CN114977579A - 用于电动机器的转子以及具有转子的电动机器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电动机器的转子，其中转子具有带有多个磁极的转子体，其中在转子体的内部形成多个磁通屏障，转子还具有：至少一个传感器元件，至少一个传感器元件被配置成检测转子的至少一个状态参量；与至少一个传感器元件连接的信号处理单元，信号处理单元被配置成根据检测到的转子的状态参量生成测量数据并且将测量数据传输至控制装置；以及至少一个感应线圈，至少一个线圈具有至少一个电导体并且布置在转子的至少一个磁通屏障中并且被配置成从磁通屏障中的泄漏磁场生成电能。本发明还涉及一种具有这种转子的电动机器。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电动机器的转子。本发明还涉及一种具有这种转子的电动机器。本发明还涉及一种具有电动机器的车辆。
背景技术
例如DE 10 2006 021 489 A1公开了一种具有定子和转子的电动机器。电动机器被设计为永磁同步电机，其中转子具有转子体，该转子体具有布置在该转子体的内部的永磁体和磁通屏障(Flussbarrieren)。永磁体形成电动机器的磁极，其中在每个磁极的区域中布置有至少一个磁通屏障。
为了能够最佳地驱动电动机器，尤其重要的是，借助于传感器来检测转子的状态参量并且将其供应给电动机器的控制装置。迄今为止，很难为被指配给电动机器的转子并随转子一起转动的这种传感器供应足够的电能。
例如，电动机器的持续功率尤其受转子(尤其永磁同步电机中的磁体或异步电机中的笼)的最大允许温度的限制。在电动机器运行时，当前转子温度一般来说不是作为测量参量而已知的，而是借助于温度模型进行估算。这导致必须将与最大温度的安全距离规划在内，因此，由于这个安全距离，电动机器无法最佳地运行。如果超过最大温度，则存在电动机器过热和损坏的风险。
发明内容
本发明的目的在于，进一步开发一种用于电动机器的转子以及一种电动机器。尤其应借助于该转子来改善电动机器的运行并且降低电动机器过热的风险。此外，该转子应是简单并且快速地可装配的。
根据本发明的用于电子机器的转子具有带有多个磁极的转子体，其中在所述转子体的内部形成多个磁通屏障，其中所述转子还具有：至少一个传感器元件，所述至少一个传感器元件被配置成检测所述转子的至少一个状态参量；与所述至少一个传感器元件连接的信号处理单元，所述信号处理单元被配置成根据检测到的所述转子的状态参量生成测量数据并且将所述测量数据传输至控制装置；以及至少一个感应线圈，所述至少一个线圈具有至少一个电导体并且布置在所述转子的至少一个磁通屏障中并且被配置成从所述磁通屏障中的泄漏磁通生成电能。
例如具有至少一个电导体的至少一个感应线圈布置在转子的唯一的磁通屏障中。
磁通屏障应被理解为转子中的凹陷，其中该凹陷被配置成用于对磁场产生有利影响。例如，转子包括在轴向上堆叠的多个转子叠片，这些转子叠片具有冲压部并且在安装在转子体上的状态下构成轴向凹陷。尤其，至少一个被设计为磁通屏障的凹陷布置在转子的相应磁极的区域中。
磁通屏障使转子上的磁场偏转，使得场力线与磁通屏障的纵向方向大体上平行地延伸，并且场力线并不是横向于磁通屏障的方向延伸穿过磁通屏障，因为这些磁通屏障形成磁通的屏障。然而在实践中引起磁通泄漏，即所谓的泄漏磁通。换言之，很少的具有较低磁通密度的场力线在磁通屏障中延伸。例如，可以在转子的多个磁通屏障中布置有至少一个感应线圈或多个感应线圈，以便通过感应从该泄漏磁通产生电能。
换言之，电动机器的转子具有该至少一个传感器元件(任选地多个传感器元件)以及信号处理单元和带有该至少一个电导体的该至少一个感应线圈。该至少一个传感器元件、信号处理单元、以及该至少一个感应线圈尤其位置固定地或防旋转地与转子连接，即至少布置在转子上，尤其集成在转子中。该至少一个感应线圈至少在旋转方向和径向方向上以形状配合的方式与转子相连接。尤其，该至少一个感应线圈精确配合地布置在转子的磁通屏障中，其中该至少一个感应线圈可以在轴向上被引入磁通屏障中以用于装配。
优选地，所述至少一个感应线圈被配置成给所述信号处理单元和/或所述至少一个传感器元件供应电能。因此，要么给该信号处理单元供应电能，要么给该至少一个传感器元件供应电能，要么给该信号处理单元和该至少一个传感器元件供应电能。在电动机器运行时可以实现，借助于该至少一个感应线圈(其电导体或其多个电导体相应地延伸穿过转子的磁通屏障)来获取电能。在此，该至少一个感应线圈在转子旋转时被变化的磁场的泄漏磁通流过，由此在该至少一个感应线圈中产生电流或电压，该电压被用于给防旋转地布置在转子上并且与转子一起转动的该至少一个传感器元件和/或信号处理装置供应电能。因此，可以省去用于给随转子转动的部件供应电能的滑环和电池。
该至少一个传感器元件可以无中介地布置在转子上并且在那直接地检测转子的状态参量、尤其转子的温度，以降低电动机器过热的风险。该至少一个传感器元件适合用于检测绝对温度并且适合用于检测温差。例如，转子的温度是转子的状态参量。例如，该至少一个传感器元件直接地或至少邻接地布置在状态参量的产生位置。该至少一个传感器元件与状态参量的产生位置之间的较短测量路径提高了测量准确性。
优选地，在该至少一个感应线圈与要供应电能的元件之间优选地借助于布线进行电能传输。在第一实施方式中，感应线圈可以借助于布线与该至少一个传感器元件连接。替代性地，感应线圈可以借助于布线与信号处理单元连接。替代性地，感应线圈可以与信号处理单元共同布置在电路板上。替代性地，感应线圈可以与传感器共同布置在电路板上。
尤其，信号处理单元以无线的方式与控制装置连接以用于信号传输或数据传输。该至少一个传感器元件优选藉由布线与信号处理单元连接以用于信号传输或数据传输。例如，控制装置布置在转子外部，然而布置在车辆内部。
根据本发明的一个优选的实施方式，信号处理单元至少布置在转子的端侧。尤其，该至少一个传感器元件布置在转子的端侧。例如，该至少一个传感器元件布置在转子的在电动机器负载情况下特别强烈地变热的区域中。至少该信号处理单元、任选地还有该至少一个传感器元件布置在端侧是有利的，因为对转子的特性、尤其电动机器的电磁特性没有负面影并且简化信号传输。此外，转子的端侧对于装配和维护而言都是特别易于触及的，由此可以简单并且快速地装配转子和其上布置的元件。
根据本发明的一个优选的实施方式，该至少一个传感器元件集成在信号处理单元中。因此，该至少一个传感器元件和信号处理单元形成布置在转子上的唯一的部件。
根据本发明的一个优选的实施方式，该至少一个传感器元件布置在转子的内部。换言之，该至少一个传感器元件不是布置在转子的表面上，而是布置在转子的凹部中。尤其，该至少一个传感器元件布置在转子的内部，使得状态参量的产生位置紧靠传感器元件。
根据本发明的一个优选的实施方式，在所述转子的每个磁极的区域中布置有至少一个永磁体。优选地，该至少一个永磁体在每个磁极的区域中具有大体上矩形的横截面积并且在周向方向上比在径向方向上延伸得更远。换言之，相应的永磁体宽度大于高度，其中轴向长度大体上与转子长度相对应。永磁体可以在轴向或径向方向上被划分成子磁体。
根据本发明的一个优选的实施方式，在所述转子的每个磁极的区域中形成至少一个磁通屏障。尤其，磁通屏障被形成为在周向方向上邻接相应的永磁体。优选地，相应的磁通屏障在转子的外周方向上延伸。例如，在各个永磁体上形成两个磁通屏障，其中在周向方向上朝向每一侧布置有这两个磁通屏障中的一个磁通屏障。
优选地，转子具有至少两个磁极、优选地具有至少六个磁极，其中每个磁极具有至少一个永磁体、优选地具有两个永磁体，并且具有至少两个磁通屏障、优选地具有四个磁通屏障。
根据本发明的一个优选的实施方式，所述至少一个感应线圈的所述至少一个导体在所述磁通屏障的第一区域中朝向第一方向延伸，并且在所述磁通屏障的第二区域中再次从第一方向(即，沿与所述第一方向相反的第二方向)延伸返回。尤其，第一方向是转子的纵向方向。取决于感应线圈的匝数，设置有多个出线导体区段和多个回线导体区段，其中感应线圈具有的匝越多，可以生成的能量越多。换言之，该至少一个感应线圈的该至少一个导体被设计成，该至少一个导体可能围绕内部的芯缠绕，然而其中在感应线圈的径向内部没有芯，而是仅有中空空间或空气空间。例如，将电导体围绕芯进行缠绕，并且在插入磁通屏障之前移除芯。因此，该芯用于在装配前使感应线圈成形。优选地，磁通屏障的第一区域位于磁通屏障的第一端部处，该第一端部比磁通屏障的第二区域布置得在径向上更靠外，其中磁通屏障的第二区域布置在磁通屏障的第二端部处。
根据本发明的一个优选的实施方式，所述至少一个感应线圈的所述至少一个导体围绕载体缠绕。载体应被理解为布置在相应的感应线圈的径向内部的元件。例如，载体多次被导体缠绕并且布置在磁通屏障中。尤其，载体构成线圈芯，该线圈芯与感应线圈一起保留在磁通屏障中。
根据本发明的一个优选的实施方式，所述载体由不可磁化的物质形成。所述载体例如由聚合物质、陶瓷、玻璃和/或树脂形成。所述载体例如由纤维增强且不可磁化的物质形成。由此，获得磁通屏障作为磁通的屏障的功能，其中仅泄漏磁场可以流过磁通屏障。
根据本发明的一个优选的实施方式，所述至少一个感应线圈的所述至少一个导体至少部分以漆料固定。漆料应被理解为这样的液态材料，该液态材料适合用于浸没导体的表面并且在干燥后硬化，使得用漆料浸没的导体的变形阻力增大。换言之，漆料用于将感应线圈的区域至少刚性地固定，即，使变形阻力增大，使得在电动机器运行时、即使在转子的高转速下也保持感应线圈的经塑造的形状。尤其，整个感应线圈借助于漆料固定。尤其，漆料被设计成不可磁化并且不导电的。
根据本发明的一个优选的实施方式，所述至少一个感应线圈的所述至少一个导体至少部分以浇注料固定。浇注料应被理解为黏性物料，该黏性物料适合用于容纳导体并且将其嵌入，其中在浇注料干燥并且硬化之后，导体固定在浇注料中。换言之，浇注料用于将感应线圈的区域至少刚性地固定，尤其将其嵌入，使得在电动机器运行时、即使在转子的高转速下也保持感应线圈的经塑造的形状。例如，整个感应线圈被嵌入并且固定在浇注料中。尤其，浇注料被设计成不可磁化并且不导电的。
根据本发明的一个优选的实施方式，所述至少一个感应线圈的所述至少一个导体是印刷电路板的一部分。这种印刷电路板还被称为PCB(printed circuit board)。
根据本发明的电动机器包括用于控制电动机器的控制装置以及定子和根据本发明的转子。在定子与转子之间形成有气隙。控制装置优选地布置在车辆中并且用于控制和调节电动机器。
本发明还涉及一种具有根据本发明的电动机器的车辆。尤其，车辆被设计为机动车辆(例如PKW，乘用机动车辆)，其中电动机器被配置为车辆的驱动机器，以便至少部分或完全电驱动车辆。因此，车辆优选地被设计为混合动力车辆或电动车辆。
附图说明
下面将根据附图详细阐述本发明的多个优选的实施方式，其中相同的元件设有相同的附图标记。在附图中：
图1示出具有根据本发明的电动机器的车辆的高度简化的示意性图示，
图2示出根据本发明的具有定子和转子的电动机器的高度简化的示意性纵截面图示，
图3示出根据图2的本发明的电动机器的高度简化的示意性横截面图示，
图4示出根据图3的本发明的电动机器的部分的高度简化的示意性细节图示，
图5示出根据第二实施例的本发明的电动机器的部分的高度简化的示意性细节图示，以及
图6示出根据第三实施例的本发明的电动机器的部分的高度简化的示意性细节图示。
附图标记清单
1 转子
2 电动机器
3 传感器元件
4 信号处理单元
5 控制装置
6.1 磁通屏障
6.2 磁通屏障
6.3 磁通屏障
6.4 磁通屏障
7 感应线圈
8 电导体
8.1 出线导体区段
8.2 回线导体区段
9.1 第一区域
9.2 第二区域
10 载体
11 定子
12 浇注料
13 壳体
14 转子轴
15.1 第一永磁体
15.2 第二永磁体
16 漆料
17 轴
18 气隙
19 布线
20 驱动车轮
21 线圈
100 车辆
具体实施方式
根据图1，车辆100包括根据本发明的电动机器2，该电动机器被配置成用于驱动车辆100。为此，电动机器2具有驱动作用，例如藉由轴17并且任选地藉由其他的部件与车辆100的驱动车轮20相连接。此外，电动机器2由布置在车辆100中的控制装置5操控并且驱动。尤其，控制装置5用于在运行期间保护电动机器2以防过热，其方式为：电动机器2的最大功率尤其与转子1的当前测量到的温度相适配。为此，控制装置5以传输信号的方式与电动机器2连接。
图2示出电动机器2，该电动机器具有用于控制电动机器2的控制装置5以及定子11和转子1。在定子11与转子1之间形成有气隙18。转子1与转子轴14防旋转地连接。在电动机器2的壳体13中，在转子1的端侧布置有具有传感器元件3的信号处理单元4。该至少一个传感器元件3集成在信号处理单元4中。替代性地，传感器元件3可以布置在转子1的内部。在此，纵截面延伸穿过布置在转子1的转子体中的第一永磁体和第二永磁体15.1、15.2。
图3以横截面示出电动机器2。转子1可旋转地布置在定子11的内部，其中在定子11与转子1之间形成有气隙18。定子11具有被设计为定子叠片组的定子体以及多个被定子体容纳的线圈21。转子1具有被设计为转子叠片组的转子体和布置在转子体的内部的多个第一永磁体和第二永磁体15.1、15.2。布置在转子叠片组的内部的永磁体15.1、15.2还被称为埋入永磁体。这些永磁体15.1、15.2在此形成六个磁极。在每个磁极的区域中，各自布置有彼此相距一定径向间隔的第一永磁体和第二永磁体15.1、15.2以及第一磁通屏障、第二磁通屏障、第三磁通屏障和第四磁通屏障6.1、6.2、6.3、6.4。磁通屏障6.1和6.3以及6.2和6.4也是彼此相距一定径向间隔地布置的。在周向方向上，在永磁体15.1、15.2的每一侧上各自布置有磁通屏障6.1和6.3以及6.2和6.4。
在此，感应线圈7布置在转子1的唯一的磁通屏障6.1中并且被配置成用于从该磁通屏障6.1中的泄漏磁场生成电能，以便给传感器元件3和信号处理单元4供应电能。替代性地，在转子1的另外的磁通屏障6.1、6.2、6.3、6.4中可以布置有用于从相应的磁通屏障6.1、6.2、6.3、6.4的泄漏磁场生成电能的感应线圈7。感应线圈7藉由布线19与信号处理单元4和集成在其中的传感器元件3相连接。为了将交流电流转换成直流电流并且为传感器元件3提供直流电流，信号处理单元4例如具有未详细展示、然而通常已知的谐振电路、整流器、和至少一个电容器、替代性地其他储能器。
传感器元件3检测转子1上的温度作为转子1的状态参量并且将该状态参量传输给信号处理单元4。任选地，在转子1上可以布置有多个传感器元件3，这些传感器元件例如检测转子1的不同状态参量。信号处理单元4根据检测到的转子1的状态参量生成测量数据并且将这些测量数据传输至安装在车辆100中的控制装置5。控制装置5通过无线的方式、例如经由无线电与转子1上的信号处理装置4连接，并且被配置成在考虑驾驶员的要求以及电动机器2的运行参数(尤其转子1的运行参数或状态参量)的情况下操控电动机器2。
借助感应线圈7可以实现在电动机器2运行时获得电能。感应线圈7在电动机器2运行时(即在转子1旋转时)被磁通屏障6.1中变化的磁场的泄漏磁场流过，由此在相应的感应线圈7中感生电流或电压，该电压被用于给防旋转地布置在转子1上并且与转子1一起转动的传感器元件3和信号处理装置4供应电能。
图4示出图3的电动机器2的放大的部分。感应线圈7的导体8在磁通屏障6.1的第一区域9.1中朝向第一方向延伸，并且在磁通屏障6.1的第二区域9.2中再次从第一方向延伸返回。感应线圈7在磁通屏障6.1中的位置和感应线圈7的大小、即导体8的出线导体区段8.1与回线导体区段8.2之间的间隔与电动机器2的谐波场的大量存在的阶数相调谐。在此，导体8围绕载体10缠绕，其中载体10由不可磁化的物质、尤其聚合物质形成。
根据图5的转子1的实施方式与根据图4的转子1的实施方式的不同之处仅在于：感应线圈7的导体8不是围绕载体缠绕，而是至少部分以漆料16固定。漆料16被施加在导体8的表面上并且在干燥时硬化，使得用漆料16浸没的导体8的变形阻力增大，从而在电动机器2运行时即使在没有载体的情况下也保持获得感应线圈7的经塑造的形状。
根据图6的转子1的实施方式与根据图4的转子1的实施方式的不同之处仅在于：感应线圈7的导体8不是围绕载体缠绕，而是至少部分以浇注料12固定。导体8嵌入黏性浇注料12中，其中浇注料12在干燥时硬化，使得导体8固定在浇注料12中，从而在电动机器2运行时保持感应线圈7的经塑造的形状。因此，浇注料12承担载体的功能。
Claims (15)
1.一种用于电动机器(2)的转子(1)，其中所述转子(1)具有带有多个磁极的转子体，其中在所述转子体的内部形成多个磁通屏障(6.1，6.2，6.3，6.4)，所述转子(1)还具有：
·至少一个传感器元件(3)，所述至少一个传感器元件被配置成检测所述转子(1)的至少一个状态参量；
·与所述至少一个传感器元件(3)连接的信号处理单元(4)，所述信号处理单元被配置成根据检测到的所述转子(1)的状态参量生成测量数据并且将所述测量数据传输至控制装置(5)；以及
·至少一个感应线圈(7)，所述至少一个线圈具有至少一个电导体(8)并且布置在所述转子(1)的至少一个磁通屏障(6.1)中并且被配置成从所述磁通屏障(6.1)中的泄漏磁场生成电能。
2.根据权利要求1所述的转子(1)，其中所述至少一个感应线圈(7)被配置成给所述信号处理单元(4)和/或所述至少一个传感器元件(3)供应电能。
3.根据权利要求1或2所述的转子(1)，其中所述至少一个感应线圈(7)的所述至少一个导体(8)在所述磁通屏障(6.1)的第一区域(9.1)中朝向第一方向延伸，并且在所述磁通屏障(6.1)的第二区域(9.2)中再次从所述第一方向延伸返回。
4.根据权利要求1或2所述的转子(1)，其中所述至少一个感应线圈(7)的所述至少一个导体(8)围绕载体(10)缠绕。
5.根据权利要求4所述的转子(1)，其中所述载体(10)由不可磁化的物质形成。
6.根据权利要求4所述的转子(1)，其中所述载体(10)由聚合物质、陶瓷、玻璃和/或树脂形成。
7.根据权利要求1或2所述的转子(1)，其中所述至少一个感应线圈(7)的所述至少一个导体(8)至少部分以漆料(16)固定。
8.根据权利要求1或2所述的转子(1)，其中所述至少一个感应线圈(7)的所述至少一个导体(8)至少部分以浇注料(12)固定。
9.根据权利要求1或2所述的转子(1)，其中至少所述信号处理单元(4)布置在所述转子(1)的端侧。
10.根据权利要求1或2所述的转子(1)，其中所述至少一个传感器元件(3)集成在所述信号处理单元(4)中。
11.根据权利要求1或2所述的转子(1)，其中所述至少一个传感器元件(3)布置在所述转子(1)的内部。
12.根据权利要求1或2所述的转子(1)，其中在所述转子(1)的每个磁极的区域中布置有至少一个永磁体(15.1)。
13.根据权利要求1或2所述的转子(1)，其中在所述转子(1)的每个磁极的区域中彼此相距一定径向间隔地布置有至少两个永磁体(15.1，15.2)。
14.根据权利要求1或2所述的转子(1)，其中在所述转子(1)的每个磁极的区域中形成至少一个磁通屏障(9)。
15.一种电动机器(2)，所述电动机器具有用于控制所述电动机器(2)的控制装置(5)以及定子(11)和根据前述权利要求之一所述的转子(1)。
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