專利名稱：多極的、直線的或旋轉的同步直接驅動電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1的前序部分所述的多極的、直線的或旋轉的同步直接驅動電機，包括 一個具有一個磁軛和許多齒以及一些 位于所述齒之間的槽的初級部件， 一個多相繞組的一些在所述槽中延伸 的繞組相，其中，在相同相配置(Phasenzuordnung)的兩個繞組相之間 分別搭接地存在另一相或另一些相的各繞組相， 一個與初級部件對置地 設置并且具有許多位于 一個公共的回流底板上的交替極性的永久磁鐵次 級部件。
背景技術：
一些已知的電機具有雙層繞組或雙排繞組，這些繞組具有復雜結構 的繞線圖。因為這些本身疊交的(vermaschten )分繞組的線圏受結構的 限制必須在繞組端部中交叉并且相互從旁邊導引，因此相應地形成具有 高銅損的大的和大體積的繞組端部。例如由Bala, C.; Fetita, Al.， Lefter， V.:電機繞線技術手冊，柏 林技術出版社，1976,圖1.5.11已知一種用于三相電機的按疊交實施形 式的典型的疊繞組。用于三相交流發電機的所謂鱗片式(geschuppte)繞組同樣屬于已 知的現有技術，這些繞組是更易于掌握的。對此例如參照DE 30 08 212 Al，該文獻公開了不同的用于三相交流發電機的典型的鱗片式繞組。在分別圍繞一個具有確定齒數的齒組纏繞的鱗片式繞組的分繞組的 搭接范圍中產生加厚，這些加厚總體上以不期望的方式加大了結構空間。 在很長的在許多槽上延伸的繞組圏(Wickhmgsschleifen)中，在槽中的 有效繞組部分與在槽外的無效部分(passivenAnteil)的比例發生變化， 不利于電機效率。原則上敷設在槽外的繞組部分僅僅提高繞組電阻繼而提高損失部分 同時降低電機效率。
在所有的疊交的繞組中，其中各單個相的繞組相相互搭接地位于初 級部件的槽中并且纏繞在那里，其中存在缺陷，即與具有所謂單齒繞組 的電機相比形成了具有更差效率的大體積繞組端部，其中單齒繞組可以
通過一定的相移(Phasenversatz)聚集在一些極組中。
DE 195 03 610 C2示出一種此類的通過一定的相移聚集在極組中的 單齒繞組的實例。
在那兒的多相的、多極的可換向電機情況下，設置有按區沿著定子 分布的相，其中一個區對應一個相，并且該相的繞組線在該區內以交替 的方向圍繞直接相繼的定子極纏繞。
在兩個相鄰定子極之間的槽寬等于繞組線的寬度，其中繞組線在一 個極槽內相遇的各區段上下重疊地設置。這樣構成的極組電機 (Polgruppenmotor)的主要缺陷是顯著地形成噪聲。其原因是在一個極 組上分布的、在相對運動期間在初級部件與次級部件之間的高的牽引力 波動。這種局部的牽引力波動根據支承的剛性引起小的、隨極頻而來的 振蕩和由此引起的噪聲。因此對于確定的正好期望低噪聲的應用領域不 能使用極組電機。
在一種按照DE 198 46 923 Cl的教導的電機的多相繞組中涉及這樣 實現這種繞組，使得由此實現的電機是緊湊的并且是高承載的。為此目 的，采取直接纏繞齒，而且通過使用通常的絞合線，由此通過通常纏繞 的線圏產生一個相繞組(Strangwicklung )。就是這種電機在振蕩和噪聲 形成方面也存在上述缺陷。
在按照DE 101 58 267 Al的用于制造波形繞組的方法中，預制許多 平行纏繞且連接的線并且引入到電機的槽中。
但是并聯分繞組存在的缺陷是，在分繞組中產生的反向電壓在振幅 和相位上的最小差值導致不期望的補償電流并且從一個確定的速度開始 導致不再可控的發熱和阻尼效應。
對于非常快速移動的且同時多極的電機，由于從現有技術已知的反 向電壓問題而力爭得到非常低歐姆的具有大的繞組橫截面的繞組。在傳 統的在槽中具有漆包線繞組的電機結構中所力求得到的進一步增加繞組
類型中形成在槽外的顯著布線費用繼而形成更高的成本。
關于上述的反向電壓問題，要指出的是,同步電機隨著在定子或初 級部件與轉子或次級部件之間的相對速度的增加而顯示出 一種增加的反
向電壓。如果反向電壓在變流器(Umrichtern )中出現在運行電壓即中 間回路電壓的范圍內，則在電機中的電流是有限的并且不再可能進一步 增加電機速度。尤其是當一臺電機同時要產生一個高的力或一個高的轉 矩和一個高的速度即一個高的轉速時，由于必需的高的極數，電壓常數 kv (kj是非常大的并且相應的電機需要非常大的運行電壓，以便實現 高的速度。具有高的力或轉矩收益(Kraft oder Momentausbeute)的電 機一般以高的極數設計，因此原則上存在的任務是，消除增加反向電壓 的問題。
在常見的具有大的繞組橫截面的導線繞組中，還在較高的控制頻率 情況下由于渦流效應而在導線帶中導致電流表面效應。這種所謂的集膚
效應導致在相應的電才;ut行時不期望的熱損失。
此外在已知的電機中，根據在槽數與磁極對數之間的確定的比例進 行安排。例如可以使槽數等于磁極對數的6倍，然后根據極結構，電機 配備有一個三相疊交的繞組。由于在槽與極結構之間的狀況的高重復率， 干擾的磁阻效應產生同步。
當槽數是極數的整數倍數時，這個效應被證實是最大的。每個槽以 確定的寬度在電機相對于對置的磁極移動時產生一個基本的磁阻力。基 本的磁阻力在總和中疊加成外部可測量的總效應。
在疊加各單個齒槽力(Einzelrastkraften)時重要的是，這些力是否 是同向或反向的或者相位相對于一個磁周期是如何的。
為了使磁阻波紋(Rrluktanzrippel)保持微小， 一般使槽出口寬度 最小化。還已知磁極的傾斜位置或者初級部件的傾斜疊裝，但是也伴隨 降低力收益(Kraftausbeute)的副效應或更小的電機轉矩。
總之由上述的現有技術已知一些極組電機， 一些實施形式也屬于現 有技術，其中繞組線在一個區內以交替的方向圍繞相繼的定子極纏繞。
這種類型的極組電機由于其傳統的繞組結構只有限地適用于在高速時的 應用。在這種電機運行中，由于內部的磁阻力波動和振蕩效應導致了不 期望的噪聲。
發明內容
因此本發明的目的是，實現一種進一步改進的、多極的、直線的或 旋轉的同步直接驅動電機，它具有繞組，該繞組滿足關于同步特性、高 的相對速度、低噪聲、緊湊性和簡單制造方面的極端要求。
按照本發明的電機應在高的極數情況下具有高效的且同時低歐姆的
繞組，由此能夠在氣隙中的相對速度為約10 m/sec至50 m/sec和更高的 地方并且需要具有最小噪聲形成的特殊同步的地方使用。該電機應在注
ii領域作為用于切^尤其是磨削加工的快速主軸或i轉臺的驅動裝置。
本發明的這個目的通過一種具有按照權利要求1的特征組合的多極 的、直線的或旋轉的同步直接驅動電機得以實現，其中從屬權利要求包 括至少合乎目的的擴展結構和改進方案。
因此，按照本發明，用基本上通常的繞組線曲折地通過初級部件的 相應的槽敷設每個電機相的多相疊交的繞組，并且使繞組多層地構成。
繞組線的這種優選的曲折敷設保證了短的、緊湊的繞組端部繼而保 證了微小的繞組電阻以及電機的高效率。
由于繞組線的上述通常的結構原理，在現有技術不令人滿意地解決 的反向電壓問題方面，有利的是串聯槽繞組。
在優選使用絕緣的銅絞線作為基本上通常的繞組線時，能夠以特別 高的速度或轉速設計電機，銅絞線在相應大的橫截面積情況下可以以高 電流加載并且它在少的圏數情況下也只感應微小的反向電壓。
此外，在高頻控制時，使用電絕緣的絞線使集膚效應最小化，因此 與具有粗的銅線的繞組相比具有更進一步的優點。
此外，絞線繞組與傳統的線繞組相比更加柔性并且能夠在工藝上更 筒單地敷設，因此在導線中有高的銅橫截面部分情況下， 一般才能實現 通常的串聯。
按照本發明，可實現的串聯與一個多芯接通的平行布線的銅線繞組 相比的優點在于其特別適用于最高相對速度。由于阻抗不同和磁化差異， 在并聯支路中總是流動不期望的補償電流，它們在更高的速度時劇烈增 加并且導致不期望的發熱。
本身疊交的、非常扁平的曲折繞組(Maanderwicklungen )的特殊 的分層的(lagenweise)結構在分繞組的交叉點的區域內只引起非常微少 的端部加粗并且使各單個層非常良好地相互緊貼，由此電機可非常緊湊 地構成。
在一種優選的實施形式中，按照本發明的電機的槽基本與包括導線 的現有的和必需的絕緣層在內的絞合線一樣寬地構成。
通過這個措施，絞合線的各單個曲折形的層直接位于上下重疊并且 在槽內夾緊在所述齒之間并且力鎖合地固定在那里。這種結構措施在制 造繞組時使加工過程簡化，該加工過程可以手動、但是也可以自動地進行。
在本發明的一種實施形式中，在外徑直到約5mm情況下，使用2.5 至6 mii^范圍的大導線橫截面積的絞線。在這個范圍內，銅橫截面積與 外絕緣體的比例是非常有利的并且可良好地匹配于優選在3至5 mm的 范圍內實現的槽寬。
上述的繞組結構在所致力的疊交繞組的情況下首次可以實現高的極 數繼而可以提高力和轉矩收益和電機的效率。
通過實現相對小的槽距，整個極寬可以相應地保持較小，整個極寬 在一臺三相電機中在三個槽上延伸而在一臺兩相電機中則在兩個槽上延伸。
為了使不期望的齒槽效應轉矩(Nutrasten)最小化，選擇槽數與電 機極對數的有利的比例。
在一臺三相電機情況下，槽數大于磁鐵裝置的極對數的6倍。曲折 繞組這樣分布，使得在整個電機上以均勻分布的間距分別保留 一個槽作 為空槽而不纏繞，其中有效纏繞的槽的數量等于極對數的6倍。
在一臺兩相電機情況下，槽數大于磁鐵裝置的極對數的4倍。曲折
繞組在此這樣分布，使得同樣在整個電機上以均勻分布的間距分別保留
一個槽作為空槽而不纏繞，其中有效纏繞的槽的數量等于極對數的4倍。 在曲折形纏繞初級部件時，跳過空槽并且繼續繞線圖。 以差額大于必需的槽數的槽數選擇引起從槽到槽相對于磁柵 (Magnetraster)的相移并因此導致一種對磁阻力和不期望的齒槽效應
轉矩的幾乎完全的補償。這種不期望的效應也可以通過使槽間距繼而使
齒非常窄地構成而避免。
此外，填補空槽也用于相對于磁極結構補償繞組的相位。
原則上，按照本發明的教導可以用于封閉的、旋轉的和類似的直線
電才幾或弧形分段電才幾(Bogensegmentmotoren )。分攤到一個相應定義的
電機單元上的相對力和速度可以通過給定的半徑進行換算。
在一個旋轉的電機中或在一個旋轉的電機分段中，電機分段可以同
心地或者像盤狀轉子那樣扁平地構成。在扁平結構的情況下，槽和磁極
的對稱軸線向著相應的旋轉點那邊對準，其中，在一種實施形式中，磁
極具有楔形的側面。
總之，要實現的同步直接驅動電機具有一些用于相應相繞組的繞組
相，它們由一根通常的、高柔性的絞合線組成，其中絞合線分別曲折形
地圍繞一個齒組穿過可^f艮窄構成的槽進行導引。
一個相應相的總繞組通過在相應槽中上下疊層的絞合線構成。 每個槽都具有一個等于絕緣的絞合線直徑的寬度。所述其它一相或
其它一些相的繞組相的絞合線對稱地在第一相的各槽之間錯置地導引，
其中通過疊交的曲折繞組相的分層的繞組結構在分繞組的交叉點的區域
內在槽外形成一些扁平的、只微小體積的具有上述優點的繞組端部。
在此在一種優選的實施形式中，曲折繞組相在初級部件的整個長度
上這樣分布地構成，以致以均勻的間距保留一些空槽。
下面借助一個實施例以及借助于附圖詳細地描述本發明。 附圖中
圖la 按照本發明的具有可看到的繞組相的電機的截面圖，
圖lb按照圖la視圖的電機的俯視圖，
圖2 具有38個槽和12個磁極的按照本發明的三相旋轉電機， 圖3 本發明的電機作為盤狀轉子或盤狀轉子分段的實施形式， 初級部件1或次級部件2的俯視圖，
圖4 具有可看到的槽距Tn和Tp的電機結構的原理圖。
具體實施例方式
在按照圖la和lb的視圖中，首先存在一個具有磁輒5的初級部件 1，其中初級部件1具有許多均勻地隔開距離的齒4，這些齒具有位于其 間的槽3。
與初級部件1對置地設置的次級部件2具有許多永久磁鐵6,它們具 有交替的極性并且它們設置在一個公共的回流底板7上。
按照實施例，槽3與位于其間的齒4幾乎一樣寬，它們沒有明顯的 齒頂。在所示示例中，槽的實施形式盡可能平行地實現。
一個三相的絞線繞組曲折形地敷設在槽內(見圖lb)。在一個電機 相U內部相應的絞合線分別敷設在第四槽中。在其間相V和W的絞合 線以與所屬的磁鐵裝置要求的那樣的序列位于槽里面。
對于本發明的實施形式，所有三個相的絞合線是否以相同的繞組方 向敷設并不重要。
但是如果位于相U與V之間的相W的絞合線以相反的繞組方向敷 設，則得到本發明的一種有利的擴展結構。由此得到一種非常均勻的繞 線圖，如同圖lb所示的那樣。
在按照圖la和lb的示例中，所述曲折繞組五層地構成。
交叉點位于各單個的絞合線之間并且逐層地錯置并且以這樣的形式 相互嵌套，以致整個多層繞組互相結合。
在電機內，十二個槽3分別被纏繞，其中形成一個空槽8。在空槽8 之后相應地繼續繞線圖。
在用于直接驅動醫療設備的轉速直到250轉/min的在一個550 mm 的半徑上具有500 mm弧長的分段電機(Segmentmotor)示例上，已經 令人驚奇地證實，按照本發明實現的結構與具有更粗的槽的相同大小的 極組電機相比引起明顯更少的噪聲發射。在其它方面一致的條件下進行的直接比較中，在按照本發明的電機中得到了 75 dB到62 dB的噪聲降 低。圖2示出一個按照本發明實現的具有38個槽和12個磁極的三相旋 轉電機。在這種實施形式中，曲折繞組四層地構成。從那里的38個槽中纏繞36個槽，由此保留兩個空槽。空槽之間的 間距為18個槽。在90 mm 的氣隙直徑和100 mm的氣隙長度情況下,示例電機在約 10 Nm的連續轉矩情況下產生超過10000轉/min的轉速。磁阻波紋的循環產生TR=360°/19x6=3.15°。即，電機每轉產生114 個磁阻波紋，它們由于其相移而幾乎完全相互補償。按照本發明的電機除了其超過47 m/s的高的最終速度以外還具有特 別明顯良好的同步并且具有比低極的主軸驅動更高的轉矩收益并由此具 有改善的效率。其它方面所需的措施例如磁極和槽在疊片組內的傾斜是 多余的。與傳統的疊繞組或波形繞組相比，所建議的繞組帶來明顯的工藝優 點，隨之而來的是一種由此更加緊湊的電機結構形式。圖3以初級部件1或次級部件2的俯視圖示出了本發明的電機作為 盤狀轉子或盤狀轉子段的可能的實施形式。平行槽3以其對稱軸線向著電機的旋轉點或中心點對準。磁極6同樣以其對稱軸線(點劃線)對準旋轉點。在小半徑情況下， 選擇楔形或梯形磁鐵幾何結構是有利的。在這里絞線繞組可以非常好地匹配，而且也匹配于這種非平行的槽 結構。所介紹的按照本發明的電機能夠在發電運行時即在強勤目對運動時 也用于產生電能。在此所述優點也有效。在應用方面在此也可以設想例 如在商業的運輸車輛中的車輪驅動裝置，它們在移動過程或制動過程中 發電式地運行，用于產生能量，并且它們提供這些能量供用于存儲的蓄 電池^f吏用。
總之，借助本發明的電機，通過每個具有通常的、曲折形地通過初 級部件的槽敷設且多層地構成的繞組線的電機相的多相的疊交的繞組的 結構，在同樣高的相對速度和微少的噪聲發射情況下可以成功實現所期 望的高同步，其中電機本身是緊湊的并且可以以簡單的方式進行制造。
權利要求
1.多極的、直線的或旋轉的同步直接驅動電機，包括一個具有一個磁軛和許多齒以及一些位于所述齒之間的槽的初級部件，一個多相繞組的一些在所述槽中延伸的繞組相，其中，在相同相配置的兩個繞組相之間分別搭接地存在另一相或另一些相的各繞組相，一個與初級部件對置地設置并且具有許多位于一個公共的回流底板上的交替極性的永久磁鐵的次級部件，其中，槽出口具有均勻的槽距TN并且永久磁極具有均勻的極距TP，其特征在于，一個相應相繞組的繞組相由一根通常的柔性的絞合線組成，其中絞合線分別曲折地圍繞一個齒組穿過所述槽進行導引，其中一個相應相的總繞組通過在相應槽中上下疊層的絞合線構成，每個槽都具有一個等于絕緣的絞合線直徑的寬度，并且所述另一相或另一些相的繞組相的絞合線對稱地在第一相的各槽之間錯置地導引，其中通過疊交的曲折繞組相的分層的繞組結構在分繞組的交叉點的區域內在槽外形成一些扁平的、微小體積的繞組端部。
2. 如權利要求l所述的電機，其特征在于，所述曲折繞組相在初級 部件的整個長度上這樣分布地構成，以致保留一些空槽。
3. 如權利要求1或2所述的電機，其特征在于，所述絞合線在各槽 中夾緊地保持并由此固定。
4. 如上述權利要求之一所述的電機，其特征在于，所述絞合線在外 徑直到5 mm情況下具有基本上2.5至6.0 mm2的導線橫截面積。
5. 如上述權利要求之一所述的電機，其特征在于，在三相電機情況 下，槽數大于磁鐵裝置的極對數的6倍，其中有效纏繞的槽的數量等于 極對數的6倍，曲折繞組這樣分布，使得在整個電機上以均勻分布的間 距分別保留 一個槽不纏繞并且保持繞線圖越過該空槽。
6. 如上述權利要求1至4之一所述的電機，其特征在于，在兩相電 機情況下，槽數大于磁鐵裝置的極對數的4倍，其中有效纏繞的槽的數 量等于極對數的4倍，曲折繞組這樣分布，使得在整個電機上以均勻分 布的間距分別保留 一個槽不纏繞并且保持繞線圖越過該空槽。
7. 如上述權利要求之一所述的電機，其特征在于，每個槽在其整個 深度上具有盡可能平行的側面并且所述齒不具有一般的齒頂結構。
8. 如權利要求l所述的電機，其特征在于，選擇槽距小于8mm并 且選擇磁距小于25 mm。
9. 如上述權利要求之一所述的電機，其特征在于，所述通常的絞合 線是一種用耐高溫的絕緣體包圍的具有許多單芯線的銅制多股連接線。
10. 如上述權利要求之一所述的電機，其特征在于，所述電機用于 直接驅動倫琴管。
11. 如權利要求1至9之一所述的電機，其特征在于，所述電機用 于直接驅動計算機斷層X光攝影裝置。
12. 如上述權利要求之一所述的電機，其特征在于，所述電機旋轉 地由盤狀轉子或盤狀轉子分段構成，其中槽中心軸線射線形地對準旋轉 點。
13. 如權利要求12所述的電機，其特征在于，所述永久磁極梯形或 楔形地構成，其中較窄的端面分別對準電機的旋轉點。
14. 如權利要求2所述的電機，其特征在于，最多每第6個槽且最 少每第24個槽構成為不纏繞的空槽。
15. 如權利要求2所述的電機，其特征在于，所述空槽以給定的間 距設置。
16. 如權利要求15所述的電機，其特征在于，由電機的磁柵推導出 給定的間距。
17. 如權利要求15所述的電機，其特征在于，所述空槽以均勻的間距設置。
18.如權利要求l所述的電機，其特征在于，所述電機具有多層或 單層的繞組。
全文摘要
本發明涉及一種多極的、直線的或旋轉的同步直接驅動電機，包括一個具有一個磁軛和許多齒以及一些位于所述齒之間的槽的初級部件，一個多相繞組的一些在所述槽中延伸的繞組相，其中，在相同相配置的兩個繞組相之間分別搭接地存在另一相或另一些相的各繞組相，一個與初級部件對置地設置并且具有許多位于一個公共的回流底板上的交替極性的永久磁鐵的次級部件，其中，槽出口具有均勻的槽距T<sub>N</sub>并且永久磁極具有均勻的極距T<sub>P</sub>。按照本發明，一個相應相繞組的繞組相由一根通常的高柔性的絞合線組成，其中絞合線分別曲折地圍繞一個齒組穿過所述槽進行導引，并且一個相應相的總繞組通過在相應槽中上下疊層的絞合線構成。按照本發明，每個槽都具有一個等于絕緣的絞合線直徑的寬度。所述另一相或一些相的繞組相的絞合線對稱地在第一相的各槽之間錯置地導引，其中通過疊交的曲折繞組相的分層的繞組結構在分繞組的交叉點的區域內在槽外形成一些扁平的、只微小體積的繞組端部。
文檔編號H02K21/12GK101151782SQ200480043914
公開日2008年3月26日 申請日期2004年11月3日 優先權日2004年9月3日
發明者G·齊茨曼, W·海因里希 申請人:伊納驅動及機電一體化有限及兩合公司