CN101919156A - 电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机和一种运行该电机的方法，该电机尤其是用作电动工具的驱动马达或者用作汽车的起动器发电机。该电机包括由永久磁铁激励的转子(18)和载有多相绕组的定子(10)。它可以通过在一个直流电压源(20)上的逆变器(22)在电压控制的、较低的转速范围中运行。它也可以通过场减弱在较高的转速范围中运行，其中，为了减弱所述场，可以通过减小在转子(18)和定子(10)之间的磁链改变电机的结构。优选地，通过断开绕部分或通过将它们在串联和并联之间进行切换来实施对电机结构的改变。

Description

电机

现有技术

本发明涉及一种按照独立权利要求所述类型的电机或一种用于运行电机的方法。

由DEL02004027635A1已知一种这样的电机作为手持式或固定式电动工具的驱动装置，其驱动单元具有可电子式换向的马达，马达具有以永久磁铁激励的转子并且其定子借助于利用马达控制系统这样地被操纵，使得马达在第一转速范围中在电压受控的运行下工作并且在第二转速范围中，该转速范围与第一转速范围在更高的转速方向上相衔接，按照一种场减弱运行方式被控制。该场减弱在此处是通过转子磁通势和定子磁通势之间的相位移实现的，其中实现定子电流的超前的换向。如果对电机的控制没有提出高的要求和尤其是可以取消对形成转矩的横轴电流的高动态调整的话，这种在场减弱的转速范围中定子的激励电流超前于磁极电压的运行方式可以用比较简单的手段低成本地实现和应用。

原则上电子换向(EC)的马达的空载转速通过绕组的设计的供给的直流电源的电压大小来确定。因此，在恒定的供给电压下也确定了最大转速或马达的空载转速。为了继续提高马达的转速，需要一种场减弱，其中与定子绕组紧密结合的磁通的量被减小。为此已知的是通过一个定子电流分量实现场减弱，该定子电流分量在定子绕组中产生平行于激励磁通势的磁通势。在文献中该分量相对于转子主轴线被称为纵向或d轴电流。该d轴分量一般是这样定向的，即它与激励磁通势是反向的，由此在激励主轴线上的合成的激励磁通势被减小。

合成的d轴磁通势在电机的电枢绕组中感应出一个电压，它超前于磁通势90°。该感应电压与一个电流处于同一相位上，该电流产生在转子横向(q)轴上的电枢磁通势并且用该电枢磁通势将电能转换成机械能。在该基础上可以实现场减弱或针对场定向的调节，其中两个定子电流分量可以被相互独立地调节。利用q轴电流实施对转矩的调整，利用d轴电流可以如此地减小电机中的感应电压，使转速能够远远地高出电机的自然的空载转速。这种调节例如在DEL9725136C2被描述。

发明的公开

按照本发明的电机和用于运行电机的方法相对于所述的现有技术具有的优点在于，场减弱运行和由此实现的电机转速的升高是在没有附加的定子电流情况下和由此在没有增大电机中的损耗情况下实现的，而这些情况对于已知的方法例如对于开头依据DEL02004027635A1所述的方法是具有代表性的。

采用在从属权利要求中列举的措施可以实现对在独立权利要求中给出电机和所配属的运行电机的方法的一些有利的扩展方案和改进。

特别有利的是，为了减小电机中的磁链(磁通匝连数)，将定子绕组的一些部分设计成可以在串联和并联之间切换，其中通过并联取代串联在提高转速的同时也实现电机铜损耗的减小。备选地，代替对定子绕组的一些部分进行切换，将它们断开也是合适的，由此也在减小或至少没有增大损耗的情况下实现转速的提高。减小磁链的另一个有利的可能性在于实施(磁)场减弱，其方法是将采用并联的导线构造的定子绕组部分切换成串联或者将它们断开，以便使由它们形成的分线圈中断。但是以结构上的方式减小磁链也可以通过改变电机的空气隙来实现，例如通过轴向移动转子和定子在空气隙部位中的截锥式构造的外表面。

按照本发明的电机的定子绕组最好构造成在每个相中具有两个分线圈，它们可以切换或可以断开。这种配置尤其是在开关装置的费用方面具有优点，它可以由此用很小数量的开关触头或开关元件低成本地设计。开关装置此时最好构造成多极的组件单元。

就按照本发明的电机的机电结构而言，有利的是该电机设计成两极至六极的电机，而转子以两极、四极或以该极数的倍数构造。单相的设计结构只有在采用附加的构件，尤其是电容式构件下才有可能实现，但是旋转场的产生只能够针对一个惟一的转速被优化，因此采用这种设计结构不能够考虑要求宽的转速范围。另一方面，具有多于六个相的电机的设计结构尤其是在制造技术上是较难实现的并且要求显著更高的费用，尤其是在所需要的逆变器和切换装置方面，而没有在减小磁噪声和空气隙噪声上获得相应大的好处。两极，四极或以该极数的倍数构造的电机设计结构具有的优点在于，实际上所有在技术和经济上令人感兴趣的设计构造，尤其是定子绕组的设计构造，都可以相对于两极或四极电机通过在定子的圆周上对该构造形式进行简单的重复和倍增而实现。

本发明的其它细节和有利的实施例由权利要求书和实施例的描述中获得。

附图简述

本发明的实施例在附图中示出并且在以下的描述中详细解释。

附图中所示：

图1是一台电机的电路图，该电机构造成由直流电压网经逆变器供电的EC马达，该马达具有包括可断开的分线圈的三相定子绕组，

图2是一台对应于图1的电机，其具有可选择地在串联或并联下运行的分线圈，

图3是一台对应于图1的电机，其分线圈可选择地在串联中与逆变器连接或者可以在没有中点移位情况下部分地断开，

图4是一台对应于图1的电机，其中定子绕组的分线圈用并列的导线绕成并且可选择地在串联或并联下运行，

图5是一个四极电机的定子绕组的实施例，包括在12个槽中的三个相，具有引出的分线圈的始端和末端，

图6是一个两极电机的定子绕组的实施例，包括在12个槽中的三个相，也具有引出的线圈始端和线圈末端，

图7是一个两极电机的定子绕组的实施例，包括在12个槽中的三个相，具有引出的分线圈的绕组始端和绕组末端，其中线圈实施成具有180°el的线圈宽度，和

图8是一个四极电机的定子绕组的实施例，包括在12个槽中的三个相，其中分线圈用两个并列的导线绕成。

本发明的实施形式

图1中示出了一台电机的原理上的电路配置，该电机被设计成电子换向的和永磁激励的三相马达，该马达例可以应用于电动工具的驱动马达。此时只示出了马达的定子10的三相绕组，其中各个绕组相(分支)被划分成分线圈U1/2和U3/4，V1/2和V3/4以及W1/2和W3/4。相应地，分线圈的末端用U1-U4，V1-V4和W1-W4表示。在相U，V，W的分线圈之间是一个三极开关装置12，通过该开关装置将各单个相的分线圈可选择地与中点(星形结点)14串联连接或者替换地将分线圈U3/4，V3/4和W3/4分开并将分线圈U1/2，V1/2和W1/2连接成一个新的中点16。

永磁性的、示意示出的电机转子用18表示并且在实际中被两极地、四极地或相应于该极数的倍数地设计和以公知的方式构造，其中在转子圆周上分别交替地设置北极和南极。该北极和南极可以或者直接地通过布置在转子18圆周上的永久磁铁形成或者通过在那里存在的转子铁心形成。

从直流电压源20经过逆变器22实施对电机的供电，其中直流电流被转换成三相交流电压。逆变器22最好以晶体管化的全电桥电路进行构造，其中各单个的晶体管通过未示出的控制装置相应于转子位置以也是一般公知的方式被接通。

按照图2，图3和图4的电机的电路配置基本上是与按照图1的配置相同地构造的，其中相同的部件具有相同的附图标记。区别在于各单个分线圈的切换方式和它们在逆变器22上的连接。

在图2中，切换是通过六极的开关装置24实施的。在此处各有一个切换触头持久地与接头U2和U3，V2和V3以及W2和W3连接。开关装置24的可切换的触头或者连接接头U2和U3，V2和V3以及W2和W3或者它们由接头U2，V2和W2形成一个新的中点26并且同时将接头U3，V3和W3分别与接头U1，V1和W1连接，从而分线圈U3/4，V3/4和W3/4被并联到分线圈U1/2，V1/2和W1/2。中点14和26对应于点划线27被相互连接起来。

在按照图3的电路配置中，在逆变器22的输出端上有一个三极开关装置28，它在附图所示的位置上将串联的分线圈U1/2和U3/4，V1/2和V3/4以及W1/2和W3/4作为具有中点14的串联电路与逆变器22连接。在分线圈接头U2/3，V2/3和W2/3之间此时引出抽头30，32和34并且与在附图中开关装置28的自由接头连接，从而在它们切换时分线圈U1/2，V1/2和W1/2被与电压源分开并且只有具有中点14的分线圈U3/4，V3/4和W3/4与相应于它们的分匝数减小的分线圈一起形成在(磁)场减弱运行中的定子绕组10。与按照图1的断开不同，此时分线圈的中点14没有被移位并且只需要在分线圈之间分别设置一个抽头。

图4示出了电机的一种电路配置，其中分线圈U 1/2和U3/4，分线圈V1/2和V3/4以及分线圈W1/2和W3/4由并列卷绕的分别位于相同的槽中的导线形成。线圈始端U1，V1和W1此时是直接地与逆变器22的输出端连接，而所配属的输出端U2，V2和W2与六极的开关装置36的一个固定触头连接。通过这个开关装置36，线圈U1/2，V1/2和W1/2可选择地与线圈U3/4，V3/4和W3/4或者与另一个中点38串联连接，而分线圈输出端U4，V4和W4形成中点14。中点14和38对应于点划线39被连接起来。由此电机又可以选择地在电压控制的运行中以较低的转速在分线圈串联情况下运行或者另一方面通过场减弱在较高的转速范围中在分线圈并联情况下运行。在串联情况下的电感和欧姆电阻在相同的导线横截面和相同的分线圈情况下分别具有在分线圈并联情况下的四倍的值，转速只有在分线圈并联情况下的一半的大小。同时在串联情况下最大短路电流减小到值的四分之一，其中马达的总特性相应于不同的电感和欧姆电阻被改变。断开并列的分线圈是没有意义的，因为它不引起转速的任何改变。

图5至8示出了相应于图1至4的电路配置的用于一个三相定子绕组的分线圈的不同的绕组配置。在此情况下，线圈始端和线圈末端分别被引出并且采用与图1至4中相同的标记，因此可以取消对绕组相互间的连接的附加说明。这些绕组连接分别对应于图1至4的电路并且从那里导出。

在图5中示出具有槽40的四极电机的定子10的展开图。在每个槽40中放置了以叠绕组构造的分线圈U1/2，U3/4，V1/2，V3/4，W1/2和W3/4的仅仅一个线圈边42。在按照图1的电路中，则将线圈始端U1，V1和W1连接到逆变器22上。线圈输出端U2，V2和W2通过三极开关装置12连接成新的中点16并且将具有中点14的分线圈U3/4，V3/4和W3/4与电压源分开。在切换三极开关装置12之后，线圈末端U2和U3，V2和V3以及W2和W3在线圈末端U4，V4和W4上被连接成具有中点14的分线圈的串联电路。在按照图2中的配置由图5中的分线圈的线路连接情况下，通过六极的开关装置24可以附加地分别并联连接分线圈U1/2和U3/4，V1/2和V3/4以及W1/2和W3/4。图2所示的电路变型方案对应于已经依据图1描述过的分线圈的串联。对于分线圈的并联，需要切换六极的开关装置24，由此一方面形成新的中点26并且另一方面将线圈始端U3，V3和W3与逆变器22的输出端连接。

由图3示出了连接图5中的分线圈的另一种可能性，其中一个三极开关装置28直接地设置在逆变器22的输出端上，该三极开关装置或者将接头U1，V1和W1和设置在之后的分线圈连接成具有中点14的串联电路或者选择地在切换分线圈U1/2，V1/2和W1/2之后使它们与电压源分开并且与分线圈U3/4，V3/4和W3/4形成用于在定子10中的场减弱运行的新的减小的部分绕组。此时分线圈的接头被移动，但是中点14被保存。

图6也示出了一个具有12个槽的定子10，其中也在每个槽40中设置一个线圈边42。但是绕组此时设计用于一个两极结构的转子18，由此产生一个为2的槽数。此时相同的相的分线圈的各两个线圈边42位于相邻的槽40中。该绕组也设计成叠绕组。但是与图1至3中的绕组标记不同，在一个两极转子情况下部分绕组U3/4，V3/4和W3/4要移动180°el，从而在接头U4，V4和W4中形成串联以及另一方面在接头U3，V3和W3中形成中点14。相应地，在按照图2的并联情况下，部分绕组接头U4，V4和W4与逆变器22的相应的输出端连接，而接头U3，V3和W3形成中点14。在断开具有分线圈U3/4，V3/4和W3/4的线圈组的情况下产生的结果的特点在于，在断开线圈组之后形成一个具有线圈宽度为150°el的被缩短的线圈的绕组配置。当然此时也可以相应于图3断开具有分线圈U1/2，V1/2和W1/2的线圈组，从而中点14在断开一个线圈组情况下没有移动。

图7示出了一个在两极结构的转子18下用于定子10的三相绕组，但是其中分线圈具有180°el的线圈宽度。在这种配置情况下在断开一个线圈组之后也形成一个具有全节距线圈的绕组，但是与按照图6的绕组配置相比，形成更长的绕组端部，这些绕组端部要求更大的导线长度，其具有更多的铜并且在定子中需要更大的空间。此外针对图6的说明也相应地适用于图7。

图8示出了一种用于四极结构的转子18的绕组构造，包括一个具有12个槽40的定子10，其中在每个槽40中放置两个并列的导线或并列的线圈边42。这种配置对应于图4中涉及电路的图示，其包括每个相的各分线圈的窄的磁耦合。绕组始端U1和U3，V1和V3以及W1和W3与所属的线圈末端一样也位于相同的槽中，各单个的分线圈均匀分布地布置在定子圆周上。

在电路方面上，此时按照图4也选择地提供用于较低的转速范围的串联电路和用于在较高转速范围中的场减弱运行的并联电路，而在断开一个线圈部分情况下相对于串联没有产生匝数的改变并且由此也没有产生转速的改变而只是在机器中产生更高的损耗。

按照本发明设计构造的电机或提出的运行这种电机的方法允许在采用简单的手段同时没有附加损耗情况下在恒定的和确定地设定的电压源上以显著提高的空载转速运行。与具有在转子18的d轴上的场减弱的定子电流分量的常规配置相反，所提出的配置不降低电机的效率，其中转速的改变可以选择地通过切换或断开线圈组来实现。该配置可以特别有利地应用于蓄电池驱动的马达中或蓄电池驱动的电动工具中，由此省去了通常存在的机械的切换齿轮机构。电机由此可以构造得更紧凑更轻以及价格更低，其中全部已知的开关元件可以适合用作开关装置12，24，28和36的开关元件，即不仅包括机械式开关或继电器而且包括电子式开关元件。对开关装置的操作可以或者直接地由使用者实施或者通过电子组件例如微处理机实施。此外，开关装置可以或者设计成独立的切换器，其类似于通常的机械式齿轮机构切换，或者在结构上集成到同时起转速传感器作用的工具开关中，从而如果使用者要求高的转速，则切换可以被自动地一起操作。此外也可以实现依赖于负载力矩的自动的切换。

所建议的电机设计构造的另一个有利的应用可能性在于汽车领域中的起动器发电机的领域，作为电子换向的电机的结构形式同样非常好地适合于起动器发电机并且可以利用供使用的大的转速范围。由于在此情况下出现的高的转速，此时适合的是具有更高极数的转子结构形式，例如12极或16极的配置。相应的情况适用于定子相的数目。三相的设计结构原则上可以实现一种简单和低成本的电机结构，而更高相的定子绕组在磁场噪声和空气隙噪声方面具有优点，这些噪声尤其是在汽车中的连续运行情况下令人感到干扰。但是在每种应用中，重要的是在相应减小的转速情况下提供高的负荷力矩的可能性或可供使用的高的转速，如果所要求的负荷力矩允许这种高转速的话。

最后还要指出的是，绕组部分的断开也带来在电机的效率上的好的结果。这种令人惊讶的结果是这样得到的，即由于通过断开绕组部分在电机的磁回路中形成不对称性，从而其空气隙中产生更高的谐波比例，由此电感，尤其是在上部的转速范围中，明显提高并且随之电机效率也提高。

Claims (12)

1.电机，尤其是用于电动工具的驱动马达或汽车的起动器发电机，其包括由永久磁铁激励的转子(18)和载有多相绕组的定子(10)，所述电机一方面可以通过在一个直流电压源(20)上的逆变器(22)在电压控制的、较低的转速范围中运行并且另一方面可以通过场减弱在较高的转速范围中运行，其特征在于，为了进行场减弱，可以通过减小在转子(18)和定子(10)之间的磁链来改变电机的结构。

2.按照权利要求1所述的电机，其特征在于，定子绕组的部分(U1/2，V1/2，W1/2；U3/4，V3/4，W3/4)可以在串联和并联之间切换(12，24，28，36)。

3.按照权利要求1所述的电机，其特征在于，定子绕组的部分(U1/2，V1/2，W1/2；U3/4，V3/4，W3/4)可以断开。

4.按照前述权利要求中之一所述的电机，其特征在于，至少定子绕组的部分(U1/2，V1/2，W1/2；U3/4，V3/4，W3/4)用并列的导线(42)构造成，它们可以在串联和并联之间切换。

5.按照前述权利要求中之一所述的电机，其特征在于，定子绕组在每个相(U，，W)中具有两个分线圈(U1/2，U3/4；V1/2，V3/4；W1/2，W3/4)，它们可以切换或可以断开。

6.按照前述权利要求中之一所述的电机，其特征在于，绕组部分的断开或切换通过至少一个多极开关装置(12，24，28，36)实施。

7.按照前述权利要求中之一所述的电机，其特征在于，定子绕组的分线圈(U1/2，V1/2，W1/2；U3/4，V3/4，W3/4)可以连接成至少一个新的中点(16，26，38)。

8.按照前述权利要求中之一所述的电机，其特征在于，所述定子绕组是两极至六极构造的。

9.按照前述权利要求中之一所述的电机，其特征在于，所述转子(18)是两极、四极构造的或者是以这些极数的倍数构造的。

10.用于运行电机的方法，尤其是运行用于电动工具的可电子换向的(EC)驱动马达或起动器发电机的方法，所述电机包括由永久磁铁激励的转子(18)和载有多相绕组的定子(10)，所述电机一方面可以通过在一个直流电压源(20)上的逆变器(22)在电压控制的、较低的转速范围中运行并且另一方面可以通过场减弱在较高的转速范围中运行，其特征在于，所述场减弱通过在结构方式上减小电机中的磁链来实施。

11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所述场减弱通过切换和/或断开电机的定子绕组的部分(U1/2，V1/2，W1/2；U3/4，V3/4，W3/4)来实施。

12.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所述场减弱通过将绕组部分(U1/2，V1/2，W1/2；U3/4，V3/4，W3/4)的串联改变成并联来实施。

Images