CN102904361A

CN102904361A - 用于电机的励磁线圈

Info

Publication number: CN102904361A
Application number: CN2012102611123A
Authority: CN
Inventors: L.郝
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: US20130026875A1; CN102904361B; US8729765B2; DE102012212870B4; DE102012212870A1

Abstract

本发明涉及用于电机的励磁线圈。具体地，一种用于包括转子和定子的电机的励磁线圈段，其包括：具有第一横截面积的第一线元件，所述第一线元件与具有第二横截面积的第二线元件并联电连接，所述第二横截面积大于所述第一横截面积。

Description

用于电机的励磁线圈

技术领域

本发明涉及用于电机的励磁线圈。

背景技术

在该部分中的声明仅提供与本发明相关的背景信息。因此，这种声明不用于构成对现有技术的承认。

电动机器通过在静止元件（即，定子）与可旋转元件（即，转子）之间的利用励磁线圈感应旋转磁场来将电功率转化成机械扭矩。扭矩传递到轴，该轴通过导体条联接到转子。励磁线圈可与定子相关联。

已知的电动机器包括转子，该转子具有被组装到可旋转的轴上的钢叠片堆，以及由例如铜或铝之类的导电材料制成的多根导体条。导体条优选地使用短路端环连接在转子的两个轴向端。已知的励磁线圈通过优选地平行于转子旋转轴线的转子上的导体条感应电流。

已知的定子包括励磁线圈，其用于携带电源电流以感应磁场。励磁线圈的数量可以变化并优选地成对排列。最常用类型的电机利用单相或三相电功率驱动。单相电机要求起动器在磁场不旋转时开始旋转转子。三相电机通过在励磁线圈的相位之间顺序地旋转磁场来旋转转子而不用起动器。

已知的励磁线圈是线缠绕的或条缠绕的。线缠绕的励磁线圈通过***定子的小直径的导电线束产生。条缠绕的励磁线圈通过***定子的一系列导电材料条产生。

发明内容

包括转子和定子的用于电机的励磁线圈段包括具有第一横截面积的第一线元件，所述第一线元件与具有第二横截面积的第二线元件并联电连接，所述第二横截面积大于第一横截面积。

本发明还提供了以下方案：

1. 一种用于包括转子和定子的电机的励磁线圈段，其包括：

具有第一横截面积的第一线元件，所述第一线元件与具有第二横截面积的第二线元件并联电连接，所述第二横截面积大于所述第一横截面积。

2. 根据方案1所述的励磁线圈段，其特征在于，线元件在径向定向堆中布置，所述径向定向堆***在电机的定子上形成的槽中。

3. 根据方案2所述的励磁线圈段，其特征在于，所述第一线元件相对于所述第二线元件更接近电机的转子。

4. 根据方案1所述的励磁线圈段，其特征在于，其还包括第三线元件，其具有在第一和第二横截面积中间的第三横截面积，所述第三线元件与第一和第二线元件并联电连接。

5. 根据方案4所述的励磁线圈段，其特征在于，线元件在径向定向堆中布置，所述径向定向堆***在电机的定子上形成的槽中。

6. 根据方案5所述的励磁线圈段，其特征在于，所述第一线元件相对于所述第二和第三线元件更接近电机的转子，所述第三线元件相对于所述第二线元件更接近电机的转子。

7. 根据方案1所述的励磁线圈段，其特征在于，其还包括具有第一横截面积的第三线元件，和具有第二横截面积的第四线元件，所述第三和第四线元件与所述第一和第二线元件并联电连接。

8. 根据方案7所述的励磁线圈段，其特征在于，线元件在径向定向堆中布置，所述径向定向堆***在电机的定子上形成的槽中。

9. 根据方案8所述的励磁线圈段，其特征在于，所述第一和第三线元件相对于所述第二和第四线元件更接近电机的转子。

10. 根据方案8所述的励磁线圈段，其特征在于，所述第一线元件相对于所述第二，第三和第四线元件更接近电机的转子，所述第三线元件相对于所述第二和第四线元件更接近电机的转子，所述第二线元件相对于所述第四线元件更接近电机的转子。

11. 根据方案8所述的励磁线圈段，其特征在于，所述第一线元件相对于所述第二，第三和第四线元件更接近电机的转子，所述第二线元件相对于所述第三和第四线元件更接近电机的转子，所述第三线元件相对于所述第四线元件更接近电机的转子。

12. 根据方案8所述的励磁线圈段，其特征在于，所述第一和第三线元件在所述槽内并排布置并且相对于所述第二和第四线元件更接近电机的转子。

13. 根据方案1所述的励磁线圈段，其特征在于，其还包括具有第一横截面积的第三线元件，和第四线元件，其具有在第一和第二横截面积中间的第三横截面积，所述第三和第四线元件与第一和第二线元件并联电连接。

14. 根据方案13所述的励磁线圈段，其特征在于，所述第一和第三线元件在所述槽内并排布置并且相对于所述第二和第四线元件更接近电机的转子，并且所述第四线元件相对于所述第二线元件更接近电机的转子。

15. 根据方案1所述的励磁线圈段，其特征在于，其还包括第三线元件，其具有在第一和第二横截面积中间的第三横截面积，和具有第三横截面积的第四线元件，所述第三和第四线元件与第一和第二线元件并联电连接。

16. 根据方案15所述的励磁线圈段，其特征在于，线元件在径向定向堆中布置，所述径向定向堆***在电机的定子上形成的槽中。

17. 根据方案16所述的励磁线圈段，其特征在于，所述第一线元件相对于所述第二，第三和第四线元件更接近电机的转子，所述第三线元件相对于所述第二和第四线元件更接近电机的转子，所述第四线元件相对于所述第二线元件更接近电机的转子。

18. 一种用于包括转子和定子的电机的相的励磁线圈，其包括：

多个励磁线圈段，其每个包括具有第一横截面积的相应的第一线元件，和具有第二横截面积的相应的第二线元件，所述第二横截面积大于所述第一横截面积；

所述相应的第一线元件在电源和槽之间串联电连接；以及

所述相应的第二线元件在电源和槽之间串联电连接。

19. 根据方案18所述的励磁线圈，其特征在于，相应的线元件在径向定向堆中布置，所述径向定向堆***在电机的定子上形成的相应的槽中。

20. 根据方案19所述的励磁线圈，其特征在于，相应的第一线元件相对于相应的第二线元件更接近电机的转子。

21. 根据方案20所述的励磁线圈，其特征在于，所述多个励磁线圈段的每个包括相应的第三线元件，其具有在第一和第二横截面积中间的第三横截面积，所述相应的第三线元件在电源和槽之间串联电连接，并且所述第三线元件位于第一和第二线元件中间。

附图说明

作为示例，现在将参考附图来描述一个或多个实施例，附图中：

图1示出了根据本公开的包括定子和转子的电机的横截面的局部剖视图；

图2-1至2-6每个都示出了根据本公开的用于励磁线圈段的绕组布置；

图3示出了根据本公开的用于单个大的线元件、小的线元件、相同尺寸的并联线元件，和大和小的并联线元件的频率范围（Hz）上的AC电阻（ohm）的增加；

图4示出了根据本公开的用于第一布置，第二布置，第三布置和第四布置中的线元件的AC电阻（ohm）相对于频率（Hz）的关系；和

图5示出了根据本公开的用于具有第一变体，第二变体和第三变体的线元件的相关于频率（Hz）的作为百分比的效率。

具体实施方式

现在参考附图，其中所显示的内容仅仅为了图示某些示例性实施例的目的，而不是为了限制所述示例性实施例的目的，图1示出了包括定子10和转子22的三相电机12的局部剖视图。应该意识到虽然详细地讨论了三相电机，本公开不限于此，并且可采用额外的相方案，其具有实现的类似益处。

转子22具有旋转轴线36，其通过一系列的钢叠片堆板32和多个导体条34绕受到磁场影响的点旋转。转子22可绕旋转轴线36旋转，旋转轴线36与轴25同轴。定子10是环形装置，其与旋转轴线36同轴，并且包括相对于旋转轴线36的多个径向地定向的槽16，其每个具有的形状和尺寸容纳导电绕组，其在此处称作励磁线圈段14。多个励磁线圈段14作为定子10的元件被描述，但是意识到此处所述的概念应用采用励磁线圈段14的电机把励磁线圈段14作为转子的元件。

励磁线圈段14被电力安排以形成合适的励磁线圈，其在开关电路30和槽19之间电连接，参照图3显示。每个相包括能够产生磁极的至少一对相对励磁线圈。定向的功率可以在单相或多相中供给，其中三相是通用多相配置。单相配置包括用于每个磁极的一对相对的励磁线圈，三相配置包括用于每个磁极的三对相对的励磁线圈。例如，单相单极定子具有一对相对的励磁线圈，单相三极定子具有三对相对的励磁线圈。类似地，三相单极定子具有三对相对的励磁线圈，三相三极定子具有九对相对的励磁线圈。三相电机能够在转子22中推动旋转而不用起动器装置，然而单相电机要求起动器装置。

如图示的，包括定子10的电机12布置成包括一组相对的第一相励磁线圈24，一组相对的第二相励磁线圈26，和一组相对的第三相励磁线圈28，其紧邻转子22并且与转子22分开一定气隙相对于旋转轴线36顺序地围绕定子10的圆周定位。第一相励磁线圈24，第二相励磁线圈26，和第三相励磁线圈28的每组电连接到电源和槽之间，例如参照图3所示的三相开关电路和槽。

第一相励磁线圈24，第二相励磁线圈26和第三相励磁线圈28的每个通过电连接选择的励磁线圈段14形成。这包括串联连接与第一相励磁线圈24相关联的励磁线圈段14的相对应的线元件，串联连接与第二相励磁线圈26相关联的励磁线圈段14的相对应的线元件，和串联连接与第三相励磁线圈28相关联的励磁线圈段14的相对应的线元件。这种连接是已知的并且在此不详细讨论。第一相励磁线圈24，第二相励磁线圈26和第三相励磁线圈28的每个的串联连接的线元件在电源和槽之间并联电连接。

在关于图1所示的实施例中，励磁线圈段14的每个具有两个小的线元件18和两个大的线元件20。小的线元件18和大的线元件20相对于与旋转轴线36正交地突起的径向线在堆成型部中布置。小的线元件18具有横截面积，其小于大的线元件20的横截面积。小的线元件18优选地相对邻近转子22和旋转轴线36，大的线元件20优选地相对远离转子22和旋转轴线36。意识到小和大的线元件18，20相应的横断面形状可以是任何合适的横截面形状，例如，圆形，方形或矩形。意识到每个横截面积对于正交于电流流动的平面被确认。进一步，虽然励磁线圈段14被描述为布置在定子10上，本公开不限于此并且构思的励磁线圈段14布置在转子22上。

图2-1至2-6的每个都示意性地示出了***转子10的槽16中的单个励磁线圈段14的绕组布置，其中每个图示出了不同的绕组布置。理解的是所示的励磁线圈段14和相关联的绕组布置并不是排他的，而是示出了可采用的励磁线圈段14的绕组布置。

图2-1至2-6的每个都示意性地示出了励磁线圈段14的绕组布置，其包括小的线元件18，大的线元件20，并且在若干视图中，示出了中间的线元件38。意识到术语小，大，和中间指示横截面的相对尺寸。参照图2-1至2-6示出的励磁线圈段的绕组布置是说明性的。与本公开一致的，径向定向的堆中布置的并且使用小的，中间的，大的线元件***一个槽16中的励磁线圈段14的其他绕组布置被构思。

图2-1示意性地示出了***槽16的一个中的励磁线圈段14的单个的第一绕组布置。第一绕组布置包括径向定向堆，其具有邻近转子22的两个相邻的小的线元件18和远离转子22的两个相邻的大的线元件20。两个小的线元件18和两个大的线元件20在电源和槽之间并联电连接。

图2-2示意性地示出了***槽16的一个中的励磁线圈段14的单个的第二绕组布置。第二绕组布置包括径向定向堆，其具有两个小的线元件18和两个大的线元件20，其以邻近转子22的小的线元件18的第一个，与其相邻的大的线元件20的第一个，邻近大的线元件20的第一个的小的线元件18的第二个，和远离转子22的大的线元件20的第二个的交替顺序布置。两个小的线元件18和两个大的线元件20在电源和槽之间并联电连接。

图2-3示意性地示出了***槽16的一个中的励磁线圈段14的一个的第三绕组布置。第三绕组布置包括径向定向堆，其包括小的线元件18，中间的线元件38，和大的线元件20。小的线元件18邻近转子22，其中中间的线元件38与其相邻，随后是远离转子22的大的线元件20。小的，中间的，大的线元件18，38，20分别在电源和槽之间并联电连接。

图2-4示意性地示出了***槽16的一个中的励磁线圈段14的一个的第四绕组布置。第四绕组布置包括径向定向堆，其包括邻近转子22的小的线元件18，随后是两个中间的线元件38，和远离转子22的大的线元件20。小的，中间的，大的线元件18，38，20在电源和槽之间并联电连接。

图2-5示意性地示出了***槽16的一个中的励磁线圈段14的一个的第五绕组布置。第五绕组布置包括径向定向堆，其具有邻近两个堆叠的大的线元件20的与转子22相邻的槽内的并排布置的两个小的线元件18。小的，大的线元件18，20在电源和槽之间并联电连接。

图2-6示意性地示出了***槽16的一个中的励磁线圈段14的一个的第六绕组布置。第六绕组布置包括径向定向堆，其具有与转子22相邻的并排布置的两个小的线元件18，其中，中间的线元件38与其相邻。大的线元件20邻近中间的线元件38并且远离转子22。小的，中间的，大的线元件18，38，20分别在电源和槽之间并联电连接。

在关于图2-1至2-6描述的绕组布置的每个中，与每个相相关联的励磁线圈段14的相对应的线元件优选地串联连接，并且串联连接的线元件在电源和槽之间并联电连接。这在图3中示意性示出。

图3示意性地示出了第一相励磁线圈24，第二相励磁线圈26和第三相励磁线圈28的线路图，其每个由采用小的线元件18和大的线元件20的多个串联连接的励磁线圈段14构造。励磁线圈段14的小的线元件18和大的线元件20在示例性三相电机12的定子的前述绕组布置之一中布置，该电机连接到电源，该电源包括开关电路30。小和大的线元件18，20在开关电路30和槽19之间并联电连接。开关电路30使电流通过三相之一，优选地以连续顺序，从而在第一、第二和第三励磁线圈24，26，28的每个中产生连续磁场。第一、第二和第三励磁线圈24，26，28的每个包括小的线元件18和大的线元件20。例如，开关电路30可以是三相开关电路或变换器，其控制电流的振幅和频率，该电流分别通过第一、第二和第三励磁线圈24，26，28，从而产生作用于转子的旋转磁场。

当磁极产生的时候，转子受到磁性的影响并被推动以绕旋转轴线36旋转从而与磁极对齐。由开关电路30所提供的电流使磁极绕定子10旋转。磁极的旋转使转子与产生的旋转磁极对齐。旋转磁极的产生因而推动转子，以在开关电路30顺序地控制分别通过第一、第二和第三励磁线圈24，26，28的每个的电流的时候旋转。转子的转速被来自开关电路30的电流输出的频率控制。

每个线元件具有内部交流（AC）电阻，其由透入效果影响。透入效果是电流随着频率增加在线元件表面附近行进的趋势。由于较大的表面积，在正交于电流流动的方向的平面上具有较大横截面积的线元件引发了比具有较小的表面积的较小横截面积的线元件的更大的透入效果。透入效果依据透入深度讨论，透入深度是从线元件边缘行进的电流的深度。当电流的频率增加时，透入深度随着电流试图在表面附近行进而减小，由此导致线元件中的更高AC电阻。大的线在低频电流传递期间具有小的透入效果，其允许透入深度穿透线而导致总体的低AC电阻。

由于大的线元件的大的表面积，增加AC电流的频率导致增加透入效果，因而减小透入深度和增加AC电阻。更小的线元件在低频具有小的透入效果，其中产生低AC电阻但是由于其较小横截面积，不能传递较大线那么多的电流。由于小的线元件的小表面积，AC电流频率增加透入效果较小量。小的线元件具有低透入深度损失和AC电阻的较小增加。因而，小的线元件在更高频率比更大的线元件携带更多的电流。

由透入效果导致的有效的AC电阻由下面的等式近似：

R≈（L*ρ）/（π*（D-δ）*δ） [1]

其中L是线长度，

ρ是材料电阻率，

D是线直径，以及

δ是有效透入深度。

使用等式1的分析指示AC电阻在低频操作由于透入效果受到更大的线元件影响，而AC电阻在高频操作由于透入效果受到更小的线元件影响。

图4是数据图，其描绘了在第一布置82，第二布置84，第三布置86和第四布置88中的线元件的AC电阻（ohm）80与频率（Hz）90的关系。第一布置82是具有相对大的横截面积的单个线元件。第二布置84是具有相对小的横截面积的单个线元件。第三布置86是具有相同的横截面积并且在并联电路中布置的两个线元件。第四布置88是两个线元件，其包括具有相对小的横截面积的第一线和具有相对大的横截面积的第二线。第一布置82在低工作频率具有比第二布置84更低的AC电阻80。第一布置82在低工作频率具有比第三布置86或第四布置88更大的AC电阻。如所示的，在大约470 Hz，第一布置82的AC电阻增加到大于第二布置84，并且在直到至少1200 Hz在较高频率具有所有布置的最大AC电阻。

第三布置86和第四布置88在低工作频率具有大约相同的AC电阻，并且在大约200 Hz开始分离。第三布置86的AC电阻相对于第四布置88的AC电阻增加。第三布置86的AC电阻在较低频率小于第二布置84的AC电阻，在大约980 Hz与其相等，并且在这之后大于第二布置84的AC电阻。第四布置88的AC电阻在报告的频率范围（即0-1200 Hz）上最小。因此，图表指示在低频范围没有性能损失并且在第四布置88的较高频率范围具有最好性能，其包括两个线元件，该线元件包括具有相对小的横截面积的第一线和具有相对大的横截面积的第二线。

表1提供了在0 Hz和1200 Hz之间的频率范围上在第三布置86（电阻相同尺寸线）和第四布置88（电阻不同尺寸线）中配置的电机AC电阻减小关系。

第四布置88的AC电阻和第三布置86的AC电阻被示出为用于每个列出的操作频率。AC电阻比（电阻比）被计算，并且AC电阻比是在每个频率的第三布置86的AC电阻相对于第四布置88的AC电阻的比。功率损失减小（在峰值扭矩（W）的损失减小）被确定，并且功率损失减小是由于不同频率处的电阻变化导致的以第三布置86操作相对于以第四布置88操作之间的计算的功率减小。每个功率损失减小具有负值，其指示在以第四布置88操作相对于以第三布置86操作时功率的增加。当AC电阻在第三布置86和第四布置88之间是类似的时候，第四布置88的大的线元件在低频，大约0至200 Hz是占优势的。当频率从大约200 Hz增加的时候，透入效果对于第三布置86相对于第四布置88的大的线元件变得更显著。然而，透入效果在第四布置88的小的线元件上是更小的，因此小的线元件更有效地传递电流。在频率增加时，透入效果特别显著，如可在1200 Hz的0.56的AC电阻比和-1765.99 W的峰值扭矩的损失减小可见的。

图5是数据图，其描绘了示例性电机的纵轴上的效率（%）100相对于横轴上的频率（Hz）102的关系，该电机配置有励磁线圈14，其参照图2-1描述的布置，其具有两个更小的线元件，该两个更小的线元件接近转子，以及离转子一定距离的两个更大的线元件。

描述的数据包括第一变体104，第二变体106和第三变体108，其每个相比于具有均匀尺寸的线元件的基础励磁线圈段。分别当维持励磁线圈段的材料的相同总量的时候，第一变体104，第二变体106和第三变体108的每个基于百分比减小和增加以产生更小的和更大的线横截面。对于特别的例子，更小的线横截面与小的线元件相关联，更大的线横截面与此处所述的大的线元件相关联。

第一变体104包括降低4.5%的小的线元件的横截面积，增加4.5%的大的线元件的横截面积。在大约300 Hz以下，效率降低在基础励磁线圈段上发生，即，在0.0 Hz大约-0.5%。在高频下，即，在大约300 Hz以上，稳定地增加的优点被示出为1200 Hz，在该点具有3.0%的效率升高。

第二变体106包括降低9.0%的小的线元件的横截面积，增加9.0%的大的线元件的横截面积。在大约300 Hz以下，效率降低在基础励磁线圈段上发生，即，在0.0 Hz大约-1.0%。在高频下，即，在大约300 Hz以上，稳定地增加的优点被示出为1200 Hz，在该点具有6.0%的效率升高。

第三变体108包括降低13.5%的小的线元件的横截面积，增加13.5%的大的线元件的横截面积。在大约400 Hz以下，效率降低在基础励磁线圈段上发生，即，在0.0 Hz大约-2.0%。在高频下，即，在大约400 Hz以上，稳定地增加的优点被示出为1200 Hz，在该点实现了8.0%的效率升高。

将认识到尺寸变化和由此实现的益处不限于所示的特定例子。将进一步理解的所示变体可用于为特定应用选择适当的励磁线圈段尺寸。例如，如果电机预期在显著地高于800 Hz的速度下操作，第三变体或更大的横截面差异可以被选择。不过，如果电机预期在显著地在约300 Hz和600 Hz之间的速度下操作，第一变体或第二变体可以被选择。

本发明已描述了某些优选的实施例以及对所述某些优选实施例的修改。本领域的技术人员在阅读和理解说明书时可想到另外的变型和变更。因此，本发明不应局限于作为用于实施本发明所设想的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明应包括属于所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims

1.一种用于包括转子和定子的电机的励磁线圈段，其包括：

2.根据权利要求1所述的励磁线圈段，其特征在于，线元件在径向定向堆中布置，所述径向定向堆***在电机的定子上形成的槽中。

3.根据权利要求2所述的励磁线圈段，其特征在于，所述第一线元件相对于所述第二线元件更接近电机的转子。

4.根据权利要求1所述的励磁线圈段，其特征在于，其还包括第三线元件，其具有在第一和第二横截面积中间的第三横截面积，所述第三线元件与第一和第二线元件并联电连接。

5.根据权利要求4所述的励磁线圈段，其特征在于，线元件在径向定向堆中布置，所述径向定向堆***在电机的定子上形成的槽中。

6.根据权利要求5所述的励磁线圈段，其特征在于，所述第一线元件相对于所述第二和第三线元件更接近电机的转子，所述第三线元件相对于所述第二线元件更接近电机的转子。

7.根据权利要求1所述的励磁线圈段，其特征在于，其还包括具有第一横截面积的第三线元件，和具有第二横截面积的第四线元件，所述第三和第四线元件与所述第一和第二线元件并联电连接。

8.根据权利要求7所述的励磁线圈段，其特征在于，线元件在径向定向堆中布置，所述径向定向堆***在电机的定子上形成的槽中。

9.根据权利要求8所述的励磁线圈段，其特征在于，所述第一和第三线元件相对于所述第二和第四线元件更接近电机的转子。

10.一种用于包括转子和定子的电机的相的励磁线圈，其包括：

所述相应的第一线元件在电源和槽之间串联电连接；以及

所述相应的第二线元件在电源和槽之间串联电连接。