CN106921271B - 用于机动车的电机以及机动车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机动车的电机，其包括定子(2)和转子(4)，转子(4)具有至少一个产生磁性励磁场的磁性元件(8‑11)，其中，在定子(2)和转子(4)之间布置具有至少一个导磁的导体区段的屏蔽件(6)，其中，可调整屏蔽件(6)相对于转子(4)的相对位置以改变至少一个磁性元件(8‑11)被至少一个导体区段遮盖的方案。

Description

用于机动车的电机以及机动车

技术领域

本发明涉及一种用于机动车的电机，其包括定子和转子，转子具有至少一个产生磁性励磁场的磁性元件。

背景技术

长期以来，这种电机已经是已知的并且在汽车工业中用于混合动力驱动的或全电驱动的机动车。在以低转速运行时，电机典型地产生基本上恒定的扭矩。然而，在较高的转速时，典型地从约4000/min开始，扭矩通过互感效应的增加几乎线性/直线下降到0Nm。

已知的是，通过有目的地减弱磁性励磁场的场强克服扭矩下降。为此，例如可通过有目的地施加相反地指向的磁场减小转子的磁性元件的磁通量。为了减弱场强而产生的磁场对产生扭矩没有贡献，并且由此降低了电机的效率。除了用于减弱场强的这种电磁措施，也已知的是，使转子相对于定子在轴向方向上从定子场中引导出来，并且由此以机械的方式减小励磁场的磁通量。然而，由于作用到转子上的力矩，在电机运行期间转子的这种运动成本非常高。

发明内容

因此本发明提出的目标是，给出用于机械的磁场弱化的相对改善的、尤其成本更低的可能性。

根据本发明，在开头所述类型的电机中，该目标通过以下方式实现，即，在定子和转子之间布置具有至少一个导磁的导体区段(导磁区段)的屏蔽件，其中，可调整屏蔽件相对于转子的相对位置以改变至少一个导体区段对至少一个磁性元件的遮盖/遮盖情况。

本发明基于这样的构思，即，通过以下方式减弱转子的磁性励磁场并且由此减弱与定子场相互作用的磁通，即，通过屏蔽件的导体区段可变地遮盖至少一个磁性元件。该导体区段是布置在定子和转子之间的屏蔽件的优选扁平的区段并且由导磁性良好的材料制成。在该构思中，导磁的材料的特征在于这样的导磁率，即，其显著大于顺磁体的导磁率，具有至少10、优选地至少100的导磁性、即例如导磁系数。尤其地，导体区段由铁磁的材料制成并且优选地具有带有高饱和度的软磁材料性能。通过如此构造的导体区段，可通过磁短路减弱励磁场，从而减小励磁场的磁通。由此，根据至少一个磁性元件被至少一个导体区段遮盖的面积，可改变磁场弱化的强度，为此，调整屏蔽件相对于转子的可变的相对位置。换句话说，相对于转子屏蔽在遮盖面积上进入导体区段中的励磁场的磁力线，尤其通过由屏蔽件短路磁性回路。

遮盖面积确定遮盖程度，即，相对于定子被至少一个导体区域遮盖的至少一个磁性元件的部分。通过调整屏蔽件的相对位置，可在当没有遮盖时为0的最小值和尤其地当至少一个磁性元件被至少一个导体区域完全遮盖的最大值之间预定该遮盖程度。适宜地，可根据转速预定遮盖程度，以便在电机的整个运行范围上通过针对性的磁场弱化实现尽可能高的扭矩。例如，可根据经验确定转速和遮盖程度的合适的关联性并且将其储存在储存单元中，在电机运行期间，该关联性可用于调整相对位置。

在这一点上应指出的是，至少一个磁性元件优选地是永磁体，因为刚好在这种情况中不能实现直接控制其励磁场。例如可设置唯一的、穿过转子轴线的永磁体，其产生转子的极对。但是，备选地，作为磁性元件，也可设置多个等距地在转子的周向上布置的永磁体，其产生转子的一个或多个极对。然而，本发明不一定限制在永磁激励的转子上，而是原则上为了磁场弱化，也可使用电磁产生的励磁场、即使用例如外部激励的同步电机或异步电机。

由此，有利地，通过本发明不仅可省去引入附加的磁场，而且可省去为了磁场弱化进行的转子相对于定子的运动。由此，既不会由于用于产生附加弱化的磁场的附加功率需求导致电机效率直接下降，也不会为了实现可动的转子而导致显著提高的结构成本。相反地，仅仅在定子和转子之间、即在电机的气隙的区域中设置基本上质量很小的屏蔽件，与用于磁场弱化的传统技术相比，可利用明显更简单且由此成本更低的措施调整屏蔽件相对于转子的相对位置。

在根据本发明的电机中适宜的是，屏蔽件具有柱形的外形。也就是说，其布置在定子和转子之间的柱形的气隙中。在此，屏蔽件不必构造成完整的空心柱形，而是也可具有缺口或其它不完整的区域。

在根据本发明的电机中，可通过以下方式实现用于改变至少一个磁性元件被至少一个导体区段遮盖情况的第一可能性，即，屏蔽件与转子转动耦合并且为了改变遮盖以可绕转子轴线旋转的方式支承。即，屏蔽件跟随转子相对于定子的运动，即，其与转子一起旋转，其中，附加地可通过旋转调整屏蔽件相对于转子的相对位置。根据屏蔽件相对于转子轴线的旋转角度，在此可改变至少一个磁性元件被至少一个导体区段遮盖的程度。

在这种电机中，此外尤其优选的是，屏蔽件具有多个导体区段，其中，导体区段中的至少两个构造成轴向导体区段，其在轴向方向上沿着屏蔽件延伸并且布置在转子的周向上。由此，轴向导体区段可在轴向方向上遮盖至少一个磁性元件，其中，尤其适宜的是，轴向导体区段的轴向延伸尺寸至少相应于至少一个磁性元件的轴向延伸长度。那么，磁场弱化可从在完全遮盖至少一个磁性元件时的最大值变化到在适宜地没有磁场弱化时的最小值。

在带有具有轴向导体区段的屏蔽件的电机中，一方面可设想，屏蔽件在处于两个轴向导体区段之间的至少一个中间区域中具有缺口。然而优选的是，屏蔽件在两个轴向导体区段之间的至少一个中间区域中具有比轴向导体区段更小的导磁率的中间区段。这种中间区域减小了在转子和定子之间的气隙体积并且由此改善了励磁场的磁场分布。此外，带有中间区段的屏蔽件的完整的实施方案有助于改善屏蔽件的机械稳定性，尤其在高的转子转速时。中间区段优选地由非铁磁的材料构成，优选地由顺磁的金属、例如铝或抗磁的材料、例如铜构成。但是也可设想使用合成材料。决定性的是，在中间区域中，不屏蔽或者仅仅以不显著的程度屏蔽磁性的励磁场。

此外，在带有具有轴向导体区段的屏蔽件的电机中适宜的是，轴向导体区段的数量至少为通过至少一个磁性元件形成的极对数量的两倍。在这种情况中，每个极对可通过至少两个轴向导体区段遮盖。

在屏蔽件在转子处的布置方案方面，此外在带有为了改变遮盖而以可绕转子轴线旋转的方式支承的屏蔽件的电机中有利的是，屏蔽件可转动地设置在转子的端侧处。以这种方式，在屏蔽件相对于转子的可转动性同时，尤其简单地实现了屏蔽件与转子的运动耦合。

在根据本发明的电机中，用于至少一个磁性元件被至少一个导体区段遮盖的备选的有利的可能方案在于，为了改变遮盖，屏蔽件以在轴向上可移动的方式支承，该可能方案原则上也可与以上描述的通过绕转子轴线旋转改变遮盖组合地实现。同时，至少一个磁性元件在轴向方向上仅仅部分地被至少一个轴向导体区段遮盖，其中，为了调整屏蔽件相对于转子的相对位置，设计有在轴向方向上的平移运动。在这种情况中，屏蔽件不必与转子转动耦合，即，在运行中不必跟随转子的旋转运动。然而，如果设置了通过绕转子轴线旋转和在轴向方向上的平移运动改变屏蔽件相对于转子的相对位置，则需要与转子转动耦合。

在带有以可在轴向方向上移动的方式支承的屏蔽件的电机中尤其优选的是，至少一个导体区段或多个导体区段中的至少一个构造成周向导体区段，其在周向上至少局部地连续地包围屏蔽件。由此，在最简单的情况中，周向导体区段成型为空心柱状并且以可变的份额在轴向方向上遮盖转子，由此，仅仅遮盖至少一个磁性元件的相应部分。由此，有利地得到了用于预定磁场弱化强度的屏蔽件的尤其简单的结构实现方案。

在带有以可在轴向方向上移动的方式支承的屏蔽件的电机中，此外适宜的是，屏蔽件在至少一个端侧处具有在轴向方向上延伸的、至少局部地在周向上连续地构造的延长区段，该延长区段具有比一个或多个导体区段更小的导磁率。在至少一个磁性元件未被或仅仅部分被导体区段遮盖时，该延长区段用于以与以上描述的中间区段相似的方式防止在定子和转子之间的气隙增大。在选择用于延长区段的材料方面，也可参考中间区段的实施方案。在最简单的情况中，延长区段与周向导体区段一样是空心柱形的，并且齐平地联接到一个或多个导体区段上。

在根据本发明的电机的尤其优选的设计方案中设置成，转子具有多个表面装配的磁性元件。也就是说，单个磁性元件不完全径向地延伸穿过转子，而是尤其在表面附近布置在转子体的凹入部中。由于在这种带有表面装配的磁性元件的转子中典型地需要将磁性元件固定在转子处，此外尤其有利地可设置成，至少一个中间区段和/或至少一个延长区段将磁性元件固定在转子上。即，与屏蔽件的相对位置无关地，屏蔽件的中间区段和/或延长区段或导体区段始终位于磁性元件上，并且由此将磁性元件固定在转子处。尤其有利地，以上描述的用于磁场弱化的可能性可简单地集成在用于表面装配的磁性元件的现有固定方案中。

在根据本发明的电机中优选设置调整件，借助于该调整件可调整屏蔽件相对于转子的相对位置。调整件尤其地可机械地、气动地、液压地、电磁地或电地运行。如果屏蔽件与转子转动耦合，则推荐调整件在转子端侧处同样转动耦合的布置方案。否则，调整件优选地布置在转子外部，并且构造成用于可移动地将屏蔽件固定在电机处。

在根据本发明的电机中还可设想，转子以相对于定子可轴向运动的方式支承。通过屏蔽件的根据本发明的磁场弱化因此可与通过转子相对于定子的相对运动的磁场弱化的已知的可能方案相组合。

根据本发明的电机的转子可设计成外转子或内转子。然而，在电机用于驱动机动车的应用方面优选的是，转子布置在定子之内。在此，屏蔽件包围转子。

最终，尤其适宜的是，根据本发明的电机构造成同步电机和/或至少一个磁性元件是永磁体。如以上已经指出的那样，通过屏蔽件的磁场弱化优选使用在永磁激励的同步电机中，尤其地在无刷直流电机或电子换向的直流电机中。

此外，本发明涉及一种机动车，其包括根据本发明的电机。优选地，电机构造成用于至少偶尔地和/或至少以辅助的方式驱动机动车的传动系统。根据本发明的电机的所有实施方案都可相似地转用到根据本发明的机动车上，从而通过该机动车也可实现以上所述的优点。

附图说明

从以下描述的实施例中并且根据附图得到本发明的其它优点和细节。其中：

图1以横截面示出了带有可转动的屏蔽件的根据本发明的电机的原理图；

图2沿着截面II-II示出了在图1中示出的电机的转子和屏蔽件的细节图；

图3以横截面示出了带有可轴向移动的屏蔽件的另一根据本发明的电机的原理图；

图4沿着截面IV-IV示出了在图3中示出的电机的转子和屏蔽件的细节图；

图5以横截面示出了带有可转动的且可轴向移动的屏蔽件的另一根据本发明的电机的原理图；

图6示出了在图1至5中示出的电机的扭矩相对于转速的曲线；以及

图7示出了根据本发明的机动车的原理图。

具体实施方式

图1以横截面示出了电机1的原理图，电机1包括定子2、可转动地绕转子轴线3支承的转子4和与转子4转动耦合的轴5。在定子2和转子4之间布置有柱形外形的屏蔽件6。电机1构造成以无刷直流电机或电子换向直流电机的形式的永磁激励的同步电机。

转子4具有四个嵌入凹入部中的以表面装配的永磁体的形式的磁性元件8-11，其中，在图1中可看出磁性元件8,10。磁性元件8-10产生转子4的磁性励磁场的两个极对。

屏蔽件6与转子4转动耦合并且以绕转子轴线3可相对于转子4旋转的方式布置。在转子4的端侧处，屏蔽件6可转动地设置在转子4上。为此，屏蔽件6在端侧处包围接合转子4并且卡锁在此处。此外，屏蔽件6包括四个、分别与磁性元件8-11相对应的轴向导体区段12-15，其中，在图1中可看出轴向导体区段12和14。轴向导体区段是导磁的，也就是说，其由具有高的磁饱和度的软磁的材料制成。轴向导体区段12-15分别在轴向方向上沿着屏蔽件6延伸并且布置在转子4的周向上。

图2示出了在图1中示出的电机1的转子4和屏蔽件6沿着截面II-II的细节图。可看出，轴向导体区段12-15分别部分地遮盖与其相关联的永磁体8-11并且由此部分地相对于定子2屏蔽由永磁体8-11产生的磁性励磁场。在每两个轴向导体区段12-15之间设置有导磁性小于轴向导体区段12-15的中间区段16-19。中间区段16-19例如由铝或合成材料构成。在遮盖永磁体8-11时，中间区段16-19不屏蔽或者仅仅以不显著的程度屏蔽磁性励磁场。同时，轴向导体区段12-15和中间区段16-19将表面装配的磁性元件8-11固定在转子4处。然而备选地也可设想的是，代替中间区段16-19，仅仅在屏蔽件6中设置缺口。

通过机械的、气动的、液压的、电磁的或电的调整件20(见图1)，可通过在双箭头21的方向上旋转调整屏蔽件6相对于转子4的相对位置。在此，磁性元件8-11被导体区段12-15的遮盖情况得以改变。转子4的磁性励磁场由此经受相应改变的磁场弱化，由此，在电机1的高转速时减小了在定子2中的互感效应。在此，与屏蔽件6的相对位置相关的磁性元件8-11被轴向导体区段12-15遮盖的程度预先规定了磁场弱化的强度，并且可在没有任何遮盖时的0％至磁性元件8-11完全被与其相关联的轴向导体区段12-15遮盖时的100％之间进行预定。遮盖程度与转速相关，其中，已经根据经验获得了转速与遮盖程度的最优关联性并且该关联性被储存在调整件20的储存单元中，其根据所获取的转速调整屏蔽件6的相对位置。

图3以横截面示出了另一电机1的原理图，电机1的定子2和转子4相应于在图1中示出的电机1，然而其中，代替可相对于转子4的转子轴线3旋转的屏蔽件6，设置可轴向沿着转子轴线3平移移动的屏蔽件6。屏蔽件6具有空心柱形的形状并且具有在周向上连续的周向导体区段22以及轴向连接在其上的延长区段23。周向导体区段22导磁性良好并且相应于在图1和2中示出的电机1的轴向导体区段12-15由软磁的材料构成，相反地，延长区段23在其材料方面相应于在图1和2中示出的电机1的中间区段16-19。在此，屏蔽件6不必与转子4转动耦合，也就是说，在转子4旋转时屏蔽件6可保持静止。

通过仅仅示意性示出的机械的、气动的、液压的、电磁的或电的调整件20，可根据双箭头24在轴向方向上调整屏蔽件6相对于转子4的相对位置，其中，相应地改变磁性元件8-12被周向导体区段22遮盖情况。根据该遮盖情况，可预先确定转子4的磁性励磁场的磁场弱化的强度。调整件20相对于转子4布置在外部并且可移动地将屏蔽件6固定在电机1上。

图4示出了在图3中示出的电机的转子4和屏蔽件6沿着截面IV-IV的细节图。可看出，周向导体区段22在周向上完全包围转子4并且以可垂直于绘图平面移动的方式支承。通过周向导体区段22，相对于定子2屏蔽被周向导体区段22遮盖的磁性元件8-11的部分。

图5以横截面示出了另一电机1的原理图，其定子2和转子4相应于在图1中示出的电机1。同样，电机1包括带有四个轴向导体区段12-15和四个中间区段16-19的屏蔽件6。然而，根据在图3和4中示出的电机1的延长区段23附加地联接到中间区段16-19上。在此，屏蔽件6与转子4转动耦合，并且为了改变磁性元件8-11被轴向导体区段12-14遮盖情况，屏蔽元件6布置成不仅可根据双箭头21绕旋转轴线3旋转而且可根据双箭头24在轴向方向上移动。此外，转子4以可相对于定子2轴向运动的方式支承，从而定子4附加地可从转子2中运动出来，由此，同样引起磁场弱化。

图6示出了在图1-5中示出的电机1的扭矩M关于转速n的曲线。在此，在没有所述的用于磁场弱化的措施时电机1的扭矩相应于实线26。在这种情况中，扭矩基本上恒定地伸延到约4000/min的转速27处，并且之后由于在定子2中的互感效应非常陡地且几乎线性地下降到在约6000/min的转速28时为0Nm的扭矩。

虚线29示出了在使用以上述的用于磁场弱化的措施时可能的转速走向，即，通过磁性元件8-11被轴向导体区段12-15遮盖和/或通过磁性元件8-11被周向导体区段22遮盖，且如有可能通过定子4轴向地从转子2中运动出来。通过根据转速预定磁场弱化的强度，即，尤其通过调整屏蔽件6的相对位置，在此可实现从转速27开始基本上更平缓的扭矩下降曲线，从而在约8000/min的转速30时才达到0Nm的扭矩。

图7示出了机动车31的原理图，其包括根据图1-5的电机1。电机1与传动系统32相连接并且构造成用于驱动传动系统32。

Claims (13)

1.一种用于机动车的电机，其包括定子(2)和转子(4)，其特征在于，所述转子(4)具有多个产生磁性励磁场的、表面装配的磁性元件(8-11)，其中，在所述定子(2)和转子(4)之间布置具有至少一个导磁的导体区段的屏蔽件(6)，其中，可调整所述屏蔽件(6)相对于转子(4)的相对位置以改变所述至少一个导体区段对磁性元件(8-1)的遮盖，为了改变所述遮盖，所述屏蔽件(6)以能在轴向上移动的方式支承，所述屏蔽件(6)与所述转子(4)转动耦合并且为了改变所述遮盖以能绕转子轴线(3)旋转的方式支承，所述屏蔽件(6)具有多个导体区段，其中，所述导体区段中的至少两个构造成轴向导体区段(12-15)，所述轴向导体区段在轴向方向上沿着所述屏蔽件(6)延伸并且布置在所述转子(4)的周向上。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述屏蔽件(6)的外形呈柱状。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述屏蔽件(6)在位于两个轴向导体区段(12-15)之间的至少一个中间区域中具有比所述轴向导体区段(12-15)更小的导磁率的中间区段(16-19)和/或在两个轴向导体区段(12-15)之间的至少一个中间区域中具有缺口。

4.根据权利要求1或3所述的电机，其特征在于，所述轴向导体区段(12-15)的数量至少为通过所述磁性元件(8-11)形成的极对数量的两倍。

5.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述屏蔽件(6)可转动地设置在所述转子(4)的端侧处。

6.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述至少一个导体区段构造成周向导体区段(22)，该周向导体区段在周向上至少局部地连续地包围所述屏蔽件(6)。

7.根据权利要求1或6所述的电机，其特征在于，所述屏蔽件(6)在至少一个端侧处具有在轴向方向上延伸的、至少局部地在周向上连续构造的延长区段，该延长区段具有比所述一个或多个导体区段更小的导磁率。

8.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，所述至少一个中间区段(16-19)和/或所述至少一个延长区段(23)将所述磁性元件(8-11)固定在所述转子(4)上。

9.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，设置调整件(20)，借助于该调整件(20)能调整所述屏蔽件(6)相对于所述转子(4)的相对位置。

10.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述转子(4)以能相对于所述定子(2)轴向运动的方式支承。

11.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述转子(4)布置在所述定子(2)之内。

12.根据权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述电机构造成同步电机和/或所述磁性元件(8-11)为永磁体。

13.一种机动车，其包括根据上述权利要求中任一项所述的电机(1)。

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