CN116345784A - 转子轴和转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电机的转子的转子轴(1)。转子轴(1)包括沿轴向方向(A)延伸的中空轴(2)，所述中空轴围绕转动轴线(D)可转动地安装，所述中空轴(2)界定了能够由冷却剂(K)流过的中空轴内部(3)。此外，所述转子轴(1)包括设置在中空轴内部(3)中的传感器设备(4)，用于确定所述中空轴(2)的当前转动位置或/和当前转动速度。

Description

转子轴和转子

技术领域

本发明涉及用于转子的转子轴和具有这种转子轴的转子。此外，本发明涉及具有这种转子的电机。

背景技术

电机配备有具有磁场产生装置的转子，所述磁场产生装置用于产生转子磁场，所述转子磁场能够与由电机的定子产生的定子磁场相互作用，通过所述定子磁场驱动转子。为了优化转子的驱动，了解转子的当前位置和当前转速非常重要。为此目的，存在不同的传感器系统，所述传感器系统通常设置在转子的转子轴的外部。然而，具有这种传感器系统的转子轴需要相对较大的安装空间。

发明内容

本发明的目的是展示开发用于电机的转子的转子轴的新方法。特别地，将创建转子轴，所述转子轴包括用于确定其当前转动位置或/和其当前转动速度的传感器系统，并且尽管存在该传感器系统，仅需要很少的安装空间。

该目的通过独立权利要求的主题得以解决。优选实施例是从属专利权利要求的主题。

因此，本发明的基本思想是设置传感器设备，用于确定形成转子轴的中空轴内(即在由中空轴界定的中空轴内部)的当前转动位置或当前转动速度。因此，不再需要用于将传感器设备安装在中空轴外部(即转子轴外部)的任何安装空间，使得该安装空间可用于其他目的。将所述传感器设备设置在转子轴内的想法的另一个优点对于本发明来说是实质性的，在于传感器设备及其(特别是对机械冲击等敏感的)传感器部件特别好地受到保护免受这种外部干扰影响。

具体地，根据本发明的转子轴包括中空轴，所述中空轴沿着轴向方向延伸并围绕转动轴线可转动地安装。中空轴围绕中空轴内部，所述中空轴内部能够优选地由冷却剂流过。根据本发明，转子轴包括设置在中空轴内部的传感器设备，用于确定中空轴的当前转动位置或/和当前转动速度。

根据优选实施例，中空轴至少在第一轴向端处形成开口。位于与第一轴向端相对的第二轴向端也能够形成为开放的，但也可以形成封闭的。此外，转子轴包括优选地形成为棒状或螺栓状的纵向紧固元件，所述纵向紧固元件延伸通过第一轴向端进入中空轴内部。紧固元件能够相对于电机的壳体固定地形成，所述壳体包括作为电机的转子的一部分的转子轴，并且转子轴能够可转动地安装在其上。为此，紧固元件能够牢固地连接到壳体。替代地或附加地，还可以想到，紧固元件相对于电机的定子固定地设置，并且为此目的牢固地连接到所述定子。

在该实施例的所有变型中，传感器设备部分地设置在紧固元件上并且部分地设置在相对于所述紧固元件可转动的中空轴上，使得当转动轴相对于固定元件转动时，传感器设备的设置在中空轴上的部分相对于传感器设备的设置在紧固元件上的部分转动。该移动能够由传感器设备检测。

根据有利的另外的发展，紧固元件被形成为能够由冷却剂流过的冷却喷枪(lance)，所述冷却喷嘴与中空轴内部流体地连通，使得流过冷却喷枪的冷却剂能够被引入中空轴内部。这样，在中空轴中集成了冷却功能，通过所述冷却功能，能够冷却设置在转子轴上并在通电时产生热量的转子线圈。

特别优选地，传感器设备能够包括至少一个位置/速度编码器和与所述至少一个位置/速度编码器相互作用的位置/速度传感器，用于确定位置/速度编码器和位置/速度传感器之间的相对转动位置或/和相对转动速度。位置/速度编码器产生可由位置/速度传感器测量的位置或速度信号。在该变型中，位置/速度编码器牢固地连接到中空轴，并且位置/速度传感器牢固地连接到紧固元件，特别是冷却喷枪。这使得能够特别精确地确定转子轴的当前转动位置或当前转动速度。当传感器设备是磁传感器设备时，位置/速度编码器能够是磁编码器，而位置/速度传感器能够是磁阻传感器。磁编码器能够由磁性材料制成的极环形成。霍尔传感器的使用也是可以想象的。

根据另一有利的另外的发展，位置/速度编码器设置在中空轴的面向紧固元件的内周侧上。在该实施例中，位置/速度传感器设置在紧固元件或冷却喷枪的面向中空轴的外周侧上。实际上，位置/速度编码器和位置/速度传感器在径向方向上彼此相对，即设置在相同的轴向高度上。因此，位置/速度编码器和位置/速度传感器之间的相互作用是可能的，其干扰特别低或甚至没有干扰，其结果是在确定转动位置或转动速度时能够实现特别高的测量精度。除此之外，整个传感器设备只需要很少的安装空间，特别是轴向空间。

根据另一优选实施例，中空轴包括中空圆柱形几何形状的轴体，所述轴体在第一轴向端处合并到直径相对于所述轴体减小的延伸部中。延伸部能够是转子轴的输出元件或输出塞，其尤其轴向封闭中空轴。然而，延伸部也能够是用于可转动地安装转子轴的轴承元件。特别地，延伸部能够是轴向封闭中空轴的轴承塞。在实施例的所有变型中，传感器设备的位置/速度编码器设置或形成在延伸部上。因此，在转子轴的组装过程中，位置/速度编码器能够特别容易地附接到中空轴。

特别是实际上，中空轴、特别是延伸部能够借助于轴承设备可转动地安装在紧固元件、特别是冷却喷枪上。这使得安装中空轴或转子轴的间隙特别小，因此非常精确。

特别优选地，位置/速度编码器能够由形成在中空轴的表面上的至少一个表面结构形成，所述至少一个表面结构包括沿着圆周方向彼此交替跟随的多个凸部和凹部。这种表面结构能够特别容易地快速实现，这在转子轴的制造中具有成本优势。除此之外，以这种方式形成的位置/速度编码器只需要很小的安装空间，因此特别适合设置在根据本发明的中空轴内部。优选地，表面结构能够通过冷挤压或铣削或铸造或雕刻或激光标刻而引入表面。

根据另一有利的另外的发展，位置/速度编码器包括相对于彼此轴向偏移的至少两个表面结构，所述至少两个表面结构在至少一个结构特征上彼此不同。所述至少一个结构特征可以是沿圆周方向提供的多个凸部、凸部或/和凹部的几何形状以及沿圆周方向相邻的凸部或凹部彼此之间的相应距离。这两种表面结构的结合使得可以高度精确地同时测量转子轴的当前转动位置和当前转动速度。

特别优选地，彼此轴向偏移设置的两个表面结构可以被设计为并且彼此匹配为使得所述两个表面结构在转子轴转动时产生相移正交信号。

根据有利的另外的发展，传感器设备包括至少一个电信号线，所述至少一个电信号线用于由传感器设备、特别是位置/速度传感器产生的传感器信号的信号传输。替代地或附加地，在该另外的发展中的传感器设备包括至少一个电供应线，所述至少一个电供应线用于向传感器设备、特别是位置/速度传感器提供电能。所述至少一个电信号线和所述至少一个电供应线都能够经由紧固元件或冷却喷枪从中空轴内部向外侧引导到转子轴1的外部环境中。在这两种变型中，单独或组合地设置在中空轴内部的传感器设备的电气布线被证明是特别简单的，并且只需要很少的安装空间。

本发明还涉及用于电机的转子。转子包括如上所述的根据本发明的转子轴，因此上述根据本发明转子轴的优点也适用于根据本发明的转子。此外，根据本发明的转子包括根据本发明所述的转子轴和多个(即至少两个)磁场产生元件，所述磁场产生元件非可转动地连接到所述转子轴以用于产生转子磁场。

根据优选实施例，磁场产生元件能够是转子永磁体或可通电的转子线圈。因此，具有根据本发明的转子轴的根据本发明转子既能够用于外部励磁的电同步电机(externallyexcited electric synchronous machine)中，也能够用于永磁体励磁的同步电机(permanent magnet-excited synchronous machine)中。

因此，本发明还涉及具有用于产生定子磁场的定子的电机和根据本发明的转子，其磁场产生元件与定子磁场磁耦合，以用于驱动转子轴。因此，上述转子轴的优点也适用于根据本发明的电机。

优选地，所述电机能够是外部励磁的电同步电机或永磁体励磁的同步电机或异步电机，其中，所述定子是用于产生定子磁场的可通电的同步电机定子。

本发明的其他重要特征和优点可从从属权利要求、附图以及通过附图的相关附图描述中获得。

应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，上述和仍将在下文中解释的特征不仅能够用于所述的各个组合，也能够用于其他组合或单独使用。

附图说明

本发明的优选示例性实施例在附图中示出并且在以下描述中更详细地解释，其中相同的附图标记涉及相同或相似或功能相同的部件。

在每种情况下，它都示意性地显示：

图1根据本发明的转子轴的纵向截面的示例，

图2是形成位置编码器的轮廓的可能技术配置的示例。

具体实施方式

图1以纵向截面示出了根据本发明的用于电机的转子的转子轴的示例。转子轴1包括沿轴向方向A延伸的中空轴2，中空轴2围绕转动轴线D可转动地安装。图1示出了转子轴1沿轴向方向A的纵向截面。转动轴线D能够是中空轴2的中心纵向轴线M。

根据图1，径向方向R垂直于轴向方向A远离转动轴线D或中心纵向轴线M延伸。圆周方向U围绕转动轴线D或中心纵向轴线M垂直于轴向方向A延伸和垂直于径向方向R延伸。

中空轴2围绕中空轴内部3，所述中空轴内部能够由冷却剂K流过。此外，转子轴1包括设置在中空轴内部3中的传感器设备4，用于确定中空轴2的当前转动位置或/和转动速度。

中空轴包括具有中空圆柱形几何形状的轴体11，该轴体11在其第一轴向端12a处合并到直径相对于轴体11减小的延伸部13中。延伸部13能够是转子轴1的输出元件23或输出塞22。如图1所示，中空轴2或延伸部13能够通过轴承设备14可转动地安装在紧固元件6或冷却喷枪7上。在那里，轴承设备14能够同时承担密封设备的功能，通过所述密封设备，中空轴内部3相对于转子轴1的外部环境21密封，使得冷却剂K不能够从中空轴内部3泄漏到外部环境21中。

根据图1，中空轴2在第一轴向端5e处形成开口，延伸部13设置在该第一轴向端5e处。位于与第一轴向端5a相对的第二轴向端5b能够形成为开放的(如图所示)，但也能够形成为封闭的(未示出)。此外，转子轴1包括在示例性方案中形成为棒状的纵向致动元件6，所述纵向致动元件6延伸通过第一轴向端5a进入中空轴内部3。

在图1的示例中，紧固元件6形成为能够由冷却剂K流过的冷却喷枪7。所述冷却喷枪7与中空轴内部3流体地连通。因此，冷却剂K能够通过冷却喷枪7引入中空轴内部。如图所示，传感器设备4部分地设置在紧固元件6上，并且部分地设置在相对于所述紧固元件6可转动的中空轴2上。具体地，传感器设备4包括位置/速度编码器8和位置/速度传感器9，所述位置/速度传感器9与所述至少一个位置/速度编码器8相互作用，用于确定位置/速度编码器8与位置/速度传感器9之间的相对转动位置和当前相对转动速度。

如图1所示，位置/速度编码器8牢固地连接到中空轴2。位置/速度传感器9牢固地连接到紧固元件6或冷却喷枪7。因此，转子轴2相对于紧固元件6或冷却喷枪7的当前转动位置和当前转动速度能够通过位置/速度编码器8和位置/速度传感器来确定。在示例性方案中，位置/速度编码器8被设置在中空轴2的面向紧固元件6的内圆周位置10上，与此相对，位置/速度传感器9被设置在紧固元件6或冷却喷枪7的面向中空轴2的外圆周位置24上。位置/速度编码器8和位置/速度传感器9彼此径向相对。

此外，传感器设备4的位置/速度传感器8设置并形成在延伸部13上，即输出元件23或输出插塞22上。在那里，位置/速度传感器8通过两个表面结构15a、15b实现，所述表面结构形成在中空轴2或延伸部13的表面上，并且彼此轴向相邻地设置。

两个表面结构15a、15b中的每一个都包括图2中所示的沿着圆周方向U交替地彼此跟随的多个凸部16和凹部17。在那里，凸部16和凹部17形成轮廓18。表面结构15a、15b或轮廓18能够在中空轴2的制造过程中通过冷挤压、铣削或铸造来制造。如图2所示，凸部16能够具有梯形几何形状，但也可以考虑圆形、矩形或三角形几何形状(未示出)。彼此轴向相邻设置的两个表面结构15a、15b在至少一个结构特征上彼此不同。彼此轴向偏移设置的两个表面结构15a、15b能够形成并彼此匹配，特别是使得当转子轴1转动时，所述两个表面结构15a、15b产生相移正交信号。

所述至少一个结构特征能够是沿圆周方向U设置的多个凸部16、凸部16或/和凹部17的几何形状以及沿圆周方向U彼此相邻的凸部16或凹部相对于彼此的相应距离。在所有变型中，径向测量的轮廓高度h至少等于在圆周方向U上相邻的两个凸部16的距离a的1/6。

根据图1，传感器设备4能够包括电信号线19，用于对由传感器设备4的位置/速度传感器9产生的传感器信号进行信号传输。同样，传感器设备4能够包括电供应线20，用于向传感器设备4的位置/速度传感器9提供电能。信号线19和电供应线20都能够通过紧固元件7或冷却喷枪7从中空轴内部3向外侧流动到转子轴1的外部环境21中。

Claims (15)

1.一种用于电机的转子的转子轴(1)，

-其具有沿轴向方向(A)延伸的中空轴(2)，所述中空轴(2)围绕转动轴线(D)可转动地安装，所述中空轴(2)界定了能够优选地由冷却剂(K)流过的中空轴内部(3)，

-其具有设置在中空轴内部(3)中的传感器设备(4)，用于确定所述中空轴(2)的当前转动位置或/和当前转动速度。

2.根据权利要求1所述的转子轴，

其特征在于，

-所述中空轴(2)至少在第一轴向端(5a)的区域中包括开口，

-所述转子轴(1)包括优选地形成为棒状或螺栓状的纵向紧固元件(6)，所述纵向紧固元件(6)延伸通过第一轴向端(5a)进入中空轴内部(3)，

-所述传感器设备(4)部分地设置在紧固元件(6)上并且部分地设置在相对于所述紧固元件(6)可转动的中空轴(2)上。

3.根据权利要求2所述的转子轴，

其特征在于，

所述紧固元件(6)被形成为能够由冷却剂(K)流过的冷却喷枪(7)，所述冷却喷枪(7)与中空轴内部(3)流体地连通，使得流过所述冷却喷枪(7)的冷却剂(K)能够被引入中空轴内部(3)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的转子轴，

其特征在于，

-所述传感器设备(4)包括至少一个位置/速度编码器(8)和位置/速度传感器(9)，所述位置/速度传感器(9)与所述至少一个位置/速度编码器(8)相互作用，用于确定所述位置/速度编码器(8)和位置/速度传感器(9)之间的相对转动位置或/和相对转动速度，

-所述位置/速度编码器(8)牢固地连接到中空轴(2)，并且所述位置/速度传感器(9)牢固地连接到紧固元件(6)，特别是冷却喷枪(7)。

5.根据权利要求4所述的转子轴，

其特征在于，

-所述位置/速度编码器(8)设置在中空轴(2)的面向紧固元件(6)的内周侧(10)上；以及

-所述位置/速度传感器(9)设置在紧固元件(6)或冷却喷枪(7)的面向中空轴(2)的外周侧(11)上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的转子轴，

其特征在于，

-所述中空轴(2)包括具有中空圆柱形几何形状的轴体(11)，所述轴体(11)在第一轴向端(12a)处合并到直径相对于所述轴体(11)减小的延伸部(13)中，

-所述传感器设备(4)，特别是所述位置/速度传感器(8)设置或形成在延伸部(13)上。

7.根据权利要求6所述的转子轴，

其特征在于，

所述中空轴(2)，特别是延伸部(13)，借助于轴承设备(14)可转动地安装在紧固元件(6)上，特别是冷却喷枪(7)上。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的转子轴，

其特征在于，

-所述位置/速度编码器(8)是或包括形成在中空轴(2)的表面上的至少一个表面结构(15a、15b)，所述至少一个表面结构(15a、15b)具有沿圆周方向(U)彼此交替跟随的多个凸部(16)和凹部(17)，

-优选地，所述表面结构通过冷挤压或铣削或铸造或雕刻或激光标刻而引入所述表面。

9.根据权利要求8所述的转子轴，

其特征在于，

所述位置/速度传感器(8)包括相对于彼此轴向偏移的至少两个表面结构(15a、15b)，所述至少两个表面结构(15a、15b)在至少一个结构特征方面彼此不同，其中，所述至少一个结构性特征是：

-沿圆周方向(U)设置的多个凸部(16)，

-所述凸部(16)或/和凹部(17)的几何形状，

-沿所述圆周方向(U)彼此相邻的凸部(16)的相应距离。

10.根据权利要求9所述的转子轴，

其特征在于，

彼此轴向偏移设置的所述两个表面结构(15a、15b)被设计为并且彼此匹配为使得当所述转子轴(1)转动时，所述两个表面结构(15a、15b)产生相移正交信号。

11.根据前述权利要求中任一项所述的转子轴，

其特征在于，

所述传感器设备(4)包括至少一个电信号线(19)或/和至少一个电供应线(20)，所述至少一个电信号线(19)用于由传感器设备(4)、特别是位置/速度传感器(9)产生的传感器信号的信号传输，所述至少一个电供应线(20)用于向传感器设备(4)、特别是位置/速度传感器(9)提供电能，所述至少一个电信号线(19)或/和至少一个电供应线(20)经由紧固元件(6)或冷却喷枪(7)从中空轴内部(3)向外侧引导到转子轴(1)的外部环境(21)中。

12.一种用于电机的转子，

-其具有根据前述权利要求中任一项所述的转子轴(1)，

-其具有非可转动地连接到转子轴(1)的磁场产生元件，用于产生转子磁场。

13.根据权利要求12所述的转子，

其特征在于，

所述磁场产生元件是或包括转子永磁体或可通电的转子线圈。

14.一种电机，

-其具有用于产生定子磁场的定子，

-其具有根据权利要求12或13所述的转子，其磁场产生元件与定子磁场磁耦合以用于驱动转子轴(1)。

15.根据权利要求14所述的电机，

其特征在于，

-所述电机是外部励磁的电同步电机或永磁体励磁的同步电机或异步电机，

-所述定子是用于产生定子磁场的可通电的同步电机定子。

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