CN107112871A - 电动力的变换器 - Google Patents

Abstract

该申请涉及一种电动力的变换器(1)，其具有线圈(11)、配属于线圈(11)的爪盘(7)、配属于线圈(11)的另外的爪盘(8)和磁通构件，爪盘(7)具有能围绕转动轴线转动的盘部件(7a)和相对其而言固定不动的盘部件(7b)，另外的爪盘(8)具有能围绕转动轴线转动的盘部件(8a)和相对其而言固定不动的盘部件(8b)，磁通构件具有反向磁化的磁构件(9、10；12、13)和由软磁材料构成的磁通元件，在运行中，它们中的至少一部分分别配属于穿过爪盘(7)的磁通或者穿过另外的爪盘(8)的另外的磁通，这些磁通在爪盘(7)的能转动的盘部件(7a)和另外的爪盘(8)的能转动的盘部件(8a)转动时交替地构成，其中，针对爪盘(7)和另外的爪盘(8)的磁通闭合的相对位置以彼此间角度错开的方式形成，磁通不闭合的相对位置也以彼此间角度错开的方式形成。

Description

电动力的变换器

技术领域

本发明涉及一种电动力的变换器。

背景技术

为了将机械能变换成电能提供了不同的发电机原理。根据结构大小，功能部件的实施方式不同类型地设计。在大型发电机中，为了产生磁场典型地使用了线圈，以便避免昂贵的永磁体。然而通过电流产生磁场却总是与使效率变差的损耗相关联。因此，在小型以及中型发电机中，使用永磁体是常见的。能量转变往往借助直流电机原理或同步电机原理的逆转来实现，很少通过异步电机的逆转来实现。

此外，还存在有所谓的横向磁通电机，但其作为汽车中的电机以外的推广却很少。在横向磁通电机中的最大的问题是其结构，该结构通常不经济地很贵地制成。这尤其原因在于引导磁通的部分的所必要的复杂的几何结构。爪极式发电机是横向磁通电机的特殊结构形状。在机动车领域中，爪极式发电机在过去一段时间中被大量用作电机(例如参见DE10 2007 016 558和DE 10 2004 032 684)。此外，爪极式发电机在文献DE 101 06 519和DE102 29 198中有所描述，以及在DE 39 17 343中描述了无滑环的爪极式发电机。在文献DE10 2012 001 114中公开了针对横向磁通电机的定子的实施方案。

小型化的爪极式发电机在文献DE 102 17 285中被公开。

常见的爪极式电机的最大的缺点是其高的齿槽转矩。该齿槽转矩虽然可以通过爪的适当的设计而稍微减小。但是在所有迄今为止的实施方式中受结构类型限制却只能有限消除。

为了给小耗电器供电，最近几年对小型化的发电机的需求猛增。目的是以自给自足的方式给设备供能，以便提供新的功能。这往往涉及检测和传感器数据的无线传递。所需要的功率往往是很小的，从而也研究了其他的变换原理作为电磁式发电机，例如压电式发电机。但是，其功率输出却明显更小，从而它仅适用于特殊的用途。该领域以英语术语“Energy harvesting(能量采集)”来表示。随着工业环境中的传感器和各种耗电器电子器件的联网的增加，对小型化的发电机的兴趣将来会进一步增加。

发明内容

本发明的任务是提供一种电动力的变换器，其具有改进的运行特性。

该任务通过根据独立权利要求1的电动力的变换器来解决。设计方案是从属权利要求的主题。

提出一种电动力的变换器。爪盘配属于线圈并且布置在线圈的一侧上。爪盘具有能围绕转动轴线转动的盘部件和相对其而言固定不动的盘部件，其中，能转动的和固定不动的盘部件具有相互配属的爪，在能转动的盘部件转动时，这些爪为爪盘交替地占据磁通闭合的和磁通不闭合的相对位置。另外的爪盘配属于线圈并且布置在线圈的相对置的侧上，并且具有能围绕转动轴线转动的盘部件和相对其而言固定不动的盘部件，其中，能转动的和固定不动的盘部件具有相互配属的爪，在能转动的盘部件转动时，这些爪为另外的爪盘交替地占据磁通闭合和磁通不闭合的相对位置。电动力的变换器具有磁通构件，其具有反向磁化的磁构件和由软磁材料构成的磁通元件。在运行中，磁通部件中的至少一部分分别配属于穿过爪盘的磁通或者穿过另外的爪盘的另外的磁通，在爪盘的能转动的盘部件和另外的爪盘的能转动的盘部件转动时，这些磁通交替地构成。针对爪盘和另外的爪盘的磁通闭合的相对位置以彼此间角度错开的方式形成，磁通不闭合的相对位置也是如此。

电动力的变换器具有简单且制造廉价的结构。结构的小型化能够毫无问题地实现。

转动轴线由如下部件提供，该部件例如是轴，尤其是转子轴。能转动的盘部件可以与轴一起转动。

能转动的盘部件至少在运行中在其相对位置中相互固定，从而构成固定不动的角度错开。这同样适用于爪盘和另外的爪盘的固定不动的盘部件。电动力的变换器中的磁通在能转动的盘部件转动时交替地延伸穿过爪盘和另外的爪盘。磁通元件可以参与穿过爪盘的磁通回路和穿过另外的爪盘的磁通回路，或者仅参与其中一个磁通回路。

爪也被称为齿元件或齿，从而形成齿元件盘或齿盘。

电动力的变换器可以具有壳体。在该设计方案中，固定不动的盘部件可以布置在壳体上。替选地，壳体可以按能转动的方式被支承。在运行中，能转动的盘部件可以与壳体一起转动。

线圈可以按能围绕转动轴线转动的方式被支承。替选地，线圈可以相对于转动轴线固定，例如固定在壳体上。

反向磁化的磁构件可以具有永磁体。永磁体可以在运行中被包括在穿过爪盘的磁通回路内和/或穿过另外的爪盘的另外的磁通回路内。

反向磁化的磁构件可以具有电磁体。电磁体例如可以借助一个或多个线圈形成。

反向磁化的磁构件可以具有相对转动轴线轴向地和/或径向地磁化的磁构件。如果设置有轴，例如转子轴，那么反向磁化的磁构件可以布置在该轴上，尤其是也可以被构造为轴的一部分。

在壳体中，一个或多个壳体部分可以形成为由软磁材料构成的磁通元件。在一侧或两侧布置的盖例如可以属于由软磁材料形成的壳体部分。用于轴的支承装置也可以至少部分地由软磁材料形成。

磁通元件能够以跨接提供转动轴线的轴的支承装置的方式且由此以磁通闭合的方式形成。磁通元件可以作为部件环绕支承装置地引导(以一个或多个间隙，或者无间隙地)，以便因此使磁通环绕支承装置地引导。

爪盘和另外的爪盘可以具有多个磁通闭合的相对位置，例如至少四个。可以设置具有八个磁通闭合的相对位置的实施方案，这些磁通闭合的相对位置在能转动的和固定不动的盘部件发生相对扭转时实现。

在同一实施方案中，在爪盘的能转动的盘部件上和在另外的爪盘的能转动的盘部件上形成的爪机构能够以彼此间角度错开的方式布置。该爪机构的同一实施方案可以至少在爪的数量和造型方面来形成。替选地，能够以固定不动的盘部件之间角度错开的方式形成。在运行中，以彼此间角度错开的方式布置的盘部件的相对位置被固定。

在爪盘中和/或在另外的爪盘中，能转动的盘部件可以形成为内置的盘部件，而固定不动的盘部件可以形成为外置的盘部件。在这些或其他实施方式中，相互配属的爪可以至少在磁通闭合的相对位置中相对置，并且通过气隙分离。

在能转动的盘部件和固定不动的盘部件上的爪能够以圆弧段状的爪形成。爪的侧棱边可以相互平行地延伸。

在磁通闭合的相对位置中，在能转动的和固定不动的盘部件上形成的配属的爪的相互对置的边缘之间的间隙可以在径向方向上基本上宽度不变地形成。

附图说明

下面，参考附图的示图阐述其他实施例。其中：

图1以横截面示出电动力的变换器的示意图；

图2以沿图1中的线A-A的截面示出处于磁通闭合的相对位置中的具有内置的盘部件和外置的盘部件的爪盘的示意图；

图3以沿图1中的线B-B的截面示出处于磁通不闭合的相对位置中的图2的爪盘的示意图；

图4示出处于磁通闭合的相对位置中的具有内置的盘部件和外置的盘部件的另外的爪盘的示意图；

图5示出处于磁通不闭合的相对位置中的图4的爪盘的示意图；

图6以横截面示出电动力的变换器的示意图，在其中，磁通延伸穿过布置在右侧的爪盘；

图7示出图6的电动力的变换器的示意图，其中，磁通现在延伸穿过布置在左侧的爪盘；

图8以横截面示出电动力的变换器的示意图，其中，线圈布置在转子轴上；

图9以横截面示出电动力的变换器的示意图，其中，实施为永磁体的磁体元件形成为转子轴的一部分；

图10以横截面示出电动力的变换器的示意图，其中，实施为永磁体的磁体元件形成为壳体盖的一部分；

图11以横截面示出电动力的变换器的示意图，其中，磁体元件借助线圈形成；

图12以横截面示出电动力的变换器的示意图，其中，磁通元件以有磁通回路闭合的方式形成支承部；

图13示出针对电动力的变换器的具有用于产生磁通的线圈的星形的盖的示意图；以及

图14示出电动力的变换器的实施方案的立体图。

具体实施方式

图1以横截面示出了电动力的变换器1的区段的示意图。设置有转子轴2，其借助支承装置3支承在壳体6的盖4、5上。

在壳体6中容纳有爪盘7以及另外的爪盘8。爪盘7具有能转动的盘部件7a，其布置在转子轴2上。爪盘7的固定不动的盘部件7b布置在壳体6上。以类似的方式，另外的爪盘8具有能转动的盘部件8a以及固定不动的盘部件8b。

图2和图3以及图4和图5示出了针对爪盘7和另外的爪盘8的可能的设计方案。能转动的盘部件7a、8a在该实施方案中实施为内置的盘部件，而固定不动的盘部件7b、8b形成为外置的。替选地，盘部件7a、8a可以是固定不动的，而盘部件7b、8b可以是能转动的(未示出)。能转动的和固定不动的盘部件7a、7b；8a、8b具有各自的爪7a.1、7b.1；8a.1、8b.1，它们外置或内置地布置。替选地，爪7a.1、7b.1；8a.1、8b.1可以被称为齿或齿元件。

如果在运行中，借助转子轴2的转动，各自的能转动的盘部件7a、8a发生转动，并且因此被带到相对各自的固定不动的盘部件7b、8b不同的相对位置中，那么对于爪盘7以及另外的爪盘8来说形成了磁通闭合的相对位置(转动位置)(参见图2和图4)以及磁通不闭合的相对位置(参见图3和图5)。如果各自的爪盘处于磁通闭合的相对位置中(像图2和图4所示的那样)，那么就构成穿过爪盘的磁通。根据图6和图7，磁体元件9、10参与相应的磁通回路，这些磁体元件在所示的实施方式中作为反向磁化的永磁体形成。尤其是在该实施方案中，对齿槽转矩的补偿借助使用两个相互错开的爪盘7、8实现。如果第一爪盘闭合，那么第二爪盘就断开。转子轴相对壳体的旋转导致将断开的爪盘闭合，而将闭合的爪盘断开。齿槽转矩由杠杆臂和磁阻力产生。磁阻力归因于磁阻抗的改变。通过使用两个爪盘能够实现，两个磁阻抗的总和保持近似恒定，从而得到总磁阻抗的仅很小的改变进而也得到仅很小的齿槽转矩。

图6和图7所示的实施方式示出了轴向相反的磁化的永磁体，它们作为壳体6的一部分形成。替选地，相反的磁化的磁体元件9、10也可以布置在盖4、5中或转子轴2上，这在图9和图10中示出。

在壳体6中，爪盘7以及另外的爪盘8布置在在所示的实施例中实施为柱形线圈的线圈11的相对置的侧上。

在图1、图6、图7以及图9至图12中的实施方案中，线圈11容纳在壳体6上。在图1中，线圈牢固地与壳体连接。当壳体6方位固定并且转子轴2转动时，这可以是有意义的，这是因为引线可以简单地导出。但是如果壳体转动，那么可以有利的是，线圈11安置在转子轴2上，这在图8中示出。因为壳体2进一步外置，所以其通常比转子轴2具有更高的惯性力矩。该壳体可以转动，而转子轴2固定不动，因此可以有利的是，大量的能量应该存储在旋转的部分中，或者存在对匀速的运转的很高的要求。

在图6和图7的图示中，借助箭头A1、A2、B1、B2示出的各自的磁通依赖于爪盘7的和另外的爪盘8的转动位置地延伸穿过爪盘7(参见图7)和另外的爪盘8(参见图6)。这意味着在应用根据图2和图3的实施方案中使用爪盘时，图6中的爪盘7布置在根据图3的相对位置中，而图7中的爪盘布置在根据图2的相对位置中。对于另外的爪盘8来说，这刚好是相反的，这是针对一方面爪盘7和另一方面另外的爪盘8的磁通闭合的相对位置角度错开的结果。磁通在此引导经过支承装置3。

图11以横截面示出电动力的变换器的示意图，其中，磁体元件借助电线圈12、13形成。

图12以横截面示出电动力的变换器的示意图，其中，由软磁材料构成的磁体元件3a、3b以磁通跨接(magnetflussüberbrückend)的支承装置3的方式设置。支承装置3被跨接。当支承件具有过高的磁阻抗，或者在支承件保持架中涡流导致制动力矩时，这可以是有意义的。

图13示出了针对在其中一个所阐述的实施方案中的电动力的变换器的星形的壳体盖20的示意图，其具有用于产生磁通的线圈21，其中示出了四个线圈。

图14示出了电动力的变换器的立体图。在图14中，针对相同的特征使用和在前面的图形中相同的附图标记。

相对公知的具有爪盘或齿元件盘的电动力的变换器，尤其通过如下方式得到简化的结构，即，例如使用两个通常在一个方向上轴向磁化的磁体来替代单个磁体或交替磁化的磁体。单个磁体装配花费高并且容易滑落。而交替磁化的永磁体在制造中花费高。两种情况都提高了成本并且不利于商业使用。但是轴向磁化的磁体可以很容易地得到，或者也可以在特别尺寸中比较廉价地由不同的供应商根据客户意愿提供。

在所提出的结构中，在不同的实施方案中，在两个引导磁通的软铁部件之间可以存在有气隙。该软铁部件可以在没有提高花费的情况下以很高的精度制造，由此，气隙可以非常精确地形成。在此可以存在相对其他的观点的进一步的优点，在这些其他的观点中，永磁体一起确定气隙。这些永磁体典型地具有+/-0.1mm的公差，因此，气隙同样具有大的公差。这具有两个不利的效果。一方面，磁通进而是发电机的输出功率相当强地扩散。与计算有偏差的或在周边上有偏差的气隙也会干扰对齿槽转矩的补偿，并且因此显著提高了齿槽转矩。

形式为永磁体或基于线圈的磁体元件的磁通分别选择最小的磁阻抗的路径。如果爪盘闭合，那么总的磁通几乎延伸穿过该爪盘。如果转子轴2相对壳体6转动，那么两个爪盘7、8彼此错开地闭合，从而线圈11被交变的磁通穿过。这导致线圈11中感应出发电机电压。

磁通也可以在没有永磁体的情况下通过两个或多个线圈12、13、21产生。这些线圈可以又与壳体6(参见11和13)或转子轴2连接。

根据电动力的变换器的结构的不同，可以有意义的是，一个或多个线圈直接缠绕到转子轴2上，以便因此确保可制造性，而无需将轴分开以将线圈推到爪盘7、8之间。

爪或齿元件的数量和宽度是可变的，并且可以为了优化进行匹配。此外，爪形状也可以通过棱边的倒圆部或沿纵轴线的倾斜部发生改变，以便在很小的齿槽转矩的情况下得到改进的磁通引导。

当至少两个单元在轴上或者以其他方式相互连接时，电动力的变换器可以在其不同的设计方案中，在适当的通电的情况下也用作电动机。

在上述说明书、权利要求书和附图中公开的本发明的特征，既可以单独地对以其不同实施方式实现的本发明具有意义，也可以任意组合地对以其不同实施方式实现的本发明具有意义。

Claims (12)

1.电动力的变换器(1)，所述电动力的变换器包括：

-线圈(11)，

-配属于所述线圈(11)的爪盘(7)，所述爪盘布置在所述线圈(11)的一侧上，并且具有能围绕转动轴线转动的盘部件(7a)和相对所述能围绕转动轴线转动的盘部件(7a)而言固定不动的盘部件(7b)，其中，能转动的盘部件和固定不动的盘部件(7a、7b)具有相互配属的爪，在所述能转动的盘部件(7a)转动时，所述爪为所述爪盘(7)交替地占据磁通闭合的相对位置和磁通不闭合的相对位置，

-配属于所述线圈(11)的另外的爪盘(8)，所述另外的爪盘布置在所述线圈(11)的相对置的侧上，并且具有能围绕所述转动轴线转动的盘部件(8a)和相对所述能围绕所述转动轴线转动的盘部件(8a)而言固定不动的盘部件(8b)，其中，能转动的盘部件和固定不动的盘部件(8a、8b)具有相互配属的爪，在所述能转动的盘部件(8a)转动时，所述爪为所述另外的爪盘(8)交替地占据磁通闭合的相对位置和磁通不闭合的相对位置，以及

-磁通构件，所述磁通构件具有反向磁化的磁构件(9、10；12、13)和由软磁材料构成的磁通元件，在运行中，它们中的至少一部分分别配属于穿过所述爪盘(7)的磁通或者穿过所述另外的爪盘(8)的另外的磁通，在所述爪盘(7)的能转动的盘部件(7a)和所述另外的爪盘(8)的能转动的盘部件(8a)转动时，所述穿过所述爪盘(7)的磁通和所述穿过所述另外的爪盘(8)的另外的磁通交替地构成，

其中，针对所述爪盘(7)和所述另外的爪盘(8)的磁通闭合的相对位置以彼此间角度错开的方式形成，而磁通不闭合的相对位置也以彼此间角度错开的方式形成。

2.根据权利要求1所述的电动力的变换器，其特征在于，所述反向磁化的磁构件具有永磁体(9、10)。

3.根据权利要求1或2所述的电动力的变换器(1)，其特征在于，所述反向磁化的磁构件具有电磁体(12、13)。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的电动力的变换器(1)，其特征在于，所述反向磁化的磁构件具有相对所述转动轴线轴向地和/或径向地磁化的磁构件。

5.根据前述权利要求中至少一项所述的电动力的变换器(1)，其特征在于具有壳体(6)，其中，所述壳体(6)的一个或多个壳体部分形成为由软磁材料构成的磁通元件。

6.根据前述权利要求中至少一项所述的电动力的变换器(1)，其特征在于，所述磁通元件(3a、3b)以跨接围绕所述转动轴线转动的轴(2)的支承装置(3)的方式且由此以磁通闭合的方式形成。

7.根据前述权利要求中至少一项所述的电动力的变换器(1)，其特征在于，所述爪盘(7)和所述另外的爪盘(8)分别具有多个磁通闭合的相对位置。

8.根据前述权利要求中至少一项所述的电动力的变换器(1)，其特征在于，在同一实施方式中，在所述爪盘(7)的能转动的盘部件(7a)上以及在所述另外的爪盘(8)的能转动的盘部件(8a)上形成的爪机构以彼此间角度错开的方式布置。

9.根据前述权利要求中至少一项所述的电动力的变换器(1)，其特征在于，在所述爪盘(7)中和/或在所述另外的爪盘(8)中，所述能转动的盘部件(7a；8a)形成为内置的盘部件，而所述固定不动的盘部件(7b；8b)形成为外置的盘部件。

10.根据前述权利要求中至少一项所述的电动力的变换器，其特征在于，在所述能转动的盘部件(7a；8a)上的爪和在所述固定不动的盘部件(7b；8b)上的爪以圆弧段形的爪形成。

11.根据前述权利要求中至少一项所述的电动力的变换器，其特征在于，在所述磁通闭合的相对位置中，在所述能转动的盘部件和所述固定不动的盘部件(7a；8a；7b；8b)上形成的配属的爪的相互对置的边缘之间的间隙在径向方向上基本上宽度不变地形成。

12.根据前述权利要求中至少一项所述的电动力的变换器，其特征在于，所述线圈(11)布置在转子轴(2)上并且能与所述转子轴一起转动。