CN108702074B - 电机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电机(1)，其具有：定子(2)，该定子有定子本体(3)和定子绕组(4)；以及转子(5)，该转子相对于定子可旋转地布置，并有转子本体(6)，该转子本体有接收于其中的多个永磁体。转子布置成有在转子本体和定子本体之间的气隙，并使得磁通在转子本体的永磁体和定子本体的定子极之间通过该气隙。电机还包括具有高磁导率的材料的至少一个部件(15、16)或试剂，该部件或试剂设置成相对于定子本体(6)定位成使得来自永磁体的磁通减少通过所述气隙。

Description

电机

技术领域

本发明涉及一种电机，它包括：

定子，该定子有定子本体，定子绕组缠绕在该定子本体上，并设置成电产生多个定子极，这些定子极绕定子本体的周边布置；

设置成使得定子绕组与AC电源或接收器连接的装置；以及

转子，该转子相对于定子可旋转地布置，并有转子本体，该转子本体有接收于其中的多个永磁体；

所述转子布置成有在转子本体和定子本体之间的气隙，并使得磁通在转子本体的永磁体和定子本体的定子极之间通过所述气隙，以便在电机的马达操作中向转子施加驱动扭矩，并在电机的发电机运行中向定子绕组供电。

背景技术

这种电机可以操作为马达和/或发电机，但是本发明将主要集中于它作为马达的操作。而且，电机可以有径向或轴向方向的所述气隙，用于作为径向或轴向磁通机器。

通过使用多个永磁体来产生转子的磁通，获得同步马达。与感应电机相比，这种马达有更低的转子损耗，因此有更高效率。与感应电机相比，它还能够制造成具有更高极数，而不会损失性能，因此它能够有更高的扭矩能力。

本发明特别应用于成引言中所述类型的马达形式的电机，用于产生有轨车辆(特别是轨道车辆)的牵引力，但是当在下文中介绍本发明的这种应用时，不应当解释为对本发明的限制。这种马达(该马达当然可以在制动车辆时用作发电机)特别有利于这样的车辆，对于该车辆，相对于确定马达尺寸的高扭矩能力是重要特征。

在作为马达的、在引言中所述类型的永磁电机的转子本体中，从永磁体通过所述气隙的高磁通导致马达需要更小的电流来产生低于基本速度的所需扭矩，该基本速度是转子最大转速的大约一半的速度。当永磁通减小时，在无负载下(即当电流为零时)的铁损将减小。在某些情况下，有利的是在马达也产生扭矩时能够减小高于基本速度的永磁通。从永磁体通过所述气隙的高磁通将导致在最大速度下的无负载高电压，从而导致定子绕组的绝缘老化，并增加电弧放电的危险。由于存在风险和/或布局和设计要求的竞争影响，这种电弧放电是永磁马达的潜在表现。目前通过减速来减轻在定子绕组中的电弧放电产生，这对于有轨车辆电机来说意味着将列车减速至低速。从永磁体通过气隙的这种高磁通也将有助于更高的短路电流，这在两相短路的情况下将有助于更高的振荡扭矩。

发明内容

本发明的目的是提供一种在引言中所述类型的电机，该电机至少在某些方面相对于已知的这种电机进行了改进。根据本发明，该目的通过提供具有在附加权利要求1的特征部分中列出的特征的这种电机而实现。

在根据本发明的电机中，使得来自永磁体的磁通减少通过气隙将通过向电机提供具有高磁导率的材料的所述至少一个部件或试剂而实现，该部件或试剂设置成相对于转子本体定位成使得来自永磁体的磁通减少通过气隙。这意味着来自永磁体的磁通将由于所述至少一个部件或试剂而更少地横过在转子本体和定子本体之间的气隙(与没有该部件或试剂相比)。由此可以避免来自永磁体的高磁通通过气隙的上述缺点。而且，所述至少一个部件设置成通过使得一部分磁通转向(否则该部分磁通将从永磁体引导通过所述气隙，而不是通过该部件)而使得来自永磁体的磁通减少通过气隙。将具有高磁导率的材料的所述部件定位成使得来自永磁体的一部分磁通转向构成了在需要时使得通过气隙的所述磁通的显著减少的有效、简单和可靠的方式。另外，所述部件可相对于转子本体在至少两个不同位置之间运动，在该位置中，部件设置成使得来自永磁体的所述磁通的不同大比例部分转向通过。这种可运动性使得能够有来自永磁体的较高磁通通过气隙(当这实际上很有利时)，还能够在高磁通不合适和/或有害时减少该磁通。电机包括设置成使所述至少一个部件相对于转子本体在所述不同位置之间运动的装置，这使得来自永磁体的、通过所述气隙的磁通很容易适应电机的主要操作情况。最后，所述装置设置成当在所述定子绕组或与所述定子绕组连接的任何电缆或设备中产生电弧放电或短路时使得所述至少一个部件相对于转子本体运动至将最大地减少磁通通过所述气隙的位置。由此可以高效地解决上述电弧放电的负面后果。

EP1220427A2公开了一种在引言中所述类型的电机，其中，环形部件用于通过该环形部件相对于定子的运动而调节在电机的定子本体的齿中的磁通密度。

根据本发明的一个实施例，所述部件或试剂通过机构而在正常操作中相对于转子本体保持在最小地减少磁通通过所述气隙的位置，该机构在所述定子绕组中或与所述定子绕组连接的任何电缆或设备中产生电弧放电或短路时释放。用于使得部件运动的所述装置使用力，该力沿使得该部件运动至使更少磁通通过气隙的位置的方向(当部件释放时)而作用在部件上。

根据本发明的另一实施例，所述力是磁吸引力。

根据本发明的另一实施例，所述部件或试剂与所述转子一起旋转，所述力是离心力。

根据本发明的另一实施例，所述装置取决于温度，并设置成当降低温度时使得所述至少一个部件相对于转子本体运动，用于使得增加部分的磁通转向通过。该特征补偿了以下情况：来自永磁体的磁通在较低温度下比在较高温度下高。

根据本发明的另一实施例，所述装置设置成通过使其由爆炸材料或化学反应物质制成而产生的化学反应(同时快速增加它的体积)而来使得所述至少一个部件运动。这构成了用于在需要时使得所述部件快速运动和减少来自永磁体的磁通通过所述气隙的选择方案，且这种运动将在电机的操作中断之前只在所述电机中进行一次。

根据本发明的另一实施例，电机包括控制单元，该控制单元设置成控制所述装置，以便使得所述至少一个部件在电机的操作过程中运动，用于改变来自永磁体的所述磁通引导通过所述气隙的比例。这种控制单元的布置能够容易地使得来自永磁体和通过所述气隙的磁通调节成用于电机的主要工作状态。

根据本发明的另一实施例，所述至少一个部件由具有≥10μ₀(μ₀＝真空的磁导率)的磁导率的材料来制成。

根据本发明的另一实施例，所述至少一个部件是环，该环设置成相对于转子本体绕转子的旋转轴线同心地定位，以便使得来自永磁体的磁通转向，从而引导通过该环，而不是通过所述气隙。这种环可以有任何形状，但优选是圆形。

根据本发明的另一实施例，所述环由层叠磁钢或软磁复合材料制成。这将使得由通过环的磁通引起的涡电流和转子本体相对于环的旋转保持在较低水平。

根据本发明的另一实施例，所述转子可旋转地布置在定子内，在转子本体和定子本体之间的所述气隙相对于转子的旋转轴线为径向。因此，电机是径向磁通电机。

根据本发明的另一实施例，电机包括在转子本体的一个轴向端部或两个轴向端部处的所述环，该环径向靠近所述气隙。在这些位置处的环将通过使得来自永磁体的磁通的一部分转向通过所述环而减少来自永磁体的磁通通过所述气隙，且该部分的大小可以通过使得环相对于转子的旋转轴线轴向运动而很容易地变化，这是本发明另一实施例的主题。

根据本发明的另一实施例，所述环设置成通过磁力附接在转子本体的轴向表面上，并与转子本体一起旋转。在这种情况下，环可以由固体材料制成，因为不会有涡电流的任何问题，因为当转子本体旋转时环不会相对于磁通运动。

根据本发明的另一实施例，转子本体和定子本体布置成使得所述气隙相对于转子的旋转轴线轴向地在它们之间，且所述至少一个部件布置成靠近所述气隙。因此，该电机是所谓的轴向磁通电机。根据构成该实施例的进一步发展形式的实施例，转子本体有环形部件，所述环沿转子本体的所述环形部件布置并在该转子本体的所述环形部件内，和/或沿转子本体的所述环形部件布置并在该转子本体的所述环形部件的外部。具有这种位置的该环可以有效地使得来自转子的永磁体的一部分磁通转向通过所述环，而不是通过所述气隙。

根据本发明的另一实施例，各所述环可相对于转子的旋转轴线相对于转子本体朝向和远离所述气隙而轴向运动，用于使得来自永磁体的所述磁通的不同大比例部分转向通过。

根据本发明的另一实施例，至少一个所述环分成至少两个部分，所述至少两个部件可相对于转子的旋转轴线相对于转子本体朝向和远离所述转子本体而径向运动，用于使得来自永磁体的所述磁通的不同大比例部分转向通过。

根据针对电弧放电问题的本发明的另一实施例，该电机包括所述试剂，所述试剂包括铁磁粉末，该铁磁粉末储存在壳体内部的容器中，该壳体包围定子和转子，所述试剂设置成在发生电弧放电时释放，以便到达所述气隙的区域，用于通过桥接转子的永磁体的磁极而减小通过气隙的磁通。这构成了当发生时快速停止电弧放电的高效方式。然后，电机可以通过拆卸和清洁而恢复到正常状态，同时最小化电机的部件由于所述电弧放电的损坏。

根据本发明的另一实施例，所述至少一个部件布置在所述转子内部，并可相对于转子的永磁体运动，以便通过改变来自永磁体的磁通损失于转子本体中的量(由于泄漏)而改变通过所述气隙的磁通。

本发明还涉及根据本发明的电机在驱动装置中的使用，该驱动装置用于产生有轨车辆的牵引力，本发明还涉及一种有轨车辆，该有轨车辆有用于产生车辆的牵引力的驱动装置，该驱动装置包括至少一个根据本发明的电机。通过上面对根据本发明的电机的不同实施例的说明，将清楚看出这种使用和车辆的有利特征和优点。

从下面的说明将清楚本发明的其它优点和优选特征。

附图说明

下面将参考附图具体介绍作为示例而引用的本发明实施例。

在附图中：

图1是根据本发明第一实施例的电机的示意纵剖图，其中，环在只使得所述磁通的较小部分转向的第一位置，用于使得来自永磁体的磁通转向，以便并不引导通过所述气隙，

图2a和2b是表示在根据图1的电机的转子中的永磁体的可能结构的示意图，

图3是图1中所示电机的视图，其中，所述环处于使得通过的较大部分磁通转向的第二位置，

图4a和4b是表示在图1和图3所示的电机中在转子的转子本体的端部板中引入高磁导率材料的合适区域的示意图(在端部板由低磁导率材料制造的情况下)，

图5是根据本发明第二实施例的成单侧轴向磁通结构的电机的、与图1相对应的视图，其中，用于使得来自转子本体的永磁体的磁通转向的环布置在第一位置，在该第一位置中，它们无效，

图6是图5中所示电机的横剖图，

图7是与图5相对应的视图，其中，所述环处于有效位置，从而使得磁通转向通过，而不是通过电机的所述气隙，

图8是与图6相对应的视图，表示了磁通怎样在图7所示的位置中转向通过所述环，

图9是根据本发明第二实施例的成双侧轴向磁通结构的电机的、与图7相对应的视图，其中，所述环处于有效位置，从而使得来自永磁体的磁通转向，否则引导通过所述气隙。

图10和11示意表示了根据本发明第四实施例的电机的一部分，其中，外部环分成两个部件，这两个部件径向运动，以便使磁通转向，

图12是根据本发明第五实施例的电机的简化纵剖图，其中，所述部件用于在无效状态中减小来自电机的转子的永磁体的磁通，

图13是图12中所示的电机的视图，表示了所述部件如何转变至有效状态，

图14是根据本发明第六实施例的电机的转子本体的一部分的简化剖视图，其中，可运动部件处于通过泄漏而转向更少磁通的位置，

图15是对应于图14的视图，其中，可运动部件处于通过泄漏而转向更多磁通的位置，

图16是与图14相对应的转子中的磁通的原理示意图，其中，可运动部件处于通过泄漏而转向更少磁通的位置，以及

图17是与图14相对应的转子中的磁通的原理示意图，其中，可运动部件处于通过泄漏而转向更多磁通的位置。

具体实施方式

图1示意表示了根据本发明第一实施例的电机1的主要部件。该电机有定子2，该定子2有定子本体3，定子绕组4缠绕在定子本体3上，定子设置成电产生多个定子极，这些定子极绕定子本体的内周布置。定子绕组接收在定子本体的径向狭槽中，该径向狭槽在该本体的整个长度上延伸。狭槽的总数和每个极的狭槽数可以是任何可设想的值，但是作为示例，这些数量可以是48和4。

电机还包括转子5(也见图2a和2b)，该转子5有转子本体6，该转子本体6可以由实心高磁导率材料制成，或者可以与定子本体一样由相互电绝缘的磁钢角板的层叠组件来制成，该磁钢角板相对于转子的旋转轴线7轴向堆叠，用于使得在这些本体中的涡流损耗保持在较低水平，转子本体5有安装在转子表面上的磁体8或安装在转子内部中的磁体，如图2a和2b中所示。

在表面安装磁体的情况下，有利的是，在磁体外部有高磁导率材料片，如图2b中所示，以便能够更好地从气隙转向磁通。

转子本体6对于旋转与转子轴9刚性连接，该转子轴9将可能通过齿轮箱而与例如车辆的轮轴连接。

还表示了电机怎样有装置10，该装置10设置成使得定子绕组4与AC电源或接收器连接，在有轨车辆电机的情况下，该AC电源或接收器是AC供电线路或车辆11的柴油驱动发电机(示意表示)。不过，可以设想任何类型的AC电源，且交流电可以很好地由逆变器产生，该逆变器与在其另一侧的直流电压源连接，例如根据脉冲宽度调制图形来控制。图1中的盒12表示用于电机的控制设备，例如转换器，这里，所述AC电源由盒13表示。在本发明中，“AC接收器”是指电机在发电机模式中操作的情况。

在图1中表示了转子5布置成有在转子本体6和定子本体3之间的气隙14，并使得磁通通过该气隙在转子本体的永磁体和定子本体的定子极之间通过，以便在电机的马达操作中向转子施加驱动扭矩，并在电机的发电机操作中向定子绕组供给电力。该磁性气隙磁通由图1中的实线箭头A表示。电机还包括具有高磁导率的材料的环15、16，该环15、16在转子的各端部处相对于转子本体同心地绕转子的旋转轴线7定位。这些环15、16由层叠的磁钢或软磁复合材料制成，并设置成使得来自永磁体的磁通转向，以便引导通过该环，而不是通过所述气隙，如由图1中的虚线箭头B所示。这些环可相对于转子本体在至少两个不同的位置之间运动，在这两个不同的位置中，它们设置成使得来自永磁体的所述磁通中的不同大比例部分转向通过，且在图3中表示了环15、16怎样运动成更靠近转子，从而使得来自永磁体的所述磁通的更大比例部分转向，如由箭头B所示(这时为实线)，使得气隙磁通显著减少，如由箭头A所示(这时为虚线)。环的可运动性可以以任何可设想的方式来实现，例如通过螺纹，且环的运动可以手动实现，或者通过布置在电机中的装置70来实现。然后，这种控制装置可以取决于温度，并设置成使得环运动成更靠近转子本体，用于在它的温度降低时使得增加部分的磁通转向通过。这些控制装置还可以设置成使得环运动至这样的位置，其中，在定子绕组4中或与定子绕组连接的任何电缆或设备中产生电弧放电或短路时最大程度地减少通过气隙14的磁通。

图4a和4b示意表示了在转子各端部处的各非磁性压板17能够如何设计成通过将高磁导率材料片18插入该压板中(以便降低通向相应层叠钢环15、16的泄漏通路的磁阻)而增加效果。

图5-8示意表示了根据本发明第二实施例的电机，它成所谓的单侧轴向磁通电机的形式，该电机有转子本体20和定子本体21，该转子本体20和定子本体21布置成有相对于转子的旋转轴线23轴向地在它们之间的所述气隙22。这里，转子本体有环形部件24，具有高磁导率的材料的所述环25、26沿所述环形部件24布置在所述环形部件24内，和沿转子本体的该环形部件布置在它的外部。在图5和图6中通过箭头A表示了来自转子中的永磁体的磁通怎样引导通过所述气隙以及相对较高，因为环25、26处于这样的位置，在该位置中，它们不能使得来自永磁体的磁通的任何明显部分转向通过。不过，环25、26可相对于转子的旋转轴线相对于转子本体朝向和远离气隙22轴向运动，用于使得来自永磁体的所述磁通的不同大比例部分转向通过，且在图7和8中表示了环怎样运动至这样的位置，在该位置中，来自永磁体的磁通的相当高比例部分(见箭头B)转向通过环，而不是通过所述气隙。

图9示意表示了根据本发明第三实施例的电机，该电机有与图5-8中所示类似的设计，不同之处在于该电机是双侧轴向磁通永磁电机，而不是单侧轴向磁通永磁电机。这里，环35、36表示为处于与图7中的位置相对应的位置，使得来自永磁体的磁通的相当大比例部分转向穿过这些环，而不是通过气隙32。

图10和11示意表示了根据本发明第四实施例的电机，该电机也成轴向磁通电机的形式，但是其中，外部环46分成相对于电机的旋转轴线43可径向运动的两个部件46₁和46₂。在图10所示的位置中，永磁体气隙磁通A将很高，而在图11所示的环形部件46₁、46₂的位置中，该气隙磁通A将较低，且来自永磁体的磁通的相当大部分将引导通过该环，如由箭头B所示。

图12和13表示了根据本发明第五实施例的电机，该电机有成铁磁粉末50形式的所述试剂，该试剂存储在壳体52内部的容器51中，该壳体52包围具有定子绕组54的定子53和具有永磁体56的转子55，该试剂设置成在发生电弧放电时释放，如图13中所示，以便到达气隙57区域，用于通过桥接转子的永磁体的磁极来减小通过气隙的磁通。

一种选择是使用铁作为在容器51内部的所述粉末50，这时颗粒的尺寸很小，优选是在0.1mm和5mm之间。由铁制成的粉末具有在水分进入容器时形成氧化铁的危险，这将使得铁颗粒结块。解决该问题的一种可能方式是涂覆该铁颗粒，例如涂上油漆、塑料等，用于避免氧化和所述结块。也可选择或者另外，可以布置用于保持容器没有水分的装置，且该装置可以产生超压或者包括加热元件或干燥器。容器也可以气密密封，以避免所述水分问题。化学惰性的其它铁磁材料(例如铁素体不锈钢或马氏体不锈钢)也可以用于防止结块，以便不需使用所述装置来保持容器没有水分。

而且，容器优选是由非导电材料制成，例如木材、纸、玻璃或塑料。当容器由导电材料制成时，需要将所述铁磁粉末吹入/吸入气隙内的装置，因为转子/定子的磁场不能进入该容器。

容器将在正常操作状态中锁定或气密密封，并在发生电弧放电时打开。可以使用任何类型的电、化学或机械驱动装置来实现该目的。

也可以有检测发生电弧放电的装置，该装置优选是布置在壳体52内。这种装置可以是能够检测电弧的任何类型传感器，例如任何类型的光检测装置、磁检测装置、活性氧(O3)检测装置。该装置优选是布置成靠近气隙。

装置还可以布置在电机外部，并与电机的至少一个电相线(phase line)连接，以便在电机运行和出现电弧放电时检测在电流或电压中的任何类型明显干扰。检测电弧放电的其它选择是测量其它电参数，例如电阻、电容和/或电感。

而且，用于检测电弧放电的装置将与控制装置连接，该控制装置能够在电弧放电的情况下控制前述铁磁粉末的打开/释放。

最后，图14-17非常示意性地表示了根据本发明第六实施例的电机的一部分，其中，高磁导率材料的杆60可枢轴转动地布置在转子61内，并可相对于转子的永磁体62运动，以便通过改变来自永磁体的磁通由于泄漏而在转子本体中损失的量而改变通过气隙的磁通。更确切地说，在电弧放电的情况下，高磁导率材料的杆60将枢轴转动，以便增加铁桥(iron bridge)，从而使得更多磁通72损失至泄漏。该实施例还设有用于检测电弧放电的装置(如在本发明的其它实施例中)和用于在电弧放电时控制枢轴元件(杆60)的运动的控制装置。枢轴转动杆60可以由例如短销或另一合适部件来保持在图14中所示的正常操作位置。当需要减少磁通时，枢轴转动杆60将从所述销的保持动作释放，然后受离心力的影响而朝向图15中所示的磁通减小位置枢轴转动。离心力将保证杆至少在转子的高转速下采取该位置，即在真正需要减少磁通时。一旦释放，一些或全部杆在低速和中速下处于中间位置还是正常操作位置(图14所示)都无关紧要。

当然，本发明并不局限于上述实施例，而是在不脱离附加权利要求限定的本发明范围的情况下，本领域普通技术人员应当清楚多种可能的变化形式。

使得具有高磁导率的材料的所述至少一个部件设置成相对于转子本体定位(以便使得来自永磁体的磁通通过所述气隙)也在本发明的范围内，该气隙将在制造电机时布置在固定位置，而即使在电机不操作时也不能改变该位置，尽管在许多情况下优选是能够使得所述部件运动，以便改变转向通过它的磁通的比例。

Claims (3)

1.一种电机，包括：

定子(2)，所述定子具有定子本体(3)，定子绕组(4)缠绕在所述定子本体上，其设置成通过电而产生绕定子本体的周边布置的多个定子极，

设置成使得定子绕组与AC电源或接收器(13)连接的连接装置(10)；以及

转子(5)，所述转子相对于定子可旋转地布置，并具有转子本体(6)，所述转子本体具有接收于转子本体中的多个永磁体(8)；

所述转子布置成具有在转子本体(6)和定子本体(3)之间的气隙(14)，并使得磁通在转子本体的永磁体和定子本体的定子极之间通过所述气隙，以便在电机的马达操作中向转子施加驱动扭矩，并在电机的发电机操作中向定子绕组供电，

电机还包括由具有高磁导率的材料构成的试剂(50)，所述试剂设置成相对于转子本体(6)定位成通过使得一部分磁通转向成引导通过所述试剂、而不是从永磁体引导通过所述气隙来减少来自永磁体的磁通通过所述气隙(14)，所述试剂可相对于转子本体(6)在至少两个不同位置之间运动，在所述不同位置中，所述试剂设置成使得来自永磁体的不同大比例部分的所述磁通转向通过所述试剂，电机还包括设置成使所述试剂相对于转子本体(6)在所述不同位置之间运动的运动装置(70)，且所述运动装置(70)设置成当在所述定子绕组或与所述定子绕组连接的任何电缆或设备中产生电弧放电或短路时使得所述试剂(50)相对于转子本体运动至最大地减少通过所述气隙的磁通的位置，其特征在于，所述试剂(50)包括铁磁粉末，所述铁磁粉末储存在壳体(52)内部的容器(51)中，所述壳体包围定子和转子，所述试剂设置成在发生电弧放电时释放，以便到达所述气隙区域，用于通过桥接转子的永磁体的磁极而减少通过气隙的磁通。

2.根据权利要求1所述的电机在驱动装置中的使用，所述驱动装置用于产生有轨车辆的牵引力。

3.一种有轨车辆，所述有轨车辆具有用于产生所述有轨车辆的牵引力的驱动装置，所述驱动装置包括至少一个根据权利要求1所述的电机。

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