专利名称：具有集中绕组的刷式直流电机以及交流整流子电机结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及直流电机或AC整流子(通用)电机。尤其是，本发明涉及在转子上采用集中绕组(concentrated winding)的电机，该转子有缠绕在齿上的线圈。
在普通的DC电机或AC整流子(通用)电机中，有三种转子电枢绕组叠绕组、波形绕组和蛙腿式绕组。这些绕组由总是互锁的单线圈(simple coil)元件制成。对于互锁的绕组，端绕组的轴向长度和电枢磁路之间的比值相对较高，如Klein的美国专利No.4329610、Ban等的美国专利No.4197475以及Ikeda的美国专利No.4437028所述。
所有这些绕组的主要区别在于使单线圈的接线端子与整流子连接所采用的方法。叠绕组也称为复叠绕组，对于这种绕组，并联线路的数目等于极点的数目。波形绕组有时称为串联绕组，不管极点的数目如何，它只有两条并联线路。蛙腿式绕组是布置在相同电枢中、在相同狭槽内并与相同整流条相连的、叠绕组和波形绕组的联合体。
采用叠绕组的主要问题是在不同并联线路中的感应电压不相等。感应电压的这些差别是由于在不同极点下的不相等磁路磁阻或不相等的磁通，这是由转子偏心、极点不重合和/或永磁体磁化强度不同而引起的。因为感应电压不平衡，在绕组中出现平衡电流，该平衡电流通过电刷。这些平衡电流引起线圈和电刷的不必要加热，并将使整流作用变差。
采用平衡器连接(equalizer connection)是克服不希望的平衡电流作用的普通方法。这些连接通过提供绕过电刷触点的低电阻线路而提高了电流整流，减轻了电刷的流通电流。在波形绕组中，由于并联线路的不平衡电压引起的流通电流问题减小，但还不能完全使电压平衡。
为了避免线圈互锁，可以将电枢单线圈直接缠绕在转子磁路的各齿上。这种绕组称为集中绕组，如我们的科技文章“PermanentMagnet Brushless DC Motor with Soft Metal Powder forAutomotive Application”(IEEE工业应用科学，St.Louis，1998年10月)以及“Synthesis of High Performance PM Motors withConcentrated Windings”(IEEE IEMDC，Seattle，1999年5月)中所述。这种绕组也称为非叠置绕组，如Ban等的美国专利No.4197475所述。这种绕组减少了端绕组的铜容积、铜损失和电机的总轴向长度。当与传统结构的效率相比时，效率提高。这种绕组结构还比叠绕组户波形绕组更容易形成。当电机的轴向长度较小且电机的外径很重要时，与用于叠绕组的铜的容积相比，使用这样的绕组结构能够增加70％。
具有集中绕组的转子结构有较少数目的狭槽，并更易于形成磁路。磁路可以利用普通的软磁性层叠材料形成(由层叠物堆垛形成的轭铁)，而且可以采用由金属粉制成的软磁性复合材料。软磁性复合材料的渗透性比普通层叠材料的渗透性低三倍，如在Jack等的W.O专利No.9950949中所述。这样的低渗透性值减小了在电枢中的线圈电感，并改进了在两个收集器和电枢中的整流处理。具有少量狭槽的转子结构非常适于利用由金属粉制成的软磁性复合材料来形成直流电机或交流整流子(通用)电机的电枢磁路。由于较少数目的狭槽具有相对较大尺寸，在转子轭铁的直接模制处理时的机械限制减小。还可以很容易地将端绕组插入转子磁路的有效部分中。叠绕组的该轴向插入改善了铜容积的减小以及电机总轴向长度的减小。
不过，集中绕组技术通常与具有较短节距的绕组相关，并局限于这样的绕组，即性能比传统绕组结构的性能更低的绕组。具有较短节距的集中绕组局限于很小功率的用途(低于100W)，例如用于计算机外围设备或玩具的电机。这是最简单且成本较低的刷式直流电机，它广泛用于玩具中。这种2极点电机在定子芯上采用永磁体，并有在它的转子芯上的三个齿以及一个线圈只缠绕在一个齿上的集中绕组。电枢线圈的接线端子通过三个片以及两个电刷用于整流子相连，如Fujisaki等的美国专利No.4868433所述。该结构的绕组具有120电角度的较短节距。绕组系数或在由绕组包围的磁通的基本分量和每个极点的总磁通之间的比值只能等于0.866。
这种电机结构的主要缺点是在扭矩-重量比、扭矩波动等方面性能较低，且当功率增加时整流性能较差。由于该结构，线圈线路中在电刷之间的感应电压并不总是平衡。这种不平衡的工作状态产生补偿损失、扭矩波动、机械振动和整流问题。这些问题只有在较低功率用途中可接受。
发明简介本发明是一种DC或AC整流子电机的电枢绕组，该绕组消除了绕组的互锁问题以及流通电流问题。所有的线路电压都完全平衡，且与传统结构相比，改进了电流的整流。
在本发明中，整流子片的数目高于转子齿的数目，多个单线圈缠绕在相同的齿上。各线圈的引线与整流子的不同片相连。对于相同的供给DC电压值和相同的电机速度范围，采用本发明减小了每线圈的圈数。电枢绕组的并联线路能够完全平衡。通过电枢的并联电路的等电流分布能够保持，在这些并联电路之间没有流通电流。各单线圈的电感值减小，因此与在一个齿上只缠绕有一个的线圈的集中绕组情况相比，能够减小整流问题。端绕组的铜容积、Joule损失以及电机电枢的轴向长度都比具有互锁线圈的叠绕组或波形绕组更低。还可以将各线圈的引线与整流子片的连接布置成能够使电刷之间的不同线圈线路中获得平衡的电动势。这些结构可以高效用于较大功率范围的电机，且它们的实现成本低于传统结构的成本。
根据本发明，提供了两种结构具有规则分布的、有相同尺寸的转子齿的结构；以及具有规则分布的、有不同尺寸的转子齿的结构。这两种结构在性能和实现成本方面都很高效。这些结构的绕组系数值(即由绕组包围的磁通的基本分量和每个极点的总磁通之间的比值)较高。
本发明提出的结构的性能在电流整流方面与传统结构的性能相同。但是本发明提出的结构的性能在扭矩-绕组体积比方面高于传统结构的性能。通过本发明提出的结构，铜的容积减小，Joule损失(铜损失)和重量也减小。电机的总轴向长度也减小，效率提高，并高于传统结构。本发明提出的绕组和磁路的结构也更容易实现。从而使电机的总成本减至最小。
附图的简要说明
图1是根据本发明具有集中绕组和永磁体的直流电机的一个实例的剖视图。
图2是通过将电枢和整流子的外周展开成平面而形成的鼓形电枢的展开表面图。
图3是与图2的机器等效的机器结构的视图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。
图4是具有3个转子狭槽、2个定子极点、6个整流子片以及2个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。
图5是具有6个转子狭槽、4个定子极点、12个整流子片以及4个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。
图6是具有6个转子狭槽、4个定子极点、12个整流子片以及2个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。
图7是具有20个转子狭槽、4个定子极点、20个整流子片以及4个电刷的机器的展开图，其中，从1到5有单一的叠绕组和较短的节距。
图8是与图7的机器等效的机器结构的视图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。
图9是具有5个转子狭槽、4个定子极点、20个整流子片以及4个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。
图10图7和图9所示的机器的并联线圈线路的视图。
图11是具有5个转子狭槽、4个定子极点、20个整流子片以及2个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。
图12是具有5个转子狭槽、4个定子极点、40个整流子片以及4个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。
图13是具有5个转子狭槽、4个定子极点、40个整流子片以及2个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。
图14是具有10个转子狭槽、8个定子极点、40个整流子片以及8个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。
图15是具有12个转子狭槽、4个定子极点、12个整流子片以及4个电刷的机器的展开图，其中有单一的叠绕组和节距。
图16是与图15的机器等效的结构的视图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。
图17是具有6个转子狭槽、4个定子极点、12个整流子片以及4个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。
图18是具有6个转子狭槽、4个定子极点、12个整流子片以及2个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成，规则分布的转子齿有两种不同尺寸。
图19是具有10个转子狭槽、8个定子极点、40个整流子片以及4个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成，规则分布的转子齿有两种不同尺寸。
图20是永磁体电机的轴向剖视图，其中，转子磁路利用层叠钢材料形成。
图21是永磁体电机的轴向剖视图，其中，转子磁路利用各向同性的软磁复合材料形成。
图22是电机的轴向剖视图，其中，转子磁路利用各向同性的软磁复合材料形成。
优选实施例的说明在本发明的实施例中，转子有规则分布的转子齿，这些齿有相同的尺寸，且在定子上有2P个极点，这些极点交替磁化成北极和南极。这些极点可以通过安装在由软磁材料制成的芯的表面上的永磁体片而构成，或者通过缠绕在由软磁材料制成的齿上且供给DC或AC电流的线圈而构成。转子芯有S个狭槽。转子的单线圈缠绕在S个齿上，或者在某些情况下只缠绕在S/2个齿上。在整流子上有Z个片，这些片与线圈的终端相连。当转子旋转时，2B个电刷在整流子表面上滑动。这些机器的特征以如下条件表示P为整数，且0＜P＜10S＝2P+AA是整数，等于-1或1或2或3S＞2Z＝K*LCM(S，2P)±n K是大于0的整数LCM是S和2P的最小公倍数n等于o或KB＝P或更小这里，表1表示了一些结构，这些结构考虑到K等于1且n等于0时的情况。每条线路的线圈数等于mph(mph＝Z/2p)。电刷数2B通常等于定子极点数2P。多个同心线圈缠绕在各转子齿上，并连接到不同整流子片上。这时，每个齿的同心线圈数N等于N＝Z/S采用这样的绕组结构，可以减小每单线圈的圈数。在具有相同定子极点数目的传统机器结构中，通常通过采用更高的转子狭槽数目来同样减小圈数。因为各单线圈的电感值减小，整流问题也减小。
还可以布置成使各线圈与整流子片相连，以便在电刷之间的不同线圈线路中获得平衡电动势。这样的结构可以使绕组系数Kb值(由绕组包含的磁通的基本分量和每个极点的总磁通之间的比值)接近1(表1)，因此有很高的扭矩-重量比。所有这些机器可以在很宽的功率范围内和在很高的电枢电流值情况下高效用于电机和发电机。
表1
另外可以减小电刷数目2B以及缠绕在相同转子齿上的同心线圈数目N，以便使电机成本减至最小。这样结构的电机在表2中表示。表1的列2至11所示的结构有该特性，这时，需要在整流子片上添加某些平衡器连接(在不布置在狭槽中的情况下直接连接这些片的电线，例如见图6的线连接片3至9)。应当知道，这种变化降低了整流处理性能，同时增加了在剩余电刷中的电流水平。这种变化优选是用于很小功率和小功率机器中。
表2
还可以使整流子片Z的数目减小一半，并满足下面关系，以确定片的数目Z＝LCM(S，2P)/2 且Z/2P＞3通过这样减小片的数目，如表3中所示结构，可以获得在电刷之间的不同线圈线路的不平衡电动势，同时该不平衡的值将与各并联线路中的线圈数成反比。
表3
在本发明的第二实施例中，这些结构的转子有规则分布且不同尺寸的转子齿。
尤其是，这些机器的定子有2P个极点，这些极点交替磁化成北极和南极。这些极点可以通过安装在由软磁材料制成的芯的表面上的永磁体片而构成，或者通过缠绕在由软磁材料制成的齿上且供给DC或AC电流的线圈而构成。转子芯有S个狭槽，转子齿有两种不同的几何尺寸，它们交替环绕芯的外周。转子线圈缠绕在S/2个齿上。在整流子上有Z个片，这些片与线圈的终端相连。当转子旋转时，2B个电刷在整流子表面上滑动。这些机器的特征以如下条件表示P为整数，且0＜P＜10S＝2P+AA是整数，且1＜A＜PZ＝K*LCM(S/2，2P)±n K是大于0的整数LCM是S/2和2P的最小公倍数
n等于o或KB＝P或更小这里，表4提供了示例结构，这些结构考虑到K等于1且n等于0时的情况。每条线路的线圈数等于mph(mph＝Z/2p)。电刷数2B通常等于定子极点数2P。多个同心线圈缠绕在各转子齿上，并连接到不同整流子片上。这时，缠绕在各转子齿上的同心线圈数N等于N＝2Z/S表4
根据整流特性和平衡并联线圈线路，这些电机结构提供了与表1中所列出的前述结构相同的优点。但是它还可以获得更高的绕组系数Kb(等于整数，Kb＝1)，并使每单位体积的铜产生的扭矩最大。这些结构可以在很宽的功率范围内和在很高的电枢电流值情况下高效用于电机和发电机。它还可以象表1中的前述结构情况那样，可以对电刷数目、整流子片数目、每个齿的同心线圈的数目的选择进行不同程度的简化，以便能减小电机成本，并简化实现方法。
应当知道，本发明提出的所有方法都可采用不同的电刷宽度。
根据本发明，DC或AC整流子电机可以利用由层叠钢制成的磁路或者由软磁性复合材料制成的磁路来制造。
尤其是，当采用各向同性的软磁性复合材料时，磁通的一部分也可以沿轴向流通，因此，可以使得齿尖沿轴向方向延伸，从而，对于给定总长度的电机，当固定用于特定用途时，有效气隙区域的轴向长度最大。在该结构中，在线圈和轭铁下面，气隙通量集中在转子齿的中心部分。因为在线圈下面的转子齿的中心部分的轴向长度以及轭铁的轴向长度小于齿尖的轴向长度，这时，端绕组、整流子和电刷轴向插入，电机的总轴向长度减小。通过该方法，在不减小扭矩特性的情况下，采用各向同性的软磁性复合材料来减小电机的轴向长度。
当采用各向同性的软磁性复合材料时，电机的中心部分的横截面以及在线圈下面的定子齿的横截面都可以制成为圆形、椭圆形或环形。这些截面可以减小由于绕组线圈的急剧弯曲而破坏绝缘体的危险，并使铜的填充系数最大。
还可以使定子的永磁体或齿偏斜，以便减小气隙磁阻或扭矩变化。通过使转子的齿偏斜也可以获得相同的效果。当采用各向同性的软磁性复合材料时，可以只使齿尖偏斜。
图1表示了根据本发明具有集中绕组和永磁体的直流电机的一个实例。部件1是定子轭铁。部件2是一个定子极点，该极点交替磁化成北极和南极，且该极点由永磁体片制成。部件3是转子齿的齿尖。部件4是在线圈下面的转子齿的中心部分。部件5是转子轭铁。部件6是缠绕在定子齿上的集中绕组。部件7是一个整流子片或杆。部件8是一个与整流子片接触的电刷，该电刷用于向电枢绕组供给电流。
图2、3和4分别表示了从传统电机结构衍生出具有由缠绕在齿上的集中绕组制成的转子绕组的机器结构的方法。这些结构分别有相同数目的定子极点，且整流子片数目等于转子狭槽数目。
尤其是，图2表示了具有6个转子狭槽、2个定子极点、6个整流子片以及2个电刷的传统结构。转子绕组是简单的叠绕组，并以120电角度的较短节距交叠。各单线圈的接线端子与整流子片的连接布置成使线圈线路在电枢绕组中完全平衡。
在图2中，电枢绕组的6个单线圈以1.1、1.2、2.1、2.2、3.1、3.2表示。线圈1.1和1.2表示电动势同相的单线圈，因为它们相对于定子极点的位置相同。线圈2.1、2.2以及线圈3.1、3.2的情况也是这样。根据本领域的标准标记法，图2中的点是极性标记，表示绕组的极性。确定了6个转子狭槽的齿分别以T1至T6表示。整流子片分别以标记1至6表示，如图所示，电压V施加在电刷B1、B2上。定子极点的北极和南极分别标记为N和S。在这些附图中采用类似的命名方式。
与图2相比，通过使在相同的转子齿上具有同相电动势的单线圈重新分组，可以避免叠绕组的互锁，如图3所示。尤其是，在扭矩和电动势特性、磁通以及电流密度方面，图3是与图2的机器等效的机器结构图，其中，图3的转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组制成。电动势的相与图2中的线圈1.1和1.2相同的单线圈重分组在相同齿上。为了增大装有导体的狭槽的尺寸，并使在图2的原型机中的整个转子电枢的全部铜部分与图3的等效机中(即各狭槽的铜部分的总量)相同，在孔狭槽周围的齿重分组，以便形成新的齿分别，如图3所示。与图2相比，在图3中，齿尖的位置在气隙周围没有变化，不过，图2的机器的齿在齿尖和内部转子轭铁之间的中心部分在图3中变化为形成单个较大的齿。通过该方法，在气隙中的空载磁通空间分布图形并没有改变，且从图2的原型机到图3的等效机，在齿中的软磁材料也全部保持，以避免磁通饱和。因此，在轭铁中的软磁性材料和在狭槽中的铜的总量也改变。这形成了如图3所示具有集中绕组的机器，如上所述，该机器与图2的原型机等效。在各线圈中，形状和电动势幅值并没有改变。
如图3所示，某些狭槽为空的，可以对各空狭槽周围的齿分组。在气隙周围处，齿尖的位置并没有变化，只有在齿尖和内部转子轭铁之间的、齿的中心部分进行变化，以便形成单个的大齿。在气隙中的空载磁通空间分布图形没有变化，如图3所示。这时，可以使单线圈集中环绕各齿。在齿中的全部软磁性材料以及整个转子电枢的全部铜部分都保留，与传统结构的原型机的相应部分相同。
图4是具有3个转子狭槽、2个定子极点、6个整流子片以及2个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。两个单线圈例如线圈1.1和1.2缠绕在相同的齿上，并与不同的整流子片相连。与整流子片的连接与在图2所示机器中所用的连接相同。可以知道，在图的右侧，线圈路线没有变化。缠绕在相同齿上的各单线圈(例如线圈1.1和线圈1.2)有相同的电动势。这时，即使当气隙磁阻或在各定子极点下的永磁体的磁化并不完全相同，横过各并联线圈线路的总电动势也将完全平衡。这种机器在力矩、电动势特征、磁通密度以及电流密度方面与图2中的机器相同。
在图4中的机器有集中绕组，在扭矩和电动势特性、磁通密度以及电流密度方面，该机器等效于图2中的原型机。在两机器中(即图2和图4中的机器)，单线圈的接线端子与整流子的连接相同。在电枢绕组中的线圈线路总是平衡，即即使当气隙磁阻或在各定子极点下的永磁体的磁化并不完全相同，横过各并联线圈线路的总电动势也将平衡。
图5是具有6个转子狭槽、4个定子极点、12个整流子片以及4个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。该机器通过使图4中的机器的结构增倍而由图4中的机器衍生出来。
此外，在根据本发明制成很小功率的机器时，可以进行各种变化，以便简化该结构。尤其是，可以减小电刷数目，同时在整流子上增加平衡器连接。这如图6所示，图6是具有6个转子狭槽、4个定子极点、12个整流子片以及2个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。该机器是图5所示的机器通过减小电刷数目并在整流子上增加平衡器连接而发展形成。如图6所示，缠绕在各齿上的两个线圈通过平衡器连接而并联。也可选择，可以将环绕各齿的单线圈的数目减至一，同时几个整流子片并不与线圈接线端子直接连接。
根据本发明，同样的方法可以用于图8和9的另外实例。首先，图7表示了具有20个转子狭槽、4个定子极点、20个整流子片以及4个电刷的传统机器。转子的绕组以1至5的较短节距交叠。电枢绕组中的线圈线路如图10所示。
图8是在扭矩和电动势特性、磁通密度以及电流密度方面与图7中的机器等效的机器的视图，其中，图8中的转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组制成。电动势的相位与线圈1.1、1.2、1.3、1.4一样的线圈在相同齿上重新分组。为了增加充满导体的狭槽的尺寸，并使在图7的原型机和图8的等效机中的整个转子电枢的全部铜部分(即各狭槽的铜部分的总量)保持相同，环绕空狭槽的齿重新分组，以便形成图8中所示的、新的齿分布。在气隙周围，齿尖的位置并没有变化，只是图7的机器的齿在齿尖和内部转子轭铁之间的中心部分变化为形成单个较大的齿。通过该方法，在气隙中的空载磁通空间分布图形并没有改变，且从图7的原型机到图8的等效机，在齿中的软磁材料也全部保留，以避免磁通饱和。因此，在轭铁中的软磁性材料和在狭槽中的铜的总量也不变。这形成了如图8所示具有集中绕组的机器，如上所述，该机器与图7的原型机等效。在各线圈中，形状和电动势幅值并没有改变。
图9是具有5个转子狭槽、4个定子极点、20个整流子片以及4个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。四个单线圈缠绕在相同的齿上，并与不同的整流子片相连。与整流子片的连接与在图7所示机器中所用的连接相同。缠绕在相同齿上的各单线圈(例如线圈1.1、1.2、1.3和1.4)有相同的电动势。这时，即使当气隙磁阻或在各定子极点下的永磁体的磁化并不完全相同，横过各并联线圈线路的总电动势也将完全平衡。
在扭矩和电动势特性、磁通密度以及电流密度方面，该机器等效于图7中所示的机器。
图10是在图7和图9中所示的机器的并联线圈线路的视图。
在根据本发明的很小功率的机器中，可以进行各种变化，以便简化该结构。它可以减小电刷数目，同时在整流子上增加平衡器连接。单线圈的数目也可以减小，如图11所示。根据本发明，图12表示了与图9所示相同类的电机，其中具有更高的结构周期性(periodicity)。
尤其是，图11是具有5个转子狭槽、4个定子极点、20个整流子片以及2个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。该机器是图9所示的机器通过减小电刷数目并在整流子上增加平衡器连接而发展形成。在该机器中，可以将在各齿上的单线圈的数目减至2，如图11所示。
同样，图12是具有5个转子狭槽、4个定子极点、40个整流子片以及4个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。该机器是图9所示的机器发展而成，其中，单线圈数目和整流子片数目更高。
图13表示了与图9的电机相同的结构，其中，整流数目以及缠绕在齿上的单线圈的数目更高。
尤其是，图13是具有5个转子狭槽、4个定子极点、40个整流子片以及2个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。该机器是图12所示的机器通过减小电刷数目并在整流子上增加平衡器连接而发展形成。根据参考图9所述的方法，在极性相反(+和-)的2个电刷之间的片数增加(10片vs.5片)。因此，2个连续片之间的电压降低。这种方法在电源电压较高且需要限制在2个连续片之间的电压幅值时采用。在本图中，可以将各齿上的单线圈数目减少至2。
根据本发明，图14是图9所示方法发展而成，其中具有更高的结构周期性。
尤其是，图14是具有10个转子狭槽、8个定子极点、40个整流子片以及8个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组形成。该机器是从图9所示的机器通过使结构的周期性倍增而衍生的。
本发明也用于图16和17，该图表示了具有由集中绕组制成的转子绕组以及规则分布且有两种不同尺寸的转子齿。图15中所示的、作为参考的传统机器有12个转子狭槽、4个定子极点、12个整流子片和4个电刷。转子的绕组交叠一定径节。
图16是在扭矩和电动势特性、磁通密度以及电流密度方面与图15中的机器等效的结构图，其中，图16中的转子绕组由缠绕在齿上的集中绕组制成。电动势的相位与线圈1.1、1.2、1.3、1.4一样的线圈在相同齿上重新分组。为了增加充满导体的狭槽的尺寸，并使在图15的传统机器和图16的等效机中的整个转子电枢的全部铜部分(即各狭槽的铜部分的总量)保持相同，环绕空狭槽的齿重新分组，以便形成图16中所示的、新的齿分布。在气隙周围，齿尖的位置并没有变化，只是图15的机器的齿在齿尖和内部转子轭铁之间的中心部分变化为形成单个较大的齿。通过该方法，在气隙中的空载磁通空间分布图形并没有改变，且从图15的原型机到图16的等效机，在齿中的软磁材料也全部保持，以避免磁通饱和。因此，在轭铁中的软磁性材料和在狭槽中的铜的总量也不变。应当知道，全部线圈只缠绕在3个齿上绕。这形成了如图16所示具有集中绕组的机器，如上所述，该机器与图15的原型机等效。在各线圈中，形状和电动势幅值并没有改变。
图17是具有6个转子狭槽、4个定子极点、12个整流子片以及4个电刷的机器的展开图，其中，转子绕组由缠绕在3个齿上的集中绕组形成。它有两种不同尺寸的、规则分布的转子齿，其中，齿T1、T2和T3为一种尺寸，齿T4、T5和T6为第二尺寸。四个单线圈缠绕在相同的齿上，并与不同的整流子片相连。与整流子片的连接与在图15所示机器中所用的连接相同。线圈线路完全平衡。该机器在扭矩和电动势特性、磁通密度以及电流密度方面与图15中的机器等效，其中，绕组效率等于1。这种集中绕组机器的性能很好。
在根据本发明构成很小功率的机器时，可以进行各种变化，以便简化该结构。例如，可以减小电刷数目，同时在整流子上增加平衡器连接。图18是具有6个转子狭槽、4个定子极点、12个整流子片以及2个电刷的机器的展开图，其中具有由集中绕组制成的转子绕组以及规则分布并有两种不同尺寸的转子齿。该机器是图17所示的机器通过减小电刷数目并在整流子上增加平衡器连接而发展形成。在该机器中，可以将在各齿上的单线圈的数目减至2，如图18所示。
图19表示了具有由集中绕组制成的转子绕组以及规则分布且有两种不同尺寸的转子齿的机器的另一实例。原型机有40个转子狭槽、8个定子极点、40个整流子片和8个电刷。根据本发明的等效机有具有两种不同尺寸的转子齿(T1至T5为第一尺寸，T6至T10为第二尺寸)的10个转子狭槽、8个定子极点、40个整流子片和4个电刷。每个齿有8个单线圈。单线圈在整流子上的连接与原型机相同。可以减小电刷的数目，同时在整流子上添加平衡器连接。
图20是具有利用层叠钢材料形成的转子磁路的永磁体电机的轴向剖视图。通常，转子(部件3、4、5)的磁路的轴向尺寸小于永磁体的轴向长度。因此，永磁体的磁通轴向集中在转子内，并可以将端绕组部分插入永磁体的轴向长度下面。转子的轴向尺寸的这样变化将减小电机的总轴向长度。
图21是具有利用各向同性软磁性复合材料形成的转子磁路的永磁体电机的轴向剖视图。在各向同性材料中，磁通的一部分也可以沿轴向流通。因此，可以在不降低电机性能的情况下增加磁通密度。转子齿在线圈(部件4)和转子轭铁(部件5)下面的中心部分有相同的轴向尺寸，而齿尖(部件3)的轴向长度几乎与永磁体的轴向长度相同。当与利用层叠钢的转子(图20)相比时，电机的总轴向长度减小。这时，对于由特定用途固定的总轴向长度，通过该结构可以使有效气隙区域的轴向长度最大。
图22是具有利用各向同性软磁性复合材料形成的转子磁路的电机的轴向剖视图。图22所示的结构由图2 1的结构而发展形成。转子齿在线圈(部件4)和转子轭铁(部件5)下面的中心部分有相同的轴向尺寸，而齿尖(部件3)的轴向长度几乎与永磁体的轴向长度相同。部件4和部件5轴向移动。端绕组、整流子和电刷局部或总体沿轴向方向插入，以便进一步减小电机的总轴向尺寸。
本发明的电机结构非常适于形成具有金属粉制成的软磁性复合材料的转子磁路。由于较少数目的狭槽具有相对较大的尺寸，在转子轭铁的直接模制处理上的机械限制减小。各向同性的软磁性复合材料也能很好地用于使在转子或定子磁路中的轴向气隙磁通集中，并在不降低电机性能的情况下减小电机的总轴向长度。齿尖可以轴向膨胀，并用于使在气隙中的磁通轴向集中转子或定子的齿和轭铁内(图21、22)。转子齿的齿尖的轴向长度几乎可以与永磁体的轴向长度或定子齿尖的轴向长度相同。齿和轭铁的轴向长度相同，并能够低于齿尖的轴向长度(图21、22)。在线圈和转子轭铁下面的转子齿的中心部分也可以偏离中心和轴向移动(图22)。还可以将端绕组轴向插入齿尖的内部(图21、22)。整流子和电刷也能够局部或总体沿轴向方向插入到转子齿齿尖下面(图22)。这种结构用于减小电机的总轴向长度。
当使用各向同性的软磁性材料，使转子和定子齿在线圈下的中心部分的横截面形成圆形、椭圆形或环形将很有用，以便减小由于绕组线圈的急剧弯曲而破坏绝缘体的危险，并使铜的填充系数最大。
本发明的所有实施例都可以采用不同的电刷宽度。转子狭槽和/或定子狭槽可以偏斜，以便减小磁阻变化。当定子有永磁体时，还可以使转子狭槽和/或永磁体偏斜，以便减小扭矩变化。当采用各向同性的软磁性复合材料时，可以只使转子齿齿尖和/或定子齿齿尖偏斜。
本发明的新结构的DC和AC整流子电机可以广泛用于各种用途(汽车用途、家用电器用途、电捆扎工具、电动车辆、小和很小功率的DC和AC整流子电机等)。转子绕组的改进效率和简化形成将提供比传统结构更低的形成成本和更高的性能。
尽管上面只介绍了本发明的一些实施例，但是显然，在不脱离本发明的精神的情况下可以进行多种变化或简化。因此，本发明可以用于具有径向气隙或横向气隙的电机。还有，本发明能够用于有内转子或外转子结构的机器中。还应当知道，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它变化和改变。
权利要求
1.一种直流电机，包括定子，该定子有2P个极点；转子芯，该转子芯包括铁磁体芯，该铁磁体芯有S个狭槽和S个通过气隙与定子芯分离的齿；整流子，该整流子有多个片，该片的数目大于转子狭槽S的数目；集中绕组转子，该集中绕组转子具有安装在相同转子齿上的多个绝缘线单线圈，且这些线圈的接线端子与整流子的不同片连接。
2.根据权利要求1所述的直流电机，其中各极点包括安装在铁磁体材料芯的表面上的永磁体。
3.根据权利要求1所述的直流电机，其中各极点包括缠绕在由铁磁体材料制成的齿上的线圈。
4.一种AC整流子(通用)电机，包括定子，该定子有2P个极点，各极点包括缠绕在铁磁体材料芯的齿上的线圈；转子芯，该转子芯包括铁磁体芯，该铁磁体芯有S个狭槽和S个通过气隙与定子芯分离的齿，定子和转子芯包括磁路；整流子，该整流子有多个片，该片的数目Z大于转子狭槽S的数目；集中绕组转子，该集中绕组转子具有安装在相同转子齿上的多个绝缘线单线圈，且这些线圈的接线端子与整流子的不同片连接。
5.一种直流电机，包括定子，该定子有2P个极点；转子芯，该转子芯包括铁磁体芯，该铁磁体芯有S个狭槽和S个通过气隙与定子芯分离的齿，定子和转子芯包括磁路；转子芯，该转子芯有多个齿，各齿有相同的几何尺寸；集中绕组转子，该集中绕组转子具有缠绕在各转子齿上的多个绝缘线线圈；整流子，该整流子有多个片，该片的数目为Z；其中，定子极点数2P、转子狭槽数S以及整流子片数Z满足以下条件P为整数，且0＜P＜10S＝2P+A A是整数，等于-1或1或2或3或4S＞2Z＝K*LCM(S，2P)±n K是大于0的整数LCM是S和2P的最小公倍数n等于o或K或者Z＝LCM(S，2P)/2 且Z/2P＞3。
6.根据权利要求5所述的直流电机，其中各极点包括安装在铁磁体材料芯的表面上的永磁体。
7.根据权利要求5所述的直流电机，其中各极点包括缠绕在由铁磁体材料制成的齿上的线圈。
8.一种AC整流子(通用)电机，包括定子，该定子有2P个极点，各极点包括缠绕在铁磁体材料芯的齿上的线圈；转子芯，该转子芯包括铁磁体芯，该铁磁体芯有S个狭槽和S个通过气隙与定子芯分离的齿，各齿有相同的几何尺寸；集中绕组转子，该集中绕组转子具有缠绕在各转子齿上的多个绝缘线线圈；整流子，该整流子有多个片，该片的数目为Z；其中，定子极点数2P、转子狭槽数S以及整流子片数Z满足以下条件P为整数，且0＜P＜10S＝2P+AA是整数，等于-1或1或2或3或4S＞2Z＝K*LCM(S，2P)±n K是大于0的整数LCM是S和2P的最小公倍数n等于O或K或者Z＝LCM(S，2P)/2 且Z/2P＞3。
9.一种直流电机，包括定子，该定子有2P个极点；转子芯，该转子芯包括铁磁体芯，该铁磁体芯有S个狭槽和S个通过气隙与定子芯分离的齿；其中，S/2个齿有与其余齿不同的几何尺寸；集中绕组转子，该集中绕组转子具有缠绕在该S/2个转子齿上的多个绝缘线线圈；整流子，该整流子有多个片，该片的数目为Z；其中，定子极点数2P、转子狭槽数S以及整流子片数Z满足以下条件P为整数，且0＜P＜10S＝2P+AA是整数，且1＜A＜PZ＝K*LCM(S/2，2P)±nK是大于0的整数LCM是S/2和2P的最小公倍数n等于o或K或者Z＝LCM(S/2，2P)/2。
10.根据权利要求9所述的直流电机，其中各极点包括安装在铁磁体材料芯的表面上的永磁体。
11.根据权利要求9所述的直流电机，其中各极点包括缠绕在由铁磁体材料制成的齿上的线圈。
12.一种AC整流子(通用)电机，包括定子，该定子有2P个极点；转子芯，该转子芯包括铁磁体芯，该铁磁体芯有S个狭槽和S个通过气隙与定子芯分离的齿；其中，S/2个齿有与其余齿不同的几何尺寸；集中绕组转子，该集中绕组转子具有缠绕在S/2个转子齿上的多个绝缘线线圈；整流子，该整流子有多个片，该片的数目为Z；其中，定子极点数2P、转子狭槽数S以及整流子片数Z满足以下条件P为整数，且 0＜P＜10S＝2P+2A A是整数，1＜A＜PZ＝K*LCM(S/2，2P)±nK是大于0的整数LCM是S/2和2P的最小公倍数n等于o或K或者Z＝LCM(S/2，2P)/2。
13.根据权利要求12所述的AC整流子(通用)电机，其中各极点包括安装在铁磁体材料芯的表面上的永磁体。
14.根据权利要求12所述的AC整流子(通用)电机，其中各极点包括缠绕在由铁磁体材料制成的齿上的线圈。
15.根据权利要求1所述的直流电机，具有利用由金属粉制成的软磁性复合材料形成的磁路部分。
16.根据权利要求15所述的直流电机，其中在线圈下面的转子或定子齿部分的中心部分有圆形、椭圆形或环形，从而减小由于绕组线圈的急剧弯曲而破坏绝缘体的危险，并使铜的填充系数最大。
17.根据权利要求15所述的直流电机，其中齿在线圈和轭铁下面的中心部分的轴向长度相同；齿尖的轴向长度大于齿的轴向长度。
18.根据权利要求17所述的直流电机，其中端绕组部分或完全插入到齿尖下面。
19.根据权利要求17所述的直流电机，其中整流子和电刷部分或完全插入到转子齿尖下面，以便减小电机的总轴向长度。
20.根据权利要求15所述的直流电机，其中齿并不偏斜，而某些齿尖偏斜，以便减小磁阻变化或扭矩变化。
21.根据权利要求4所述的AC整流子(通用)电机，其中一部分磁路是利用由金属粉制成的软磁性复合材料形成的。
22.根据权利要求21所述的AC整流子(通用)电机，其中在线圈下面的转子或定子齿部分的中心部分有圆形、椭圆形或环形，从而减小由于绕组线圈的急剧弯曲而破坏绝缘体的危险，并使铜的填充系数最大。
23.根据权利要求21所述的AC整流子(通用)电机，其中齿在线圈和轭铁下面的中心部分的轴向长度相同；齿尖的轴向长度大于齿的轴向长度。
24.根据权利要求23所述的AC整流子(通用)电机，其中端绕组部分或完全插入到齿尖下面。
25.根据权利要求23所述的AC整流子(通用)电机，其中整流子和电刷部分或完全插入到转子齿尖下面，以便减小电机的总轴向长度。
26.根据权利要求21所述的AC整流子(通用)电机，其中齿并不偏斜，而某些齿尖偏斜，以便减小磁阻变化或扭矩变化。
27.根据权利要求1所述的直流电机，其中多个平衡器连接添加到整流子上，以便减小电刷数目。
28.根据权利要求4所述的AC整流子(通用)电机，其中多个平衡器连接添加到整流子上，以便减小电刷数目。
全文摘要
直流电机或AC整流子(通用)电机的结构，它们在转子上采用了缠绕在齿上的集中绕组。整流子片的数目大于转子齿的数目。多个线圈缠绕在相同的齿上。线圈的接线端子与不同的整流子片相连。电枢绕组的并联线路完全平衡。通过电枢的并联线路保持等电流分布，因此在这些并联线路之间没有流通电流。关于整流的问题减小，因为线圈电感值较低。端绕组的铜容积、Joule损失和电机电枢的轴向长度都低于具有互锁线圈的叠绕组或波形绕组。提供了两种集中绕组结构一些具有相同尺寸的转子齿，另一些具有不同尺寸的转子齿。
文档编号H02K23/30GK1470095SQ01817405
公开日2004年1月21日 申请日期2001年8月30日 优先权日2000年9月6日
发明者杰罗姆·克罗斯, 菲利普·维亚鲁热, 维亚鲁热, 杰罗姆 克罗斯 申请人:魁北克金属粉末有限公司