專利名稱：多相電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多相電機，更為具體地，涉及可用作馬達或發(fā)電機的電機的定子 設計。
背景技術：
在傳統(tǒng)無刷多相馬達-發(fā)電機的設計中使用具有設置在其周邊的永磁體的轉子 和圍繞永磁體的具有多定子磁極的定子是眾所周知的實踐。當以多相正弦電壓向纏繞在定 子上的定子線圈充能時，形成磁通量流型(magnetic fluxflow pattern) 0
多相電機的輸出扭矩包含不變扭矩分量和變化扭矩分量。變化扭矩分量由于定子 和轉子中的諧波磁通量分布而形成。電機的總扭矩輸出為不變扭矩分量和變化扭矩分量的 疊加，其導致了被稱為扭矩脈動(torque ripple)的現(xiàn)象。這種扭矩脈動導致傳動系速度 振蕩，其會導致車輛振動和噪音，因為電機與車身和底盤結構共振。扭矩脈動的現(xiàn)象在低車 速時特別明顯。
被轉讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利6，867，524描述了電機中的扭矩脈動問題 的一個解決方案。該方案包括將電機轉子成型為多個節(jié)段。這些節(jié)段包含堆疊的可滲透性 金屬疊片，其具有周邊開口用于容納永磁體。當磁極移動越過定子磁極時，磁體的磁通量場 與通過多相電壓充能的定子電繞組的磁通量場相互作用。節(jié)段相對于轉子的幾何軸線彼此 傾斜，這樣各個節(jié)段的磁極產(chǎn)生的扭矩脈動將趨向于去除相鄰磁極的扭矩脈動效應，使得 組合的獨立扭矩脈動分量將被削弱。發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種扭矩脈動問題的可選的解決方案。其包含用于電機的定子，其 中改變定子的物理特性以減少前文所述的扭矩脈動效應。本發(fā)明的定子可包含多個圍繞轉 子周邊的金屬疊片(例如多孔含鐵疊片)，在定子和轉子之間有氣隙。
與電機現(xiàn)有定子構造的情況相同，本發(fā)明的定子具有容納定子線圈繞組的大體徑 向的槽，其中，槽被設置為具有關鍵的沿著周邊的間隔。繞組可被設置為形成多個磁極的線 圈組。
本發(fā)明的定子中定子槽的數(shù)目和電機相位的數(shù)目將確定電機的工作特性。例 如，其有效地降低了較高的扭矩脈動分量，例如使用已知的電機轉子時滯技術(skewing technique)無法有效削弱的第M階扭矩脈動。
盡管這里公開的本發(fā)明的實施例為三相電機，但是本發(fā)明可用于具有不同數(shù)目相 位的電機。其可用在具有永磁體轉子的電機中。本發(fā)明的范圍不受特定設計的限制。出于 說明本發(fā)明選定實施例的示例的目的而選擇本說明書中的設計。
傳統(tǒng)電機可具有具有用于容納定子繞組的徑向槽的定子，定子圍繞轉子，在定子 和轉子之間具有氣隙。兩個相鄰槽之間的電角度(槽距)(θ )、定子線圈繞組之間的電角度 位移(Y)、和線圈節(jié)距(S)對于給定的定子設計和幾何形狀是固定的。相反，本發(fā)明的設3計去除了已知設計對θ、Y和δ值的約束。在本發(fā)明的情況下，θ、Υ和δ值可為與定 子的物理限制和尺寸相一致的任意大小。
本發(fā)明公開了一種多相電機，具有圍繞轉子的環(huán)形定子，在定子和轉子之間具有 氣隙；定子具有定子槽限定的朝向轉子向內延伸的定子齒；定子線圈繞組處于定子槽中用 于形成與轉子的通量流型互相作用的定子通量流型；定子齒具有至少兩種弧厚從而削弱轉 子扭矩脈動。
本發(fā)明還公開了一種用于多相電機的定子，該定子包含定子體，具有位于其內周 上在其幾何中心軸的方向延伸的內槽，該槽具有多個弧厚，該定子體的內周圍繞轉子，槽容 納定子線圈繞組，從而削弱了轉子扭矩脈動。
本發(fā)明還公開了一種用于多相電機的定子，該定子包含定子體，具有位于其圍繞 轉子的內周上的內槽；以及位于槽中的定子線圈繞組，第一對相鄰槽的槽距不同于第二對 相鄰槽的槽距，從而削弱了轉子扭矩脈動。


圖1為具有徑向延伸的傳統(tǒng)內槽的定子的正等軸測圖。
圖2為圖1的定子的正等軸測圖，其中示出了定子的電繞組。
圖3為圖1中示出的傳統(tǒng)定子的單個疊片的平面圖。
圖4為本發(fā)明第一實施例的定子的單個疊片的平面圖，其中定子槽的角間距不均 勻，由定子槽限定的一個定子齒的厚度與相鄰定子齒的厚度不同。
圖5為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的定子的單個疊片的示意圖，其中定子齒具有三種 不同的厚度。
圖6為顯示了具有傳統(tǒng)定子構造的電機的多個轉子位置的扭矩脈動的圖表。
圖7為具有傳統(tǒng)定子的電機中由圖6中示出的扭矩脈動所導致的馬達轉速波動時 間表。
圖8為傳統(tǒng)定子的示意圖，其中齒距或槽距一致，且定子具有M個槽、4個磁極和 4個線圈組，僅出于示出目的而將槽顯示為展開形式。
圖9為具有M個槽、4個磁極和兩個線圈組的傳統(tǒng)定子的槽的展開示圖。
圖10為具有M個槽、4個磁極、兩個線圈組和兩種不同線圈節(jié)距的傳統(tǒng)定子的槽 的展開示圖。
圖11為本發(fā)明定子的第一實施例的定子槽的展開示圖，其中定子具有M個槽和 4個磁極。
圖12為圖11的實施例的另一示圖，其中顯示了三相繞組。
圖13為本發(fā)明第二實施例的定子槽的展開示圖，其中繞組與圖11實施例的情況 一樣顯示為四組。
圖14為本發(fā)明第三實施例的定子槽的展開示圖，其中繞組與圖11實施例的情況 一樣顯示為四組。
圖15為本發(fā)明第四實施例的槽的展開示圖，其中使用了線圈節(jié)距不同的線圈組。
圖16為顯示了具有采用本發(fā)明特征的定子的電機的第M階扭矩脈動相對于具有 傳統(tǒng)定子的電機的扭矩脈動的對比的圖表。
具體實施方式
在傳統(tǒng)電機以及采用本發(fā)明的電機中，兩個相鄰槽之間的電角度(即槽距)可計 算如下Np 360…
Θ=十^~(1)
其中Np =磁極數(shù)，Nt =槽數(shù)。
定子繞組的各個相位均具有Np或Np/2個線圈組，其中Np為電機的磁極數(shù)。在具 有4個磁極的三相電機中，各個相繞組均可具有如圖8中所示的四個線圈組或如圖9中所 示的兩個線圈組。
同一相位的任何兩個相鄰線圈組之間的角位移Y (以電角度來計量)被展示如 下
y = M*180(2)
其中，如果線圈組數(shù)等于磁極數(shù)，則M = 1 ；
如果線圈組數(shù)等于磁極數(shù)的一半，則M = 2。
線圈的跨度角(即以電角度計量的線圈節(jié)距)確定如下
δ = Ki θ(3)
其中Ki為整數(shù)。
圖1在10處顯示了用于電機的傳統(tǒng)定子。其包含堆疊的多個圖3中12處所示類 型的疊片。圖2顯示了具有處于適當位置的線圈繞組的圖1的定子，如24’和26’處 所示。繞組在各個相位的端子處連接在一起，圖5中2446處顯示了一個相位的端子。
疊片可由含鐵金屬形成。其可為環(huán)形。當它們堆疊在一起時，其形成如圖1中14 處所示的圓柱體。
圓柱體14的內周形成有多個徑向槽16。槽圍繞內周均勻間隔，圖3中可看得最為 清楚。槽形成寬度一致的定子齒18。
圖3的傳統(tǒng)疊片設計用于三相電機中的定子。相位由附圖標記Α、B、C表示。各 個附圖標記帶有加號或減號。出于參考目的，加號指示用于三個相位中一個相位的繞組的 單根電線進入的方向。減號用于指示該相繞組的電線的出來。將參考圖5解釋這種布線方 式，圖5示出了用于本發(fā)明第二實施例的定子的單個疊片。
圖6顯示了傳統(tǒng)電機扭矩脈動的波形17，圖7顯示了扭矩脈動對轉子轉速的影響 19。本發(fā)明將降低圖7時間表中19處的轉速“峰值”的大小。
圖4顯示了本發(fā)明第一實施例的單個定子疊片。其特征在于限定定子齒的48個 槽。槽編號由數(shù)字1至48表示，其顯示為遍布疊片的360°范圍。槽被布置成使得齒具有 “較大”寬度和“較小”寬度。各個相位的各個齒通過相同的附圖標記或者表示了另一相位 的對應齒的附圖標記表示。
如20處所示，具有較大弧寬的大齒與第一相位的槽#1直接相鄰。22處顯示了用 于第一相位的具有較小弧寬的小齒。用于第二相位的限定大齒和小齒的第二組槽由字母B 表示。限定大齒和小齒的第三組槽由字母C表示。各個字母具有加號或減號取決于繞組進 入特定槽還是穿過特定槽返回或離開。
出于描述定子線圈繞組樣式的目的，假設圖5中繞組從端子M處開始。圖5中示 出的繞組樣式類似于各個實施例的定子設計的繞組樣式。圖5顯示了本發(fā)明第二實施例的 槽樣式，其具有多個槽組，每個槽組具有三個周邊寬度不同的齒。繞組進入槽#6并延伸至 槽#1。繞組穿過槽#1返回。隨后其延伸至槽#7并進入槽#7。其穿過槽#12返回并隨后 進入槽#18。隨后繞組穿過槽#13返回并穿過槽#19進入。隨后繞組穿過槽把4返回并穿 過槽30進入。隨后繞組穿過槽#25返回并穿過槽31進入。隨后繞組穿過槽#36返回并穿 過槽42進入。隨后繞組穿過槽#37返回并穿過槽#43進入。其穿過槽#48返回。隨后繞 組在端子沈處終止從而完成三相電機的第一相位的繞組樣式。
三相電機的另兩個相位B、C的繞組具有類似的進入和返回樣式。槽1至6所限 定的齒和其相應的繞組產(chǎn)生第一磁極。類似地，槽#7至#12的齒和繞組產(chǎn)生第二磁極。槽 #13至#18的齒和繞組產(chǎn)生第三磁極。槽#19至#24的齒和繞組產(chǎn)生第四磁極。槽#25至 #30的齒和繞組產(chǎn)生第五磁極。槽#31至#36的齒和繞組產(chǎn)生第六磁極。槽#37至#42的 齒和繞組產(chǎn)生第七磁極。槽#43至#48的齒和繞組產(chǎn)生第八磁極。這樣，共有八個磁極和 48個槽，其形成由字母A、B、C表示的三個相位。
第一實施例的定子疊片在圖4中由附圖標記觀表示。本發(fā)明第二實施例的對應 定子疊片在圖5中由附圖標記30表示。
如上所述，圖11顯示了第一實施例的單相繞組。圖12顯示了圖4中所示的本發(fā) 明第一實施例的三相繞組樣式。圖8、9、10中以圖形化六邊形示意指示了傳統(tǒng)定子設計的繞組。
圖8的六邊形圖形顯示于32處。各組繞組均可具有150電角度的線圈節(jié)距。各 個槽距均可為30電角度。六個槽一組的各線圈繞組均可為180電角度。在圖8的實施例 中，各個線圈組32包括六個槽。
圖9顯示了具有M個槽、4個磁極、兩個線圈組、且線圈節(jié)距為180°的傳統(tǒng)定子 的相繞組。同樣，與圖8的設計的情況一樣，槽距為30電角度。在圖9的繞組的情況下，線 圈組之間的角位移為360°。
圖9中顯示的第一線圈組的繞組由附圖標記34和36表示。各個組的繞組穿過定 子齒任一側的相鄰槽。繞組34、36的線圈節(jié)距為180電角度。相鄰的線圈組具有兩組繞組 38、40，其分別與繞組34,36類似，但彼此間隔開360電角度，而非圖8中所指示的180°。
圖10中顯示了用于傳統(tǒng)定子的另一相繞組。在圖10的情況下，相繞組具有M個 槽、4個磁極、和兩個線圈組。兩個線圈組之間的角位移為360°。線圈組的一個繞組的線 圈節(jié)距為150電角度。另一線圈節(jié)距為210電角度。
圖11的定子顯示了本發(fā)明第一實施例的一個示例，其具有兩種厚度的定子齒，以 交替順序設置遍布在定子的周邊。這導致了兩種槽距。圖11的實施例的線圈組具有三個 窄(小)定子齒。兩個寬(大)定子齒設置在窄定子齒之間。窄齒的一側和寬齒的對應側 之間的齒距可為40電角度。在各個線圈組中窄齒和寬齒的靠近側之間的齒距可為20電角 度。圖11中所示的任何兩個線圈組之間的角位移可為180°。各組本身的線圈節(jié)距可為 140°。圖11的實施例的繞組可類似于先前參考圖5所描述的繞組。
圖12為三相電機各個相位的繞組的一個實例的示意圖。相位B、C的繞組可與參 考圖11描述的用于第一相位(即相位A)的繞組相同。圖11的相位B的繞組可從相位A的繞組角位移120電角度。圖11中相位C的繞組可與相位A的繞組的位置相差MO電角度。
與圖10、11、12中的示意圖的情況一樣，未顯示各個線圈組的繞組之間的連接。
圖13顯示了本發(fā)明第一實施例的繞組樣式，其類似于圖11的繞組樣式，除了一個 線圈組的線圈邊緣偏移了一個定子槽。圖13中兩個相鄰線圈組之間的角位移等于圖13中 窄定子齒的寬度而非圖11中寬定子齒的寬度。圖13中的線圈節(jié)距的示例中，線圈節(jié)距增 加至160電角度而非圖11中所示的示例的140電角度。
圖14顯示了第三定子實施例，其具有三個不同的齒厚。具體地說，圖14的實施例 在各個線圈組中具有寬齒厚度、中等齒厚度、和窄齒厚度。在圖14的實施例中，相鄰線圈組 之間的角間隔相差β電角度。這是由于定子齒的不同厚度引起的。此外，圖14的設計具 有三個槽距，即40電角度、30電角度、和20電角度。同樣，圖14中未顯示線圈之間的連接。 圖14的相繞組樣式可與圖11中所示本發(fā)明的第一實施例的相繞組樣式相同。
在圖14中，β = 20電角度(即，190° -170° =20° )。然而，根據(jù)設計的選擇， β值可與20°不同。
圖15中顯示了本發(fā)明第四實施例。圖15中相位A的線圈具有兩個線圈節(jié)距，即 160電角度和140電角度。相同相位的兩個相鄰線圈組之間的角位移為180電角度。定子 具有三個槽距，即40°、30°、和20°。
圖11至15中所示的實施例有更多變形，其對本領域技術人員是顯而易見的。
除了圖11-15的實施例的齒尺寸變量和繞組樣式之外，還可使用其它齒間距和繞 組樣式而不脫離本發(fā)明的范圍。
圖16為使用本發(fā)明的定子構造和定子繞組樣式可獲得的改進程度的示意圖。50 處顯示了使用傳統(tǒng)定子構造和傳統(tǒng)定子繞組樣式的以第M階扭矩脈動為特征的扭矩。52 處顯示了使用本發(fā)明的改進定子構造和定子繞組樣式的第M階扭矩脈動的對比扭矩。
盡管已經(jīng)公開了本發(fā)明的實施例，但應理解的是，本領域技術人員可進行修改而 不脫離本發(fā)明的范圍。權利要求意圖覆蓋本發(fā)明的所有這種修改及其等效變化。
權利要求
1.一種多相電機，具有圍繞轉子的環(huán)形定子，在所述定子和所述轉子之間具有氣隙；所述定子具有定子槽，所述定子槽限定朝向所述轉子而向內延伸的定子齒；定子線圈繞組處于所述定子槽中，用于形成與所述轉子的通量流型互相作用的定子通 量流型；所述定子齒具有至少兩種弧厚，從而削弱轉子扭矩脈動。
2.根據(jù)權利要求1所述的電機，其特征在于，所述定子具有沿周邊隔開的多個第一齒 和沿周邊隔開的多個第二齒，所述多個第二齒中的至少一個齒位于一對第一齒的齒之間， 第二齒的弧厚小于第一齒的弧厚。
3.根據(jù)權利要求1所述的電機，其特征在于，所述定子齒具有多組具有第一弧厚、第二 弧厚、和第三弧厚的齒。
4.根據(jù)權利要求1所述的電機，其特征在于，定子線圈繞組形成三個相位和多個磁極。
5.根據(jù)權利要求1所述的電機，其特征在于，所述定子具有三個相位，第一組槽容納第 一相位的定子線圈繞組，第二組槽容納第二相位的定子線圈繞組，第三組槽容納第三相位 的定子線圈繞組；三個相繞組連接至多相電源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多相電機，具有圍繞轉子的環(huán)形定子，在定子和轉子之間具有氣隙；定子具有徑向延伸的槽，所述槽限定徑向延伸的定子齒。多個電繞組位于所述槽中，以限定沿周邊隔開的磁極。獨立的線圈組形成電機的多個相。通過對給定線圈組形成具有不同寬度的定子齒來削弱馬達扭矩脈動。本發(fā)明能夠減弱傳動系速度振蕩，減輕車輛振動和噪音。
文檔編號H02K1/16GK102035272SQ20101029090
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權日2009年9月25日
發(fā)明者佛朗哥·倫納迪, 吳畏, 梁峰, 邁克爾·W·德格內爾 申請人:福特全球技術公司