最佳地分配定子和轉(zhuǎn)子之間的電損失的異步電機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種例如形式為異步電動機或發(fā)電機的異步電機。
【背景技術(shù)】
[0002]已研發(fā)若干電機，以便在將來例如能電驅(qū)動電動車或混合動力車輛，或使車輛的動能能夠回收成為電能。在此，電機或被用作電動機，或被用作發(fā)電機。
[0003]現(xiàn)在已進一步研發(fā)了尤其使用在車輛中的各種電機。尤其努力優(yōu)化使用在車輛中的異步電機。首先對未來的公路車輛而言，異步電機在此一方面應(yīng)當(dāng)盡可能小和輕，另一方面則應(yīng)當(dāng)在有盡量高的功率輸出且有很高的可供使用的最大扭矩時具有很高的效率。
[0004]異步電機具有作為主要構(gòu)件的定子和轉(zhuǎn)子。和在其它的電機中類似的是，在定子中安裝有一個或多個繞組，借助它們可以在定子中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場。但與許多其它類型的電機相反的是，在能相對定子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上不設(shè)任何形式為永磁體或從外部供電的電磁體的磁體。取而代之的是，轉(zhuǎn)子包含通常被短路的導(dǎo)體，導(dǎo)體有時也被稱為被動的轉(zhuǎn)子。由定子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動的磁場以一個所謂的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，該同步轉(zhuǎn)速對應(yīng)由供電的系統(tǒng)的基本頻率fjp極對數(shù)P的商fi/p。一旦轉(zhuǎn)子的機械的轉(zhuǎn)速不同于同步轉(zhuǎn)速，那么轉(zhuǎn)子就經(jīng)歷了磁流的變化。由此在短路的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)出電流。通過在定子的旋轉(zhuǎn)的磁場和轉(zhuǎn)子電流之間的一種交互促成了在定子和轉(zhuǎn)子之間形成的扭矩。
[0005]有時也被稱為感應(yīng)電動機的異步電機的一個示例，在EP 2 202 781 A2中被說明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]按本發(fā)明的異步電機的實施形式此外能更好地適用在電動機動車或電混合動力車中。本發(fā)明的實施形式尤其實現(xiàn)了一種異步電機，它與傳統(tǒng)的異步電機相比實現(xiàn)了在同時很高的扭矩密度下更高的持久扭矩。
[0007]建議了一種異步電機，其具有轉(zhuǎn)子和包圍轉(zhuǎn)子的定子。定子在此具有定子外徑Dla。定子具有有定子軛高hyl的外置的定子軛。此外，定子具有多個從定子軛起徑向向內(nèi)突出的、有定子齒高hzl和平均的定子齒寬bmzl的齒。定子在相鄰的定子齒之間具有布置在定子槽中的定子線圈元件。轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)子外徑D2a。轉(zhuǎn)子具有有轉(zhuǎn)子軛高hy2的內(nèi)置的轉(zhuǎn)子軛，多個從轉(zhuǎn)子軛起徑向向外突出的、有轉(zhuǎn)子齒高hz2和平均的轉(zhuǎn)子齒寬bmz2的轉(zhuǎn)子齒，以及多個分別在相鄰的轉(zhuǎn)子齒之間布置在轉(zhuǎn)子槽中的轉(zhuǎn)子線圈元件。該異步電機的出眾之處在于三個相互配合的特征:第一，異步電機的極對數(shù)是3 ;第二，這樣選擇轉(zhuǎn)子外徑D2a與定子外徑Dla的比，使得它在0.7和0.9之間，優(yōu)選在0.7和0.8之間；第三，這樣選擇定子齒高hzl和轉(zhuǎn)子齒高hz2的比，使得它在0.3和0.6之間。
[0008]在此所建議的異步電機的實施形式此外可以被視作基于下面所說明的思想和認知。
[0009]此外，異步電機在車輛中基于其高度的可靠性和其高效率被使用在行駛循環(huán)相關(guān)的領(lǐng)域中。為了在此能在需要時暫時提供很高的扭矩密度，借助設(shè)置在定子中的繞組產(chǎn)生合適的、變化的磁場，以便在設(shè)置在轉(zhuǎn)子內(nèi)的短路的導(dǎo)體中感應(yīng)出很高的轉(zhuǎn)子電流。
[0010]不過基于在短路的導(dǎo)體內(nèi)的不能忽視的電阻，由于很高的轉(zhuǎn)子電流也導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子內(nèi)的很高的電損失。因為這些電損失被輸出給轉(zhuǎn)子以及在這個轉(zhuǎn)子中導(dǎo)致了變熱，所以轉(zhuǎn)子的溫度在很高的扭矩輸出或功率輸出下劇烈升高。惟有用巨大的附加耗費以及與之相關(guān)的附加的成本才能促成轉(zhuǎn)子的主動的直接的冷卻。如果沒有這種冷卻，那么轉(zhuǎn)子隨時都會到達極限溫度，在極限溫度下可能會開始讓轉(zhuǎn)子的部件受損。例如材料的機械強度典型地隨溫度下降，因而在過高的溫度下無法確保轉(zhuǎn)子的機械的穩(wěn)定性。在超過極限溫度的情況下就會出現(xiàn)裂縫以及在極端情況下出現(xiàn)部件的機械損毀。因此一旦轉(zhuǎn)子溫度接近極限溫度，就必須限制由電機提供的扭矩，也就是說，車輛控制裝置要求發(fā)動機不再輸出完整的扭矩。
[0011]現(xiàn)在，在此所建議的異步電機的基本思想在于，將在異步電機中出現(xiàn)的電磁損失至少部分從轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)移到定子中，因為定子通常能更為簡單和有效地被冷卻。
[0012]為了促成這一點，采取前不久提到的以及要求的措施。這些措施的細節(jié)和它們的可能的效果以及相互作用在接下來被說明。
[0013]第一，異步電機以及尤其是它的定子被這樣構(gòu)造和控制，使得異步電機具有極對數(shù)為3。
[0014]極對數(shù)P是旋轉(zhuǎn)的電機內(nèi)的磁極對的數(shù)量。在P=I的最小配置中，電機僅具有極對，也就是說一個磁北極和一個磁南極。轉(zhuǎn)子在由定子促成的磁場換極時轉(zhuǎn)動了 180°。有極對數(shù)P=3的電機被這樣構(gòu)造和控制，使得產(chǎn)生沿定子的圓周交替布置的三個磁北極和三個磁南極。因此轉(zhuǎn)子在磁場換極時僅轉(zhuǎn)動了 60°。
[0015]迄今為止，機動車中大多使用有極對數(shù)p=2的異步電機。但當(dāng)前所說明的異步電機的發(fā)明人已經(jīng)認識到，在這種有極對數(shù)2的傳統(tǒng)的異步電機中，很難顯著降低轉(zhuǎn)子中出現(xiàn)的電損失。
[0016]因此建議，構(gòu)造極對數(shù)為3的異步電機。這種極對數(shù)為3的異步電機在電機部件的幾何形狀類似且作用的轉(zhuǎn)速類似時雖然具有比極對數(shù)為2的異步電機更小的扭矩，但定子軛內(nèi)部的軛飽和度在極對數(shù)為3的電機中卻比在極對數(shù)為2的電機中要小得多，因而定子軛可以設(shè)計得更小，也就是說，可以具有被稱為定子軛高hyl的沿徑向的更小的尺寸。
[0017]由于定子軛所需的空間需求更小，在此所建議的異步電機的幾何形狀相比傳統(tǒng)的異步電機在外尺寸不變的情況下可以被這樣改變，使得，第一，轉(zhuǎn)子的外徑可以選擇得比在傳統(tǒng)的異步電機中更大以及轉(zhuǎn)子外徑與定子外徑的比也更大，例如可以在0.7至0.9的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.7至0.8的范圍內(nèi)；第二，轉(zhuǎn)子齒的高度以及因此在相鄰的轉(zhuǎn)子齒之間的可供轉(zhuǎn)子線圈元件使用的空間可以變大，因而得到了定子齒高與轉(zhuǎn)子齒高的一個變小的比，這個比例如可以在0.3至0.6的區(qū)域中。
[0018]借助第一次提到的措施，也就是說，擴大轉(zhuǎn)子外徑，可以基于隨之而來的用于扭矩形成的杠桿臂的提高而盡可能補償基于從極對數(shù)為2的異步電機到極對數(shù)為3的異步電機的轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的扭矩損失。因此在此所建議的異步電機在相同的外尺寸下有能力如在傳統(tǒng)的異步電機中的情形那樣基本上提供相同的扭矩密度。比如具有在130至240 mm范圍內(nèi)的定子外徑的異步電機，例如可以被設(shè)計成，產(chǎn)生在35 Nm/Ι和70 Nm/Ι之間的扭矩密度，以便例如產(chǎn)生在40 Nm至350 Nm范圍內(nèi)的扭矩。
[0019]此外，轉(zhuǎn)子外徑的可能的擴大也使轉(zhuǎn)子槽面積能提高，也就是說，可供在兩個相鄰的轉(zhuǎn)子齒之間使用的用于容納轉(zhuǎn)子線圈元件的橫截面積的提高成為可能，因為伴隨選擇得很大的轉(zhuǎn)子外徑的是也可以將轉(zhuǎn)子齒的高度選得很大?；谵D(zhuǎn)子槽面積的這種提高，在用作轉(zhuǎn)子線圈元件的短路的導(dǎo)體內(nèi)的與這個橫截面積相反地相關(guān)的電阻可以被減小。由此可以最終在異步電機運行期間大幅減少在轉(zhuǎn)子內(nèi)的電損失。在短時扭矩不變時，以轉(zhuǎn)子損失減少幅度至40%為出發(fā)點。在定子內(nèi)部在對流時產(chǎn)生的提高的損失不會造成異步電機運行時的重大限制，因為與此關(guān)聯(lián)地產(chǎn)生的熱量可以借助能簡單地在定子上實現(xiàn)的直接的冷卻而被導(dǎo)出。
[0020]轉(zhuǎn)子內(nèi)減小的損失總體上造成了這樣一種可能性，S卩，提高由異步電機提供的持久扭矩。
[0021]在之前所建議的改變極對數(shù)到3以及相對擴大轉(zhuǎn)子外徑和轉(zhuǎn)子齒高的措施的框架內(nèi)，可以進一步改善所建議的異步電機的部件的其余的幾何形狀以優(yōu)化電的和/或磁的分配。
[0022]例如可以將定子軛高hyl和轉(zhuǎn)子軛高hy2設(shè)計得大小類似以及優(yōu)選彼此間相差小于 20%。
[0023]定子齒或轉(zhuǎn)子齒的平均寬度bmzl、bmz2可以根據(jù)定子和轉(zhuǎn)子槽數(shù)N1、N2大致被如下設(shè)定大小:bmzl=hy/ (NI/ (6p))以及bmz2=hy/ (N2/ (6p))。齒寬在此例如可以在±20%的范圍內(nèi)變化，因而在極對數(shù)p=3時可以獲得下列關(guān)系:
0.8* (hyl/ (Nl*18))彡 bmzl 彡 1.2* (hyl/ (Nl*18))以及0.8* (hy2/ (N2*18))彡 bmz2 彡 1.2* (hy2/ (N2*18))。
[0024]由定子軛高hyl、轉(zhuǎn)子軛高hy2、平均的定子齒寬bmzl和平均的轉(zhuǎn)子齒寬bmz2得出的磁路和定子槽的橫截面積可以被這樣選擇，使得在其中一個定子槽中的電流密度處于最大40A/mm2的短時極限上