CN109923773A - 电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机(10)，包括：定子(11)，该定子具有至少两个凹槽(12)，在每个凹槽中有导电棒(13)位于其中；和至少两个转子(15、27)，安装为相对于该定子(11)运动。至少两个所述导电棒(13)形成该定子(11)的电绕组(14)，并且被设计为通过供电单元(16)以分开的电相供电。至少两个转子(15、27)具有不同的极对数(p)。

Description

电机

技术领域

本发明涉及一种电机。该电机可包括定子和至少两个相对于定子能运动地安装的转子。

背景技术

电机可被运行为马达或发电机。定子可包括插槽中的电绕组，该电绕组由导电材料形成并且例如具有棒的形状。该电绕组连接于供电单元，该供电单元可为多相的。

定子中的电绕组限定旋转场、磁场的形状，在电机的运行期间，通过给定子中的电绕组通电来产生该磁场。旋转场暂时性地变化，使得在转子中可产生转矩(torque，扭矩)。借助傅里叶(Fourier)分析，旋转场可分解成其谐波分量。在此，旋转场的谐波分量的序数相应于定子的极对数。对同步转子而言，定子和转子的极对数必须相同，使得在电机运行期间于转子中产生转矩。在非同步转子中，旋转场的多个谐波分量可在转子中产生转矩。

在具有电机的车辆中，如果例如左轮和右轮将以不同转速旋转并且将提供不同的向前进给动作(motion)，则为此需要具有两个转换器(converter，变频器)的两个单独的电机。因此，需要车辆中的更多空间和更多能量，以便产生两个轮的不同转速和转矩。

发明内容

本发明要实现的目的是公开一种可有效地运行的电机。

该目的通过独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中给出有利的构型和改进方案。

根据至少一个实施例，电机包括定子，该定子包括至少两个插槽，至少一个导电棒分别位于插槽中。定子可包括一个或多个定子片材，插槽形成在定子片材中。优选地，定子包括多个插槽。导电棒可被再分成子棒(sub-rod)或包括多个棒，并且可例如由铜或铝形成。导电棒可在定子的第一侧上例如经由短路环而彼此导电地连接。导电棒因此在一端处彼此连接，使得这些导电棒形成短路。

根据至少一个实施例，电机包括至少两个相对于定子能运动地安装的转子。定子和至少两个转子可毗邻气隙。转子可设置在定子中或围绕定子设置。定子中的转子和围绕定子的转子的组合也是可能的。至少两个转子可例如包括同步或异步转子，或两者的组合。

根据电机的至少一个实施例，至少两个导电棒形成定子的电绕组，并且被配置为通过供电单元以各自的自身电相供电。因此，定子可以类似于鼠笼式转子的方式被构造，其中短路环仅设置在定子的第一侧。在定子的第二侧，棒连接于供电单元。插槽中的棒可因此针对每个插槽被施加各自的相和各自的磁通势。磁通势在该情况下意味着，例如在绕组的每个棒中，具有不同频率和振幅的电流可叠加。因此可能的是，定子可同时产生多个不同的旋转场。不同的旋转场可例如包括不同的极对数。此外，可能在电机运行期间通过改变棒的通电来改变旋转场。

因为定子中的电绕组被适配为同时产生多个具有不同极对数的旋转场，所以电机的至少两个转子可被彼此独立地驱动。为此，只需一个定子和转换器。在具有一个定子的电机中至少两个转子的独立致动，可例如在车辆中是有利的(如果两个轮以不同转速旋转或产生不同转矩)。当转弯时，这可例如是有利的。此外，至少两个转子可适配于不同的运行并且可按需致动。例如，一个转子可适配于快速驾驶，而另一转子可适配于低速驾驶。在该情况下，不需要第二定子和第二转换器，以便驱动电机的至少两个转子。电机可因此被更有效地运行。

根据电机的至少一个实施例，至少两个转子包括不同的极对数。转子中的极数可例如通过由永磁体所产生的转子中的极数来指定。转子中的极对数因此相应于转子中的极数的一半。因为至少两个转子具有不同的极对数，所以它们与定子的不同旋转场相互作用。这意味着，对于每个转子，定子各自自身的旋转场产生各转子中的转矩。对于同步转子、永久或外部激励转子和磁阻转子，如果定子和转子的极对数匹配，则在转子中只产生一个转矩。对于异步转子(例如鼠笼式转子)，也可能是转子与定子的多个旋转场相互作用。

根据至少一个实施例，电机包括定子和至少两个相对于定子能运动地安装的转子，其中定子的插槽中的至少两个导电棒形成定子的电绕组，并且棒被配置为分别从供电单元供应各自的电相，并且至少两个转子具有不同的极对数。

根据电机的至少一个实施例，定子被设计为产生至少两个具有不同极对数的旋转场，其中至少两个旋转场分别被分配给至少两个转子中的一个。电机还可被设计为产生具有不同频率、振幅和相移的旋转场。由于给电绕组的棒通电，产生至少一个旋转场。通过供电单元单独给棒供电，可产生例如具有不同转速的其他旋转场。这意味着，定子的多个旋转场可叠加。如果转子与旋转场相互作用，也就是说如果通过各旋转场在转子中产生转矩，则旋转场被分配给转子。

根据电机的至少一个实施例，定子适配于分别为至少两个转子产生一个旋转场，其中在定子中的至少其中一个导电棒中，至少两个具有不同频率的电流叠加。具有不同频率的叠加电流可意味着，具有第一频率的用于产生第一旋转场的电流和具有第二频率的用于产生第二旋转场的电流在电绕组的棒中叠加。第一旋转场和第二旋转场可包括不同的极对数。电流可在电绕组的一个或多个棒中叠加。附图的说明中给出在电绕组的棒中电流的叠加的示例。在电绕组的棒中的电流的叠加中，电流的振幅能够动态地适配。此外，不同旋转场彼此相移也是可能的。

为了产生转子的转速，电绕组的棒可分别被通电，使得电流的频率f与转速n的关系如下：

n＝f/p， (1)

其中，p是极对数。为了产生旋转场，棒中的电流彼此相移，即

其中，m表示相的数量，利用这些相产生各旋转场。

根据电机的至少一个实施例，电绕组的至少一个第一导电棒适配为仅产生第一旋转场，而电绕组的至少一个第二导电棒适配为仅产生第二旋转场。这意味着，电绕组的棒可由供电单元单独地供电。优选地，电绕组的多个第一导电棒适配为仅产生第一旋转场，而电绕组的多个第二导电棒适配为仅产生第二旋转场。在其中仅产生一个旋转场的棒中，则没有不同频率的电流叠加。电绕组的棒可因此被分开，以便产生不同的旋转场。还可能产生超过两个的旋转场。例如，电绕组的棒可被交替地分组(divide，分开)，以产生两个旋转场。然而，棒的不同分组方式也是可能的。

根据电机的至少一个实施例，电绕组的第一数量的导电棒适配于产生第一旋转场，而电绕组的第二数量的导电棒适配于产生第二旋转场。还可能的是，利用不同数量的棒产生超过两个的旋转场。

根据电机的至少一个实施例，不是每个导电棒都有助于一个或多个旋转场的产生。因此电绕组的棒可能未被激活(deactivate)。

根据电机的至少一个实施例，至少一个转子适配为只与定子的一个旋转场相互作用。这意味着，至少两个转子中的至少一个转子是同步转子。这意味着，如果转子和定子的极对数匹配，则只在同步转子中产生转矩。这意味着，转子和定子只在该情况下彼此相互作用。

根据电机的至少一个实施例，至少两个转子设置在至少两个同轴的轴上，使得至少两个转子可彼此独立地旋转。在该情况下，同轴意味着至少两个转子可围绕共同的轴线旋转。在此，至少两个轴可例如是实心轴和至少一个空心轴。转矩则可例如经由类似于双离合变速器的齿轮级被传送到驱动轴上、传送到车辆的轮。这意味着，如果为定子中的转子设定不同的旋转场，则至少两个转子可彼此独立地旋转。

根据电机的至少一个实施例，至少两个转子抗扭地设置在轴上。这意味着，至少两个转子可仅以相同转速同时旋转。例如这在不同转子被设计为有效地运行以用于不同状况的情况下是有利的。例如，第一转子可被设计为有效地用于车辆的快速加速，而第二转子被设计为有效地用于低速和恒速驾驶。在此，两个转子可被同时致动，或者可能选择转子中的一个。例如，同步和异步转子可设置在轴上。

根据电机的至少一个实施例，至少一个第一转子是外部转子和/或至少一个第二转子是内部转子。外部转子围绕定子设置，而内部转子设置在定子中。还可能是内部转子和外部转子的组合。

根据电机的至少一个实施例，至少两个转子沿着连接轴线具有不同长度。因此可能产生较强和较弱的局部驱动。还可能是不同转子彼此组合，这些转子例如被设计为不同运行模式，例如快速或低速驾驶和加速等。此外，较短的转子可与转矩矢量单元用于差速齿轮。在此，例如不同转矩被施加到车辆的两个轮。较短的转子在该情况下不直接作用于该车辆的轮上，而是作用于差速(齿轮)，以便有助于产生不同转矩。

根据至少一个实施例，电机包括至少一个如下转子或如下转子的组合：

-异步转子，

-具有永磁体的转子，

-外部激励的同步转子，

-用于开关磁阻机的转子，

-用于同步磁阻马达的转子。

因此还可能的是，电机包括几个上述转子的组合。

电机可例如包括两个鼠笼式转子，也就是说异步转子，这些异步转子与相同的定子的第一极对数相互作用。在此，在鼠笼式转子的插槽中，导电棒对于两个鼠笼式转子可分别具有不同的倾斜(cant，斜面)。因此可能的是，第一鼠笼式转子附加地与定子的第二极对数相互作用，而第二鼠笼式转子附加地与定子的第三极对数相互作用。定子的旋转场可被设定为，使得旋转场的转速与第二极对数超同步，旋转场的转速与第三极对数亚同步。因此，第一鼠笼式转子上的转矩增加，而第二鼠笼式转子上的转矩减小，使得电机可用作差速齿轮。

附图说明

下面参照示例性实施例和附图来进一步说明此处所述的电机。

图1示出具有一个定子和两个转子的电机的示例性实施例的剖视图。

图2示出具有12个插槽的定子的磁场的示例性频谱。

图3和图4示出定子的示例性实施例。

图5A至图5C示出两个转子的示例性实施例的不同视图。

图6A至图6E示出设置在两个轴上的两个转子的不同示例性实施例。

图7A至图7C示出设置为内部转子和外部转子的转子的示例性实施例。

图8A和图8B示出具有不同长度的两个转子的示例性实施例。

图9A和图9B示出设置在一个轴上的两个转子的示例性实施例。

图10示出通过具有八个插槽的定子的示意性横截面。

图11A至图11D示出电绕组的棒中的电流部分的示例性曲线。

图12A至图12C和图13示出电绕组的棒中的另外的电流供电。

具体实施方式

图1示出具有一个定子11和两个转子15的电机10的示例性实施例的剖视图。定子11包括叠层定子芯17，插槽12形成在该叠层定子芯中。定子11的电绕组14位于定子11的插槽12中。为此，导电棒13设置在定子11的每个插槽12中。导电棒13因此形成定子11的电绕组14，并且被配置为通过供电单元16以各自的自身电相供电。两个转子15设置在定子11中，这两个转子相对于定子11能运动地安装。两个转子15均形成有埋入的永磁体23。转子15同轴地设置在两个轴18上。在此，第一转子15设置在实心轴19上，第二转子27设置在空心轴20上。于是，两个转子15、27的转矩可例如经由类似于双离合变速器中的齿轮级被传送到车辆的轮。两个转子15、27包括不同的极对数p。定子11中的棒13在定子11的第一侧与短路环21电连接在一起。在其他示例性实施例中，电机10可能包括其他的转子15，这些其他的转子位于其他的空心轴20上。

图2示出在定子11运行期间的具有插槽12的定子11的磁场的示例性频谱。由定子11产生的磁场的形状取决于定子11的电绕组14。磁场可通过傅里叶分析被分解成其谐波分量并且被表现在频谱中。在图2中，对于磁场的不同谐波分量，以不同的序数z标绘磁通势M。相关的定子11包括具有12个插槽的绕组拓扑。在图2中，磁通势M被标准化成具有序数(ordinal number，次数)z＝5的谐波分量的磁通势M。具有极对数p为五或七的转子15可因此与具有所示频谱的定子11最有效地运行。频谱中的不用于形成转矩的所有其他分量产生额外的损失。因此，具有五个极对的转子15可在这种情况下被最有效地运作。

还可能的是，利用该定子11来驱动具有不同极对数p(即5和7)的两个转子15、27。有利地，转子15是永久地或外部激励(externally exited)的同步转子，这些转子分别只与定子11的一个极对数p相互作用。两个转子15、27可适配为内部转子24或外部转子25。两个转子15、27可因此取决于所选的电流频率f而以不同转速n旋转。转速n由电流频率f和各转子15的极对数p指定：

n＝f/p。(1)

然而，在不改变电绕组14的情况下不可能改变定子11的极对数p。

图3示出定子11的示例性实施例。定子11包括叠层定子芯17，插槽12形成在该叠层定子芯中。导电棒13位于每个插槽12中。棒13在定子11的第一侧上通过短路环21彼此电连接。在定子11的第二侧上，棒13没有短路环21。

图4示出定子11的示例性实施例，该定子连接于供电单元16。插槽12中的棒13可通过供电单元16单独地供电。在该示例性实施例中，插槽12被设计为朝向定子11的内部开放。每个插槽12因此包括朝向定子11内部的开口22。

图5A示出通过第一转子15的示例性实施例的横截面。转子15的磁极由埋入的永磁体23形成。该转子15的极对数p总计为三。

图5B示意性示出两个转子15、27在两个轴18上的布置。第一转子15位于空心轴20上，第二转子27位于实心轴19上，使得两个转子15、27可彼此独立地旋转。

图5C示出第二转子27的示例性实施例的横截面。磁极也通过第二转子27中的永磁体23产生。第二转子27的极对数p总计为四。

图6A示出外部激励的两个转子15、27的示例性实施例。转子15、27设置在实心轴19和空心轴20上。每个转子15、27包括电绕组14。

图6B示出两个转子15、27的另一示例性实施例。两个转子15、27是具有埋入的永磁体23的同步转子。由于转子15、27中的不同数量的永磁体23，转子15、27具有不同极对数p。

图6C示出两个转子15、27的另一示例性实施例，这些转子是具有不同极对数p、用于开关磁阻机的转子。

图6D示出两个转子15、27的另一示例性实施例，这些转子是同步磁阻转子。在该示例性实施例中，两个转子15、27也具有不同的极对数。

图6E示出两个转子15、27的另一示例性实施例。在该情况下，第一转子15是永磁体转子，第二转子27是同步磁阻转子。永磁体转子的极对数p总计为三，同步磁阻转子的极对数p总计为二。

图7A示意性示出通过两个转子15、27的横截面。第一转子15适配为内部转子24并且设置在实心轴19上。第二转子27作为外部转子25通过保持器26围绕定子11设置。定子11未示出。外部转子25通过保持器26设置在空心轴20上。内部转子24和外部转子25可因此彼此独立地旋转。

图7B示出与图7A相同的布置。内部转子24设置在实心轴19上，外部转子25通过保持器26设置在空心轴20上。定子11和空心轴20未示出。

图7C示出两个转子15、27的示例性实施例，其中两个转子均适配为外部转子。第一转子通过第一保持器26设置在空心轴20上。第二转子27通过另一保持器26设置在实心轴19上。两个转子15、27可因此彼此独立地旋转。在此也未示出定子11。

图8A示出两个转子15、27的另一示例性实施例。在该情况下，两个转子15、27具有沿着轴19、20的不同长度。两个转子15、27是永磁体转子，然而具有不同的极对数p。

图8B以平面图示出图8A的示例性实施例。较短的转子15设置在实心轴19上，较长的转子27设置在空心轴20上。

图9A示出两个转子15、27的示例性实施例，其中不同长度的两个转子15、27设置在轴18上。第一转子15是永磁体转子，第二转子27是异步转子。还可能的是，将其他同步转子与异步转子组合在共同的轴18上。其他同步转子可例如是外部激励的同步转子、用于开关磁阻机的转子或用于同步磁阻马达的转子。异步转子则可适配为例如用于具有低极对数p的旋转场，同步转子可适配为用于具有较高极对数p的旋转场。还可能的是，将两个同步转子设置在一个轴18上。

有利地，如果例如第一转子15适配为有效地用于快速加速车辆，则将两个转子15、27设置在一个轴18上，并且第二转子27适配为有效地用于低速和恒速驾驶。在此，两个转子15、27可被同时地致动，或可以选择转子15、27中的一个。

图9B示出图9A的示例性实施例的平面图。

图10示出通过具有八个插槽12的定子11的横截面。导电棒13位于每个插槽12中，该导电棒由供电单元16单独地供电。也就是说，每个棒13可以各自的自身电相供电，还可能具有在棒13中叠加的不同频率f的电流I。因此，可能利用棒13来设定八个相。这八个相编号为1至8。此处仅作为示例而选择八个插槽12的数量。在其他示例性实施例中，其他数量的插槽12是可能的。

图11A标绘图10中示出的定子11中的八个棒13中的电流部分的示例性曲线。电流I被标准化为一，并且在时间t上以秒为单位标绘。针对指定的转速的n，可利用等式1确定频率f。也就是说，图11A示出产生第一旋转场的八个相的电流部分。在该情况下，设定1Hz的转速n。相邻的相之间的相移由等式2指定。在该示例中，第一转子15包括两个极。在一秒内，第一转子15则旋转一次。

在图11B中，示例性标绘用于产生第二旋转场的八个相的电流部分的曲线。因为第二转子27包括四个极，所以每个极的频率f在该情况下加倍。在图11B中只示出四个曲线，因为每两个相的曲线重叠。

图11C示出用于产生第一旋转场和第二旋转场的八个相的电流部分的叠加。图11C则示出图11A和图11B的电流部分的叠加。在此，电流部分的振幅被减半，以便不引起任何太高的电流。可根据所需的转矩来动态地调整振幅。

图11D示出仅对于一个相(也就是说对于一个棒13)的用于产生第一旋转场和第二旋转场的电流部分的叠加。所叠加信号的振幅在该情况下也被适配，使得没有太高的电流出现。此外，用虚线示出用于产生第一旋转场的电流I，用点划线示出用于产生第二旋转场的电流I。用实线示出两个部分的叠加。在该情况下，两个旋转场之间没有相移。然而，也可能在两个旋转场之间存在相移。

图12A示出八个相中的四个相的电流部分。在该情况下，这些相被分开，使得八个相中的四个相产生第一旋转场，而其他四个相产生第二旋转场。根据图10的编号，在图12A中示出相1、3、5和7的电流部分。也就是说，只有这四个相产生第一旋转场以用于具有两个极的第一转子15。因此，电流部分之间的相移是图11A的两倍高。

在图12B中，示出其他四个相的电流部分。相2、4、6和8产生第二旋转场以用于具有四个极的第二转子27。在其他示例性实施例中，相可能以不同的方式被分开。还可能的是，不同数量的相有助于旋转场的产生，或这些相以其他任意方式被分开。

用于分开相以用于产生两个不同旋转场的其他示例是：第一旋转场由相1、2、3和4产生并且第二旋转场由相5、6、7和8产生，或者第一旋转场由相1、2、3、4和5产生并且第二旋转场由相6、7、8产生。

图12C示出用于产生两个旋转场的电流部分。在该情况下，第一旋转场由相1、2、5和6产生，第二旋转场由相3、4、7和8产生。用于产生第一旋转场的电流I示出为实线，并且用于产生第二旋转场的电流I以虚线的方式示出。

图13示出用于产生两个旋转场的电流部分。在该情况下，八个棒13中只有三个棒是激活的(active)，其中相1仅有助于产生第一旋转场，相2仅有助于产生第二旋转场，而相7有助于产生两个旋转场，但具有一半的振幅。在相7的电流部分中，用于产生第一旋转场和第二旋转场的部分叠加。因此，可能的是，每个相有助于产生一个或多个旋转场。

通常，针对每个棒k，在两个旋转场A、B的情况下，各自的电流I_K由以下等式指定：

其中k＝1…m并且m表示相的数量。各电流部分的振幅可通过预因素C_k调整。在图13的示例中，预因素总计为：

C_A＝[1 0 0 0 0 0 0.5 0]和C_B＝[0 1 0 0 0 0 0.5 0]。

针对每个相的电流也可指定为用于超过两个的旋转场。

附图标记列表：

10：电机

11：定子

12：插槽

13：棒

14：电绕组

15：转子

16：供电单元

17：叠层定子芯

18：轴

19：实心轴

20：空心轴

21：短路环

22：开口

23：永磁体

24：内部转子

25：外部转子

26：保持器

27：第二转子

M：磁通势

f：频率

I：电流

n：转速

p：极对数

t：时间

z：序数

Claims (14)

1.一种电机(10)，包括：

-定子(11)，所述定子包括至少两个插槽(12)，分别有一个导电棒(13)位于所述插槽中，以及

-至少两个转子(15、27)，相对于所述定子(11)能运动地安装，其中，

-所述至少两个导电棒(13)形成所述定子(11)的电绕组(14)，并且被配置为通过供电单元(16)以各自的自身电相供电。

2.根据权利要求1所述的电机(10)，其中，所述至少两个转子(15、27)能被彼此独立地控制。

3.根据前述权利要求中任一项所述的电机(10)，其中，所述至少两个转子(15、27)具有不同的极对数(p)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电机(10)，其中，所述定子(11)被适配为产生至少两个具有不同的极对数(p)的旋转场，其中，所述至少两个旋转场分别被分配至所述至少两个转子(15、27)中的一个。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电机(10)，其中，所述定子(11)被适配为，通过在所述定子(11)中的所述导电棒(13)的至少一个中叠加至少两个具有不同频率(f)的电流(I)，为所述至少两个转子(15、27)分别产生至少一个旋转场。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电机(10)，其中，所述电绕组(14)的至少一个第一导电棒(13)被适配为仅产生第一旋转场，并且所述电绕组(14)的至少一个第二导电棒(13)被适配为仅产生第二旋转场。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电机(10)，其中，所述电绕组(14)的第一数量的导电棒(13)被适配为产生第一旋转场，并且所述电绕组(14)的第二数量的导电棒(13)被适配为产生第二旋转场。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电机(10)，其中，不是每个所述导电棒(13)都用于产生一个或多个旋转场。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电机(10)，其中，至少一个转子(15)被适配为只与所述定子(11)的一个旋转场相互作用。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电机(10)，其中，所述至少两个转子(15、27)设置在至少两个同轴的轴(19、20)上，使得所述至少两个转子(15、27)能彼此独立地旋转。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的电机(10)，其中，所述至少两个转子(15、27)共旋转地设置在轴(18)上。

12.根据前述权利要求中任一项所述的电机(10)，其中，至少一个第一转子(15)是外部转子(25)和/或至少一个第二转子(27)是内部转子(24)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的电机(10)，其中，所述至少两个转子(15、27)沿着连接轴线具有不同长度。

14.根据前述权利要求中任一项所述的电机(10)，所述电机包括至少一个如下转子(15)或如下转子的组合：

-异步转子，

-具有永磁体(23)的转子，

-外部激励的同步转子，

-用于开关磁阻马达的转子，

-用于同步磁阻马达的转子。