专利名称：容许故障的电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动机和发电机，尤其涉及在故障状态期间能够继续操作的电动机和发电机。
电机设计和制造技术的不断发展使得这种技术应用的种类和数量不断增加。具体地说，作为发展的直接结果，电机，尤其是电动机和发电机，在重要的安全系统以及医疗和生命维持系统中的使用不断增加。可以想见，电机在这些类型的环境中的使用需要高度的可靠性，并且，在许多系统中，还需要具有一定的冗余度以便阻止在电机内的一种故障导致整个系统中的灾难性的故障。在过去，这些系统通常使用多个电机，以便确保任何一个电机的故障不致引起整个输出的故障，因而不致使紧急系统遭受灾难性的损失。
不过，和所有其它技术领域一样，存在试图减小在这些类型的系统中使用的设备的体积的动力。这种动力不再容许过去的冗余的原始的系统，其中利用多个冗余电机避免一个电机可能发生故障。这些旧的冗余系统除去要求较大的物理体积外，由于要求具有两个或多个在物理上单独的电机而非常昂贵。
在涉及电动机和发电机的电机技术的一个领域中，已经发现，在过去需要使用两个单独的电动机或发电机以便满足冗余要求的解决方案不再需要使用冗余电机。在电动机或发电机中，电机的定子可以以这样的方式绕制，使得其包括多组定子绕组。所述多个定子绕组提供为驱动给定的负载所需的冗余驱动，或者在作为发电机应用的情况下提供为向多个负载供电所需的冗余电源。这种绕组结构允许使用“一个”具有一个转子、一个定子和一个壳体的电动机或发电机，但是利用多组定子绕组为紧急系统提供所需的冗余度。
利用冗余绕组的一种电动机在1984年2月28日公布的Langley等人的名称为MOTOR WITH REDUNDANT WINDINGS的4434389号美国专利中披露了。在所述专利中，描述了一种电动机，其具有被独立的电路激励的冗余的几组定子绕组。这使得即使在一个绕组或者特定的激励电路故障时电动机仍然能够工作。在该专利中所述的这种电机的每组定子绕组利用分布式相绕组系统。这些组的定子绕组在物理上是分开的，在每组单独的绕组组之间不允许绕组重叠。该专利说明的其冗余电动机设计和常规的电动机不同，在常规的电动机中，相邻组的绕组允许重叠。
在1995年10月29日公布的Vaidya的4550267号名称为REDUNDANT MULTIPLE CHANNEL ELECTRIC MOTORS AND GENERATORS美国专利中披露了另一种利用冗余定子绕组增加故障许可的电机。如同’389专利一样，该专利也教导使用按分布式绕组结构绕制的多个冗余定子绕组，并且定子绕组本身没有重叠的部分。不过，和Langley等的’398号专利不同，在Vaidya 267号专利中描述的冗余的电机允许这样一种结构，其中电磁隔离通过允许在两个区域内的绕组重叠可以被折中，但是除去说明这是可接受的之外，没有说明这种结构的细节。
虽然上述两个专利的电机都旨在克服需要单独的电机来满足重要系统的冗余要求，但是对于最高级的重要应用而言，它们都不是合适的，对于医疗领域，它们也不是合适的。具体地说，上述专利的每种电机都认为发生在定子绕组内的短路问题是一种需要使用冗余的定子绕组的故障状态之一。然而，每个专利都说明使用分布式线绕组结构作为每组分布式定子绕组。不幸的是，这种分布式线绕组结构大大增加了相与相间短路的可能性，如下参照
图1所述。
图1示意地说明按照现有技术的教导利用常规的分布式线绕组结构构成的冗余电机10。这种电机10需要24槽的定子12，在其最简单的结构中，绕有两组定子绕组14和16。在图1中被线18分成两半，线18只是为了帮助理解这种结构，并不表示这种设计中的任何实际的装置。由这种简化的示意图可见，这种分布式线绕组结构导致大量的相线交叉点20。
为了确定一个相的导线和另一个相的导线交叉的实际次数，必须考虑导线交叉的类型和数量。第一种类型的导线交叉是线圈和线圈的交叉。在三相分布式布线系统的情况下，具有6个这种类型的导线交叉。每个这种交叉的交点的数量等于每个相的每个线圈的匝数乘以另一个相的每个线圈的匝数。在一种典型的电机中，每个线圈具有35匝，因此，线圈和线圈之间导线交叉的总数等于6(TC*TC)或6(35*35)，这等于7350个交点。
下一种类型的导线交叉是极间环对线圈的交叉。和线圈之间的交叉一样，具有6个这种交叉。对于每个这种类型的交叉，实际的导线交叉的数量对于每个线圈的匝数乘以构成极间环的导线的数量。后者一般等于1．因此极间环和线圈导线交叉的总数等于6(TC*T1p1)或6(35*1)，这等于210个交点。
最后一种由在现有技术中使用的分布式布线系统导致的导线交叉是极间和极间的导线交叉。和上述类型的交叉不同，这种类型的交叉只有3个交点。此外，因为一般只使用一个导线构成极间环，所以对于每个交点实际的导线交叉的数量是1。因此，极间导线的交叉的总数是3(Tip1)或3(1)，这等于(3)个交点。
在计算出由现有技术的分布式布线系统引起的每个元件的导线交叉的类型之后，这些数量必须被加在一起再乘以被使用的冗余线圈的数量后者乘以定子上的端点的数量。最简单的例子只使用两组定子绕组，因而只具有两个端点。因此，最后计算出的由冗余电机的分布式绕组系统引起的导线交点的数量是(7350+210+3)(2)(2)，这等于30252个交点。
不幸的是，30252个导线交点的每个交点都具有产生导线短路的机会。虽然这种机会可以通过加强在这些导线上的绝缘被减小，但是，这将导致这种电机的制造成本的不能接受的增加。此外，导线交点的数量随着增加的冗余定子绕组数量的增加而增加，这进一步增加了相间短路的几率。在要求提高冗余度以阻止系统的灾难性故障的系统中，这导致不能接受的结果。
因此，本发明的目的在于至少克服现有技术中的一些上述问题和其它问题。更具体地说，本发明的目的在于提供一种新的改进的电机，其能够提供冗余操作，同时又能减少引入冗余所带来的故障的可能性。本发明的另一个目的在于提供一种电机，其具有冗余操作能力，并能够减少制造成本。此外，本发明的目的在于提供一种比现有技术中已知的电机具有高的可靠性的电机。
从上述的本发明的目的和从下面的说明中可以清楚地看出的本发明的其它目的看来，本发明的特征在于提供一种具有冗余操作能力的使相线的交点数量最少的呈电动机或发电机形式的电机。本发明的另一个特征在于，提供一种和已知的电机相比其各个相线圈之间被极好地隔离的电机。
因此，本发明的一个方面在于提供一种具有冗余操作能力的电机，其各个相线圈只在内极环交叉，而不在每个线圈的末匝交叉，借以减少相线交点的数量，增加每个相线圈之间的隔离，从而减少相间短路的可能性。本发明的另一个方面在于，使每组冗余定子绕组的绕组可以占用共用的定子槽而不允许相互重叠。此外，本发明的一个方面在于，使不同的冗余定子部分的绕组之间的绝缘被包括在共用定子槽中，以便确保其间的电绝缘。
在本发明的一个实施例中，提供一种电机，其包括定子，所述定子具有被围绕内圆周设置的多个定子磁极，并在其间限定多个槽。转子被可转动地设置在定子内，并且在定子磁极上至少这样绕制第一组和第二组定子绕组，使得它们占据定子槽。允许在绕组的冗余组之间的边界上从每组冗余定子绕组延伸的边界绕组占据共用定子槽。这些边界绕组不相互重叠。这种电机还包括在占据共用定子槽的定子绕组的冗余组的这些边界绕组之间设置的绝缘。最好是，这些绝缘包括被设置在边界绕组之间的绝缘层，例如Nomex绝缘层或其它合适的绝缘层。
在本发明的一个优选实施例中，本发明的电机包括至少两组以单距绕组结构被绕在定子磁极上的定子绕组。这些组的定子绕组包括多个被绕在定子磁极上的单独的相线圈。这些单独绕制的相线圈的每一个在其围绕定子磁极缠绕的末端限定末端匝。在本发明的优选实施例中，所形成的每个单独的线圈的末端匝不和其它单独的相线圈的末端匝相交。在本发明的一个较好的优选实施例中，单独的相线圈被在一个以上的定子磁极上绕制，并由内极环连接。在这种结构中，只有单独的相线圈的内极环相互交叉。绕组的其它部分都不和任何其它绕组的任何其它部分交叉。单独的相线圈被这样缠绕在单独的定子磁极上，使得每个槽被绕在每个相邻的定子磁极上的单独的相线圈所占据，即，每个定子槽被两组绕组占据。
在本发明的另一个实施例中，本发明的电动机包括线绕的定子，其具有两组被绕在定子上的不重叠的电绝缘绕组，以及永磁体转子，其被可转动地设置在定子内，并和一个轴相连，用于驱动负载。这种电动机的定子包括多个磁极，用于在其间限定多个槽，并且两组绕组的每一组包括围绕这些磁极以不重叠的方式绕制的多个单独的相绕组。有利的是，两组单独的相绕组占据这些槽的每个槽。
在本发明的电动机的一个实施例中，最好一组绕组中的至少一个单独的相绕组和另一组绕组的至少一个单独的相绕组占据一个共用槽。这些单独的相绕组不相互重叠，并且包括用于防止在其间发生电短路的绝缘层。每个单独的相绕组被缠绕在一个以上的磁极上，并用内极环连接在一起。对于所有的单独的绕组，只有内极环相互重叠。
此外，按照本发明的一个实施例，一种用于增加具有定子和被可转动地设置在定子中的转子的电机的可靠性的方法包括以下步骤a)在定子的第一部分上以不重叠的单距方式绕制第一组定子绕组；b)在定子的第二部分上以不重叠的单距方式绕制第二组定子绕组；以及c)使第一组定子绕组和第二组定子绕组电绝缘。其中定子包括多个磁极，在其间限定多个槽，并且每组定子绕组包括多个单独的相绕组，所述方法还包括以下步骤以这样的方式在给定的磁极上绕制每个单独的相绕组，使得每个槽被限定该槽的每个磁极的相绕组占据。
本发明的这些和其它的目的和优点通过结合附图阅读下面的详细说明将会清楚地看出，其中图1是说明现有技术的利用分布式绕组结构的冗余电机的示意图；图2是按照本发明构成的冗余电机的示意图；图3是按照本发明的一个方面并适合于图2所示的本发明的实施例的单距绕线的示意图；图4是按照本发明的一个实施例的电机的截面图；以及图5是说明按照本发明的电机的实施例的冗余能力的故障操作性能曲线。
虽然本发明可以有多个改型和不同的结构，但是在附图中只示出了一些实施例，并在下面将详细说明这些实施例。不过应当理解，本发明并不限于所披露的具体形式，而是与此相反，本发明覆盖了所有的改型，其它的结构和等效替换物，它们都落在所附权利要求的范围内。
图2以简化的示意图的形式说明本发明的一个优选实施例。图2中作为无刷直流电动机22的本发明的电机包括定子24，其具有多个用于限定定子24的内圆周28的定子磁极26。定子磁极26之间限定多个槽30。在图2所示的实施例中，电机22包括永磁体转子32，其被可转动地支撑在定子24的圆周28内。图2所示的电机22的特定结构包括18个定子槽30，这种结构尤其适合于双冗余无刷直流电动机设计。不过，应当注意，虽然本文以无刷直流电动机为例说明本发明的实施例，但是，本领域技术人员应当理解，本发明的教导同样适用于发电机和电动机。因此，本文的说明应当只作为例子，而不应当把本发明只局限于电动机。
由图2所示的本发明的实施例可见，直流无刷电动机22含有两组定子绕组34,36，它们被绕在定子的分开的“半球”上，其间的划分由虚线38表示。在每个半球内，各组相绕组被绕在每个定子磁极26上。在本发明的本实施例中利用的特定的绕组结构是单距绕组结构，其中在所示定子24的端部没有导线交叉。这种单距绕组结构得到两个单独的绕组，例如绕组40和42，它们在物理上位于定子24的共用槽内。在冗余电机的两个半球中全部利用这种共用槽设置，包括用于容纳边界绕组40,44和46,48的槽在内，这些边界绕组位于半球之间的边界上的冗余绕组的每个的端部。虽然占据相同的物理槽，但是这些边界绕组40,44和46,48借助于被设置在其间的绝缘装置相互之间被电隔离。用于隔离这些绕组的合适的装置包括在这些边界绕组之间插入Nomex层或其它合适的电绝缘层。还应当注意到，虽然这些边界绕组40,44和46,48占据定子上的相同的物理槽，但是这些绕组不相互重叠，因而保持其间的电绝缘。这种单距绕组结构使得定子24能够用针绕制，因而大大减少了这种电机的制造成本。
为了进一步说明本发明的优选实施例的一个方面，现在参照图3进行说明。可以看出，该图是一个示意的绕线图，用于说明按照本发明的一个方面的单距绕组，并适用于图2所示的本发明的实施例。图3所示的槽的编号和图2所示的本发明的实施例中使用的槽的编号一致。由图以及由说明的简单说明可见，在本发明的优选实施例中使用的单距绕组结构在定子的一端不产生导线交叉。这种绕组结构中存在的唯一的导线交叉是由内极环54,56和58产生的，这些内极环用于连接给定的半球上的给定的定子相的各个相线圈和同一定子相的其它的各个相线圈。由图3所示的一个半球可以看出，在本发明的电机的每个半球上由内极环产生了9个导线交叉，在按照本发明的实施例的整个冗余电机中总共只有18个导线交叉。显然，和按照现有技术的教导制造的冗余电机相比，这大大减少了导线交叉的数量。具体地说，导线交叉的数量，因而也是可能发生短路的点的数量，从由使用现有技术的分布式线绕结构存在的30252个减少到由本发明的单距绕组结构产生的18个(每个半球9个，图3只示出了定子的一端)。这种导线交叉数量的极大的减少通过包括在一个定子磁极上的只由一个单独的相内环连接到单独的定子磁极上的另一个自含的单独的相绕组的整个单独的相线圈使得容易实现。使用这种按照本发明的绕组结构，可以大大增加这种冗余电机的可靠性使得它们能够被用于包括生命维持系统和其它的医疗设备的高度紧急的系统中。
作为本发明的实施例的另一个方面，在延伸超过定子24的端部的各个相线圈的端部限定的端匝60不和在现有技术中利用的分布式线绕结构那样和其它的各个相绕组的端匝交叉。
图4的截面图示出了按照本发明的教导设计的电机的一个实施例。这种电机32包括壳体62，通过所述壳体延伸的轴64，在所述电机作为电动机操作的情况下，所述的轴和外部负载(未示出)相连，在作为发电机操作的情况下，所述的轴和使发电机旋转的能源相连。在电机22作为无刷直流电动机操作的情况下，两组定子绕组的每一个和驱动电源相连。根据系统要求的冗余度，这些电源可以是独立的，并且可以连续地为每组冗余定子绕组供电，使得一组定子绕组故障时，在一个可接受的最小的范围内，不影响轴64的输出操作特性。
对于由正弦电压激励的定子绕组的这些输出特性在图5中示出了，但是应当注意，也可以使用其它类型的电动机驱动，例如6步驱动，具有类似的结果。参见图5，其中示出了在冗余定子绕组由正弦电压供电的情况下在各种故障状态下，按照本发明的教导构成的电机的转矩对速度的特性曲线。曲线72说明在具有一组冗余定子绕组开路(只有一组定子绕组被供电)的情况下，按照本发明构成的实施例的电机分输出特性。曲线74说明在一组定子绕组内存在一相短路的情况下，相同电机的输出特性。曲线76说明在一个半球被正常激励，而第二半球含有三相短路的情况下的输出特性。
本领域技术人员由上述说明可以理解，按照本发明的教导构成的电机，不管是电动机还是发电机，都大大减少了制造时间和成本，同时大大提高了可靠性，这是由于由定子绕组引起的导线交叉的数量被大大减少了。此外，这种电机提供了较高的性能，这是由于在端匝中的I2R损失被大大减少了。此外，和按照现有技术构成的电机不同，不需要在叠层中切割出用于穿线的开口。这使得电机具有较好的每单位体积和每单位质量的性能。
虽然上面以半球绕制的直流无刷电动机为例说明了本发明，但是本领域技术人员应当理解，本发明的教导同样适用于具有增加的冗余度的其它电机。具体地说，根据系统要求，本发明的教导可以用于具有3个，4个或更多个定子绕组的电机中。此外，这些单独的冗余部分可以占据定子的相等的部分，或者并占据相等的部分，视需要而定。应当理解，虽然上面的说明使用了“重要”系统，本领域技术人员应当理解，本发明可以用于需要冗余操作的任何系统，包括紧急的和不紧急的。可以看出，这些不同的实施例中合适的极数和槽数可以和上述的一个冗余的半球绕制的电机的不同。同样，定子的极数和槽数也可以和上述的半球绕制的实施例不同，视需要而定。
按照上面的说明，本发明的教导提供了一种用于增加电机的可靠性的方法，使得本发明的电机可以用于高度重要的系统中，包括要求无故障操作的生命维持系统和其它医疗系统。因此，本发明提供的用于增加具有定子和转子的电机例如电动机和发电机的可靠性的方法包括以下步骤a)在定子的第一部分上不重叠地以单距方式绕制第一定子绕组；b)在定子的第二部分上也不重叠地以单距方式绕制至少第二组定子绕组；以及c)使第一组定子绕组和第二组定子绕组电隔离。此外，其中定子包括多个磁极，在所述多个磁极之间限定了多个槽，并且其中每组定子绕组包括多个单独的相绕组，按照本发明的优选的方法还包括以下步骤在给定的磁极上绕制绕制每个单独的相绕组，使得每个槽被来自限定所述槽的每个极的相绕组占据。
显然，按照上面的说明，本领域技术人员可以作出许多改型和不同的实施例。因而，本说明仅仅用于说明本发明，使本领域技术人员得知本发明的最好的实施方式。不脱离本发明的构思本说明中的结构细节可以具有多种改变，这些所有可能的实施例都落在本发明的范围内。
权利要求
1．一种电机，所述电机包括定子，所述定子具有被围绕其内圆周设置的多个定子磁极，所述定子磁极在其间限定多个槽；转子，其被可转动地设置在所述定子内；以及在所述定子磁极上的至少第一组和第二组定子绕组，它们占据所述的定子槽；并且其中所述至少第一和第二组定子绕组的边界绕组占据一个共用槽。
2．如权利要求1所述的电机，其中所述至少第一和第二组定子绕组的边界绕组是不重叠的。
3．如权利要求1所述的电机，还包括被设置在所述至少第一和第二组定子绕组的边界绕组之间的绝缘装置，用于使所述至少第一和第二组定子绕组的边界绕组电隔离。
4．如权利要求3所述的电机，其中所述绝缘装置包括被设置在所述边界绕组之间的绝缘层。
5．如权利要求4所述的电机，其中所述绝缘层包括Nomex绝缘层。
6．如权利要求1所述的电机，其中所述至少第一和第二组定子绕组以单距绕组结构被绕在所述定子磁极上。
7．如权利要求1所述的电机，其中所述至少第一和第二组定子绕组包括多个被绕在所述定子磁极上的单独的相线圈，所述单独绕制的相线圈在其末端限定末端匝，所述单独的相线圈的末端匝不和其它单独的相线圈的所述末端匝相交。
8．如权利要求1所述的电机，其中所述至少第一和第二组定子绕组包括多个单独的相线圈，所述单独相线圈的每一个被绕在一个以上的定子磁极上，并由内极环相连接，并且其中只有所述单独的相线圈的所述内极环相互交叉。
9．如权利要求1所述的电机，其中所述至少第一和第二组定子绕组包括多个单独的相线圈，它们被绕在所述的单独的定子磁极上，使得每个槽被绕在每个限定所述槽的所述定子磁极上的的单独的相线圈占据。
10．如权利要求1所述的电机，其中所述至少第一和第二组定子绕组包括多个单独的相线圈，它们被绕在所述的单独的定子磁极上，使得每个槽被两个单独的相线圈占据。
11．一种电动机，包括线绕的定子，其具有两组被绕在所述定子上的不重叠的电绝缘绕组；以及永磁体转子，其被可转动地设置在所述定子内，并和一个用于驱动负载的轴相连。
12．如权利要求11所述的电动机，其中所述的定子包括多个磁极，用于在其间限定多个槽，并且所述两组绕组的每一组包括围绕这些磁极以不重叠的方式绕制的多个单独的相绕组。
13．如权利要求12所述的电动机，其中两组所述的单独的相绕组占据所述的每个槽。
14．如权利要求13所述的电动机，其中一组绕组中的至少一个所述的单独的相绕组和另一组绕组中的至少一个所述的单独的相绕组占据一个共用槽。
15．如权利要求14所述的电动机，其中占据一个共用槽的一组绕组中的至少一个所述的单独的相绕组和另一组绕组中的至少一个所述的单独的相绕组不相互重叠。
16．如权利要求15所述的电动机，还包括被设置在占据一个共用槽的一组绕组中的至少一个所述的单独的相绕组和另一组绕组中的至少一个所述的单独的相绕组之间的电绝缘装置，用于防止在其间发生电短路。
17．如权利要求16所述的电动机，其中所述绝缘装置包括Nomex层。
18．如权利要求17所述的电动机，其中每个所述的单独的相绕组被缠绕在一个以上的磁极上，其中每个所述被缠绕在一个以上的磁极上的相绕组用内极环被连接在一起，并且其中只有所述内极环相互重叠。
19．一种用于增加具有定子和被可转动地设置在定子中的转子的电机的可靠性的方法，包括以下步骤在定子的第一部分上以不重叠的单距方式绕制第一组定子绕组；在定子的第二部分上以不重叠的单距方式绕制第二组定子绕组；以及使第一组定子绕组和第二组定子绕组电绝缘。
20．如权利要求19所述的方法，其中定子包括多个磁极，在其间限定多个槽，并且其中每组定子绕组包括多个单独的相绕组，所述方法还包括以下步骤以这样的方式在给定的磁极上绕制每个单独的相绕组，使得每个槽被限定该槽的每个磁极的相绕组占据。
全文摘要
一种电机,例如电动机或发电机,包括定子,所述定子具有被围绕其内圆周设置的多个定子磁极,所选定子磁极在其间限定多个槽;转子,其被可转动地设置在所述定子内;以及在所述定子磁极上的至少第一组和第二组定子绕组,它们占据所述的定子槽;并且其中所述每组定子绕组的边界绕组占据一个共用槽。所述每组定子绕组的这些边界绕组是不重叠的,并且包括在其间设置的绝缘。各组定子绕组以单距绕在的形式被绕在定子磁极上,使得大大减少导线交叉的数量。特别是,由各个相线圈限定的端匝是不重叠的。这种电机能够在各种故障下连续地操作。
文档编号H02K3/28GK1303534SQ99806569
公开日2001年7月11日 申请日期1999年3月11日 优先权日1998年4月2日
发明者B·A·特拉戈, R·E·洛尔多 申请人:太平洋科学公司