CN101785168A - 一种特别地用于汽车驱动的电流激发同步电动机 - Google Patents

一种特别地用于汽车驱动的电流激发同步电动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种专门用于汽车驱动的电流激发同步电动机(1)。该电动机由定子(2)和带激发器线圈(7)的转子(3)组成，转子(3)具有至少二个转子极(4)，每个转子极(4)具有一个激发器线圈(7)。本发明的主要特征是有至少一个选择性磁通屏障设置在每个转子极(4)中，特别是沿转子极(4)的主轴(4A)以径向槽(8)的形式，用于增加电流激发同步电动机(1)的磁阻力矩。

Description

一种特别地用于汽车驱动的电流激发同步电动机
技术领域
本发明涉及一种电流激发同步电动机，特别地适用于汽车驱动。
背景技术
回顾
自上世纪九十年代以来，汽车制造商和设计人员越来越致力于开发混合驱动型轿车、跑车和商务车。混合驱动将电动机(并且可选择地具有飞轮)与内燃机结合。如果小型内燃机仅用于为主电力驱动产生动力(范围扩大)，那么使用术语串联混合。
几年来，因为电池技术显示了巨大进步，所以电动汽车(BEVs)也正在经历复兴。
对于以电力为主要驱动的电动车的要求
在汽车是由电动机提供主要推动动力的情况下，或在电动机是唯一驱动单元的情况下，动力输出被期望在效率尽可能高的情况下在宽的速度范围和宽的负荷范围内出现。
电动汽车中使用的电动机主要类型
根据现有技术，在此将异步电动机(ASM)、特殊设计的永磁同步电动机(PSM)和开关磁阻电动机(SRM)区别开。永磁同步电动机(PSM)的优选设计以磁体在转子内部的位置(内部永磁式电动机IPM)为基础。
开关磁阻电动机(SRM)
DE-A-10207267的专利公开了一种具有转子的磁阻电动机，转子由多个层次式部件构成，层次式部件通过无磁连接元件连接而构成为一个单元。连接元件起到流动屏障的作用。通常，无磁连接元件比标准钢的连接元件更昂贵，或者为了获得与钢相同的强度值，无磁连接元件不得不被制成更大尺寸。
同步磁阻电动机(SyR)
DE-A-10004175公开一种具有连续流动屏障的同步磁阻电动机。
同步磁阻电动机(SyR)由三相电流运转并且具有与异步电动机相似的定子，由于其设计简约、操作稳健(无转子线圈或磁体)，在实践中适用于具有直径从150毫米到400毫米的定子的节约型工业驱动。缺点在于，与其他电动机类型相比，转矩密度相对较低并且功率因数低，很难用于汽车中，并且因而限于固定应用。
正弦波电动机
根据早期研究结果(参考www.brusa.biz“Antriebsentwicklung《驱动发展》”的最终研究报告)，正弦波机械的优点在于其在转动角度之上恒定的扭矩输出，并且相对于方波电动机具有低的发展自谐波磁场的噪音。这也表明其自身从电源(电池或电动机变换器)吸收稳定动力。
如果电动机变换器直接地从电池(电池链)获得能量，那么方波电动机情况下的谐波磁场会产生更迭载荷，其导致电池的内部磁阻额外损耗。因为正弦波电动机无谐波磁场，因此可在转动角度之上获得恒定能量，对供能电池的内部磁阻也不会造成额外损耗。
对于在其中电动机变换器直接地从电池获得能量的主驱动系统的狭窄的选择中，根据现有技术，具有正弦曲线气隙磁场分布的类型，例如异步电动机(ASM)和内部永磁式同步电动机(IPM)，因而特别地适用。
电流激发同步电动机
众所周知，电流激发同步电动机(CSM)具有与其他正弦波电动机相比类似的定子。但是，该转子设置有明显的极(不突出极或凸极)，直流电流过的转子线圈与其同位。在电流激发同步电动机中，在转子中的激发器能量因而必须从外面供给。大型机器中，传输可以以非接触方式(通过变压器)进行。在用于汽车驱动的小型电动机的情况下，电动机具有直径从150毫米到400毫米的定子，并且在需要大动态范围转子电流调节的情况下，传输通过电刷和滑环进行。因此，CSM和直流电动机(DCM)属于电刷式电动机，其中，能量传输通过电刷到转子进行。
所有同步电动机的基本特性
所有同步电动机的转子都与定子电流的场同步地旋转。如果转子不能以定子频率旋转，或者定子磁场不适应转子位置，那么转子和定子磁场的异步叠加仅产生钟摆式力矩。当将其用于汽车驱动时，所有类型的同步电动机原则上都需要通过转子位置控制的频率变换器。
传统电流激发同步电动机的基本特性
在带动态激发的情况下，电流激发同步电动机能够获得2.5倍的公称力矩约30秒并且达到4倍公称力矩约5秒。在它们的短期力矩的情况下，该电动机大多优于同尺寸的永磁式同步电动机。当与具有埋式磁体的同步电动机(IPM电动机)比较时，差异特别地明显。在埋式磁体同步电动机中，磁体被插入到转子薄片槽中。
CSM电动机通过电刷传递能量
根据流行观点，通常不考虑电刷式电动机，因为这种技术很难在创新产品市场占有一席之地，原因是机械电刷易损，使用寿命有限。
由于常规性偏见，往往在直流电动机(DCM)的转换器和电流激发同步电动机(CSM)的相当的滑环之间没有加以足够的区分。同时，对于直流电动机(DCM)，整个电动机能量是通过转换器传输到转子上的，被传到电流激发同步电动机(CSM)滑环上的激发器能量仅在整个电动机能量为低一位数的百分比范围内。在电流激发同步电动机(CSM)的情况下，如在用于汽车驱动的全部其他同步电动机的情况下，有效的电动机能量通过频率变换器传输到定子。
根据现有技术的电流激发同步电动机(CSM)的缺点
在没有激发(紧急扭矩)的情况下运行的电流激发同步电动机的扭矩只能由磁阻产生。磁阻是无因次变量，由纵轴线Ld的感应系数与横轴线Lq的感应系数的比决定。在凸极式电动机中，Ld＞＞Lq，Ld是纵轴线感应系数，主要有空气隙决定；Lq是横轴线感应系数，主要由极的几何位置决定。
在传统凸极式电动机中，如果在电流激发同步电动机中，激发失败，只能获得大约公称力矩1/4的力矩，并且在不突出极电动机的情况下，根本不能获得力矩。这会导致在一定条件下的危险的驱动情形。
紧急运行特性差或不能进行紧急运行，这就是为什么那些本领域技术人员相信电流激发同步电动机(CSM)本质上仍不能满足汽车驱动(参见例如上文引用的最终研究报告)。
发明内容
通过增加磁阻来提高紧急运行性能
本发明的目的是提供一种改进的技术方案，借此，关于电流激发同步电动机(CSM)的现有技术中的缺点可以被显著地减少或者消除。电流激发同步电动机将被进一步改进，从而能够产生足够扭矩用于在不激发的紧急情况下驱动汽车。因此本发明的目的是在没有被在电流激发同步电动机(CSM)中的电流(磁阻力矩)激发的情况下，显著地增加扭矩。
本发明的一个主要特征是至少有一个可选择性磁通屏障，特别是径向槽的形式，沿转子极的主轴线设置，用于增加在每个转子极中的磁阻力矩。根据进一步改进，转子极优选地是凸极形式。
根据权利要求1的磁通屏障增加了在q轴线(正交轴线)中的磁通线的磁性阻抗，并且因此实现磁阻的增加。
根据本发明的成果的有利的进一步改进在从属权项要求中说明。
改良CSM电动机技术前提
与背景技术不同，传统电流激发同步电动机被用作启动点，并且目的是进一步发展它用于汽车驱动。根据本发明所述，发明以下面重要发现为基础和先决条件，这些基础和条件对于增强电流激发同步电动机紧急条件下的运行能力至关重要。
沿主轴或转子极的d轴线的磁屏障；
它可极大降低横轴线(Lq)的感应系数；
但是主轴线(Ld)的感应系数仍处于最初的高位值，结果，
极大增加了Ld/Lq的比值，产生磁阻，并且扭矩被增加几倍，例如在没有激发的情况下，因数为4。
降低了对关键原材料的要求
经过在这一领域的长期应用和冲破上述偏见后，公认电流激发同步电动机为汽车生产商提供了技术上更有利的可能性，用于保护生产商使其免受对于高性能磁性材料和所谓稀有磁体(REE磁体)的价格依赖，用于混合动力汽车和电动汽车。
根据本发明针对其紧急操作性能改进的电流激发同步电动机，由于其系统性能，特别地适合作为主驱动电动机。如果许多生产商用电流激发同步电动机取代以前经常使用的带埋式磁体的永磁式同步电动机(IPM)，那么任何由于REE原材料短缺而造成的价格波动都不会对汽车生产商造成影响。
本发明对CSM电动机作为主汽车驱动适用性的影响
根据本发明的上述阐述，很明显在不通电情况下，可通过使用选择性磁通屏障，如以在转子极中的径向槽的形式，来增加电流激发同步电动机(CSM)的磁阻力矩。
在用作主汽车驱动时这种紧急扭矩具有非常重要的优势---但是在其他应用的情况下它可能不重要。如果因为任何原因，通电电能不能被传送到转子的激发器线圈，那么由磁阻处获得的扭矩水平决定紧急操作情况下的系统性能。例如，激发器无电可能是因为，例如，转子电流控制器失灵、短路、电源线断了或滑环损坏。
根据本发明，电流激发同步电动机的磁阻力矩本身因而在汽车驱动中起到了很重要的作用，尤其是在紧急情况下，例如当由于上述原因车辆停在铁轨或行车道上伴随交通堵塞时。在这种情况下，根据本发明的电流激发同步电动机的磁阻力矩能够让汽车从危险区域移出而来到安全区。
然而，在传统的电流激发同步电动机的情况下---没有根据本发明的磁阻屏障---这不可能---因为，正如上面所述---在没有电激发的情况下可用的紧急扭矩属于不充足的类型。
在没有减少CSM电动机的基本性能的情况下本发明具有良好的可制造性
本发明电动机制作简单，通过冲孔提供具有槽型凹口的转子薄片。因此，小型网状物保持作为连接桥，为转子提供所需的内在强度。根据对本发明的深入研究，这些机械式不可或缺的连接桥由相对小的永磁体充满。磁体的需求量约为相同大小混合激发(由电磁和永磁两者激发)同步电动机(HSM)磁体块的10％，为同等大小永磁式同步电动机的6％。
预磁化的永磁体被简单地推进预先准备好的磁通屏障(槽型部分)的“口袋”位置。在没有这个措施的情况下，磁通屏障独自只有在与横向磁通连接饱和以后才能工作，但是，这不理想，并且因为可能会造成磁阻较少增加和因而较低紧急扭矩。
本发明的其他优点、变化和细节将在下文专利说明书附图和权利要求书中指出。
附图说明
根据发明，发明内容将在附图中进行说明，参考电流激发同步电动机的工作实例。
图1显示了根据本发明带磁磁通线的电流激发同步电动机的横截面图；
图2显示了作为设计过程结果的根据图1的同步电动机的实施方式图；
图3是显示了根据图1在没有磁磁通线的同步电动机的转子的侧视图。
具体实施方式
转子和定子的横截面图
图1示意地显示了根据本发明的电流激发同步电动机1的工作示例的横截面图，其形成特别地用于汽车驱动。同步电动机1设置有外部定子2和内部转子3；定子2以某种意义上本质已知的方式设置有用于分布绕组2A的凹槽。
转子几何形状
在所示的运转的示例中，转子3具有6-极设计(2-极、4-极、8-极等等，转子也可选择)。图1显示的是具有凸极4的转子3，凸极4的极芯和极靴分别地用5和6表示。一个激发器线圈7，每一个沿极芯5布置，并且在图中以横切面区域表示，以在某种意义上本质已知的方式，激发器线圈7与每个转子极4相协调。
沿主极轴线的磁通屏障
根据本发明，呈现完整的、新颖的转子几何形状。根据本发明，提出设置至少一个选择性磁通屏障，优选地，以在每个转子极中沿转子极4的主轴线4A的槽8形式，用于增加电流激发同步电动机1的磁阻力矩。槽8作为磁通屏障，形成在极芯5中，作为中心的和放射状纵向开口大致与侧面9(参见图2)平行。
槽8和转子极4的大小及相互布置更为重要，在图2显示的实施例中，很明显相对较窄的径向槽8有长度L和宽度B。根据发明者实验结果，槽8的长度L是转子半径R的3/4到5/6减去驱动轴12的半径；槽8的宽度B是极芯宽度W的1/10到1/15。
当在射线方向上看时，槽8的最外面点10分布在与极靴6外部极面相距距离11的地方，以这种方式，盖形螺母与螺栓相配，因此不会超出外部极芯表面。极帽与转子壳体包通过螺栓相连以构成了整体单元。
磁通屏障内网状物和桥的预饱和
在如图2中所示的根据本发明的电流激发同步电动机的优选的实施方式中，相对较小的永磁体13(例如总共0.2kg磁体/50KW额定功率)安装在槽3(口袋)的放射状内部中。已经预磁化的固态磁体13，其本身就是磁通屏障，尺寸已确定，从而由它产生的它的磁通线正好可以使磁通屏障内的网状连接板14饱和，网状物是因为结构考虑而提供的，但本质上具有导磁性。以这种方式预饱和的网状物14然后表现出用于每个进一步的磁磁通的高阻抗性。因此，在实际操作中，相对于有效磁通，网状物14好像是槽8的延伸。令人头疼的导磁性，在这一实施例中，通过插入的磁体13被消除了。
网状物14有机械优势，由于吸收轴和转子3之间的轴配合所产生的离心力或压缩力。根据强度考虑精确设计，并且根据应用定制。
有目的的使具有永磁体13的芯极电动机1的正交轴(图2中的q-轴)中的磁通屏障中机械地被激励中断的期望的饱和，为了完成上述目的所以专门引入永磁体13，这构成本发明的进一步发展，不考虑上述应用描述，发明也可用于一些特定的电力驱动情景。因此，从这个方面来说，本发明不止局限于CSM。
不论什么时候，由于强度原因都需要层纹状连接桥，但是磁通屏障优势更明显，因为这种它能够消除层纹状连接桥的导磁性。
连接方法
尽管没有显示细节，转子3可以还包括传统的薄壳层、端板和连接部件15(如连接螺栓)，其把转子壳层包和端板彼此连接以构成一片(在图1和3仅显示了剖面图)。根据本发明，连接部件15应优选地放在槽8内，起到磁通屏障的作用。连接部件15的连接螺栓通过孔16被插入到定子壳层和端板内，孔16在实施例中的描述情况---从径向上看---实际上构成了槽8的外端，起到了磁通屏障的作用。在上述情况中，孔16的直径约有5.2毫米，以容纳约5毫米厚的紧固螺栓。
与背景技术相比的改进方面
增加了磁阻
根据本发明，有了磁通屏障，磁阻会显著增加，与无磁通屏障的实施例相比，有效磁阻力矩增加3-4个因数。
所示实施例的性能数据
在85Nm公称力矩的被调查机器中，发明人实验表明通过所述磁阻屏障，可以实现72Nm的紧急力矩，也就是公称力矩的90％。在没有根据本发明的磁阻屏障的情况下，根据现有技术生产出来的能够比较的转子在不通电的情况下将只能够产生约20Nm的紧急力矩，这个量太小以至不能用作主驱动，即使在紧急操作中。
在短期操作和完好通电的情况下，CSM电动机能够输出320Nm力矩。如果根据本发明内容另外安装提出的磁阻屏障，以较低的额外成本大致具有改进的紧急性能。CSM电动机原有的有利系统性能没有受到磁阻屏障的负面影响，因为，根据本发明的CSM仍能在高功率因素的情况下以全操作状态运行，能够以高的效率在宽速率范围(大于1∶5)中输出恒定动力。
效应总结
在根据图1-3的优选的电流激发同步电动机中，纵轴线(d-轴)的感应系数与横轴(图2中的q-轴)的感应系数的比值相应地增加，超过了传统的凸极式机器的标准感应度数，这是因为引入了磁通屏障，它沿d-轴线(也就是槽8)运行，机械上要求的在轴线附近的剩余宽度优选地用永磁体13充满，将磁体13引入磁通屏障，结果磁通屏障的影响既表现在桥的区域，也连续经过网状物到轴线。
上面通过优选实施例对本发明进行了说明，但本发明并不局限于该优选实施例，而是可以有其他变化。本发明由所附权利要求书限定。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种电流激发同步电动机(1)，特别适用于汽车驱动，包括定子(2)和转子(3)，所述转子(3)具有至少二个转子极(4)，每个转子极具有一个激发器线圈(7)，其中至少一个选择性磁通屏障，特别地以径向槽(8)的形式沿转子极(4)的主轴(4A)设置在每个转子极中用于增加所述同步电动机的磁阻力矩。
2.根据权利要求1所述的电流激发同步电动机，其中，所述转子极(4)是凸极形式，并且其中作为选择性磁通屏障并存在于极芯(5)中的所述槽(8)是与所述主极轴(4A)平行的径向纵向开口形式。
3.根据权利要求1或2所述的电流激发同步电动机，其中，作为磁通屏障的所述径向槽(8)具有长度(L)和宽度(B)，所述槽(8)的所述长度(L)从转子半径(R)减去所述轴半径(12)的3/4到5/6中选择，并且所述槽(8)的所述宽度(B)在所述轴宽度(W)的1/10和1/15之间选择。
4.根据权利要求1或2所述的电流激发同步电动机，其中，设置在所述转子极(4)中至少在作为磁通屏障的那部分所述槽(8)中，所述永磁体(13)充满在所述磁通屏障中的机械桥并且因而将所述磁通屏障的效应延伸到所述转子极(4)纵向轴线的全部区域。
5.根据权利要求4所述的电流激发同步电动机，其中，所述永磁体(13)的外端由与所述径向模切形成的网状物(14)支撑在所述径向槽(8)中。
6.根据上述权利要求任何一项的电流激发同步电动机，其中，转子壳体包和端板具有连接装置，所述连接装置将单个部分彼此连接以形成一片，其中，所述连接装置(15)设置在作为磁通屏障的所述槽(8)中。
7.一种电流激发同步电动机(1)，特别适用于汽车驱动，包括定子(2)和转子(3)，所述转子(3)具有至少二个转子极(4)，每个转子极具有一个激发器线圈(7)，其中至少一个选择性磁通屏障，特别地-以径向槽(8)的形式沿转子极(4)的主轴(4A)设置在每个转子极中-用于增加所述同步电动机的磁阻力矩，并且其中永磁体(13)设置在所述转子极(4)中至少在作为磁通屏障的那部分所述槽(8)中，所述永磁体(13)充满在所述磁通屏障中的机械桥并且因而将所述磁通屏障的效应延伸到所述转子极(4)纵向轴线的全部区域，并且其中所述永磁体(13)的磁化方向相对于所述电动机的转动方向正切。
8.根据权利要求7所述的电流激发同步电动机(1)，其特征在于，所述永磁体(13)被磁化以使所述永磁体不增加有效磁通。
9.根据权利要求7或8所述的电流激发同步电动机，其中，所述永磁体(13)的外端由与所述径向模切形成的网状物(14)支撑在所述径向槽(8)中。
10.根据权利要求7到9中任何一项所述的电流激发同步电动机，其中，转子壳体包和端板具有连接装置，所述连接装置将单个部分彼此连接以形成一片，其中，所述连接装置(15)设置在作为磁通屏障的所述槽(8)中。
11.根据权利要求7或8所述的电流激发同步电动机，其中，所述转子极(4)是凸极形式，并且其中作为选择性磁通屏障并存在于极芯(5)中的所述槽(8)是与所述主极轴(4A)平行的径向纵向开口形式。
12.根据权利要求7、8或11所述的电流激发同步电动机，其中，作为磁通屏障的所述径向槽(8)并且具有长度(L)和宽度(B)，所述槽(8)的所述长度(L)从转子半径(R)减去所述轴半径(12)的3/4到5/6中选择，并且所述槽(8)的所述宽度(B)在所述轴宽度(W)的1/10和1/15之间选择。

Claims (6)

1.一种电流激发同步电动机(1)，特别适用于汽车驱动，包括定子(2)和转子(3)，所述转子(3)具有至少二个转子极(4)，每个转子极具有一个激发器线圈(7)，其中至少一个选择性磁通屏障，特别地以径向槽(8)的形式沿转子极(4)的主轴(4A)设置在每个转子极中用于增加所述同步电动机的磁阻力矩。
2.根据权利要求1所述的电流激发同步电动机，其中，所述转子极(4)是凸极形式，并且其中作为选择性磁通屏障并存在于极芯(5)中的所述槽(8)是与所述主极轴(4A)平行的径向纵向开口形式。
3.根据权利要求1或2所述的电流激发同步电动机，其中，作为磁通屏障的所述径向槽(8)具有长度(L)和宽度(B)，所述槽(8)的所述长度(L)从转子半径(R)减去所述轴半径(12)的3/4到5/6中选择，并且所述槽(8)的所述宽度(B)在所述轴宽度(W)的1/10和1/15之间选择。
4.根据权利要求1或2所述的电流激发同步电动机，其中，设置在所述转子极(4)中至少在作为磁通屏障的那部分所述槽(8)中，所述永磁体(13)充满在所述磁通屏障中的机械桥并且因而将所述磁通屏障的效应延伸到所述转子极(4)纵向轴线的全部区域。
5.根据权利要求4所述的电流激发同步电动机，其中，所述永磁体(13)的外端由与所述径向模切形成的网状物(14)支撑在所述径向槽(8)中。
6.根据上述权利要求任何一项的电流激发同步电动机，其中，转子壳体包和端板具有连接装置，所述连接装置将单个部分彼此连接以形成一片，其中，所述连接装置(15)设置在作为磁通屏障的所述槽(8)中。
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