CN113169615A - 电机及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机(1)，所述电机具有定子(2)和转子(3)，借助于所述定子(2)或所述转子(3)的绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)将所述电机分成子电机系统(4、5、6)，所述绕组可以针对每个相单独地切换。每个相的绕组部分被分配给每个子电机系统(4、5、6)。每个子电机系统(4、5、6)充当电机。根据对所述电机(1)的要求，所述子电机系统(4、5、6)可以单独操作或组合操作；为此目的，对应地切换所述绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)。所述绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)之间的所述切换有利地通过接触盘(8)机械地实现。

Description

电机及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种电机，该电机具有定子和转子。本发明还涉及操作这种电机的对应方法。

背景技术

已知具有定子和转子的电机可用作马达以及发电机。也存在可以作为马达和发电机两者操作的电机。在电机的情况下，定子和转子可以具有固定的预先确定的构造。特别地，电机的相并且因此例如电机的对应于相的定子绕组可以以预先确定的方式连接在一起。在这种情况下，使电机适应变化很大的要求实际上是不可能的；电机最好针对一个操作点进行优化。为了增加电机的灵活性，可以大量提供电子装置。这导致高成本和许多额外组件，这些额外组件中的每个组件都带有一定的故障风险，从而总体上增加了电机对故障的易感性。

发明内容

因此，本发明的目的是创造一种具有高度灵活性但不易发生错误的电机。还应规定操作电机的对应方法。

该目的关于电机通过根据权利要求1的电机实现，并且关于方法通过根据权利要求7的方法实现。

从属权利要求各自包含有利的构造。

根据本发明的电机具有定子和转子。电机经由一相或多相供电。转子和/或定子以原理上已知的方式具有对应的绕组；例如，永磁同步电机在转子上具有永磁体，并且在定子上具有绕组。

然而，根据本发明，定子或转子上的绕组被分成用于每个相的独立可切换绕组部分。这些绕组部分连接在一起，并且可以以这样的方式连接在一起，使得电机被再分成子电机系统，其中为每个子电机系统分配用于每个相的绕组部分。每个子电机系统都可以充当电机。若干个子电机系统也可以互连。以这种方式，实现了高度的灵活性，因为可以根据对电机的要求来使用子电机系统。在此，经由切换元件可以实现子电机系统的互连，也就是说，更确切地，在子电机系统内和在不同子电机系统之间两种情况下实现子电机系统的绕组部分的互连，由此将对错误的易感性保持在一定限制内。

例如，在不限制本发明的情况下，如果考虑三相永磁同步电机，则转子承载永磁体，并且定子承载用于三相中的每一相的绕组。每个相的绕组现在被分成若干个(大约但不限于四个)绕组部分。绕组部分以这样的方式连接在一起，使得产生四个子电机系统，每个子电机系统总共包括三个绕组部分，每个相一个绕组部分。子电机系统的绕组部分(包括电机的相关联的定子区域和转子)每个都可以理解为单独的电机。在本申请的上下文中，这被理解为子电机系统。由于能够将绕组部分连接在一起，各个子电机系统可以互连在一起。类似的说法也适用于其他类型的电机，诸如具有绕组的转子和永久励磁的定子。

在有利的实施方案中，每个子电机系统针对不同的操作点进行优化。因此，对于这些操作点中的每个操作点，都存在优化的子电机系统，从而存在针对该操作点优化的电机。操作点的特征在于例如电机转子的特定所需速度和电机产生的特定扭矩。针对操作点的电机优化包括电机在该操作点处与在其他操作点处的效率相比具有最大效率。通过根据需要互连若干个子电机系统，电机可以适应其他操作情况。

在一个实施方案中，绕组部分之间的切换操作，以及因此用于将绕组部分连接在一起的切换操作机械地发生，优选地通过单个切换元件或少量切换元件发生。该切换元件可以以对应的可靠方式设计，由此可以进一步降低电机对故障的易感性。在一个特别优选的实施方案中，借助于接触盘在绕组部分之间进行机械切换。该盘在至少一侧具有触点组，每组代表绕组部分之间不同类型的互连。根据绕组部分之间期望的互连，这些绕组部分的触点与接触盘上对应触点组形成导电连接。如果接触盘在两侧具有用于接触绕组部分的触点，则可以增加互连选择。

如果要切换的绕组部分位于转子中，则接触盘可以例如与其一起旋转。此外或作为替代，联接可以经由滑动触点或经由电感或电容传输来进行。

从某种意义上说，接触盘代替至少部分绕组头，因为接触盘可以代表非常复杂的链接，特别是如果接触盘在两侧都具有触点。在优化设计的情况下，由所省略的绕组头释放的安装空间对于接触盘和用于其致动的机构来说是足够的。如果还要安装波导冷却装置，例如不能与导体的加工端面接触，而是与中间元件接触，该中间元件与导体电连接。

绕组部分的不同互连之间的切换优选地在没有电流或电压的情况下进行，至少在比在电机操作期间发生的电压和电流低得多的电压和电流下进行。在具有永磁体的电机的情况下，在实施方案中为此目的提供了一种装置，借助于该装置，电机的至少一个永磁体可以被暂时退磁。该装置还被设计成使退磁的永磁体重新磁化。在实施方案中，代替完全退磁，仅减小永磁体的磁化并随后相应地再次增大磁化就足够了。刚才提到的装置也将相应地设计。

根据本发明的用于操作电机的方法涉及根据本发明的根据以上描述和以下描述的电机。根据本发明，以这样的方式切换子电机系统的绕组部分，使得子电机系统中的一个或多个子电机系统分别根据对电机的要求来操作。

在一个实施方案中，绕组部分之间的电路借助于接触盘机械地发生。电机的绕组部分之间的电路至少包括以下步骤：

首先，接触盘在接触盘的旋转轴线方向上移位，以中断接触盘的触点和至少一个子电机系统的至少一个绕组部分之间的导电连接。然后，接触盘围绕接触盘的旋转轴线旋转，以选择子电机系统的绕组部分之间的互连类型。最后，接触盘在接触盘的旋转轴线方向上移位，以在接触盘的触点和至少一个子电机系统的至少一个绕组部分之间产生导电连接。先前的旋转将接触盘上的对应触点带到正确的位置，以便在随后的换档期间与相应的绕组部分接触。

为了实现电机的绕组部分的不同互连之间的无电流和无电压切换，在一个实施方案中，电机的至少一个永磁体首先被退磁以进行切换。然后，如上所述进行实际切换。然后，电机的至少一个永磁体被磁化。这可以是先前退磁的同一个永磁体，也可以是不同的永磁体。这里，退磁也包括磁化的减少。

在进一步的发展中，退磁和磁化由至少一个旋转磁体执行。例如，具有交替极化的转子的永磁体经过旋转磁体。该磁体以与转子同步的方式旋转，使得其极化与刚刚经过的转子磁体的极化相反。以这种方式，转子磁体的磁化降低。转子磁体可以被另外的旋转磁体重新磁化，该旋转磁体的旋转与转子的旋转同步，使得其极化具有要赋予移动经过的转子磁体的极化方向。转子和旋转磁体之间的同步可以例如经由将转子与旋转磁体联接的齿轮或者经由用于旋转磁体的致动器来进行。

附图说明

下面将参考附图更详细地解释本发明及其优点。

图1示意性地示出了根据本发明的电机。

图2示意性地示出了操作期间电机存在于不同操作点处的概率。

图3示意性地示出了磁场减弱的发生。

图4示出了各种子电机系统的最佳应用区域。

图5示意性地示出了用于任选性地对电机进行不同布线的电路。

图6示出了用于与接触盘相互作用的电机的触点的布置。

图7示出了处于切换位置的接触盘的触点。

图8示出了处于另外的切换位置的图7的接触盘的触点。

图9示出了借助于接触盘改变切换位置的过程。

图10示出了在两侧承载触点的接触盘的使用。

图11示出了转子磁体的退磁。

附图仅涉及本发明的示例性实施方案，为了更好地理解本发明而对其进行解释。附图和相关描述决不能被解释为将本发明限制于其中描述的实施方案。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的具有定子2和转子3的电机1。这里没有示出到电机1的电线；所示的电机1是三相电机1。定子2包括被分成绕组部分41、42、43、51、52、53、61、62、63的绕组。绕组部分41、51、61是用于第一相的绕组的部分。绕组部分42、52、62是用于第二相的绕组的部分。绕组部分43、53、63是用于第三相的绕组的部分。电机1被分成三个子电机系统4、5、6。绕组部分41、42、43和转子3是子电机系统4的基本部件。绕组部分51、52、53和转子3是子电机系统5的基本部件。绕组部分61、62、63和转子3是子电机系统6的基本部件。因此，每个子电机系统4、5、6包括转子3和用于三相中每个相的一个绕组部分。每个子电机系统4、5、6可以独立地充当电机。通过绕组部分41、42、43、51、52、53、61、62、63之间的适当互连，选择单独的子电机系统4、5、6，选择子电机系统4、5、6中的两个子电机系统，或者选择所有三个子电机系统4、5、6，以在电机1的特定需求情况下有助于电机1的效果。此外，绕组部分41、42、43、51、52、53、61、62、63之间的合适电路也使得能够在子电机系统4、5、6内实现不同的切换拓扑。绕组部分41、42、43、51、52、53、61、62、63之间切换的可能性因此导致电机1对变化的需求的高度灵活性和适应性。

图2示意性地示出了在电机操作的示例中，存在于不同操作点处的概率；操作点的特征在于电机的速度n和电机的扭矩M。在区域101中的操作点，电机仅在操作期间以低概率存在，例如总概率为10％。电机在操作期间更有可能处于区域102中的操作点处；存在于区域102中的概率可以是例如30％。电机在操作期间非常可能处于区域103中的操作点；存在于区域103中的概率可以是例如60％。可能的情况是，处于操作点104的概率最大。电机设计的主要目标应该是优化电机在区域103中的操作，可能是在点104处的操作；特别地，电机的通常依赖于操作点的效率在区域103中、可能在点104处应当最大。另外，电机可以有利地设计成使得其可以达到最大速度，例如借助于可调节磁体。

在根据本发明的电机中，子电机系统中的一个子电机系统(例如，图1的电机1的示例中的子电机系统4)可以针对在操作点104或区域103处的操作进行优化。如果激活，则可以针对在另一区域例如102中的操作来优化子电机系统5，其中例如在没有任何扭矩贡献的情况下，在区域103之外也在不干扰子电机系统5的作用的情况下达到子电机系统4的更高的速度。子电机系统优选地在相应磁场减弱区域之外的区域中操作。

图3示意性地通过示意图示出了磁场减弱的发生，其中电机绕组中的电流强度相对于电机速度绘制。这通过在速度值大于n_N时电流强度的降低来示出。根据本发明的电机的子电机系统优选地被优化用于在磁场减弱发生之外的操作。

在类似于图3的示意图中，图4示出了应用区域204、205、206，对于这些应用区域分别优化了子电机系统4、5、6(参见图1)，以及取决于电机1(参见图1)的速度并且因此也取决于相应子系统4、5、6的速度的电流强度的对应曲线304、305、306。更准确地说，应用区域204和曲线304涉及子电机系统4，应用区域205和曲线305涉及子电机系统5，应用区域206和曲线306涉及子电机系统6。

如果电机1例如在对应于区域204的速度范围内操作，单独操作子电机系统4就足够了。如果需要更高的速度，则单独操作子电机系统5即可满足。如果在每种情况下需要更高的扭矩，则还可以操作子电机系统6。当然，也可以设想电机系统的其他组合和各个子电机系统的其他最佳应用区域。如果在子电机系统中的一个子电机系统中改变了子电机系统的绕组部分的互连，则剩余的子电机系统(即不在切换过程中的子电机系统)可以接收在该切换过程期间发生的负载。

图5示意性地示出了根据需要以不同方式对电机1进行布线的电路。根据相同的原理，根据本发明的电机1的各个子电机系统4、5、6(参见图1)也可以不同地布线。

所示的电机1是三相的，并且经由三个外部导体L1、L2、L3供电。开关K1用于建立或断开电机1和网络之间的连接。触点W1、V1、U1和V2、U2、W2设置在电机1上。通过闭合开关K3和断开开关K2，实现了电机1的三角形连接。通过闭合开关K2和断开开关K3来实现电机1的星形连接。

图6以图5的标记示出了用于与接触盘(参见图7和图8)相互作用的电机的触点布置。触点在此布置在接触区域9中。

图7示出了接触盘8上的触点81、82，这些触点在切换位置接触图6中所示的触点，在切换位置，电机1具有三角形连接。在该切换位置，触点81是激活的，也就是说，与图6所示的触点导电连接；触点81之间的导电连接用实线表示。触点82是不激活的，即不与图6所示的触点导电连接；触点82之间的导电连接用虚线示出。触点81、82可以被单独引导和弹起。

图8示出了图7的接触盘8上的触点81、82，这些触点在另外的切换位置接触图6所示的触点，在该另外的切换位置，电机1具有星形连接。在该切换位置，触点82是激活的，即与图6所示的触点导电连接；触点82之间的导电连接用实线表示。触点81是不激活的，即不与图6所示的触点导电连接；触点81之间的导电连接用虚线示出。

图8中所示的切换位置最终通过使接触盘8围绕垂直于附图平面的轴线旋转而由图7中所示的切换位置产生。同时，接触盘8垂直于附图平面移位。

参考图7和图8所示的三角形连接和星形连接之间的转换是用于解释借助于接触盘的转换的示例。根据接触盘上触点组的构造，可以实现其他或进一步的电路类型。

图9示意性地示出了使用接触盘8改变切换位置。所示的接触盘在一侧88上具有触点，例如如图7或图8所示。在阶段A中，接触盘8的触点与接触区域9的触点导电连接。接触区域9当然是电机的一部分，但是这里没有示出其另外的部件；到接触区域9的电线也未示出。通过在接触盘8的旋转轴线85的方向86上移动接触盘8远离接触区域9，接触盘8的触点和接触区域9的触点之间的导电连接被中断，并且一个触点到达阶段B。在阶段B中，围绕旋转轴线85发生旋转87。以这种方式，接触盘8的其他触点相对于接触区域9上的触点进入正确的角位置，并且一个触点到达阶段C。在阶段C中，接触盘8沿着接触盘8的旋转轴线85的方向86朝向接触区域9移动，并且因此在接触区域9中的触点和通过旋转87正确定位的接触盘8的触点之间建立导电连接。例如，可以执行从图7所示的切换位置到图8所示的切换位置的转换。在所示的示例中，接触盘8具有物理旋转轴线85，接触盘8可以经由该物理旋转轴线旋转。然而，这种物理旋转轴线85不构成对本发明的限制；接触盘的旋转也可以以其他方式实现，例如通过作用在接触盘的边缘区域上；然而，在这种情况下，也将存在几何旋转轴线，并且方向86将被相应地定义。

图10示出了接触盘8，该接触盘在两侧(也就是说在一侧88和相对侧89)上承载触点。接触盘8被提供用于与两个接触区域91、92相互作用。接触区域91、92每个都承载触点，例如，如图6所示。通过在方向86上移位接触盘8，侧面88上的触点可以进入与触点载体91上的触点的导电连接，或者侧面89上的触点可以进入与触点载体92上的触点的导电连接。另外，类似于图9，接触盘8的旋转在这里也是可能的。两侧88、89上都有触点的接触盘8提供了在电机的绕组部分之间实现大量切换选择的可能性。

图11示出了借助于旋转磁体7对转子磁体进行退磁。作为示例，示出了三个转子磁体31、32、33；北极“N”和南极“S”的位置是针对所有磁体给出的。在阶段A中，转子磁体31与旋转磁体7相对放置。可以看出，转子磁体31和磁体7具有相反的极化，使得转子磁体31被退磁。在阶段B中，转子磁体31被退磁，并且转子磁体32与旋转磁体7相对放置。由于磁体7旋转，磁体7和转子磁体32的极化现在是相反的。因此，转子磁体32被退磁，如阶段C所示，其中转子磁体33现在与旋转磁体7相对。同样，旋转磁体7和转子磁体33的磁偏振是相反的。旋转磁体7的旋转与转子的旋转相匹配，使得旋转磁体7和该相对的转子磁体的极化总是彼此相反。

如果退磁的转子磁体将再次被磁化，这可以通过移动它们经过旋转磁体来完成，如图11所示。然后，以这样的方式引导其极化，使得其平行于将被给予相应转子磁体的极化。

在图11中，旋转磁体7和转子磁体31、32、33彼此直接相对。然而，也可以设想为旋转磁体和转子磁体之间的磁通量提供引导元件。在这种情况下，旋转磁体的旋转必须与转子的旋转相协调，使得引导元件的与待退磁的转子磁体相对的端部具有与转子磁体的最靠近引导元件的磁极极性相同的极性。

如果转子磁体不需要退磁或重新磁化，旋转磁体和/或相关联的引导元件可以例如通过移位或枢转移动从转子移除。

也可以设想对转子磁体退磁和重新磁化的其他方法。

附图标记说明

1 电机 2 定子 3 转子 4、5、6 子电机系统 7 旋转磁体 8 接触盘 9 接触区域31、32、33 转子磁体 41、42、43 绕组部分 51、52、53 绕组部分 61、62、63 绕组部分 81、82接触盘的触点 85 旋转轴线 86 方向 88、89 接触盘的侧面 91、92 接触区域 101 区域102 区域 103 区域 104 操作点 204 区域 205 区域 206 区域 304 曲线 305 曲线 306曲线

Claims (10)

1.一种电机(1)，所述电机具有定子(2)和转子(3)，

其特征在于，

通过将所述定子(2)或所述转子(3)上的每个相的绕组分成可单独切换的绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)来将所述电机(1)分成多个子电机系统(4、5、6)，使得绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)被分配给每个相的每个相应子电机系统(4、5、6)并且每个子电机系统(4、5、6)能够充当电机。

2.根据权利要求1所述的电机(1)，其中每个子电机系统(4、5、6)针对不同的操作点进行优化。

3.根据前述权利要求中任一项所述的电机(1)，其中绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)之间的切换操作机械地进行。

4.根据权利要求3所述的电机(1)，其中所述绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)之间的机械切换借助于接触盘(8)进行。

5.根据权利要求4所述的电机(1)，其中所述接触盘(8)在两侧承载用于接触绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)的触点。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电机(1)，其具有用于所述电机(1)的至少一个永磁体(31、32、33)的暂时退磁的装置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于操作电机(1)的方法，其特征在于，所述子电机系统(4、5、6)的所述绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)经切换以使得根据对所述电机(1)的要求分别操作所述子电机系统(4、5、6)中的一个或多个子电机系统。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)之间的连接借助于接触盘(8)机械地进行，并且所述电机(1)的所述绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)之间的所述连接至少包括以下步骤：

在所述接触盘(8)的旋转轴线(85)的方向(86)上移动所述接触盘(8)，以中断所述接触盘(8)的触点(81、82)与至少一个子电机系统(4、5、6)的至少一个绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)之间的导电连接；

围绕所述接触盘(8)的所述旋转轴线(85)旋转所述接触盘(8)，以选择所述子电机系统(4、5、6)的所述绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)之间的互连类型；

在所述接触盘(8)的所述旋转轴线(85)的方向(86)上移动所述接触盘(8)，以建立所述接触盘(8)的触点(81、82)与至少一个子电机系统(4、5、6)的至少一个绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)之间的导电连接。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中初始地对所述电机(1)的至少一个永磁体(31、32、33)进行退磁，然后对所述电机(1)的至少一个永磁体(31、32、33)进行磁化，从而在所述电机(1)的所述绕组部分(41、42、43、51、52、53、61、62、63)之间进行切换。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述退磁和所述磁化由至少一个旋转磁体(7)执行。

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