CN102857001A

CN102857001A - 电机

Info

Publication number: CN102857001A
Application number: CN2012102146244A
Authority: CN
Inventors: S.A.埃文斯
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2013-01-02
Also published as: DE102011078157A1

Abstract

本发明涉及一种电机（301），其具有：-带有多个转子极（107）的可旋转地支承的转子（103）；-带有多个朝向所述转子极（107）布置的定子齿（111）的定子（109），围绕所述定子齿分别绕制至少一个线圈（113）的绕组；-其中所述线圈（113）编组成多个线圈组；其特征在于，-在一个线圈组中的至少一个线圈（113）具有比所述线圈组的另外的线圈（113）更小的匝数。

Description

电机

技术领域

本发明涉及一种电机，尤其是一种同步机。

背景技术

这种电机例如在公开文献DE 10 2009 002 928 A1或公开文献DE 10 2009 029 065 A1中公开。该电机通常包括带有转子极的可旋转地支承的转子和带有定子齿的定子，围绕定子齿分别绕制具有N个绕组的线圈，其中N为自然数。

对于要求特别高的应用、例如在电动助力转向系统（EPS）中的应用而言，相应的电机必须具有非常低的转矩波动。这种低的转矩波动是被特别期望的，因为据此显著地提高了驾驶员的操控舒适性。

此外，也期望电机具有特别低的转子损耗，因为据此能够节约电能。

发明内容

本发明的任务因此可以被视为提出一种电机，其具有低转矩波动和低转子损耗。

该任务借助根据权利要求1所述的主题来解决。有利的设计方案是从属权利要求的主题。

根据一个方面，提供了一种电机、尤其是一种同步机、优选是一种无刷电机。所述电机包括转子，该转子可旋转地支承。所述转子具有多个转子极，所述转子极优选借助永磁体来形成。此外，设置有定子，该定子包括多个定子齿，其中所述定子齿朝向转子极布置。围绕定子齿分别绕制有至少一个线圈。尤其也就是说，线圈的匝围绕定子齿绕制。线圈在此编组成多个线圈组，其中一个线圈组中的至少一个线圈具有比该线圈组的另外的线圈更少的匝数。

本发明于是尤其包括如下思想：将围绕定子的定子齿绕制的线圈编组，其中这样组的线圈中的至少一个具有比其它线圈更少的匝。

由于这里所提出的具有线圈组的至少一个线圈的拓扑结构，所述线圈具有更小的匝数，令人惊讶地发现，该电机相比于在其中围绕定子齿绕制的线圈分别具有相同的匝数的电机具有显著更低的转矩波动。尽管如此，具有根据本发明的线圈拓扑结构的电机同时具有高转矩或者说高转矩密度。由于转矩波动更低，所以还有利地减小了电机中的振动，这降低了声学噪声。此外，因为在转子中出现了更少的损耗，所以机器的效率升高了并且还降低了转子的发热。

在本发明的意义中，编组尤其意味着，所编组的线圈是共同的电流回路的一部分。线圈组例如可以串联连接或并联连接。

在本发明的意义中，匝尤其是称作线圈的绕组的圆形通道。当绕组线例如用于线圈的绕组时，则匝数N意味着：绕组线围绕定子齿缠绕N次，其中N为自然数。

根据一种实施方式，线圈中的每一个都配属于三相电流的一相。例如设置有三相。尤其是也就是说，线圈中的每一个都配属于三相之一。配属于共同的相的线圈优选也编组成多个共同的线圈组。通过将线圈编组成一个共同的相有利地减小了由对线圈供电而形成的磁场中的谐波，这尤其有利地进一步减小了转矩波动和转子中的损耗。

根据另一种实施方式，更小的匝数为其它线圈的匝数的一半。尤其是也就是说，其它线圈具有N匝，其中N为自然数。更小的匝数于是为N/2。由此还有利地减小了EMK（Elektromotorische Kraft（电动力））的相的谐波，尤其是第五次、第七次、第十一次、第十三次、第十七次、第十九次、第二十三次和第二十五次谐波。

通常，尤其是在转子外表面与指向其的定子齿的表面之间的气隙中的谐波造成了转矩波动。转矩波动例如是通过转子谐波、即在借助转子形成的磁场中的谐波与定子谐波、即在借助定子形成的磁场中的谐波的共同作用而引起的，其中转子谐波和定子谐波的阶次相同，该阶次并不相当于相数的多倍。尤其谐波、即尤其第五次、第七次、第十一次、第十三次、第十七次、第十九次、第二十三次和第二十五次的转子谐波造成了转矩波动，从而使得这些阶次的减小可以有利地显著减小转矩波动。

在一种实施方式中，相可以彼此连接为星形电路或德尔塔电路。德尔塔电路也可以称作三角形电路。

根据另一种实施方式，一个定子齿的两个线圈沿着转子极的方向依次地布置在该定子齿上。尤其也就是说，两个线圈之一布置在定子齿的远心的区域中并且另一个线圈布置在定子齿的近心的区域中。远心的区域位于定子齿的背离转子极的区域中。近心的区域位于定子齿的朝向转子极的区域中。尤其也就是说，远心的区域与近心的区域相比距转子极更远。由此有利的是，特别有效地利用定子槽的存在的绕组区域或者说匝区域。尤其是由此有利地提高了针对线圈短路的安全性。

在另一种实施方式中，线圈组的两个具有更小的绕组数的线圈成对地编组。尤其是当线圈之一近心地布置定子齿上而另一个线圈远心地布置在定子齿上时，成对的编组有利地实现了由于定子齿之间的定子槽中的漏磁场引起的不同的磁通量的补偿。

根据另一种实施方式，该线圈组的两个线圈也可以相互重叠地布置。

在另一种实施方式中可以规定，在定子齿上或也在多个定子齿上分别相互重叠地布置两个线圈，其中在另一个定子齿上或也在多个另外的定子齿上分别远心地或者近心地布置两个线圈。

根据另一种实施方式，电机包括十八个定子齿和分别具有五个线圈的六个线圈组，其中所述五个线圈中的四个线圈具有为另外的线圈的匝数的一半的匝数。在三相的情况下，电机尤其包括三十个线圈。就此而言，二十四个线圈具有匝数N/2，其中N为其余六个线圈的匝数，其中N为自然数。

附图说明

以下借助优选的实施例参照附图对本发明进行详细解释。在此示出了：

图1示出了根据现有技术的具有绕制好的线圈的电机的剖面图，所述线圈配属于三相之一；

图2示出了图1所示的电机的剖面图，其中附加地示出了另外两相的绕制好的线圈；

图3示出了根据本发明的具有绕制好的线圈的电机的剖面图，所述线圈配属于三相之一；

图4示出了图3所示的电机的剖面图，其中附加地示出了另外两相的绕制好的线圈；

图5示出了图3所示的电机的线圈的相应的电路的示意性视图；

图6示出了图3所示的电机的线圈的相应的另外的电路的示意性视图；

图7示出了具有两个绕制好的线圈的定子齿的放大的剖面图；

图8示出了具有两个绕制好的线圈的定子齿的放大的剖面图；

图9示出了对于由已知的相和根据本发明的相的单个相形成的电动力的相应的矢量图之间的比较；

图10示出了取决于转子角的转矩波动的图像曲线；

图11示出了取决于转子角的电动力的一相的图像曲线；

图12示出了取决于谐波阶次的电动力的相的谐波幅度的图像柱状图；

图13示出了转子中的涡电流损耗的量的图像柱状图；

图14示出了所有三相绕组的磁动力关于图1所示的电机中的空间角的图像曲线，

图15示出了所有三相绕组的磁动力关于图3所示的电机中的空间角的图像曲线，

图16示出了取决于图1所示的电机中的谐波阶次的磁动力的谐波幅度的图像柱状图，以及

图17示出了取决于图3所示的电机中的谐波阶次的磁动力的谐波幅度的图像柱状图。

以下针对相同特征使用了相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的电机101的剖面图。电机101构造为同步机。该电机包括转子103，转子103借助轴105可旋转地支承。转子103包括十四个转子极107，所述转子极借助永磁体108来形成。

同步机101还包括定子109，该定子具有十八个定子齿111。在此情况下，定子齿111径向向内地指向轴105的方向并且朝向转子极107布置。将十八个定子齿111从1至18逐一编号，其中相应的编号为了清楚绘制在定子109外。

围绕第一、第二、第六、第十、第十一和第十五定子齿111分别绕制有线圈113。线圈113的绕线方向借助两个带有附图标记115和117的图像元件表示，其中带有附图标记117的元件表示在这里线圈113的绕组进入到纸平面中。带有附图标记115的元件表示线圈113的绕组从纸平面中出来。

在图1中所绘制的线圈113配属于有三相绕组的一相并且编组成两个共同的线圈组。第1组：线圈1、2、6；第2组：线圈10、11、15。线圈113具有相同的匝数，也就是说，线圈113尤其具有相同数目的匝。

图2示出了图1中的同步机101，其中在此现在其它的线圈113围绕相应的定子齿111绕制。在此情况下，各一个线圈113围绕一个定子齿111绕制。各六个线圈113编组为类似图1的一个共同的相并且相应地配属于绕组的另外两相。为了更好地区分，在图2中的右侧在电机101旁绘制有图例，所述图例针对分别相同的相113的线圈示出了三个符号119、121和123。在此情况下，符号119表示绕组的第一相，所述第一相也可称作相A。符号121表示配属于绕组的第二相的线圈113，其中所述第二相也可以称作相B。相应地，符号123表示配属于绕组的第三相的线圈113，所述第三相也可以称作相C。

相B或者相C的线圈也都具有相同的匝数，即相A的线圈的匝数。也就是说，尤其同步机101的全部十八个线圈具有相同的匝数。

图3示出了根据本发明的电机301，其构造为同步机。同步机301除了线圈拓扑结构之外与图1中的同步机101类似地构造。就此而言，可以参照关于此的实施方式。此外，为了清楚以下针对相同特征使用相同的附图标记。

根据本发明的同步机301与根据现有技术的同步机101的不同之处尤其在于，每个相具有十个线圈113。在图3中针对绕组的第一相（相A）首先仅绘制了十个线圈113。相A的线圈113就此而言形成了两个线圈组：第1组：线圈1、2、5、6、18；第2组：线圈9、10、11、14、15。在第一、第二、第五、第六、第九、第十、第十一、第十四、第十五和第十八转子齿111上分别绕制或者说布置有与相A相关的线圈组的各一个线圈113。在此情况下，在第一定子齿和第十定子齿111上的两个线圈113具有匝数N，其中N为自然数。该线圈组的另外八个线圈113具有匝数N/2，也就是说，这些线圈具有第一定子齿和第十定子齿111的这两个线圈113的匝数的一半的匝数。

为了更为清楚，在图3中的右侧在同步机301旁绘制有图例。带有附图标记303的符号应表示具有匝数N的线圈。带有附图标记305的符号应表示具有匝数N/2的线圈113。

具有匝数N/2的线圈113分别成对地编组。在此情况下，第十八定子齿和第二定子齿的线圈113成对地编组。类似地，第五定子齿和第六定子齿111的线圈113、第九定子齿和第十一定子齿111的线圈113以及第十四定子齿和第十五定子齿111的线圈113分别成对地编组。这种线圈对利用附图标记307来表示。在每个线圈对307中一个线圈113远心地布置在定子齿111上。线圈对307的另一个线圈113近心地布置或者说绕制在相应的定子齿111上，尤其也就是说，线圈对307的两个线圈113之一比线圈对307的另一个线圈113更近地布置在转子线圈107上。由于这种成对地编组，有利地补偿了由于在定子齿111之间的定子槽中的漏磁场（magnetische Leckfeldern）引起的不同的磁通量。

图4示出了图3所示的、具有另外的绕制好的线圈113的同步机301，所述线圈配属于绕组的另外两相（相B和相C）。为了清楚，在图4中并未绘制针对各个元件的全部附图标记。为了能够更好地区分三个相A、B和C的各个线圈113，在同步机301的右侧绘制图例，其中在此除了图3中的图例之外还绘制有绕组的相B和相C的相应线圈113的符号309、311、313、315。带有附图标记309的符号表示相B的具有匝数N的线圈113。带有附图标记311的符号表示相B的具有匝数N/2的线圈113。带有附图标记313的符号类似地表示相C的具有匝数N的线圈113。附图标记315表示相C的具有匝数N/2的线圈113。

就此而言，三相A、B和C的每相具有十个线圈113，其中所述相之一的八个线圈具有匝数N/2并且另外两个线圈具有匝数N。

以下参照十八个定子齿111描述了相应的绕组拓扑结构。

第一定子齿具有相A的具有匝数N的线圈113。第二定子齿111具有相A的具有匝数N/2的线圈113以及相B的具有匝数N/2的线圈113，其中相A的线圈113远心地布置在定子齿111上并且相B的线圈113近心地布置在定子齿111上。第三定子齿111具有相B的具有匝数N/2的远心的线圈113以及相C的具有匝数N/2的近心的线圈113。第四定子齿111具有相C的具有匝数N的线圈113。

第五定子齿111具有相C的具有匝数N/2的远心的线圈113以及相A的具有匝数N/2的近心的线圈113。第六定子齿111具有相A的具有匝数N/2的远心的线圈113和相B的具有匝数N/2的近心的线圈113。

第七定子齿111具有相B的具有匝数N的线圈113。第八定子齿111具有相B的具有匝数N/2的远心的线圈113以及相C的具有匝数N/2的近心的线圈113。第九定子齿111具有相C的具有匝数N/2的远心的线圈113以及相A的具有匝数N/2的近心的线圈113。第十定子齿111具有相A的具有匝数N的线圈113。第十一定子齿111具有相A的具有匝数N/2的远心的线圈113和相B的具有匝数N/2的近心的线圈113。第十二定子齿111具有相B的具有匝数N/2的远心的线圈113和相C的具有匝数N/2的近心的线圈113。第十三定子齿111具有相C的具有匝数N的线圈113。

第十四定子齿111具有相C的具有匝数N/2的远心的线圈113和相A的具有匝数N/2的近心的线圈113。第十五定子齿111具有相A的具有匝数N/2的远心的线圈113和相B的具有匝数N/2的近心的线圈113。

第十七定子齿111具有相B的具有匝数N的线圈113。第十七定子齿111具有相B的具有匝数N/2的远心的线圈113和相C的具有匝数N/2的近心的线圈113。第十八定子齿111具有相C的具有匝数N/2的远心的线圈113和相A的具有匝数N/2的近心的线圈113。

因此，尤其具有匝数N/2的线圈绕制在共同的定子齿111上，其中具有匝数N的线圈本身单独地绕制到一个定子齿111上。

图5示出了图3所示的电机301的线圈的相应的电路的示意性视图。一个线圈组的各个线圈串联连接。A1和A2、B1和B2以及C1和C2分别表示串联电路的电端子。为了能够更好地区分线圈中的哪个线圈具有匝数N或N/2，在图5中的右侧绘制了图例，其中带有附图标记501的矩形符号表示具有匝数N的线圈。带有附图标记503的符号要表示具有匝数N/2的线圈。在三个串联电路中1至18的编号涉及相应的定子齿111。在编号中的附注“t”和“b”表示线圈在定子齿之间的定子槽中的相应位置，“t”在此代表“top（上）”的缩写，这尤其意味着相应的线圈近心地布置。“b”代表“bottom（下）”的缩写并且意味着，相应的线圈远心地布置在定制齿上。

相Ａ包括一个包括线圈18t、1、2b、5t和6b的线圈组以及另一个包括线圈9t、10、11b、14t和15b的线圈组。相A的两个线圈组串联连接。

相B包括一个包括线圈6t、7、8b、11t、12b的线圈组以及另一个包括线圈15t、16、17b、2t和3b的线圈组。相B的两个线圈组串联连接。

相C包括一个包括线圈 3t、4、5b、8t、9b的线圈组以及另一个包括线圈12t、13、14b、17t和18b的线圈组。相Ｃ的两个线圈组串联连接。

图6示出了图3所示的电机的同相的线圈的相应的另外的电路的示意性视图。使用了与图５相同的符号，从而在此可以参考关于此的实施方式。线圈组的各五个线圈串联连接，其中这两个串联电路又并联地连接在相应的端子A1、A2、B1、B2和C1、C2之间。在串联电路的每个中连接有具有匝数N/2的四个线圈和具有匝数N的一个线圈。

相应的相A、B和C的两个线圈组与图5类似地形成。在图6中相应的相A、B和C的其中一个线圈组与另一线圈组并联连接。

图7示出了具有两个绕制好的线圈113A和113B的电机301的定子齿111的放大的剖面图。线圈113A远心地布置在定子齿111上。线圈113B近心地布置在定子齿111上。两个线圈113A和113B具有匝数N/2。

图8示出了具有两个绕制好的线圈113A和113B的定子齿111的放大的剖面图。与图7相反，这两个线圈113A和113B在此相互重叠地布置，尤其也就是说，其中一个线圈113A作为最下部的线圈围绕定子齿111绕制。通过如此绕制好的线圈113A于是绕制另一线圈113B，其中线圈113A的相应的线圈端部801布置在线圈113B的相应的线圈端部803旁。

图9示出了在现有技术的绕组（左边）和绕组的根据本发明的结构（右边）的相Ａ中的电动力（EMK）的矢量图。现有技术的绕组分布的主要参量k_d（也称区域因数）为0.960（100%）并且区域因数的根据本发明的参量为0.902(94%)。这有利地体现了，在使用本发明时与现有技术相比只存在对于绕组的区域因数k_d来说为6%的非常小的降低。

图10示出了在使用根据现有技术的绕组和在使用本发明时关于两个极距的转子的转角的转矩。为两个机器供给正弦的相电流。每个单位（p.E）的转矩归一化到现有技术的平均转矩。本发明（带有附图标记1001的曲线）与现有技术相比（带有附图标记1003的曲线）显示出平均转矩仅仅降低了3.2%。根据现有技术的转矩示出了高的第六次谐振的转矩波动，所述转矩波动通过EMK谐振的第五相和第七相产生。在使用本发明时转矩的波形显示出，显著地降低了第六谐振转矩波动。在使用本发明时，将转矩波动有利地降低了55%。

图11示出了在使用根据现有技术的绕组（带有附图标记1101的曲线）时和在使用本发明（带有附图标记1103的曲线）时的相-EMK曲线或者说相-EMK波形。关于转子转角或者说极距绘制了相EMK（p.E.）。这些曲线归一化到根据现有技术的曲线的最高点。可清楚地看出，本发明的曲线与现有技术相比形状为接近正弦形。

图12示出了两个相-EMK波形或者说相-EMK曲线的谐振，其有助于产生转矩波动，其中这是第五次、第七次、第十一次、第十三次、第十七次、第十九次、第二十三次和第二十五次。关于谐振序列或者说阶次绘制相EMK谐波幅度。具有附图标记1201的柱条对应于现有技术的谐振幅度。具有附图标记1203的柱条对应于根据本发明的谐振幅度。所有谐振的高度归一化到最高的谐振（现有技术的第五次谐振）。本发明具有相比于现有技术更低的第五次、第七次、第十一次、第十三次、第十九次和第二十三次谐振。与现有技术相比，本发明显示出第五次谐振降低了82%、第七次谐振降低了23%，并且第十一次谐振降低了24%。

图13示出了在使用根据现有技术的绕组（带有附图标记1301的柱条）时和在使用本发明（带有附图标记1303的柱条）时对于预先给定转子转角来说在转子中的涡电流的损耗。在转子中有两个损耗源，即转子片束（两个左边的柱条1301和1303）和永磁体（两个右边的柱条1301和1303）。损耗归一化到现有技术的永磁体中的损耗。在使用本发明时与使用现有技术相比损耗更低。永磁体中的损耗低20%并且在转子片束中损耗低11%。更低的损耗归因于在本发明中的绕组的电动力（MMK）的更小的谐振幅度。

图14和15示出了当为一相供给1.0p.E.的相电流并且为另外两相供给以-0.5p.E.的相电流时现有技术或者本发明的归一化的磁动力（MMK）-绕组分布。关于极距中的空间角绘制了绕组MMK。MMK分布的最高点的波动在使用本发明的情况下比现有技术更小。这显示出本发明与现有技术相比具有更小的子谐振、尤其也就是说具有比主动的第七次谐振的更小的空间谐振。

图16和17示出了根据现有技术或者本发明的MMK绕组分布的谐振。关于空间谐振序列或者说阶次绘制MMK谐波幅度。这些图像归一化到根据现有技术的第七次谐振。在使用本发明时，主动的第七次谐振由于主要的绕组分布参量（区域因数）k_d降低了6%而比现有技术仅仅小6%。本发明的优点可明显地在第一次谐振和第五次谐振的降低方面识别出来。第一次谐振降低了83%并且第五次谐振降低了23%。所有高于第七次谐振的谐振在使用本发明的情况下也被降低。

上述实施方式并不只限于具有十八个定子齿和十四个转子极的三相同步机。也可以设置多于或少于十八个的定子齿和/或多于或少于十四个的转子极。当在前面的说明书和实施方式中一直提及匝数N/2时，则也可以规定，可以设置匝数N'，其中适用：N'<N，也就是说线圈组的至少一个线圈始终具有比线圈组的其余的线圈更小的匝数。

总之，本发明也尤其包括如下构思：围绕电机、尤其是同步机的定子的定子齿绕制的线圈编组成线圈组，其中线圈组中的各个线圈配属于绕组的共同的相。在此情况下，线圈组的至少一个线圈具有比该线圈组的其余线圈更小的匝数。由于根据本发明的线圈拓扑结构特别是能够实现提出一种电机，所述电机相比于已知的电机具有更小的转矩波动以及更小的转子损耗。

Claims

1.电机（301），其具有：

- 带有多个转子极（107）的可旋转地支承的转子（103）；

- 带有多个朝向所述转子极（107）布置的定子齿（111）的定子（109），围绕所述定子齿分别绕制至少一个线圈（113）的绕组；

- 其中所述线圈（113）编组成多个线圈组；

其特征在于，

- 在一个线圈组中的至少一个线圈（113）具有比所述线圈组的另外的线圈（113）更小的匝数。

2.根据权利要求1所述的电机（301），其中所述线圈（113）中的每一个都配属于绕组的相。

3.根据权利要求1或2所述的电机（301），其中所述更小的匝数为另外的线圈（113）的匝数的一半。

4.根据上述权利要求中任一项所述的电机（301），其中定子齿（111）的两个线圈（113）沿着所述转子极（107）的方向依次地布置在所述定子齿（111）上。

5.根据上述权利要求中任一项所述的电机（301），其中定子齿（111）的两个线圈（113）相互重叠地布置在所述定子齿（111）上。

6.根据上述权利要求中任一项所述的电机（301），其中所述线圈组的两个具有更小的匝数的线圈（113）成对地编组。

7.根据上述只要引用了权利要求3的权利要求中任一项所述的电机（301），其中形成十八个定子齿（111）以及分别带有五个线圈的六个线圈组，其中所述五个线圈（113）中的四个线圈的匝数为另外的线圈（113）的匝数的一半。