CN1658473A - 电机的磁路 - Google Patents

Abstract

一种在定子芯和转子芯的端部设置有一个或多个磁通板的电机。在定子端，将磁通板成形为基本填充在芯和绕组之间的空隙。磁通板是铁磁性的，并形成主磁路的部分。所述磁通板在零和低开关频率下所承载的磁通量最大，而在最高速转速下，基本不承载磁通量。

Description

电机的磁路

技术领域

本发明涉及改善电机的磁路。本发明尤其适用于具有凸板的电机，例如开关磁阻电机。

背景技术

开关磁阻电机的控制与操作在论文“The Characteristics，Design andApplications of Switched Reluctance Motors and Drives(开关磁阻电机和驱动***的特性、设计及应用)”中进行了总体描述，所述论文于1993年6.21-6.24在德国Nurnberg举办的PCIM的93会议和展览上由J.M.Stephenson和R.J.Blake发表，其在此引入作为参考。在所述论文中，分别为电机的低速和高速操作描述了开关磁阻电机的“斩波”和“单脉冲”激励模式。

图1示意性地示出了现有技术中典型的开关磁阻驱动***。其包括DC电源11，DC电源11既可为电池也可为经过整流和滤波的AC电源。电源11提供的DC电压通过电子控制单元14控制下的电力变换器13开关跨接电机12的相绕组16。转子和定子通常为径向可磁化钢片，即所述钢片的平面相对于电机的轴是径向的。然而，一些电机由轴向叠片形成，其中，每个叠片的平面平行于电机的轴。图2示出了许多公知的变换器拓扑中的一种，其中电机的相绕组16在母线26和27之间与两个开关装置21和22串联。母线26和27统称为变换器的“DC链路”。能量恢复二极管23和24连接到绕组，以便使绕组电流在开关21和22打开时能够流回DC链路。电容器25，称作为“DC链路电容器”，跨接DC链路以作为不能来源于或返回电源的DC链路电流的任何交流分量(即，所谓的“波纹电流”)的源或宿。实际上，电容器25可包括几个串联和/或并联的电容器，并且，在使用并联时，某些元件可分布于整个变换器中。电阻器28与低端开关22串联以提供电流反馈信号。多相***通常使用若干在图2中并联的“相脚”以激励电机各相。

对转子位置的检测常规地通过采用在图1中示意性地示出的变换器15实现，所述变换器例如安装在电机转子上的转动齿轮，其与安装在定子上的光、磁或者其它传感器协作。由传感器产生指示转子相对于定子的位置的信号，即脉冲序列，并将其提供给控制电路，以允许精确的相激励。

一些电机，尤其是元刷直流和开关磁阻电机的特征是，所述电机在至少一个部件上具有凸极。例如，图3所示的定子叠片40和转子叠片45适用于开关磁阻电机。定子叠片具有凸极44。多个相同的定子叠片组成定子芯42。通过或者将预绕线圈放置到极上、或者将线圈直接绕到极上，而将线圈49组装到定子芯上。在组装中，绕组沿每个极的侧面(垂直于图3所示的剖面A-A的平面)、并绕在所述侧面之间的每个极端而延伸。线圈通常在芯外具有凸出部分46，在芯外，导线绕极端弯曲成至少一个平面，以将两个线圈侧面连接起来。由于受限于导线的最小弯曲半径，因此，在线圈凸出部分的内侧与在极端处的芯之间通常存在间隙47。

转子叠片也有凸极41，但是通常不对这些凸极绕线。将相同的转子叠片层叠起来以形成芯段，并通常将其安装在设置于轴承(未示出)上的轴48上。转子芯段通常与定子芯段在制造公差范围内具有相同的长度。

公知的是，在转子叠片和定子叠片中使用的极的数量都取决于设计的不同参数，例如，***中的相数、驱动速度、扭矩分布等。

电机通常是由可磁化导电钢板叠片构成。所得的结构用于承载磁通，所述电机依靠磁通进行工作。所述结构是层叠的，用于减少涡流效应，涡流根据磁通变化的速率在钢中流动。通常，只有磁通不变的电机才具有不层叠的结构。例如，直流电机的场结构可以是不层叠的(即是实体的)，但是即使在这些电机中，有时也采用层叠的结构，用于改进对新的运行条件的瞬时响应。层叠的程度通常由电机中的磁通变化的频率来确定。例如，在由50Hz或60Hz交流电源直接激励的、以例如1500或1800转/分的速度运行的电机中，通常采用0.50或0.65mm的叠片厚度。对于在400Hz的电源下、以10,000转/分的速度运行的电机中，通常采用0.20mm的叠片厚度。

当然，减少叠片厚度也带来了许多不利，不仅仅只在材料成本和制造难度方面。然而，设计者通常都准备接受这些不利，从而可以得益于减少的涡流损耗、更高的效率以及更高的特定电机输出。

电机的输出还依赖于所采用的钢的所谓的磁化特征。这是施加于钢的磁化效应(即磁动势，mmf)与因此产生的磁通之间的关系。尽管设计者可以选择多个等级的钢材，但是所有的这些钢材都具有相同的通用特征：在mmf和磁通之间的在初始一般为线性的关系，随着mmf的增加逐渐退化，达到完全非线性的点。在实际中，这表示钢材通常能承载的磁通量的极限，即通常称为“饱和”的状态，但是该术语不具特别的描述性，因为在所述关系上并没有尖锐的截止。

在使用钢材的任何电机中，钢材的该磁化特征变得与所述电机的理想特征不可分离地关联在一起。例如，在开关磁阻电机中，由于钢的特征，显著改变了在上述的Stephenson的论文中讨论的理想电感分布。这可以在如图4所示的磁通链/角度/电流的关系中看到，其中，磁通与电流的非线性关系是显然的。

一般，电机的设计者都倾向于设计更小、成本更低的电机，来满足更加苛刻的性能规格。尺寸的重要性是因为其通常同时涉及到重量和成本。上述参数在例如航空航天和汽车的领域非常重要，在这些领域中，燃料的消耗日益成为主要问题。最初，只是通过更大效率地利用钢材，即，使所述钢材在一定的体积中承载更多的磁通量，用于对于给定的性能而减少尺寸。然而，从图4中的曲线可以看到，这使mmf非线性地增大，从而导致电机的电阻损耗非线性地增加，并因而导致了与冷却相关的热控制问题。从而，电机的电力变换器的成本有可能增加。因此很显然，对于电机的具体输出存在一个实际极限。

在许多电机的应用中，需要在低速时具有非常高的扭矩，所需要的扭矩是额定满载的几倍。例如，这可能出现在高静态阻力负载的电机工具中、航空航天应用的致动装置中、或内燃机的启动装置中。该低速扭矩要求通常与这样的情况联系在一起，其中需要更高速的运行，但是扭矩较低。为了满足这个要求，目前需要将所述电机完全驱动到非线性区域，即完全运行于图4所示的曲线的拐点的上方。电流的伴随增加降级了热特性，大大限制了电机产生所需扭矩可以经历的时间。另外，尤其当电源是电池或其它形式的有限能量存储装置时，潜在的问题是，对额外电流的需要使得需要增加电源的容量。

需要一种方法，能够增加给定体积的电机提供更多输出的能力，而不影响其热特性。

发明内容

本发明由所附权利要求书所限定。在所附权利要求书中描述一些优选特征。

在一个实施例中，本发明为电机提供了这样的定子，该定子包括：限定至少一个具有端面的定子极的芯；以及至少一个围绕至少一个定子极的线圈，线圈的一个表面以和至少一个端面限定了间隙，所述定子还包括可磁化磁通板，所述磁通板具有至少部分填充所述间隙的凸出部分。

优选的是，凸出部分的横向轮廓通常与极的轮廓共形。这最大化了磁通板的磁通承载容量。可以形成实体磁通板来填充所述间隙。可选的是，可以由整体与所述间隙共形的叠片段形成磁通板。磁通板的凸出部分的厚度通常受到围绕极端面的线圈的弯曲半径的影响。

磁通板可以具有与定子芯相同的轮廓。磁通板轮廓的边缘可以至少在极侧面的区域限定芯端的外侧余量，或者所述边缘可以与芯端一致。

芯可以由叠片段组成，其中每一叠片都限定了定子的轮廓，磁通板厚于芯的叠片。通常，叠片由如上所述的可磁化钢制成。磁通板的厚度依赖于将要填充的间隙，通常是叠片厚度的3至10倍之间。

根据另一个组件实施例，包括：所限定的定子；包括叠片段的可移动部件；以及可选的磁通板，其与所述部件具有类似的轮廓。磁通板的轮廓比部分或全部叠片的相应的轮廓小，从而在芯边缘处定义外侧余量。

通常，电机是旋转式电机(例如，可变磁阻电机)，但是其它实施例可以采取线性电机(linear machine)的形式。

所述芯可以由径向叠片形成，磁通板在轴向上厚于转子芯和定子芯的叠片的厚度。

本发明的实施例包括电机组件，所述组件包括：可移动部件(例如，转子)和所限定的定子。在特定形式下，可以将可移动部件的磁通板和/或定子设置为在使用中承载这样的磁通，所述磁通沿(即，在几何上通常是平行于)通过定子芯和可移动部件的磁通路径。

在本发明的另一个实施例中，提供了增加电机的磁通承载容量的方法，所述电机包括：由第一厚度的可磁化材料叠片构成的定子、以及由第二厚度的可磁化材料叠片构成的转子，所述方法包括：沿定子或转子或二者的叠片设置至少一个可磁化磁通板，所述磁通板的轮廓类似于其挨着的叠片的轮廓，并且磁通板的厚度大于叠片的厚度，将磁通板设置为承载沿通过转子和定子的磁通路径的磁通。

优选的是，所述定子包括：限定至少一个具有端面的定子极的芯；以及围绕至少一个定子极的至少一个线圈，所述方法还包括，利用磁通板的凸出部分至少特定地填充在线圈表面和至少一个端面之间的间隙。

优选的是，将磁通板设置为相邻于定子和转子的叠片，所述方法还包括，对准磁通板，使得磁通板承载的磁通与通过转子和定子的磁通相平行。

优选的是，将磁通板设置为相邻于定子和转子的叠片，所述方法还包括，将其中一个磁通板设置为叠在另一个磁通板上。

附图说明

本发明可以以多种方式投入应用，现在参考附图通过示例的方法对其中的一些进行描述，其中：

图1示出了现有技术中的典型开关磁阻驱动***；

图2示出了图1的变换器的一相的公知拓扑；

图3示出了电机的定子和转子的示意图；

图4示出了以转子位置作为参数的开关磁阻电机的典型磁通链和相电流曲线；

图5示出了定子磁通板的视图；

图6示出了具有磁通板的电机的分解图；

图7示出了转子磁通板的视图；

图8示出了可选实施例；以及

图9是定子和转子之间的磁通路径的详图。

具体实施方式

图5示出了定子磁通板，其被成形为可以与定子芯段的端部协作，所述端部，例如如图3所示，具有定子背铁(back-iron)部分以及具有极侧面与极端的极。实体磁通板50具有环形部分51，其内侧和外侧直径对应于定子叠片的背铁部分。多个齿52从环形部分向内径向凸出。每个齿52的尺寸为使得齿能够匹配定子极44的形状，或者所述齿位于比极的轮廓略微靠内的位置。磁通板上的齿的数量与定子的极的数量相同。磁通板的截面图示出了其具有平侧面53，侧面53相邻于构成定子芯42的可磁化叠片段的端面。将在磁通板的相对的侧面54上的齿的轮廓形成为可以匹配在线圈凸出46和极端之间形成的间隙47(见图3)的轮廓。图5示出的磁通板50具有12个齿，适于与如图6所示的12极定子61一起使用。磁通板50的形状和定子芯的轴向轮廓形状相同。然而，当磁通板和定子芯在轴向轮廓上尺寸相似时，磁通板的轮廓通常可能稍小，使得两个轮廓之间的差异限定出余量。例如，如果电机的定子芯的外径是100mm，则余量可能位于0.1mm至0.7mm之间，例如0.5mm。

图6示出了具有定子芯61的电机的分解图，其中定子芯具有两个磁通板50。在将线圈49组装到或绕到芯上之前，将磁通板50安装在芯61的两端，从而使每个磁通板的齿52被线圈的凸出部分包围。每个磁通板的平面53被设置为挨着芯的端面。

如同所述叠片，每个磁通板都是由未层叠的铁磁性材料制成。每个磁通板在其径向轮廓上都是连续的。这样地选择所述材料，考虑其磁通承载性能，其齿可以被加工、浇铸、冲压或者锻造成适当轮廓的适用性，而不需要考虑其机械强度的任何性质。一种适用于多种应用的材料是钢型EN9。

图7示出了相应的转子磁通板71，其具有对应于转子45上的极的数量的齿72。由于在该示例中，转子上没有绕组，齿72的外表面不需要沿其宽度成形，而是可以是矩形的。这比制造定子磁通板50的成形齿更加容易。转子磁通板71组装在转子芯段60的一端或两端，使得所述磁通板的位置在轴向上与相应的定子磁通板对准。根据这样的准则来选择形成转子磁通板的材料，所述准则包括用于选择定子磁通板的准则，以及增加的准则：所述材料还要求足够的机械强度，来承受在电机运行中产生的离心力。另外，转子磁通板的轴向轮廓可以限定为与转子叠片自身的轮廓相同。然而，在转子极区域或者全部区域可以限定与对定子的相关描述中相等的轮廓间余量。与定子磁通板一样，转子磁通板在其轮廓上也是连续的。

实际上，转子磁通板可以形成为具有圆形轴向凹槽，所述凹槽将为位于转子轴上的转子轴承和/或位于固定部件上的轴承盒提供间隙。事实上，本发明发现了具有限定的间隙的电机的特定应用，其中，尽可能地增大了给定尺寸的电机的磁通承载容量。因此，有利的是，为电机和/或其外壳提供间隙，而为了得到机械紧凑性，牺牲磁通板中一定量的磁通承载容量。

当根据在上述Stephenson的论文中讨论的通用原理激励相时，所设的磁通板显现出沿着并且通常平行于定子和转子的主磁通路径的一个或多个磁通路径，从而减小了磁路的磁阻，并减小了支持给定磁通量水平所需的电流，因而提高了电机的性能。利用在其它方面未使用的绕组凸出与极端之间的轴向间隙，磁通板有效地形成了主磁路的一部分。磁通板中的磁通流量依赖于激发频率。在零频率时，磁通板中的磁通量最大，但是当频率增大时，磁通板中的涡流将逐渐减少磁通量，使得当为高速运行使用更高频率时，磁通板实际上不承载磁通量。

从常识上可以得知，由于磁通板中流动的涡流，将不可避免造成损耗，这将可能使本发明在技术上不是很理想。然而，在许多应用中，频率的增加相应于扭矩和磁通量的减少。因此，主磁路不再饱和，存在的较小涡流将排除大部分来自磁通板的磁通量。

当优选配置在定子和转子的各端具有磁通板时，特定的设计规格可能不能提供足够的空间来安装所有这些部分。在该情况下，可以省略一个或多个磁通板，因为在该情况下具有一个磁通板仍具有一些益处。例如，图6示出的是具有一个转子磁通板64和两个定子磁通板50的配置。同样可能的是，该组件也可以具有两个转子磁通板和一个或两个定子磁通板。

图8示出了类似于图3所示的电机，其设置有定子磁通板82、84和转子磁通板85。如在仰视图中所示，定子磁通板相邻于定子42的轴向端面，并且有效地填充了在轴向方向上位于围绕极的线圈凸出46的下面的间隙。如在截面A-A中所示，在本例中，定子磁通板82、84限定了分别相对于定子芯内外的余量86、87，而转子磁通板只是在极的侧面处具有相对于转子芯的余量88。

可以省略定子磁通板齿的角半径，所述半径与线圈凸出的内半径紧密配合。这意味着，通过对平面板的简单的冲压便可以制造定子磁通板。尽管这样简化了制造，但是这样使定子磁通板不能与绕组的轮廓紧密配合，从而不能最优化对间隙的利用。可选的是，可以将定子磁通板的每个齿的形状设置为矩形。所述齿的形状将沿极的宽度延伸，但是不会完全向外延伸到凸出的轴向范围外。

另外的变形是，由一组冲压片形成磁通板，其中每个冲压片形成整个磁通板的一部分。在这种情况下，可以优选控制相邻冲压片之间的间隙，使得所述间隙小于转子和定子磁通板的齿之间的主空隙长度。

可以从一组叠片制造定子和转子磁通板，来取代对由适当的导磁材料形成的单一冲压片的制造。在具有成形凸出的定子磁通板的情况中，可以采用智能冲模(smart die)完成。这些连续的叠片具有齿宽逐渐减小的几何结构，以使所述组的轮廓接近线圈端面的角半径。该层叠的磁通板还有一个益处，其可以与主叠片叠层以相同的频率运行。

在本发明另一个可选实施例中，具有这样的定子磁通板，所述磁通板的齿径向延伸，通过电机的主工作空隙。从而，在定子芯的一端的定子磁通板的齿延伸为，使得将磁通路径的轴向分量限定为从定子磁通板的齿进入转子磁通板的齿。这将导致由轴向磁通分量产生的扭矩。从定子磁通板产生的磁通轴向进入转子磁通板。这在图9中示出，图中示出了电机的部分剖面图。层叠的转子芯91安装在轴92上，并具有磁通板94。层叠的定子芯90具有磁通板93，其径向延伸超出磁通板94，使得其在径向上覆盖另一个磁通板。虚线95示意性地示出了沿定子和转子的磁通路径的磁通路径，径向往下地通过定子磁通板，轴向穿过分离两个磁通板的小间隙，然后径向往下地通过转子磁通板。

定子磁通板的另一个益处在于，其径向凸出延伸到线圈凸出的内侧，从而提供从线圈端的内面向定子外径的散热路径。这提供了改进电机冷却的方法，所述电机通过从所述外径获取热量而进行冷却。

本领域的技术人员将理解，在不偏离本发明的情况下，可以对公开的配置进行变化，尤其在磁通板的形状的细节方面。具有不同数量转子和/或定子极的电机同样能得益于本发明。同样，本发明可以应用于等效的线性电机中，在所述电机中，“转子”是在固定定子上移动的部分。在这种情况下，将磁通板设置在相对于纵向移动的横向极端上。因此，上述多个实施例的描述只是进行示例，而不是为了限制。对于本领域的技术人员显然的是，在不对上述操作进行巨大变化的情况下可以对本设计作小修改。本发明旨在只由下面的权利要求书的范围所限定。

Claims (26)

1.一种电机的定子，包括：限定至少一个具有端面的定子极的芯、以及围绕至少一个所述定子极的至少一个线圈，所述线圈的表面和至少一个所述端面限定了间隙，所述定子还包括可磁化磁通板，所述磁通板具有至少部分填充所述间隙的凸出部分。

2.如权利要求1所述的定子，其中所述凸出部分基本充满所述间隙。

3.如权利要求1或2所述的定子，其中当沿所述芯的轴向观察时，所述凸出部分的轮廓通常与所述极的轮廓共形。

4.如权利要求3所述的定子，所述磁通板的轮廓与所述定子芯的轮廓一致。

5.如权利要求3所述的定子，所述磁通板的轮廓至少在所述极的区域中位于所述定子芯的轮廓内。

6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的定子，其中部分限定所述间隙的所述线圈的所述表面包括在所述线圈中的弯曲。

7.如前述权利要求中任一权利要求所述的定子，其中所述芯是层叠的，垂直于层叠面的所述磁通板的厚度大于每个叠片的厚度。

8.如权利要求7所述的定子，其中所述磁通板的厚度是所述叠片厚度的3至10倍。

9.如权利要求1至9中任一权利要求所述的定子，其中所述磁通板是单一的部件。

10.一种电机组件，包括被设置为相对于所述定子移动的可移动部件，以及如权利要求1至10中任一权利要求所述的定子。

11.如权利要求10所述的组件，其中所述可移动部件包括叠片，可移动部件磁通板被安装为相邻于所述可移动部件的外侧叠片，并且所述磁通板的轮廓相似于所述可移动部件的轮廓。

12.如权利要求11所述的组件，其中所述可移动部件磁通板垂直于所述叠片平面，并且所述可移动部件磁通板的厚度大于每个所述叠片的厚度。

13.如权利要求11或12所述的组件，其中所述可移动部件磁通板的轮廓位于所述可移动部件的轮廓内。

14.如权利要求11至13中任一权利要求所述的组件，其被构造和设置为旋转式电机，其中所述可移动部件是转子。

15.如权利要求14所述的组件，其中在所述定子和转子至少其中之一的至少一端上的所述磁通板，径向延伸超出所述定子和转子中的另外一个。

16.如权利要求11至15中任一权利要求所述的组件，其中所述可移动部件磁通板是单一的部件。

17.如权利要求11至16中任一权利要求所述的组件，其中所述可移动部件磁通板的厚度是每个所述叠片的厚度的3至10倍。

18.如权利要求11至17中任一权利要求所述的组件，其被构造和设置为作为可变磁阻电机而运行。

19.如权利要求11至18中任一权利要求所述的组件，其中所述定子磁通板和/或所述可移动部件磁通板被设置为，在使用中沿通过所述定子芯和所述可移动部件的磁通路径承载磁通。

20.一种由可磁化材料制成的电机的磁通板，所述电机限定了从主体部分延伸出的凸极，所述磁通板一侧的表面是平的，所述磁通板另一侧的表面在所述极侧面的区域中具有成圆角的边缘。

21.如权利要求20所述的磁通板，其中所述凸极从所述主体部分向内径向延伸。

22.如权利要求20或21所述的磁通板，其被形成为单一的部件。

23.一种增加电机的磁通承载容量的方法，所述电机包括，由第一厚度的可磁化材料叠片制成的定子，以及由第二厚度的可磁化材料叠片制成的转子，所述方法包括：

沿所述定子或转子或二者的叠片设置至少一个可磁化磁通板，所述磁通板的轮廓类似于其挨着的叠片的轮廓，并且所述磁通板的厚度大于所述叠片的厚度，将所述磁通板设置为沿通过所述定子和转子的磁通路径承载磁通。

24.如权利要求23所述的方法，其中所述定子包括：限定至少一个具有端面的所述定子的极的芯，以及围绕至少一个所述定子极的至少一个线圈，所述方法还包括，利用所述磁通板的凸出部分至少部分填充在所述线圈的表面和至少一个所述端面之间的间隙。

25.如权利要求23或24中任一权利要求所述的方法，其中将所述磁通板设置为相邻于所述定子和转子的所述叠片，所述方法还包括，对准所述磁通板，使得由所述磁通板承载的磁通平行于通过所述定子和转子的磁通。

26.如权利要求23或24所述的方法，其中将所述磁通板设置为相邻于所述定子和转子的所述叠片，所述方法还包括，将其中一个所述磁通板设置为覆盖另一个所述磁通板。

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