CN102089960A - 发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动机和/或发电机、设有该电动机和/或发电机的交通工具或风力涡轮机。该电动机/发电机包括用于发电的设备，该设备包括：转子；定子；至少两个永磁体，所述至少两个永磁体沿彼此相反的方向设置在转子和定子中的一个上；以及在转子和定子中的另一个上的至少两个线圈，其特征在于，线圈沿轴向设置而磁体沿径向设置。

Description

发电设备

技术领域

本发明涉及一种用于发电的设备。

这种设备优选地具有发电机和电动机的双重功能。在后一工作模式，提供或将要提供控制以通过驱动电流起动线圈以使转子自此开始运动。在一特定实施例中，电动机可纳入到轮子或轮子的驱动轴上，从而通过其上的轮子驱动交通工具。

背景技术

实践中已知的电动机和/或发电机例如施加于交通工具以使其作为电动机驱动交通工具或作为发电机产生电能。这些电动机和发电机显著增加了交通工具的重量。尤其，这种重量增加了交通工具的燃料消耗，增加了磨损和维护成本，降低了交通工具例如加速度的性能，增加了碰撞情形下的冲击，并增加了生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供电动机和/或发电机的更高效的应用。

本目的是通过如权利要求1所述的用于发电的设备达成的，例如电动机和/或发电机。

该设备提供转子和定子。设置在转子上的磁体通过定子的线圈的交变驱动而旋转。轴可通过转子的旋转而驱动。这发现可应用于尤其是例如客车、卡车、公车或飞行器的交通工具驱动。这涉及设备作为电动机的操作。相反，可借助磁体通过转子的旋转而在定子的线圈中产生磁场。蓄电池在这里例如可在交通工具内充电。例如也可通过使用例如风力涡轮机的在这里作为发电机工作的设备将能量提供给配电网。通过沿径向在转子(或定子)上彼此相反的方向(北-南)提供至少两个永磁体，电磁通量路径的长度相对于已知设备是有限的。径向在本文中例如可视为电动机轴线方向。相对于该轴线沿轴向设置线圈。例如此处发生的饱和度越低，则能产生越多的电力。另外，由于磁体和线圈所采用的取向，磁体和线圈能如此地设置在较大半径上，电力进一步增加。这导致当产生或能产生相同功率时，在相同质量或在更小质量的电动机/发电机上产生较大的电力。例如设有根据本发明的设备的交通工具的总质量由此显著减小。作为暗示，给出交通工具用PM电动机的质量可从大约60-80公斤降低至15-20公斤的试验。交通工具零件的消耗和磨损由此减小。另外，例如设有根据本发明的设备的交通工具的总生产成本也降低。

一额外优势在于，由于根据本发明的线圈和磁体的特定配置，能实现冷却效果提高。这导致磁体和线圈之间的有限距离落在半径平面之外。该间隙或开口沿轴向位于根据根据本发明的设备中。这意味着可通过在线圈上方沿径向提供更大的间距而实现线圈相对更大程度的冷却。线圈和磁体之间使用的间隙或距离的量达到大约2.5-6毫米，而线圈上方空间的量例如大约为8毫米。这些特定尺寸当然取决于相关应用场合。线圈上方越大的距离因此导致例如由流过的空气冷却的更大空间。由于冷却效果提高，例如可实现更高的转速。

在一优选实施例中，电动机和发电机的操作被组合在一起。这例如可在设备发挥电动机作用以驱动轮子并由此驱动整个交通工具的交通工具中找到应用实例。例如在制动过程中可采用相同的设备，以便作为发电机产生电力并将电力存储在蓄电池中。磁体优选地为配置在旋转轴线周围的一组磁体。除了将磁体设置在转子上外，还可在定子上设置磁体并在转子上设置线圈。

在根据本发明的一个优选实施例中，在离第一组磁体的一定距离上设置第二组磁体，其中线圈在第一组磁体和第二组磁体之间延伸。

就构造而言，所谓双重轴向电动机组件是通过提供其间具有线圈的两组磁体而实现的。线圈组件在这里附连于电动机(或发电机)的静止部件。通过磁体(北-南)形成永磁场。这些磁体由线圈组件的定子线圈交变地驱动，尤其是取决于电动机转速。磁通的路径路过磁体或磁体附连于的盘/凸缘之间的轴向设置的线圈。磁通的路径由此缩短，因此设备的效率进一步提高。线圈和磁体的量取决于所应用的场合。一种额外优势在于，如有需要，较低转速就足以达到产生相同电力的目的。同时，由于稳定的结构，较高转速也是可能的。因此这些转速可实现为例如500-8000转/分的范围。当电动机布置作为交通工具的轮子中的直接驱动时，可实现高达大约2000转/分的转速。

在根据本发明的一个优选实施例中，第一和第二组磁体相对彼此偏离。

在实践中已知，尤其是例如在交通工具的驱动器起动过程中，这以震动方式(钝齿啮合)发生。这减轻了驾驶员的不舒适感。另外，这增加了例如交通工具组件上的机械负载。通过在第一和第二组磁体之间提供偏移而实现转子更平滑的转动行为。对起动的阻力也很低，由此只需要很小的起动功率。这些相对磁体之间的偏移量可达50％。这意味着第一凸缘上的磁体中央沿直接与第二凸缘上的两相邻磁体之间的过渡相反的轴向定位。由此获得转子最平滑的移动或转动，其中尽可能地防止了震动。也可使偏移某种程度地变得更小，例如30％，即两个环上的磁体相对彼此某种程度更小的相对转动。所选偏移取决于相关应用场合并取决于平滑旋转形式的舒适度和效率之间的权衡。

通过不将磁体设置在两者之上垂直的凸缘上，即通过实现前述偏移，所谓的钝齿啮合转矩得以改进。为了实现这种偏移，优选地选择转动，以使相对盘片上的北极相对于南极有最大30％的转动。

线圈优选地设置在两基本平行的环之间。环优选地为非导电材料，更优选地为5毫米玻璃纤维片。线圈优选地设置在环内的凹口中，其中罩或帽设置在线圈的外端。线圈通过罩或帽固定地保持在环中。通过提供由例如塑料的非导电材料构成的该罩，磁场不受阻碍。材料必须是耐热的，优选地可处于高达至少200℃的温度下。罩例如具有大约1.5毫米的厚度。还可在环中设置凹口而不是孔，以使线圈就这样夹持在这些环之间。在一优选实施例中，这些环连接于轴衬的各外端。轴衬在这里连接于环的径向外侧。替代地，轴衬在这里连接于环的径向内侧。

在一优选实施例中，第一和第二组磁体中的每组磁体设置在两个基本平行的凸缘中的相应一个上。

通过提供具有磁体的两个凸缘而使设备的性能得以提高。所产生的磁通从磁体经过轴向设置的线圈直至平行的第二凸缘上的磁体。由此进一步提高了设备的效率。还可设置两个以上的凸缘，这些凸缘设有磁体。可通过这种凸缘叠加来产生更多的电力。

在根据本发明的又一优选实施例中，凸缘各自连接于轴衬的各外端。

如果这种配置是合需的，则使设备与外部世界隔离是合需的和/或有益的。以传统结构来说这是不可行的，或者至少密闭结构不是现有技术中已知的。这尤其有关于电动交通工具的轮内电动机。这里重要的是使来自路面的尘垢不进入电动机。通过将带磁体的凸缘连接于轴衬，可获得尽可能将灰尘保持在外的基本密闭结构。为了排干水汽，在转子和定子之间一狭缝或间隙保持敞开以实现水汽的排出。在具有内转子的第一优选实施例中，圆柱体连接于凸缘的径向外侧。在该实施例中，在外侧没有移动部件。例如在应用于齿轮箱的情形下，这样做是有利的。额外的优势在于更简单的配平和更轻的结构。在一替代的具有外转子的第二优选实施例中，圆柱体连接于凸缘的径向内侧。由于可产生相对更大的惯性力矩，这样做是有利的。另外，该实施例的组装相对较简单同时也较为便宜。在两个实施例中均获得相对密闭的构造。

用于环的轴衬或用于凸缘的圆柱体形成用于转子或用于定子的底部部件。这当然取决于根据本发明的设备的所选实施例。

在根据本发明的又一优选实施例中，设备包括为了将设备用作电动机而在对永磁体的第一磁作用和第二磁作用之间的线圈交替变换的控制。

通过提供流过线圈的交变电流，其中相邻线圈被依次启动，转子以本身已知的方式开始运动。线圈优选地在这里分成依次启动的三组线圈。这之后是线圈的数目在本例中的量是三的倍数。

在根据本发明的优选实施例中，设备设有将其耦合于齿轮箱的耦合装置。

另一优势在于，例如当设备被安装在齿轮箱时，具有较小修正的驱动凸缘以摩擦板的形式充当耦合装置，用于安装具有离合器组件的离合器板。另一优势在于可以最低质量获得紧凑的设备。

本发明还涉及设有如前所述的电动机和/或发电机的交通工具和风力涡轮机。

本发明还涉及如上所述设备的使用，其中该设备发挥电动机作用以产生电能。该应用与目的有关，尤其是在交通工具制动期间回收能量。然而除了其它设备外，它也适用于风力涡轮机。

发电机和交通工具以及风力涡轮机的使用提供与前面结合电动机的应用具体描述的内容相同的效果和优势。

附图说明

下面参照落在本发明范围内的非限定性示例性实施例的附图对本发明进行描述，其中相同或相似的部件、元件和特征用相同附图标记标示，其中：

图1示出具有内转子的第一实施例的图；

图2示出来自图1的磁体的凸缘的图；

图3示出来自图1的具有轴衬/圆柱体的另一凸缘的图；

图4示出具有图2和图3的凸缘的轴衬/圆柱体的组件；

图5示出图1的定子部件的图；

图6示出经组装的定子的图；

图7示出在两组磁体之间具有偏移的转子的图；

图8示出具有外转子的第二实施例；

图9示出图8的转子部件的图；

图10示出根据第二实施例的定子的图；

图11示出根据第二实施例的组件的图；

图12示出替代性定子元件的图；

图13示出第二实施例中的图12的元件的图；

图14示出具有整合的差动机构的实施例的图；

图15示出根据本发明的带离合器的电动机；

图16示出根据本发明的电动机中的转子的配平环；以及

图17示出根据本发明设有驱动器的交通工具的图。

具体实施方式

图1-7和图12-13示出根据第一实施例的在内侧具有带磁体的转子的电动机/发电机1，其中内转子可比拟于线轴，在所述线轴中，磁体位于颊板的内侧。图8-11示出根据第二实施例的在外侧具有含磁体的转子的电动机/发电机。

图1中的电动机/发电机1中的转子6可比拟于具有向外折叠的外端的轴衬2或在轴衬2轴向外端上的凸缘3，其中磁体8配置在每个凸缘3的内壁上。这些凸缘3也被称为颊板，并在内侧设有磁体8。图1涉及具有内转子的实施例。在图8-11的实施例中，轴衬2设置在凸缘3的径向外侧。图8涉及具有外转子的实施例。

图1-7、8-11和图12-13中的电动机/发电机的两种类型均基于相同的工作原理。

图1示出双轴线PM电动机1的局部组装。这里(仅有)三个(缠绕)线圈9被图示为一组，也被称为一叠。图1-7和12、13的设计包括自由选择数目的线圈9或线圈叠，每叠有三个线圈，即例如三、六、九、十二、十五等三的倍数，取决于悬置环5、7之间或其上的线圈叠的直径和结构以及组或叠中的线圈9的形状和尺寸。所示设计包括三十六个成叠线圈9以及每凸缘3二十四个磁体8，因此一共有四十八个磁体。根据要求的场合和电力，其它数目也是可以的。因此例如对风力涡轮机的应用场合实现七十二个线圈，这以风力涡轮机的相关尺寸为依据。在所示实施例中，每个线圈设有七十二个绕组。绕组或线圈的数目和厚度可尤其依据所要求的应用和电力予以选择。

图1-7和12、13示出在转子6的向内定位的凸缘上或轴衬2上的凸缘上具有磁体8的双重轴向PM电动机/发电机的组件。

这是第一实施例。轴衬2可选择地在例如线圈9的一侧设有固定连接于环5、7的绝缘层4。沟状开口设置在环5、7和凸缘3之间。一方面，这能够使凸缘3相对于环5、7作出相对运动。另一方面，可通过该开口排出湿气。轴(未示出)可沿中央或旋转轴线的方向设置在轴衬2的内侧。该轴可选择地经由一种辐条连接于轴衬2或直接连接于轴衬2。这当然取决于轴和轴衬2的尺寸。孔(未示出)也可设置在轴衬2中，由此进一步减轻电动机/发电机1的重量。所示轴衬2的直径等于大约270毫米，其中用于交通工具的常见存在范围在200毫米和350毫米之间。其它直径当然也是可能的。由此可对公共汽车或卡车实现大约800毫米的直径。在所示实施例中，下侧上的线圈基本彼此抵靠地设置。可通过使用梯形来选择地实现甚至更高的效率。

图2示出形成凸缘3的钢环，在凸缘3上具有磁体8，其中磁体8以北-南-北-南配置顺序排列。所选的叠9、9、9相对磁体8、8、8以3∶2倍数的比例出现。

磁通的返回路径通过其上配置磁体8的钢盘片或凸缘3而确定位置。磁体8通过钢环或凸缘3上的轴环10密闭于外侧。该轴环10防止磁体8由于振动而脱落。

图3示出轴衬2上具有若干凸缘3的转子6的一部分。转子6上带磁体8的凸缘3通过轴衬2相互联接，并且这提供从电动机/发电机至所要驱动的负载的转矩传动(见图14)。

图4示出在图2和3所示部件的组装中双轴永磁电动机/发电机1的经组装转子6。

图5示出环5、7中的一个，其中线圈叠9围绕伸入凹口12的的铁心11。围绕铁心11的线圈伸入每个环5、7中的凹口12。环5、7是固定的并因此形成定子，该定子连接于固定世界由此形成定子。

图6示出围绕线圈9的铁心11分别以三个线圈9的组或叠悬空安装在环5、7中。该线圈叠悬空件位于两环5、7之间(见图1)。

图7清楚地示出在凸缘3上的两相对磁体8之间的偏移或距离，其中在所示图中最靠近的凸缘被省去而示出磁体8。这有助于减小钝齿啮合转矩并获得电动机1的平滑旋转/运作特性。电动机/发电机的起动动作也得以改善，在起动过程中防止失速，这意味着使转子进入工作状态。

图8示出轴衬2上的凸缘3落在其外侧的本发明第二实施例。具有磁体8的颊板或凸缘3安装在因此形成的外轴衬2上，其中为了清楚将图中最靠近的凸缘3省去。

图9示出轴衬2设置在外侧的转子6，并且图中清楚示出带磁体8的颊板或凸缘3安装在其内侧上。该单元是电动机/发电机的外部旋转转子。当制造具有环5、7和在环5、7之间设置线圈9的组装圆柱体4时，筒状物或转子6仅可能用凸缘3相对于图8的位置密闭(图10)，并随后将该圆柱体自由地放置在转子磁体8和凸缘3的筒状物中。

图10由此示出经组装圆柱体4，该圆柱体4具有环5、7和在环5、7之间的线圈叠。该组件被安装在内侧，但没有转子、磁体和壳体。

图11示出具有外转子的完全组装后的电动机/发电机。

所示组件具有大约15-20公斤的重量。该重量当然取决于应用场合。对第一实施例所示和所描述的测量的组合也适用于第二实施例，并因此在这里不予以重复。

图12示出用于电动机/发电机的内转子中的组件的线圈9的两部分叠悬空。用于线圈9悬空的两部分元件进一步包括用于组装环5、7并用来将叠悬空附连于固定世界的接合点15。

图13示出内转子电动机的分解组件。

图14示出根据本发明的电动机的实施例16，该电动机具有在轮(未示出)轴17上的整合的差动机构。

由此节省了空间并减轻了总重量。

图15示出根据本发明的电动机，该电动机设有位于壳体23内的转子连接轴衬22。壳体23设有其上设置磁体25的第一转子24。壳体23进一步设有第一定子悬空/绝缘板26。板26设置在中央壳体27的第一外端。第二定子悬空/绝缘板29设置在中央壳体27的第二外端。具有缠铜软质铁心28的定子设置在板26、29之间。在第一转子24设置在定子28的第一外端的情形下，具有磁体30的第二转子31设置在定子28的第二外端。转子31与离合器用摩擦环32结合。离合器板33将电动机连接于离合器组件，在当前实施例中示出其壳体的一部分34。

摩擦环32与转子31的结合形成了重量非常轻的完全紧凑的电动机。在所示实施例中，具有离合器和离合器组件的70千瓦的电动机具有低于25公斤的质量。

图16示出具有用于动态配平转子的附加配平环35的转子。在所示实施例中，配平是通过在环35中的要求位置设置孔而实现的。

图17示出提供有其中设置根据本发明的电动机1的轮子21的交通工具20。电动机1也可在交通工具20制动过程中起到发电机的作用。这种作为发电机的作用也可适用于风力涡轮机(未示出)以实现以电能形式发电的目的。

根据本发明的电动机的圆柱体实施例(筒状物)尤为适用于所谓“轮内”电动机，它也被称为轮毂电动机。磁体凸缘在这里优选地形成轮毂的一部分。在此使部件数量减至最小并实现了很多质量节省。质量很好地分布在电动机上，籍此在电动机中存在相对大量的开放空间。额外的优势在于，结果电动机的冷却变得更为简单。

附图中的实施例示出各种部件的有利配置，籍此所示电动机可体现为具有紧凑部件，优选地具有低的重量。在所示实施例中，完整定子的重量例如为5.7公斤。对于完整电动机，这导致总重大约13.5公斤的37千瓦实施例，而对小于20公斤的重量是70千瓦的连续电动机。

本发明不打算局限于上述优选实施例。所诉诸的权利由下面的权利要求书定义，在权利要求书范围内的许多改型是可预见的。除了交通工具和风力涡轮机的应用，例如自动电梯、船、起重机等应用也是可能的。

Claims (17)

1.用于发电的设备，包括：转子；定子；至少两个永磁体，所述至少两个永磁体沿彼此相反的方向设置在所述转子和定子中的一个上；以及在所述转子和定子中的另一个上的至少两个线圈，其特征在于，所述线圈沿轴向设置而所述磁体沿径向设置。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述磁体绕旋转轴线成组设置。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，第二组磁体设置在离如权利要求1和2中至少一项所述的第一组磁体某一距离上，且所述线圈在所述第一组和第二组磁体之间延伸。

4.如权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，所述第一组和第二组磁体相对于彼此偏离。

5.如前述权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述线圈设置在两个基本平行的环之间。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述环各自连接于轴衬的各外端。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述轴衬在其径向外侧上连接于所述环。

8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述轴衬在其径向内侧上连接于所述环。

9.如前述权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述第一组和第二组磁体中的每组磁体设置在两个基本平行的凸缘中的相应一个凸缘上。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述凸缘各自配置在圆柱体的各外端上。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述圆柱体在其径向外侧连接于所述凸缘。

12.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述圆柱体在其径向内侧连接于所述凸缘。

13.如前述权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述轴衬和所述圆柱体中的一者形成用于所述转子和所述定子之一的底部部件。

14.如前述权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，还包括为了将设备用作电动机而在对永磁体上的第一磁作用和第二磁作用之间交替变换线圈的控制。

15.如前述权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述设备进一步设有用于将所述设备耦合于齿轮箱的耦合装置。

16.设有如前述权利要求中的任何一项所述的设备的交通工具或风力涡轮机。

17.如前述权利要求1-15中至少一项所述的设备作为发电机的使用。

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