CN109417333B

CN109417333B - 电机系统

Info

Publication number: CN109417333B
Application number: CN201780041939.4A
Authority: CN
Inventors: M.施罗德尔
Original assignee: Technische Universitaet Wien
Current assignee: Technische Universitaet Wien
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2017-07-04
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2037-07-04
Also published as: AT518943A1; WO2018006109A1; EP3479462B1; US20190238072A1; CN109417333A; KR20190022740A; AT518943B1; JP2019525698A; EP3479462A1; KR102107477B1; US10608559B2

Abstract

本发明涉及一种具有机械和电气耦合的子电机(1‑4)的电机系统，子电机具有共同的磁性部分和共同的线圈(例如u1,2)并且通过机械传动装置连接，其中，相邻的子电机(1‑6)在大小相同的转速下具有彼此相反的旋转方向，并且机械耦合由同时定义转子转速与传动装置输出转速的传动比的传动函数定义。

Description

电机系统

技术领域

本发明涉及一种具有机械和电气耦合的子电机的电机系统、例如具有优选偶数数量的机械和电气耦合的子电机的电机系统，子电机具有共同的磁性部分和共同的线圈并且通过机械传动装置连接。这种电机系统从US5,780,950A和DE 10 2013 213 847 A1中已知。

背景技术

具有变速档位的电驱动器经常利用电机、例如永磁同步电机或电激励同步电机、异步电机、磁阻电机等来实现，在其输出轴处机械地连接单级或者多级的传动装置。

例如，在DE 4 334 590 A1中公开了一种具有空心轴的电动机，其与具有正齿轮的差速传动装置连接，差速传动装置的一个输出轴由电动机的空心轴引导。然而，正齿轮传动装置具有如下缺点：相应地仅一个齿面对将力或者转矩传递到后面的轴。具有多个行星齿轮的行星齿轮传动装置使得能够将力分配到多个齿面对上，但是其中，为了将力均匀地分配到各个行星上，需要精确的机械制造，因此这种解决方案是高成本的。此外，行星齿轮传动装置中的行星一般在齿面上具有两个接触点，在这些接触点处由于滑动运动产生传动损耗。

从WO 2004/047256 A1中已知一种具有多输出的发电机，其中，在壳体内部围绕主轴安装了两个发电机单元。

此外，在DE 10 2013 213 847 A1或者相应的WO 2015/007441 A2中公开了与下游的传动装置连接的多个电机的布置。在此，提出了对单极转子分别分配多个、例如四个极对。转子在径向上相对于彼此错开地布置。这里，缺点是，所公开的下游传动装置在大小相同的转速下不能实现相邻转子的相反的旋转方向。此外，缺点是，每个转子需要完全成形的定子，因为在定子结构中不能进行减少材料的几何简化。尤其是，所公开的拓扑结构不能是材料减少的有利的三相拓扑结构，例如在具有相应的传动功能的三相定子布置的情况下由四个双极或四极转子构成的三相拓扑结构。

从EP 0721248 A2中已知一种具有多个永磁激励的转子的电驱动设备，对每个转子分配三个定子磁极。这种驱动设备被设置为用于干式剃须刀设备，其中，转子在不相互机械连接的情况下旋转，如在剃须刀设备中常见的。这具有不存在优选增加转矩的变速档位的缺点。

在DE 10 2009 010 162 A1中示出了具有多个转子和共同的定子的另一种布置。在此，多个转子以矩阵的形式布置，其中，所有的轴沿相同的方向旋转，由此需要复杂的定子几何形状。

在US 5,780,950 A中给出了类似的解决方案，其中，多个转子同样与共同的定子相互作用，其中，定子线圈端部分别指向另一个转子。缺点是，所有的转子虽然与一个变速档位机械连接，但是沿相同的方向旋转，因此具备具有波动转矩的单相电机的特性，这导致到连接的传动装置中的不均匀的力矩引入。尤其是不能产生可以为每个子转子馈入均匀的力矩的三相交流布置。

在EP 0678966 A1中给出了具有多个平行转子和作用在多个转子上的磁路的另一种布置。然而，这种几何结构需要复杂的分布式的线圈系统，由此需要非常复杂的定子结构。

最后，在DE 2006 386 C1中也示出了一种与共同的定子系统的旋转场一起起作用的多转子布置。由于矩阵式的布置，没有经济地构造的传动装置能够用于连接转子，并且由于目标应用(离心机)，也不力求实现这种传动装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种如开头描述的电机系统，其中，一方面能够避免上面提到的缺点，另一方面该电机系统基于新的电机结构能够更经济地工作或者运行。

上述技术问题通过根据本发明的电机系统来解决。

因此，本发明提供一种具有多个子电机的布置的电机系统，这些子电机通过传动装置机械地连接。在此，可以实现由子电机构成的电机系统的紧凑的结构，因为由于几何布置可以省去子电机的某些部分，因为相邻的子电机的磁通分量分段地抵消，由此可以节省或者省去磁性活性材料。另一方面，子电机的机械耦合可以以有利的方式实施为具有期望的传动比的机械行星齿轮传动装置，由此相对于由电机和在功能上分离的行星齿轮传动装置构成的离散结构，可以节省或者两次使用行星齿轮传动装置的部件、例如轴承、联轴器和壳体部分。此外，在本电机系统中，与子电机连接的行星齿轮在齿面上仅具有一个触点，由此相对于普通的行星齿轮传动装置，能够显著地减小损耗。

此外，有利的是，子电机与机械制造公差无关地将其产生的部分力矩或力传递到通过直接的机械连接与子电机相关联的行星齿轮上。因此，取消了通过行星上的齿轮划分电机的单个轴转矩，相反，直接由子电机分割转矩。由此，与相关联的单个电机的功率相比，子电机的相应的功率可以被划分为1/n(n＝行星齿轮或者子电机的数量)。除了大大简化的结构之外，由此还得到另外的值得注意的优点：因为根据经验，对于高转速驱动，由于稳定性的原因，主要将圆周速度限制在几百米/秒，因此在子转子的相同的限制的圆周速度下，在相同体积中能够产生明显更多的电功率。例如，如果将转子分成具有相同的总转子面积的四个子转子，则子转子的直径是原始转子的直径的一半。如果在气隙中每单位面积施加相同的特定推力，则原始转子的一半的直径或者一半的周长意味着每个子转子一半的推力。如果乘以原始转子的直径的一半，则每个子转子由此提供原始转矩的四分之一，这种划分在表面中性的

子转子中总计提供相同的转矩，也就是说，通过与原始相同的子转子的转速，可以获得相同的功率。因此，在本系统中，可以以一半的圆周速度实现相同的功率，由此在机械实现中获得很大的优势。因此，原则上，还存在将转速、由此将装机功率翻倍的余量，以达到相同的圆周速度。此外，还有利的是，引起机械耦合的传动功能可以用于显示转子转速与传动装置输出转速的转换比。

此外，有利的是，多电机系统的线圈可以连接成任意股数的三相绕组系统，优选连接成三股的三相绕组系统。

根据一个优选的实施方式，子电机可以是具有永磁激励、电激励和/或磁阻特性的同步运行转子。另一方面，子电机也可以是短路式转子和/或滑环转子形式的异步运行转子。

对线圈系统的控制可以有利地通过电力电子调节元件按照本身已知的用于三相电机的控制方法进行；此外，可以借助计算装置基于数学模型通过无传感器方法确定子电机的平均电转子位置。作为示例，提到AT 508 854 B。此外，数学模型在

M.“Sensorless Control of A.C.machines”,Fortschrittsbericht VDI,Reihe 21,Nr.117(VDI-Verlag Düsseldorf 1992)中给出。

子电机的机械耦合也可以以本身已知的方式进行，从而实现产生的线性运动的执行。

对于简单的设置，也有利的是，在不同方向上旋转的子电机的平均角位置在运行中可以相对于彼此机械地改变。

电机系统可以具有承载一个传动元件或者多个传动元件的轴，其中，所述一个传动元件或多个传动元件将子电机机械地耦合，其中，所述轴与差速传动装置机械地连接；在此，为了节省空间，优选将轴实施为空心轴。

附图说明

下面，借助在附图中示出的优选实施例进一步解释本发明。在附图中的各个图中：

图1示意性地示出了具有四个子电机的电机系统；

图2示出了这种具有四个子电机的电机系统的相对于图1简化的示意性结构；

图3以示意图示出了相对于图1在结构上进一步简化的电机系统；

图4示出了这里仅与外啮合齿轮的机械耦合的示例；

图5示出了变化的行星齿轮传动装置，其中，相关子电机中的相邻子电机的旋转方向反向；

图6a示出了具有四个子电机的电机系统的示意图，其中，这些电机的转子被定向为，使得它们全部具有水平的磁轴；

图6b示出了类似的电机系统的示意图，然而其中，在所有四个子电机中分别产生垂直的磁轴；

图7示出了具有变化的线圈布置的具有四个子电机的电机系统的另一个示意图；

图8示出了具有四个子电机的这种电机系统的进一步变化的示意性布置，现在其中，相应地两个线圈彼此相邻；

图9示出了对应于图8的电机系统的示意图，但是具有三个线圈系统，而不是在图8中示出的两个线圈系统；

图10以图8的系统的进一步发展示出了线性驱动器的示意图；以及

图11示意性地示出了在当前情境下可有利地应用的差速传动装置。

具体实施方式

下面，将双股

和三股

结构从每四个子电机1，2，3，4出发改造为有利地构建的双股或三股行星电机。

在图1中示出了例如具有永磁激励的转子RO1至RO4的四个子电机1，2，3，4。例如根据图1，将转子RO1至RO4磁化，使得分别产生水平的磁化方向N→S，其中，上面的子电机2，3具有从右到左的磁化方向N-S，下面的子电机1，4具有从左到右的磁化方向(根据图1中的图示)。象征性地通过箭头和线简化地绘出了场图像。

现在，如果需要在例如右下的转子RO1在数学上的正方向上旋转90°时，其它转子RO2，RO3，RO4要旋转，使得形成可以相对于初始场图像通过将图1的整个图像旋转90°而产生的场图像，则这在彼此处于对角线的转子、例如RO1和RO3相同地旋转，并且另外两个转子、例如RO2和RO4以相同的角速度反向旋转时实现。这可以一般化为，构建2n(n＝1，2，......)个子电机1，2，3，4......的矩阵，其相邻子电机始终以相同的角速度沿相反方向旋转。通过这种设计规则，可以实现对结构的简化：如果现在使例如四个子电机1至4接触，则在根据图1的子电机1至4的相邻的部分中，相邻的磁通抵消，这在图1中用ΣΦ＝0表示。由此，可以节省或省去相应的磁性部分，从而实现磁路中所需的活性材料的减少，也参见图2，图2示出了简化的原理示意图，而没有示出系统和场线。现在，可以重新布置外部接地区域(Rückschlussbereiche)，而不改变四个子电机1至4的气隙场，由此得到根据图3的布置。在图3中用虚线表示的(根据图1的)“老”结构的区域和场线“改变路线”，由此形成场线的新的(在图3中用实线表示的)路径，例如F2/3和F1/4，而相应的气隙区域中的场图像不改变。此外，在图3中绘出了四个子电机1至4的线圈系统(每个子电机1，2，3和4相应的四个线圈SP1至SP4，即总共16个线圈)。场线的新的路径不改变线圈的磁通交联。现在，可以相应地将流过相同的磁通的相邻的子电机的两个线圈合并为相应的一个线圈，也就是说，例如将图3中的子电机3和4的线圈Sp1和Sp3合并，而这种布置的功能不发生改变。由此，可以以有利的方式将四个子电机1至4的线圈系统从16个线圈减少到总共8个线圈，由此实现比初始结构明显更简单的结构。

替换地，代替在图3中示出的双股结构，还可以推导出具有三股线圈系统的类似的结构。为此，在将图1的结构从双股结构改变为又由四个子电机1至4构成的三股初始结构时进行变更，参见图6a和6b；根据图6a和6b的子电机1至4中的每一个具有三个线圈，根据图6a和6b的初始结构因此总共具有12个线圈。为了更好地进行说明，又从永磁激励的双极转子出发。但是也可以想到其它转子，例如具有纯磁阻特性的转子，具有电激励的转子等。

在图6a中，使子电机1至4的转子RO1至RO4定向，使得它们全部具有水平的磁轴N→S。产生根据图6a的示意性场图像，其中，由于四个子电机1至4的特殊布置，一些子区域由于相互抵消又不流过磁通(在图6a中示例性地针对转子RO1和RO2用ΣΦ＝0表示)。随后省去这些部分。

在图6b中，在所有四个子电机1至4中分别产生了垂直的磁轴N-S。在此，这通过相应地相邻的电机、例如1/2，2/3，3/4和4/1以相反的旋转方向、但是以大小相同的转速旋转+90°或者-90°来实现。

在这种磁场配置中，同样又得到相邻的区域中的磁通抵消(ΣΦ＝0)的电机部分，因此可以省去相应的电磁部件。

沿着子电机1至4的可能的耦合的旋转的任意的磁化可以通过根据图6a和6b的子场的线性组合来产生。现在，如果使子电机1至4相应地接触，并且省去不必要的磁性部分，则得到根据图7的简化的结构。仍然象征性地绘出了原始的线圈(具有线圈u1至u4的股u，股v和w类似)。通过重新布置磁通引导部分，可以在不改变例如子电机1至4的气隙场的情况下获得例如根据图8的进一步简化的结构。沿着磁路移动了线圈，磁通交联不发生改变，使得相应的两个线圈彼此相邻(例如，图8中的u_1,2或w_1,2至w_2,3等)。现在，可以分别将相邻的子线圈合并为单个线圈，由此将线圈的数量从12个线圈减半为6个线圈。

根据图8的三股布置具有以下优点：可以使用常见的三股转换器来控制。相应地属于一股的两个线圈、例如u1至u4等可以选择性地串联或并联连接，因为它们持续地具有相同的磁通交联。但是其也可以用分离的转换器(未示出)来控制，以例如能够实现冗余或者增大的功率。转换器的控制有利地根据本身已知的交流电机的控制方法、例如面向磁场的调节进行，其中，由于本身是已知的，在此可以省去更详细的描述。在此，如果使用所谓的“无传感器”方法，例如本身已知的“

”方法或者EMF方法，则经常可以省去旋转编码器。然后，对于转换器，“多电机系统”在端子特性方面看起来像单个电机一样。

在图8中用虚线绘出了子结构7，子结构7是具有2m个子电机的扩展布置的基本元素，m＝1，2，3，4…。作为示例，在图9中示出了m＝3、即具有三个子结构7.1，7.2和7.3以及六个子电机、例如子电机1至6的布置(为简单起见，未绘出线圈和转子)。由此，例如可以实现具有多个行星的环形电机，或者也可以实现线性驱动器L(参见图10)。在根据图10的具有四个子电机1，2，3，4的示例性的线性驱动器L中，在两侧为齿形的齿条ZS是子电机1至4的机械耦合部。

这两种结构(双股或者三股)的机械耦合可以以相同的方式以形状配合连接、优选以齿轮(替换地以齿形带、链条等)进行。应当注意，在功能与转子角度无关的转子的情况下，例如在异步电机的情况下，也允许摩擦连接。

在图4中给出了仅具有外啮合齿轮12，14的示例。与子电机2和4连接的两个齿轮12和14使得相邻的子电机的旋转方向自动反向。每个小齿轮12，14(在图4中，齿轮实施为双齿轮)可以用于针对从动轴A(在图4中位于布置的中心)实现传动比。

在图5中，相邻的子电机1至4的旋转方向反向分别通过内齿轮和外齿轮P2，P4或者P1，P3实现，其中，一个旋转方向组具有进行外啮合的中心齿轮Z1，另一个旋转方向组具有进行内啮合的中心齿轮Z2，其中，两个组的传动比相同。如果在相同的平面中实现这两个子传动装置，则将啮合到内啮合的中心齿轮Z2中的组向外移动，使得不发生齿轮的碰撞。

子电机1至4的轴于是不再根据图3或图7中的示例性布置处于正方形的角中，而是优选处于菱形Rh的角中(参见图5)，其中，菱形的短对角线上的轴通过行星齿轮P1，P3啮合到外啮合的内齿轮Z1中，并且长对角线上的轴啮合到内啮合的外齿轮Z2。

此外，在图5中作为示例绘出了r1：R1＝r2：R2＝1：6的传动比。原则上，也可以实现相反的结构，即，中心齿轮对的两排齿处于圆环的内侧和外侧(“弯曲成圆环的双面齿条”)。

然后，如果让圆环的半径变为无穷大(直齿条ZS)，则得到线性驱动器，也参见图10。

如果将两个旋转方向组的齿轮布置在不同的平面中(在轴向上错开，必要时也可以布置在子电机的另一侧)，则可以进一步将子电机1至4的轴布置在正方形上(在四个子电机1至4的情况下)，或者一般地布置在等边n角形上。

在一个特别的设计方案中，可以通过合适的机构改变两个旋转方向组之间的相对角度。例如，图5的固定连接的齿轮Z1和Z2可以具有(本身已知的)斜齿啮合，并且可以通过使得齿轮Z1和Z2能够相对于啮合的行星齿轮在轴向上移动的机构在轴向上移动。通过在轴向上移动，借助斜齿啮合，使得两个旋转方向组之间的相对角度扭转。由此，两个旋转方向组相对于彼此扭转，并且以这种方式例如在永磁激励的转子的情况下，可以在没有在技术上常见的减弱场的定子电流部件的情况下实现由几何结构引起的场减弱。由此，例如可以实现在旋转期间具有任意电压、也就是说也具有零电压的永磁同步驱动装置。此外，利用这种轴向移动可能性，还可以附加地实现其它功能，例如停车制动功能、安全功能“零端子电压”等。

在图11的另一个设计方案中，齿轮中的一个Z1或Z2或者机械固定连接的齿轮对Z1/Z2用作差速传动装置D的旋转承载部件，其中优选放置差速传动装置D的两个锥齿轮K1，K2，这两个锥齿轮不与从动轴A1，A2连接。差速传动装置D的两个从动轴中的一个(轴A1)由与齿轮Z1或Z2连接的、实施为空心轴的行星电机的中心轴引导。第二从动轴A2沿相反的方向与第一从动轴A1同轴地离开驱动单元。由此可以实现非常紧凑、节省空间并且低成本的例如用于电动汽车的驱动单元。

Claims

1.一种具有偶数数量的机械和电气耦合的子电机(1-4)的电机系统，所述子电机具有共同的磁性部分和共同的线圈(SP1-SP4)并且通过机械传动装置(P1-P4；12,14)连接，其中，相邻的子电机(1-4)具有在大小相同的转速下相对于彼此相反的旋转方向，其特征在于，相邻的子电机(1-4)的旋转方向反向通过具有相反的旋转方向的相邻的子电机的每个电机对的内和外齿轮(P2,P4或P1,P3)来实现，其中，一个旋转方向组的子电机(1-4)仅具有内齿轮或者外齿轮，其中，一个旋转方向组具有外啮合的中心齿轮(Z1)，外齿轮(P1,P3)啮合到所述外啮合的中心齿轮中，并且另一个旋转方向组具有内啮合的中心齿轮(Z2)，内齿轮(P2,P4)啮合到所述内啮合的中心齿轮中，其中，两个组的传动比相同，并且所述线圈(SP1-SP4)连接成任意股数的三相绕组系统。

2.根据权利要求1所述的电机系统，其特征在于，子电机(1-6)具有永磁激励、电激励或带有磁阻特性的同步运行转子(RO1-RO4)。

3.根据权利要求1所述的电机系统，其特征在于，子电机(1-6)的异步运行转子具有鼠笼转子或滑环转子的形式。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电机系统，其特征在于，通过电力电子调节元件根据用于三相电机的控制方法控制线圈系统。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的电机系统，其特征在于，设置计算装置，所述计算装置用于基于数学模型通过无传感器方法确定子电机(1-6)的平均电转子位置。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的电机系统，其特征在于，在运行中能够以机械方式相对于彼此改变至少两个在不同方向上旋转的子电机(1-6)的平均角位置。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的电机系统，在运行中能够以机械方式相对于彼此改变在不同方向上旋转的所有子电机(1-6)的平均角位置。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的电机系统，其特征在于，承载与子电机机械地耦合的一个或多个传动元件的轴(A₁)与差速传动装置机械地连接。

9.根据权利要求8所述的电机系统，其特征在于，所述轴(A₁)被实施为空心轴。

10.根据权利要求1所述的电机系统，其特征在于，所述绕组系统是三股的绕组系统。