CN105247768A - 特别用于机动车的电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动机(1)，特别是用于机动车的电动机，包括定子(2)和转子(5)，所述转子(5)可相对于定子(2)围绕旋转轴线(R)旋转，其中所述定子(2)包括定子永久磁铁(3)，在定子永久磁铁上设置有以可调节的方式产生额外磁场的定子绕组(9)，其中转子(5)包括转子永久磁铁(6)，在转子永久磁铁上设置有以可调节的方式产生额外磁场的转子绕组(8)，其中电动机(1)以如下方式设计，使得电动机可在第一运行状态和第二运行状态之间切换，在第一运行状态下电流流过定子绕组(9)和转子绕组(8)，使得它们分别产生相应的额外的磁场，并且在第二运行状态下，电流不流过定子绕组(9)。

Description

特别用于机动车的电动机

技术领域

本发明涉及一种电动机，特别是用于机动车的电动机，以及具有这种电动机的机动车。本发明还涉及一种用于操作这种电动机的方法。

背景技术

通常以直流电的小设备方式构建常规的电动机，以得到永久激发，即定子或这种电动机通常包括一个或多个定子永久磁铁。因此，可相当于定子围绕旋转轴线旋转的转子具有转子永久磁铁，在该转子永久磁铁上可布置有转子绕组。在较大的DC直流电电机中，定子永久磁铁通常用定子绕组来替代。这意味着电动机由此具有转子绕组和定子绕组，它们可以各种方式彼此连接。在所谓的串联设备中，定子绕组与转子绕组串联电连接。这使得电动机也能够在低的转子旋转速度下提供较高的扭矩。另一种变体的串联电机，所谓的并激电机，另一方面，定子绕组与转子绕组并联电连接。与串联电机相比，由这种电机提供的扭矩与旋转速度无关，并且与提供之电动机的电源电压成正比。因此，这种电动机特别适用于旋转速度可变的驱动器。最后，DC直流电机还可作为所谓的单独激发的电机操作，这意味着对两个绕组各自独立地供应电能。通过所谓的激发电流，可对电动机的机动特性产生影响。

已经提供的电动机目前通常实际用于主动旋转操作中，在主动旋转操作中转子相对于定子旋转，而且还通常用于所谓的保持操作中，在保持操作中转子相对于定子保持静止，并且对抗外部的反作用力或者机械挡块。例如，在机动车排气系统中的这种电动机保持操作中，布置在排气管中的阀装置可被保持在对抗废气产生的废气压的封闭状态下。在保持操作期间，施加至电动机的电能不能被转化成旋转转子的动能，而是必须被完全转化成热。为了防止废热引起的电动机组件，特别是转子的过热对电动机的损坏甚至破坏，转子仅仅通过转子轴与电动机的外罩热联接，施加至电动机的电流可例如通过脉冲宽度调制(PWM)被限定为最大值。然而，这种电流限值导致不期望地限定了电动机提供的最大扭矩。

发明内容

本发明致力于提供一种发展电动机，特别是机动车的发动机的新途径的问题。

通过独立权利要求的主题解决了前述问题。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

本发明基于以下总体思想：提供一种电动机，包括定子和转子，所述转子可相对于定子旋转，其中所述电动机以如下方式设计，使得它能在第一操作状态和第二操作状态之间切换，在第一操作状态下，电流流过电动机的定子绕组和转子绕组以分别产生相应的磁场，即除了相对于定子的永久磁铁产生的磁场是额外的磁场，在第二操作状态下，电流不流过定子绕组，使得定子绕组不产生额外的磁场。

如果电动机处于第一操作状态，通过定子绕组产生的额外的磁场产生额外的扭矩，作用于转子，该扭矩例如在特别高的外部扭矩要求的情况下可在电动机中获得。因此，当电动机的转子处于停止状态时，即电动机处于保持操作，或者只以较低的旋转速度旋转并且存在巨大的外部扭矩要求，即转子将被强力加速(这根据本发明可利用定子产生的额外的扭矩在第一操作状态下实现)，电动机能够一直从第二操作状态切换至第一操作状态。此时在定子处产生的额外的废热可从定子直接排放至电动机的外罩。

对于高旋转速度的情况，电动机可切换至第二操作状态，在该第二操作状态电流不流过定子绕组，因此不产生额外的磁场。在该操作状态下，由于没有电流流过定子绕组，与第一操作状态相比，电动机产生的废热减少。

总而言之，相对于最大可变的旋转速度下电动机能提供的扭矩以及不同的外部扭矩要求，根据本发明的电动机由此能进行弹性应用。

在优选实施方式中，上述电动机可包括控制单元，所述控制单元在超过预定的阈值旋转速度时从所述第一操作状态切换电动机至所述第二操作状态，并且在降低至所述阈值旋转速度以下时从所述第二操作状态切换电动机至所述第一操作状态。以此方式，如前文所解释的，实现了，在必要时，在静置或者转子的低于阈值旋转速度的相应的较低旋转速度下，由所述电动机提供相对于第二操作状态增大了的扭矩。一旦超过预定的阈值旋转速度，额外的定子磁场通过从第一操作状态切换至第二操作状态被再次关闭。文中例如可利用电动机中安装的旋转速度传感器来确定电动机的即时旋转速度。然而，或者，还可意在，不进行旋转速度的测定，而是由控制单元根据各种参数(例如通过定子或者相应地转子的电流)来计算，或者在超过现有的阈值转子电流或者降至低于现有的阈值转子电流时在操作状态之间进行切换。

在进一步开发的变体中，电动机两种操作状态之间的切换不仅可根据转子的旋转速度函数进行，还可根据其它参数的函数，例如外部扭矩要求等相似的。同时，假设两种操作状态之间的切换在降低至低于预定的转子阈值电流或者相应地超过预定的转子阈值电流时进行。此时，对本领域技术人员来说具有各种技术实现方式的可能性。

在有利的其它发展中，所述定子绕组和所述转子绕组串联地彼此电连接，并且在所述电动机内设置可切换的短路回路，所述短路回路能由所述控制单元驱动，利用所述短路回路，所述定子绕组可选地能被桥接，用于在两个运行状态之间切换。文中电动机的第一操作状态对应于不起作用的短路回路，即定子绕组未被桥接，因此是起作用的，即电流流过定子绕组，用于产生额外的定子磁场。在电流不流过定子绕组的第二操作状态下，短路回路是起作用的，并且使定子绕组电桥接，使得电流只流过短路回路的桥接线。定子绕组和转子绕组的串联连接具有以下优点：在短路回路中断的情况下，电流同时流过定子和转子，从外部(例如分压器)提供至电动机的电源电压同时分配至转子绕组和定子绕组，使得转子中的电功率降低因电压分配而降低。以此方式，可大幅降低电机发热，由此降低整个电动机发热，这可导致对电动机的损伤或者甚至导致电动机的损坏。此外，利用这种分压器，为脉冲宽度调节提供单独的PWM回路，用于脉冲宽度调节，并且提供电动机中出现的废热减少，由此可实现废热减少，变得不必要。这就意味着制造电动机的成本显著降低。

在特别优选的进一步的发展中，所述短路回路包括与所述定子绕组平行连接的电开关，所述电开关能在闭合状态和断开状态之间切换，在所述闭合状态下所述定子绕组的两个绕组末端电短路，并且在所述断开状态下两个绕组末端之间的电短路回路被切断。这种切换可以是机械切换，也可以是晶体管方式的，特别是FET晶体管或两极晶体管方式的半导体切换。

在替代的也是优选的实施方式中，定子绕组和转子绕组可分别具有单独的连接元件，因此可分别单独地驱动。在该情况下，电动机被构建为所谓的分激电机。这意味着电流可彼此独立地流过转子绕组和定子绕组。以此方式，目标电功率调节可在电动机中实现。单独的电流输入的控制可借助前述控制单元进行。施加至定子和转子的电流可经由单独的脉冲宽度调制单元分别进行调节，该脉冲宽度调制单元可由控制单元驱动。

在特别紧凑的实施方式中，所述定子永久磁铁可沿着所述转子的旋转方向至少部分地围绕所述转子，并且可包括第一定子通孔，所述第一定子通孔沿着旋转方向延续至第二定子通孔。根据该实施方式，所述定子永久磁铁构造为U形，并具有第一U形腿和第二U形腿和U形底座；所述第一U形腿形成第一定子通孔，并且所述第二U形腿形成第二定子通孔。两个定子通孔在所述U形底座的区域中彼此延续，或者在该区域中彼此拓宽。所述定子绕组至少被布置在所述U形底座上的区域中。利用转子和定子的这种布置，定子绕组可以特别节省空间的方式整合至电动机中。

特别优选地，可在U形底座上设置沿着所述U形底座的圆周方向延伸的凹部或锯齿状物，在所述凹部或锯齿状物中布置有所述定子绕组。这使得能机械稳定地将定子绕组紧固在定子永久磁铁上。

或者，可设置单独的组件，特别是金属片材板，特别是紧固在U形底座上，在所述金属片材板上布置有定子绕组。这使得能特别简单地更换定子绕组，例如用于维修的目的等。

特别优选地，定子绕组和/或转子绕组可包括铜线。

本发明进一步涉及具有至少一种前述电动机的机动车。

最后，本发明涉及一种用于操作前述电动机的方法，根据所述方法，所述电动机在超过所述转子的预定阈值旋转速度时切换至第一操作状态，在所述第一操作状态下电流流过所述定子绕组和所述转子绕组，用于分别产生相应的额外磁场，从而，利用所述定子绕组产生的额外定子磁场，通过所述电流产生额外的扭矩，作用于所述转子。根据所述方法，所述电动机在降低至所述转子的预定阈值旋转速度以下时切换至第二操作状态，在所述第二操作状态下电流不流过所述定子绕组，因此额外的定子磁场被关闭。

附图说明

本发明的其它重要特征和优点来自于子权利要求、附图，以及基于附图的各个图的相关描述。

应理解的是上述提及和下文将要进一步解释的特征不仅能以分别描述的组合使用，还能以其它组合使用，或单独使用，而不背离本发明的范围。

本发明的优选示例性实施方式示于附图中，并在以下说明中进行进一步解释，其中相同的附图标记指代相同或相似或功能相同的组件。

分别示意性示出了：

图1:粗略地分解透视图示出了根据本发明的电动机；

图2:以回路图方式示出了图1的电动机；

图3:以回路图方式示出了图1和图2的电动机的变体。

具体实施方式

在图1中，以粗略图的方式示出了根据本发明的电动机，并用1表示。电动机1包括具有定子永久磁铁3的定子2。定子永久磁铁3还具有两个通孔4a,b。此外，电动机1包括转子5并可具有铁芯，如图1中所示，转子5可被构建为双T形衔铁6。双T形衔铁6形式的转子5具有两个通孔7a,b，并且在转子5上布置有铜线的转子绕组8。通过电流流过转子绕组8，可由转子绕组8产生磁场，可对该磁场的强度和极性进行调节。

此外，定子永久磁铁3具有定子绕组9，利用该定子绕组9，提供电流流过，类似地可产生额外的磁场。相似地，定子绕组9可由铜线产生。转子绕组8和定子绕组9均具有相应的转子绕组端部，或者相应的定子绕组端部10a,10b,11a,11b，它们以各种方式彼此连接，这在下文结合图2和图3进行进一步解释。

根据本发明的电动机1以如下方式设计，使得该电动机能在第一操作状态和第二操作状态之间切换，在第一操作状态下电流流过定子绕组9和转子绕组8，使得定子绕组9和转子绕组8分别产生相应的额外磁场，并且在第二操作状态下，电流不流过定子绕组9。

如果电动机1处于第一操作状态，通过定子绕组9产生的额外的磁场产生额外的扭矩，该扭矩例如在特别高的外部扭矩要求的情况下可在电动机1中获得。因此，当电动机1的转子5处于静置状态时，即电动机1处于保持操作或者以较低旋转速度旋转，并且存在巨大的外部扭矩要求，即转子将被致密地加速时，电动机总是能够从第二操作状态切换至第一操作状态。这已由额外的扭矩在第一操作状态下特别有效地得以实现。对于不要求如此高的扭矩的情况，一方面，电动机1可切换至电流不流过定子绕组9的第二操作状态，因此不产生额外磁场。在该状态下，减少了电动机1产生的废热的量。

为了在两个操作状态之间切换，电动机1可具有控制单元12，图2的图示中以粗略示意图的方式示出了该控制单元12。图2以回路图方式示出了电动机1的结构。控制单元12可例如以常规微控制器的方式构建。图2中示出的电动机1以串联电机实现，即定子2的定子绕组9和转子5的转子绕组8串联地彼此电连接。这例如可通过图2中示出的转子绕组8和定子绕组9的连接元件10a,10b,11a,11b的适当连接来实现。

可通过控制单元12驱动短路回路13，利用短路回路13可使定子绕组9可选地桥接，以用于在两种操作状态间切换。为此，短路回路13可包括与定子绕组9并联连接的电开关或者电子开关14。电开关14可被构建为机械切换，或者也可以是晶体管方式的，例如FET晶体管或两极晶体管方式的半导体切换。开关14能在闭合状态和断开状态之间切换，在闭合状态下，定子绕组9的两个绕组末端11a,11b电短路，在断开状态下，两个绕组末端11a,11b之间的电短路中断。在上述开关的闭合状态下，定子绕组9不起作用，即电流不流过定子绕组9，因此定子绕组不产生额外磁场。这意味着开关14的闭合状态与第二操作状态相关。因此，利用断开的开关14，电流流过定子绕组9，使得由其产生额外磁场。因此，开关14的断开状态对应于电动机1的第一操作状态。

在电动机1上，特别是在转子5的区域中，可选地设置有旋转速度传感器15，利用该传感器能测定旋转速度N或者相应的转子5的旋转速率。旋转速度传感器15可与控制单元12共同起作用，使得在降低至低于预定阈值旋转速度N₀时，控制单元12使电动机1从第二操作状态切换至第一操作状态，并且在超过预定阈值旋转速度N₀时，控制单元12使电动机1从第一操作状态切换至第二操作状态。

显然，在变体中，这种旋转速度传感器15完全没有必要，以用于根据旋转速度传感器15测定的转子5的旋转速度N的函数在两种操作状态之间切换；相反，还可以根据其它外部参数函数，例如外部要求的扭矩，通过控制单元12进行操作状态的切换。此时，对于本领域专业人员存在各种技术实现的可能性。例如，可预期根据外部要求的扭矩结合转子5的即时旋转速度N为函数进行两种操作状态之间的切换。同时，可设想在降低至低于或者相应地超过预定电动机阈值电流时进行两种操作状态之间的切换。

现在再观察图1的图示，将看到定子永久磁铁3沿着转子5的旋转方向D至少部分地围绕转子5。定子永久磁铁3包括第一定子通孔16a，该第一定子通孔沿着旋转方向延续至第二定子通孔16b。如图1所示，定子永久磁铁3可被构建为具有第一U形腿和第二U形腿17a,17b以及U形底座18的U形形状。第一U形腿17a在此部分地形成第一定子通孔16a，相应地第二U形腿17b部分地形成第二定子通孔16b。在U形底座18的区域中，两个定子通孔16a,16b彼此延续。

如图1所示，定子绕组9可布置在U形底座18上。为此，可在U形底座18上设置螺旋状凹部(为了清楚性，图1中未示出)，该凹部沿着U形底座18的圆周方向延伸。或者，还可设置相应的锯齿状物代替螺旋状凹部。这能使得定子绕组9机械稳定地紧固在U形底座18上。然而，替代于此，在一个单独的组件变体中，还可在U形底座18上设置，例如以金属片材板的方式设置，在该单独的组件上布置有定子绕组9。该单独的组件可以合适的方式紧固在U形底座18上。

在图3中，先以回路图的方式示出了图1和图2的电动机的变体，其中定子绕组9和转子绕组8被供应电能，并彼此独立地驱动。此处，例如利用脉冲宽度调制(PWM)进行驱动，由此特别可实现良好的电动机1的功率调制，这导致能量散失较低，并且与此相关的电动机1变热减轻。如图3所示，转子绕组8和定子绕组9可利用单独的电流回路19,20驱动，其中在两个电流回路的每一个中，可设置脉冲宽度调制(PWM)调制单元21a,21b，利用上述PWM调制单元可调节流过定子绕组9或者相应地流过转子绕组8的电流。两个脉冲宽度调制单元21a,21b可由控制单元12驱动。明显的是，这种PWM单元还可设置在图2所示的串联电机内，从而能调节流过转子绕组8和定子绕组9的电流。

Claims (11)

1.一种电动机(1)，特别是用于机动车的电动机，包括：

定子(2)和转子(5)，所述转子(5)能相对于定子(2)围绕旋转轴线(R)旋转；

其中，所述定子(2)包括定子永久磁铁(3)，在所述定子永久磁铁上布置有以可调节的方式产生额外磁场的定子绕组(9)；

其中，在所述转子(5)上设置有以可调节的方式产生转子磁场的转子绕组(8)；

其中，所述电动机(1)以如下方式设计，使得所述电动机能在第一操作状态和第二操作状态之间切换，在所述第一操作状态下电流流过所述定子绕组(9)和所述转子绕组(8)，使得所述定子绕组(9)和所述转子绕组(8)分别产生相应的额外磁场，并且在所述第二操作状态下，电流不流过所述定子绕组(9)。

2.根据权利要求1所述的电动机，其特征在于，

所述电动机(1)包括控制单元(12)，所述控制单元(12)超过预定的阈值旋转速度(N₀)时从所述第一操作状态切换至所述第二操作状态，并且在降低至所述阈值旋转速度(N₀)以下时从所述第二操作状态切换至所述第一操作状态。

3.根据权利要求1或2所述的电动机，其特征在于，

所述定子绕组(9)和所述转子绕组(8)串联地彼此电连接，并且在所述电动机(1)内设置可切换的短路回路(13)，所述短路能由所述控制单元(12)驱动，利用所述短路回路，所述定子绕组(9)可选地能被桥接以在两个操作状态之间切换。

4.根据权利要求3所述的电动机，其特征在于，

所述短路回路(13)包括与所述定子绕组(9)平行连接的电开关(14)，所述电开关能在闭合状态和断开状态之间切换，在所述闭合状态下所述定子绕组(9)的两个绕组末端(11a，11b)电短路，并且在所述断开状态下两个绕组末端(11a，11b)之间的电短路回路被切断。

5.根据权利要求1或2所述的电动机，其特征在于，所述定子绕组(9)和所述转子绕组(8)分别具有单独的连接元件(10a,10b,11a,11b)，因此能彼此独立地驱动。

6.根据前述权利要求中一项所述的电动机，其特征在于，

所述定子永久磁铁(3)沿着所述转子的旋转方向至少部分地围绕所述转子，并且包括第一定子通孔(16a)，所述第一定子通孔沿着旋转方向(D)延续至第二定子通孔(16b)；

所述定子永久磁铁(3)构造为U形，并具有第一U形腿和第二U形腿(17a，17b)和U形底座(18)；

所述第一U形腿(17a)形成所述第一定子通孔(16a)，且所述第二U形腿(17b)形成所述第二定子通孔(16b)；

两个所述定子通孔(16a,16b)在所述U形底座(18)的区域中彼此延续并彼此拓宽；

所述定子绕组(9)至少被布置在所述U形底座(18)上的区域中。

7.根据权利要求6所述的电动机，其特征在于，在所述U形底座(18)上设置有沿着所述U形底座(18)的圆周方向延伸的螺旋状凹部或锯齿状体，在所述螺旋状凹部或锯齿状体中布置有所述定子绕组(9)。

8.根据权利要求6所述的电动机，其特征在于，在所述U形底座(18)上设置有分隔组件，尤其是金属片板材，在所述分隔组件上布置有所述定子绕组(9)。

9.根据前述权利要求中一项所述的电动机，其特征在于，所述定子绕组(9)包括铜线。

10.一种机动车，包括根据前述权利要求中一项所述的至少一种电动机(1)。

11.一种根据权利要求1至9中一项所述的电动机(1)的操作方法，

根据所述方法，所述电动机(1)在降低至所述转子(5)的预定阈值旋转速度(N₀)以下时切换至第一操作状态，在所述第一操作状态下电流流过所述定子绕组(9)和所述转子绕组(8)，使得所述定子绕组(9)和所述转子绕组(8)分别产生相应的额外磁场，从而，利用所述定子绕组(9)产生的额外定子磁场，通过所述电流产生额外的扭矩，作用于所述转子；

根据所述方法，所述电动机(1)在超过所述转子(5)的预定阈值旋转速度(N₀)时切换至第二操作状态，在所述第二操作状态下电流不流过所述定子绕组(9)，因此额外的定子磁场被关闭。