分段定子电机的制作方法

本发明涉及具有分数槽拓扑的电机的布置结构，涉及制造该布置结构的制造方法，涉及发电机，并且还涉及风力涡轮机。

背景技术：

gb2278738a公开了模块化电磁机器（具体是直接耦合式ac发电机），其包括转子环，该转子环具有与相应定子环同轴的永磁体，该定子环包括多个层压轭，每个轭限定接收线圈的线圈槽。由此，轭和线圈形成由梁相对于转子环支撑的模块。

de102011011023a1公开了具有定子和可旋转转子的电机，其中定子包括第一绕组系统和至少一个第二绕组系统，这些绕组系统包括布置在定子的槽中并围绕定子的齿缠绕的线圈。因此，存在至少一个未缠绕的齿。当第一绕组系统和第二绕组系统组合时，定子的所有齿都具有绕组。

通常，分数槽型电机是已知的，其中ns/(np*m)是分数（因此是有理数，而不是整数），其中ns是电机的槽的数量，并且np是电机的极的数量（极的数量等于或对应于磁体的数量，特别是永磁体）。具有分段定子的分数槽集中式绕组可以应用于具有不同槽/极的数量组合的电机中，同时每个区段的边缘都受到冗余齿的保护。

通常，可以使用三种方法来解决上述技术问题。其中两种可以基于绕组拓扑布置结构，并且第三种可能需要修改定子设计。对于可用于具有冗余齿的分段定子的绕组拓扑，替代齿缠绕型绕组和混合层绕组可以是有效的。替代齿缠绕型绕组可以实现稳定和可靠的制造，但电磁性能可能比具有所有齿缠绕型绕组的对应配对物更差。由于高自感而引起的低功率因数和由于大量谐波而引起的高转子损失以及由局部饱和而引起的高转矩波动可能是主要缺点。

混合层绕组技术可以是用于分段定子应用的另一种方法，其可以对单个三相电机有效。然而，由于冗余齿，可能会浪费太多空间。此外，如果电机由若干相对简单的机器单元组成，则可能导致不平衡的性能，尤其是对于多个多相电机（例如，双三相电机）。

当定子不具有均匀分布的槽和齿时，可以应用用于隔离每个定子区段的冗余齿。然而，由于填充节距和集中绕组布置结构，反电动势谐波对于这种类型的电机可能是大量的。转矩波动也可能相对较大，这可能损害分数槽电机的一些优点。

现有技术的解决方案可能具有以下缺点：性能不令人满意，或者难以在不会对系统的部分造成损坏的情况下进行制造、运输和/或组装。

可能需要用于电机、用于发电机、用于风力涡轮机和用于制造方法的布置结构，其中相对于常规系统，用于电机的布置结构的性能得到改善，并且其中同时可以避免各个定子区段的损坏。

技术实现要素：

根据独立权利要求的主题可以满足这种需要。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的实施例，提供了一种用于具有分数槽拓扑的电机的布置结构，包括：多个定子区段，每个定子区段具有沿周向方向与多个槽交替的多个齿，每个定子区段在两个周向端部处具有齿部分；对于多个相中的每个相，导体围绕所述多个齿中的齿缠绕成线圈，其中任何定子区段中的任何相的线圈的数量与该定子区段中的任何其它相的线圈的数量相同。

根据本发明的实施例，电机的布置结构允许在定子区段的边缘处存在完全封闭的绕组，由此改善制造和运输要求。此外，本发明的实施例提供了一种用于电机的布置结构，具体是一种发电机，其具有与常规分数槽电机相同的平衡电性能，常规分数槽电机不具有定子区段但是其包括围绕整个圆周整体形成的定子。

电机可以具体是永磁体同步电机。电机可以是或包括马达或发电机。多个定子区段中的每一个可以包括高磁导率的铁磁材料的层压件或层压堆叠。层压件可以彼此隔离。在该布置结构内，定子区段可以在其周向端部处彼此连接。当周向端部被连接时，可以形成齿，然而该齿不会被对应于或有助于多个相中的一个相的任何导体围绕。由于定子区段在齿部分处终止，因此围绕与周向端部分开的齿缠绕的导体由该端部处的齿部分保护。因此，可以减少围绕内齿缠绕的导体的损坏，并且还可以减少围绕内齿缠绕的导体的变形，例如，在运输期间和/或在组装可承载多个线圈的多个定子区段期间。

导体可以包括可以在表面处承载绝缘部的导线。当电机具有外转子时，齿可以沿径向方向突出，例如向外突出。可替代地，当电机具有内转子时，齿可以径向向内突出。

不同的相可以相对于彼此移位等于360°除以相的数量的角度。导体可以围绕齿缠绕若干次以形成线圈。在电机被配置为发电机的情况下，当任何定子区段中的任何相的线圈的数量与该定子区段中的任何其它相的线圈的数量相同时，可以确保每个相贡献相同的功率。由此，可以改善性能。

定子区段的数量可以是两个、三个、四个、五个、六个或甚至大于六的数量。第一分数拓扑的槽的数量和极的数量可以满足常规已知的关系，使得槽的数量除以极的数量并除以相的数量是分数（因此不是整数）。

对于根据本发明的实施例的每个电机，相的数量可以是两个、三个、四个、六个或甚至更高的数量。

根据本发明的实施例，该布置结构还包括具有多个永磁体并被旋转地支撑以可围绕所述定子区段旋转的转子，所述永磁体磁耦合到所述线圈。

可替代地，可以使用电磁体。转子可以是内转子或外转子。可以基于定子区段的数量和相的数量来选择磁体（具体是永磁体或电磁体）的数量以便产生分数槽电机，并且使得任何定子区段中的任何相的线圈的数量与该定子区段中的任何其它相的线圈的数量相同。由此，可能需要满足特定关系。

根据本发明的实施例，通过组合第一分数拓扑乘以定子区段的数量以及与所述第一分数拓扑不同的一个第二分数拓扑来给出所述分数槽拓扑。

第一分数拓扑可以由每个定子区段的槽的特定数量和极的特定数量来限定。第二分数拓扑同样也可以由与该定子区段相互作用的槽的特定数量和极（或永磁体或电磁体）的对应数量来限定。

根据本发明的实施例，所述第一分数拓扑和/或所述第二分数拓扑由以下给出：

ns=np+/-1

或者

ns=np+/-2，

其中，

np是极的总数量，

ns是槽的总数量。

极的总数量是整个电机的极的数量，并且槽的总数量是整个电机的槽的数量。通过如上给出的极的总数量和槽的总数量的规定，可以实现用于实现平衡电机的目的。

根据本发明的实施例，定子区段的数量是三个，

np≠3*k-2，其中k是正整数，

ns/(m*gcd(ns，np/2))=n，其中n是正整数，

np是极的总数量，

ns是槽的总数量，

m是相的数量，

gcd(x,y)是x和y的最大公分母。

因此，可以提供具有三个定子区段的有效电机。

根据本发明的实施例，定子区段的数量是三个，并且所述第一分数拓扑是九个槽和八个极（9s/8p），并且所述第二分数拓扑是三个槽和两个极（3s/2p），或者所述第一分数拓扑是12个槽和10个极（12s/10p），并且所述第二分数拓扑是三个槽和两个极（3s/2p）。

由此，给出了分数槽拓扑的特定示例。其它拓扑也是可能的。

根据本发明的实施例，定子区段的数量是六个，

np≠3*k-1，其中k是正整数，

ns/(gcd(ns,np/2))≠2*n-1，其中n是正整数，

np是极的总数量并且

ns是槽的总数量，

gcd(x,y)是x和y的最大公分母。

由此，相的数量是任何正整数，诸如两个、三个、四个等。

由此，也能够实现具有六个定子区段的电机。

根据本发明的实施例，定子区段的数量为六个，并且所述第一分数拓扑是12个槽和10个极（12s/10p），并且所述第二分数拓扑是六个槽和两个极（6s/2p）。

因此，也可以获得六定子区段电机。相的数量可以是三个或大于三个。

根据本发明的实施例，提供了一种包括布置结构的发电机。当转子相对于已组装的定子区段旋转时，可以在对应于不同相的导体内生成电功率。由于所有不同相的线圈的平衡分布，所有相可能贡献相同量的电功率。

根据本发明的实施例，提供了一种风力涡轮机，其包括：具有多个叶片的涡轮机转子；根据以上解释的实施例中的一项所述的发电机；以及具体地，转换器，所述转换器联接到所述发电机的输出端子。

发电机可以在风力涡轮机操作现场进行组装。因此，可以避免将整体制造和组装的发电机运输到风力涡轮机操作现场。

应当理解，结合用于电机的布置结构公开的特征也可以单独地或以任何组合的方式应用于用于制造根据本发明的实施例的电机的布置结构的方法，并且反之亦然。

根据本发明的实施例，提供了一种制造用于具有分数槽拓扑的电机的布置结构的方法，所述方法包括：提供多个定子区段，每个定子区段具有沿周向方向与多个槽交替的多个齿，每个定子区段在两个周向端部处具有齿部分；通过在所述多个定子区段的周向端部处连接它们来组装所述多个定子区段；对于多个相中的每个相，使导体围绕所述多个齿中的齿布置成线圈，其中任何定子区段中的任何相的线圈的数量与该定子区段中的任何其它相的线圈的数量相同。

在通过在所述多个定子区段的周向端部处连接它们来组装所述多个定子区段之前，多个定子区段可以被设置有用于多个相的导体。例如，导体可以被布置在制造现场，具体是围绕齿缠绕，并且然后多个定子区段可以与线圈一起被运输到风力涡轮机操作现场，在那里多个定子区段在其周向端部处连接在一起以完成整个定子。

此外，具有多个永磁体（或电磁体）并被旋转地支撑以可围绕已组装定子区段旋转的转子可以被布置成使得所述永磁体磁耦合到所述线圈。发电机可以例如布置在风力涡轮机的机舱内。

必须注意，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。具体地，已经参考方法类型的权利要求描述了一些实施例，而已经参考装置类型的权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中收集到：除非另有通知，否则除了属于一种类型主题的特征的任何组合之外，还有与不同主题相关的特征之间（特别是在方法类型的权利要求的特征与装置类型的权利要求的特征之间）的任何组合被认为与本文献一起公开。

现在参考附图描述本发明的实施例。本发明不限于所示出或描述的实施例。

附图说明

图1以前视图示意性地示出了根据本发明的实施例的提供三相的电机的布置结构；

图2以前视图示意性地示出了根据本发明的实施例的提供多个三相的电机的布置结构；

图3以前视图示意性地示出了根据现有技术的提供三相的电机；

图4以前视图示意性地示出了根据现有技术的提供多个三相的电机；

图5以前视图示意性地示出了根据本发明的实施例的提供三相的电机的布置结构；

图6以前视图示意性地示出了根据本发明的实施例的提供多个三相的电机的布置结构；

图7以前视图示意性地示出了根据现有技术的提供三相的电机；

图8以前视图示意性地示出了根据现有技术的提供多个三相的电机；

图9示出了波形曲线（沿径向方向的永磁场）；

图10示出了永磁场的不同谐波阶数的大小；

图11示出了由于电枢场而引起的沿径向方向的磁场；

图12示出了由于电枢场而引起的谐波阶数的大小；

图13示出了特定相的反电磁力；

图14示出了不同相的谐波阶数的大小；

图15示出了齿槽转矩（coggingtorque）；

图16示出了由于齿槽转矩而引起的谐波阶数的大小；

图17示出了有载转矩（on-loadtorque）；

图18示出了有载转矩的谐波阶数的大小；

图19以前视图示意性地示出了根据本发明的实施例的具有六个定子区段并提供三相的电机的布置结构；以及

图20以前视图示意性地示出了根据本发明的实施例的具有六个定子区段并提供多个三相的电机的布置结构。

具体实施方式

附图中的图示是示意性形式。应当注意，在不同的图中，相似或相同的元件被设置有相同的附图标记或仅在第一个数字内与对应附图标记不同的附图标记。

在图1中以前视图（沿轴向方向101观察）示出的根据本发明的实施例的具有分数槽拓扑的电机的布置结构100包括多个定子区段103a、103b、103c，每个定子区段跨越120°的周向角度范围。定子区段103a、103b、103c中的每一个具有沿周向方向109与多个槽107交替的多个齿105。由此，每个定子区段103a、103b、103c分别在对应的两个周向端部处具有齿部分111和113。当如图1中所示的那样组装定子区段103a、103b、103c时，一个定子区段的齿部分111与周向相邻的定子区段的齿部分113邻接（与其连接）。通过连接齿部分111和113，类似于齿105的结构在组装状态下形成。然而，与齿105不同，通过连接齿部分111和113而形成的结构不承载任何相的任何绕组或任何线圈。

图1示出了提供三相a、b和c的电机的布置结构。对于多个相中的每个相a、b、c，导体115围绕齿105缠绕成线圈，其中任何定子区段103a、103b、103c中的任何相a、b、c的线圈的数量与该定子区段中的任何其它相的线圈的数量相同。具体地，在如图1中所示的实施例中，定子区段103a、103b、103c中的一者中的相a的线圈数量是三个。另外，任何其它相（即相b或c）的线圈数量在一个定子区段中也是三个。

布置结构100还包括转子117，该转子具有多个永磁体119（如箭头120所指示的那样交替定向）并且被旋转地支撑为可旋转（围绕轴向方向101）并且因此也围绕定子区段103a、103b、103c，其中永磁体119磁耦合到线圈（仅由导体115示意性地示出，实际上导体可以绕齿缠绕若干次，由此产生线圈）。

当转子相对于定子区段旋转时，在导体115中感应出电压并且将生成电流。布置结构100可以包括在根据本发明的实施例的发电机中，以便在转子117旋转时以三相a、b、c产生ac输出功率。

图1中示出的布置结构100（并且还有图2、图5、图6、图19、图20中示出的布置结构）可以被认为是两个分数槽拓扑的组合，以便在应用多个三相电连接时产生具有平衡相的新电机。在图1中所示的实施例中，电机或用于电机的布置结构100可以被认为是三个9s/8p机器单元和一个3s/2p机器单元的组合，其中xs/yp表示机器单元具有x个槽和y个极。因此，该组合产生电机30s/26p。

通常，对于ns=np+/-1，27槽/24极（27s/24p）电机由三个9s/8p机器单元组成，如在图3中示为电机300。当试图从图3中所示的电机300开始产生模块化分段定子时，其中在边缘处（即在相应定子区段的周向端部处）具有完全封装的电绕组，必须从图3中所示的常规分数槽拓扑中移除一些绕组以允许分段。对于该单个三相电机，根据常规系统，必须移除属于相a的三个线圈，然而三相不再平衡。类似地，可能存在电相之间的不平衡，以及如果使用多个三相电机并且仅将三个齿作为冗余齿进行处理，如图4中作为常规电机400所示。

通过将根据本发明的实施例的分数槽组合引入初始常规拓扑中，同时其齿仅为了分段目的而保持未缠绕，如图1或图2中所示，则三相系统保持平衡并且甚至可以与相邻区段磁隔离和热隔离。为了最小化永磁体的浪费，三个9s/8p机器单元与相对较小的机器单元3s/2p组合。因此，可以可靠且安全地制造根据本发明的实施例的模块化电机。

实施例允许构建难以在完全组装下运输的大型风力直驱发电机。因此，多个定子区段的组装可以在风力涡轮机操作现场处执行，从而需要定子区段的运输。所提出的模块化区段103a、103b、103c或203a、203b、203c（参见图1）具有完全封装的电枢绕组，从而使得它们更加坚固以便运输并且更容易使用当前众所周知的制造方法来制造。通过应用第一分数拓扑和第二分数拓扑的组合，无论单个三相绕组还是多个三相绕组都将在每组之间平衡，如可以从图1和图2中获得的那样。

在图1中，围绕用a或-a标记的齿105布置的所有导体115（导体115以与a中相反的方向缠绕）彼此电连接，这也适用于其它相b和c。

相比之下，围绕相c1和c2缠绕的图2中的导体215不彼此电连接，由此提供多个三相，特别是三倍的三相。本发明的实施例支持比三相更多的相，诸如四相、五相、六相、或甚至更多相。本发明的实施例还支持不同数量的区段，例如两个区段、四个区段、五个区段、六个区段、七个区段、九个区段或甚至更多定子区段。

图5沿轴向方向501以前视图示意性地示出了根据本发明的另一个实施例的提供三相a、b、c的电机的布置结构500。该实施例源自另一种槽/极的数量量组合，具体是ns=np+/-2。

对于这种类型，如图7中所示的常规36s/30p电机由三个基本机器单元12s/10p组成。从图7可以看出，每个相之间也存在不平衡，因为槽/极的数量量是12s/10p的三整数倍。在这种情况下，三个被移除的线圈总是属于相同相，如图7中所示。如果使用具有12s/10p电机的非三整数倍的其它电机，则将获得平衡的三相。然而，多个三相绕组也需要更多的冗余齿，这对于实际应用是不希望的，如图8中所示。

为了解决相不平衡的问题，将三个12s/10p机器单元与一个3s/2p机器单元组合以获得在每个定子区段中具有平衡相的电机的布置结构500。具体地，如图5所示，定子区段503a、503b、503c中的每一个包括用于每相（即用于相a、b、c）的四个线圈。槽的总数量为39并且极的总数量为32。

此外，该构思也可以应用于双三相电机，如图6中的实施例600中所示。对于具有三个定子区段的电机的布置结构，根据本发明的实施例，极的数量应满足以下等式np≠3*k-2，其中k是正整数。此外，槽的数量可以满足以下等式ns/(m*gcd(ns,np/2))=n，其中n是正整数，np是极的总数量，ns是槽的总数量，m是相的总数量，gcd(x,y)是x和y的最大公分母。

根据本发明的实施例，模块化机器可以包括初始的常规分数槽电机和3s/2p机器单元。用于提供冗余齿的电机可以具有不同的槽/极的数量量组合，这可取决于特定要求。例如，6s/2p电机也可以用作冗余单元。

根据本发明的实施例，通过组合两个不同的分数槽拓扑并将它们组合成一个机器来获得该布置结构。“工作”的分数槽拓扑（27s/24p和36s/30p，分别用于两个示例）被添加有“冗余”的分数槽拓扑（3s/2p，用于图1、图2、图5和图6中所示的示例）以便产生具有三个未缠绕的定子齿和平衡绕组布局的平衡电机（如图1、图2、图5和图6中所示）。这允许在不损害定子电枢线圈的情况下切割未缠绕的齿（通过连接定子区段的端部部分111、113来产生）以用于定子分段，这有利于真实电机的制造和运输。

图9至图19示例性地示出了与常规36s/30p电机相比的根据本发明的实施例的36s/30p+3s/2p模块化机器的一些电气特性和性能。由此，图9、图10、图11、图12分别示出了由于永磁体而引起的开路气隙磁通密度和对应于电枢场的气隙磁通密度。由此，在图9和图10中示出了由永磁场而引起的气隙磁通密度，然而在图11和图12中示出了由于电枢场而引起的气隙磁通密度（永磁体被设置为零并且在线圈中注入电流）。

由此，曲线或柱903、1003、1103、1203涉及常规的36s/30p电机，而曲线或柱905、1005、1105、1205涉及根据本发明的实施例的30s/30p+3s/2p电机。

从图9到图12可以看出，工作谐波阶数的变化与转子极对数相同。另一个改变是所提出的模块化机器的其它谐波的出现。可以检查这些谐波的影响，尤其是对于转子损失。

由于所提出的模块化机器已经平衡了两组绕组，因此开路反电动势仅具有相移差异，如图13和图14中所示，其中曲线1303或柱1403涉及常规的36s/30p电机，而曲线1305或柱1405涉及根据本发明的实施例的36s/30p+3s/2p电机。

图15至图18示出了可被视为电机中的最重要量之一的转矩性能。由此，曲线或柱1503、1603、1703、1803涉及常规的36s/30p电机，而曲线或柱1505、1605、1705、1805涉及根据本发明的实施例的36s/30p+3s/2p电机。对于所提出的机器，在附图中示出了开路和有载转矩，而齿槽转矩对应于开路状况。为了模拟真正的大型机器操作，电流被放大到额定值的15倍，这可以提供与真实发电机类似的状况。

图15至图18示出了：与常规电机相比，所提出的机器将具有更大的齿槽转矩和有载转矩波动。这可能是由于定子槽和齿的不均匀分布，从而其可能导致最小存储能量点的减少。然而，有载转矩不会明显增加。所提出的第6阶和常规机器的第12阶的增加可能是由于电枢反应。也可以应用用于其它电机的转矩波动减小技术，诸如偏斜、磁体整形、开槽等。转子永磁体和轭涡流损失总结在下表1中。

表1：

表1表明，所提出的机器具有较低的转子永磁体和轭涡流损失，而该优点可以针对有载永磁体损失保持。然而，所提出的机器的有载转子轭涡流损失可能大于常规电机。严重的电枢反应应当是原因。

图19和图20以前视图示意性地示出了根据本发明的实施例的其它布置结构1900和2000，其中组装六个定子区段以形成定子。因此，在这种情况下，布置结构1900包括六个定子区段1903a、1903b、1903c、1903d、1903e、1903f。在每个相a、b、c的每个定子区段1903a、b、c、d、e、f中，两个线圈围绕齿1905缠绕。在如图19和图20中所示的实施例中，作为冗余机器，使用6s/2p机器单元。当冗余电机仅包含三个槽时，其可能导致不期望的不平衡磁故障（umf）。由于umf可能对机器性能产生其它副作用（诸如噪声和振动），因此应当最小化不平衡磁力，如通过使用6s/2p机器单元来实现的。用于消除umf的有效方法是采用旋转对称结构。对于具有六个定子区段的电机，极的数量np可以满足以下等式：

np≠3*k-1，其中k是正整数。

另外，槽的数量ns和极的数量彼此相关或必须满足以下等式：

ns/(gcd(ns，np/2))≠2*n-1，其中n是正整数。

从上面的等式可以看出，与3s/2p机器单元相比，6s/2p冗余电机的状况可能更严格。

图2中的布置结构200提供双三相输出。其它实施例可以提供多个三相输出。

应当注意，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。还可以组合结合不同实施例描述的元件。还应当注意，权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。