[发明专利]永磁电机的定子绕组方案

说明书

技术领域

本发明涉及通过调整定子槽提高电机的绕组因数。

背景技术

诸如制浆和造纸、塑料挤出、传送带和风力发电的工业应用通常特征为低速和高转矩性能。具有集中式绕组拓扑结构的永磁(PM)电机是这些应用的有吸引力的可替换方案，因为它们在被直接驱动时能够提供期望的性能。齿轮箱可以被淘汰，这进而降低成本并提高效率。

集中式绕组拓扑结构是指每个电枢线圈围绕电机内的单一定子齿缠绕。与其中线圈缠绕成围住若干定子齿的叠绕组的分布式绕组拓扑结构相比，这种绕组配置提供了大幅的铜材料减少。分布式绕组拓扑结构的线圈悬突产生不必要的铜损并且延长定子的轴向尺度，这减小了转矩密度(或者针对给定速度的功率密度)。集中式绕组拓扑结构因此提供的优点为电机总的有效体积和重量减小。使用更少线圈材料还提供了铜损方面的有利减小并且因此可以获得高转矩密度的电动机设计。

转子磁极和线圈之间的磁链(即绕组因数)是一个重要设计方面。最大平均转矩输出与绕组因数成正比，更高的绕组因数意味着对于具有给定框架大小的电动机的更高输出转矩。分布式绕组拓扑结构提供的绕组因数等于或者几乎等于理想值1。另一方面，集中式绕组拓扑结构典型地具有在0.93-0.96范围内的较低绕组因数。在理论上，利用集中式绕组拓扑结构，通过选择定子齿的数目等于转子磁极的数目可以容易地获得理想绕组因数，但是在实践中这造成严重的齿槽(cogging)问题。因此，转子磁极数目典型地不同于定子齿数目。在大多数情形下，转子磁极数目小于定子齿数目，但是在下述示例中，为了更好地说明本发明，传统电机被选择为具有比定子齿数目大的转子磁极数目。

图1示出传统PM电机100，其包含集中的电枢线圈102、具有18个齿106的定子104和具有20个磁极110(10个磁极对)的转子108。线圈102布置在两个绕组周期112内，每个绕组周期112包括代表三个电学相位的三个定子齿区段114，并且每个定子齿区段114包括处于同一电学相位的三个定子齿106。定子齿106沿着定子104的圆周按齿跨度115均匀的方式分布，即两个相邻定子齿106之间的角距离是均匀的。定子齿106通过定子槽118彼此分离。

诺伊比贝格慕尼黑联邦国防大学1991年Jürgen Friedrich的博士论文″Bauformen und Betriebsverhalten modularer Dauermagnetmaschinen″在第28-36页公开了具有不均匀定子齿图案的PM电机。在一些实施例中，在定子齿之间存在具有变化宽度的中间齿，并且在其它实施例中，处于同一电学相位的定子齿区段通过加宽的定子槽而彼此分离。通过这些措施，绕组因数似乎被最优化，但是同时未缠绕的中间齿和加宽的定子槽似乎使整体转矩密度劣化。在此论文中公开的所有实施例中，仅仅存在单个绕组周期。

根据前文所述，仍然期望提高具有集中式绕组拓扑结构的电机的整体转矩密度。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有提高的转矩密度的电机的定子。

本发明的另一目的是提供一种具有提高的转矩密度的电机。

本发明的再一目的是提供一种用于提高电机的转矩密度的方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于电机的定子，该定子包括多个定子齿，所述定子齿通过定子槽彼此分离，每个定子齿被集中的电枢线圈围绕，所述电枢线圈代表两个或更多个不同电学相位，定子齿分布在沿着定子的圆周的不均匀图案中，所述不均匀图案包括至少一个短齿跨度和至少一个长齿跨度，该短齿跨度具有比长齿跨度小的尺度，其中相距短齿跨度的两个定子齿之间的定子槽均不配置成承载磁通量，而相距长齿跨度的两个定子齿之间的每个定子槽包括用于承载磁通量的中间齿。

通过为定子提供包括短齿跨度和长齿跨度的不均匀定子齿图案，以及通过在相距长齿跨度的定子齿之间引入中间齿，绕组因数和承载通量的材料的分布均可以被优化。

根据本发明一个实施例，具有处于不同电学相位的线圈的每对相邻定子齿之间存在长齿跨度。根据这种原则提供长齿跨度得到比较高数目的相对窄的中间齿。当将定子分割为多个节段时，这增加了可替换方案的数目。

根据本发明一个实施例，每个绕组周期存在一个长齿跨度，每个绕组周期包括用于每个不同电学相位的一个定子齿区段，每个定子齿区段包括具有处于相同电学相位的线圈的一个或多个定子齿。根据这种原则提供长齿跨度得到比较低数目的相对宽的中间齿。这种情况下，所有定子齿和所有中间齿在某一时间点与转子磁极严格对准，使得实现提高的电机性能。