CN114766074A - 旋转电机的定子，旋转电机和具有这种电机的驱动单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转电机，其位于外部的转子具有永磁体装置。本发明还涉及这种旋转电机的一种定子。为了提高性能以及/或者减小重量和/或结构空间，提出具有以某种方式进行改变的磁化方向的片段的永磁体装置，使得磁通在所述空心圆柱体的朝向所述定子的内侧面上有所增强并且进而在所述气隙中有所增强，而在所述相对的外侧面上则有所减少。针对这种驱动单元的定子，提出呈梯形形状的定子齿，其具有向外有所增大的齿宽，其中在所述定子齿上分别布置有一个线圈绕组。

Description

旋转电机的定子，旋转电机和具有这种电机的驱动单元

技术领域

本发明总体上涉及一种旋转电机，在所述旋转电机中发生从电能到机械能(电动机)或从机械能到电能(发电机)的转换，并且所述旋转电机具有转子和定子作为主要组成部分。本发明还涉及这种旋转电机的一种定子。

本发明特别是涉及这种驱动单元的一种电动机或一种发电机，所述驱动单元用于各种机动车辆的运动。本发明特别是涉及一种具有电动机的驱动单元，所述电动机实施为径向磁通电机，并且所述电动机的转子具有永磁体装置。

本发明还涉及一种发电机，所述发电机的定子具有用于产生磁场的感应线圈。可以借助布置在转子中的永磁体或电磁体实现励磁，其中随着高性能磁体的不断发展，前者也已经可用于兆瓦级的发电机并且其重要性也与日俱增。

此外，本发明还涉及一种配备有根据本发明的旋转电机的驱动单元。

背景技术

用于机动车辆的运动的驱动单元在此指的是用于动力传递并且为此在输出侧实施或支持旋转的这类装置。例如借助单轮驱动装置或类似的驱动装置而直接地实现动力传递，或者例如借助牵引传递装置、万向轴等适用的传递构件间接地实现动力传递。这类驱动单元已为人所知的是作为电驱动装置或辅助驱动装置而用于客运或物体运输，例如用于不同路上交通工具，包括人力运输工具。现今将这类驱动单元用于不同的电动车，例如自行车、踏板车、赛格威等。用于大型车辆的多个驱动单元的受控组合也是已知的。随着运动的不断发展和多样化，可能会出现其他的应用领域。

这类电动机可以实施有内转子或外转子配置。这类电动机具有与相对于转子固定不动的框架或壳体等连接的定子。考虑到内部或外部轮廓，该定子形成为由金属片制成的基本上呈圆形的定子体。该定子具有周向布置的定子齿，其间设有定子槽，这些定子齿形成用于容置线圈绕组的极，通常由铜制成。这些定子齿通过定子轭相互连接。术语“基本上”包括例如基于定子齿的形状而由折线形成的轮廓，其中定子齿的角是折线的多个角点，并且圆形轮廓被多边形的圆感知。这种定子的多边形通常是具有相同边长和相同内角的规则多边形。

就外转子配置而言，电动机的转子以某种方式与定子同轴布置，使得转子周向地包围定子并且可以围绕这个定子进行旋转。转子的与定子齿相对的(可能是虚构的)内侧面具有永磁体装置，以便在永磁体装置的内侧面与定子的(可能是虚构的)的外侧面之间形成被称为工作间隙的环形气隙。在这种配置中，定子通常固定地安装在轴或轮毂上，而转子装置则与可旋转的方式支承。

工作间隙的位置及其与此直接相关的有效半径(例如中心半径)是对机器的转矩具有重大影响的参数。另一参数是永磁体装置和定子绕组的磁通量。后者的特征特别是在于定子槽被绕组填充的程度，其中对绕组的制造及其密度提出了特殊的挑战。

基于相同的基本物理原理、电磁感应，发电机的基本结构与电动机类似，因此，这两种机器统称为旋转电机，大部分影响性能的参数适用于这两种类型的机器。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种旋转电机，与类似的机器相比，借助所述旋转电机可以提高填充度并增大可产生的机械能或电能，并且在此情况下，可以减少或至少保持所需的结构空间和材料成本。

就具有包括径向磁通配置的电动机的驱动单元而言，与现有技术相比，特别是应能实现更大的转矩和/或更小的机器。这特别是对于用于客运和货物运输的上述驱动装置和辅助驱动装置的外转子配置而言是较为理想的。

本发明用以达成上述目的的解决方案为根据权利要求1所述的定子，所述定子可用于旋转电机，即电动机或发电机。本发明用以达成上述目的的解决方案还在于根据权利要求9所述的旋转电机和根据权利要求13所述的使用这种电机的驱动单元。与这些权利要求相关的从属权利要求描述了独立权利要求的主题的有利的技术方案。

下面对用于实现本发明的特征进行说明。本领域技术人员将在不同的实施方式中以不同的方式将这些特征组合在一起，只要本领域技术人员认为这个特征对于应用实例而言是有意义且适用的。

根据本发明，所述定子齿和定子槽具有某些几何形状，使得所述定子齿具有齿宽向外有所增大的梯形形状，或者，使得所述定子槽具有平行延伸的侧面。也可以将这两个特征组合在一起。为此，可以以某种方式选择定子齿的形状，使得定子槽为平行槽，因此，这些定子槽可以最大程度地分别被两个相邻线圈的绕组填充。

在这些定子齿上分别布置有感应线圈的一个单独的线圈绕组。

与已知的定子绕组相比，单独的线圈绕组允许对定子槽的填充度进行优化并减少制造成本。此外，可以借助定子齿的至少分段地向外有所增大的宽度在一定程度上实现线圈绕组的固定。

如果定子齿在其外端处具有最大齿宽(以下也被称为固定尺寸)，则例如可以实现以最佳填充度对定子绕组进行固定的可行性。所述齿宽例如可以从定子齿的内端开始朝其外端连续增大。作为替代方案，可以仅在距其内端一定距离处方实现增大以及/或者可以非连续地增大，其中可以分段地构建有梯形形状。在这个实施方案中，有利的是，至少所述位于外部的区域具有所述梯形形状并且所述外端具有所述固定尺寸。

根据本发明的一个技术方案，所述线圈绕组借助单独的线圈而形成，这些线圈具有线圈体和固有的线圈绕组。

根据定子齿的实施方案，例如根据这些定子齿的梯形的宽度差，以及线圈体的实施方案，这个线圈体的形状可以与定子齿的梯形形状对应。

线圈体可以具有棱柱或圆柱的形状。这些线圈体以某种方式构建，以便可以将线圈安装在定子齿上，具体实现方式在于，这些定子齿完全或部分伸入这些线圈体中。为此目的，每个线圈体均具有一个位于底面与顶面之间的线圈体和一个至少穿过这个线圈体和这个底面的通道。在这个线圈体的侧面上布置有线圈绕组。

线圈体中的通道例如可以具有四边形横截面。也可以采用横截面的其他形状，例如圆形或n角形，其中n作为自然数的元素并且等于或大于3。根据一个实施方式，所述线圈体的底面和顶面可以由内部和外部线圈法兰构成。这些线圈法兰可以具有与线圈体中的通道适配或有所偏差的形状。

线圈法兰在此应理解为板状体，其连接到线圈体上并且周向地突出于这个线圈体的侧面。因此，线圈法兰可以是对线圈绕组的限制。至少所述内部线圈法兰具有与所述线圈体的通道对应的通道。可选地，两个线圈法兰都可以具有这种通道。借助至少所述定子的外部线圈法兰的矩形形状，可以产生所述定子的大致封闭的外侧面。

术语“外部”和“内部”与定子的轴线相关，因此，外部组件距轴线的径向距离更大，而内部组件距轴线的径向距离则更小。

根据一个技术方案，所述线圈体可以由塑料构成，其中与现有技术中已知的叠片组的蘑菇形定子齿相比，经证实有利的是，根据本发明的线圈体对止动转矩不具有影响或者至少不具有显著影响。

此外，可以通过由塑料制成的线圈体的设计来支持插接。在线圈体以可完全地或部分地弹性变形的方式实施时特别是如此，使得至少这个线圈体的横截面可以变形。这样就能在一个方向上对这个线圈体进行压制，进而在垂直于这个方向的另一方向上增大通道的延伸。这样一来，这个线圈体便可以很容易地导引到梯形定子齿上并且通过减压而固定在这个定子齿上。

在本发明的另一技术方案中，所述定子以向外打开并且进而朝向外转子和位于这些外转子之间的气隙打开的方式构建。也就是说，除了被如下所述线圈封闭之外，这些凹槽不会被叠片组或定子的其他组件封闭，以便例如对绕组进行固定。这样就能进一步减小转子的结构空间并提高使用定子的电机的效率。

各个线圈可以单独预制，并且可以仅通过插接到定子齿上而对这些线圈进行固定。后者也通过打开的定子槽和所描述的定子齿的梯形形状受到支持或得以简化。用于将线圈恒定地保持在其位置中的补充性保持构件例如可以根据待实现的转速进行布置。

借助根据本发明的实施方式可以减小定子的结构空间和/或重量。作为补充或替代方案，由此可以增大电动机可达到的转矩。

此外，本发明用以达成上述目的的解决方案还在于根据权利要求9所述的旋转电机。如上文针对现有技术所描述的那样，其包括电动机和发电机。

这种旋转电机包括可旋转地支承的转子，所述转子具有由多个片段构成的空心圆柱形永磁体装置。这个永磁体装置通常具有某种形状，使得其内径和外径远大于这个磁体装置的空心圆柱体的高度。

所述永磁体装置的片段以某种方式布置，使得其磁化方向从一个片段到另一区段以定义的步长发生变化。以某种方式实现上述变化，使得磁通在这个空心圆柱体的朝向定子的内侧面上有所增强并且进而在气隙中有所增强，而在相对的外侧面上则有所减少。通过使每个片段围绕相应片段的平行于侧面的轴线沿同一旋转方向旋转定义的角度(例如90°)来实现磁通的这种影响。在这些片段分别旋转90°的情况下，磁极在这个永磁体装置的背离气隙的外侧面上从一个片段转变至下一片段并且在这个永磁体装置的内侧面上保持不变。也可以采用更小和更大的角度，优选在45°-90°的范围内，只要借此可以实现所描述的气隙中的单侧增强。可以通过测试或模拟来测定所论及的角度。

所述旋转电机还包括定子，所述定子与所述机器的相对于所述转子保持固定的组件连接。可以直接或通过其他组件实现定子与相关组件之间的连接。所述定子具有至少一个定子绕组，可以借助所述定子绕组在以下所描述的位于转子与定子之间的气隙中产生磁场(电动机)或者可以借助电磁感应在所述定子绕组中产生电流(发电机)。所述定子具有前述实施方式中的一个。

所述转子以某种方式与所述定子同轴布置，使得在转子与定子之间形成环形气隙的情况下，所述转子周向地包围所述定子并且所述转子可以围绕所述定子进行旋转。

磁极以如上所述方式从片段到片段优选分别旋转90°，下面将在实施例中对此进行详细说明。这样一来，同种磁极在转子的内侧面上彼此邻接，异种磁极在外侧面上彼此邻接，因此，磁通在转子的磁体的内表面前显著增强，在外表面处则大幅减少。

转子外侧面处的磁通的减少允许减少或避免转子上的借此环，从而可以减小转子的结构空间。作为替代或补充方案，可以优化围绕所述转子的环件可以以保持和稳定所述转子。

根据本发明的一个技术方案，所述旋转电机可以是适用于机动车辆的驱动单元，所述机动车辆用于客运和/或货物运输并且包括电动机。根据目前的发展状况，特别是将陆上交通工作作为车辆而考虑在内。但这类驱动装置也可以应用于船舶和飞机，例如用于模型构造。

在这种应用中，所述定子可以与所述驱动单元和/或所述车辆的相对于所述转子保持固定的组件连接。

示例性但并非限制性地，应提及电动自行车辅助驱动装置作为根据本发明的驱动单元的应用。在此情况下，所述定子与自行车车架连接，所述转子与中轴的可旋转部件连接。

位于转子与定子之间的气隙中的磁通的可以借助永磁体装置实现的上述增加允许实现旋转电机的更大转矩，通过气隙中的两个磁场的相互作用产生这个更大转矩。这个效果也可以用于提高使用这种机器的驱动单元的性能和/或减小电机的结构空间或重量，进而减小驱动单元的重量。

在使用根据上述实施方式中的一个的定子时，可以继续对性能和/或结构空间和重量进行改善或优化，因为定子槽的可以借助定子齿和所插接的线圈而增大的填充度类似地影响可以借助这个定子而产生的磁场，进而影响机器的性能。

这同样适用于永磁体装置的片段的可选技术方案，其中，根据其磁化方向彼此区分开来的片段类型具有彼此有所偏差的周向延伸。

“周向”延伸指的是磁体段的表征相应片段占永磁体装置的总周长的比例的长度。通过这个延伸可以进一步优化转子的运转和性能。如果磁极径向定向的片段例如以比具有相对于这些磁极有所旋转的磁体定向的片段更宽的方式实施，则可以朝定子的方向进一步增大磁通的移动，进而进一步提升气隙中的磁通。

根据以上描述，用于客运和/或货物运输的机动车辆的根据本发明的驱动单元包括根据本发明的构建为电动机或发电机的电机，因为根据本发明的结构既可应用于电动机，又可以应用于发电机。也可以例如在串联式混合驱动装置中将两者组合在一起，在这个串联式混合驱动装置中，将借助发电机获得的能量例如但不限于通过蓄能器供应给电动机。作为替代方案，这种驱动方案的根据本发明的电动机或发电机也可以与其他实施方案的发电机或电动机组合。这种串联式混合驱动装置可以例如但不限于用于自行车。

附图说明

下面应结合驱动单元的附图以示例性而非限制的方式对本发明进行详细数目。相关图示示出

图1为根据本发明的驱动单元的转子-定子单元的一个片段的俯视图，以及

图2为可以插接到定子齿上的线圈的剖面图。

具体实施方式

根据本发明的装置仅示意性地在阐释本发明所需的范围内示出。所述装置并未主张是完整的或按比例的。

图1中的片段简明扼要地示出具有梯形定子齿3和矩形定子槽5

(以虚线示出)的定子1。线圈7插接到每个定子齿上。线圈7以某种方式设计和布置，使得彼此紧邻的线圈法兰77形成定子1的外侧面11，这个外侧面具有定子1的外半径Ra。

转子13以某种方式与定子1同心布置，使得在定子1的外侧面11与转子13的内侧面15之间存在气隙17(也被称为工作间隙)。气隙17的宽度由转子13的内侧面15的内半径Ri与定子1的外侧面11的外半径Ra之间的周向均匀的差而确定。

转子13包括由多个永磁体19构成的永磁体装置。磁体19分别具有一个在图1中通过北极“N”和南极“S”示出的磁化方向。磁体19以某种方式构建和布置，使得这些磁体的磁化方向总是从一个磁体朝下一磁体旋转90°。具有径向磁化方向的磁体19的周向长度Lu'是具有与这个径向磁化方向垂直的磁化方向的磁体19的周向长度Lu”的数倍。

磁体19安装在环件21上，这个环件用作转子13的接地环并且可选地同时用于进行稳定。转子13和定子1被壳体23包覆，其中仅能看到环形的封闭件。

图2示出线圈7，其具有包括矩形横截面的线圈体71和中心通道73。在线圈体71上构建有多层的密集线圈绕组75。从径向上看，线圈绕组75在内侧和外侧(图1)均被线圈法兰77限制。

线圈体71由电绝缘塑料构成并且在两个相对的壁部处具有柔性区段79(通过壁部中的弯折示出)。为了将线圈7插接到定子齿3上，可以增大这两个壁部之间的距离，具体方式在于，对另外两个壁部施加压力(通过两个箭头示出)。此压制致使柔性区段79向外变形(通过朝外的箭头示出)，进而在这个方向上引起内截面的增大，以便可以推动线圈越过梯形定子齿3的较大外截面。在压制结束后，线圈体7又恢复原状并且借此固定在定子齿3上。

Claims (15)

1.一种被构建成适用于具有外转子的电动机中的定子，其中所述定子具有由至少一个金属片构成的定子体，所述定子体的外轮廓具有基本上呈圆形的形状，其中所述定子体具有周向的定子齿，所述定子齿具有位于其间的定子槽，所述定子齿通过定子轭相互连接，且其中线圈绕组延伸穿过所述定子槽，其特征在于，所述定子齿具有齿宽向外有所增大的梯形形状，以及/或者，所述定子槽具有平行的侧面，并且在所述定子齿上分别布置有感应线圈的一个线圈绕组。

2.根据权利要求1所述的定子，其特征在于，所述线圈绕组借助单独的线圈而形成，其中所述线圈各包括一个线圈体，所述线圈体具有在底面与顶面之间延伸的通道并且承载卷绕在所述侧面上的线圈绕组。

3.根据权利要求2所述的定子，其特征在于，所述线圈的底面和顶面由内部和外部线圈法兰构成。

4.根据上述权利要求中任一项所述的定子，其特征在于，所述线圈插接在所述定子齿上。

5.根据上述权利要求中任一项所述的定子，其特征在于，所述线圈体由塑料构成。

6.根据上述权利要求中任一项所述的定子，其特征在于，所述线圈体至少分段地以可弹性变形的方式实施，使得所述线圈体的横截面可以发生变形。

7.根据上述权利要求中任一项所述的定子，其特征在于，所述定子齿以向外打开的方式构建。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的定子，其特征在于，所述外部线圈法兰具有矩形形状以形成所述定子的外侧面。

9.一种旋转电机，其具有以下组件：

-可旋转地支承的转子；

-其中所述转子具有由多个片段构成的空心圆柱形永磁体装置，

-定子，所述定子与所述机器的相对于所述转子保持固定的组件连接，

-其中所述转子以某种方式与所述定子同轴布置，使得在转子与定子之间形成环形气隙的情况下，所述转子周向地包围所述定子并且所述转子可以围绕所述定子进行旋转，并且

-其中所述定子具有用于在所述气隙中形成磁场的感应线圈，

其特征在于，

-所述定子以根据权利要求1之8中任一项所述的方式构建，并且

-所述永磁体装置的片段的磁化方向从片段到区段以某种方式发生变化，使得磁通在所述空心圆柱体的朝向所述定子的内侧面上有所增强并且进而在所述气隙中有所增强，而在所述相对的外侧面上则有所减少。

10.根据权利要求9所述的旋转电机，其特征在于，所述旋转电机为用于客运和/或货物运输的机动车辆的驱动单元的电动机或发电机，其中所述定子与所述驱动单元的相对于所述转子保持固定的组件和/或所述车辆的相对于所述转子保持固定的组件连接。

11.根据权利要求9至10中任一项所述的旋转电机，其特征在于，根据其磁化方向彼此区分开来的片段类型具有彼此有所偏差的周向延伸。

12.根据权利要求11所述的旋转电机，其特征在于，所述其磁化方向径向定向的片段类型具有更大的周向延伸度。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述永磁体装置被同心保持环包围，所述同心保持环紧邻所述磁体。

14.一种用于客运和/或货物运输的机动车辆的驱动单元，其特征在于，所述驱动单元具有根据权利要求9至13中任一项所述的构建为发电机的电机和/或构建为电动机的电机。

15.根据权利要求14所述的驱动单元，其特征在于，所述驱动单元具有串联式耦合装置，其具有根据权利要求9至13中任一项所述的发电机作为前部串联元件并且具有根据权利要求9至13中任一项所述的电动机作为后部串联元件。

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