CN106664001A - 具有机械磁场削弱装置和故障保护执行装置的电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有机械的磁场削弱的可能性的永久励磁的电动发电机。机器包括定子(1)、与定子(1)经由气隙(8)间隔开的转子(2)、在转子(2)上设置的用于在气隙(8)中产生激励磁场的永磁体(4)和用于与转速相关地削弱气隙(8)中的激励磁场的控制离心力的磁场削弱机械装置。为了提高借助这种机器驱动的系统的运行可靠性，所述机器还包括用于故障信号的信号输入端和用于与转速无关地控制所述磁场削弱机械装置的执行器。

Description

具有机械磁场削弱装置和故障保护执行装置的电机

技术领域

本发明涉及一种永久励磁的电动发电机，所述电动发电机能够在磁场削弱区域中运行。

背景技术

这种电机的示例是所谓的永久励磁的同步电机。永久励磁的同步电机用在需完成电驱动任务的多个领域中。在工业应用中，例如在机床或生产机器中，其用作为高动态的伺服电机。由于其与其他机器类型相比高的功率密度，所述永久励磁的同步电机优选也应用在电动交通的领域中，在那里，可用的结构空间通常大小有限。但是，永久励磁的同步电机通常也用作为发电机，例如在环境中再生的能量，例如风力。

与电励磁的同步电机相比，永久励磁的同步电机的特征在于提高的效率。通过借助永久励磁的同步电机能够放弃电励磁，节约了欧姆损耗。机器的励磁磁场通常由永磁体产生，所述永磁体设置在机器的转子中。在永久励磁的同步电机中，能够放弃滑环接触部，所述滑环接触部在电励磁的同步电机中是必需的，以便用电流供给设置在转子上的励磁线圈。由此，永久励磁的机器的维护耗费也相对于电励磁的机器降低。

然而，永久励磁的缺点在于，不能容易地改变励磁磁场。原则上，同步电机能够通过下述方式不在其额定转速上运行：控制所谓的磁场削弱区域。在所述区域中，机器以最大的额定功率运行，其中随着转速增大，由机器输出的转矩减小。电励磁的同步电机能够非常简单地通过下述方式在磁场削弱区域中运行：产生励磁电流。

虽然在永久励磁的机器中已知如下方案：经由机器的定子的适当的通电产生气隙磁场分量，所述气隙磁场分量与由永磁体产生的励磁磁场相反，进而削弱所述励磁磁场。然而，对机器的这种控制引起提高的损耗，使得机器在所述区域中仅能够以降低的效率运行。

为了能够使永久励磁的电动发电机在磁场削弱区域中运行，而在此机器的效率不明显变差，从现有技术中已知用于机械的磁场削弱的方法。因此，CN101783536A示出具有埋入的沿切向方向磁化的永磁体的永久励磁的同步电机，分别径向向外观察，可径向移动的短路块连接于所述永磁体。所述短路块经由弹簧预紧，使得所述短路块在转子转速低时处于转子的磁绝缘的区域中。随着转速增大，短路块克服弹簧拉力被向外压，在那里，所述短路块为磁通量形成短路路径。经由所述短路路径引导的漏磁通量减小机器的有效气隙通量，使得控制磁场削弱运行。

发明内容

本发明基于下述目的：提高具有电动发电机的驱动系统中的可靠性，所述电动发电机设有机械磁场削弱的可能性。

所述目的的解决方案借助具有根据权利要求1的特征的电动发电机实现。

本发明的有利的实施方式可在从属权利要求中得出。

根据本发明的机器包括：定子、与定子经由气隙间隔开的转子、在转子上设置的用于在气隙中产生励磁磁场的永磁体和离心力控制的磁场削弱机械装置，所述磁场削弱机械装置用于与转速相关地削弱气隙中的励磁磁场。

现在，本发明基于下述知识：当机器具有用于故障信号的信号输入端和用于与转速无关地控制所述磁场削弱机械装置的执行器时，能够显著提高在这种机器和借助于这种机器驱动的系统中的运行可靠性。通过所述执行器可能的是，在故障情况下，引起由永磁体产生的励磁磁场的磁短路。在正常运行中，磁场削弱根据本发明通过随着转速增大而升高的离心力引起。根据本发明，现在提出：磁场削弱运行也能够在故障安全模式中借助于执行器控制。这例如在变流器(Umrichter)主动短路时出现，所述变流器设为用于控制电动发电机。通过借助于执行器在这种主动短路时突然引起磁场削弱运行进而引起励磁明显减小的可能性，能够限制机器的短路力矩。相反地，如果在故障情况下打开机器的夹紧，那么通过加速的磁场削弱，能够减小在定子绕组中感生出的电压。

有利地，电动发电机包括基本上切向于转子的环周方向磁化的永磁体，所述永磁体设置在转子的磁体凹部中。

磁场削弱机械装置在本发明的一个有利的设计方案中能够构造成，使得永磁体通过所述磁场削弱机械装置径向移动，并且转子构造成，使得永磁体的径向向外定向的移动引起气隙中的激励磁场的削弱。

为了确保，所述磁场削弱仅在转速高于机器的额定转速时开始，在本发明的一个有利的设计方案中，永磁体能够通过一个或多个弹簧预紧到处于径向内部的位置中，其中相应地设定弹簧常数。

替代可径向移动的永磁体，在本发明的另一个有利的设计方案中，也能够设有可移动的磁通量引导件，所述磁通量引导件在径向伸展的槽中引导并且其径向位置影响气隙中的励磁磁场的密度。这种漏磁通量引导件在其处于径向外部的位置时使由永磁体产生的磁通量的一部分短路，其中所述径向外部的位置在正常运行中通过离心力引起，所述离心力随转速增大而升高。

在此，本发明的一个有利的构成方案的特征在于，执行器在转子的每个轴向侧的端部上具有凸轮机构，所述凸轮机构相对于转子的转动引起漏磁通量件径向向外移动。以所述类型和方式，例如能够在故障情况下控制执行器，以便离心力无关地进而与转速无关地将漏磁通量引导件在径向观察时向外朝向气隙的方向移动，进而引起磁场削弱运行。漏磁通量件的同一径向移动也在下述情况下通过离心力引起：转速是足够高的，使得在机器的转速升高时，也得到凸轮机构相对于转子的相应移动。

为了确保，在所述实施方式中，磁场削弱运行从特定的角转速起才开始，有利地能够提出，凸轮机构分别通过复位弹簧预紧到如下转动角位置中，在所述转动角位置中漏磁通量引导件设置在径向内部的位置中。

具有漏磁通量引导件的一个替选的实施方式的特征在于，所述漏磁通量引导件在转子的任意轴向侧端部上通过设置在转子轴上的碟形弹簧径向向内预紧，并且执行器构成为，使得所述执行器能够将轴向力施加到碟形弹簧上，所述轴向力与预紧力相反作用。在此，例如执行器能够将可轴向运动的套筒分别压到碟形弹簧上，使得碟形弹簧引起磁通量引导件朝向气隙方向的径向定向的移动。

机器的另一个有利的构成方案的特征在于，槽设置在具有第一导磁率的第一材料中，磁体凹部设置在具有第二导磁率的第二材料中，所述第二导磁率大于第一导磁率，其中槽与磁体凹部径向对齐地设置，使得漏磁通量引导件能够至少部分地从槽移动到磁体凹部中。只要漏磁通量引导件处于具有低的导磁率的第一材料的区域中，那么所述漏磁通量引导件不对由永磁体产生的磁通量显示出明显的漏磁通量路径。为了导入磁场削弱区域，将漏磁通量引导件分别从槽移动到磁体凹部中，使得所述漏磁通量引导件越来越接近具有较高的导磁率的第二材料。漏磁通量引导件进入到磁体凹部越深，那么越高导磁率的转子材料可用于漏磁通量。

在本发明的另一有利的设计方案中，用于转子的轮辐构造类型通过下述方式产生：转子具有中央的、基本上柱形的、由第一材料构成的基本体，其中构成有槽和横截面呈部分环形的、由第二材料构成的多个磁通量引导件，多个磁通量引导件在基本体的侧表面上设置成完整的环，其中各两个磁通量引导件通过磁体凹部沿环周方向彼此间隔开。磁通量引导件在此能够形状配合地与基本体连接。得到分区段的转子构造形式，所述转子构造在生产成本方面也具有显著的优点。例如能够考虑的是，柱形的基本体由第一低导磁的材料构成为实心体，并且磁通量引导件由高导磁的电工钢板构成，所述电工钢板在轴向方向上相互冲压封装。由于磁通量引导件具有呈部分环形的横截面，与全圆形的或全环形的元件相比，减小钢板边角料。

根据在之前描述的实施方式中的一个的电动发电机突出地适合应用在至少部分地电驱动的交通工具中，例如电池运行的电交通工具或混合动力交通工具。

附图说明

下面，本发明根据在附图中示出的示例性的实施方式详细描述。

具有相同功能的元件在此在全部附图中设有相同的附图标记。

附图示出：

图1示出永久励磁的电动发电机的从现有技术中已知的构造；

图2示出根据本发明的具有离心力控制的磁场削弱装置的转子的第一实施方式；

图3示出处于第一运行状态的根据图2的转子的局部图；

图4示出处于第二运行状态的根据图2的转子的局部图；

图5示出根据本发明的具有离心力控制的磁场削弱装置的转子的第二实施方式；

图6示出用于预紧漏磁通量引导件的弹簧；

图7示出具有用于控制磁场削弱机械装置的执行器的端侧的俯视图；

图8示出根据图7的转子的侧视图；

图9示出具有用于控制磁场削弱机械装置的另一执行器的端侧的俯视图；以及

图10示出根据图9的转子的侧视图。

具体实施方式

图1示出永久励磁的电动发电机的从现有技术中已知的构造。

在具有齿绕线圈技术的定子1中仅示出呈部分环形的局部。定子1同心地包围构成为内部旋转体的转子2，所述转子抗扭地与转子轴9连接。定子1和转子2沿径向方向经由气隙8彼此间隔开。为了产生径向地充满气隙8的励磁磁场，转子2具有埋入磁体凹部的永磁体4。所述永磁体4沿转子2的环周方向磁化，进而正交于转子的径向和轴向方向磁化。每个永磁体4沿环周方向在两侧与两个由高导磁材料构成的磁通量引导件6、例如冲压封装的电工钢板相邻。在所述磁通量引导件6之内，首先沿环周方向离开永磁体4的磁通量朝向径向方向偏转，使得磁通量线基本上径向地遍布气隙8。转子2除了永磁体4之外由两个其他主要元件构成：基本体5，所述基本体形成与转子轴9的抗扭的连接，并且设置在转子2的径向内部区域中；和与所述基本体5形状配合地连接的磁通量引导件6。在安装时，能够将磁通量引导件6轴向地推到基本体5的相应的形状配合元件7上。磁通量引导件6的环周侧的扩展在此选择成，使得在磁通量引导件之间的中间空间中留有用于容纳永磁体5的磁体凹部。

为了能够将这种永久励磁的电动发电机在磁场削弱区域中运行，必须将适当的电流分量注入到机器的定子电流中，所述电流分量与由永磁体4产生的励磁磁场相反作用。然而，这种电的磁场削弱与机器之内的提高的损耗进而与伴随于此的其效率的降低相关联，该电的磁场削弱例如能够借助于已知的磁场导向控制来实现。

现在，后面的附图示例性地示出，能够如何改进在图1中示出的电动发电机，以便能够实现具有高的电效率的磁场削弱运行。

图2示出根据本发明的具有离心力控制的磁场削弱的转子2的第一实施方式。从图1中已知的转子现在改进成，使得漏磁磁通量引导件10径向地位于永磁体4上方，并嵌入在磁体凹部3中，所述漏磁磁通量引导件可在弱导磁材料中径向运动。所述漏磁通量引导件10通过弹簧11预紧成，使得所述漏磁通量引导件在小于机器额定转速的机器转速下占据径向最靠内的位置，在所述位置中，所述漏磁通量引导件完全嵌入弱导磁的材料中。所述运行状态在图3中示出。可见的是，漏磁通量引导件10处于由低导磁的材料构成的嵌入部15中，进而在磁性方面考虑保持为无效。由永磁体4产生的磁通量几乎完全地经由气隙闭合。

相反地，在图4中示出机器的下述运行状态，在所述运行状态中，漏磁通量引导件10被从嵌入部中朝向气隙的方向压。所述位置改变通过提高的离心力引起，所述提高的离心力基于机器转速，所述机器转速大于机器的额定转速。在所述位置中，漏磁通量引导件10现在邻接于磁通量引导件6的高导磁的材料。在此，由永磁体4产生的磁通量的显著的部分能够被短路，使得所述漏磁通量部分现在不再可用于在气隙8中形成力矩。所述位置一方面能够通过离心力引起，但是另一方面也能通过在此没有示出的执行器引起，所述执行器尤其能够在故障情况下与机器与转速无关地驶向漏磁通量引导件10的所述径向外部的位置。

图5示出根据本发明的具有离心力控制的磁场削弱的转子2的第二实施方式。在此，也设有径向可运动的漏磁通量引导件10，但是现在所述漏磁通量引导件位于沿环周方向磁化的永磁体4之下。所述漏磁通量引导件在低转速的情况下处于基本体5中，所述基本体与磁通引导件6相比具有明显低的导磁率。在该位置中，漏磁通量引导件10通过弹簧11保持，所述弹簧在图6中更清楚可见。现在如果离心力或还有在图5和6中没有示出的执行器引起漏磁通量引导件10朝向气隙的方向、即径向向外定向的方向的移动，那么漏磁通量引导件10进入到下述区域中，在所述区域中，所述漏磁通量引导件至少部分地在环周侧与高导磁的磁通量引导件6相邻。对此，类似于在图2至4中示出的实施方式，出现由永磁体4产生的磁通量的一部分的短路进而出现磁场削弱。

图7示出转子2的端侧的俯视图，所述转子具有用于控制磁场削弱机械装置的执行器。在执行器的每个端侧上存在凸轮机构13。在所述凸轮机构13之内，在相应成型的槽中安放漏磁通量引导件10。在示出的位置中，漏磁通量引导件处于其径向观察处于最内的位置中。通过凸轮机构13相对于转子2的转动，引起漏磁通量引导件10朝向气隙方向的移动。凸轮机构13通过在此没有示出的复位弹簧首先预紧成，使得漏磁通量引导件10径向观察处于内部。

由于增大的离心力，每个凸轮机构旋转成，使得漏磁通量引导件10能够跟随离心力占据下述位置，所述位置更靠近气隙。为了能够也与机器与转速无关地尤其在故障情况下控制引起磁场削弱的位置，凸轮机构13能够克服复位弹簧、也通过适当的执行器转动。

图9示出转子2的端侧的俯视图，所述转子具有用于控制磁场削弱机械装置的另一执行器。在此，漏磁通量引导件10通过碟形弹簧或多腿弹簧(Krakenfedern)径向地预紧，使得所述漏磁通量引导件在低转速下占据内部的位置，其方式为：漏磁通量引导件不由磁通量穿过。碟形弹簧16在此大小设计成，使得当机器达到高于额定转速的转速时，所述碟形弹簧允许漏磁通量引导件10的径向外部的位置。在高于额定转速时，以所述类型和方式开始磁场削弱运行。在此，离心力与碟形弹簧16的预紧力相反作用。

与转速无关地，漏磁通量引导件10的这种位置也能够借助于在图10中可见的压力套筒17实现。在转子2的每个端侧上存在所述压力套筒17。通过适当的执行器，压力套筒能够轴向地作用于碟形弹簧15，使得漏磁通量引导件10沿径向观察被向外压，而对此必要的机器转速不存在于常规运行中。

附图标记列表：

1 定子

2 转子

3 磁体凹部

4 永磁体

5 基本体

6 磁通量引导件

7 形状配合元件

8 气隙

9 转子轴

10 漏磁通量引导件

11 弹簧

12 槽

13 凸轮机构

14 碟形弹簧

15 嵌入部

16 压力套筒

Claims (10)

1.一种永久励磁的电动发电机，具有：

·定子(1)；

·转子(2)，所述转子与所述定子(1)经由气隙(8)间隔开；

·设置在所述转子(2)上的永磁体(4)，所述永磁体用于在所述气隙(8)中产生励磁磁场，和

·离心力控制的磁场削弱机械装置，所述磁场削弱机械装置用于与转速相关地削弱所述气隙(8)中的所述励磁磁场，

其特征在于，

设有用于故障信号的信号输入端和用于与转速无关地控制所述磁场削弱机械装置的执行器。

2.根据权利要求1所述的永久励磁的电动发电机，其中所述永磁体(4)基本上切向于所述转子(2)的环周方向磁化，并且设置在所述转子(2)的磁体凹部(3)中。

3.根据权利要求1或2所述的永久励磁的电动发电机，其中所述磁场削弱机械装置构成为用于径向地移动所述永磁体(4)，并且所述转子(2)构造成，使得所述永磁体(4)的径向向外的移动引起所述气隙中的所述励磁磁场的削弱。

4.根据权利要求3所述的永久励磁的电动发电机，其中所述永磁体(4)通过弹簧(11)预紧到径向内部的位置中。

5.根据权利要求1或2所述的永久励磁的电动发电机，具有在径向伸展的槽(12)中引导的、能移动的漏磁通量引导件(10)，经由所述漏磁通量引导件的径向位置，能够影响所述气隙(8)中的所述励磁磁场的密度。

6.根据权利要求5所述的永久励磁的电动发电机，其中所述执行器在所述转子(2)的每个轴向侧的端部上具有凸轮机构(13)，所述凸轮机构相对于所述转子(2)的转动引起所述漏磁通量引导件(10)径向向外移动。

7.根据权利要求6所述的永久励磁的电动发电机，其中所述凸轮机构(13)分别通过复位弹簧预紧到如下转动角位置中：在所述转动角位置中，所述漏磁通量引导件(10)设置在径向内部的位置中。

8.根据权利要求5所述的永久励磁的电动发电机，其中所述漏磁通量引导件(10)在所述转子(2)的每个轴向侧的端部上通过设置在所述转子轴(9)上的碟形弹簧(14)径向向内预紧，并且所述执行器构成为，使得所述执行器能够将轴向力施加到所述碟形弹簧(14)上，所述轴向力与所述预紧力相反作用。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的电动发电机，其中

·所述槽(12)设置在具有第一导磁率的第一材料中；

·所述磁体凹部(3)设置在具有第二导磁率的第二材料中，所述第二导磁率大于所述第一导磁率；

·其中所述槽(12)与所述磁体凹部(3)径向对齐地设置，使得所述漏磁通量引导件(10)能够至少部分地从槽(12)移动到磁体凹部(3)中。

10.一种至少部分电驱动的交通工具，所述交通工具具有根据上述权利要求中任一项所述的电动发电机。