制动力矩减小了驱动力矩并且必须通过提高电机中的电机电流来补偿。
Pistoye, H.的文献"Les pertes parasites aux extremites du stator desmachines ä grand pas polaire et les moyens de les reduire", Revue generale del'electricite，1927年2月5日，第215页至223页，公开了槽在转动件齿的边缘区域中的结构。
B.C.Mecrow等人的文献"Electromagnetic design of turbo-generator statorend regions", IEE Proceedings, Band 136, Pt.C, Nr. 6，1989年11月，也公开了将径向缝隙布置在定子齿上，以便减小在定子齿的端部区域中的涡流。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种用于电机的组件，其中以有效的方式减少在所述组件的绕组齿中产生的涡流。
该目的通过用于按权利要求1所述的电机的组件的绕组齿以及通过用于电机的组件和按并列的权利要求所述的电机来实现。
其他有利的设计方案在从属权利要求中进行说明。
根据第一方面设置一种绕组齿，其用于电机的组件、尤其是用于定子和/或转动件。所述绕组齿包括：
- 齿柄，所述齿柄利用绕组线圈进行缠绕；以及
- 齿顶，所述齿顶关于绕组轴线布置在所述齿柄的端部上，
其中，在所述绕组齿的至少一个端部区段上设置一个或者多个槽，所述槽沿着绕组轴线穿过所述齿顶延伸，其中所述端部区段相当于沿着基本上垂直于绕组轴线延伸的横向方向、在所述绕组齿的一个或者两个端部上的区域。
上述绕组齿的思路在于，所述绕组齿为在关于横向方向（堆叠方向）的端部区段中设有槽，以便在所述端部区段上抑制由在横向方向上分布的磁场组件产生的涡流，所述横向方向垂直于所述绕组齿的绕组轴线并且优选垂直于在电机的转动件和定子之间的相对运动的运动方向。由此能够减小在那里出现的涡流，因此能够提高电机的效率并且减少在端部区段中产生的热量。
此外，所述一个或者多个槽能够沿着绕组轴线穿过所述齿柄的一部分延伸，其中所述一个或者多个槽的长度等于或者小于所述齿柄的长度的一半。
根据一种实施方式，所述绕组齿能够通过在堆叠方向上堆叠叠片形成，其中所述堆叠方向相当于横向方向。
所述绕组齿能够利用一个或者多个第一几何形状的第一叠片并且利用一个或者多个第二几何形状的第二叠片形成，其中所述第一叠片在形成所述齿顶和所述齿柄的一部分的区域中具有一个或者多个缝隙，从而通过如此堆叠所述第一叠片和第二叠片使得所述第一叠片布置在所述绕组齿的一个或者多个端部区段中，所述第一叠片形成所述一个或者多个槽。
根据一种实施方式，所述第一叠片的所述一个或者多个缝隙能够通到所述齿顶的、与所述齿柄对置的外轮廓上或者在到达所述外轮廓之前很短距离处截止，从而形成了具有所述绕组齿的长度的0.5%至5%的宽度的接片。
此外，所述一个或者所述两个端部区段能够占据所述绕组齿在横向方向上的长度的一部分，其处于0.5%和10%之间、尤其是处于1%和10%之间、尤其是处于1%和5%之间。
能够规定，所述齿顶在运动方向上在至少一个侧面上伸出所述齿柄，其中至少一个所述槽发生弯曲，并且其中所述槽的、分布在所述齿柄中的区段平行于所述绕组齿的绕组轴线延伸，和/或其中所述槽的、分布在所述齿顶中的区段斜向于所述绕组齿的绕组轴线的运动方向伸出。
此外，所述槽能够如此分布在绕组齿的内部，从而所述绕组齿的在端部区段中的区域被划分成多个部分，其中所述绕组齿的在端部区段中的部分限定了相同的面积区域。
根据另一方面设置一种组件，尤其是用于电机的、具有一个或者多个上述绕组齿的定子或者转动件。
根据另一方面设置一种具有定子和转动件的电机，其中所述定子和/或转动件构造为上述组件，其中横向方向垂直于在所述定子和转动件之间的相对运动的运动方向延伸。
附图说明
接下来根据附图详细地阐述本发明的优选的实施方式。附图示出：
图1是具有内部转动件的多相永久励磁电机的横截面图；
图2是图1所示的电机沿平面A-A的截面图；
图3是在图1中所示的横截面中的边缘磁通的分布以及在未开槽的定子齿中由此产生的涡流的示意图；
图4是在图1中所示的横截面中的边缘磁通的分布以及在已开槽的定子齿中由此产生的涡流的示意图；
图5是用于构造图4所示的定子齿的第一叠片的几何形状在端部区段中的示意图；
图6是用于构造图4所示的定子齿的第二叠片的几何形状在端部区段中的示意图；
图7是用于构造定子齿的边缘区域的第一叠片的另一种几何形状的示意图；
图8是具有内部转动件的有刷换向电机的横截面示意图；
图9是图8所示的电机在平面B-B中的截面图；
图10是在图8中所示的横截面中的边缘磁通的分布以及在未开槽的定子齿中由此产生的涡流的示意图；
图11是在图8中所示的横截面中的边缘磁通的分布以及在已开槽的定子齿中由此产生的涡流的示意图；
图12是用于构造转子齿的端部区段的第一叠片的几何形状的示意图；
图13是用于构造图11所示的转子齿的中间区段的第二叠片的几何形状的示意图；并且
图14是用于构造转子齿的端部区段的第一叠片的另一种几何形状。
具体实施方式
图1示出了例如以电机1表示的、具有内部转动件的三相无刷永久励磁电机的横截面示意图。电机1包括具有指向内部的定子齿3的柱形定子2。在本实施例中定子2包括十二个定子齿3，所述定子齿分别利用作为绕组线圈的定子线圈4缠绕。定子线圈4根据已知的用于三相电机的线路图彼此连接。
在定子齿3的指向内部的端部上设有齿顶5，所述齿顶相应地具有与齿柄（Zahnschaft）对置的外轮廓。所述齿顶5的外轮廓形成了基本上与柱形的定子2同心的内部空隙6。
转子7作为电机1的转动件（Läufer）布置在内部空隙中。在该实施例中转子7具有隐藏地布置在料箱（Taschen）中的永磁体8。在图1中示例性地示出的电机1的转子7包括八个永磁体，所述八个永磁体分别形成转子极9。在相互对置的、转子极9的外轮廓和齿顶5的外轮廓之间构造有气隙10，由永磁体8以及通电运行的定子线圈4产生的磁场分布在所述气隙中。
在图2中示出了图1所示的电机的沿剖面A-A的横截面图。可以看出转子7和定子2的层叠的结构，所述转子7和定子2分别由在堆叠方向A（轴向）上堆叠的叠片构造。可以看出，在定子齿3和转子极9的轴向分布的内部的气隙10内，磁力线基本上垂直于齿顶5的和转子极9的外轮廓分布。仅在位于定子齿3的端部的端部区段E上沿轴向方向A出现磁通量，所述磁通量由定子齿3的和转子极9的端部区段E的侧面穿出。
通过转子7的运动并且通过定子线圈4的变化的通电，在转子极9和定子齿3之间形成变化的磁通量，从而所述磁场的、从端部区段的侧面（所述侧面垂直于堆叠方向延伸）穿出的磁通量Φs的部分也发生变化。所述通量的这部分以下被称为边缘磁通量。通过所述边缘磁通量能够在叠片（Blechlamellen）中感应出涡流Iw，正如例如在图3中示出的那样。涡流可能的延伸路径通过闭合的虚线表示。
在图4中示出了电机的横截面的截取区段，其中定子齿3的端部区段设有槽14。在定子齿3的端部区段上的槽14引起了，由于从侧面穿出的磁通量Φs的部分而出现的涡流不能扩散，换而言之仅能够由涡流产生明显更小的环流（Schleifen）。这些通过闭合的虚线表示。所述设有槽14的端部区段优选对于定子2的叠片构造方式来说，通过叠片的几何形状构造，所述几何形状与用于构造定子的中间区段的叠片的几何形状不同。
图5示出了用于制造定子齿3的端部区段的、具有第一薄片几何形状的第一叠片11，而图6示出了用于定子齿3的中间区段的、具有第二薄片几何形状的第二叠片12。与第二叠片12不同，第一叠片11具有缝隙15，所述缝隙可以形成齿顶5的槽。定子齿3的中间区段通过具有第二薄片几何形状的第二叠片12的堆叠而构造。于是分别将一个或者多个具有第一薄片几何形状的第一叠片11放置在处于轴向方向上的端部区段上，从而构造出本身坚固的定子齿3，所述定子齿的端部区段设有槽。所述端部区段的长度例如在定子齿3沿堆叠方向的总长度的0.5%与5%之间。
参考图5，所述缝隙15的长度hN关于定子齿3的长度hZahn在轴向方向A上较小，并且优选不超过定子齿3的长度hZahn的0.5%至5%、尤其不超过1%至2%。在齿顶5中布置的槽14的数量和形状基本上是任意的。缝隙15或者说由此在定子齿中形成的槽14已经足够用于实现明显的效果，以减少在定子齿3的边缘区域中的涡流。
优选如此选择缝隙15，从而所述缝隙15形成将齿顶5与和齿顶相连接的定子齿3的一部分划分为区段的槽14，所述区段基本上具有相同大小的面积。在示出的实施方式中基本上沿着定子齿3的绕组轴线分布的槽14的数量为两个，但是也能够设置其他数量的槽14。因为涡流仅在气隙10的区域内形成，所以不必沿着定子齿3的整个长度设置该槽。但是磁通量的一部分作为边缘磁通量也从齿柄的侧面穿出，从而除了齿顶外，定子齿3的与齿顶相连接的区段也应该在端部区段中设有槽14。
在第一薄片几何形状的第一叠片11中的缝隙15例如通过冲压或者切割、例如激光切割来制造，从而由使用的制造过程得出缝隙15的宽度。最终，槽14的垂直于其延伸方向的宽度对于减少涡流不起决定性作用，而只是存在对叠片的电流传导的中断，从而涡流不能够越过槽14而扩散。在冲压时选择槽14的宽度在1mm至2mm之间较合理，以便保证冲压机足够的使用寿命。反之在激光切割时能够实现槽14的0.5mm的宽度。
优选如此选择槽14在定子齿5的齿柄中的分布，即在槽之间的间距或者说在槽与第一薄片几何形状的第一叠片11的紧邻的边之间的间距尽可能相等。这例如能够通过以下方式实现，即相同地选择由槽14在定子齿3内部形成的定子齿部分区段16的宽度w1至w3。当然这不是必需的并且也能够使用不同宽度的定子齿部分区段16。
齿顶5表示定子齿3的加宽部，从而在齿顶5内部的两个槽14之间的间距同样加宽。槽14截止于齿顶5的外轮廓上并且这样将齿顶5的外轮廓划分为区段，对于旋转的电机来说所述区段分别具有相同的角度范围θ1，θ2，θ3。这些角度也能够彼此不同。
槽14的长度优选至少相当于在定子齿3的延伸方向上齿顶5的长度，并且最大达到定子齿3的中心，从而有：
0≤hN≤0.5×hShaft+hShoe
其中，hShaft相当于齿柄的长度并且hShoe相当于齿顶的长度。
此外能够为端部区段设置多个第一叠片11，所述第一叠片11具有略微彼此错开的几何形状。这些第一叠片如此彼此堆叠，从而它们的槽14彼此错开放置，以便这样形成具有多个第一叠片11的端部区段，所述第一叠片的槽14彼此错开。这种结构能够使用在端部区段的槽14与定子齿3的厚度相比较宽的时候。当利用冲压机冲压槽14而由于冲压机的使用寿命限制不能制造得足够薄时，这种情况是可能的。对于这种结构来说，所述通过最极端的叠片的宽槽14得到的边缘磁通量能够贯穿到端部区段的第二叠片11中并且位于那里的槽14能够有效抑制由此产生的涡流。
作为另一种实施方式，在图7中示出了用于构造定子齿3的端部区段的第一叠片11’的变形方案。与图5所示的第一叠片11不同，在图7所示的实施方式中缝隙15不被引导到齿顶5的外轮廓，而是在外轮廓之前很短距离处截止，从而这样形成的槽14不会到达气隙10。这提高了在齿靴区域（Zahnschuhbereich）中的端部区段的机械稳定性。例如缝隙15的或者说槽14的端部能够具有距离齿顶5的外轮廓大约定子齿3的长度的0.5%至10%、尤其0.5%至3%的间距。
在图8中示出了电机20的另一种实施方式。图8示出了有刷换向直流电机20的横截面示意图。所述直流电机20包括具有定子磁体22的柱状的定子21，所述定子磁体22布置在柱状的定子21的内壁上并且形成内部空隙23，转子24可转动地围绕转子轴25布置在所述内部空隙中。
转子24具有利用转子线圈30缠绕的转子齿26，所述转子齿在转子24上分别向外伸出，并且在其外端部上分别具有带有相应的外轮廓的齿顶27。转子线圈30由换向器（未示出）通电。齿顶27的外轮廓与定子磁体22的、朝向转子24的外轮廓形成气隙28，在该气隙中存在磁通量。
在图9中示出了图8所示的直流电机20沿着剖面B-B的截面图。可以看到所述转子齿26其中之一的剖面。可以看出，磁力线分布在齿顶27的外轮廓和定子磁体22之间的气隙28中。基本上沿径向方向分布在定子磁体22和齿顶27之间的磁力线沿轴向方向A分布在转子齿26的内部区域中。磁力线在转子齿26的端部区段的侧面上关于转子齿26的轴向延伸部沿轴向方向从转子齿26或者说从齿顶27穿出，并且如此形成边缘磁场29。
所述边缘磁场29由于换向和转子24的转动而具有变化的场强度，从而正如在图10中详细地示出的那样，在转子齿26的端部区段处在垂直于轴向方向的径向平面上能够形成涡流。图10示出了沿着垂直于轴向方向的径向平面的剖面。图10描绘了磁力线在端部区段上的分布，并且虚线描绘了通过在端部区段处的磁力线产生的涡流的涡流环路。
正如在图11中示出的那样，通过在转子齿26或者说在转子齿26的齿顶27中设置槽31能够划分涡流进而降低涡流的强度及其对电机效率的影响。
这种电机20的转子24的构造通过叠片的堆叠实现。为此设有具有第一叠片几何形状的第一叠片32，正如在图12中示出的那样。所述第一叠片32具有缝隙34，正如图5所示的第一叠片11的情况那样，所述缝隙穿透齿顶27并且在转子齿26的区段中延伸。优选将缝隙34的长度限制到转子齿26的一半。缝隙34平行于转子齿26的延伸方向、也就是说平行于转子齿26的径向方向延伸。在齿顶27的区域中所述缝隙34朝向转子齿26的外轮廓彼此隔开地分布，从而对于缝隙34来说产生弯折的结构。
正如之前所描述的那样，利用槽31或者说缝隙34实现转子齿26包括齿顶27的端部区段的均匀的划分，从而能够降低由边缘磁通量引起的涡流。
在图13中示出了具有第二叠片几何形状的第二叠片33。所述第二叠片33用于通过堆叠构造转子24的中间区段，所述中间区段设置在转子24的端部区域之间。
在图14中根据图7所示的实施方式示出了槽31的一种形状，其中所述槽未延伸到转子24的外轮廓。槽31在到达转子24的外轮廓之前很短距离处截止，从而保证了提高的机械稳定性。由此尤其能够避免转子齿26的和齿顶27的、由槽31划分的区域的弯曲或者说分隔（Abstehen）。
Claims (12)
1.一种绕组齿（3），其用于电机（1）的组件（2），所述绕组齿包括：
- 齿柄，所述齿柄利用绕组线圈（4）进行缠绕；以及
- 齿顶（5），所述齿顶关于绕组轴线布置在所述齿柄的端部上，
其中在所述绕组齿（3）的至少一个端部区段上设置一个或者多个槽（14），所述槽沿着绕组轴线穿过所述齿顶（5）延伸，其中所述端部区段相当于沿着基本上垂直于绕组轴线延伸的横向方向在所述绕组齿（3）的一个或者两个端部上的区域，
其特征在于，所述齿顶（5）在电机（1）的组件（2）的圆周方向上在至少一个侧面上伸出所述齿柄，其中所述槽（14）中的至少一个槽发生弯曲，并且其中所述槽（14）的、分布在所述齿柄中的区段平行于所述绕组齿（3）的绕组轴线延伸；和/或其中所述槽（14）的、分布在所述齿顶（5）中的区段斜向于所述绕组齿（3）的绕组轴线的运动方向伸出，
其中所述绕组齿（3）利用多个第一几何形状的第一叠片（11）并且利用一个或者多个第二几何形状的第二叠片（12）形成，其中所述第一叠片（11）在形成所述齿顶和所述齿柄的一部分的区域中具有一个或者多个缝隙（15），从而通过如此堆叠所述第一叠片和第二叠片（11、12）使得所述第一叠片（11）布置在所述绕组齿（3）的至少一个端部区段中，所述第一叠片形成所述一个或者多个槽（14）,
其中所述第一叠片（11）如此彼此堆叠，从而它们的槽（14）彼此错开放置。
2.按权利要求1所述的绕组齿（3），其中所述电机（1）的组件（2）是定子和/或转动件。
3.按权利要求1所述的绕组齿（3），其中所述一个或者多个槽（14）沿着绕组轴线穿过所述齿柄的一部分延伸，其中所述一个或者多个槽（14）的长度等于或者小于所述齿柄的长度的一半。
4.按权利要求1至3中任一项所述的绕组齿（3），其中所述绕组齿（3）通过在堆叠方向上堆叠叠片而形成，其中所述堆叠方向相当于横向方向。
5.按权利要求1所述的绕组齿（3），其中所述第一叠片（11）的所述一个或者多个缝隙（15）通到所述齿顶（5）的、与所述齿柄对置的外轮廓上或者在到达所述外轮廓之前很短距离处截止，从而形成了具有所述绕组齿（3）的长度的0.5%至5%的宽度的接片。
6.按权利要求1至3中任一项所述的绕组齿（3），其中所述至少一个端部区段占据所述绕组齿（3）在横向方向上的长度的一部分，其处于0.5%和10%之间。
7.按权利要求1至3中任一项所述的绕组齿（3），其中所述至少一个端部区段占据所述绕组齿（3）在横向方向上的长度的一部分，其处于1%和10%之间。
8.按权利要求1至3中任一项所述的绕组齿（3），其中所述至少一个端部区段占据所述绕组齿（3）在横向方向上的长度的一部分，其处于1%和5%之间。
9.按权利要求1所述的绕组齿（3），其中所述槽（14）如此分布在所述绕组齿（3）的内部，从而所述绕组齿（3）的在端部区段中的区域被划分成多个部分，其中所述绕组齿（3）的在端部区段中的部分限定了相同的面积区域。
10.具有一个或者多个按权利要求1至9中任一项所述的绕组齿（3）的一种组件。
11.按权利要求10所述的组件，其中所述组件是用于电机（1）的定子或者转动件。
12.一种具有定子和转动件的电机（1），其中所述定子和/或转动件构造为按权利要求10所述的组件，其中横向方向垂直于在所述定子和转动件之间的相对运动的运动方向延伸。
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