CN112751459B - 电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尤其是用于机动车辆的电机(1)。电机(1)包括壳体(2)，壳体被设计成开口的并且部分地围绕壳体内部(3)。电机(1)还包括转子(5)，转子相对于壳体(2)可旋转调节地布置在壳体内部(3)中。电机(1)还包括定子(4)，定子相对于壳体(2)位置固定地布置在壳体内部(3)中，并且包括带有可通电定子绕组(6)的多个磁场线圈(40)。为了给定子绕组(6)通电，励磁线圈(40)能够被电连接到或被连接到功率电子系统(7)。根据本发明，功率电子系统(7)包括用于冷却功率电子系统(7)的冷却板(15)，并且由功率电子模块(80)形成，该功率电子模块与壳体(2)分开形成并能插入到壳体内部(3)中。

Description

电机

技术领域

本发明涉及一种电机。

背景技术

电机作为机动车辆中的驱动系统而具有多种应用可能性。这种电机通常包括可旋转调节的转子和定子，其中，定子通过磁性相互作用来驱动转子。为此目的而所需要的磁场通常借助多个磁场线圈产生在定子侧上，该用于产生电场的多个磁场线圈包括可通电的定子绕组。磁场线圈的激励通常借助于包括半导体开关的功率电子系统来实现。该功率电子系统，尤其是其半导体开关会在运行期间产生废热，必须将该废热从功率电子系统中消散以避免其因过热而损坏。

因为在电机中，尤其是用于车辆应用的电机中仅有很小的安装空间可利用，因此功率电子系统的有效冷却经常存在问题。

本发明的目的是示出改进这种电机的新方法。特别地，将创建一种电机，利用该电机能够部分或完全消除上述列出的关于电机，尤其是其功率电子系统的冷却的问题。

所以，本发明的基本思想是模块化地构造电机，并且为电机配备了功率电子模块，该功率电子模块与带有定子和转子的壳体分开形成。根据本发明，将功率电子模块设计为用于插入到壳体中。功率电子模块的模块化结构允许为该功率电子模块提供冷却板形式的冷却装置，借助于该冷却装置能够消散由功率电子系统产生的废热。因此，能够有利地彼此独立地实现对功率电子系统和同样产生废热的定子的冷却。

除此之外，冷却板能够用作导体板或电路板的基底，在其上能够布置半导体开关以及功率电子系统所需的其他电气和电子组件。

使用模块化功率电子系统的另一优点在于，在维修或修理的情况下，通过从壳体上移除功率电子模块，就能够容易地更换功率电子系统的组件，尤其是更换其半导体开关。

发明内容

根据本发明的尤其是用于机动车辆的电机包括壳体，该壳体被设计为开口的并且部分地围绕壳体内部。在壳体内部布置有定子和转子。

定子是位置固定的，而转子则相对于壳体可旋转地布置在在壳体内部中。定子包括带有可通电定子绕组的多个磁场线圈或包括可通电定子绕组的多个磁场线圈。通电后，磁场线圈产生磁场，通常产生偶极子磁场。流过定子绕组的电流的电流方向的变化伴随着由磁场线圈产生的磁场的磁极反转，即磁性南极被磁性北极代替，反之亦然。磁场也能够由转子产生，这是因为在转子上设置有永磁体或(类似于定子的)磁场线圈。借助于定子产生的(定子)磁场和转子产生的(转子)磁场之间的磁相互作用，能够使转子旋转。

根据本发明的电机包括用于对定子绕组通电的功率电子系统。功率电子系统能够连接到外部电压源。除此之外，功率电子系统能够包括多个半导体开关，借助于该多个半导体开关能够控制定子绕组的通电。功率电子系统被设计为与壳体分开形成的功率电子模块的形式。根据本发明，壳体和功率电子模块形成为或彼此匹配为使得能够将功率电子模块插入到壳体内部中。当再次将功率电子模块从壳体中移除时，就能够以相应简单的方式将其从壳体内部中再次取出。在定子绕组插入到壳体中的状态下，定子绕组电连接至功率电子系统。因此，能够对定子绕组进行通电。当从壳体移除功率电子模块时，该电连接中断。因此，以非常简单和用户友好的方式实现了插入壳体中的功率电子模块与电机运行所需的磁场线圈的定子绕组之间的电连接。

根据优选实施例，功率电子模块包括用于冷却功率电子系统的冷却板。在具有适当尺寸的情况下冷却板也能够具有所需的机械刚度，以便能够将功率电子模块无损地插入到壳体中。

实际中，功率电子模块包括导体板或电路板，在导体板或电路板上布置有用于对定子绕组通电的电气/电子半导体开关。利用这种导体板或电路板，能够以灵活的方式来实现用于激励定子绕组的电子开关电路，该电子开关电路能够由用户具体配置。在本文中，开关电路能够单独地与不同类型的定子匹配，该不同类型的定子尤其在定子绕组的数量和配置上彼此不同。

特别地有利地，导体板或电路板布置在冷却板的背离转子的顶部上，使得布置在导体板上的半导体开关热连接到冷却板，以消散在运行期间产生的废热。所述导体板/电路板能够由附加的导体板/电路板来补充，该附加的导体板/电路板与导体板/电路板间隔开地布置在导体板/电路板的背离转子的顶部上。以这种方式，获得了用于另外的开关电路的附加的安装空间。导体板/电路板以及附加的导体板/电路板的间隔布置能够利用间隔元件来实现，借助于该间隔元件能够将导体板/电路板和附加的导体板/电路板固定到彼此。

特别优选地，在冷却板中形成有供(第一)冷却剂流过的至少一个(第一)冷却通道。(第一)冷却通道被配置成使得被引导通过该(第一)冷却通道的(第一)冷却剂能够通过热传递的方式从导体板吸收并消散在运行期间由半导体开关产生的废热。以这种方式，能够确保功率电子模块的有效冷却。

特别优选地，在壳体中或壳体上形成有用于供(第二)冷却剂流过的(第二)冷却通道。(第二)冷却通道被配置成使得被引导通过该(第二)冷却通道的(第二)冷却剂能够通过热传递从定子吸收并消散在运行期间由定子绕组产生的废热。以这种方式，能够确保定子绕组的(尤其是独立于功率电子模块冷却的)有效冷却。

根据有利的另一改进方案，至少一个第一冷却通道和至少一个第二冷却通道分别是彼此流体分离的两个冷却回路的一部分。以这种方式，能够彼此独立地对用于冷却功率电子模块和定子绕组所需的冷却能力进行调节，并在需要时进行改变。除此之外，可以使用两种不同的冷却剂或温度水平。尤其是使用两个不同的温度水平是可行的，因为与定子绕组相比，电子组件通常具有明显更高的温度灵敏度。

实际中，壳体能够具有空心圆柱体的几何形状，其中将至少一个端面设计为开口的。显然，两个端面都能够被设计为开口的。然而，也能够想到壳体的罐状设计，其中第一端面被设计为开口的，并且在轴向上与第一端相反定位的第二端面被设计为封闭的。在这种情况下，第二端面形成罐底，并且周向壁形成壳体罐的罐套。对于这两种变型方案，都能够通过形成壳体开口的开口(第一)端面将功率电子模块轴向地插入。

实际中，在定子绕组上，尤其是在它们的绕组端上提供有电连接件，在功率电子模块插入到壳体中的情况下，经由该电连接件，定子绕组能够电连接至功率电子模块。以这种方式，能够实现定子绕组与功率电子模块的特别简单的电气布线。

根据有利的另一改进方案，在壳体的内侧上设置有轴向止挡件，借助于该轴向止挡件限定了功率电子模块插入到壳体内部的轴向期望位置。在功率电子模块的期望位置处，定子绕组特别优选地电连接到功率电子系统。

根据进一步有利的另一改进方案，定子是带有第一相、第二相和第三相的三相设计。在该另一改进方案中，三相中的每一相都包括至少一个定子绕组。每个定子绕组进而又具有第一绕组端和第二绕组端。每个第一相的定子绕组以其第一绕组端电连接至剩余两个相的两个定子绕组的第一绕组端。在该另一改进方案中，为每个定子绕组提供有串联电连接的两个半导体开关。这两个半导体开关不仅彼此电连接，而且还经由在两个半导体开关之间的电气连接处提供的电气分支连接至被分配到两个半导体开关的定子绕组的各自的第二绕组端。

优选地，三相中的每一相包括彼此电并联布线的至少两个定子绕组。特别优选地，三相中的每一相分别包括四个定子绕组。

特别优选地，三相的定子绕组沿定子的周向方向彼此相邻地交替布置。

优选地，至少一个功率晶体管是场效应晶体管。特别优选地，功率电子模块的所有功率晶体管均由场效应晶体管形成。然而，根据功率电子模块的功率等级，也能够想到替代地使用双极晶体管和相应的续流二极管。

本发明的其他重要特征和优点能够从从属权利要求、附图以及根据附图的相关附图说明中获得。

应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，以上提到的并且仍将在下文说明的特征不仅能够以所述的各个组合使用，而且能够以其他组合或者单独使用。

附图说明

在附图中示出了本发明的优选的示例性实施例，并且在下面的说明中对其进行更详细地解释。

分别示意性地：

图1以示意性截面图示出了根据本发明的电机1的示例，

图2示出了功率电子模块的半导体开关的特别有利的电气布线的示例，

图3示出了在垂直于转子的旋转轴线的横截面中的定子的定子绕组6的优选布置。

具体实施方式

图1以示意性截面图示出了根据本发明的电机1的示例。电机1包括壳体2，该壳体被设计为开口的并且部分地围绕壳体内部3。

壳体2具有空心圆柱体的几何形状。在这种情况下，轴向方向A沿着空心圆柱形壳体的中心纵向轴线M延伸。径向方向R远离中心纵向轴线M垂直延伸，并且因此也垂直于轴向方向A。既垂直于径向方向R又垂直于轴向方向A的周向方向U围绕中心纵向方向M延伸。因此，壳体2包括沿周向方向U延伸的周向壁10，其中空心圆柱体或壳体2的两个端面11a、11b中的至少之一被设计为开口的。

此外，电机1包括转子5，该转子5相对于壳体2可旋转调节地布置在壳体内部3中。转子5能够由多个永磁体12来形成，该永磁体12沿周向方向U以交变磁极化方式布置并产生(转子)磁场。由于永磁体12沿周向方向U的交变磁极化，磁性北极沿周向方向U跟随在磁性南极S之后，在北极之后又跟随有磁性南极S，以此类推。在图1中，仅粗略地示意性地示出了永磁体12。永磁体12不可旋转地连接至沿轴向方向A延伸的转子轴28，该转子轴借助于合适的轴承(图1中未示出)而可旋转调节地安装在壳体上。转子轴28的纵向中心轴线限定了转子5的旋转轴线，该旋转轴线因此在轴向方向A上延伸。

在该示例的变型方案中，能够考虑使用所谓的励磁线圈代替永磁体12，该励磁线圈是可通电的并且在恒定通电情况下同样会产生磁场(为了清楚起见未在图中示出)。

电机1另外包括定子4，该定子4相对于壳体2可旋转调节地布置在壳体内部3中。定子4包括多个磁场线圈40，每个磁场线圈具有可通电的定子绕组6。磁场线圈40能够被直接地或间接地固定到壳体2。定子绕组6(类似于定子4的永磁体12)沿周向方向U彼此相邻并间隔开地布置。在运行期间，即当通电时，定子绕组6产生(定子)磁场，该磁场与转子5的转子磁场产生磁场相互作用，以驱动转子5。

磁场线圈40的定子绕组6彼此匹配，使得定子绕组6沿周向方向U(类似于定子4的永磁体12)交替产生定子磁场的南极和北极。通过在定子绕组6中产生周期性的交变电流，能够实现用于驱动转子5所需的定子磁场的磁极反转。

为了实现这种通电，至少在电机1的运行期间，将定子绕组6电连接至功率电子系统7。如图1中示意性地用附图标记25标记的箭头所示，功率电子系统7形成为能够插入到壳体内部3中的功率电子模块8，该功率电子模块8与壳体2分开形成。在本文中，被设计为开口的端面11a形成与功率电子模块8匹配的壳体开口26，从而使得功率电子模块8在穿过壳体开口26并且在插入期间径向向外紧贴周向壁10的内侧。

根据图1，在定子绕组6上存在电连接件13。当功率电子模块8插入到壳体内部3中时，定子绕组6通过这些电连接件13电连接至功率电子模块8。为此目的，能够在功率电子模块8上提供电连接件14，该电连接件14分配给存在于定子绕组6上的连接件13。当功率电子模块8插入到壳体2中并因此布置在壳体内部3中时，定子绕组6的电连接件13分别电连接至分配给该电连接13的功率电子模块8的电连接件14。

功率电子模块8能够包括用于冷却功率电子系统7的冷却板15。同样地，功率电子模块8能够包括导体板或电路板16，在该导体板或电路板16上布置有用于对单个定子绕组6进行可控通电的多个电气/电子半导体开关17。优选地，半导体开关是功率晶体管31，其尤其优选地由场效应晶体管形成。

实际中，导体板或电路板16布置在冷却板15的背离转子5的顶部18上。带有半导体开关17和冷却板15的导体板或电路板16被形成为并彼此匹配为使得在电机1的运行期间由布置在导体板或电路板16上的半导体开关17产生的废热能够利用冷却板15消散。为此，第一冷却通道19能够形成在冷却板15中，在电机1的运行期间，该第一冷却通道供第一冷却剂流过。以这种方式，被引导通过第一冷却通道19的第一冷却剂能够通过热传递从导体板或电路板16吸收并消散在运行过程中由半导体开关17产生的废热。

在电机1的运行期间，不仅半导体开关17产生热量，而且通电的定子绕组6也产生热量。为了也消散来自电机1的这种热量，在壳体2中形成第二冷却通道20，该第二冷却通道20能够供第二冷却剂流过。以这种方式，被引导通过第二冷却通道20的(第二)冷却剂能够通过热传递从转子吸收并因此消散在运行过程中由定子绕组产生的废热。第一冷却通道19优选地沿周向方向U延伸。第二冷却通道20同样地能够沿周向方向U延伸。

为了能够单独地调节由第一冷却剂和由第二冷却剂产生的冷却能力，第一冷却通道19是第一冷却回路21的一部分，并且第二冷却通道是第二冷却回路22的一部分，该第二冷却回路22与第一冷却回路21流体分离地形成。第一冷却通道19和第二冷却通道20因此不会彼此流体连通。这尤其使得能够引导与通过第二冷却回路22的第二冷却通道20的冷却剂相比不同的冷却剂通过第一冷却回路21的第一冷却通道19。

从图1还可以明显看出，能够在壳体2的周向壁10的内侧23上提供有轴向止挡件24。借助于该轴向止挡件24，限定了功率电子模块8插入到壳体内部的轴向期望位置。轴向止挡件24例如能够由从壳体2的周向壁10径向向内突出的一个或多个突起部形成，或者由从部分或整个周向壁10沿周向方向U径向向内突出的轴环或腹板30形成。有利地，轴向止挡件24被一体地模制在周向壁10上。

图1示出了功率电子模块8未处于期望位置，而是将其插入到壳体内部3中时的快照，即在功率电子模块8到达轴向止挡件24之前并因此到达期望位置之前时的快照。处于期望位置时，功率电子模块8被布置在壳体内部3中，使得定子绕组6的电连接件13分别电连接至功率电子模块8的被分配给电连接件13的电连接件14。

所述导体板/电路板16能够由附加的导体板/电路板36来补充，该附加的导体板/电路板与导体板/电路板36间隔开地布置在导体板/电路板16的背离转子的顶部18上。以这种方式，能够获得用于另外的开关电路和另外的电子组件(在图1的示例中，多个电容器41示例性地布置在附加的导体板/电路板36上)的附加的安装空间。能够借助于间隔元件37实现导体板/电路板16以及附加的导体板/电路板36的间隔布置，借助于该间隔元件能够将导体板/电路板16和附加的导体板/电路板36固定到彼此。

图2示出了根据本发明的用于电机1的半导体开关17或功率晶体管31的有利的电气布线，其中定子4形成为带有三相，即具有第一相U、第二相V和第三相W。在图2的示例中，三相U、V、W中的每一个相都具有四个磁场线圈40或定子绕组6，从而电机1的定子4总共配备了12个磁场线圈40或定子绕组6。根据图2，每个磁场线圈40或定子绕组6具有第一绕组端29a和第二绕组端29b。如图2的类似电路图的图示所示，三个不同相U、V、W的定子绕组6或磁场线圈40的三个第一绕组端29a彼此电连接。

对于每个磁场线圈40或定子绕组6，提供了串联电连接的两个功率晶体管31，这两个功率晶体管31形成晶体管对32。因此，三相U、V、W中的每个都被分配了四个晶体管对32。对于三相U、V、W中的每一个相，均提供了公共电压源33a、33b、33c，该公共电压源为每个相U、V、W的晶体管对32提供电能。每个相U、V、W的四个晶体管对以并联电路34的形式电连接到分配给它们的电压源33a、33b、33c。每个晶体管对32经由电气分支35连接至分配给两个功率晶体管的磁场线圈40或定子绕组6的第二绕组端29b，该电气分支电布置在各个晶体管对32的两个串联连接的功率晶体管31之间。

图3示出了电机1中的定子4的定子绕组6的可能的优选布置。为此，图3以垂直于轴向方向A的横截面示出了电机1。根据图3，三相U、V、W的定子绕组6沿定子4或转子5的周向方向U彼此相邻地交替布置。在周向方向U上相邻的两个磁场线圈40或定子绕组6能够具有彼此相反的绕组方向W。因此，在周向方向U上相邻的两个磁场线圈40或定子绕组6的期望的相反磁极化能够在对其通电时以简单的方式实现。

Claims (14)

1.一种电机(1)，

-具有壳体(2)，所属壳体(2)被设计为开口的并且部分地围绕壳体内部(3)，

-具有转子(5)，所述转子(5)相对于所述壳体(2)可旋转调节地布置在所述壳体内部(3)中，

-具有定子(4)，所述定子(4)相对于壳体(2)位置固定地布置在壳体内部(3)中并包括带有可通电定子绕组(6)的多个磁场线圈(40)，所述磁场线圈(40)电连接至或能够电连接至功率电子系统(7)以对所述定子绕组(6)通电，

-其中，所述功率电子系统(7)包括用于冷却所述功率电子系统(7)的冷却板(15)，并且由功率电子模块(8)形成，所述功率电子模块(8)与壳体(2)分开形成并能够插入到所述壳体内部(3)中，

其中，所述功率电子模块(8)包括导体板/电路板(16)，在所述导体板/电路板(16)上布置有用于为所述定子绕组(6)通电的多个电气/电子半导体开关(17)，

其中，所述导体板/电路板(16)布置在所述冷却板(15)的背离转子(5)的顶部(18)上，使得布置在所述导体板/电路板(16)上的半导体开关(17)热连接至冷却板(15)以消散在运行期间产生的废热。

2.根据权利要求1所述的电机，

其特征在于，

在所述冷却板(15)中，至少一个第一冷却通道(19)用于供第一冷却剂流过，使得被引导通过所述第一冷却通道(19)的第一冷却剂能够通过热传递而从导体板/电路板(16)吸收并消散在运行期间由半导体开关(17)产生的废热。

3.根据权利要求2所述的电机，

其特征在于，

在壳体(2)中或在壳体(2)上形成有至少一个第二冷却通道(20)，所述至少一个第二冷却通道(20)用于供第二冷却剂流过，使得被引导通过所述第二冷却通道(20)的第二冷却剂能够通过热传递从定子(4)吸收并消散在运行期间由定子绕组(6)产生的废热。

4.根据权利要求3所述的电机，

其特征在于，

所述至少一个第一冷却通道(19)和所述至少一个第二冷却通道(20)分别是彼此流体分离的两个冷却回路(21、22)的一部分。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的电机，

其特征在于，

所述壳体(2)具有空心圆柱体的几何形状，其中将至少一个端面(11a)设计为开口的，使得所述功率电子模块(8)能够通过形成壳体开口(26)的开口端面(11a)轴向地插入到壳体内部(3)中。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的电机，

其特征在于，

在所述定子绕组(6)上提供有第一电连接件(13)，经由所述第一电连接件(13)，在功率电子模块(8)插入到所述壳体(2)中的情况下，定子绕组(6)电连接至所述功率电子模块(8)。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的电机，

其特征在于，

在所述壳体(2)的内侧(23)上提供有轴向止挡件(24)，借助于所述轴向止挡件(24)限定了插入壳体内部(3)中的功率电子模块(8)的轴向期望位置。

8.根据权利要求7所述的电机，

其特征在于，

在所述功率电子模块(8)的期望位置处，所述磁场线圈(40)的定子绕组(6)电连接至功率电子系统(7)。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的电机，

其特征在于，

-所述定子(4)被设计成三相(U、V、W)，分别为第一相、第二相和第三相，

-其中，所述三相(U、V、W)中的每一相都包括带有定子绕组(6)的至少一个磁场线圈(40)，所述定子绕组通过第一绕组端(29a)电连接至另两个相(U、V、W)的各自的至少一个定子绕组(6)的第一绕组端(29a)，

-其中，对于带有定子绕组(6)的每个磁场线圈(40)，存在串联电连接的两个半导体开关(17)，所述两个半导体开关经由电气分支(35)连接到分配给所述两个半导体开关(17)的定子绕组(6)的相应的第二绕组端(29b)，所述电气分支电布置在串联连接的所述两个半导体开关(17)之间。

10.根据权利要求9所述的电机，

其特征在于，

所述三相(U、V、W)中的每一相都包括带有定子绕组(6)的至少两个磁场线圈(40)，所述磁场线圈彼此电并联地布线。

11.根据权利要求9所述的电机，

其特征在于，

带有所述三相(U、V、W)的定子绕组(6)的磁场线圈(40)沿转子(5)或定子(4)的周向方向(U)彼此相邻地交替布置。

12.根据权利要求1-4中任一项所述的电机，

其特征在于，

至少一个半导体开关(17)是场效应晶体管。

13.根据权利要求1所述的电机，

其特征在于，

所述电机是用于机动车辆的电机(1)。

14.根据权利要求9所述的电机，

其特征在于，

所述三相(U、V、W)中的每一相都包括带有定子绕组(6)的四个磁场线圈(40)，所述磁场线圈彼此电并联地布线。