CN101330238A - 多绕组电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多绕组电机。具体而言，示例的实施例提供电机装置，其包括连接到电枢上的转子和围绕该转子的定子。该定子具有一系列的线圈，该系列的线圈设置为第一线圈组和第二线圈组，第一线圈组于第二线圈组电力和磁力隔离。该电机能够同时作为电动机和发电作为交流发电机。

Description

多绕组电机
技术领域
[0001]在此描述的本实施例一般涉及包括电动机和发电机的电机，并且特别涉及可同时作为电动机和作为发电机/交流发电机、或者作为任意一个或另一个的电机。
背景技术
[0002]一般地，典型的电机包括由定子围绕的中央转子和连接到转子上的电枢。该定子包括导线或者线圈，电流流过它们以产生磁场。该磁场与电枢相互作用，这会依次应用扭矩到该转子上，从而导致转子旋转。单个电动机10的例子以图1中示意的形式示出。在此例子中，该电动机10包括定子12，其由一对永磁体14，16构成。定子还包括包含线圈的圆筒环，当线圈被通电时其产生磁场，例如，在图1中，电枢20具有一对电枢线圈22。该电枢20连接到转子30上。当线圈22通电时，产生的电磁场(通过虚线箭头40描述其矢量)与永磁体14，16的磁场相互作用，导致电枢20和连接的转子30旋转。转子30的旋转将驱动力传送到连接杆35上。
[0003]电动机在转换电能为机械能方面是相对有效的，因此，在多个应用领域中人们对这种电机存在增加的兴趣，包括汽车领域。例如，在利用内燃机和一个或多个电动机的结合来提供原动力的″混合″动力车辆领域，通常，提供动力给电动机的电能存储在能量装置(″电池组″)中，其包括多个可充电能量储存电池。除了提供附加的或者补充的原动力之外，发现电动机可应用在混合动力车辆的其它领域。例如，电动机可提供动力到一些车辆附件上，否则这些附件可经过水力或者通过内燃机供给的扭矩的皮带和皮带轮的系统通常驱动的其它系统提供动力。
[0004]除了电动机之外，机动车辆通常还包括发电机。在传统的内燃机动力车辆中，交流电动机的主要目的在于对车辆的电池再充电以再充满使用在电气系统中的电池组，该电气系统诸如车头灯，风挡刮水器电动机和起动电动机。逐渐地，中档到高档的传统(非混合动力)车辆需要更多的交流发电机，因为各种各样附件的电消耗。在混合动力车辆的情况下，特别地，原动力的电动机和驱动附件的电动机比传统的内燃机车辆需要更多的电能。因此，必需要更大的交流电机容量来对电池组充电以补满电池组消耗的能量。更大的容量迫使或者交流电动机尺寸增大或者利用多个交流电动机。对于增加的交流电动机容量的此需要还加重了安装问题和车辆重量增加的问题，这些问题是通过在混合动力车辆中利用附加的电动机和更大的电池组产生的。在中档到高档的非混合动力车辆中还存在对更大电池组和更大交流发电机或者多个交流发电机的增长的需要。由多个和/或更大电动机和交流发电机引起的增大的设备体积预期会降低车辆中乘坐者的可用空间(或者需要增加重量的更大车辆)。从多个和/或更大的电动机和交流发电机导致的增加重量预期会降低燃料效率。所有其它因素相同的话，燃料效率随着车辆重量增加而降低。通常对于消费者来说是重要的其它性能指标也随着车辆重量增加会受到损害，例如，加速，在道路上的操作等。因此，这样会导致乘坐者应用和性能的恶化。
[0005]此外，取决于混合动力车辆的结构，需要或者所希望在一定条件消耗一个电池的电能而且同时通过交流发电机对另一个电池再充电。在其它的情况下，同时对一个电池的电能利用和对另一个电池再充电不是必需的。
[0006]因此，希望产生一种紧凑和质量轻的电机，尤其对于存在安装和质量限制的应用情况。此外，希望这些电机能够同时提供扭矩到机械驱动系统并且还对电池或者其它存储装置再充电。而且，希望电机能够容易制造，而不需要对制造工具进行较大的改型或者置换。多绕组电机的其它所需特征和特性将从结合附图和上述技术领域和背景技术，在随后的详细说明和附加的权利要求中变得明显。
发明内容
[0007]示例的实施例提供了一种电机装置，其包括连接到电枢上的转子和围绕该转子的定子。该定子具有一系列的线圈。该系列线圈设置为第一线圈组和第二线圈组。第一线圈组与第二线圈组电力和磁力隔离。该电机能够同时地充当电动机和发电的交流发电机。
[0008]在另一个示例的实施例中，假设电机同时提供机械扭矩和产生电能。该电机具有连接到电枢上的转子和围绕该转子的定子。该定子包括一系列的线圈。该系列线圈设置为第一线圈组和第二线圈组。第一线圈组与第二线圈组电力和磁力隔离。第一线圈组包括第一线圈对，并且第二线圈组包括第二线圈对。因此，当转子旋转时，第二线圈组被通电。
[0009]在进一步示例的实施例中，还存在电机回路。该电机回路包括：提供原动力并且同时产生电能的电机，用于设置输入电能来激励第二线圈组并且从而旋转电机的转子的装置，和从第一线圈组设置输出电能的装置，从而使得构造的输出电能适合于在另一个运行中使用。该电机包括连接到电枢上的转子和围绕该转子的定子。该定子包括一系列的线圈。该系列线圈设置为第一线圈组和第二线圈组。第一线圈组与第二线圈组电力和磁力隔离。第一线圈组包括第一线圈对，并且第二线圈组包括第二线圈对。
附图说明
[0010]结合附图不同的0实施例将在下文中描述，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且
[0011]图1是示意地示出了现有技术电动机的详细情况；和
[0012]图2是电机示例的实施例和结合电路的例子的示意图。
具体实施方式
[0013]下面的详细说明实际上仅仅是示例并且不是限制描述的实施例，其应用和描述实施例的使用。而且，也不意图通过存在于现有技术领域，背景技术，概要或者下面详细说明中任何清楚表示或者暗示理论中得到限制。
[0014]示例的实施例提供″双线圈组″电机，其同时运行为电动机和交流发电机，或者运行为两者一个或另一个。该电机包括作为主要部件的定子，转子和电力传导线圈。现有的制造工具可设置来制造该电机。该线圈不同于传统的电动机中的线圈，因为该线圈提供作为″双线圈组″。在此使用的″双线圈组″或者″双线圈组合″意思是包括两个电力和磁力隔离组或者线圈组。在一定条件下，一组或者线圈组可使用作为电动机功能，以导致转子旋转，同时另一组或者线圈组可同时在转子旋转时作为产生电流的交流发电机。因此，在某些应用情况下，两组线圈可同时运行以提供同时为电动机和交流发电机的单个电机。
[0015]如上所述，双线圈组的每个彼此之间电力隔离并且彼此独立。这允许仅仅运行为电动机，仅仅运行为交流发电机或者同时运行为电动机和交流发电机。此外，特别在两个线圈组处于单个定子中的实施例中的情况下，两个线圈组还彼此磁力隔离。可通过利用″集中线圈″技术实现磁力隔离(或者去耦)。在此集中线圈技术中，每个线圈仅仅围绕一个定子齿旋绕并且每个线圈具有独立的磁通轨迹。此确保在两个线圈组之间的磁性去耦。
[0016]在示例的实施例中，该双线圈组可独立控制。例如，电动机扭矩和/或速度可通过控制在电动机线圈中的电流进行控制，而不会影响交流电动机线圈的运行。这种同时双模式运行特征在多个应用中是有用的。例如，该系统可以自阿电气设备驱动系统(EADS)中的混合动力车辆中得到应用。一个线圈组可作为电动机线圈组，而另一个可作为交流发电机线圈组。在EADS中如此设置使得当发动机停止时，车辆附件(例如，空气调节器)由电动机驱动，电动机确保附件的连续运行。为了节省空间和降低总质量，双线圈电机的示例实施例增加第二线圈组到EADS电动机壳体中。第二线圈组设置作为交流发电机以产生电能来给电池组再充电，例如12伏直流电池或者用于另外原因。
[0017]传统的车辆利用Lundell型交流发电机以产生12伏直流混合动力车辆，另一方面，可设置利用辅助动力模块(APM)来降低电压，以便从高压蓄电池(例如，″高压″可在大约40到大约300伏，或者大约288伏的范围内变动)中获得12伏。APM基本上是DC/DC转换器，其使用来供给车辆具有12V标称电压级的负荷。该APM具有从高压电池组的直流输入动力并且它的输出供给12伏直流功率到车辆负荷上。与传统的Lundell型交流发电机不同，该传统发电机不能使用在″传统的混合动力车辆″中，因为当发动机停止时，该交流发电机也停止并且不会产生动力，APM可以继续以不中断地供给能量。″传统的混合动力车辆″可认为是不装备有EADS的混合动力车辆。本发明实施例的例子不仅克服Lundell型电机的低效率和功率限制问题，而且会在AHS2混合动力结构及其他类似的结构中对于APM的成本经济的置换。AHS2是通用汽车的2模式先进混合动力系统，其利用两个电动机和两个行星齿轮组和离合器。该示例的实施例与其它厂商的其它类似系统相联系是有用的。
[0018]在实施例的其它例子中，当电机轴提供由机械动力时，两个线圈组可作为交流发电机线圈组。该具体实施例特别适合于必须产生两个不同电压的应用领域并且消除对于两个交流发电机的需要因此，它提供了对于供给两个不同电压系统的成本经济的解决方案，例如，在相同的车辆上的42伏系统和12伏系统，或者288伏系统和12伏系统。
[0019]示例的实施例可提供全范围的两个线圈组的独立可控性，而不会影响彼此的运行。而且，一些示例的实施例提供安装和成本的有益之处。适当配置的定子，转子和线圈与传统的交流发电机相比提供显著的效率优点。利用同心绕组的这些实施例与分布绕组相比提供潜在的高效率和制造的容易性。具有单个定子和两个线圈组的示例的实施例比轴向串联的双定子电机提供具有更容易制造和更紧凑的电机。
[0020]图2示出了单定子双线圈电机的例子。在此例子中，电机100包括中央转子200和环绕定子110。该定子包括一系列的设置成圆的线圈120(仅仅两个以数字示出以避免描述混乱)。每个线圈120卷绕在单个齿(未示出)上，并且线圈120通过集中线圈技术所围绕并且彼此隔开，从而使得每个线圈120与相邻线圈120磁力隔离。而且，在示出的例子中，线圈120在交替线圈组130，150中电力连接在一起。在这种情况下，这些组是一对线圈130，150。该线圈对130与线圈对150电力隔离。因此，该电机具有″双线圈组″，因为它具有彼此电力隔离的两个线圈组或者线圈。
[0021]当然，该技术不局限于线圈120的交错对130，150。真正地，该线圈120可集合成三个线圈或者四个线圈或者其它的线圈组，并且不必一定要交错对称，如此例子中所示，但是可在定子110中以不同型式设置。取决于所需使用和需要，第一线圈组可比第二线圈组具有更多的线圈。而且，第一线圈组的线圈总数量大于在第二线圈组中线圈的总数量。每一组的线圈数量和卷绕组的组数目基于应用的功率和电压水平进行确定。作为基本原理，线圈或者组的数目的选择不应该对于多绕组电动机的实施例的例子上产生任何显著影响。例如，电机结构可通过设置参数的通常的电机结构过程进行确定，以确保线圈是磁力隔离。对实际尺寸(安装)的限制和线圈磁力隔离的要求可规定线圈和组的数目。
[0022]参见图2，线圈对150一起作为交流发电机，以提供能量来对低压电池300再充电，在这种情况下是12伏直流电的可再充电电池。如所希望或者需要的，当转子180旋转时，在线圈对150中产生的电流通过三相可控整流器310或者类似装置，诸如交流-直流逆变器或者整流器等等，以适当设定用于充电电池300的电压。转子180连接到电枢(未示出)上，对旋转转子180来说是必需的。
[0023]另一方面，线圈对130从高压电池组400中接收电能。在示出的例子中，这可以使用在一些通用电动机(通用汽车和GM是通用汽车的商标，建立在密歇根州，底特律，在下文中称为″GM″)混合动力车辆应用的288伏电池组，虽然其它高压电源还是有用的。电通过三相交流-直流逆变器410或者实施类似功能的装置进行传送。此能量激励线圈对130并且导致转子180旋转；即线圈对130驱动电机100的电动机装置。由电动机提供的机械扭矩能量可用来在汽车应用中确定多个附件的任何一个，或者可用来提供单独的或者追加的原动力。
[0024]图2的例子，其中线圈对130和线圈对150彼此电力和磁力隔离，当转子180旋转时，允许电机利用线圈对130作为电动机和利用线圈对150的发电机或者交流发电机同时运行。另一方面，如果仅仅需要交流发电机功能，电动机可从机械负载中解开，并且电池组400可用来旋转转子180，以允许线圈对150实施充电电池组300的交流发电机功能。如果仅仅需要电动机功能，电池组400可提供能量给线圈对130来驱动电动机。该线圈对150可为开路，从而使得电池组300不接收再充电能量。
[0025]虽然至少一个示例的实施例已经存在于上述详细描述中，应该理解的是存在许多变化。还应该理解的是示例的一个或多个实施例仅仅是例子，决不意图限制所述实施例的范围，应用性或者结构。相反地，上述详细描述将提供本领域技术人员方便的路线图来实施示例的一个或多个实施例。应该理解的是不脱离附加权利要求中叙述的范围和它的法定等同物的情况下，在功能和元件布置方面会产生许多变化。

Claims (20)

1.一种电机，包括：
转子，其连接到电枢上；和
定子，其围绕该转子，该定子包括一系列的线圈；该系列的线圈设置为第一线圈组和第二线圈组，第一线圈组与第二线圈组电力和磁力隔离。
2.如权利要求1所述的电机，其中第一线圈组包括第一线圈对，并且第二线圈组包括第二线圈对。
3.如权利要求2所述的电机，其中第一线圈对与第二线圈对交错布置。
4.如权利要求2所述的电机，其中当第一线圈组由远程的电源激励时，电机的转子旋转。
5.如权利要求2所述的电机，其中当转子旋转时，第二线圈组被激励，从而使得第二线圈组起发电机的作用。
6.如权利要求2所述的电机，其中当第一线圈组由远程的电源激励时，电机的转子旋转；并且其中当转子旋转时，第二线圈组被激励，从而使得第二线圈组起发电机的作用，同时旋转转子提供机械扭矩。
7.如权利要求6所述的电机，其中该电机被设置使用在混合动力内燃机电动车辆中，并且其中第一线圈组适合于接收高压电供给并且第二线圈组适合于产生低压电源供给。
8.如权利要求2所述的电机，其中第一线圈组设置在第一电压发电，并且第二线圈组设置在不同于第一电压的第二电压发电。
9.如权利要求7所述的电机，其中该转子具有充分的扭矩以驱动车辆附件。
10.一种提供机械扭矩和同时产生电能的电机，该电机包括：
转子，其连接到电枢上；和
定子，其围绕该转子，该定子包括一系列的线圈；该系列的线圈设置为第一线圈组和第二线圈组，第一线圈组与第二线圈组电力和磁力隔离，第一线圈组包括第一线圈对，并且第二线圈组包括第二线圈对；
从而，当转子旋转提供机械扭矩时，在第二线圈组上感应出电压。
11.如权利要求10所述的电机，其中该系列线圈包括以交错顺序的第一线圈对和第二线圈对。
12.如权利要求10所述的电机，其中当第一线圈组由远程的电源激励时，电机的转子旋转。
13.如权利要求10所述的电机，其中该电机被设置使用在混合动力内燃机电动车辆中，并且其中第一线圈组适合于接收高压电供给并且第二线圈组适合于产生低压电源供给。
14.如权利要求10所述的电机，其中该定子包括单个定子并且该系列的线圈以环形阵列设置在单个定子中。
15.一种电机回路，其包括：
提供原动力和同时产生电能的电机，该电机包括：
转子，其连接到电枢上；和
定子，其围绕该转子，该定子包括一系列的线圈；该系列的线圈设置为第一线圈组和第二线圈组，第一线圈组与第二线圈组电力和磁力隔离，第一线圈组包括第一线圈对，并且第二线圈组包括第二线圈对；和
用于设置输入电能来激励第二线圈组并且从而旋转该转子的装置；和
从第一线圈组设置输出电能的装置，从而使得设置的输出电能适合于在另一个运行中使用。
16.如权利要求15所述的电机，其中该电机被设置使用在混合动力内燃机电动车辆中，并且其中第一线圈组适合于接收高压电供给并且第二线圈组适合于产生低压电源供给。
17.如权利要求16所述的电机，其中用于设置输入电能的装置还包括三相交流-直流逆变器。
18.如权利要求16所述的电机，其中用于设置输出的电能装置还包括三相受控整流器或者交流-直流逆变器中的任何一个。
19.如权利要求15所述的电机，其中该系列线圈包括以交错顺序的第一线圈对和第二线圈对。
20.如权利要求15所述的电机，其中该定子包括单个定子并且该系列的线圈以环形阵列设置在单个定子中。
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