專利名稱：減小電機中的諧波的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電機，尤其是涉及減小電機中的諧波以及由這些諧波引起的 不良影響。
背景技術(shù)：
電機用于將電能轉(zhuǎn)化成機械能。在通常結(jié)構(gòu)的電機中，可以分辨出配設(shè) 有軸進行旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、定子、軸承和端罩等基本零件。轉(zhuǎn)子可由所述軸承支 撐。通常在轉(zhuǎn)子和定子之間留有小的氣隙。
多相同步和異步電機等多相交流旋轉(zhuǎn)設(shè)備的操作是基于在其內(nèi)部循環(huán) 的交變磁場。多相定子繞組形成得可以饋給所述相位繞組一個正弦電壓，在
移相時該電壓以一個360/m的角度彼此饋給所述繞組，其中m為相的數(shù)量， 電流經(jīng)由定子繞組，在所述設(shè)備的氣隙內(nèi)產(chǎn)生交變的磁場，所述磁場和轉(zhuǎn)子 繞組的磁場相互作用，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。所述同步設(shè)備的轉(zhuǎn)子繞組中的磁場 通常由永磁鐵或?qū)⒅绷麟婐伣o轉(zhuǎn)子的激勵繞組而形成。異步設(shè)備中轉(zhuǎn)子繞組 的勵》茲通常通過轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)由定子電流的磁通感應(yīng)的電壓和電流來完成。
這樣就可以盡可能地將所述氣隙的磁通密度分配為正弦形式。所述轉(zhuǎn)子 的旋轉(zhuǎn)通過所述磁通密度的基本正弦波來實現(xiàn)，但實際上，所述作用電機的 磁場還可以包含諧波成分，例如所述純正弦波(pure wave)的諧波分量。
所述磁通密度的諧波會在定子和轉(zhuǎn)子之間導致額外的應(yīng)力分量。而且， 在電機中會產(chǎn)生扭矩波動(扭矩脈動)量度和額外的損耗。如果所述包含諧 波的石茲場所產(chǎn)生的應(yīng)力波動頻率和形式與電機的固有頻率相接近，則因所述 諧波會使設(shè)備產(chǎn)生較大的噪音和震動。進而，約束震動是可行的。在約束震 動中，盡管所述激勵的頻率和設(shè)備的固有頻率不同，但仍要在引起震動的元 件上施加應(yīng)力。此外，諧波會導致測量和保護設(shè)備的誤操作，從而產(chǎn)生過電 壓和過載。
在三相電機中，僅有磁場的奇次諧波成分產(chǎn)生?，F(xiàn)有技術(shù)試圖利用分數(shù) 節(jié)矩繞組，槽楔(slot wedge )，石茲鐵的分散移動，以改變定子的基本繞組將
諧波的影響最小化。但是在現(xiàn)代電機中，所述應(yīng)力成分的頻率為電機電流頻 率的6倍和12倍，這些應(yīng)力產(chǎn)生的噪音和震動還是很明顯的，所述應(yīng)力成 分尤其是由^f茲通密度的第五、第七、第十一和第十三諧波項產(chǎn)生。
在旋轉(zhuǎn)的電力設(shè)備中，由于定子和轉(zhuǎn)子邊緣上繞組不連續(xù)和所述氣隙》茲 導的波動，所以在所述氣隙磁通密度中產(chǎn)生諧波分量。定子繞組通常集中在 槽和線圈組內(nèi)，此時所述氣隙內(nèi)的^f茲通勢不是正弦分布。定子和轉(zhuǎn)子的開槽、 突極和》茲飽和以及其他因素都可以導致所述氣隙的石茲導波動。電機磁場的諧 波可被分為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的諧波和定子產(chǎn)生的諧波。
其他旋轉(zhuǎn)場設(shè)備中還會產(chǎn)生扭矩脈動，但以下特別論述永;茲同步電機， 該電機可以是軸向磁通或徑向磁通設(shè)備。在軸向磁通設(shè)備中，該設(shè)備氣隙的 磁通主要位于該設(shè)備的主軸方向。另一方面在徑向》茲通設(shè)備中，所述設(shè)備氣 隙的》茲通主要是經(jīng)由所述主軸的徑向方向。
舉例來說，專利申請US2004/0070300論述了減小永-茲鐵設(shè)備轉(zhuǎn)子的扭 矩脈動。在該申請的技術(shù)方案中，通過對磁極塑形并歪斜它們的位置，使得 轉(zhuǎn)子;茲鐵產(chǎn)生的》茲場盡可能地設(shè)成正弦形式。例如，專利公開US6380658 和US5886440還陳述了減小轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的扭矩脈動的技術(shù)方案?，F(xiàn)有技術(shù)還包 括通過分散設(shè)置磁鐵來減小轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的扭矩脈動。
Y. Akiyama等人撰寫的論文"Slot Ripple of Induction Motor and FEM Simulation on Magnetic Noise" (IEEE IAS第31屆年會會議文集，美國圣迭 戈，1996， 644-651頁)中記載了隨意設(shè)置轉(zhuǎn)子槽。該論文記載了通過非等 距分配轉(zhuǎn)子槽來減小感應(yīng)電機的磁噪音。記載有三種不同的轉(zhuǎn)子開槽原則 (方法A、 B、 C)。在方法A、 B中，轉(zhuǎn)子槽完全是任意設(shè)置的。模擬結(jié)果 顯示電機非常容易在薄齒處產(chǎn)生飽和。在方法C中，轉(zhuǎn)子的開槽位置將所述 邊緣分成四份。在每一個四分之一部分，槽之間的距離都是恒定的。在相鄰 的四分之一部分之間設(shè)有小的位移。關(guān)于相互干涉部分，轉(zhuǎn)子A給出了最好 的結(jié)果。
如上所述，扭矩脈動還可以由定子產(chǎn)生，這是定子周向的電流不連續(xù)分 布導致的諧波和定子開槽導致的氣隙磁導波動兩者的結(jié)果，對此，所述公開 內(nèi)容均沒有給出解決方案。
現(xiàn)有技術(shù)的方案試圖利用分數(shù)節(jié)距繞組或利用斜槽來減小定子電流分 布所造成的諧波。分數(shù)節(jié)距繞組可以消除某一順序的槽諧波，但它不可能對
開槽諧波產(chǎn)生作用。斜槽還可以將^F茲導更等距地分布在所述邊緣上，但是利 用斜槽卻會使電機的制造更復雜，而且會減小電機的輸出扭矩。所熟知的是 在槽口處利用磁槽楔可以減小開槽所產(chǎn)生的磁導波動。通過槽楔，可以使磁
導波動更加平穩(wěn)，并可以減小某些諧波的幅值。舉例來說，專利公開FI112412
記載了一種制造電機繞組的方法。在該方法中，繞組線圈在設(shè)置在這種槽內(nèi) 之前形成最終形狀。隨后，這些繞組線圈搭接在一起， 一個線圈設(shè)在槽的底 部，而另一個線圈設(shè)置在所述線圈的頂部。此外，在該方法中，所述槽在設(shè) 置繞組線圈之后被鐵磁體槽楔所封閉。相比沒有槽楔的電機，通過這種槽楔 和利用分數(shù)節(jié)距繞組，諧波成分就可以衰減到大約四分之一大小。
專利公開US6285104記載了 一種用于減小扭矩脈動的方案，其中在定子 槽內(nèi)設(shè)置了不同數(shù)量的導體，以使得以正弦形式饋給每一個槽的電流矢量盡 可能地形成和其他槽的電流矢量相類似。在該方法中，定子槽的寬度由槽內(nèi) 導體數(shù)量來確定。所述方法還記載了在相對定子的周向上移動所述轉(zhuǎn)子磁 鐵。這種方案的一個缺陷就是使定子和定子繞組的制造工藝更復雜困難。
在現(xiàn)有技術(shù)中，例如專利公開W09826643的記載，可以抑制電機內(nèi)產(chǎn) 生的機械震動。根據(jù)該公開，第二電壓被饋給電機的電源，它的頻率是基本 頻率的某個倍數(shù)。該頻率取決于相的數(shù)量和每一相的定子槽數(shù)量。
基于專利FI950145，這是一種以下列方式將軸向電機的磁心(定子)制 造為圓柱形板疊(stack of plate)的現(xiàn)有技術(shù)。帶狀鐵》茲板可螺旋地或環(huán)形 地巻成圓柱形板疊。在巻成滾筒之前，計算所述板疊上定子槽精確位置， 并利用專用沖壓開槽設(shè)備在所述板處于平直面上時沖壓開槽。這種沖壓位置 并不是等距設(shè)置的，因為在巻曲過程中繞著所述板疊的中心軸線累積的所述 板的質(zhì)量半徑不斷變化。當所述板疊完全巻曲時，板疊中的定子槽就位于所 需的位置上并具有所需的深度，而且所述槽的側(cè)壁也是平滑的。
這種現(xiàn)有技術(shù)的問題就是利用現(xiàn)有的方法并沒有更好地抑制諧波引起 的震動和噪音。例如，在使用電梯時，仍然可以觀察到電機中扭矩脈動所產(chǎn) 生的震動帶來電梯轎箱的震動和突然跳動。此外，由諧波產(chǎn)生的這種噪音還 會減小乘客的舒適度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電機，其中由定子繞組和定子開槽導致的諧
波要小于現(xiàn)有技術(shù)中的電機，而因諧波造成的對所述電機操作的副作用被最 小化。
本發(fā)明的方法的特征在于在權(quán)利要求1的特征部分公開的內(nèi)容。本發(fā)明 電機的特征在于權(quán)利要求10的特征部分公開的內(nèi)容。本發(fā)明的其他實施例 的特征在于其他權(quán)利要求公開的內(nèi)容。
一些創(chuàng)造性實施例也在本發(fā)明申請的說明書和附圖中進行了探討。本申 請的創(chuàng)造性內(nèi)容還可以進行不同的限定，而不僅僅是在下面權(quán)利要求書中所 表達的那樣。這些創(chuàng)造性內(nèi)容還可以包括多個單獨的發(fā)明，尤其是才艮據(jù)明示 或者暗含的子任務(wù)或者從所實現(xiàn)的優(yōu)勢或者優(yōu)勢類別來考慮本發(fā)明的時候。 在這種情況下，包含在下面權(quán)利要求書中的一些特征，從單獨的創(chuàng)造性概念 來看，可能是冗余的。結(jié)合其他實施例，各種實施例的特征可以適用于基本 的創(chuàng)造性概念框架內(nèi)。應(yīng)用到方法和設(shè)備中的特征也可以彼此相結(jié)合，從而 使本發(fā)明的設(shè)備包括與本發(fā)明方法相結(jié)合的特征，反之亦然。但是，和所述 方法相結(jié)合的程序性階段不必與和所述設(shè)備相結(jié)合的這些應(yīng)用相結(jié)合，而是 還可以更加普遍。
根據(jù)本發(fā)明的方法用于形成一種電機，所述電機包括轉(zhuǎn)子；定子；和用 于轉(zhuǎn)子和定子的支架結(jié)構(gòu)；以及將旋轉(zhuǎn)運動傳遞出電機的輸出件，使得定子 槽或可能含有槽的磁極鐵芯以與等距分布不同的設(shè)置定位設(shè)置在定子邊緣 上。定子槽和/或磁極鐵芯的設(shè)置方法可以稱為定子槽和/或定子磁極的分散 設(shè)置。以非等距間隔設(shè)置所述槽和/或磁極的目的是減小定子繞組和定子開槽
所引起的諧波(harmonics)，從而實現(xiàn)減小電機的震動、噪音和損失。根據(jù)本 發(fā)明開槽的定子還可以稱為VSP (可變槽節(jié)矩)定子。從等距設(shè)置的偏離優(yōu) 選地在定子不同部分之間遵循特定的對稱性。根據(jù)本發(fā)明形成的電機可以為 軸向磁通電機，其中電機的定子通過將帶狀鐵磁性板繞著板疊的中心軸線巻 成圓柱形板疊而制成，并且在所述方法中，在巻曲所述板疊之前，利用沖壓 機在所述板上沖壓凹口以形成所述槽。
在本發(fā)明的電機中，多個定子槽和/或磁極鐵芯以偏離等距分布的設(shè)置形 式設(shè)置在定子邊緣上。優(yōu)選地，在定子的一部分上如此實施自等距分布的偏 離，使得位于該部分上的所述槽和/或磁極從等距分布設(shè)置的偏離基本上與所 述定子上另一部分的偏離相對稱。本發(fā)明創(chuàng)造性理念還包括制造定子的方 法，其中所述定子的磁極和/或槽根據(jù)本發(fā)明的方法分散設(shè)置。所述槽例如可
以由沖壓來制成，換句話說就是利用適于開孔的器械在所述板上沖出凹口 。 制造定子的一種方法是在平面鐵石茲性板上沖壓出槽，隨后將所述板螺旋地巻 成4反疊。
根據(jù)本發(fā)明方案的一個優(yōu)點是，所述電機定子所產(chǎn)生的諧波可以甚至被 抑制到等距分布開槽的十分之一。通過這種方式，借助于本發(fā)明，電機相比 現(xiàn)有技術(shù)可以具有較低的震動和噪音，并具有更小的動力損失，產(chǎn)生更平穩(wěn)
因為與等距設(shè)置相比定子結(jié)構(gòu)的改變非常小，以致于它們不會影響所述線圈 或繞組的制造工藝。因此，從電機操作的觀點來看為重要的磁場的基波實際 上保持不變。而相反，對于三相設(shè)備來說，從震動和噪音的角度來看，諧波 中最關(guān)鍵的第五、第七、第十一和第十三諧波項的幅值被顯著減小了。


圖1是設(shè)有永磁體轉(zhuǎn)子的現(xiàn)有徑向磁通設(shè)備的實例；
圖2是設(shè)有永磁體轉(zhuǎn)子的現(xiàn)有軸向^f茲通設(shè)備的實例；
圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)帶槽的定子和轉(zhuǎn)子架的截面視圖4表明根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的展開成平面的定子邊緣的一部分；
圖5a是"i殳有等距分布開槽的現(xiàn)有定子架的截面圖5b是根據(jù)本發(fā)明的展開成平面的設(shè)有開槽的定子架一部分的截面圖5c是根據(jù)本發(fā)明設(shè)有開槽的定子架的截面視圖6示出了根據(jù)本發(fā)明可以改變的參數(shù)的示意簡圖。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的方法用于形成一種電機，所述電機包括轉(zhuǎn)子；定子；和用 于轉(zhuǎn)子和定子的支撐結(jié)構(gòu)；以及用于傳遞電機旋轉(zhuǎn)運動的輸出件，其中定子 為多個槽和/或磁極，所述多個定子槽和/或定子磁極以不同于等距分布的方 式定位設(shè)置。
多相電機的定子的繞組可以例如通過在定子邊緣上形成槽以及將包括 絕緣的導體環(huán)的線圈放置在所述槽內(nèi)來進行布置，各線圈連接在一起從而構(gòu) 成所需形式的繞組。所述槽繞組通常形成的如此分布，使得定子架被分為若 干區(qū)域，這些區(qū)域的數(shù)量由相的數(shù)量(m)和電機的磁極數(shù)量(2p)來確定，
以及例如在三相電機中，所述電機的相稱為A、 B和C相，A相線圈的一個
線圏側(cè)屬于A相的正區(qū)域，而另一線圈側(cè)屬于A相的負區(qū)域。在這種情況 下，B和C相的各線圈側(cè)通常位于所述線圏側(cè)之間。繞組還可以布置為集中
磁極繞組，其中各磁極通過將線圈繞設(shè)于磁極體而形成在定子邊緣，從而使 屬于另一相的線圈側(cè)不會處于一個磁極的線圈側(cè)之間。此后，所述術(shù)語磁極 鐵芯用以指代線圈本體以及作為它一部分的任一極孰。開槽還可以添加到》茲 極鐵芯，在這種情況下，》茲極繞組可以由繞設(shè)于》茲極體的線圈和配設(shè)在f茲極 鐵芯的開槽內(nèi)的線圏兩者形成。
在現(xiàn)有技術(shù)的定子中，其中形成有繞組的槽或磁極鐵芯通常等距分布在
變化以及定子邊緣上電流的不連續(xù)分布而產(chǎn)生諧波。在本發(fā)明中，定子槽在 定子邊緣上的設(shè)置位置不同于傳統(tǒng)的等距分布設(shè)置。這可以稱為定子槽的分
散設(shè)置。相同的創(chuàng)造性理念包括這樣的事實在使用磁極繞組時，定子的磁 極可以以非等距間隔設(shè)置。這可以通過》茲極鐵芯或它們相關(guān)的槽的非等距設(shè) 置來完成，所述非等距設(shè)置不僅可以應(yīng)用于機械磁極鐵芯，而且還可以應(yīng)用 于/f茲4及的》茲軸。
所述定子繞組產(chǎn)生的^ 茲場由流經(jīng)所述繞組的電流效應(yīng)形成。所述槽繞組 中的電流集中在所述槽內(nèi)，使得由繞組在氣隙內(nèi)產(chǎn)生的磁通勢在所述槽的部 位處產(chǎn)生躍變(change in jump )。致力于對繞組進行設(shè)計使得產(chǎn)生的;茲通勢 盡可能為純正弦形式，因為正是依靠該基頻分量來實現(xiàn)所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運 動。但是，躍變的磁通勢的波還包含有諧波。諧波分量的比例可以通過以傅 里葉級數(shù)表示磁通勢的波形，即將所述波形表示為正弦波和余弦波之和，來 檢測。改變所述槽的設(shè)置可以影響產(chǎn)生的磁通勢的諧波含量。在本發(fā)明的方 案中，所述槽的位置從等距設(shè)置偏離，使得所產(chǎn)生的磁通勢波形的諧波組成 發(fā)生變化，乂人而減小第五、第七、第十一和第十三諧波項的比例，而這些諧 波項在電力設(shè)備中被發(fā)現(xiàn)是有害的。所述槽的非等距設(shè)置還可以分散由定子 齒引起的氣隙內(nèi)的磁導波動，因此抑制磁場的槽諧波分量。
根據(jù)本發(fā)明的非等距設(shè)置優(yōu)選這樣實施，使得盡管所述槽或-茲極分散設(shè) 置，存在至少兩個定子部分，在至少兩個定子部分從所述槽和/或f茲極的等距 設(shè)置的偏離是彼此對稱的。這種對稱可以例如是鏡像對稱，或者開槽和/或磁 極鐵芯的設(shè)置可以在這兩部分上完全重復。這里所說的部分意味著所述定子
的滿足所述對稱條件的任一部分，且其在最簡單的情況下例如可以是所述定
子邊緣的一半。但在這些部分之間，可以是不滿足對稱條件的定子部分，且
所述滿足對稱條件的部分不必是定子的等距分布部分。通過某種對稱，繞組 可以在非等距形成的定子開槽或磁極鐵芯中來實施，使得繞組的非等距分布
不在定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生不希望的力分量。
槽和/或磁極鐵芯在定子邊緣上的設(shè)置位置根據(jù)本發(fā)明可以利用形狀函
數(shù)來確定，所述形狀函數(shù)通過將所謂的轉(zhuǎn)換函數(shù)(conversion fimction)與描 述以等距間隔開槽的定子的槽設(shè)置位置的函數(shù)相加而形成。所述定子如此形 成，使得基本上根據(jù)所述形狀函數(shù)來定位所述槽和/或磁極。
圖4示出了現(xiàn)有定子的一部分，為了圖面簡潔起見，其圓形形狀展開為 平面。圖4中的定子槽水平等間隔:沒置，即槽40、 42之間的距離和槽42、 44之間的距離相同，且類似地，齒41、 43之間的距離和齒43、 45之間的距 離大小相同。
可以通過所述位置函數(shù)f (公式1)來表達帶有等距分布的開槽的定子 邊緣的邊緣上的每一槽相對選定參考點的位置 f(k) = (k-1) xL/Q (1)
在這里，Q是定子槽的數(shù)量，k是槽的順序號(l， 2,…Q， )， L是所 述定子邊緣的長度。公式1中f(k)表示作為相距所述參考點的距離的槽k的 位置，在此參考點是順序號為1的槽。參考圖4，公式(1)中的符號f (k) 可以認為是所述槽的中心點，即所述槽對稱軸線上的定位點。位置函數(shù)f還 可以如此形成，使得槽k的位置表示為角度，在此情況下，公式l中的符號 L由值360。來替換。磁極鐵芯的位置可以相應(yīng)地替代在所述槽的位置。在這 種情況下，在位置函數(shù)f中，所述槽的順序號由相對于選定參考點的磁極鐵 芯的順序號所代替，而且槽的數(shù)量Q由設(shè)備的磁極數(shù)量2pm代替，其中p 為設(shè)備的磁極對的數(shù)量，m為相的數(shù)量。
表示槽或磁極鐵芯的位置的形狀函數(shù)(shape function)通過將用于改變開
槽的轉(zhuǎn)換函數(shù)加到用于等距分布開槽的位置函數(shù)來形成。 因此，所述方案中的槽位置根據(jù)公式2來實現(xiàn) M (k) =f (k) +H (k) (2)
其中，M (k)表示順序號為k的槽的位置。而且，所述形狀函數(shù)和轉(zhuǎn) 換函數(shù)的值可以或是表示為距離或是表示為角度。
通過公式2，通過利用齒的順序號來代替k也可以獲得關(guān)于齒的位置的 信息，因為所述槽和齒的位置彼此相關(guān)聯(lián)。但是，在槽的分散布置中齒的寬 度變化這一事實必須給予考慮。
根據(jù)公式3，轉(zhuǎn)換函數(shù)H例如可以為正弦函數(shù)。 H(k) =a*sin (s*2;r*f (k) /L) (3)
其中，s為轉(zhuǎn)換函數(shù)的對稱數(shù)，其確定定子邊緣上對稱部分的數(shù)量，a 為確定變化量的幅值。例如s^3，則在定子邊緣上觀察到三個緊密組和三個 稀疏組(three closer groupings and three sparser groupings)。 對稱數(shù)s和幅值a 可以根據(jù)所需的方法來進行選擇。
所述正弦函數(shù)的間距長度優(yōu)選地如此選擇，使得在沿截面看時開槽中不 發(fā)生中斷，即所述定子內(nèi)邊緣的長度是所述正弦函數(shù)間距長度的整數(shù)倍。所 述定子架的內(nèi)邊緣這里通常指所述邊緣的轉(zhuǎn)子一側(cè)。所述轉(zhuǎn)換函數(shù)還可以是 若干正弦函數(shù)之和。通過傅立葉級數(shù)展開，可以實現(xiàn)對應(yīng)于這種形狀的任何 連續(xù)函數(shù)。因此在本發(fā)明的方法中，定子架上的所述槽和/或》茲極的通常非等 距位置被確定。
圖5a、 5b和5c示出了對開槽等距分布進行改進以使開槽符合本發(fā)明的 示意圖。圖5a示出了定子的截面，其中槽51根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)以等距間隔設(shè)置。 圖5c示出了根據(jù)本發(fā)明的定子54的截面。槽55的位置與圖5a所示者稍微 偏離。從圖5c中可以看到，在所述截面區(qū)域的三個部位上，存在比平均值 更為緊密的開槽，而相應(yīng)的在三個部位上存在比平均值更為稀疏的開槽。開 槽更為稀疏的三個部位之一在圖中標記為部位b。從該部位，相鄰槽之間的 距離的最小者和最大者以60度的間隔交替變化。因此就可以在定子54的邊 緣上選擇角度a56和角度p57,其中滿足這樣的條件a>(3。所述角度之間的 差別可以例如是一度大小的量級。在該實施例中，利用正弦轉(zhuǎn)換函數(shù)和取值 為3的對稱數(shù)來確定槽的位置。每一槽55的位置從圖5a的值偏離由轉(zhuǎn)換函 數(shù)確定的量值。在本實施例中，所述正弦函數(shù)的一個間隔對應(yīng)于所述定子整 個圓周的三分之一，即120度，換句話說，所述定子包括三個120度的對稱 部分。在該實施例中，還可以選擇所述定子邊緣的六分之一作為滿足所述對 稱條件的部分。
圖5b表示根據(jù)圖5c的定子的三分之一，為了簡潔起見，展開為平面并 且突出了槽53非等距布置。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述槽保持為標準寬度的槽，槽的分散 布置意味著標準寬度的槽之間的距離的變化。對于制造工藝來說，這是一個 簡單的方案。但是，根據(jù)本發(fā)明的減小諧波也可以利用非標準寬度的定子槽。
本發(fā)明的理念可以應(yīng)用到采用現(xiàn)有技術(shù)形成的繞組，諸如迭繞組，其中 完成的繞組中的線圈端彼此搭接；和同心繞組，其中線圈端定位于相同的高 度。
可以通過例如更改標準寬度^t極鐵芯之間的角度、保持磁極鐵芯之間的 角度恒定而更改所述^f茲極鐵芯的寬度、或更改所述寬度和角度兩者來實現(xiàn)所 述磁極的分散布置。根據(jù)本發(fā)明，定子的磁極繞組中可以改變的任何變量都
在圖6中示出。圖6示出了軸向-茲通i殳備(axial flux machine)的定子架60和 設(shè)置在其內(nèi)的四個帶槽磁極鐵芯61。在根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案中，自等距布 置的分散可以基于所述磁極鐵芯之間的角度62、所述磁極鐵芯的寬度63、 所述槽之間的角度64以及》茲極鐵芯61中開槽65的定位來進行。所述磁極 鐵芯也可以不帶槽，當然這種情況下變量參數(shù)是磁極鐵芯之間的角度62和 磁極寬度63。在根據(jù)本發(fā)明的方案中，自等距布置的分散可以集中在一個或 多個上述參數(shù)。因此，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，可以例如選擇磁極鐵芯的所 需寬度，并在此之后，確定所述磁極在定子邊緣上的非等距分布位置，或者 另外首先選擇磁極之間的角度值，并在此之后，確定相應(yīng)于每一磁極鐵芯的 略有不同的寬度。此外，可以確定所述槽在所述^f茲極鐵芯中的非等距分布定 位。所述槽和所述磁極鐵芯的寬度和位置可以或是表述為長度測量值或是表 述為角度值。
本發(fā)明可以應(yīng)用于徑向》茲通設(shè)備(radial flux machine),在這種情況下， 根據(jù)本發(fā)明的開槽或磁極鐵芯例如可以在定子板的制造過程中實現(xiàn)；或應(yīng)用 于軸向磁通設(shè)備，在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的開槽和/或磁極鐵芯可以在定 子帶(stator strip )的制造過程中實現(xiàn)。
本發(fā)明的電機包括定子，其中設(shè)有槽和/或磁極；轉(zhuǎn)子；用于這些部件 的支架結(jié)構(gòu)；以及用于傳遞電機旋轉(zhuǎn)運動的輸出件，并且所述定子槽和/或磁 極以不同于等距分布的設(shè)置方式布置。優(yōu)選地，如此進行A/v等距分布的分散， 使得所述槽和/或磁極在所述定子的至少一部分上自等距布置的分散與所述 定子的至少另一部分相對稱?？梢赃m用本發(fā)明的電機類型的示例在圖1-3 中表示。圖1示出了永磁徑向磁通設(shè)備的主要部件的實例。該設(shè)備的轉(zhuǎn)子20
例如由鋼或電板(electrical plate)制成。永-茲鐵21設(shè)置在轉(zhuǎn)子的表面上。 定子22也可以由電板制成。該實例的定子由兩半構(gòu)成。例如由絕緣銅導體 構(gòu)成的線圈23，如圖所示，以例如環(huán)形方式設(shè)置在定子22上。所述轉(zhuǎn)子和 定子之間的磁通的主方向從軸向看時為徑向。
圖2示出了永磁軸向磁通設(shè)備的主要部件的實例。所述設(shè)備的定子包含 開槽，但是軸向磁通設(shè)備還可以實施為帶有磁極繞組。在作為示例示于圖中 的設(shè)備中，永磁體設(shè)置在轉(zhuǎn)子26上，定子24的繞組設(shè)置在所述槽25內(nèi)。 在圖中標記了三個定子線圈27、 28、 29。所述轉(zhuǎn)子和定子之間氣隙中的所述 設(shè)備的磁通的方向主要沿所述設(shè)備的軸向方向。
圖3示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)開槽的電機定子和轉(zhuǎn)子架的截面圖。所述定子 30的內(nèi)邊緣具有槽31和所述槽之間的齒32。所述轉(zhuǎn)子33也具有槽34和齒 35，在轉(zhuǎn)子33和定子30之間設(shè)有較窄的氣隙，在所述氣隙內(nèi)，磁通從所述 定子30走向轉(zhuǎn)子33并返回。在定子30和轉(zhuǎn)子33的槽31、 34中設(shè)置有繞 組。在這種類型的電機中，如果需要，也可以將本發(fā)明的槽的分歉布置應(yīng)用 于轉(zhuǎn)子來減小轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的諧波。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，利用轉(zhuǎn)換函數(shù)形成的所述槽或磁極從等
距布置的偏離非常小，以至于改變正常等距布置而促成本發(fā)明不影響定子線
圈或繞組的制造。通過對用以在定子帶或電板上形成槽的設(shè)備進行軟件調(diào)
整，就可以實現(xiàn)根據(jù)所述方法的所述槽的新布置。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述槽和/或磁極從等距布置的偏離通過 至少一個正弦函數(shù)來形成。偏離量與所述轉(zhuǎn)換函數(shù)的值大小相同。在一個優(yōu)
選實施例中，所述轉(zhuǎn)換函數(shù)的對稱數(shù)選定為s = 2。根據(jù)本發(fā)明的方法的特征 在于當采用較大的s值時，也需要較大的a值來獲得抑制諧波的相同效果。
在本發(fā)明的另 一個實施例中，所述轉(zhuǎn)換函數(shù)的對稱數(shù)s可以選擇為至少 s-2這樣大。在某些實施例中，偶數(shù)s值比奇數(shù)s值更為可取，因為采用轉(zhuǎn) 換函數(shù)的奇數(shù)^磁極對數(shù)，施加在轉(zhuǎn)子上的合力不為零，從而在軸承上會引起 磨損。但是，包括對稱數(shù)1在內(nèi)的奇數(shù)對稱數(shù)也是可行的，并且例如在旋轉(zhuǎn) 較慢的軸向磁通設(shè)備中它們可能是優(yōu)選的。
本發(fā)明的發(fā)明理念還包括制造槽或者磁極鐵芯分散布置的定子的理念。 一種制造方法是在定子板或定子帶上進行開槽，并用所述開槽板或開槽帶形 成定子板疊。所述定子結(jié)構(gòu)的不同層例如可以通過焊接固定在一起。在定子
帶的情況下，例如當軸向磁通設(shè)備屬于所述情況時，優(yōu)選地是首先計算出所 述定子槽或定子^^及的位置點，此后在所述定子帶上沖壓出所述槽，最后例
如根據(jù)專利出版物FI950145所記載的方法，將所述帶槽板巻成螺旋形狀。 也可以在巻成螺旋之后，在所述板疊上做出槽。在這種情況下，優(yōu)選的是利 用激光切割來開槽，因為如果在最終板疊上沖壓開槽，則會存在這樣的危險 由于沖壓產(chǎn)生的擦傷而在不同層板之間形成有害的短路。
本發(fā)明的發(fā)明理念進一步包括電機定子的制造方法，其中，通過在確定 有待巻繞成帶狀板疊的鐵磁性板上的凹口位置時利用本發(fā)明的形狀函數(shù)和 轉(zhuǎn)換函數(shù)來實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的槽的分敬布置。專利出版物FI950145記載了 一種方法和裝置，利用該方法和裝置，可以通過在鐵^磁性板或定子帶上沖壓 凹口來形成具有等距定位的開槽的柱形定子，使得最終的槽在所述柱形板疊 上對齊，盡管定子帶上的兩個槽之間的距離隨著板疊直徑增大而增大。通過 根據(jù)除了別的之外還取決于板疊直徑的校正系數(shù)來增加兩個凹口之間的距 離，所述凹口被定位使得所述定子帶巻曲時，在所述定子上形成等距定子開 槽。根據(jù)本發(fā)明，轉(zhuǎn)換函凄t被添加于描述等距開槽的槽位置函數(shù)中，由此獲 得描述開槽形狀的形狀函數(shù)。所述定子如此制造，使得在鐵磁性板上沖壓凹 口，以依賴于所述板疊半徑的校正系數(shù)增加兩個凹口之間的距離，從而在最 終的板疊上形成符合所述形狀函數(shù)的非等距開槽。可以通過對專利出版物 FI950145記載的裝置進行軟件修改來實現(xiàn)本發(fā)明的方法，并借此利用轉(zhuǎn)換函 數(shù)來修改表達等距開槽的位置。由于本發(fā)明的定子開槽可以如此實施，使得 相對于具有對應(yīng)數(shù)量的等距槽的定子槽的位置改變非常小，所以彼此類似且 相應(yīng)于等距定子開槽制造的定子線圈可以用于根據(jù)本發(fā)明的定子中。
尤其是在電梯電機中，希望從電機獲取盡可能最大的扭矩，但因為空間 限制，電機的外直徑應(yīng)該小。這實際上意味著，目的是讓電梯電機定子的外 徑相對于電機的直徑盡可能大，因而優(yōu)選的是使留作用于所述線圈端部的空 間盡可能小。根據(jù)本發(fā)明，彼此尺寸相同的定子線圈可以設(shè)置在非等距定位 的槽中以形成繞組，使得被纏繞的定子仍能夠像具有相應(yīng)數(shù)目的等距開槽并 且以相應(yīng)方式纏繞的定子那樣，被配裝到相同尺寸的電機架內(nèi)。舉例來說， 在設(shè)計用于電梯的永磁軸向磁通電機的、設(shè)有雙層迭繞組的定子中，其外邊 緣直徑為320mm且兩個相鄰槽之間距離的最大偏差小于1毫米，繞有尺寸 彼此相同的定子線圏的定子可以被安裝到內(nèi)徑為380mm的定子架中。因此，
采用本發(fā)明的方法不需要對定子線圈的制造作任何改變。而且，在其開槽非 等距布置的定子中采用尺寸彼此相同的線圈具有的優(yōu)點是，纏繞工藝仍然保 持與制造具有等距開槽的定子時一樣簡單，因為各個線圈在定子邊緣上的位 置不是根據(jù)它的寬度與其他線圈的偏離來確定的。相對于等距布置對開槽進 行小改變的優(yōu)點還在于，所選定的磁通諧波得以抑制，而不會對基本波形產(chǎn) 生顯著影響。
在本發(fā)明的一個實施例中，等距槽的位置函數(shù)、轉(zhuǎn)換函數(shù)和形狀函數(shù)形 成為所述板疊內(nèi)邊緣上的測量長度。所述板疊的沖壓始自將位于板疊內(nèi)邊緣 上的所述定子帶的端部，且隨著沖壓進行到將位于所述板疊上的更大直徑上 的所述定子帶的部位時，以依賴于所述板疊直徑的校正系數(shù)來增加兩個槽之 間的距離。
在本發(fā)明的一個實施例中，等距開槽的槽在定子邊緣上的位置、所述轉(zhuǎn) 換函數(shù)和形狀函數(shù)均表示成角度值。在實踐中實施所述形狀函數(shù)確定的本發(fā) 明的槽或磁極鐵芯的位置時，形狀函數(shù)或轉(zhuǎn)換函數(shù)的值需要經(jīng)常四舍五入， 這會稍微影響所產(chǎn)生的定子的對稱性。根據(jù)本發(fā)明的開槽或磁極鐵芯優(yōu)選地 如此實施，使得所述槽和/或磁極的位置不會明顯地偏離公式3給出的值，盡 管進行了四舍五入。例如，以滿足對稱條件的觀點來看，所述形狀函數(shù)所描 述的位置和實際位置之間、相應(yīng)于轉(zhuǎn)換函數(shù)幅值10%的偏離仍然被認為是足 夠小的偏離。
作為本發(fā)明的一個應(yīng)用，電機定子的槽和齒的測量值例如可以為，齒寬 度為5毫米大小，而槽寬度為7毫米大小。
本發(fā)明的一個應(yīng)用為電機，其中定子繞組為分矩繞組，使用例如5/6的分矩。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中， 一個正弦函數(shù)用作轉(zhuǎn)換函數(shù)，并為其選
擇0.3毫米的幅值。當所述形狀函數(shù)的對稱數(shù)為2時，就可以對第五、第七、 第十一和第十三諧波項實現(xiàn)顯著抑制。而且同時，實際上所述基波的幅值不 發(fā)生變化。
在第二優(yōu)選實施例中，0.3毫米選定作為轉(zhuǎn)換函數(shù)的幅值，選4奪3作為 對稱數(shù)。在第三優(yōu)選實施例中，0.2毫米選定作為轉(zhuǎn)換函數(shù)的幅值，選4奪2 作為對稱數(shù)。在第二、第三優(yōu)選實施例兩者中，都可以實現(xiàn)對第十一和第十 三諧波項的顯著抑制。
本發(fā)明的一個應(yīng)用是用作例如專利出版物EP676357中所記載的電梯系 統(tǒng)的動力源的扁平型電機電機。所述電機包括疊層定子和疊層轉(zhuǎn)子(laminar stator and laminar rotor)。在轉(zhuǎn)子板的表面上設(shè)置永磁鐵。根據(jù)EP676357的 方案，所述電機的主要部件使得形狀非常扁平，由此，所述電機可以直接安 置在電梯豎井中，且不再需要單獨的機房。
但是本發(fā)明并不局限定于個別的應(yīng)用，而是還可以應(yīng)用于通用電機。另 一個優(yōu)選的應(yīng)用就是作為自動扶梯的驅(qū)動設(shè)備。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，本發(fā)明并不局限于所述實施例，其 中本發(fā)明利用實例進行敘述，而是在本發(fā)明創(chuàng)造性理念的框架下，本發(fā)明還 存在許多變形和不同的實施例，本發(fā)明的范圍由下面的權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1、一種形成電機的方法，所述電機包括轉(zhuǎn)子；定子；和用于轉(zhuǎn)子和定子的支撐結(jié)構(gòu)；以及用于傳遞電機旋轉(zhuǎn)運動的輸出裝置，其中定子具有多個槽和/或磁極，其特征在于，在所述方法中，所述多個定子槽和/或磁極以偏離等距分布的方式設(shè)置，且該方法進一步包括以下階段確定轉(zhuǎn)換函數(shù)，該轉(zhuǎn)換函數(shù)包括正弦函數(shù)或若干正弦函數(shù)之和；通過針對相應(yīng)于等距開槽的槽和/或磁極的設(shè)置位置與所述轉(zhuǎn)換函數(shù)的值進行求和來確定表征所述定子槽和/或磁極的設(shè)置位置的形狀函數(shù)；形成定子，其中所述槽和/或磁極基本上根據(jù)所述形狀函數(shù)來定位。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以下階段 使所述定子至少一個部分上的所述槽和/或磁極從等距設(shè)置的偏離設(shè)置與另 一部分上的偏離設(shè)置相對稱。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述定子結(jié)構(gòu)相對于 等距設(shè)置的改變非常小，使得它們不影響所述線圈的制造或線圈繞設(shè)工藝。
4、 如權(quán)利要求1-3任一項所述的方法，其特征在于，所述方法進一步' 包括以下階段確定所述槽在定子邊緣上的非等距定位。
5、 如權(quán)利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，所述方法進一步 包括以下階段確定所述槽在-l^及鐵芯上的非等距定位。
6、 如權(quán)利要求1-5任一項所述的方法，其特征在于，所述方法進一步 包括以下階段確定所述》茲極在定子邊緣上的非等距定位。
7、 如權(quán)利要求1-6任一項所述的方法，其特征在于，所述方法進一步 包括以下階段確定所述》茲極鐵芯的彼此稍微不同的寬度。
8、 如權(quán)利要求1-7任一項所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換函數(shù)的 對稱數(shù)至少為2。
9、 如權(quán)利要求1-8任一項所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換函數(shù)的 對稱數(shù)為偶數(shù)。
10、 如權(quán)利要求l-9任一項所述的方法，其特征在于，所形成的電機為 軸向磁通電機，且在所述方法中，所述電機定子通過繞層疊板的中心軸線將 帶狀鐵磁性板巻成圓柱形板疊來制造，且在所述方法中，在巻成板疊之前， 利用沖壓設(shè)備在所述板上沖壓出凹口以形成所述槽。
11、 一種電機，具有定子(22、 26、 30、 50、 52、 54、 60),在定子上 具有多個槽(31、 40、 42、 44、 51、 53、 55、 65 )和/或》茲才及(61 );轉(zhuǎn)子(20、 24、 33);和用于轉(zhuǎn)子和定子的支撐結(jié)構(gòu)；以及傳遞電機的旋轉(zhuǎn)運動的輸出 裝置，其特征在于，所述多個槽(31、 40、 42、 44、 51、 53、 55、 65)和/ 或磁極(61)以偏離等距分布的方式設(shè)置在所述定子上，使得所述槽(31、 40、 42、 44、 51、 53、 55、 65)和/或磁極(61)的定位從等距定位的偏離量 值與由至少一個正弦函數(shù)形成的轉(zhuǎn)換函數(shù)的值相同。
12、 如權(quán)利要求11所述的電機，其特征在于，在所述定子(22、 26、 30、 50、 52、 54、 60)的至少一部分上所述槽(31、 40、 42、 44、 51、 53、 55、 65 )和/或^f茲極(61 )的定位從等距定位的偏離與所述定子的至少另一部 分上的偏離相對稱。
13、 如權(quán)利要求11或12所述的電機，其特征在于，所述定子結(jié)構(gòu)相對 于等距設(shè)置的變化非常小，使得它們不影響所述線圈的制造或線圈繞設(shè)工藝
14、 如權(quán)利要求11 - 13任一項所述的電機，其特征在于，所述電機的 轉(zhuǎn)子(20、 24、 33)被永久》茲化。
15、 如權(quán)利要求11 - 14任一項所述的電機，其特征在于，所述電機為 軸向磁通設(shè)備。
16、 如權(quán)利要求11 - 15任一項所述的電機，其特征在于，所述電機為 徑向/F茲通i殳備。
17、 如權(quán)利要求11 - 16任一項所述的電機，其特征在于，所述定子(22、 26、 30、 50、 52、 54、 60)的繞組為分距繞組。
18、 如權(quán)利要求11 - 17任一項所述的電機，其特征在于，所述電機用 作電梯系統(tǒng)的動力源。
19、 如權(quán)利要求11 - 18任一項所述的電機，其特征在于，所述定子(22、 26、 30、 50、 52、 54、 60)通過在定子板或定子帶上沖槽、并通過用所述開 槽板或開槽帶形成定子板疊進行開槽。
全文摘要
在本發(fā)明中，電機定子的槽或磁極的位置可以變化，以便于減小由定子繞組所產(chǎn)生的諧波以及由這些諧波造成的震動。在本發(fā)明中，根據(jù)所述定子槽和/或磁極的新設(shè)置位置來限定一個形狀函數(shù)。轉(zhuǎn)換函數(shù)用于將所述槽設(shè)置位置疊加到等距定子開槽設(shè)置。在本發(fā)明的一個實施例中，所述轉(zhuǎn)換函數(shù)為正弦函數(shù)之和，并相對于所述槽之間的距離而言幅值很小。
文檔編號H02K29/03GK101116233SQ200580048067
公開日2008年1月30日 申請日期2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月13日
發(fā)明者阿斯莫·藤赫嫩 申請人:通力股份公司