專利名稱：具有不同線規(guī)、匝數(shù)的繞組的電動機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電動機結構，更具體地，涉及定子結構，該定子結構包括多個帶有各自繞組的段，這些繞組具有不同的繞組線圈總數(shù)和線規(guī)。
背景技術：
電子系統(tǒng)的改進，比如應用在電機控制領域的微控制器、微處理器以及改良的便攜式電源等，已經(jīng)使車輛的高效電機驅動得到發(fā)展，這種電機驅動已經(jīng)可代替內燃機，是內燃機的主要競爭產(chǎn)品。電機繞組的電子控制脈沖勵磁為更靈活的運用電機特性提供了前景。通過控制脈沖的寬度、占空比以及對加到適當定子繞組上的電池電源進行切換，可以實現(xiàn)功能多樣性，這種功能的多樣性與交流同步電機運行沒有本質的區(qū)別。
前面提到的Maslov等的待審批的相關美國專利申請09/826423，指出并敘述了對改良電機的需求，這種電機易于簡化制造并能提供有效、靈活的運行特性。在車輛驅動環(huán)境中，非常需要在較寬速度范圍內獲得平滑的運行特性，同時在最小功耗下維持高的轉矩輸出能力。待審批的相關美國申請將電磁極合并成分隔開的導磁結構，該導磁結構形成為段，設置在沿徑向相對較薄的環(huán)孔上，以提供有利的效果。與現(xiàn)有技術中的實施方式相比，采用這種結構，磁通可以集中于電磁鐵芯中而幾乎沒有損耗或有害的互感干擾。
Maslov等的申請認為磁體段之間分隔開可以使每個磁性鐵芯段中的磁通單獨地集中，而幾乎沒有任何磁通損耗或者是由與其它鐵芯段中磁通相互作用而產(chǎn)生的有害互感干擾。通過將單個極對配置成獨立的電磁體，可以獲得運行上的優(yōu)勢。當對極對繞組的勵磁進行切換時，單個極對與其它極對之間的磁路隔離消除了相鄰組之間的磁通互感效應。
前面提到的Maslov等的待審批的美國專利申請10/173610的內容所針對的對象是具有這些結構特征的多相電機控制系統(tǒng)。因為每一相的控制環(huán)都與其對應的繞組和結構完全匹配，所以描述的控制策略是對單相電路特性進行補償并提供更高的控制精確度。控制參數(shù)與各自定子相中每一相的特性匹配?？刂破鲗γ肯嗬@組的連續(xù)勵磁切換進行控制，控制器根據(jù)與被勵磁相繞組的定子相組件相關的參數(shù)產(chǎn)生信號。
盡管上面提到申請中的電機具有操作上的優(yōu)勢，但是在所有的寬運行速度范圍內，甚至所帶負載不變的情況下，這些電機和先前技術的電機都沒有始終保持高效率。對于一個固定的電機拓撲而言，有效的磁動勢(MMF)取決于繞組匝數(shù)和勵磁電流。這里，使用的術語“電機拓撲”指電機物理特性，例如尺寸、定子鐵芯的磁特性、定子繞組的匝數(shù)以及線徑(規(guī)格)等等。有效的磁動勢將轉矩和速度在運行范圍內之間的關系限定成是一個變化，通常是反向，的關系。施加的勵磁電流將電機驅動到額定運行速度。當電機向額定速度加速時，轉矩減小，驅動電機的吸入電流也相應地減少，并且效率增加到最大水平。當速度超過最大效率對應的速度時，這時需要額外的驅動電流，因此這降低了效率。所以，效率在整個速度范圍內是變化的，并在速度恰好低于最大速度時就達到了最大效率。
圖1所示，具有不同拓撲電機可在不同的速度下達到最大效率值。該圖給出的是在寬速度范圍內、具有不同拓撲電機的效率與電機運行速度之間關系曲線圖。圖中表示的拓撲僅在于定子繞組匝數(shù)不同。當速度從0增加到一特定速度時，每條效率曲線都達到峰值然后逐漸降低到0。曲線A表示具有最大繞組匝數(shù)的電機，該曲線A具有最大的斜率，并在速度V2時最先達到峰值效率。然而在超過這個速度時，曲線具有相似的負斜率。因此，電機的運行范圍是有限的。電機在可接受的效率或者高于這個效率，在圖1中用X％表示，運行時所對應的速度窗口是比較小窄的。
曲線B～E依次表示具有更小繞組匝數(shù)的電機。當繞組匝數(shù)減小時，與最大效率時對應的電機運行速度增加。曲線B在速度V3時達到峰值效率，曲線C在速度V4時達到峰值效率，曲線D在速度V5時達到峰值效率，曲線E在速度V6時達到峰值效率。每個電機在不同的電機運行速度下都具有峰值效率，但是在整個電機運行速度范圍內，沒有可令人滿意的效率。
在較寬速度范圍內驅動電機的應用中，比如在車輛驅動場合，圖1顯示出沒有理想的單個電機拓撲可以在整個速度范圍內始終提供較高的運行效率。例如，在速度大于V6時曲線A和B示出的效率是零。在速度范圍的低速端，例如一直到V2，曲線C到曲線E示出的效率明顯低于曲線A和B。
在電機車輛驅動中，運行效率尤其重要，因為需要延長電池的壽命，而超過電池的使用壽命時必須要對其進行充電或者換掉車內電池。因此存在這樣的需求——需要電機在比目前使用的更寬的速度范圍內運行時，始終具有較高的效率。上述Malslov等的美國申請(`030)就致力于滿足這個需求。文中所采用的方法是，基于動態(tài)原理，在對應每一個期望電機在其間運行的速度范圍內，改變每一個定子繞組的有效線圈數(shù)，其中這個速度范圍是起動速度和最大速度之間多個速度范圍中的速度范圍。這些速度范圍與圖1中示出的速度范圍類似，為每個速度范圍指定將要被勵磁的不同數(shù)目的電機定子繞組線圈數(shù)，以獲得對應于多個運行速度范圍中每個速度范圍的最大效率。當速度經(jīng)過相鄰速度范圍之間的閾值時，勵磁線圈的數(shù)目被改變。每個繞組包括多個單個、串聯(lián)的線圈組，這些線圈組利用抽頭連接方式而分開。在單個的、相應速度范圍期間，各個抽頭通過開關連接到激勵源上。因此在每個速度范圍內，繞組具有不同的被勵磁線圈數(shù)。
盡管這種設置拓寬了可獲得高效率的速度范圍，但是電機繞組的感應特性需要對抽頭與電源之間的連接或斷開進行精確的時間控制。因此需要提供大量的電子電源電路和控制電路來實現(xiàn)正確的功能。特殊電機結構中的結構限制可以限制每個定子繞組可用的抽頭數(shù)目，并由此限制線圈組數(shù)目。
從而，需要在擴展的速度范圍獲得高效電機運行的其它方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明實現(xiàn)了現(xiàn)有技術上述的各種需求，并為象前述Maslov等申請中公開的對單個定子鐵心進行隔離的這樣結構提供了額外的優(yōu)點。本發(fā)明闡述的原理對任何定子結構的電機或者發(fā)電機都是有利的，包括單鐵芯結構。
例如，至少在由多個鐵磁鐵芯段組成定子的多相電機中可以獲得一部分優(yōu)勢，這些鐵芯段繞大體均勻地分布在旋轉軸的四周，彼此之間進行隔離不直接接觸。每個鐵芯段形成至少一對極，該對極上繞有線圈以形成相繞組。每個定子相繞組具有的拓撲與其它每個相繞組的拓撲不同。繞組拓撲特征在于線圈總數(shù)和每個相繞組中線圈的線規(guī)。每個相繞組與一個或多個其它相繞組具有不同的線圈總數(shù)。每個相繞組包括的線圈的規(guī)格與一個或多個其它相繞組的線規(guī)不同。盡管相繞組的繞組拓撲與其它相繞組的繞組拓撲不同，但尤其有利的是，全部相繞組具有大致相同的線圈總質量。也就是說，具有越少線圈匝數(shù)的繞組具有更大的線圈直徑(規(guī)格)。優(yōu)選的是，全部相繞組具有的不同的總匝數(shù)和不同的線規(guī)，該規(guī)格尺寸與線圈匝數(shù)之間是反比關系。
本發(fā)明中的電機結構是很有優(yōu)勢的，因為可對繞組勵磁進行調整使電機在期望其運行的從起動速度至最大速度之間的多個運行速度范圍中的每個速度范圍內都能得到最大的效率。可以確定單個速度范圍，并且在每個速度范圍內，如施加在上面的電壓表明的那樣，可推導出每相繞組的勵磁程度以最大化運行效率。在每一運行速度范圍內，可以通過理論基礎或者試驗導出每相繞組的最優(yōu)施加電壓。舉例來說，對于一個具有多相的電機結構，在每個速度范圍內導出的電壓可以表明某相繞組上不能施加電壓，而余下的繞組上必須施加不同的電壓。勵磁相繞組的數(shù)目和特性以及個別所施加電壓的幅值在每一速度范圍內可以不同。在某個速度范圍內，可以預先確定每相繞組的最優(yōu)施加電壓，這樣，在運行中某個特定相繞組的勵磁、每相繞組上施加的電壓幅值隨著電機速度的增加或者減少到一個相鄰的速度范圍而進行動態(tài)改變。
對本領域的技術人員來說，僅通過對實施本發(fā)明的最佳預期方式舉例，通過下文的詳細描述可以清楚的了解本發(fā)明的其它優(yōu)點，其中本發(fā)明僅示出和描述了一個最佳實施方式。應該了解的是，本發(fā)明還有其它不同的實施方式，各種實施方式中的細節(jié)可以在不偏離本發(fā)明的情況下進行各種明顯的改進。因此，附圖和說明書是要闡釋實質問題而非限制性的。


本發(fā)明通過舉例來說明，但不是限制性的，其中附圖中相同的附圖標記表示相同的元件，其中圖1給出的是電機效率與電機運行速度之間的關系曲線圖，這個關系曲線圖是不同普通電機在較寬速度范圍內得到的，并且這些不同的普通電機具有不同繞組匝數(shù)。
圖2給出的是應用在本發(fā)明中的轉子和定子元件的示意性結構。
圖3列出的是一圖表，其顯示的是本發(fā)明舉例的多相電機每一相繞組的線規(guī)和繞組總匝數(shù)。
圖4是圖2中電機的電壓源電路的部分框圖。
圖5是圖2所示電機在運行速度范圍內提供給每相繞組的電壓示意圖。
圖6是對應圖5工作電壓下的電機效率與電機運行速度的關系曲線圖。
具體實施例方式
圖2是應用在本發(fā)明中的轉子和定子元件的示意性結構。以前面提到的待批Maslov等的申請09/826422作為參考來更詳細的說明本文所列舉的電機。轉子件20是環(huán)形結構，具有彼此間隔開并沿圓周支撐板25大體均勻分布的永磁體21。永磁體是轉子極，沿環(huán)孔內周其磁極性是交替的。轉子環(huán)繞定子件30，轉子和定子件通過環(huán)形徑向氣隙而間隔開。定子30包括多個統(tǒng)一結構的電磁鐵芯段，這些鐵芯段沿氣隙均勻分布。
定子包括七個鐵芯段，每個鐵芯段形成為普通的U形磁結構36，該結構包括兩個極，該極具有面對氣隙的表面32。極對的腳上纏繞著繞組38，盡管鐵芯段的結構可以構造成在連接極對的部分上容納單個繞組。每個定子電磁鐵芯段是分隔開并與相鄰鐵心元件磁性絕緣的。每個鐵芯段可以認為代表一相，相繞組沿氣隙用標記38a-38g連續(xù)標識。定子元件36固定到非導磁支撐結構上，進而形成了環(huán)形結構。這種結構可以消除相鄰定子極組產(chǎn)生的雜散互感磁通的泄漏。適當?shù)亩ㄗ又谓Y構可以在前述專利申請中了解到，該結構在本文中沒有說明，這樣可以使有效的電機元件更清楚直觀。
繞組38a-38g在線規(guī)和繞組線圈總匝數(shù)方面，具有彼此不同的繞組拓撲。盡管在本實施方式中優(yōu)選的是，每個相繞組具有唯一的繞組總匝數(shù)和唯一的線規(guī)，但兩個或多個相繞組可以具有相似的線規(guī)或匝數(shù)。其它實施方式可以包括更多分隔開的鐵芯段極對。在這些實施方式中優(yōu)選的是某些相繞組具有相同繞組拓撲。
圖3是以圖2中示出七相電機的相繞組為例的拓撲圖。每個相繞組具有唯一的線圈匝數(shù)并用唯一規(guī)格的線圈構成。每相繞組的總的銅質量是相同的。
圖4是附圖2中電機的電壓供電電路的部分框圖。相繞組38a-38g通過分別與電壓轉換器42a-42g串聯(lián)而與直流電源40連接。每個電壓轉換器的控制端與控制器44連接，控制器44也與電源40連接?？刂破骱碗妷恨D換器是普通的裝置，在Maslov等的待審批申請10/173610中有更詳細的描述。包括微控制器和相關存儲裝置的控制器44可以具有一個或多個用戶輸入端和多個用于檢測電機運行期間狀態(tài)的輸入端。為了清楚的解釋本發(fā)明，電機速度輸入端是唯一被示出的電機狀態(tài)反饋輸入端。速度輸入信號可由任何普通速度傳感器產(chǎn)生。存儲在控制器中的是一個表，該表可確認將要加給每個相繞組的電壓值，該電壓對應于工作范圍內多個速度范圍中的每個速度范圍。在下表中給出電壓值，這些求得的電壓值為每相繞組38a-38g提供各種速度范圍內的最大工作效率。每個范圍的工作效率也在該表中列出。
表

在工作中，控制器44對表格中的數(shù)據(jù)進行訪問以確定在起動時要激勵哪些相繞組以及要加給每個相繞組的電壓值?？刂破鲗谶@些值的適當控制電壓輸出到與相繞組連接的各個電壓轉換器中。在電機加速時，對電機速度進行連續(xù)取樣并作為信號輸入反饋到控制器中。響應于接收到的速度輸入信號，控制器對存儲的表進行訪問，以獲得在檢測到的速度的所在范圍內，每相繞組的電壓數(shù)據(jù)。新的控制信號，對應于所訪問到的數(shù)據(jù)，輸出到電壓轉換器，如果合適的話，改變要加給相繞組的電壓。隨著電機負載改變，電機速度可以相應地改變?？刂破靼凑毡碇刑峁┑臄?shù)據(jù)為這些變化依次調節(jié)其輸出的控制電壓，以在整個運行速度范圍內維持最優(yōu)的工作效率。
該表描述的速度運行范圍是360rpm，為了精確調節(jié)電壓值，對這個速度運行范圍進行了非常細的劃分，以應用精確調節(jié)的電壓電平。圖5中的圖形可以體現(xiàn)這個信息，每個曲線表示在全部范圍內要加到各個相繞組上的電壓。曲線1表示加到繞組38a上的電壓；曲線2表示加到繞組38c上的電壓；曲線3表示加到繞組38e上的電壓；曲線4表示加到繞組38g上的電壓；曲線5表示加到繞組38b上的電壓；曲線6表示加到繞組38d上的電壓；曲線7表示加到繞組38f上的電壓。
在運行速度范圍的不同部分期間，將勵磁不同組合方式的相繞組。在任何時候都不是勵磁全部七相繞組。如圖5中所證實，在起動的時候，采用如圖所示的變化的電壓值對四個相繞組勵磁，直到速度上升至100rpm。對于100到140rpm之間的速度，用如圖所示的電壓值對三相繞組進行勵磁140到160rpm之間的速度，兩相繞組受到勵磁；160到180rpm之間的速度，三相繞組受到勵磁；180到220rpm之間的速度，兩相繞組受到勵磁；220到230rpm之間的速度，三相繞組受到勵磁；230到290rpm之間的速度，兩相繞組受到勵磁；大于290rpm的速度，只有一個繞組受到勵磁。對于這些范圍中的每一個范圍，給出不同組合方式的受勵磁繞組，然后施加不同的勵磁電壓。
在整個速度范圍內根據(jù)該圖表運行而獲得的電機效率在圖6中示出。這個曲線同圖1中示出按常規(guī)運行的電機的效率曲線相比，本發(fā)明的運行效率有改善。當整個電機運行范圍內采用圖表中示出的電壓進行勵磁時，在大約四分之三的速度范圍內，本發(fā)明定子繞組結構所提供的電機工作效率超過了百分之八十。
在公開的內容中，圖示和描述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式以及僅僅幾個其通用性的例子。應該了解的是，本發(fā)明可以用于各種組合和場合，本發(fā)明也可以在本文闡述的發(fā)明原理范圍內進行變化和更改。例如，有利的是，電機拓撲可以根據(jù)不同的極數(shù)、極尺寸與結構、極組成物等等而明顯改變?？梢赃x擇不同線圈匝數(shù)和速度范圍子集來適應特殊的拓撲?？梢匀坎捎孟嗤?guī)格的繞線，而改變每一定子鐵芯段的匝數(shù)，取代用不同規(guī)格的繞線制作每一定子鐵芯段繞組。線圈部分的結構可以針對不同拓撲進行改變以達到最優(yōu)效率曲線?？梢詫﹂撝颠M行調整，以增加和/或減少一個或多個速度范圍，從而設定多個均勻或不均勻分布的速度范圍子集。
權利要求
1.一種包括定子和轉子的電動機，該定子包括多個鐵芯段，每個段具有纏繞其上的線圈總數(shù)；其中，該在鐵芯段之中第一鐵芯段上的線圈總數(shù)與在鐵芯段之中第二鐵芯段上的線圈總數(shù)不同。
2.根據(jù)權利要求1的電動機，其中，在第一鐵芯段上的線圈具有的線規(guī)與第二鐵芯段上的線圈線規(guī)不同。
3.根據(jù)權利要求1的電動機，其中，該定子包括至少三個鐵芯段；以及每個鐵芯段加工成至少一個極對結構，纏繞其上的線圈形成相繞組；每個相繞組與其它每個相繞組具有不同的線圈總數(shù)。
4.根據(jù)權利要求3的電動機，其中，每個鐵芯段由鐵磁材料制成，每個鐵芯段與其它任何一個鐵芯段都分隔開而不直接接觸，并且鐵芯段環(huán)繞轉軸大體均勻地間隔分布。
5.根據(jù)權利要求3的電動機，其中，一個相繞組包括的線圈的規(guī)格與至少一個其它相繞組的線規(guī)不同。
6.根據(jù)權利要求5的電動機，其中，每個相繞組包括的線圈的規(guī)格與其它每個相繞組的線規(guī)不同。
7.根據(jù)權利要求6的電動機，其中，相繞組的規(guī)格尺寸與相繞組的線圈總匝數(shù)呈反比關系。
8.根據(jù)權利要求1的電動機，其中，轉子包括多個永磁體。
9.一種包括定子和轉子的電動機，該定子包括至少三個包括鐵磁材料的鐵芯段，這些鐵芯段環(huán)繞轉軸大體均勻地間隔分布，并且相互分開而不直接接觸，每個鐵芯段加工成至少一個極對的結構，具有纏繞其上的一定數(shù)量的線圈以形成相繞組；其中，相繞組中的第一相繞組具有的線規(guī)與相繞組中的第二相繞組的線規(guī)不同。
10.根據(jù)權利要求9的電動機，其中，每個相繞組具有的線規(guī)與其它每個相繞組的線規(guī)不同。
11.根據(jù)權利要求9的電動機，其中第一相繞組的線圈數(shù)與第二相繞組的線圈數(shù)不同。
12.一種包括定子和轉子的多相電機，該定子包括多個鐵磁鐵芯段，這些鐵芯段環(huán)繞轉軸大體均勻地間隔分布，且彼此分開而不直接接觸，每個鐵芯段加工成至少一個極對，該對極上繞有線圈以形成相繞組，該相繞組具有的拓撲特征在于線圈總數(shù)和線圈的線規(guī)，至少兩個相繞組中的每一個具有互不相同的拓撲。
13.根據(jù)權利要求12的多相電機，其中全部相繞組具有大體相同的線圈總質量。
全文摘要
一種多相電機，包括多個鐵磁定子鐵芯段，這些鐵芯段大體均勻地間隔分布在轉軸四周，并彼此不直接接觸。每個鐵芯段形成至少一個極對，其上繞有線圈，以形成相繞組。每個定子相繞組配置成的拓撲與其它每個相繞組的拓撲不同。每個相擾組的總線圈匝數(shù)與其它一個多個相繞組的總線圈匝數(shù)不同。每個相繞組包括的線圈線規(guī)與其它一個或多個相繞組的線圈線規(guī)不同。優(yōu)選的是，全部相繞組具有大體相同的總線圈質量。
文檔編號H02K3/18GK1757149SQ200480005510
公開日2006年4月5日 申請日期2004年1月29日 優(yōu)先權日2003年1月29日
發(fā)明者亞歷山大·A·格拉德科夫 申請人:波峰實驗室責任有限公司