HK40112948A - 具有环形线圈架的电驱动装置 - Google Patents

Description

具有环形线圈架的电驱动装置

技术领域

本发明涉及一种具有定子和转子的电驱动装置。这种表述尤其是包括具有正好一个定子和正好一个转子的径向磁通电机的情况并且尤其是包括具有两个定子和一个转子的轴向磁通电机的情况。此外，存在多个线圈。

背景技术

电驱动装置是将电功率转换为机械功率的电机。载流导体线圈产生磁场，其相互的吸引力和排斥力被转换成运动。在所谓的内动子的情况下存在固定的外部件和在其中的旋转的内部件。这些部件被称为定子和转子。

此外，电动机用于工业中，例如包装和食品工业、机器人技术、医疗技术和医疗辅助设备中或也用于机动车，如电动自行车、小型车辆、小型飞机。

传统上，对于定子几何结构，尤其是在齿线圈绕组的情况下，使用具有边长为l₁和l₂的矩形齿结构，其中l₁通常比l₂大得多。边长l₁被视为形成扭矩的绕组并且边长l₂被视为不希望的绕组头。一方面，磁通的变化和因此其振幅应最大化，另一方面，绕组中的电流热损耗应最小化。

发明内容

本发明的任务是提供一种电驱动装置，其具有在物理和数学上优化的绕组几何结构。

该任务通过独立权利要求的技术方案来解决。据此，电驱动装置包括定子和转子。定子是静止的并且转子是运动的。转子使驱动轴旋转。电驱动装置包括绕组线的多个线匝，这些线匝绕制成线圈。绕组线尤其是大多由铜线、尤其是由漆包铜线制成。

电驱动装置具有一个环形线圈架，绕组线的线圈围绕环形线圈架的区段缠绕并且由该环形线圈架支承。术语“环形线圈架”或“环形体”表示在中心具有孔的旋转体。旋转轴线穿过孔并且不与旋转体相交。可以将任何横截面如正方形旋转。如果圆形形状的横截面旋转，则环形体被称为“圆环”。环形线圈架的横截面具有椭圆形状、尤其是圆形形状。

围绕环形线圈架的“区段”施加线圈意味着线圈不是沿整个旋转区域存在，而是仅部分区段地存在。

圆作为横截面在所有二维几何形状的尽可能小的周长下具有最大面积。由此包围的线材长度最小化。因此，圆形围绕环形线圈架缠绕的绕组线中的电流热损耗也最小化。这是因为电流热损耗量是绕组线长度的函数。替代地，如果横截面不设计为圆形，而是设计为椭圆形，则即使所述几何形状不是最佳的，但始终比在传统电驱动装置中的矩形齿结构中要更好。

有利地，定子具有包括多个叠片的叠片结构。线圈分别在各叠片之间围绕环形线圈架的区段缠绕。尤其是环形线圈架和叠片结构共同构造为定子。在较大的定子几何结构中，定子可以由各单个分段或由多个部件组装和粘接而成。

通过叠片结构补充环形线圈架使得能够使用传统的转子结构。这既可以是轴向磁通转子，也可以是径向磁通转子。在没有叠片结构的情况下，只能以极高的制造成本来制造所描述的电驱动装置。

尤其是叠片在环形线圈架的旋转轴线方向上延伸的长度大于环形线圈架。因此，存在大的定子，其能够接收来自转子的主磁通并且允许使用传统的转子结构。

尤其是在作为径向磁通电机的设计方案中，叠片在环形线圈架的旋转轴线方向上延伸的长度是环形线圈架的至少两倍、尤其是至少三倍。

有利地，叠片结构构造为环形体。叠片形成该环形体的区段。在这些叠片区段之间设置有用于绕组的各个线圈体的区段。

尤其是环形线圈架的旋转轴线与叠片结构的环形体的旋转轴线相同。

有利地，环形体的横截面是环形线圈架的横截面的至少三倍、尤其是至少五倍。由此定子具有大的气隙面，以便接收来自转子的主磁通。

有利地，分别从旋转轴线起，环形线圈架的最大径向延伸尺寸与叠片结构的环形体的最大径向延伸尺寸是相同大小的。换言之，尤其是共同形成定子的环形线圈架和叠片结构在相应的外侧上彼此齐平。这种设计方案尤其是设置在内动子的情况中。

替代地，分别从旋转轴线起，环形线圈架的最小径向延伸尺寸可以与叠片结构的环形体的最小径向延伸尺寸是相同大小的。这种设计方案尤其是设置在外动子的情况中。

定子的这种几何设计方案的优点在于，由绕组线缠绕的线圈部分地从叠片结构突出并且因此对于冷却装置来说易于接近。

换言之，所述绕组的线圈延伸到与叠片结构的径向最外区域相比在径向上更远离旋转轴线的区域中。这种设计方案尤其是设置在内动子的情况中。

替代地，所述绕组延伸到与叠片结构的径向最内区域相比在径向上更靠近旋转轴线的区域中。

尤其是电驱动装置在作为径向磁通电机的设计方案中包括正好一个定子和正好一个转子并且在作为轴向磁通电机的设计方案中包括正好两个定子和正好一个转子。

有利地，环形线圈架具有的最大圆环直径最大为200mm、尤其是最大为100mm和/或至少为60mm、尤其是至少为80mm。如果环形线圈架具有圆形横截面形状，则圆的直径尤其是大于5mm、尤其是大于10mm和/或小于20mm、尤其是小于15mm。

尤其是定子包围转子，即转子设置在定子的芯部中。在此涉及所谓的内动子。替代地，转子包围定子。在此涉及所谓的外动子。有利地，转子是径向磁通转子。

如果环形线圈架的横截面具有椭圆形状，则椭圆的长轴尤其是椭圆短轴的至多1.3倍、尤其是至多1.2倍。

定子由具有涡流降低手段的3D磁通传导材料制成。这例如可以包括软磁的粉末复合材料（SMC）、铁氧体或纳米晶体材料。

附图说明

本发明的其它设计方案、优点和应用由从属权利要求和下述根据附图的说明得出。附图如下：

图1a是作为内动子的、径向布置中的第一种电驱动装置；

图1b是第一种电驱动装置的无定子绕组线圈的定子；

图1c是无定子绕组线圈的定子的俯视图；

图1d是根据图1c中绘出的切线穿过无定子绕组线圈的定子的剖面图；

图1e是无定子绕组线圈的定子的侧视图；

图1f是根据图1e中绘出的切线穿过定子的剖面图，其中阴影区域表示定子绕组的线圈；

图2a是作为外动子的、径向布置中的第二种电驱动装置；

图2b是第二种电驱动装置的无定子绕组线圈的定子；

图2c是无定子绕组线圈的定子的俯视图；

图2d是根据图2c中绘出的切线穿过无定子绕组线圈的定子的剖面图；

图2e是无定子绕组线圈的定子的侧视图；

图2f是根据图2e中绘出的切线穿过定子的剖面图，其中阴影区域表示定子绕组的线圈；

图3a是轴向布置中的第三种电驱动装置；

图3b是第三种电驱动装置的一个定子部件；

图3c是定子部件的平面图；

图3d是定子部件的侧视图；和

图4是一种替代实施方式中的环形线圈架的呈椭圆几何形状的横截面。

具体实施方式

图1a示出第一种电驱动装置。该第一种电驱动装置包括转子1和定子2。图1b至图1f仅还示出定子2，其中，在图1f中绕组3的线圈作为阴影区域示出。

定子2包括环形线圈架21。环形线圈架21是使横截面211旋转的旋转体。横截面211在本实施方式中是具有6mm的示例性半径的圆。线圈3围绕环形线圈架21缠绕。如上所述，该线圈在图1f中通过阴影区域表示。

环形线圈架21仅指定子2的这样的部分，绕组的线圈围绕该部分缠绕。在本实施方式中，这涉及圆环，该圆环在图1f中向内通过虚线212限定并且向外通过圆形实线213限定。

环形线圈架21通过叠片结构22补充。定子2因此包括环形线圈架21和叠片结构22。定子2一体地构造，但可以由粘接的分段构成。

在各叠片221之间露出环形线圈架21的区段215，线圈3围绕这些区段缠绕。也就是说，线圈3不是沿着整个圆环，而是仅在各叠片221之间的区段215中围绕环形线圈架21。定子2或叠片结构22在本实施方式中总共包括十二个叠片221和环形线圈架21的在各叠片221之间的十二个区段215。

沿着旋转轴线214的方向，叠片221在比环形线圈架21的长度L2更长的长度L1上延伸，长度L1例如为40mm。长度L1大约是长度L2的三倍。

叠片结构22在本实施方式中也是环形体。这是因为叠片结构22是旋转体，在该旋转体中在图1d中以阴影示出的横截面222围绕旋转轴线214旋转。环形线圈架21和叠片结构22的旋转轴线是相同的。但叠片结构22沿圆环不是连续的，而是仅以区段存在。叠片结构22的这些区段是叠片221。叠片结构22的环形体在各叠片之间中断，从而形成用于绕组3的线圈的间隙。

叠片结构22的环形体的横截面222大约是环形线圈架21的横截面211的六到七倍。由此定子2具有大的气隙面，以便接收来自转子的主磁通。

环形线圈架21的最大径向延伸尺寸R1与叠片结构22的最大径向延伸尺寸R2完全相同。这具有有利效果，即，线圈3的部分31暴露在定子2之外并且在那里对于冷却装置4来说易于接近。换言之，绕组3的线圈延伸到比叠片结构22的径向最外区域在径向上更远离旋转轴线214的区域中。半径R1和R2在该示例性实施方式中为40mm并且相应于环形线圈架21和叠片结构22的环形体的最大圆环直径。

图2a示出第二种电驱动装置。该第二种电驱动装置也包括正好一个转子1和正好一个定子2。图2b至图2f仅还示出定子2，其中，在图2f中绕组3以阴影区域表示。附图标记与图1a至图1f中所使用的相同。由于转子1包围定子2，因此这涉及所谓的“外动子”。

定子2根据与第一种电驱动装置的定子2相同的原理构造。它也包括具有圆形横截面211的环形线圈架21，线圈部分区段地围绕该环形线圈架被施加，绕组由所述线圈组成。

与第一种电驱动装置的区别在于，环形线圈架21的最小径向延伸尺寸R3与叠片结构22的最小径向延伸R3尺寸完全相同大小。这具有有利效果，即，绕组3的部分31暴露在定子2之内并且在那里对于冷却装置4来说易于接近。换言之，绕组3延伸到比叠片结构22的径向最内区域在径向上进一步更靠近旋转轴线214的区域中。

图3a至图3d示出轴向布置中的内动子。这包括转子1和具有两个定子部件2a和2b的定子2。两个定子部件2a和2b根据与第一种和第二种电驱动装置的定子相同的原理构造。区别在于，环形线圈架21不是在径向方向上向外，而是在轴向方向上与叠片结构22的最外侧齐平。环形线圈架21和叠片结构22在虚线23处齐平。

图4示出椭圆5，在一种特殊的实施方式中，环形线圈架21的横截面211可以具有这种椭圆5形状。例如椭圆具有长轴gA，所述长轴是短轴kA的1.2倍。

如果环形线圈架的横截面具有椭圆形状，则椭圆的长轴的长度尤其是椭圆短轴的至多1.3倍、尤其是至多1.2倍。

尽管在本申请中描述了本发明的优选实施方式，但应明确指出，本发明不限于此并且可以在所附权利要求的范围内以其它方式实施。

Claims (14)

1.电驱动装置，该电驱动装置包括定子（2）和转子（1）以及绕组（3）的多个线圈，其特征在于，所述定子（2）具有带有旋转轴线（214）的环形线圈架（21），并且所述环形线圈架（21）具有椭圆形的、尤其是圆形的横截面（21），所述绕组（3）的线圈围绕所述环形线圈架（21）的区段（215）缠绕。

2.根据权利要求1所述的电驱动装置，其中，所述定子（2）具有包括多个叠片（221）的叠片结构（22），所述绕组的线圈分别在各叠片（221）之间围绕环形线圈架（21）的区段（215）施加。

3.根据权利要求2所述的电驱动装置，其中，所述叠片（221）在环形线圈架（21）的旋转轴线（214）方向上延伸的长度比环形线圈架（21）大。

4.根据权利要求3所述的电驱动装置，其中，所述叠片（221）在环形线圈架（21）的旋转轴线（214）方向上延伸的长度是环形线圈架（21）的至少两倍、尤其是至少三倍。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的电驱动装置，其中，所述叠片结构（22）构造为环形体，并且所述叠片（221）是该环形体的区段，并且在这些区段之间存在用于绕组（3）的线圈的间隙。

6.根据权利要求5所述的电驱动装置，其中，所述环形线圈架（21）的旋转轴线（214）与叠片结构（22）的环形体的旋转轴线（214）相同。

7.根据权利要求5或6所述的电驱动装置，其中，所述环形体的横截面（222）是环形线圈架（21）的横截面（221）的至少三倍、尤其是至少五倍。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的电驱动装置，其中，分别从旋转轴线（214）起，所述环形线圈架（21）的最大径向延伸尺寸（R1）与叠片结构（22）的环形体的最大径向延伸尺寸（R2）是相同大小的；或者

分别从旋转轴线（214）起，所述环形线圈架（21）的最小径向延伸尺寸（R3）与叠片结构（22）的环形体的最小径向延伸尺寸（R4）是相同大小的。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中，所述绕组延伸到与叠片结构（22）的径向最外区域相比在径向上更远离旋转轴线（214）的区域中，或者所述绕组延伸到与叠片结构（22）的径向最内区域相比在径向上更靠近旋转轴线（214）的区域中。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，所述电驱动装置具有正好一个定子（2）和正好一个转子（1）；或者所述电驱动装置具有正好两个定子和正好一个转子。

11.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中，所述环形线圈架（21）具有最大圆环直径，并且所述最大圆环直径最大为200mm、尤其是最大为100mm和/或至少为60mm、尤其是至少为80mm。

12.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中，所述定子（2）包围转子（1）；或所述转子（1）包围定子（2）。

13.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中，所述转子（1）是径向磁通转子或轴向磁通转子。

14.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，其中，所述环形线圈架的横截面的椭圆形状具有长轴和短轴，其中，所述长轴的长度是短轴的至多1.3倍、尤其是至多1.2倍。