带有绕线电感器的同步电机的制作方法

从现有技术例如出版物zhongzewuicems2016“电动汽车用分段定子绕线场开关式磁通电机的设计与分析”中已知开关式磁通绕线电感同步电机，其尤其用于在车辆中提供电力或机械功率。经由轴承连接至轴的开关式磁通同步旋转电机使得可以供应电力以向车辆的电气部件供应电力，或者供应机械功率以驱动车辆，即提供车辆消耗品所需的比例扭矩。这种类型的电机由于更大的绕组总表面积而可以获得更高水平的扭矩。

这种类型的开关式磁通同步旋转电机包括励磁定子和电枢定子，两个定子以同心的径向配置围绕旋转轴线z定位，励磁定子在电枢定子的内部，空气间隙限定在两个定子之间，其中容纳有转子，励磁定子由定子主体形成，该定子主体包括从励磁定子主体朝向转子延伸的多个齿，励磁绕组缠绕在所述励磁定子的多个齿上，电枢定子由定子主体形成，该定子主体包括从电枢定子主体朝向转子延伸的多个齿，电枢绕组缠绕在所述电枢定子的多个齿上，并且转子没有绕组或永磁体，转子由沿圆周设置在面对每个定子的空气间隙中的成对极性部分的组件形成，所述极性部分通过极性步长分开。

这种类型的电机的缺点在于，在转子相对于励磁和电枢定子运动期间，场线的修改在励磁定子处产生破坏性的感应电压，从而产生损耗，并降低电机的性能水平。因此，目的是通过减小所述感应电压而能够优化产生的扭矩。

因此，在诸如形成本发明主题的电机之类的电机中，一极性部分对包括第一极性部分和与第一极性部分相邻的第二极性部分，每个极性部分基本上具有截头棱锥的形式，定位在空气间隙中的每个极性部分具有：沿电机的轴线的两个面对的轴向端部表面、沿电机的圆周方向的两个面对的空白、彼此面对的两个面，其包括面对电枢定子的上面和面对励磁定子的下面，第一极性部分的上面沿转子的圆周具有一范围，该范围在第一左空白和第一右空白之间由面对电枢定子的所述面的开口角度γr01限定，第一极性部分的下面沿转子的圆周具有一范围，该范围在第一左空白和第一右空白之间由面对励磁定子的所述面的开口角度γri1限定，同一对中的第二极性部分的上面沿转子的圆周具有一范围，该范围在第二左空白和第二右空白之间由面对电枢定子的所述面的开口角度γr02限定，第二极性部分的下面沿转子的圆周具有一范围，该范围在第二左空白和第二右空白之间由面对励磁定子的所述面的开口角度γri2限定，两个极性部分布置成使得第一极性部分的轴向端部表面面对第二极性部分的轴向端部表面，第一极性部分的空白倾斜成使得：γri1＜γr01，第二极性部分的空白倾斜成使得：γr02＜γri2，其中γr01和γr02的大小相同。

这种类型的电机具有简单的设计，因为它不需要集电环、电刷等，唯一可移动部分是可与极性部分一起移动的部分，其不需要任何电流限制，并且容易装配极性部分。另外，通过限制励磁定子处的磁通量的突然变化，形成转子的极性部分对的几何形状和特定布置使得可以减小破坏性感应电压谐波。空白的倾斜也有助于减少磁通的突然变化。

根据一个实施例，该电机使得γr01＝γr02＝γr0，γr0是面对电枢定子的开口角度，并验证不等式：0.5＜rri1＜0.9，0.9＜rri2＜0.95以及0.7＜rr0＜0.75，其中，角极性步长由以下定义：极性步长＝360/ner，其中ner表示转子上的齿数，并且rr0＝γr0/极性步长，rri1＝γri1/极性步长，rri2＝γri2/极性步长。

根据一个实施例，该电机使得rri2等于0.95，rri1等于0.54。

根据一个实施例，对于每个极性部分，两个轴向端部面基本彼此平行并且横向于所述上面和下面，对于每个极性部分，上面和下面之间的距离(即厚度)对于两个极性部分是相同的，对于每个极性部分，轴向端部面之间的距离(即深度)对于两个极性部分是相同的，第一极性部分的左空白具有与第一极性部分的右空白在相反方向上的相同倾斜角，并且第一极性部分的右空白具有与第二极性部分的左空白在相反方向上的相同倾斜角，两个极性部分定位成使得第一极性部分的上面沿着电机的轴线与第二极性部分的上面连续。

根据一个实施例，每个极性部分是基本对称的，第一极性部分的两个空白相对于横向于上面的平面在两个相反的方向上基本倾斜相同的倾斜角ζ，第二极性部分的两个空白在两个相反的方向上也倾斜相同的倾斜角ζ。

根据一个实施例，n对极性部分沿着电机的轴向方向以相邻对设置，n对中的两个相邻对沿转子的圆周偏移的距离比第一极性步长短，相邻对沿转子的圆周成对地偏移，n对极性部分中的第一对和最后一对之间沿着转子的圆周方向的偏移v由下式给出：v＝n*2*p*tanθsk，其中，θsk表示扭转角。

根据一个实施例，电扭转角t包含在间隔[80°，90°]中，并且对于在每个定子处包括十二个齿的电机而言有利地约为84°，而与包含在十和十四之间的数量的成对极性部分无关，电扭转角t由下式给出：t＝θsk*x，其中，x是分配给每个定子的极对的数量。

根据一个实施例，每个定子的齿数为十二，并且极性部分对的数量为十，对于包含在间隔(25°，27°)中的γr0，所述面的面对第一极性部分的励磁定子的开口角度γri1包含在间隔(18°，32.4°)中，有利地约为19.4°，并且第二极性部分的面对励磁定子的所述面的开口角度γri2在间隔(32.4°，34.2°)中，有利地约为34.2°。

通过阅读以下描述并检查随附的附图，将会更好地理解本发明。这些附图纯粹是通过举例说明本发明的方式提供的，决不是限制性的。

图1表示旋转电机的透视图，其中放大了一对极性部分；

图2表示转子相对于定子的不同位置的磁通线；

图3a和3b表示根据两个透视图的一对极性部分；

图4表示在非对称极性部分的情况下的一对极性部分；

图5表示由于极性部分的耦合而引起的感应电压的衰减；

图6a和6b示出了在有或没有极性部分耦合的情况下6阶谐波的感应电压；

图7表示扭转的情况；

图8表示扭转角对感应电压的影响。

图1所示的旋转电机包括：固定的励磁定子12，其支持励磁；以及电枢定子11，其也是固定的。两个定子11、12以同心的径向配置围绕作为电机轴线的旋转轴线z装配，并且由空气间隙分开。转子20装配成围绕旋转轴线x在两个固定定子之间的空气间隙中旋转。

由软磁性材料制成的励磁定子12具有定子主体和从定子主体径向延伸的齿。励磁绕组102缠绕在励磁定子的每个齿上。励磁绕组102具有通过其的dc励磁电流。所述dc电流设计成使定子的分支极化，并且用作电感器。连接励磁线圈以产生预定数量的极。

径向地位于励磁定子12和电枢定子11之间的转子20由沿圆周设置在空气间隙中的极性部分形成。极性部分由软铁磁材料制成。极性部分安装在可移动环形支撑件上。可移动支撑件由非磁性和非导电材料制成，例如不锈钢或塑料。

转子20面对励磁定子12的齿。转子也面对电枢定子11。

电枢定子11由定子主体和从电枢定子主体朝向转子20径向延伸的齿形成。电枢绕组101缠绕在电枢定子11的每个齿上。电枢定子具有通过其的ac励磁电流。

在该实施例中，电机将有利地包括一个或多个导电线圈相。在图1所示的实施例中，这将是三相电机，这种类型的配置在控制和稳定性方面是有利的。

在这些电机中，尤其是当磁极和极性部分的数量验证以下方程式之一时，扭矩性能水平将得到改善：ns＝pl+ph或ns＝ph-pl或ns＝pl-ph，其中ns为转子中的极性部分对的数量，ph是电枢定子中的极对的数量，pl是励磁定子中的极对的数量。当验证了这些方程式之一时，每个定子在其与转子的相互作用中在转子的两侧具有相同数量x的极对。通过调节磁通密度，转子的成对极性部分21因此使得可以将每个定子转变成具有不同数量极的定子。

空气间隙中的场密度具有许多谐波，并且在转子20和电枢定子11之间的空气间隙中产生的最大谐波之一通常是阶pl-ph或pl+ph的谐波。

定子上的极的数量由绕组及其电源的选择限定。

在数字上，对于图1所示的电机，其中转子20包括十个极性部分21，因此极数将被选择为使得励磁定子具有8个磁极(pl＝4)，电枢定子具有12个极(ph＝6)。在电枢定子侧的空气间隙中，转子20将具有8极的励磁定子的磁通量转换到具有12极的电枢定子：ns-pl＝10-4＝6，其对应于电枢定子中的极对的数量ph。在励磁定子侧上的空气间隙中，转子20将具有12极的励磁定子的磁通量转换到具有8极的励磁定子：ns-ph＝10-6＝4，其对应于励磁定子中的极对的数量pl。

在操作中，通过穿过励磁定子12的线圈，dc电流在励磁定子12的每个分支处产生磁化，交替地对应于北极和南极。因此，通过励磁定子的磁化与转子20的极性部分之间的相互作用在空气间隙中产生旋转磁场，其使面对的励磁定子12的齿磁化。ac电流穿过的电枢定子11产生可变旋转场，其与先前的旋转场相互作用以产生扭矩。这两个场之间的相互作用导致如图2所示的场线。

转子20(即成对极性部分)相对于定子11、12的旋转根据极性部分的位置产生穿过励磁线圈的磁通路径的改变。

在图1所示的电机的情况下，励磁定子上的齿数与电枢定子上的齿数相同，其中励磁定子12的每个齿面对限定在电枢定子11的两个齿之间的凹口，成对极性部分位于励磁定子和电枢定子之间。

图2示出了在图1所示的电机的情况下电枢定子11取决于转子20的位置而受到的磁通。在转子20旋转期间，电枢定子11受到的磁通通过最大正值和最小负值，这对应于有利于磁通通过定子周围的一个或另一个极性部分的情况。

考虑到电机的一部分，其中电枢定子的齿在励磁定子的两个连续齿之间，当转子20处于极性部分21既面对励磁定子的齿又面对电枢定子的齿(θ＝0°或180°)时，磁通量循环通过电枢定子11。这对应于电枢定子受到的磁通极限。当极性部分21面对励磁定子12的两个齿之间的凹口，并且面对电枢定子11的齿(θ＝90°)时，磁通量直接在极性部分21和励磁定子的两个连续齿之间循环。这对应于电枢定子11受到的零磁通。当两个相邻的极性部分面对励磁定子的两个连续齿，而所涉及的电枢定子的齿不面对任何极性部分(θ＝270°)时，磁通直接循环通过与电枢定子的所涉及的齿相邻的两个齿，所涉及的电枢定子的齿受到的磁通为零。作为变型，两个定子上的齿数将不同。

取决于时间，通过励磁线圈的这种类型磁通的变化在励磁线圈的端子处产生感应电压。

电机的轴向方向z是根据电机的轴线的方向。圆周方向是在横向于电机的轴线z的平面上跟随转子的圆周的方向。电机的径向方向是在横向于轴线方向z的平面上由转子的半径给出的方向。

在图1中以透视图示出的该电机中，每个极性部分22、23为截头棱锥的形式，具有如图3所示的成对面对的六个面。每个极性部分有利地基本上是对称的。

每个极性部分被放置在两个定子11、12之间的空气间隙中，以使两个面面对定子。这两个面是上面和下面，其中上面220、230面对电枢定子，而下面221、231面对励磁定子12。这两个面略微弯曲，以便遵循定子的很小曲率。这两个面基本彼此平行，沿着径向方向面对。这两个上下表面由厚度e分开。

沿轴向方向z面对的另外两个面是两个轴向端部面224、225、234、235。所述两个轴向端部面基本横向于上面和下面，并且彼此平行。两个轴向端部面由深度p分开。

沿圆周方向彼此面对的最后两个面是极性部分21的空白。相对于沿着转子的圆周的位移方向限定了左空白222、232和右空白223、233。所述空白在相反的方向上相对于横向于上面、下面和轴向面的平面倾斜。截头棱锥的倾斜空白参与由磁通量的突然变化引起的感应电压的衰减。

如图3a所示，第一极性部分22沿圆周方向的范围由从电机的中心确定的角度给出。极性部分21的面对定子的两个面沿圆周不具有相同的范围。第一极性部分21的上面沿转子的圆周具有一范围，该范围在第一左空白和第一右空白之间由面对电枢定子的所述面的开口角度γr01限定。第一极性部分的下面沿转子的圆周具有一范围，该范围在第一左空白和第一右空白之间由面对励磁定子的所述面的开口角度γri1限定。限定第一极性部分的几何形状的两个不同的开口角度γri1、γr01验证方程式γri1＜γr01，其限定了第一极性部分的左右空白的倾斜角。

具有与第一极性部分相似的几何形状的第二相邻极性部分23也将具有带有相同厚度e和相同深度p的截头棱锥的形式。

第二极性部分的上面230沿转子的圆周具有一范围，该范围在第二左空白232和第二右空白233之间由面对电枢定子的所述面的开口角度γr02限定。第二极性部分的下面231沿转子的圆周具有一范围，该范围在第二左空白232和第二右空白233之间由面对励磁定子的所述面的开口角度γri2限定。限定第二极性部分的几何形状的两个不同的开口角度γri2、γr02验证方程式γri2＞γr02，其限定了第二极性部分的左右空白的倾斜角。

有利地，单个极性部分的两个空白在两个相反的方向上基本倾斜相同的角度ζ。

作为变型，两个空白倾斜两个不同的角度ζ1和ζ2。

根据优选实施例，角度γr01、γr02将与γr0基本相同，其中第一极性部分的上面具有与第二极性部分的上面基本相同的尺寸。

因此，单个对的两个极性部分的开口角度将验证以下方程式：

γri1＜γr0＜γri2

因此，两个极性部分22、23将是两个头到尾的截头棱锥，其中第一极性部分对应于朝向电机内部定向的棱锥，而第二极性部分对应于朝向电机外部定向的棱锥。

这两个极性部分布置成使得第一部分225的后轴向端部表面面对第二极性部分234的前轴向端部表面。因此，两个端部表面在第一极性部分的所有端部表面上接触，两个极性部分的两个上面形成矩形，具有宽度为2*p和对应于角度γr0的沿电机的圆周的纵向范围(图3b)。

两个极性部分22、23有利地在这些端部表面处彼此胶合。这使得可以防止两个极性部分之间的磁通量的不利泄漏。

因此，该对中的两个极性部分形成厚度为e、深度为2*p的块，沿轴向方向和圆周方向在其深度的一部分中挖空。

作为变型，可以将一对极性部分21加工成单件，即将通过加工单件材料来形成上述两个相邻极性部分的形态。

根据图4所示的变型，当单个极性部分的两个空白具有不同的倾斜角ζ1和ζ2时，极性部分因此是不对称的，该对的另一极性部分将再现相同的不对称性。因此，如图4所示，两个极性部分将设置成使得第一极性部分的具有倾斜角ζ1的左空白将具有与第二极性部分的右空白相同的倾斜角ζ1，但是方向相反。倾斜角ζ2的第一极性部分的右空白将与第二极性部分的左空白具有相同的倾斜角。

作为变型，两个轴向端部面不必横向于上面和下面，而是相对于横向于上面和下面的方向倾斜。

取决于电机的几何形状，角极性步长由以下定义：

极性步长＝360/ner，其中ner表示在此描述的情况下成对极性部分的数量。

通过以下方程式来设置极性部分耦合的参数：

rr0＝γr0/极性步长

rri1＝γri1/极性步长

rri2＝γri2/极性步长

耦合将在方程式验证以下不等式的配置中特别有效：

0.5＜rri1＜0.9

0.9＜rri2＜0.95

0.7＜rr0＜0.75

特别是在rri2等于0.95且rri1等于0.54的情况下，耦合将是最佳的，与两个定子(11、12)上的齿数无关，这与获得最佳耦合的角度条件相对应，与定子上的齿数无关。

代替地，且取代现有技术中已知的惯用的简单极性部分，当转子面对定子移动并且面对定子的齿和限定在定子的齿之间的凹口时，这种类型的成对极性部分120的插入将使得可以消除每个定子11、12和转子20之间的磁通的突然转变。实际上，第二极性部分产生补充磁通，其相对于第一极性部分所产生的磁通偏移了180°，使两个磁通相互补偿，从而得到了零总和，如图5所示。

对于对应于图1的电机几何结构，其中励磁定子上的齿数与电枢定子上的十二个齿数相同，并且对于包括十对极性部分的转子，根据极性部分相对于两个定子的位置，励磁线圈在转子运动期间承受的磁通量轨迹的突然变化会产生感应电压，且因此产生dc激励信号的谐波，在此配置中其主要谐波将是6阶谐波(图5)。

通过如前所述增加成对极性部分21，尤其对于该6阶谐波，将观察到峰到峰电压的显著降低，同时保持电机的较高水平平均扭矩。在极性部分具有以下尺寸的情况下，6阶谐波将大大衰减：γr0＝25.2°，γri1＝19.5°，γri2＝35°，如图6a和6b所示。

根据一变型，空气间隙的一对极性部分可被n对极性部分代替。多个成对极性部分将沿电机的轴向方向z成对地相邻。两个相邻的成对极性部分21将沿转子的圆周方向偏移。根据z，将第一对中的第二极性部分的后轴向端部面235部分地胶合在相邻对中的第一极性部分的前轴向端部面224上。两个连续对之间的偏移将有利地是规则的。

如图7所示，可以定义扭转角θsk，其将定义多对并置的极性部分相对于方向z的整体偏移，即在圆周方向上多个对中的第一对和最后一对之间的偏移。通过减小感应电压中的谐波6的影响，扭转也将可能抑制磁通量。

用p表示沿着旋转轴线z的n对极性部分的深度，并且每对具有前面描述的特性，p＝n*2*p。

因此，沿圆周方向的扭转参数v由v＝p*tanθsk给出。

因此，在两对连续极性部分之间沿圆周方向的偏移将由v＝2p*tanθsk给出。根据一变型，将可能考虑相邻的成对极性部分之间的不规则偏移。

扭转使得可以通过使磁通量变得更正弦而抑制磁通量，并限制主要谐波的影响。

机械扭转角θsk与电扭转角t通过以下方程式关联：

t＝θsk*x，其中x是分配给每个定子的极对的数量。

在先前电机在每个定子上包括12个齿的情况下，其中成对极性部分的数量包含在10到14之间，电扭转角将有利地包含在间隔[80°，90°]中，尤其将约为84°，如图8所示。这提供了最佳角度，不会过度减小扭矩，同时限制谐波6的影响。

在电机包括每个具有12个齿的励磁定子和电枢定子以及包括11对极性部分的转子的情况下，在极性部分具有以下尺寸的情况下，6阶谐波将大大衰减：γr0＝23°，γri1＝15°，γri2＝31°。

在这种类型的配置中，峰到峰电压大大降低，同时保持电机的较高水平平均扭矩。

在电机包括每个具有12个齿的励磁定子和电枢定子以及包括13对极性部分的转子的情况下，在极性部分具有以下尺寸的情况下，6阶谐波将大大衰减：γr0＝19.4°，γri1＝21.5°，γri2＝27°。

在电机包括每个具有12个齿的励磁定子和电枢定子以及包括14对极性部分的转子的情况下，在极性部分具有以下尺寸的情况下，6阶谐波将大大衰减：γr0＝18°，γri1＝14.5°，γri2＝24°。

在图6a和6b中示出了在定子上有12个齿而转子上有11、13或14个齿的数量的系统中，该谐波的峰到峰电压的减小。

在所有前述内容中，转子的极性部分通常将由软磁性材料制成，比如fesi、feco或feni铁磁性钢板。

尺寸将使得p通常约为35mm，e通常约为6mm。