CN110168881A - 用于机动车辆牵引的通量切换旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种具有电刷的直流旋转电力牵引机(10)，包括由设置有绕组的转子构成的电枢(12)和电感器(11)，其特征在于，所述电感器(11)具有单独的绕制激励，通过该激励的电感器电流(Is)独立于电枢电流(Ir)，并且所述电感器(11)可以通过选择电感器电流(Is)通过的线圈(B1、B2、B3)离散地产生至少三个不同的磁通量水平，每个对应于旋转电机的牵引模式(M1、M2、M3)。

Description

用于机动车辆牵引的通量切换旋转电机

技术领域

本发明涉及一种具有通量切换的用于机动车辆的旋转电力牵引机。本发明具有特别有利的应用，用于推进具有低功率特别是4kW至5kW的电动车辆。因此，本发明可以有利地特别用于低功率四轮电动车辆(微型车辆)、摩托车型的两轮车辆或重型四轮车。

背景技术

几乎所有用于牵引电动车辆的已知系统都基于交流电动机，其与永磁体同步或异步。然而，由于在逆变器中使用位置传感器和集成开关元件，无刷多相架构具有成本高的缺点。

用于电动车辆的推进系统也是已知的，其基于具有电刷的直流电动机，并且具有单独的激励。电动机的控制基本上包括对电枢上的功率的调节(在具有电刷的直流电动机的速度下的惯常控制模式)，通过电感器上的通量的连续变化来完成。由于这种类型的控制是平稳的，使用它通常被喜欢动态驾驶的驾驶员感到不安或甚至不愉快。

发明内容

本发明的目的特别是通过提出一种具有电刷的直流旋转电力牵引机来有效地消除上述缺点，包括由设置有绕组的转子构成的电枢和电感器，其特征在于，所述电感器具有单独的绕制激励，通过该激励的电感器电流独立于电枢电流，并且所述电感器可以通过选择电感器电流通过的线圈离散地产生至少三个不同的磁通量水平，每个对应于旋转电机的牵引模式。

由于通过电感器谨慎且快速地产生不同水平的通量，因此本发明使得可以提供与速度比变化相同的功能，这为驾驶员提供了令人愉快的驾驶感觉。本发明还具有响应时间非常短的优点。

此外，本发明是经济的，因为它避免使用特别是由稀土制成的永磁体。具有机械切换的这种类型的直流架构还避免了必须使用昂贵的电子逆变器或特定的去焊(defluxing)控制。

主控制由电感器通量(而不是电枢处的转换)提供，并且与电枢处的优选谨慎命令同时相关(而不是像传统情况那样直接)，这限制了电机的功率。实际上，由于电感器由低电流供应，因此与电枢的电源电路的直接控制相比，从能量的观点来看，根据本发明的电机是经济的。

根据一实施例，所述电枢通过变阻器类型的开关电连接到电池，所述开关配置成与所述电感器中的磁通量水平的变化同步地提供电阻的变化。

根据一实施例，所述电感器配置为以低电流操作，该电流低于50A，并且优选为10A。这使得可以降低通常在电流的平方上索引的部件的成本。

根据一实施例，所述电感器在所述电枢之前被致动。

根据一实施例，所述电感器的单独绕制激励由电感器的每极的三个线圈形成。

根据一实施例，三个线圈的每个组件用有关的(in hand)三根线缠绕。

由于这种耦合，其中一个线圈的激活或去激活不会产生过电压，比如当电流电平在隔离线圈中突然变化时可以观察到的电压。

根据一实施例，所述电感器是带有爪的单极型，所述电感器包括形成单个电感器绕组的至少三个线圈。这种具有单个全局电感器绕组的架构，无论极数如何，都可以不对每个极的子线圈进行分解，而是对单个时间进行全局电感器螺线管的细分。这使得可以促进电感器的生产、连接和控制。此外，由于电感器上没有线圈头，以及更紧凑的轴向通量电枢，铜的消耗减少了。

根据一实施例，单极电感器具有轴向通量。具有轴向通量的这种类型的架构使得可以获得高转矩水平，从而可以避免使用昂贵且笨重的机械减速器级。

根据一实施例，具有轴线的单极电感器包括：

-第一组爪，其具有从冠部的内周轴向延伸的第一部分，以及在与轴线相反的方向上径向延伸的第二部分；

-第二组爪，它们都具有相同的极性，其与所述第一组爪的极性相反；

-所述第二组爪的每个爪包括第一部分，其在与所述第一组爪的第一部分相同的方向上从所述冠部的外周轴向延伸，以及第二部分，其在轴线的方向上从径向地离所述冠部最远的第一部分的轴向端部延伸；

-所述电感器绕组轴向地装配在每组的每个爪的冠部和第二部分之间，并且径向地装配在所述第一组爪的第一部分和所述第二组爪的第一部分之间。

根据一实施例，所述单极电感器具有径向通量。

根据一实施例，所述电感器包括轭和在所述轭的轴线的方向上相对于轭的内周突出地径向延伸的极芯，并且在两个相邻的极芯相对于彼此轴向偏移的情况下，所述电感器绕组具有轴向起伏，以便在所述极芯之间通过。

根据一实施例，所述旋转电机包括机械开关和/或集成在电感器的内部容积中的通风系统。

本发明还涉及一种机动车辆，其特征在于，它包括如前所述的旋转电力牵引机。

根据一实施例，所述电力牵引机安装在所述机动车辆的车轮和差速器之间的后轴上。作为变型，电机可以在装配“车轮—电动机”类型时直接安装在车辆的车轮中。

附图说明

通过阅读以下描述并检查随之的附图，将更好地理解本发明。这些图纯粹是为了说明而提供的，不以任何方式限制本发明。

图1是根据本发明的用于机动车辆的旋转电力牵引机的示意图；

图2a至2c分别以第一、第二和第三牵引模式示出了图1中的电机的电感器的线圈的配置；

图3a是表示在根据本发明的旋转电力牵引机的操作顺序期间电感器和电枢中的电流的发展的曲线图；

图3b是对应于根据本发明的电机的不同牵引模式的不同通量水平的图示。

图4示出了根据本发明的电机的不同牵引模式的速度/转矩特性，每个对应于速度比；

图5是根据本发明的起动器的电感器的透视图，其设置有每个由三个线圈形成的极；

图6a是根据本发明的具有轴向通量的单极型起动器的电感器的透视图；

图6b是根据本发明的具有径向通量的单极型起动器的电感器的透视图；

图7是从上方示意性表示的机动车辆，其包括安装在其后轴上的根据本发明的电力牵引机；

图8是根据本发明的电力牵引机的特定实施例的特征转矩/速度和功率/速度曲线的图示。

相同、相似或类似的元件在各个图中具有相同的参考标记。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的具有直流电和带电刷的电力牵引机10。该带有绕制激励的电机10包括电感器11和电枢12。在这种情况下，电枢12由设置有绕组的转子构成。

另外，电磁体接触器设置有与电枢12一起属于电源电路C_Puis的机械电源触点K0。

该电源触点K0由属于控制电路C_Com的线圈B_cmd控制。该电路C_Com还包括触点S，触点S的闭合命令控制线圈B_cmd的激励，从而引起电源触点K0的闭合。电能由电池Batt供应，电源电压最好为48V。

电感器11具有单独的绕制激励，通过该激励的电流Is独立于电枢的电流Ir。电感器11经由电压源15电连接到控制线圈B_cmd，电压源15被控制以便通过调节来确保电感器11中的恒定电流Is。

因此，属于控制电路C_Com的电感器11以低电流操作，该低电流类似于在控制线圈中流通的电流。在电感器11中流通的该恒定电流Is低于50A，并且优选地约为10A。这因此极大地限制了电感器11的焦耳效应的损耗，并且可以通过低功率电子部件以降低的成本控制电流(后者与电流的平方相关)。

可选地，电枢12可以通过变阻器类型的开关14电连接到电池Batt，以便允许调节电枢12电压，从而改善电枢12的旋转速度的调节。电阻的变化与电感器11中的通量水平的变化同步地进行，如下文更详细地描述。

优选地，还离散地进行电阻的变化。因此，电枢12的第一电阻值对应于模式M1的通量水平，电枢12的第二电阻值对应于模式M2的通量水平，且电枢12的第三电阻值对应于模式M3的通量水平。变阻器14可以具有机械切换，以便从一个电阻值到另一个电阻值，或者通过结合一系列晶体管进行电力切换，这使得可以将变阻器的电阻从一个水平切换到另一个水平。在电源电路C_Puis中流通的电流Ir可以约为250A。

如图3所示，电流Is通过的电感器11在电流Ir通过的电枢12之前被致动。实际上，当触点S闭合时，电感器11和控制线圈B_cmd同时具有通过它们的电流。对电感器11的这种先前动作旨在确保当接通电枢12的电源时电感器11已经处于稳定状态。

通过选择电感器电流Is通过的线圈B1、B2、B3，电感器11可以离散地产生至少三个不同水平的磁通量，每个对应于旋转电机10的牵引模式M1、M2、M3。

为了通过一系列三个线圈获得最大水平的磁耦合，每个极的每个系列的三个线圈B1、B2、B3用有关的三根线缠绕。

另外，控制单元16可以控制开关K1、K2、K3，以便选择性地去激活或激活线圈B1、B2、B3。开关K1、K2、K3可以是以切换状态操作的晶体管的形式，特别是MOS型的晶体管。

在第一牵引模式M1中，电感器11的每个极的线圈B1、B2和B3被串联，以便最大化由电感器11产生的磁通量，如图2a所示。为此，控制单元16命令开关K1的闭合以及开关K2和K3的打开。

在第二牵引模式M2中，线圈B1被去激活，以使电流Is在线圈B2和B3中流通，从而减小由电感器11产生的磁通量，如图2b所示。为此，控制单元16命令开关K2的闭合以及开关K1和K3的打开。

在第三牵引模式M3中，线圈B1和B2被去激活，以使电流Is仅在线圈B3中流通，从而甚至进一步减小由电感器11产生的磁通量，如图2c所示。为此，控制单元16命令开关K3的闭合以及开关K1和K2的打开。

如图3b所示，在时段T1期间对电感器11的先前动作使得可以在从一种牵引模式到另一种牵引模式时获得通量水平的几乎瞬时变化。观察到与牵引模式M1、M2、M3中的每一个相关的不同水平的通量。因此，通量F1的水平与牵引模式M1相关，通量F2的水平与牵引模式M2相关，且通量F3的水平与牵引模式M3相关。

本发明使得可以获得的电动机10表现得好像存在三个可用的内部速度比，具有从一个到另一个的非常短的过渡时间。可以根据电动机的运行阶段选择这些速度比。

如图4所示，模式M1可以低速实施以使转矩最大化，模式M2可以中速实施，且模式M3可以实施以便最大化速度以减小转矩。因此，每种模式对应于速度比。这种类型的配置使得可以在等功率下改善电机的特性(参见曲线C1和C2)。应当理解，根据应用可以增加线圈的数量并因此增加相应的速度比，特别地，它可以等于4、5或6。

如图5所示，三个线圈B1、B2、B3可以缠绕在从形成电感器11的定子的轭19获得的每个齿18上。该定子优选地由层压材料制成，以便限制傅科电流。应注意，在三种操作模式M1、M2和M3中，在电感器11中流通的通量在相同的方向上。

作为变型，如图6a所示，电感器是具有爪的单极型。因此，该电感器11包括形成单个全局电感器绕组B的三个线圈B1、B2、B3以及形成电感器11的不同极的爪。在这种情况下，电感器11包括单个系列的三个线圈B1、B2、B3，不管电感器11的极数如何。这使得可用促进电感器11的生产。

更具体地，具有带有轴线X的轴向通量的单极电感器11包括第一组爪11a，其具有从冠部11c的内周轴向延伸的第一部分11a1，以及沿与轴线X相反的方向从离冠部11c最远的第一部分11a1的轴向端部径向延伸的第二部分11a2。

电感器11还包括第二组爪11b，它们都具有相同的极性，其与第一组爪11a的极性相反。每个爪11b包括第一部分11b1，其在与第一组爪11a的第一部分11a1相同的方向上从冠部11c的外周轴向延伸。每个爪11b还包括第二部分11b2，其在轴线X的方向上从径向地离冠部11c最远的第一部分11b1的轴向端部延伸。

爪11a和11b布置成使得它们的第二部分11a2和11b2围绕轴X成角度地交替。换句话说，第一组的爪11a具有与其相邻的第二组的两个爪11b，反之亦然。

包括三个线圈B1、B2、B3的电感器11的绕组B轴向地装配在每组的每个爪的冠部11c与两个部分11a2和11b2之间。另外，绕组B径向地装配在第一组的第一部分11a1和第二组的第一部分11b1之间。

这种类型的配置使得可以促进电感器11的生产，并提供爪的去饱和的最佳可能性。对于关于该实施例的进一步细节，可以参考以编号FR16/55885提交的专利申请。

电感器11可以例如包括20个爪，因此包括20个极。电感器11具有相对大的外径，例如约250mm。因此，可以利用电感器11和相应转子的尺寸，以将包括集电器、一系列电刷及电刷架和/或通风系统的机械开关合并在电感器11的内部容积中。

如图6b所示，电感器11可以具有径向通量。为此，电感器11包括轭21和极芯22，极芯22在所述轭的轴线Y的方向上相对于轭21的内周突出地径向延伸。在两个相邻的极芯22相对于彼此轴向偏移的情况下，包括三个线圈B1、B2、B3的绕组B具有轴向起伏，以便在所述极芯22之间通过。

关于该实施例的进一步细节，可以参考以编号FR16/54821提交的专利申请。

图7示出了机动车辆25，包括安装在车辆的车轮28和差速器之间的其后轴26上的电力牵引机10。作为变型，电力牵引机10可以安装在前轴27上。作为变型，电力牵引机10可以安装在车辆的至少一个车轮28上。特别地，在每个后轮中使用机器10。

根据特别优选但非限制性的实施例，对于设置有配备有145/70/R13轮胎的小轮子的400kg车辆，使用由48V系统供应的牵引机10。机器10具有的圆柱形尺寸明显小于轮子的轮缘(直径)和轮胎(宽度)。

从图8中可以看出，其中曲线C3和C4分别代表该机器10的特征转矩/速度和功率/速度曲线，最大功率P_max为4kW，最大转矩C_max为190N.m，最大速度V_max为500rpm(即微型车的50km/h)。这种类型的电机10是“慢”型的(与承受大于5000rpm的旋转速度的机器相比)，因此允许使用多对极，不会通过铁损而损失性能。因此，这种类型的机器10有利于具有爪的单极架构。

牵引机10具有三种操作模式M1、M2、M3，其对应于通过三个线圈B1、B2、B3中的通量切换获得的等效比。这种类型的牵引机10在具有简单设计的微型车系统中以最小的成本提供了令人愉悦的驾驶感觉，这对于电牵引而言是原始的。

这使得可以获得的电动机大小为190N.m(C.max)，但小于250rpm而不是500rpm，其中模式M1具有最大转矩N.max(e.m.f.卸载)。图8示出了曲线C3转矩/速度通过三条基本曲线接近双曲线。

在最大功率Pmax下，在基本速度200rpm或20km/h、350rpm或35km/h以及500rpm或50km/h处有利地限定三个操作点。

因此，牵引机10在0至25km/h之间的模式M1(相当于第一机械速度比)中起作用，在25至45km/h之间的模式M2(相当于第二机械速度比)中起作用，以及在45和55km/h之间的模式M3(相当于第三机械速比)中起作用。

可以观察到参考33的功率下降朝向25、45和55km/h(即250、450和550rpm)，在前两种情况下是激励“达到更高比”，即在加速期间改变模式，具有期望的满意效果，在最后的情况下，阻止超过大约50km/h的最大速度V.max。

应当理解，前面的描述纯粹是作为示例提供的，并不限制本发明的领域，用任何其他等同物替换不同的元件不构成偏离本发明。

另外，本发明的不同特征、变型和/或实施例可以根据不同的组合彼此相关，只要它们不是不相容的或相互排斥的。

Claims (14)

1.一种具有电刷的直流旋转电力牵引机(10)，包括电感器(11)和由设置有绕组的转子构成的电枢(12)，

其特征在于，所述电感器(11)具有单独的绕制激励，通过该激励的电感器电流(Is)独立于电枢电流(Ir)，并且

所述电感器(11)能够通过选择电感器电流(Is)通过的线圈(B1、B2、B3)而离散地产生至少三个不同的磁通量水平，每个对应于旋转电机的牵引模式(M1、M2、M3)。

2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述电枢(12)通过变阻器类型的开关(14)电连接到电池(Batt)，所述开关(14)配置成与所述电感器(11)中的磁通量水平的变化同步地提供电阻的变化。

3.根据权利要求1或2所述的旋转电机(10)，其特征在于，所述电感器(11)配置为以低电流操作，该电流低于50A，并且优选为10A。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转电机(10)，其特征在于，所述电感器(11)在所述电枢(12)之前被致动。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的旋转电机(10)，其特征在于，所述电感器(11)的单独绕制激励线圈由电感器(11)的每极的三个线圈(B1、B2、B3)形成。

6.根据权利要求5所述的旋转电机(10)，其特征在于，三个线圈(B1、B2、B3)的每个组件用有关的三根线缠绕。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的旋转电机(10)，其特征在于，所述电感器(11)是带有爪的单极型，所述电感器(11)包括形成单个电感器绕组(B)的至少三个线圈(B1、B2、B3)。

8.根据权利要求7所述的旋转电机(10)，其特征在于，所述单极电感器(11)具有轴向通量。

9.根据权利要求8所述的旋转电机(10)，其特征在于，具有轴线(X)的单极电感器(11)包括：

-第一组爪(11a)，其具有从冠部(11c)的内周轴向延伸的第一部分(11a1)，以及在与轴线(X)相反的方向上径向延伸的第二部分(11a2)；

-第二组爪(11b)，它们都具有相同的极性，其与所述第一组爪(11a)的极性相反；

-所述第二组爪(11b)的每个爪(11b)包括第一部分(11b1)，其在与所述第一组爪(11a)的第一部分(11a1)相同的方向上从所述冠部(11c)的外周轴向延伸，以及第二部分(11b2)，其在轴线(X)的方向上从径向地离所述冠部(11c)最远的第一部分(11b1)的轴向端部延伸；

-所述电感器绕组(B)轴向地装配在每组的每个爪的冠部(11c)和第二部分(11a2、11b2)之间，并且径向地装配在所述第一组爪(11a)的第一部分(11a1)和所述第二组爪(11b)的第一部分(11b1)之间。

10.根据权利要求7所述的旋转电机(10)，其特征在于，所述单极电感器(11)具有径向通量。

11.根据权利要求10所述的旋转电机(10)，其特征在于，所述电感器(11)包括轭(21)和在所述轭的轴线(Y)的方向上相对于轭(21)的内周突出地径向延伸的极芯(22)，并且在两个相邻的极芯(22)相对于彼此轴向偏移的情况下，所述电感器绕组(B)具有轴向起伏，以便在所述极芯(22)之间通过。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的旋转电机，其特征在于，它包括机械开关和/或集成在所述电感器(11)的内部容积中的通风系统。

13.一种机动车辆(25)，其特征在于，它包括根据前述权利要求中任一项所述的旋转电力牵引机。

14.根据权利要求13所述的机动车辆，其特征在于，所述电力牵引机安装在所述机动车辆(25)的车轮和差速器之间的后轴(26)上。