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CN111316536A - 环形多相电机 - Google Patents

环形多相电机 Download PDF

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CN111316536A
CN111316536A CN201880067931.XA CN201880067931A CN111316536A CN 111316536 A CN111316536 A CN 111316536A CN 201880067931 A CN201880067931 A CN 201880067931A CN 111316536 A CN111316536 A CN 111316536A
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CN
China
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coils
assembly
coil
stator assembly
stator
Prior art date
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Application number
CN201880067931.XA
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English (en)
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格尔·安德里厄
阿诺·伊皮亚
洛朗·埃尔班
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Moving Magnet Technologie SA
Original Assignee
Moving Magnet Technologie SA
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Publication date
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Abstract

本发明涉及电机，其具有包括一组永磁体(13a、13b、13c、13d、13e、13f、13g)的转子(11a、11b、11c)以及包括由软铁磁材料制成的定子条(1)的定子，所述条(1)支撑具有单个间断的线圈本体(4)，所述线圈本体(4)支撑多个接线线圈(8)以形成环型的多相线圈定子组件(10)，其特征在于，所述条(1)具有单个间断并且在两个相继的接线线圈(8)之间具有规则间隔的至少一个局部切口(2)。

Description

环形多相电机
技术领域
本发明涉及多相电机的领域，更特别地涉及被称为环形线圈电机或圆环线圈电机(即线圈轴线沿着所述电机的定子的周向方向的电机)的电机的有利生产。
本发明还涉及用于生产环型的电机的方法，该方法在部件数量和性能方面实现了显著的优点。
背景技术
已经从现有技术了解了环型的电机，诸如在文献US9470238和EP1324472中描述的那些电机。
然而，这些装置具有分段的定子，也就是说，定子被生产为多个离散的部件，其中线圈组件被单独地定位在这些部件上，所述组件随后被接合在一起。尽管这种构造允许技术上可行的生产，然而它涉及大量的制造和操纵步骤，这使得工业和经济上的可行性变得困难。
此外，还已知较早的文献JP1980173254，其描述了环形线圈马达的生产。在所示的实施方式中，离散线圈逐个地插入在弯折的材料条上，从而形成电机的铁磁定子。
由于要生产大量的部件(在这种情况下为盘绕的组件)并将这些部件精确地定位在定子上，因此该实施方式在工业上也几乎没有引起兴趣。此外，定子的弯折形式对实现没有帮助。
最近，文献US7145280已变得公知，其公开了基于条的形式的铁磁芯的环形电机的改进实施方式，其中，线圈单独地位于该条上。
该实施方式改进了前述实施方式，但在要操纵的单独部件的数量方面仍然存在问题，并且它没有说明一旦线圈已经被装配将如何弯折所述芯。难以想象对厚的固体材料进行弯折，从而仅小部分的芯是切合实际的，这意味着具有低性能的电机的实施方式。
发明内容
本发明旨在通过提出简化的并且更经济可行的实施方式来克服现有技术的缺点。特别地，本发明旨在减少为了生产环形电机所使用的部件的数量。
本发明的另一目的是使得能够通过使用特定的几何结构来简化电机定子的缠绕(wind)。
本发明的另一目的是提出简化现有技术中使用的技术的生产方法。
更特别地，本发明提出了一种电机，其具有包括一组永磁体的转子以及包括由软铁磁材料制成的定子条的定子，所述条支撑线圈本体，所述线圈本体支撑多个接线线圈，以形成环型的多相线圈定子组件。该条有利地具有一个单个间断(discontinuity)，并且周期性地具有在两个相继的接线线圈之间的至少一个局部切口以在所述多个接线线圈内部获得多边形形状的所述条。
在不同的实施方式中，电机具有：
-转子，其具有径向地位于经盘绕的定子组件两侧的径向的两排永磁体，-转子，其具有径向地位于经盘绕的定子组件的同一水平处并且轴向地位于经盘绕的所述定子组件上方的第三排磁体，
-环，其具有确保所述环的周向闭合的焊接接头。
替选地，极性部件插入线圈本体中、在相继的接线线圈之间，并且在条中存在两个局部切口。
在特定实施方式中，本发明涉及三相电机。接线线圈的组件缠绕有连续的接线以在所述三相之间产生连接，并且三相的电气组件通过局部切割接线来产生。多相线圈定子组件是星形的或者针对每相与若干接线线圈的串联或并联组件并联。
本发明还提出了一种缠绕用于电机的定子组件的方法，该电机具有环形线圈布置，该方法包括具有以下操作的一系列步骤：
-形成铁磁材料的线形连续条，该线形连续条具有针对每个切口形成两个分离的侧面(flank)的周期性局部切口，
-形成具有一组接纳区域的线形连续线圈本体，
-形成以容纳在所述接纳区域中的相邻线圈的线形布置而布置的线圈的组件，具有线形布置的所述线圈是针对每相用连续接线或连续的一组平行接线缠绕的，
-弯曲由来自铁磁材料的所述线形连续条、所述线形连续线圈本体和一组所述线圈形成的定子组件的线形布置，以构成环，其中，在所述环中，沿周向排列的线圈形成电机的环形绕组，并且针对所述环使所述分离的侧面接触，并且其中，所述条在接线线圈的组件内部具有多边形形状。
优选地，对于该方法，所述电机是三相电机，并且线形布置的所述线圈是用连续接线缠绕的，并且所述连续接线还在所述相之间产生连接，并且然后对所述连续接线进行局部切割以产生三相的电气组件。
多相线圈定子组件可以是星形的或者针对每相与若干线圈的串联或并联组件并联。
附图说明
通过参考附图阅读以下详细实施方式，本发明的其他特征和优点将变得更清楚，在附图中：
-图1a、图1b和图1c分别示出了根据本发明的电机的在插入线圈本体之前的未缠绕定子的细节的视图、线形条矩阵的详细视图以及叠置条的矩阵的详细视图，
-图2a、图2b和图2c示出了根据本发明的电机的在插入线圈本体之前的未缠绕定子条中的切口的细节的视图，
-图3a和图3b示出了用于根据本发明的电机并且根据两种不同实施方式的未缠绕线圈本体的细节的视图，
-图4示出了根据图3a的其上缠绕有电接线的线圈本体的细节的视图，
-图5a和图5b示出了用于根据本发明的电机的线圈本体的细节的视图，其分别示出了线圈本体的线圈接线的通路和柔性桥的示例，
-图6示出了根据本发明的线圈本体的细节的视图，其示出了特定电机的线圈布置，
-图7a和图7b分别示出了图4中的被缠绕和未被缠绕的线圈本体的细节的视图，其中，图1中的未缠绕定子分别在本体的缠绕之后或之前插入，
-图8a至图8d示出了定子组件的闭合的示例的细节的视图，
-图9a和图9b以两种不同的实施方式示出了根据本发明的电机的细节的轴向视图，
-图10a、图10b和图10c示出了根据本发明的具有不同用途的磁体的电机的示例的剖面中的细节的视图，
-图11a、图11b、图11c、图11d和图11e示出了根据本发明的具有不同用途的磁体的电机的示例的剖面中的细节的视图，
-图12a、图12b和图12c示出了根据本发明的电机的磁体的特定实施方式的细节的视图，
-图13示出了根据本发明的电机的根据特定实施方式的磁化环的细节的视图，
-图14a、图14b和图14c示出了根据本发明的电机的磁体的特定实施方式的细节的视图，
-图15示出了具有两个独立电气网络的电机的实施方式的细节的视图，
-图16示出了根据本发明的线圈本体的替选实施方式，
-图17a、图17b和图17c示出了包括铁磁极的第一实施方式的细节的视图，
-图18a和图18b示出了包括铁磁极的第二实施方式的视图。
具体实施方式
由图1a可以看出本发明主题的第一部分，图1a示出了根据本发明的电机的未缠绕的定子条(1)。该定子条(1)通常为软铁磁材料的片的形式，并且可以将这些条中的几个进行叠置以便获得形成定子的芯的带。该定子带(1)包括规则间隔的切口，切口的形状可以是可变的，但是在定子条(1)的缠绕期间可以允许侧面(3a、3b)(在图2a至图2c中更明显)之间的接触，同时这些侧面(3a、3b)以这种未缠绕的形式分离。切口(2)和侧面(3a、3b)的形状不是限制性的，图2a至图2c仅示出了一些实施方式。在图2a和图2b的示例中，对于意在具有12个线圈的定子，由切口(12)形成的角度优选地接近30°，以允许侧面(3a、3b)的接触。在图2c的示例中，对于意在具有9个线圈的定子，由切口(12)形成的角度将优选地接近40°。为了促进弹性变形，可以设想如图2b中以示例的方式所示地执行对切口(12)上方的材料(22)的局部去除。
定子条(1)可以由如图1c所示的线形连续条的矩阵(15)制成，或者由如图1b所示的叠置条的矩阵(16)制成，并且这些示例在其可能的实施方式中不受限制。
由图3a和图3b可以看出本主题的第二部分，图3a和图3b示出了根据本发明的电机的并且根据两种不同实施方式的线圈本体(4)。该线圈本体(4)在安装定子之前是线形带的形式，并且由电绝缘材料制成，优选地由塑料类型的电绝缘材料制成。线圈本体(4)可以加载有铁磁颗粒，以改进电机的磁性能。线圈本体(4)具有多个接纳区域(5)，接纳区域(5)的数量优选地等于定子条(1)中的切口(2)的数量减去一个单位。在图3a的第一实施方式中，线圈本体(4)还具有一系列销和腔，所述销意在使得能够引导线圈接线(此处未示出)，所述腔被称为绝缘位移类型的内部位移接触件(contact)IDC(7)，意在接纳连接条(未示出)。这些销(6)和腔(7)的放置和数量根据连接的类型——串联、并联、星形、三角形——而变化，并且在此处针对具有以三角形串联连接的12个线圈的电机通过示例的方式给出。此外，线圈(4)的本体具有纵向贯通开口(9)。
图3b中给出了线圈本体(4)的第二示例。该线圈本体(4)不具有销(6)而仅具有IDC腔，IDC腔也使得能够引导接线。
图16中给出了线圈本体(4)的第三示例。该线圈本体(4)具有在优选该解决方案时用于焊接接线的叉形物(20)。
图4示出了缠绕(通常由铜、银或铝制成的)导线(8)之后的线圈本体(4)。图5和图6中说明了线圈本体(4)的缠绕过程和优点。
图5a例如以线圈本体(4)的一些接纳区域(5)的详细视图示出了接线(8)相对于纵向开口(9)沿顺时针(CW)或逆时针(CCW)方向围绕销(6)(如果线圈本体(4)包括这样的销(6))的理论路径。销(6)用于在缠绕期间引导接线(8)，并且确保接线(8)在缠绕期间保持在中心线上，即保持在与线圈本体(4)纵向相交并穿过IDC腔(7)的平面中。
图5b示出了位于线圈本体(4)的接纳区域(5)之间并且允许其连续连接的柔性桥(21)。这些桥(21)还给予线圈本体(4)自由度，自由度允许这些桥在定子组件(10)的成形期间变形。在此处示出的示例中，在每对接纳区域(5)之间存在这些桥(21)中的两个，并且这些桥位于本体(5)的下部和上部上、在定子条(1)(此处未示出)的两侧，并且在本体(4)的整个深度上对称。桥(21)的该实施方式不是限制性的，并且桥(21)的形状、位置和数量可以在不脱离本发明的范围的情况下进行修改。
图6示出了可以利用本发明的构思在一个连续操作中利用一根单独的接线(8)缠绕所有的线圈本体(4)。该图6的线圈本体(4)的三个串表示同一个线圈本体(4)，但是为了帮助理解，以缠绕接线(8)的三个阶段表示三个串。因此，对于在一次操作中对支撑12个线圈的定子进行缠绕——该定子的布线处于所谓的“串联/并联三角形”布置，也就是说每相具有4个线圈，并且其中，一相的线圈逐个地串联并且两两并联——可以使一根单独的接线(8)如所示地延伸并且在两个位置处切割所述接线(8)，剪刀示意性地表示用于切割的必要位置。这种“串联/并联三角形”线圈布置仅通过示例的方式给出，而不是限制性的。因此，尽管这种形式的布线由于其简单性而是优选的，但是在遵从本发明的同时可以产生不同形式的布线。
一旦线圈本体(4)已经被缠绕，则线圈本体(4)在其纵向开口(9)中接纳叠置的未缠绕定子条(1)，定子条(1)因此沿图7a中的粗箭头指示的方向插入线圈本体(4)中。还应当注意，始终根据本发明，可以如图7b所示地提供：在对线圈本体(4)进行缠绕之前将定子条(1)装配到线圈本体中。
一旦线圈本体(4)已经被缠绕并且定子条(1)在缠绕之前或之后已经插入，由此形成的定子组件(10)通过在切口(2)的区域中进行弯曲而被给予圆形形状。然后，如图8a和图8d所示，以不同的方式闭合定子组件(10)。在图8a中通过焊接(17)产生接头，在图8b中通过线圈本体(4)产生接头，在图8c中通过附接在线圈本体(4)的区域中的部件(18)产生接头，并且在图8d中通过定子条(1)的区域中的配对件(19)产生接头。在定子条(1)的区域中也可以设想(未示出)燕尾接头。同样，可以通过用可注射材料包覆成型(overmolding)来生产用于闭合定子组件的接头。
图9a和图9b通过示例的方式以三种不同实施方式示出了在定子条(1)已经插入到线圈本体(4)中并且定子组件(10)已经弯曲成使得侧面(3a、3b)接合的情况下的根据本发明的电机。定子条(1)在所述多个接线线圈内部具有多边形形状。根据图9a的示例的电机是具有9个线圈和两个转子(11a、11b)的三相电机，所述转子由具有交替的北极和南极的多极磁体环(13a、13b)——在这种情况下每个转子5对磁极——以及铁磁轭(12a、12b)形成。从径向观察，转子(11a、11b)分别位于定子组件(10)的外侧和内侧，并且有利地彼此固定。
在图9b的第二实施方式中，电机包括12个线圈并且每个转子(11a、11b)4对磁极。
应当注意，如图10a至图10c所示，多极环形磁体(13a、13b)的形状可以是可变的，并且特别地可以具有径向延伸部(14)，以增加磁体(13a、13b)面向缠绕接线(8)的有效表面。在示出根据本发明的电机的细节的剖视图的这些图10a至图10c中，为了简化理解，未示出线圈本体(4)。
本发明使得可以使用如图11a所示的内磁体(13b)和外磁体(13a)，也可以使用如图11b所示的相对于定子组件(10)轴向定位的附加轴向磁体(13c)，或者使用如图11c所示的径向磁体和轴向磁体。有利地，磁体(13a、13b和13c)彼此连接。根据本发明，可以如图11d所示仅使用一个单独的内磁体(13b)，或者如图11e所示仅使用一个单独的外磁体(13a)。
用于根据本发明的电机的不同磁化环可以是刚性环，或者可以以如图12a所示的柔性条(19)的形式提供，柔性条(19)被切割以形成磁体(13d)，并且被磁化以产生图12b所示的磁化串，然后如图12c所示被成形并定位在铁磁轭(12a)内。
根据本发明的电机的磁体的磁化可以如图9a、图9b和图9c所示以单向径向方式实现，或者可以如图13所示实现为磁化角的正弦演变，粗箭头指示磁体中的局部磁化方向。在该实施方式中，由于磁场主要在磁体(13e)内形成回路，因此可以消除轭的使用，这尤其使得可以通过减小转子的惯性和相电感来改善磁体的动态性能。
图14a至图14c示出了根据本发明的具有轴向磁通的电机的实施方式的图示。定子条(1)由根据条(1)的宽度堆叠的多个铁磁片组成，并且在装配定子组件(10)之后，磁体(13f、13g)轴向位于所述定子组件的两侧。
本发明还使得可以生产具有两个独立的线圈网络的电机，以便即使在线圈网络中的一个或另一个有缺陷(例如短路)时也能够确保电机的操作。图15示出了具有两个不同的定子组件(10a、10b)的该特定实施方式的构思，所述定子组件以与上面阐述的方式相同的方式单独实现，然后例如根据图8a至图8d所示的技术彼此组装。
先前描述的实施方式都涉及所谓的“无槽”电机的拓扑，但是该特征决不是限制性的。实际上，由图17a、图17b、图17c、图18a和图18b的实施方式可以看出，在遵从本发明的精神的同时，可以设想通过极性部件(23)即铁磁极的集成来实现具有槽的电机。
图17a和图17b分别示出了用于具有6个极性部件和6个接线线圈(8)的电机定子的具有和不具有缠绕导线(8)的线圈本体(4)。这些本体(4)具有被插入并且几何结构例如在图17c中示出的极性部件(23)。在该非限制性示例中，每个极性部件以堆叠的片型部件的形式示出。现在可以设想这些极性部件是实心的。在本发明的精神内，这些极性部件(23)在接线(8)缠绕在线圈本体(4)中之前或之后被机械地插入。
图18a示出了极性部件(23)附接在用于电机的线圈本体(4)中的第二示例，该电机在此处具有12个极性部件(23)和12个接线线圈(8)。图18b是图18a的纵向剖视图，图18b特别示出了切口2，其中在接线线圈(8)之间存在两个切口2，以允许定子组件的缠绕以产生旋转电机。

Claims (10)

1.一种电机，其具有包括一组永磁体(13a、13b、13c、13d、13e、13f、13g)的转子(11a、11b、11c)以及包括由软铁磁材料制成的定子条(1)的至少一个定子组件(10)，所述条(1)支撑线圈本体(4)，所述线圈本体(4)支撑多个接线线圈(8)以形成环型的多相线圈定子组件(10)，其特征在于，所述条(1)周期性地具有在两个相继的接线线圈(8)之间的至少一个局部切口(2)，以在所述多个接线线圈(8)内部获得多边形形状的所述条。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述转子(11a、11b、11c)具有径向地位于经盘绕的所述定子组件(10)两侧的径向的两排永磁体(13a、13b)。
3.根据权利要求2所述的电机，其特征在于，所述转子(11a、11b、11c)具有径向地位于经盘绕的所述定子组件(10)的同一水平处并且轴向地位于经盘绕的所述定子组件(10)上方的第三排磁体(13c)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述条(1)具有确保所述条(1)的周向闭合的焊接接头。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，在所述线圈本体(4)中，在两个相继的接线线圈(8)之间插入有极性部件(23)，并且其中，所述条(1)中存在两个局部切口(2)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述电机是三相电机，其中，所述接线线圈(8)的组件缠绕有连续接线(18)以在所述三相之间产生连接，并且其中，所述三相的电气组件通过局部切割所述接线(18)来产生。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其特征在于，所述多相线圈定子组件(10)是星形的，或者针对每相与若干接线线圈(8)的串联或并联组件并联。
8.一种对用于电机的定子组件(10)进行缠绕方法，所述电机具有环形线圈布置，所述方法包括具有以下操作的一系列步骤：
-形成铁磁材料的线形连续条(1)，所述线形连续条具有针对每个切口(2)形成两个分离的侧面(3a、3b)的周期性局部切口(2)，
-形成具有一组接纳区域(5)的线形连续线圈本体(4)，
-形成以容纳在所述接纳区域(5)中的相邻线圈的线形布置而布置的接线线圈(8)的组件，具有线形布置的所述接线线圈(8)是针对每相用连续接线(8)或连续的一组平行接线缠绕的，
-弯曲由来自铁磁材料的所述线形连续条(1)、所述线形连续线圈本体(4)和一组所述接线线圈(8)形成的所述定子组件(10)的线形布置，以构成环，其中，在所述环中，沿着周向排列的线圈形成电机的环形绕组，并且针对所述环使所述分离的侧面(3a、3b)接触，并且其中，所述条在所述接线线圈(8)的组件内部具有多边形形状。
9.根据前一权利要求所述的对用于电机的定子组件(10)进行缠绕的方法，其特征在于，所述电机是三相电机，并且其中，具有线形布置的所述接线线圈(8)是用连续接线(8)缠绕的，并且其中，所述连续接线(8)还在所述相之间产生连接，并且其中，然后对所述连续接线(8)进行局部切割以产生所述三相的电气组件。
10.根据前一权利要求所述的对用于电机的定子组件进行缠绕的方法，其特征在于，所述多相线圈定子组件(10)是星形的，或者针对每相与若干接线线圈(8)的串联或并联组件并联。
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