CN102738927B - 具有可运动转子段以减少反电动势的电马达 - Google Patents

Abstract

一种电马达组件，包括转子毂和被支撑在所述转子毂上的转子。所述转子毂具有第一和第二转子毂部分，所述转子具有第一和第二环形转子段，所述转子段被支撑用于在相应的第一和第二毂部分上旋转。每一个转子段具有相应的一组磁体，所述磁体绕其周向地隔开。转子毂和转子段配置为使得至少一个转子段随着转子毂旋转而绕旋转轴线相对于其他转子段运动。所述至少一个转子段的运动是一量，所述量随着转子毂的速度增加而增加，以减少反电动势。所述运动可以由于离心力而产生，所述离心力随着速度增加而增加，而不需要控制系统来实现该运动。

Description

具有可运动转子段以减少反电动势的电马达

技术领域

本发明涉及电马达组件。

背景技术

一些电马达/发电机被称为永磁马达。这样的马达具有定子，所述定子具有承载三相交流电流的绕组，所述交流电流建立电动势以转动具有永磁体的转子。同时，永磁体的旋转磁场在绕组中产生“反电动势”。所谓的反电动势是与定子绕组中的电压相反的电压。作用于定子绕组的每一个相上的反电动势和磁场强度随转子的旋转位置呈正弦地变化。反电动势的平均值与转子的选择速度成比例。在低速条件下，由反电动势产生在绕组内的电压相对较低，且反电动势与输入电压相比可忽略。在高输出速度下，由反电动势产生在绕组内的电压相对较高，且与可施加到绕组的最大电压相比重要，从而在不减小转子的磁场的情况下，少量或没有电流会在绕组中流动。通常，使场削弱的电流被施加到定子绕组以抑制磁场和反电动势，从而扭矩-产生电流会在高转子速度下流动或更自由地流动经过绕组。反电动势的机械减小，特别是在高速度条件期间，会通过减少或消除经过定子绕组的场-削弱电流而显著地改进马达/发电机的效率，从而流经定子绕组的全部电流都用于扭矩的生成，并因此做有用功。

发明内容

通过将径向磁通马达的转子分为轴向部分或段，每一个部分具有一组或多组永磁体，且至少其中一个部分可绕旋转轴线相对于其他部分运动(即，倾斜或定相)，所述磁体将随着转子部分的共同旋转速度的增加而以一增加量彼此偏移。磁体彼此偏移减少了由旋转磁体产生的反电动势和磁场强度的正弦变化的幅度。反电动势的减少允许使必须被施加的场削弱电流的减小或消除，以及因此增加马达效率。

提供了一种电马达组件，该组件包括具有电绕组的定子和可绕旋转轴线旋转的转子组件。转子组件具有转子毂和被支撑在所述转子毂上的转子。所述转子毂具有第一和第二转子毂部分。所述转子具有第一和第二环形转子段，其中第一环形转子段被支撑用于与第一转子毂部分一起旋转，第二环形转子段被支撑用于与第二转子毂部分一起旋转。每一个转子段具有相应的一组磁体，所述磁体绕其周向地隔开。转子毂和转子段配置为使得至少一个转子段随着转子毂旋转而绕旋转轴线相对于其他转子段运动。所述至少一个转子段的相对运动是一量，所述量随着转子毂的速度增加而增加，以减少反电动势。所述运动可以通过利用离心力而产生，所述离心力随着速度增加而增加，而不需要控制系统来实现该运动。

所述电马达组件可配置有定相机构的各种实施例，以建立转子段中的一个的相对运动。例如，可以使用液压促动的叶片型移相器、液压促动的斜齿轮移相器、或使用离心质量部和啮合齿轮的移相器。在这些实施例的每一个中，移相器的促动可完全被动，其中，仅依靠转子的旋转来造成移相器的促动，而定相的量随着速度增加而增加。

本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述连同附图时显而易见。

附图说明

图1是动力传动系的第一实施例的示意图，所述动力传动系具有在本发明的范围内的电马达组件；

图2是图1的电马达组件的更详细的示意性横截面图；

图3是图2的电马达组件的示意性横截面图，其中端盖被移除；

图4是在本发明的范围内的电马达组件的另一实施例的示意性局部横截面图，该电马达组件可用在图1的动力传动系中；

图5是图4的在线5-5处截取的电马达组件的示意性横截面图，该组件具有定相机构的第一实施例；

图6是图2的在线6-6处截取的电马达组件的示意性横截面图，该组件具有定相机构的第二实施例；

图7是图2的在线7-7处截取的转子组件的示意性侧视图，，该组件具有定相机构的第一实施例，其中该转子以相对较低旋转速度旋转或静止；

图8是图7的转子组件的示意性端视图，其中该转子以相对较高的旋转速度旋转；

图9是反电动势与具有转子部分的定相的电马达组件的斜交角对照的示例性说明；以及

图10是电马达组件的系统动力损失与扭矩负载对照、在转子部分倾斜或不倾斜的情况下在转子部分的各旋转速度下的比较的示例性说明。

具体实施方式

参考附图，其中在几幅图中相同的附图标记指向相同的构件。图1示出动力传动系10的示例，所述动力传动系10包括发动机12，所述发动机12操作地连接到变速器16的输入构件14，以在变速器16的输出构件18处提供动力。动力传动系10可以是车辆动力传动系，其中输出构件18连接到车轮以在车轮处提供牵引力。变速器16是电动机械混合动力变速器，其具有两个电马达组件20、22，所述电马达组件20、22连接到传动装置24的不同构件，所述传动装置被包括在变速器16中。电马达组件20、22此处称为马达/发电机20、22，这是由于它们可被控制器26控制而在变速器16的各种操作模式中被操作为马达或发电机。在该要求保护的发明的范围内，动力传动系可以替换地具有仅一个马达/发电机。

控制器26连接到能量储存装置，诸如电池28，并当马达/发电机20和/或22操作为马达时控制电力从电池28经过功率逆变器30到马达/发电机20、22中的一个或两者的流动，以及当马达/发电机20和/或22被控制以操作为发电机时控制电力从马达/发电机20、22经由功率逆变器30到电池28的流动。

马达/发电机20、22在结构和设计上基本类似。因此，马达/发电机20被进一步详细地描述，所述描述等同地应用到马达/发电机22。马达/发电机20具有转子组件32，所述转子组件32包括转子34，所述转子34安装到转子毂36，所述转子毂36连接到传动装置24的构件，使得所述转子组件32可绕旋转轴线38旋转，所述轴线38在该实施例中与输入构件14和输出构件18的旋转轴线相同。转子34是永磁体转子，其具有绕其圆周分布的磁体组，如以下进一步描述以及在图2和3中所示的。为了减少通过永磁体型转子发生的反电动势，转子毂36和转子34每一个被分为多个轴向部分并配置为允许至少其中一个部分相对于其他部分被定相，如下进一步描述的。马达/发电机20还具有定子40，所述定子40安装到静止(即，不旋转)构件42，诸如变速器16的壳体。电绕组44在定子40的两个轴向端之间延伸。

参考图2，马达/发电机20被更详细地示出。在所示实施例中，转子毂36包括第一转子毂部分50和第二转子毂部分52。转子34包括第一转子部分54和第二转子部分56，所述第一转子部分54被支撑用于与第一转子毂部分50一起旋转，所述第二转子部分56被支撑用于与第二转子毂部分52一起旋转。转子部分54、56此处还称为转子段。转子部分54、56和毂部分50、52在轴向上稍微彼此隔开。轴承55允许转子毂部分50相对于马达外壳57的旋转，轴承59允许转子部分56相对于端盖58的旋转。

如图3所示，在该图中马达/发电机20的端盖58(参见图2)被移除，转子部分56具有绕其圆周分布的磁体组60、62。流经定子40的绕组44的电流产生磁力，所述磁力交替地吸引和排斥磁体60、62。磁力产生扭矩，所述扭矩转动转子部分56。图2中所示的另外的磁体组66、68绕转子部分54的圆周分布。磁体组66、68以与磁体组60、62所布置的模式相同的倾斜模式相对于彼此布置。流经定子40的绕组44的电流产生磁力，所述磁力交替地吸引和排斥磁体66、68。磁力产生扭矩，所述扭矩转动转子部分54。由于磁体组60、62基本上与磁体组66、68相同，流经绕组44的电流导致部分54、56以同样的速度旋转，即使彼此轴向地隔开。

在其他实施例中，图1的马达/发电机20、22可具有多于两个转子部分。例如，如图4所示，图1的马达/发电机20、22可用类似于马达/发电机120的马达/发电机代替，所述马达/发电机120具有转子组件132，所述转子组件132具有三个转子部分154、157和156，这些转子部分在此也称为转子段，其中中央转子部分157可绕旋转轴线38相对于中央转子部分157的任一轴向侧上的转子部分154、156旋转。马达/发电机120具有第一转子毂部分150和第二转子毂部分152，所述第一转子毂部分150支撑两个转子部分154和156，所述第二转子毂部分152支撑中央转子部分157。转子部分154、156、157中的每一个具有相应的一组或多组磁体或磁体组160、162、163，所述磁体绕转子部分的圆周隔开。

在任意实施例中，转子组件32或132配置有定相机构51，所述定相机构51允许转子部分(图2中的转子部分56和图4中的转子部分157)中的一个绕旋转轴线38相对于其他转子部分运动。所述运动，也称为角倾斜或角定相，由于离心力而被动地完成(即，没有控制系统)，并随着转子组件32或132的速度增加而大小增加。增加的倾斜和增加的转子速度一起更好地减少了倾向于随着增加转子速度而增加的反电动势。在图5-8中所示的实施例中，由于离心力，相对运动发生，而没有控制系统。例如，离心力可作用于径向沟槽72中的流体上，所述径向沟槽72形成在如图5中所示的转子毂部分150中或形成在如图6中所示的转子毂部分52中，以增大液压来操作定相机构51。替换地，相对运动可由受控促动机构产生，以示例性地用来控制导致运动的液压。例如，受控液压可被提供至流体沟槽72靠近旋转轴线38的端部。

参考图5，在第一实施例中，图2和4的定相机构51可为叶片型液压移相器70。图5示出图4的转子组件132中的移相器70，但是将被等同地安装在图2的转子组件32中以对转子部分54、56进行定相。在图5中，转子毂部分150具有多个径向沟槽72，所述径向沟槽72允许液压流体从转子毂部分150的内直径73流动到转子毂部分150的外直径74。在外直径74处，腔体76在转子毂部分152的外直径74和内直径之间延伸。第一组叶片77从外直径74延伸到腔体76中的中途。第二组叶片78从转子毂部分152的内直径71延伸到腔体76中的中途。叶片77、78彼此交错，并可部分地或完全地绕转子毂部分150的外圆周和转子毂部分152的内圆周延伸。在转子组件132旋转时，由于离心力，液压流体被强制径向向外推动经过沟槽72进入到腔体76中。所述流体可经过变速器构件中的通道进入沟槽72，转子毂部分150被花键连接到或以另外的方式安装到所述变速器构件用于旋转。叶片77、78和流体沟槽72被布置为使得空腔76中增加的流体压力趋向于使转子毂部分152运动，以及使附连到转子毂部分152的转子毂部分157相对于图5中的转子毂部分150顺时针运动。位于储油腔室76之间的空间79具有通向转子毂部分152的小出口75，该出口75允许空间79中的一些流体在转子毂部分150、152的定相或相对运动或期间运动进入出口75中，以防止流体(诸如油)在空间79中的聚集(这会抵抗定相运动)。随着转子组件132的速度减少，离心力减少使得流体穿过沟槽72径向向内返回，并且倾斜或定相减少。

具有端部81和83的扭力复位弹簧80安装在转子毂部分150和152之间，并被偏置为在转子毂部分150和152之间施加力，以当转子组件132的旋转速度处于或低于预定速度时将叶片78返回到相对于叶片77的预定间隔。以该方式，弹簧80阻止了转子毂部分152相对于图4的转子毂部分150的运动，直到流体压力足以克服被弹簧80施加在转子毂部分150和152上的力。弹簧80配置为使得弹簧力确保转子毂部分150和152的减少反电动势的相对定相不发生，直到转子组件132的旋转速度(且因此腔体76中的液压)达到预定的最小水平。

锁定销85也被设置为当被弹簧87接合时，通过延伸到位于转子毂部分150中的孔89中和附连到转子毂部分152的块体93中的孔91中而将转子毂部分152锁定在相对于转子毂部分150的预定位置处。块体93在不相同的轴向位置处附连到转子毂部分152，所述位置在图5的横截面中未示出。如图5中所示的锁定销85被离心力和复位弹簧87的力两者作用，通过被所述离心力作用，使得当转子毂部分150、152达到预定的旋转速度时所述锁定销85解锁。如图5中所示用于锁定销85的孔89延伸到转子毂部分150的内直径，这允许施加到沟槽72的任何液压力还作用于锁定销85。当转子扭矩可达到它的最大值时，锁定销85可因此防止中央转子部分157与其它转子部分154和156之间的以低速的任何运动，包括对转子振动的响应。

尽管叶片型移相器70关于转子组件132被说明，但其可作为图2的转子组件中的定相机构51被安装。在图5中，叶片78会随后从转子部分56而不是转子毂部分152延伸，使得转子部分56将被液压力相对于转子部分54被动地定相。

图6示出移相器170，所述移相器170可用作图2和4中的定相机构51，并关于图2的转子毂部分52被说明。环形活塞172被花键连接到转子毂部分52，并当流体压力被施加到该环形活塞的表面174时可在转子毂部分52上轴向地运动。活塞172具有外部斜齿轮齿176。活塞172被弹簧178促动到预定轴向位置(仅在活塞172之后以阴影示出)。当来自沟槽72的液压力注入相邻于齿176的腔体180中(图6中的表面174的前面)并作用为抵抗表面174时，活塞172沿被花键连接到转子部分56或形成在该转子部分56上的内部斜齿182轴向地运动。齿176、182的螺旋形状当活塞172轴向运动时导致转子部分56绕旋转轴线38运动，使转子部分56相对于图2的相邻转子部分54倾斜。斜齿176、182和可移动活塞172形成可调节机械链接。定相经由流体压力完成，所述流体压力可由离心力被动地创建，随转子毂部分52的速度增加而增加，或所述流体压力可经由流体控制螺线管控制，所述螺线管将流体供送到与齿176、182的面相邻的腔体180中。尽管关于转子组件32示出和描述了移相器170，该移相器170可等同地与图4的转子组件132一起使用，以使转子部分157相对于转子部分154和156倾斜。

图7和图8示出移相器270的另一实施例，所述移相器270可用作图2和4中的转子组件32、132的定相机构51，并关于图2的转子部分56被说明。移相器270可称为运动移相器(kinematicphaser)。该移相器270依靠作用在被齿轮传动的质量部上的离心力，以使相邻转子部分倾斜。定相机构51包括被齿轮传动的质量部272，其在一端被销定以与行星齿轮274一起枢转，所述行星齿轮274被销定到转子部分56。行星齿轮274与恒星齿轮276啮合，所述恒星齿轮276被花键连接以与来自相邻转子部分54的延伸部275(图2中示出)一起旋转。当转子部分54、56速度增加时，被齿轮传动的质量部272的自由端部由于离心力而径向向外运动，如图8中所示。这导致行星齿轮274旋转，但由于行星齿轮274在它们的中心处被销定而不绕恒星齿轮276行进。行星齿轮274的旋转导致恒星齿轮276旋转。相邻于转子部分56的转子部分(即，图2中的转子部分54)与恒星齿轮276一起旋转，并因此以角度273相对于转子部分56倾斜。移相器270可还用作用于图4的转子组件132的定相机构51。在该情况下，行星齿轮274可被销定到转子部分156，恒星齿轮276可被连接以与转子部分157一起旋转。被齿轮传动的质量部272径向向外运动一量，所述量随转子部分56的速度的增加而增加。扭力弹簧277，仅示意性地示出，在一端连接到行星齿轮274，在另一端连接到转子部分56，将行星齿轮274偏置到图7的位置(在图7中，被齿轮传动的质量部272未伸出)。扭力弹簧277的力可被选择，以确保转子部分54、56的倾斜不发生，直到转子部分54、56已经达到预定的最小速度，在该最小速度下，可期望减小反电动势。

图9是对于在转子的旋转速度下的典型转子组件的反电动势的可能减少的示例性说明，在竖轴上以伏示出，有各种倾斜、或定相、量，在水平轴上以角的度数示出。图10示例性地示出了竖轴上以瓦特为单位的系统损失与水平轴上以牛顿-米为单位的扭矩的关系曲线，其是针对各旋转速度的，其中未倾斜情况下针对各马达速度的系统损失以实线示出，在倾斜或定相情况下针对相同转子速度的系统损失以虚线示出。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (2)

1.一种车辆动力传动系，包括：

发动机；

变速器，操作地连接到所述发动机并具有至少一个马达/发电机；其中，所述马达/发电机包括：

定子，具有电绕组；

转子组件，可绕旋转轴线旋转并具有

转子毂，具有第一和第二转子毂部分；

转子，支撑在所述转子毂上，所述转子具有第一环形转子段、第二环形转子段和额外的环形转子段，所述第一环形转子段被支撑用于在所述第一转子毂部分上旋转，所述第二环形转子段被支撑用于在所述第二转子毂部分上旋转，所述额外的环形转子段被支撑用于在所述第一转子毂部分上旋转且定位为使得第二环形转子段轴向地位于第一轴向转子段和额外的轴向环形转子段之间；其中每一个转子段具有相应的一组磁体，所述磁体绕其周向地隔开；其中，磁体组导致转子组件由于绕组中的电流而绕旋转轴线旋转；

其中，所述转子毂和转子段配置为使得至少一个转子段随着转子组件旋转而绕旋转轴线相对于其他转子段运动，所述相对运动是一量，所述量由于离心力而随着转子组件的速度的增加而增加，磁体组由此随着转子组件的速度的增加而增加地彼此偏移，且由此减少作用为抵抗绕组中的电流的反电动势。

2.如权利要求1所述的车辆动力传动系，其中，转子毂部分中的一个限定润滑流动沟槽；且其中，至少一个转子毂部分具有叶片，所述叶片配置为，当润滑流体由于离心力而从流动沟槽被强制径向向外推动到叶片时，导致所述至少一个转子毂部分绕旋转轴线相对于其他转子毂部分的运动。