高功率密度、高效率、非永磁体电机制造技术

本发明专利技术涉及高功率密度、高效率、非永磁体电机。制造包括转子和定子的电机的系统和方法，其中该定子包括具有两组端子的分数槽集中绕组，其中第一组端子配置该分数槽集中绕组为具有第一极数（P1），并且其中第二组端子配置该分数槽集中绕组为具有不同于该第一极数（P1）的第二极数（P2）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的实施例大体上涉及具有高功率密度的电机，并且更特别地涉及具有高效率和低成本的非永磁体电机。
技术介绍
对高功率密度和高效率电机（即，电动马达和发电机）的需要对于多种应用、特别对于混合动力和/或电动车辆牵引应用已经盛行很久。由于能量供应和环境原因，已经存在增大的动机来生产既非常高效又可靠甚至对于普通消费者合理地定价的混合动力-电动和/或电动车辆。然而，对于混合动力-电动和电动车辆可用的驱动马达技术一般是成本高昂的，由此减少消费者负担能力或制造商盈利能力中的一个（或两个）。因为已经发现内部永磁体（IPM）机在宽速度范围上具有高功率密度和高效率，并且也容易封装在前轮驱动车辆中，大多数商业可得到的混合动力-电动和电动车辆对于牵引应用依赖IPM电机。然而，为了获得这样高的功率密度，IPM机必须使用昂贵的烧结高能量乘积磁体。此外，IPM机以高速（例如，14,000rpm）运行以获得最佳功率密度，并且该高速运转导致高反电磁场（EMF）。这样的高反EMF要求使用高电压逆变器装置，其导致整体系统成本中的进一步增加。IPM机还包含对高速运转敏感的错综复杂的转子和定子设计，由此增加它们的制造的复杂性和成本。例如，IPM机的定子一般使用三相分布绕组或发针矩形导线用于更高的槽填充（slot fill）。这些绕组使用常规自动绕组机生产是昂贵的。尽管可开发特殊的自动绕组机站来生产这样的绕组，这样的工装定制也是相当高成本的。分布绕组线圈还延伸超过它们缠绕在其上的定子铁芯，其对于在例如在电动和/或混合动力-电动车辆中存在的那些等紧密封装情况中使用可是不利的。此外，IPM机的转子通常具有一层或多层切口以实现磁体的插入，由此在磁体和转子的外表面之间留下薄桥。这些薄桥导致减弱的机械连接，其由于当转子以高速运转时的高离心力而可能是有问题的。IPM机还需要定子和转子之间的小空隙（例如，0.02-0.03英寸）以便获得高功率密度和高效率。对小空隙的需要意味定子和转子两者必须以更严格的公差来制造，由此增加它们的建造的复杂性和成本。IPM机的使用的另一个缺点是如果要获得高功率密度需要在转子中使用烧结磁体。这些烧结磁体不能结合并且必须插入未磁化的转子通道，其后胶粘磁体并且平衡组装的转子。转子然后“落”入定子，组装IPM机，并且其后磁体使用专用的磁化器具（magnetizing fixture）单独磁化。该转子建造的工艺不容易自动化，再次增加制造IPM机的总费用。至少由于上文阐述的原因，制造和维护IPM机的高成本总的来说限制了混合动力-电动和电动车辆的商业化和电动驱动马达技术的采用两者。在解决对更加成本高效和低维护的混合动力-电动和电动技术的需要中，已经做出许多努力来开发新电池和逆变器技术。然而，如上文证明的，在混合动力-电动和电动驱动技术变得完全商业可行之前，仍然存在对改进的和成本有效的驱动马达技术的巨大需要。因此提供具有高功率密度、高效率和相对低成本的非永磁体电机将是可取的。
技术实现思路
本专利技术针对包括转子和定子的电机，该定子包括具有两组端子的分数槽集中绕组，其中第一组端子配置该分数槽集中绕组为具有第一极数（P1），并且其中第二组端子配置该分数槽集中绕组为具有不同于该第一极数（P1）的第二极数（P2）。根据本专利技术的另一个方面，同步磁阻电机示出包括：具有分数槽集中绕组的定子，耦合于该分数槽集中绕组使得该分数槽集中绕组具有第一极数（P1）的第一组端子，以及耦合于该分数槽集中绕组使得该分数槽集中绕组具有第二极数（P2）的第二组端子，其中该第二极数（P2）小于该第一极数（P1）。该同步磁阻电机还包括耦合于该第一组端子的交流（AC）电源、耦合于该第二组端子的直流（DC）电源和同步磁阻叠片式转子。根据本专利技术的另一个方面，示出制造电机的方法，该方法包括：形成具有分数槽集中绕组的定子、形成耦合于该分数槽集中绕组的具有第一极数（P1）的第一组端子以及形成耦合于该分数槽集中绕组的具有第二极数（P2）的第二组端子的步骤。该方法还包括将该第一组端子耦合于第一能源，将该第二组端子耦合于第二能源，形成同步磁阻叠片式转子，以及将该同步磁阻叠片式转子设置在该定子内。将从下列详细描述和图使各种其他特征和优势明显。附图说明图图示目前考虑用于执行本专利技术的实施例。在图中：图1图示根据本专利技术的实施例的定子的横截面视图。图2A图示根据本专利技术的实施例的转子的横截面视图。图2B图示根据本专利技术的另一个实施例的转子的横截面视图。图3是根据本专利技术的实施例的定子绕组配置的示意图。图4是根据本专利技术的实施例的定子绕组配置的平坦化布局。具体实施方式示出系统以提供高功率密度、高效率和相对低成本的电机用于在多种应用中使用，其包括电动和混合动力-电动车辆牵引应用。尽管对驱动马达和发电应用两者已经利用许多类型的电机，高速和高功率密度应用（例如电动和混合动力-电动车辆牵引应用）的选项典型地受成本和/或性能约束限制。如之前指出的，许多电动和混合动力-电动车辆利用内部永磁体（IPM）电机，其既生产成本高又在高速时冒机械故障的风险。然而，本专利技术的实施例包含装备有用于高功率密度运转的分数槽集中绕组的同步磁阻电机，而没有之前在工业中存在的成本或性能约束。图1图示根据本专利技术的实施例的同步磁阻电机的定子100的横截面视图，其中定子100装备有单个分数槽集中绕组102。定子100包括多个齿104、多个槽106和护铁区108。图1示出定子100具有十二（12）个齿104和十二（12）个槽106。尽管要理解在定子100的该建造中可利用更多或更少的齿104和槽106，在选择齿104和槽106的数目中必须考虑在宽速度范围上的最佳性能和制造的容易度。尽管更少的齿104和槽106可简化定子100的建造，该同步磁阻电机在高速时的性能可能因此受损。分数槽集中绕组102绕每个齿104设置使得每个齿104有三（3）个线圈，如在图1中示出的。因此，在定子100中存在总共三十六（36）个线圈（代表三相）。如将在下文进一步详细阐述的，分数槽集中绕组102配置成具有两个单独的极数（P1和P2），其通过耦合于分数槽集中绕组102的两个单独组的端子来实现。采用该方式，具有单个唯一分数槽集中绕组102的同步磁阻电机实现一个极数（即，P1）的AC激励和另一个极数（即，P2）的DC激励。现在参照图2A和2B，示出根据本专利技术的实施例的两个单独的同步磁阻转子配置。该同步磁阻转子可用钢叠片（用于更高的功率密度）或用软磁材料（用于中等功率密度）建造。首先，参照图2A，示出根据本专利技术的实施例的轴向叠片式同步磁阻转子200。如同所有同步磁阻电机，转子200大小适合于并且配置成设置在图1中示出的定子100的轴向开口内。转子200是具有多个转子极202的同步磁阻叠片式转子。转子200包括由多个空隙206分开的多个轴向叠片204。作为在同步磁阻电机中典型的那样，转子极202的数目小于定子极的数目以便最小化转矩脉动并且防止转子和定子极的同时对准。在本专利技术的实施例中，转子的转子极的数目（P3）可由等式确定：P3＝（P1+P2）/ 2 （等式1）从而，如果定子的第一极数（P1）是十二（12）并且定子的第二极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耦合至非永磁体电机的电路（300），包括：交流（AC）电源（312），配置成将AC电压施加到定子（100）的第一组极（P1）；以及直流（DC）电源（322），配置成将DC电压施加到所述定子（100）的第二组极（P2）；其中与所述第一组极（P1）相比，所述第二组极（P2）具有更少的极；并且其中所述第一组极（P1）和所述第二组极（P2）由单个分数槽集中绕组（102）构成。

【技术特征摘要】
2010.07.23 US 12/8421421.一种耦合至非永磁体电机的电路（300），包括：交流（AC）电源（312），配置成将AC电压施加到定子（100）的第一组极（P1）；以及直流（DC）电源（322），配置成将DC电压施加到所述定子（100）的第二组极（P2）；其中与所述第一组极（P1）相比，所述第二组极（P2）具有更少的极；并且其中所述第一组极（P1）和所述第二组极（P2）由单个分数槽集中绕组（102）构成。2.如权利要求1所述的电路（300），包括第一Y字形连接（302），所述第一Y字形连接（302）包括所述第一组极（P1）。3.如权利要求2所述的电路（300），其中所述第一Y字形连接（302）是第一三相电路，所述第一三相电路包括所述第一三相电路的一个相绕组中的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：AM埃兰塔布利，AMF埃尔雷菲，RD金，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US