CN1551463A - 电驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种具有一个双转子(10)的电驱动装置，该双转子由一个可驱动的第一转子(11)和一个由第一转子(11)驱动的第二转子(12)组成，这两个转子通过它们的旋转磁场磁场相互耦合。为了在只按额定运行设计驱动装置时，驱动装置达到短的起动时间，转子(11，12)之间的旋转磁场耦合设计成可控的并可这样进行控制，即只有在第一转子(11)加速到一个超过第二转子第二转子(12)的额定转速的转速时才进行旋转磁场耦合。
Description
技术领域
本发明涉及权利要求1前序部分所述的一种具有一个双转子的电驱动装置。
背景技术
一种已知的、具有一个双转子的电驱动装置(DE 41 18 678 A1)用于汽车的所谓混合驱动，以便汽车有选择地用内燃机或用电动机或用两者同时进行驱动。配有一个永久磁铁系统的外转子与内燃机的输出轴连接，而支承一个三相转子绕组的内转子则与汽车的传动轴连接。该转子绕组的内转子则与汽车的传动轴连接。该转子绕组连接在三个装在该传动轴上的滑环上，在这些滑环上，分别装一个炭刷。这些炭刷通过一个功率控制电子装置和一个直流/交流变换器与一个蓄电池连接。双转子表示一台滑环转子电动机，在内燃机运行时—和在永久磁铁系统转动时—，该滑环转子电动机作为变矩器和/或发动机工作。在转子绕组无负荷时，通过功率控制电子装置把内燃机的转矩通过滑环转子电动机传递到驱动轴上。随着转子绕组的负荷通过电子控制装置例如借助相位交点控制的不断增加，内燃机的功率的一部分被抽出并通过电压互感器馈入蓄电池中。在纯粹电驱动时，即在内燃机停止时，双转子由蓄电池通过电压互感器、功率电子控制装置和滑环供给交流电压并作为驱动汽车的电动机工作。
发明内容
具有权利要求1所述特征的本发明驱动装置具有这样的优点，无须为起动进行特殊考虑，即可满足驱动装置的要求的短的起动时间，在起动时，增加的加速功率由一个机械储能器提供，不需要用电来实现。作为储能器在这里可用作为飞轮动作的可由一个初级驱动器进行驱动的第一转子，该转子为了完成驱动装置的运行准备被加速到这样高的转速，该转速超过稍后力求达到的运行转速。所以驱动装置只需按额定运行状态设计，同样电源电压和电子控制装置也只需按驱动装置的额定功率设计即可。在快速起动时，也避免了电网负荷的高峰以及电子控制装置的过负荷。
本发明的驱动装置特别适用于这类运行状况：要求快速起动，紧接着为短的运行时间，例如电动辅助压缩机就是这种情况。现在不用按起动设计导致额定运行的驱动装置的过大尺寸，而按额定运行的设计可使这种电动辅助压缩机直接在汽车用电网上运行，而不需要附加费用。在这里，电子控制装置只按额定运行的设计还降低了成本。
通过在其他各项权利要求中列出的措施可实现权利要求1所述驱动装置的有利方案和改进。
两个转子之间的旋转磁场耦合的控制可用机械的或电的方式来实现。为此，需要转子的合适造型。
根据本发明的一个有利的实施方案，一个转子支承一个磁场激励系统，例如一个永久磁铁系统，而另一个转子则支承一个鼠笼式绕组。一个转子，最好第二个转子可进行轴向位移，以便通过轴向位移引起转子的磁耦合。在第一转子起动后，如果所连接负载的自身驱动装置起动，第二个转子便轴向移入第一个转子中，所以第一转子的旋转磁场通过鼠龙式绕组。这就导致了第二转子的非同步的起动，这类似于在电网上传统的异步电动机的起动。这时，从第一转子抽出能量，于是，第一转子的转速不断下降，直至在进行起动后，在稳定的工作点的额定转速为止。在稳定工作点内，整个在第二转子上要求的负载力矩由第一转子和例如由第一转子驱动的初级驱动器施加。
如果为了实现旋转磁场耦合不用结构上稍微复杂的转子的机械移动，而用电方式实现旋转磁场耦合，则根据本发明一个有利实施方案，第一转子可配置励磁线圈，该线圈通过滑环与直流电压源进行连接。在切断励磁电流时，两个转子退耦，并通过励磁电流的接通实现耦合。
根据本发明的一个有利的实施方案，具有转子绕组的第一转子的特别有利的实现是通过使用具有爪极装置的环形绕组来达到的。为了避免有磨损的炭刷，该爪极装置与第一转子固定连接，而且该环形线圈是固定布置的。该环形线圈最好布置在外面并由一个磁导环包围。
无需转子移动进行转子的旋转磁场的耦合和退耦也可通过在输出侧的第二转子上的操作来实现，而且既可用机械的方式又可用电的方式。
根据本发明的一个有利的实施方案，第二转子的鼠笼式绕组通常具有嵌入转子槽中的鼠笼式棒和在前端上有两个电连接鼠笼式棒的短路环，其中，一个短路环布置在可轴向移动的支座上并通过该支座的轴向移动放在鼠笼式棒的自由前端上。该支座的移动可用电磁方式来实现，即该支座设计成磁环，该套环位于一个环形线圈中，该环形线圈最好固定布置。
在本发明的另一实施方案中，第二个转子支承一个多相转子绕组，在这种转子绕组中，绕组相在一个相端上相互连接并在另一个相端上分别连接在一个设置在转子端面上的接触面上，全部接触面都位于一个分度圆上。一个轴向移动的支座支承一个圆环形的接触面，该接触面安放在这些接触面上并使之短路，从而在转子之间建立旋转磁场耦合。
根据本发明的又一实施方案，上述绕组也可用其一个相端分别连接在一个抗扭布置在输出轴的滑环上。炭刷在这些滑环上滑动，在其上设置有炭刷之间产生短路的装置。随着这些炭刷的短路，便在转子之间建立了旋转磁场耦合。
双转子既可设计成径向磁通结构，又可设计成轴向磁通结构。为了驱动第一转子，可用各种初级驱动器，例如直流电动机、异步电动机、同步电动机，但也可用非电的驱动。
本发明的电驱动装置还具有这样的优点，即第一转子可做成表示初级驱动器的电动机的集成部分。
根据本发明的一个优选实施例，第一转子构成电动机尤指同步电动机的转子，并在其外侧支承一个永久磁铁系统，该永久磁铁系统与一个布置在该同步电动机定子内的励磁线圈共同作用。
下面结合附图所示的一些实施例来详细说明本发明。
附图说明
图1具有双转子的驱动装置的一个纵剖面；
图2至4分别表示图1驱动装置的电特性的曲线；
图5一种改型的驱动装置的图1相同的图示；
图6从图5箭头VI方向内的内转子的俯视图；
图7图5相反箭头VI方向的磁环的俯视图；
图8至12分别表示另一种实施例的驱动装置的一个纵剖面；
图13图12驱动装置中的平面极盘的俯视图。
具体实施方式
图1用纵断面示意画出的电驱动装置具有一个双转子10，这个双转子由一个可驱动的第一转子11和一个由该第一转子驱动的第二转子12组成。在图1所示实施例中，在留有一个带径向气隙宽度的气隙13的情况下，第一转子11同心包围第二转子12。第一转子11通过一根传动轴14与一个初级驱动器15抗扭连接，而第二转子12则通过一根输出轴16连接到一个要驱动的负载17上。当然，两个转子11、12也可交换，这样，被驱动的第一转子为位于里面的转子，而与负载17连接的转子则为位于外面的转子。
罩形的第一转子11在其面向第二转子12的里面有一个永久磁铁系统，该永久磁铁系统由多个相互错开相同圆周角布置的永久磁铁18组成，这些永久磁铁依次在径向内反方向磁化。在本实施例中，设计成鼠笼式转子的第二转子12具有一个带鼠笼式绕组20的转子本体19。鼠笼式绕组20按公知的方式由多根鼠笼式棒23和两个短路环21、22组成。鼠笼式棒23嵌入轴向槽中，这些轴向槽按相同的圆周角相互错开冲制在转子本体19内，而短路环21、22则布置在转子本体19的两个端侧上并在该处电连接鼠笼式棒23的全部棒端。第二转子12保持轴向移动，所以它可通过轴向移动从其在图1中用虚线画出的、相对于永久磁铁18同心的位置移入图1实线所示的移动位置，在永久磁铁内，转子11、12的旋转磁场相互耦合，而在上述移动位置内，旋转磁场耦合断开。按此方式，第二转子12可选择地由第一转子11进行驱动或不驱动。初级驱动器15可以是一台同步电动机、异步电动机、直流电动机或别的电动机。设计成非电的驱动同样是可能的。
为了实现驱动装置的运行准备，以便负载17快速起动并随即以预定的运行转速驱动负载17，初级驱动器15在图1实线所示的、双转子10的退耦位置接通，这个初级驱动器把第一转子11加速到一个大大超过负载17的运行转速或额定转速的转速，然后通过第二转子12在其图1虚线所示移动位置内的轴向移动实现两个转子11、12的旋转磁场的磁耦合。这就导致第二转子12的异步快速加速，这时第一转子11的转速下降，因为它的能量被抽出。过一定时间后，出现稳定的工作点，在此工作点内，负载17由初级驱动器15在额定转速的情况下以额定力矩进行驱动，而且整个驱动功率都由初级驱动器15施加。
在图2至4的曲线图中示出了驱动装置的系统特性。这里假定一个与转速成平方的负载力矩，例如在驱动风扇、涡轮增压器或叶轮泵时就是这种情况。在图2的曲线图中，示出了20秒时间与第一转子11的角速度ω1和第二转子12的角速度ω2的关系。到时间点t＝10秒时，通过第二转子12的轴向移动在转子11、12之间实现磁耦合，并从这个时间点起，负载17加速。图3分别用虚线画出了初级驱动器15的转矩MP和用实线画出了负载17的转矩ML以及由第一转子11传递到第二转子12上的转矩Masy。图4用虚线示出初级驱动器15的功率PP、负载17的功率消耗PL以及由第一转子11传递到第二转子12上的功率Pasy。从图2曲线图中可清楚看出，在时间点t＝10秒时，第一转子11内存储的能量是怎样转换来加速与负载17连接的第二转子12的。在图3和4的曲线比较中，可看出转矩的传递情况，由初级驱动器15只需施加运行所需的功率，而又转子10则提供快速加速用的大转矩，亦即该双转子从第一转子11的动能中获得它的功率。初级驱动器15消耗的功率不大于稳定运行时所消耗的功率。所以，最大的电流消耗也不大于稳定运行时的电力消耗。在所示例子中，在第一次起动时，驱动装置需要5～10秒来在第一转子11内存储所需的能量。而在其他起动时，这个时间则少2～3秒，因为第一转子11不再从停止状态快速加速。在第二转子12接通后，负载17加速的时间约为0.3秒。
在图5所示驱动装置的实施例中，转子的旋转磁场的耦合和退耦不用结构复杂的转子11的机械移动，而且第二转子12轴向不可移动地固定在输出轴16上。第二转子12的鼠笼式绕组20只作了这样的修改，第二短路环22离开转子本体12的一个端面和单根鼠笼式棒23单独地从转子本体19凸出一些(图6)。第二短路环22放在一个用导磁材料或永磁材料制成的环形支座上，简称磁环24(图7)，该磁环保持旋转和轴向移动。磁环24被一个环形线圈25包围，该环形线圈是这样设计的，即在环形线圈25通电时，磁环24轴向移动这样远，使短路环22放到鼠笼式棒23的自由端上并使之短路。
不用鼠笼式绕组，第二转子12也可支承一个多相的转子绕组，在这种转子绕组时，绕组相的一个相端相互连接，而绕组相的另一端则分别连接在一个位于转子本体端面上的接触面上。绕组相的数目与位于一个共同的分度圆上的接触面的数目一致。在一个与图5和7的磁环24相同的、可旋转和轴向移动的支座上，布置了一个与图5和7的短路环22一致的接触环。通过该支座的轴向移动，该接触环被放在该接触面上，于是，转子绕组短路，并由此实现转子11、12的旋转磁场的磁耦合。磁性比相当于鼠笼式转子的异步电动机。
图8所示的电驱动装置的实施例在第二转子12的结构上进行了修改。第二转子12具有一个多相的转子绕组26，该转子绕组按公知的方式嵌入转子本体19的轴向槽中。在图8的实施例中，该转子绕组设计成三相的，且每个绕组相的相端都连接在三个抗扭地装在输出轴16上的滑环27至29之一上。三个绕组相的其他相端则相互连接在一个中性点内。在滑环27至29上，各装一个固定的炭刷31至33，其上连接炭刷31至33的短路装置30。在本实施例中，这种装置30具有一块机械操作的、电动或气动的接触板34，该接触板可放在三根分别与一个炭刷31至33连接的触针35至37上并由此在炭刷31至33之间形成短路。这样，转子绕组26产生短路并在两个转子11、12之间产生与鼠笼式转子的异步电动机相同的磁性比。当接触板34重新从触针35、36、37抬起时，转子绕组26被隔离，于是消除了转子11、12之间的旋转磁场耦合。当然，也象图5所示实施例那样，在这里由于第二转子12内的铁损耗，在断开转子绕组26时也可传递很小的转矩，但这样小的转矩可忽略不计。
在图9所示的电驱动装置的实施例中，第二转子12象在图1时所述的那样，也是设计成鼠笼式转子，所以相同的零件仍沿用相同的附图标记。而第一转子11则进行了这样的修改，磁场励磁系统通过一个具有线圈41的爪极结构40来实现。为了避免电刷磨损，固定设置了一个带磁导环42的环形线圈41，而且爪极43与转子11抗扭连接。通过线圈41通直流电流，建立转子11和12的旋转磁场耦合。在取消环形线圈41的通电时，第一转子11通过第二转子12自由旋转离去。
当然，第一转子11可设计成具有转子绕组和滑环的常规滑环转子。但这样势必忍受带磨损的炭刷。象在爪极结构40那样，这里也可方便地通过接通直流电流来建立转子11、12之间的旋转磁场耦合，该直流电流通过滑环加到转子绕组上。
图10所示电驱动装置的实施例与图1所示驱动装置的实施例的区别在于，双转子10设计成轴向磁通结构，而且每个转子11、12都设计成盘式转子。第二转子12又是保持轴向可移动并通过第二转子12的移动进入图10虚线所示的移动位置，在这个位置内，转子11、12之间保留轴向气隙13’，并建立转子11、12之间的旋转磁场耦合。转子本体19’呈环形状并可例如通过带钢卷绕成叠片结构。鼠笼式绕组20’的鼠笼式棒23’径向定位并在包围转子本体19’的外短路环21’的外端上和在内短路环22’的内端上分别进行电连接。
在图11所示电驱动装置的实施例中，取消了第一转子11的初级驱动器15的驱动轴14，并把第一转子11设计成同步电动机15’的转子。图11示意示出的同步电动机15’的定子45按公知的方式具有一个空心圆柱形或环形的叠片定子本体46，这个定子本体支承一个多相的、最好三相的定子绕组47。具有一根转子轴111的、支承在一个轴承44内的、罩形第一转子11在其面向转子本体46的外侧有一个由多个按相同圆周角相互错开布置的永久磁铁48组成的永久磁铁系统，所以转子11在其外侧为同步电动机15的功能配有永久磁铁48并在其内侧为仍设计成短路转子的第二转子12的异步功能配有永久磁铁18。在脱离负载17的情况下(图11中转子12的实线位置)，第一转子11的起动象同步电动机时那样进行。在两个转子11、12的磁耦合通过第二转子12在图11箭头方向内的移动建立后，发生前述的情况。
图12和13所示的电驱动装置的实施例—象图10所示实施例那样—设计成轴向磁通结构。但转子11、12之间的旋转磁场耦合或退耦在这里不是以机械的方式通过转子11、12之一的移动，而是以电的方式来实现的。第一转子11设计成平面极盘50，该极盘具有若干由布置在一个支承圆盘53的圆盘面上的、用非磁性材料制成的、导磁的面积形极段51、52。从图13可清楚看出，三个按相同旋转角相互错开布置的极段51或52分别相互导磁连接，即极段51通过一个内环54和极段52通过一个外环55连接。在保留一个轴向气隙13’的情况下，平面极盘50对应布置一个具有一个中心的整体磁导棒57的固定的罐形磁导轭铁56。在磁导棒57和磁导轭铁56的罐壁之间的空腔内绕入一个环形线圈58。环形线圈58通过一个开关59连接在一个直流电压源60上。
第二转子12做成与图10的第二转子12相同，所以参看该图的说明即可。图10和12的相同的零件用相同的附图标记表示。在开关59接通时，环形线圈58激励并在转子11、12之间建立旋转磁场耦合。在开关59断开时，环形线圈58去激励并消除旋转磁场耦合，于是第一转子11脱离负载17，并由初级驱动器15加速到一个超过额定转速的转速。随着开关59的接通并由此以电方式实现了转子11、12的旋转磁场耦合，就会出现上述的情况。
本发明不局限于上述的单个实施例。例如转子11和转子12的单个实施方式可按不同的方式相互组合，而且第一转子11和第二转子12也可相互交换布置。
Claims (15)
1.电驱动装置，具有一个双转子(10)，这个双转子由一个可驱动的、产生旋转磁场的第一转子(11)和一个由该第一转子(11)驱动的、产生旋转磁场的第二转子(12)组成，这两个转子之间有一个气隙(13)并通过它们的旋转磁场相互耦合，其特征为，旋转磁场的耦合是可控的并这样进行控制，即只有在第一转子(11)加速到一个超过第二转子的额定转速的转速时才建立耦合。
2.按权利要求1的驱动装置，其特征为，两个转子(11、12)相互同心布置，且旋转磁场耦合的控制可用机械或电方式来进行。
3.按权利要求2的驱动装置，其特征为，一个转子(11)支承一个磁场激励系统，而另一个转子(12)则支承一个鼠笼式绕组(20)，且一个转子(12)可相对于另一转子(11)进行轴向移动。
4.按权利要求2的驱动装置，其特征为，一个转子(11)支承一个磁场激励系统，另一转子(12)支承一个鼠笼式绕组(20)，后者具有鼠笼式棒(23)和两个在端面上相互电连接鼠笼式棒(23)的短路环(21、22)，且一个短路环(22)布置在一个可轴向移动的支座(24)上并通过轴向移动可放到鼠笼式棒(23)的自由前端上。
5.按权利要求2的驱动装置，其特征为，一个转子(11)支承一个磁场激励系统，而另一个转子(12)则支承一个多相的转子绕组(26)，其绕组相在一个相端上相互连接并在另一个相端上分别连接在一个滑环(27～29)上，且设置用于滑环(27～29)短路的装置。
6.按权利要求2的驱动装置，其特征为，一个转子(11)支承一个磁场激励系统，而另一个转子(12)则支承一个多相的转子绕组(26)，其一个绕组端相互连接，而其另一绕组端则分别连接在一个设置在一个分圆上的接触面上，且轴向移动的接触环可放到接触面上。
7.按权利要求3～6任一项的驱动装置，其特征为，该磁场激励系统具有永久磁铁(18)或一个励磁线圈，该励磁线圈通过滑环(27～29)可连接在直流电压源上。
8.按权利要求3至6任一项的驱动装置，其特征为，该磁场激励系统具有一个与转子(11)一起旋转的爪极装置(40)和一个带磁导环(42)的固定环形线圈(41)。
9.按权利要求1的驱动装置，其特征为，两个转子(11、12)设计成其间具有一个轴向气隙(13’)的盘形转子，且转子(11、12)之间的旋转磁场耦合的控制可用机械的或电的方式来进行。
10.按权利要求9的驱动装置，其特征为，一个转子(11)支承一个永久磁铁系统，而另一个转子(12)则支承一个鼠笼式绕组(20’)，且一个转子(12)可相对于另一个转子(11)进行轴向移动。
11.按权利要求9的驱动装置，其特征为，一个转子(11)设计成平面极盘(50)，具有扇形布置的磁导极段(51、52)，而另一转子(12)则支承一个鼠笼式绕组(20’)；平面极盘(50)在留有一个轴向气隙的情况下，对应一个具有中心磁导棒(57)的固定的罐形磁导轭铁(56)；在磁导轭铁(56)中嵌入一个环形线圈(58)；设置有开关装置(59)来把环形线圈(58)连接到一个直流电压源(60)上。
12.按权利要求1至11任一项的驱动装置，其特征为，第一转子(11)连接在一个初级驱动器(15)上。
13.按权利要求12的驱动装置，其特征为，初级驱动器(15)是一台直流电动机、异步电动机、同步电动机或别的电动机或非电的马达。
14.按权利要求1至8任一项的驱动装置，其特征为，第一转子(11)为一种电动机的转子。
15.按权利要求14的驱动装置，其特征为，该电动机为一同步电动机，其第一转子(11)在其外侧上支承一个永久磁铁系统(48)。
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