CN102844966A - 用于车辆的电力驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆、特别是用于汽车的电力驱动装置(1)，包括定子(10)和配有至少一个极偶(21，22)的转子(20)，其中，各极偶(21，22)的每个极(21a，22a)包括一个配有至少一个埋置的磁体层(L1，L2)的磁性装置(23)。本发明的电力驱动装置的特征在于：在每个极(21a，22a)中都设置有一些磁通调制组(30，31)，其分别具有一些充填空气的空隙部(32-1，32-2，32-3；33-1，33-2，33-3)，这些空隙部为磁通导引之目的未配置给一个相应磁体层(L1、L2)的磁体(24，25；24-1，24-2，25-1，25-2)。

Description

用于车辆的电力驱动装置
本发明涉及一种用于车辆、特别是用于汽车的电力驱动装置，其包括定子和配有至少一个极偶的转子，其中，各极偶的每个极都包括一个具有至少一个埋置的磁体层的磁性装置。本发明特别涉及永磁激励的同步电机。
作为电力驱动装置，通常是采用永磁激励的同步电机，其在转子中具有很强的磁不对称性。这种驱动装置例如作为牵引驱动器用在汽车上。由于在采用这种驱动装置时在沿磁体的方向(即沿着极向或沿着所谓的d-轴线)的纵向感应率和垂直于该极向(即沿着所谓的q-轴线)的横向感应率之间所出现的差，在相应地控制该驱动装置的条件下，会产生一种所谓的磁阻力矩。该附加的转矩随同通过永久磁通所产生的力矩发生作用。
具有大的磁不对称性的永磁激励的同步电机可以在一个大的稳定功率范围内运行。该稳定功率范围称为所谓的磁场减弱区域(去磁范围)。就牵引驱动器而言。则有如下的希望：最大转速n最大与所谓的角转速ne的比率是很大的。角转速ne是处在磁场减弱区与电枢调节区的交界点上。这种原则上已知的实际情况例如见图1中所示。特别是在磁场减弱区中，由于转子的磁不对称性和由于在定子中流动的磁场减弱电流(即去磁电流，所谓的d-电流)，除了同样存在的所谓的q-电流之外，会产生一个附加的力矩，该力矩可以在驱动装置中得到有利的利用。
电力驱动装置的转子中的磁不对称性是由于磁性装置配有至少一个埋置的磁体层的设计结构所造成的。图2和3在此根据现有技术从原理上示出了已知的装置，按这种装置，例如各自在转子中安置了两个相叠置的磁体层(即依径向相叠)。在此，图2和3分别表示一个极偶的一个极21a的磁性装置23。图中所示的磁性装置可以在转子中配有唯一一个极偶或者配有多个极偶。
图2表示一种所谓的V-磁性装置。其中，在一个第一磁体层L1中，在转子20中成V-形地设置了一个第一磁体24-1和一个第二磁体24-2。依径向在磁体层L1的下方，在另一个磁体层L2中同样成V-形地设置了一个第一磁体25-1和一个第二磁体25-2。原则上，更大数目的磁体层是可行的，不过，磁体层的数目由于制造原因和可实现性的原因之故而受到了限制。在实际中，很少实现三个以上的磁体层。其中，磁体24-1、24-2、25-1、25-2被安置到转子20的所谓转子铁的冲制成形的空隙部34中。空隙部34通常是通过一种冲压过程而被成形在转子铁上的，而该转子铁本身则是由多个金属板组合而成的。第一磁体和第二磁体24-1、25-1及24-2、25-2在此是相对所谓的d-轴线对称地加以设置的。所谓的q-轴线表示一个对d-轴线的横向轴线，并相对极向(即垂直于d-轴线)依横向延伸。
图3表示磁性装置23作为具有附加的气穴的所谓的平行磁性装置。在第一磁体层L1中，相对d-轴线对称地安置了一个磁体24，该磁体被安置到转子铁的一个空隙部34中。在磁体24的对置的端头上分别配置了一个气穴26、27，这些气穴已知是用于导引磁通。气穴26、27是表示转子铁中充填有空气的空隙部。相应地，一个第二磁体层L2包括一个相对d-轴线对称地加以安置的磁体25，该磁体被安置在空隙部34中。在磁体25的对置的端头上设置有气穴28、29。
在图2和3所示的实施例中，第二磁体层L2形成最下的磁体层，该磁体层局部地靠置在一个与极21a相邻的极22a、22b上。
众所周知，在驱动装置的定子中(在图2和3中未示出)流动的电流在磁场减弱区中包括一个相当大的d-分量。由该电流分量所产生的磁场对永磁体的磁场起反作用。不过，通常不会减小磁性材料中的磁通密度。甚至还会从定子中排挤磁通。该磁通循着这样一个路径，该路径沿着在驱动装置的转子铁中的一个居于定子和转子之间所形成的气隙延伸。存在于其路径上的狭窄点即所谓的磁袋(Magnettasche)结合定子的电流而发生如下作用，即，使得磁通的路径多次反复地在转子和定子之间来回变换。因此，在定子的齿上便产生磁通密度波动，其频率大大超过电力驱动装置的基本频率。这一点导致太高的铁损耗，并从而导致该装置的效率明显降低。这种效应特别是出现在磁场减弱区域中，对于此区域，该装置应基于其运行特性曲线(参看图1)实现最佳化。
一种已知的抑制转子和定子之间磁通密度波动的可能性就在于：将磁通的路径中产生的狭窄点加以均匀化。这一点可通过下述措施予以实现：提高磁体层的数目。不过，这一措施在制造工艺上是不可行的，因为这样会使磁体变得很薄。从而在将磁体放置到其空隙部中时使磁体破裂的危险性是很高的。这就会大大提高制造成本。
针对图3所示的磁性装置，在图4和5中示出没有磁场减弱电流及在有磁场减弱情况下的磁通的路径。在此，磁通分别以RF表示。此外还示出了转子10的一个对置于极21的局部。按已知方式，转子10具有一些凹槽11，在这些凹槽中安放了绕组12(仅在图5中示出)以用于导电。定子10是与转子20有一定距离地加以安置的，从而在这两个组成部件之间形成一个气隙15。
图4表示这样一种情况，在此情况下，在定子10中没有磁场减弱电流在流动。因此，磁通RF平行于转子20的d-轴线朝定子10的方向延伸。在图5中，通过绕组12中的一个d-电流的流动而造成一种磁场减弱现象。磁通RF于是通过磁场减弱电流而被从定子10中排挤出去，并沿着驱动装置的转子20的转子铁上的气隙15以求得一个路径。以附图标记13表示的绕组承载着一个流入到叶片平面中的电流。以附图标记14表示的绕组12承载着一个从叶片平面中流出的电流。在附图中示出了表明实际情况的单纯的d-电流。在正常运行中也总是流动着q-电流，该电流在图中未示出。
本发明的目的在于，为车辆特别是为汽车提供一种电力驱动装置作为牵引驱动器，该电力驱动装置在运行过程中在磁场减弱区域内具有得以改进的效率。
上述目的通过如权利要求1所述特征的一种驱动装置得以实现。有利发展设计可参见各项从属权利要求。
本发明提供一种用于车辆、特别是用于汽车的电力驱动装置，其包括定子和配有至少一个极偶的转子。一个相应极偶的每个极包括一个配有至少一个埋置的磁体层的磁性装置，按本发明，在每个极中都设置有一些磁通调制组，所述磁通调制组分别具有一些充填空气的空隙部，这些空隙部为磁通导引之目的未配置给一个相应磁体层的磁体。
通过所述磁通调制组，便可简单而经济地沿着该装置的转子铁中的气隙将磁阻抗加以均匀化。通过加设多个磁通调制组，便可抑制或者至少减小定子的齿上的磁通密度波动。这样就可大大减小尤其是在磁场减弱区域中产生的铁损耗。其结果则是抑制了驱动装置的转子和定子之间的磁通来回变换现象。
在转子的极中设有任意数量的磁体层的情况下，可以实现一定数目的磁通调制组的配置。本发明提出的这种配置可灵活地用于多种结构设计不同的电力驱动装置。同样地，磁通调制组的数量可以与驱动装置的转子中的极偶的数量无关地加以实现。
本发明提出的驱动装置可经济地制备与提供，因为空隙部可以在为制造转子铁而进行的总归存在的冲压工序过程中加以设置，而不需要附加的加工步骤。总之，所提出的措施可导致效率的提高，特别是在高转速条件下，此时电力驱动装置是在磁场减弱运行中操作。如果将这种驱动装置用作蓄电池电动车辆的主驱动装置的话，则在使用具有规定能函(Energieinhalt)的一种给定的蓄电池组的情况下，可导致获得提高的行驶里程。由于蓄电池驱动的车辆通常在其行驶里程上是受限制的，因而可得到显著的客户收益。与此相对，在保持蓄电池车辆的一种给定行驶里程的情况下可以减小必需的蓄电池容量。在此情况下，可提供降低成本的车辆，因为蓄电池蓄能器对当前而言乃是车辆的最大费用项目。
适宜的是，将一些充填空气的空隙部构造为呈槽缝形。这样便可确保磁通调制组对q-感应(即沿着q-轴线作用的感应)产生尽可能小的作用以及对驱动装置的磁场产生负影响。
根据本发明的另一项适宜的发展设计，这些充填空气的空隙部具有第一端，该第一端是分别邻近转子的一个外周面加以设置的。这样，在处于充填空气的空隙部和转子外周面之间的气隙范围中所留存的区域被限制到最小，从而可抑制或减小定子齿中的磁通密度波动。特别就此情形做出如下设定：各充填空气的空隙部的第一端与转子的外周面的距离大致都是相等的。或者，也可以使各充填空气的空隙部的第一端中至少有一些与转子的外周面接界。所以这些空隙部都是作为凹槽设计成形的。
根据另一项发展设计，充填空气的空隙部都具有第二端，该第二端是朝相应的极的d-轴线加以定向的。这样就使得充填空气的空隙部获得一种至少局部地近似平行于一个垂直于d-轴线定向的q-轴线的走向。因此，这些空隙部的定向是如此设定的，使得它们对q-感应率产生尽可能小的作用，从而使永久磁体的磁场不致受到负影响。
另一项有利的发展设计规定：一个磁通调制组的这些充填空气的空隙部是平行地或彼此成一角度地加以设置的。该项发展设计所要达到的目的就是对q-感应率的影响作用保持最小，对永久磁体的磁场不产生负影响。
此外，适宜的做法是：一个磁通调制组的这些充填空气的空隙部具有相等的或不同的长度。这样还可使磁通的走向不致于受到充填空气的空隙部的不利影响，依此还能获得提高效率的优点，以及减小铁损耗。
另一个有利的做法是：第一极的磁性装置的一个磁体层与第二极相接界，在此，在该磁体层和该第二个极之间分别设置有一个磁通调制组。
作为另一选择或者附加地，在一个极中有多个彼此依径向相叠地安置的磁体层的情况下，在两个磁体层之间以及邻近于转子的外周面，分别设置一个所述的磁通调制组。
根据另一项具体的发展设计，在一个磁体层的一个磁体的相对置的端部上分别配置一个用于磁通导引的气穴，其中，相应的一个磁通调制组被设置在两个叠置的磁体层的气穴之间。因此，随着磁体层的数目增大，在一个驱动装置中按每个极的磁通调制组的数目亦规定增大。
根据另一项有利的发展设计，一个相应磁体层的一个第一磁体和一个第二磁体在转子中成V-形地设置，其中，在两个叠置的磁体层的第一磁体之间以及在两个叠置的磁体层的第二磁体之间，各设置一个相应的磁通调制组。
该驱动装置优选是作为永磁激励的同步电机设计的。在本发明提出的电力驱动装置的转子中所配置的埋置的磁体优选都是永磁体。
下面将参照附图对本发明做详细说明。附图表示：
图1由现有技术所知的一种永磁激励的同步电机的转矩和转速之间的关系；
图2由现有技术所知的一种转子装置，其配有按第一方案的两个埋置的磁体层；
图3由现有技术所知的一种转子装置，其配有按第二方案的两个埋置的磁体层；
图4在转子的一个极中的磁通走向，在按图3所示的转子装置上的定子中没有电流；
图5在图3所示的转子装置上，通过一种在定子中所引入的磁场减弱电流而导致的磁场减弱情况下，在转子的一个极中的磁通走向；
图6本发明提出的电力驱动装置的按第一实施方案的一个转子的一个极；
图7本发明提出的电力驱动装置的按第二实施方案的一个转子的一个极。
图6中所示本发明提出的电力驱动装置1是基于已结合图3描述过的、在一个转子20中所谓的多个磁体层L1、L2的平行磁性装置的方案。除了在图3和5中已述及的元件之外，在转子20中配置了两个磁通调制组30、31。两个磁通调制组30、31中的每一个都包括一定数目的充填空气的空隙部。在本实施例中，两个磁通调制组30、31中的每一个例如具有三个充填空气的空隙部32-1、32-2、32-3及33-1、33-2和33-3。相应磁通调制组30、31的空隙部都是构造为呈槽缝形的。磁通调制组30被设置在磁体层L1、L2的气穴26、28之间。磁通调制组31则相应地设置在磁体层L1的气穴27和磁体层L2的气穴29之间。磁通调制组30的相应充填空气的空隙部32-1、32-2、32-3的各自的第一端及磁通调制组31的充填空气的空隙部33-1、33-2、33-3的各自的第一端是邻近转子20的外周面35加以设置的。其中，相应的各充填空气的空隙部的第一端与转子的外周面的距离都是大致相等的。各充填空气的空隙部的各自的第二端是朝极21a的d-轴线的方向加以定向的。磁通调制组30的充填空气的那些空隙部32-1、32-2、32-3及磁通调制组31的那些空隙部33-1、33-2、33-3都是彼此平行地加以设置的，在此，相应的一个磁通调制组的那些空隙部具有不同长度。从而确保：这些充填空气的空隙部对q-感应率具有尽可能小的作用，从而使磁体24、25的磁场不会受到负影响。
通过在相邻的磁体层的气穴之间所配置的充填空气的空隙部，便可抑制或者至少减小定子齿上的磁通密度波动。于是可以大大减小尤其是在磁场减弱区域中的铁损耗。这一点特别在高转速情况下可导致电力驱动装置的效率增大。所述空隙部的加设可以在冲压成形的空隙部24、25及气穴26、27、28的范围内予以实现，从而不需要附加的制造步骤。因此，制造成本不会因为所提出的转子的改造而受到不利影响。
与图6中所示情况不同，也可以分别在气穴28和朝向极22b的q-轴线之间，以及在气穴29和朝向相邻的极22a的q-轴线之间，配置另一个磁通调制组，所述磁通调制组各自有一定数目的充填空气的空隙部。这样，在相应的极的边缘区域中也同样可以按上述方式改进磁场的调制。
磁通调制组30的空隙部32-1、32-2、32-3及磁通调制组31的空隙部33-1、33-2、33-3都是平行于相邻的气穴26、28或27、29加以设置的。相应于磁体层L1的气穴26、27的尺寸大小，各空隙部的长度随着其不断地接近磁体层L2的气穴28、29而不断增大。从而使得被磁体25弯曲的磁通可以穿过磁通调制组30、31延伸，不至于在其行程中不利地发生变化。
图7表示本发明提出的一种电力驱动装置的转子20的一个局部的第二个实施例，该实施例是基于结合图2所说明的方案。依本实施例，在第一磁体层和第二磁体层L1、L2的第一磁体24-1、25-1之间以及在第一磁体层和第二磁体层L1、L2的第二磁体24-2、25-2之间，分别设置了一个磁通调制组30、31。这两个磁通调制组30、31中的每一个都具有在图中仅示例地示出的两个长度不同的、彼此平行地设置的充填空气的空隙部32-1、32-2或33-1、33-2。磁通调制组31的空隙部32-1、32-2及33-1、33-2基本上是平行于相邻的q-轴线加以定向的，这是为了有关磁体层L1、L2的第一磁体和第二磁体的V-形设置而设定的。在本实施例中，相应空隙部的第一端也是伸到了转子20的外周面35上。

Claims (13)

1.用于车辆、特别是用于汽车的电力驱动装置(1)，其包括定子(10)和配有至少一个极偶(21，22)的转子(20)，其中，各极偶(21，22)的每个极(21a、22a)包括一个带有至少一个埋置的磁体层(L1、L2)的磁性装置(23)，其特征在于：
在每个极(21a，22a)中都设置有一些磁通调制组(30，31)，所述磁通调制组分别配有一些充填空气的空隙部(32-1，32-2，32-3；33-1，33-2，33-3)，这些空隙部为磁通导引之目的未配置给一个相应磁体层(L1、L2)的磁体(24，25；24-1，24-2，25-1，25-2)。
2.按权利要求1所述的电力驱动装置，其特征在于：这些充填空气的空隙部(32-1，32-2，32-3；33-1，33-2，33-3)是构造为呈槽缝形的。
3.按权利要求1或2所述的电力驱动装置，其特征在于：这些充填空气的空隙部(32-1，32-2，32-3；33-1，33-2，33-3)具有第一端，该第一端分别是邻近于转子(20)的外周面(35)设置的。
4.按权利要求3所述的电力驱动装置，其特征在于：各充填空气的空隙部(32-1，32-2，32-3；33-1，33-2，33-3)的第一端与转子(20)的外周面(35)的距离是大致相等的。
5.按权利要求3所述的电力驱动装置，其特征在于：各充填空气的空隙部(32-1，32-2，32-3；33-1，33-2，33-3)的第一端中至少有一些与转子(20)的外周面(35)接界。
6.按以上权利要求中任一项所述的电力驱动装置，其特征在于：所述充填空气的空隙部(32-1，32-2，32-3；33-1，33-2，33-3)具有第二端，该第二端是朝相应的极的d-轴线加以定向的。
7.按以上权利要求中任一项所述的电力驱动装置，其特征在于：一个磁通调制组(30，31)的这些充填空气的空隙部(32-1，32-2，32-3；33-1，33-2，33-3)是平行地或彼此成一角度地设置的。
8.按以上权利要求中任一项所述的电力驱动装置，其特征在于：一个磁通调制组(30，31)的这些充填空气的空隙部(32-1，32-2，32-3；33-1，33-2，33-3)具有相等的或不同的长度。
9.按以上权利要求中任一项所述的电力驱动装置，其特征在于：第一极(21a，22a)的磁性装置(23)的一个磁体层(L1，L2)至少局部地与第二极(21a，22a)接界，其中，在该磁体层(L1，L2)和第二极(21a，22a)之间分别设置有一个磁通调制组(30，31)。
10.按以上权利要求中任一项所述的电力驱动装置，其特征在于：在一个极(21a，22a)中有多个依径向叠置的磁体层(L1，L2)的情况下，在两个磁体层(L1，L2)之间以及邻近于转子(20)的外周面(35)，分别设置一个所述的磁通调制组(30，31)。
11.按以上权利要求中任一项所述的电力驱动装置，其特征在于：在一个磁体层(L1，L2)的一个磁体(24，25)的相对置的端部上分别设置一个用于磁通导引的气穴(26，27；28，29)，其中，在两个叠置的磁体层(L1，L2)的气穴(26，27；28，29)之间设置一个相应的磁通调制组(30，31)。
12.按权利要求1至10中任一项所述的电力驱动装置，其特征在于：一个相应磁体层(L1，L2)的第一磁体和第二磁体(24-1，24-2；25-1，25-2)在转子(20)中成V-形设置，其中，在两个叠置的磁体层(L1，L2)的第一磁体(24-1，25-1)之间以及在两个叠置的磁体层(L1，L2)的第二磁体(24-2，25-2)之间各设置一个相应的磁通调制组(30，31)。
13.按以上权利要求中任一项所述的电力驱动装置，其特征在于：该电力驱动装置是永磁激励的同步电机。
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