最佳地分配定子和转子之间的电损失的异步电机

摘要

本发明涉及一种异步电机（1），其尤其可以使用在电动车或混合动力车辆中。异步电机（1）具有转子（5）和定子（3）。异步电机被这样建造和控制，使得它具有p=3的极对数p。基于由此能达到的减小的轭饱和度，定子轭（9）可以构造有更小的高度hy1，因而转子外径D2a与定子外径D1a的比的值可以在0.7和0.8之间。由此可以在转子（5）内形成变大的转子齿（19）和相应变大的转子槽（21），因而在转子槽（21）中用作转子线圈元件（23）的材料中的电损失相比传统的异步电机更小。作为补偿在定子（3）中强烈出现的电损失导致了定子（3）比在转子（5）中的情形下更少地变热，因而定子（3）能用简单的器件冷却。因此总体上能用所建议的异步电机（1）达到更高的持久扭矩。

权利要求

1.异步电机（1），具有：

转子（5），

包围转子（5）的定子（3），

其中定子（3）具有定子外径D1a和有定子轭高hy1的外置的定子轭（9）、多个从定子轭（9）径向向内突出的、具有定子齿高hz1和平均的定子齿宽bmz1的定子齿（11）以及多个分别在相邻的定子齿（11）之间在定子槽（13）中布置的定子线圈元件（15），其中转子（5）具有转子外径D2a和有转子轭高hy2的内置的转子轭（17）、多个从转子轭（17）径向向外突出的、有转子齿高hz2和平均的转子齿宽bmz2的转子齿（19）以及多个分别在相邻的转子齿（19）之间在转子槽（21）中布置的转子线圈元件（23），其特征在于，异步电机（1）具有p=3的极对数，转子外径D2a和定子外径D1a的比处在0.7和0.9之间，并且定子齿高hz1和转子齿高hz2的比处在0.3和0.6之间。

2.按权利要求1所述的异步电机，其中，定子轭高hy1与转子轭高hy2相差少于20%。

3.按权利要求1或2所述的异步电机，其中，平均的定子齿宽bmz1与定子槽数N1相关地处在bmz1=0.8*（hy1/（N1*18））至bmz1=1.2*（hy1/（N1*18））之间的范围内。

4.按权利要求1或2所述的异步电机，其中，平均的转子齿宽bmz2与转子槽数N2相关地处在bmz2=0.8*（hy2/（N2*18））至bmz2=1.2*（hy2/（N2*18））之间的范围内。

5.按权利要求1或2所述的异步电机，其中，对由定子轭高hy1、转子轭高hy2、平均的定子齿宽bmz1和平均的转子齿宽bmz2得出的磁路以及定子槽（13）的横截面积进行选择，使得在其中一个定子槽（13）中的电流密度处在最大40A/mm2的短时极限上，并且同时在定子轭、转子轭（17）和在定子齿和转子齿内的感应处在1.7至2.0T的饱和范围内。

6.按权利要求1或2所述的异步电机，其中，定子外径D1a处在130至240 mm的范围中。

7.按权利要求1或2所述的异步电机，其中，异步电机（1）设计用于产生在35 Nm/l和70 Nm/l之间的扭矩密度。

8.机动车（100），带有用作驱动马达和/或再生发电机的、按权利要求1至7任一项所述的异步电机（1）。

说明书

最佳地分配定子和转子之间的电损失的异步电机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种例如形式为异步电动机或发电机的异步电机。

背景技术

[0002] 已研发若干电机，以便在将来例如能电驱动电动车或混合动力车辆，或使车辆的动能能够回收成为电能。在此，电机或被用作电动机，或被用作发电机。

[0003] 现在已进一步研发了尤其使用在车辆中的各种电机。尤其努力优化使用在车辆中的异步电机。首先对未来的公路车辆而言，异步电机在此一方面应当尽可能小和轻，另一方面则应当在有尽量高的功率输出且有很高的可供使用的最大扭矩时具有很高的效率。

[0004] 异步电机具有作为主要构件的定子和转子。和在其它的电机中类似的是，在定子中安装有一个或多个绕组，借助它们可以在定子中产生一个旋转的磁场。但与许多其它类型的电机相反的是，在能相对定子旋转的转子上不设任何形式为永磁体或从外部供电的电磁体的磁体。取而代之的是，转子包含通常被短路的导体，导体有时也被称为被动的转子。由定子产生的转动的磁场以一个所谓的同步转速旋转，该同步转速对应由供电的系统的基本频率f1和极对数p的商f1/p。一旦转子的机械的转速不同于同步转速，那么转子就经历了磁流的变化。由此在短路的转子导体中感应出电流。通过在定子的旋转的磁场和转子电流之间的一种交互促成了在定子和转子之间形成的扭矩。

[0005] 有时也被称为感应电动机的异步电机的一个示例，在EP 2 202 781 A2中被说明。

发明内容

[0006] 按本发明的异步电机的实施形式此外能更好地适用在电动机动车或电混合动力车中。本发明的实施形式尤其实现了一种异步电机，它与传统的异步电机相比实现了在同时很高的扭矩密度下更高的持久扭矩。

[0007] 建议了一种异步电机，其具有转子和包围转子的定子。定子在此具有定子外径D1a。定子具有有定子轭高hy1的外置的定子轭。此外，定子具有多个从定子轭起径向向内突出的、有定子齿高hz1和平均的定子齿宽bmz1的齿。定子在相邻的定子齿之间具有布置在定子槽中的定子线圈元件。转子具有转子外径D2a。转子具有有转子轭高hy2的内置的转子轭，多个从转子轭起径向向外突出的、有转子齿高hz2和平均的转子齿宽bmz2的转子齿，以及多个分别在相邻的转子齿之间布置在转子槽中的转子线圈元件。该异步电机的出众之处在于三个相互配合的特征：第一，异步电机的极对数是3；第二，这样选择转子外径D2a与定子外径D1a的比，使得它在0.7和0.9之间，优选在0.7和0.8之间；第三，这样选择定子齿高hz1和转子齿高hz2的比，使得它在0.3和0.6之间。

[0008] 在此所建议的异步电机的实施形式此外可以被视作基于下面所说明的思想和认知。

[0009] 此外，异步电机在车辆中基于其高度的可靠性和其高效率被使用在行驶循环相关的领域中。为了在此能在需要时暂时提供很高的扭矩密度，借助设置在定子中的绕组产生合适的、变化的磁场，以便在设置在转子内的短路的导体中感应出很高的转子电流。

[0010] 不过基于在短路的导体内的不能忽视的电阻，由于很高的转子电流也导致了转子内的很高的电损失。因为这些电损失被输出给转子以及在这个转子中导致了变热，所以转子的温度在很高的扭矩输出或功率输出下剧烈升高。惟有用巨大的附加耗费以及与之相关的附加的成本才能促成转子的主动的直接的冷却。如果没有这种冷却，那么转子随时都会到达极限温度，在极限温度下可能会开始让转子的部件受损。例如材料的机械强度典型地随温度下降，因而在过高的温度下无法确保转子的机械的稳定性。在超过极限温度的情况下就会出现裂缝以及在极端情况下出现部件的机械损毁。因此一旦转子温度接近极限温度，就必须限制由电机提供的扭矩，也就是说，车辆控制装置要求发动机不再输出完整的扭矩。

[0011] 现在，在此所建议的异步电机的基本思想在于，将在异步电机中出现的电磁损失至少部分从转子转移到定子中，因为定子通常能更为简单和有效地被冷却。

[0012] 为了促成这一点，采取前不久提到的以及要求的措施。这些措施的细节和它们的可能的效果以及相互作用在接下来被说明。

[0013] 第一，异步电机以及尤其是它的定子被这样构造和控制，使得异步电机具有极对数为3。

[0014] 极对数p是旋转的电机内的磁极对的数量。在p=1的最小配置中，电机仅具有极对，也就是说一个磁北极和一个磁南极。转子在由定子促成的磁场换极时转动了180°。有极对数p=3的电机被这样构造和控制，使得产生沿定子的圆周交替布置的三个磁北极和三个磁南极。因此转子在磁场换极时仅转动了60°。

[0015] 迄今为止，机动车中大多使用有极对数p=2的异步电机。但当前所说明的异步电机的发明人已经认识到，在这种有极对数2的传统的异步电机中，很难显著降低转子中出现的电损失。

[0016] 因此建议，构造极对数为3的异步电机。这种极对数为3的异步电机在电机部件的几何形状类似且作用的转速类似时虽然具有比极对数为2的异步电机更小的扭矩，但定子轭内部的轭饱和度在极对数为3的电机中却比在极对数为2的电机中要小得多，因而定子轭可以设计得更小，也就是说，可以具有被称为定子轭高hy1的沿径向的更小的尺寸。

[0017] 由于定子轭所需的空间需求更小，在此所建议的异步电机的几何形状相比传统的异步电机在外尺寸不变的情况下可以被这样改变，使得，第一，转子的外径可以选择得比在传统的异步电机中更大以及转子外径与定子外径的比也更大，例如可以在0.7至0.9的范围内，优选在0.7至0.8的范围内；第二，转子齿的高度以及因此在相邻的转子齿之间的可供转子线圈元件使用的空间可以变大，因而得到了定子齿高与转子齿高的一个变小的比，这个比例如可以在0.3至0.6的区域中。

[0018] 借助第一次提到的措施，也就是说，扩大转子外径，可以基于随之而来的用于扭矩形成的杠杆臂的提高而尽可能补偿基于从极对数为2的异步电机到极对数为3的异步电机的转变而产生的扭矩损失。因此在此所建议的异步电机在相同的外尺寸下有能力如在传统的异步电机中的情形那样基本上提供相同的扭矩密度。比如具有在130至240 mm范围内的定子外径的异步电机，例如可以被设计成，产生在35 Nm/l和70 Nm/l之间的扭矩密度，以便例如产生在40 Nm至350 Nm范围内的扭矩。

[0019] 此外，转子外径的可能的扩大也使转子槽面积能提高，也就是说，可供在两个相邻的转子齿之间使用的用于容纳转子线圈元件的横截面积的提高成为可能，因为伴随选择得很大的转子外径的是也可以将转子齿的高度选得很大。基于转子槽面积的这种提高，在用作转子线圈元件的短路的导体内的与这个横截面积相反地相关的电阻可以被减小。由此可以最终在异步电机运行期间大幅减少在转子内的电损失。在短时扭矩不变时，以转子损失减少幅度至40%为出发点。在定子内部在对流时产生的提高的损失不会造成异步电机运行时的重大限制，因为与此关联地产生的热量可以借助能简单地在定子上实现的直接的冷却而被导出。

[0020] 转子内减小的损失总体上造成了这样一种可能性，即，提高由异步电机提供的持久扭矩。

[0021] 在之前所建议的改变极对数到3以及相对扩大转子外径和转子齿高的措施的框架内，可以进一步改善所建议的异步电机的部件的其余的几何形状以优化电的和/或磁的分配。

[0022] 例如可以将定子轭高hy1和转子轭高hy2设计得大小类似以及优选彼此间相差小于20%。

[0023] 定子齿或转子齿的平均宽度bmz1、bmz2可以根据定子和转子槽数N1、N2大致被如下设定大小：bmz1=hy1/（N1/（6p））以及bmz2=hy2/（N2/（6p））。齿宽在此例如可以在±20%的范围内变化，因而在极对数p=3时可以获得下列关系：

[0024] 0.8*（hy1/（N1/18））≤bmz1≤1.2*（hy1/（N1/18））以及

[0025] 0.8*（hy2/（N2/18））≤bmz2≤1.2*（hy2/（N2/18））。

[0026] 由定子轭高hy1、转子轭高hy2、平均的定子齿宽bmz1和平均的转子齿宽bmz2得出的磁路和定子槽的横截面积可以被这样选择，使得在其中一个定子槽中的电流密度处于最大40A/mm2的短时极限上且在定子轭、转子轭和定子齿与转子齿中的感应同时处在1.7至2.0T的饱和范围内。电流密度的短时极限指的是由热引起的最大的电流密度，定子绕组在几秒的短时间内可以承受这个电流密度。由此得出饱和范围，即，铁具有非线性的磁化特性曲线，在磁化特性曲线中，从一个特定的点起，也就是说在达到饱和时，线性的更多的电流就不再足以获得线性的更多的磁流，而是超过比例地需要很多电流增加用于很小的磁流增加。通过确定最大的短时电路密度和在铁芯中的最大的感应，达到了对电机的最佳的利用。

[0027] 要指出的是，本发明的实施形式在此局部参考整个异步电机以及局部参考该异步电机的单个部件，如定子和转子来说明。技术人员将会认识到，可能的特征可以以恰当的方式被交换或组合，以便用这种方式能够达到另外的实施形式以及优选最佳合作效果。

附图说明

[0028] 接下来参考附图说明本发明的若干实施形式，其中，无论是附图还是说明都不应是对本发明的限制。

[0029] 图1是异步电机的立体视图；

[0030] 图2是按本发明的一个实施形式的异步电机的横截面视图；

[0031] 图3是按本发明的一个实施形式的异步电机的横截面的放大的局部视图；

[0032] 图4是按本发明的一个实施形式的车辆。

[0033] 附图仅是示意性的以及并不忠于比例。相同的或作用相同的特征在附图中用相同的附图标记标注。

具体实施方式

[0034] 图1示出了按本发明的一个实施形式的异步电机1。异步电机1具有定子3、转子5和轴7。定子3环形地包围转子5。转子5因此以能围绕轴7旋转的方式被容纳在定子3中。定子3和转子5具有圆柱形的形状。

[0035] 在图2和3中示出了电机1的横截面和这个横截面的一个放大的截面。在定子3和转子5之间存在一条很小的间隙4。无论是定子3还是转子5都由多个片6、8构成，它们沿轴向被前后相继地排列。

[0036] 定子3外置地具有定子轭9。定子轭9是环形的或圆柱形的。定子轭9沿径向的尺寸被称为定子轭高hy1。定子齿11从定子轭9向内突出。定子齿11具有定子齿高hz1和平均的定子齿宽bmz1。无论是定子9还是定子齿11基本上都由能被磁化的、优选铁磁的材料，例如铁或电工钢板构成。能良好地导电的材料，例如铜或铝，被容纳在形成于相邻的定子齿11之间的定子槽13中，这种材料用于形成定子线圈元件15。

[0037] 转子5具有内置的转子轭17，转子轭同样被设计成环形的，尤其是圆柱形的。转子齿19从转子轭17向外突出。定子轭17以及转子齿19的尺寸被称为转子轭高hy2、转子齿高hz2和平均的转子齿宽bmz2。转子轭17和转子齿19也基本上由一种能磁化的、优选铁磁的材料，如铁或电工钢板构成。在相邻的转子齿19之间有若干转子槽21，在转子槽中容纳着能良好地导电的材料，如铜或铝。转子线圈元件23在此可以被构造成暂时或永久短路的导体结构。

[0038] 转子5的外径用D2a标注且是轴7的直径D2i、转子轭高hy2和转子齿高hz2的和。定子3的外径用D1a标注且得出是由转子外径D2a、间隙4的宽度、定子轭高hy1和定子齿高hz1构成的和。

[0039] 定子线圈元件15被这样布置、接线和控制，使得针对异步电机1得出极对数为3，也就是说，产生了一个旋转的总磁场，其有三个磁北极和三个磁南极。为此分别沿相同的方向给多个平行于轴7延伸的定子线圈元件15通电。由定子线圈元件15产生的磁场主要在定子轭3和定子齿11中被束在一起以及然后从定子3传递给转子5，尤其传递到它的转子齿19和转子轭17中。

[0040] 因为六个磁极中的每一个仅在60°的角度范围内在定子3中延伸，所以在所建议的异步电机1的定子3中，轭饱和度要比在有极对数为2的异步电机中更小，因而无论是定子轭高hy1还是定子齿高hz1都可以设计得较小。因此在例如150 mm的相同的定子外径D1a下，转子外径D2a可以比在传统的异步电机中更大以及在之前的情形下处在105至120 mm的范围内。与此相应的而是，转子齿高hz2以及转子槽21的与此关联的横截面积可能更大。

[0041] 因为在所建议的异步电机1中定子槽13相比转子槽21要比在传统的异步电机中小，所以所有在异步电机1中出现的电损失被更为强烈地分配到能简单地冷却的定子3上，反之，很难冷却的转子5就必须吸收更少的损失热量。

[0042] 在图4中示意性地示出了有按本发明的异步电机1的机动车100。在所示的范例中，异步电机1驱动机动车的后轮。但也可以是前轮驱动或全轮驱动。