CN119998901A - 用于外部激励同步电机的变压器：经由轴承结合 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种本发明涉及一种用于机动车辆的动力系内的电机、特别是外部激励同步电机的转子的非接触式能量传输装置，所述非接触式能量传输装置包括：壳体部分(6)，所述壳体部分能够以旋转刚性的方式联接至所述电机的壳体；以及感应变压器，所述感应变压器具有初级线圈(1)和次级线圈(2)，所述初级线圈能够通电，所述次级线圈布置在距所述初级线圈一定距离处并且能够以导电的方式联接至所述转子的绕组；滚子轴承(5)，转子轴(7)借助于所述滚子轴承相对于所述壳体部分(6)以可旋转的方式安装，其中，所述感应变压器(5)的所述初级线圈(1)以相对于所述壳体部分旋转刚性的方式定位在所述壳体部分(6)上，并且所述滚子轴承(5)在所述壳体部分(6)内布置成使得所述初级线圈(1)和所述滚子轴承(5)同轴地布置，并且所述感应变压器的所述次级线圈(2)布置在变压器壳体(8)内，其中，所述变压器壳体以在旋转方面固定的方式连接至所述转子。

Description

用于外部激励同步电机的变压器：经由轴承结合

技术领域

本发明涉及用于机动车辆的动力系内的电机、特别是外部激励同步电机的转子的非接触式能量传输装置。

背景技术

电机越来越多地用于驱动机动车辆，以产生对需要化石燃料的内燃发动机的替代方案。已经做出巨大努力来改进电驱动器对日常使用的适用性，并且还能够为用户提供他们所习惯的驾驶舒适性。

可以在由Erik Schneider、Frank Fickl、Bernd Cebulski和Jens Liebold于德国汽车杂志ATZ、2011年05月第113卷第360页至365页上发表的文章中找到对电驱动器的详细描述，该文章的题目为：Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge[Highly Integrative and Flexible Electric Drive Unit for E-Vehicles(用于电动车辆的高度集成且灵活的电驱动单元)]。该文章描述了一种用于车辆的车轴的驱动单元，该驱动单元包括电动马达。这种驱动单元也被称为电动车轴或可电操作的动力系。

除了纯电操作的动力系之外，混合动力系也是已知的。混合动力车辆的这种动力系通常包括内燃发动机和电动马达的组合，并且能够例如在城市区域中实现纯电动操作模式，而同时允许足够里程和可用性两者、特别是在越野驾驶时也是如此。另外，在某些操作情况下还可以同时通过内燃发动机和电动马达来提供驱动。根据实施方式，纯电动动力系和混合动力系两者具有变速器，该变速器例如用于调节速度和功率范围。

当开发意在用于电动车轴或混合动力模块的电机时，需要不断提高电机的功率密度和效率，同时降低制造成本，因为车辆的成本和重量将在很大程度上由电池尺寸确定。在该上下文中，还已知将电机设计为外部激励同步电机。用以激励转子绕组的电力必须传递至外部激励同步电机的转子。对于牵引机，基于接触的变压器通常用于此目的。当这些绕组通电时，产生磁场，该磁场与定子的磁场结合产生扭矩。转子磁场的强度可以通过电流供应的强度来调节。以这种方式，机器行为可以始终以有效的方式适应于相应的驾驶情况。

这种基于接触的变压器的缺点是固定部件与旋转部件之间的接触中的机械损耗和电损耗。其他缺点是部件彼此摩擦的磨损和通过磨耗所产生的污染以及所需的相对较大的安装空间。

作为这种基于接触的变压器的替代方案，非接触式感应变压器也是已知的。感应变压器通常是具有空气间隙的包括初级绕组和次级绕组的旋转对称式变压器。通常，感应变压器也具有例如由铁氧体制成的芯。这种芯可以由一个或更多个部分构成。

例如，芯的所有部分可以附接至电机的固定机器侧，其中，次级侧绕组在芯内旋转。替代性地，芯部分可以附接至机器的旋转部分。在这种情况下，初级芯部分和次级芯部分由空气间隙隔开。考虑到所有公差和操作条件，该空气间隙然后必须足够大，使得芯部分不会彼此接触。为此目的，旋转变压器部分通常设置有结合件或者连结至另一部件，以便以固定的速度支撑旋转变压器部分。这种设计变型的示例可以在DE 10 2017 214 776 A1或DE201210201826A1中找到。

发明内容

本发明的目的现在是提供一种用于机动车辆的动力系内的电机、特别是外部激励同步电机的转子的非接触式能量传输装置，该非接触式能量传输装置在传输高水平的电力时也具有紧凑的设计和高水平的操作可靠性。

该目的通过独立权利要求中所描述的措施来实现。有利的实施方式可以在从属权利要求中找到。

电机的包括铁氧体芯和绕组的能量传输装置——简称为变压器——的初级线圈围绕下文中也称为转子轴承的滚子轴承同轴地布置，该滚子轴承包括轴承外环。轴承外环插入到壳体部分中，初级线圈安置在壳体部分的外径上。壳体部分是支承板的一体部分或者连接至支承板。这种布置可以在电机的面向变速器的一侧和背离变速器的一侧两者上实现。壳体部分优选地设计为基本上旋转对称的本体，该本体可以分成两个筒形环状部段。第二筒形环状部段从第一筒形环状部段的外侧向表面径向向外延伸。

转子轴承和变压器的同轴布置使得可以节省轴向安装空间并保持机器的外部尺寸紧凑。另外，可以为电机选择具有径向空气间隙和平坦但轴向较长的线圈横截面的设计，这在电磁上是有利的。

初级线圈热连接至初级线圈布置在其上的壳体部分，使得来自初级线圈的热可以经由壳体部分消散、特别是消散至电机的机器壳体，并且可以避免热过载。

在壳体部分与初级线圈之间结合有用于对初级侧进行供应的逆变器电子器件，并且该逆变器电子器件热连接至壳体部分，该壳体部分特别地设计为支承板。以这种方式，来自逆变器电子器件的热可以消散、特别是消散至机器壳体，并且可以避免热过载。

初级线圈、逆变器电子器件和壳体部分的布置代表独立的、可制造的和可测试的单元，该单元提高机器的质量并且减少浪费。换句话说，初级线圈、逆变器电子器件和壳体部分形成模块化结构单元。

在一个实施方式中，特别地设计为支承板的壳体部分具有结合在其中的至少一个通道，该通道至少部分地径向或切向延伸，以用于导引冷却液体，由此改进散热。通道特别地布置为通向壳体部分的内部的贯通开口。因此，发生从逆变器电子器件经由壳体部分至冷却介质的热传递。逆变器电子器件布置在壳体部分的轴向表面上。轴向表面优选地面向电机。

在另一实施方式中，在支承板中形成有至少一个凹槽，该凹槽由逆变器电子器件覆盖并且因此形成用于导引冷却液体的通道。在凹槽内可以形成诸如肋或销之类的元件，以增加面向冷却介质的表面区域。这可以进一步改进来自初级线圈和逆变器电子器件的散热。

在一个实施方式中，初级线圈和逆变器电子器件利用环氧化合物铸造在壳体部分上或者利用塑料包覆模制，这改进了针对环境影响、热联接和部件的电绝缘的保护。

次级线圈包括铁氧体芯和绕组，并且插入到大致罐形的壳体中，该壳体也称为变压器壳体。换句话说，变压器壳体设计为中空筒形件，该中空筒形件优选地在远端端部处具有用于特别地安装在转子、特别是转子轴上的连接件。在壳体内部还定位有整流器电子器件，并且整流器电子器件热连接至壳体。壳体优选地在轴向方向上安装至转子壳体或转子本体。壳体具有用于电缆通过的开口。壳体可以由例如铝或玻璃纤维增强塑料制成。壳体可以包括多个部分。替代性地，壳体可以一体地连接至转子壳体或转子本体或者由转子壳体或转子本体中的任一者形成。

这种布置确保整流器电子器件和次级线圈在高速下被牢固地支撑并且热联接至转子壳体，使得热可以被消散。另外，热可以经由变压器壳体的径向外表面以对流的方式消散。

次级侧布置包括次级线圈、整流器电子器件和变压器壳体。次级侧布置代表独立的、可制造的和可测试的单元，该单元提高机器的质量并且减少浪费。换句话说，次级线圈、整流器电子器件和变压器壳体形成模块化结构单元。

在一个实施方式中，变压器壳体的外表面设置有切向肋，切向肋改进了速度稳定性和对流散热。

在一个实施方式中，整流器电子器件和次级线圈利用环氧化合物铸造在变压器壳体中或者利用塑料包覆模制，这改进了针对环境影响、热联接和部件的电绝缘的保护。

在另一实施方式中，转子壳体与变压器壳体之间的至少一个腔形成用于导引冷却介质的通道，由此改进来自次级侧布置的散热。

下面对本发明的所要求保护的主题的各个元件进行解释。

转子是电机的旋转(转动)部分。转子特别地包括转子轴。转子轴可以是中空的，这一方面导致重量减轻，并且另一方面允许向转子本体供应润滑剂或冷却剂。优选地，非接触式能量传输装置的中空轴是电机的转子的转子轴，该转子轴至少部分地是中空的。

特别地，电机可以设计为旋转机器。特别地，旋转机器可以构造为径流式机器。径流式机器的特征在于下述事实：形成在转子与定子之间的空气间隙中的磁场线沿径向方向延伸。转子与定子之间的间隙被称为空气间隙。在径流式机器中，该间隙是具有与转子本体与定子本体之间的距离对应的径向宽度的环形间隙。

电机特别地意在用于在混合动力驱动或全电驱动的机动车辆的动力系内使用。特别地，电机定尺寸成使得可以实现超过50km/h、优选地超过80km/h、并且特别地超过100km/h的车辆速度。电动马达特别优选地具有超过50kW、优选地超过80kW、并且特别地超过150kW的输出。此外，优选的是，电机提供大于8,000rpm、特别优选地大于12,000rpm、非常特别优选地大于1,500rpm的速度。

出于本申请的目的，机动车辆是通过机器动力移动而不受铁路轨道的约束的陆地车辆。机动车辆可以例如选自乘用车、卡车、小型摩托车、轻型机动车辆、摩托车、机动公共汽车/客车或牵引车的组。

感应变压器构造成使得可以至少在短时间内传输优选地大于1kW并且特别优选地大于2kW的电力，而不会使变压器电过载或热过载。最优选地，感应变压器构造成传输0.5kW至10kW之间、优选地1kW至5kW之间、特别优选地2kW至4kW之间的电力。

变压器的绕组由导电但非铁磁性材料、比如铜或铝制成，并且彼此电绝缘。优选地，绕组围绕中空轴切向对准，从而获得具有直径和在轴向方向上的纵向延伸部的筒形环状绕组本体。最优选地，绕组围绕由铁磁性材料制成的芯卷绕并且/或者卷绕在由铁磁性材料制成的芯中。

绕组可以由具有圆形横截面的一个或更多个电导体形成。还可以设想的是，形成绕组的电导体具有偏离圆形形状的横截面形状、特别是矩形形状。特别优选地，绕组可以由绝缘铜箔形成，绝缘铜箔可以以与卫生纸卷类似的方式彼此卷绕。

根据本发明的有利的另一改进方案，初级绕组与次级绕组相比可以具有更高的匝数。这意味着，当在初级绕组与次级绕组之间传递电能时，可以实现从相对较高的电池电压至较低的转子电压的电压转换。

在该上下文中，进一步优选的是，向初级绕组施加40V至1500V、优选地100V至1000V、最优选地300V至850V的电压。此外，在该上下文中，优选的是，向次级绕组施加70V至500V的电压。

初级芯和/或次级芯由铁磁性材料、优选地铁氧体材料制成。初级芯和/或次级芯可以设计成若干部分。相应的芯部分优选地是基本上旋转对称的，但是可以包含用于固定或实现附加部件的元件和凹部。

特别优选地，初级芯和/或次级芯各自具有环状空间形状。最优选地，初级芯和/或次级芯具有/具备带有周向凹槽的U形横截面轮廓。优选地，初级芯和次级芯的U形横截面轮廓的凹槽朝向彼此定向。还特别优选的是，初级绕组在初级芯的凹槽中延伸并且/或者次级绕组在次级芯的凹槽中延伸。

附图说明

下面参照附图对本发明和技术领域两者进行更详细地解释。应当注意的是，本发明不意在受所示出的示例性实施方式的限制。特别地，除非另有明确说明，否则还可以提取附图中解释的主题的子方面，并且将这些子方面与来自本说明书和/或附图的其他部件和知识组合。特别地，应当注意的是，所示出的附图以及特别是比例本质上仅是示意性的。相同的附图标记指示相同的对象，使得在适用的情况下也可以使用来自其他附图的解释。除非明确使用了不同的参考，否则诸如“径向”、“轴向”或类似的术语是指电机的旋转轴线。此外，为了提高附图的可读性，在一些情况下仅提供单独的或几个相同的元件的附图标记。

在附图中：

图1以示意性轴向截面图示出了第一实施方式中的具有非接触式能量传输装置的电机，

图2以示意性轴向截面图示出了第二实施方式中的具有非接触式能量传输装置的电机，

图3以示意性轴向截面图示出了第三实施方式中的具有非接触式能量传输装置的电机，

图4以示意性轴向截面图示出了第四实施方式中的具有非接触式能量传输装置的电机。

具体实施方式

图1以示意性轴向截面图示出了第一实施方式中的具有非接触式能量传输装置的电机。电机是外部激励同步电机。转子110包括设计为中空轴的转子轴7和其中布置有绕组以形成磁场的转子本体。转子本体在轴向方向上由转子壳体13封闭。转子轴7经由滚子轴承7以可旋转的方式布置在设计为支承板的壳体部分6中。壳体部分设计为旋转本体，该旋转本体具有带有内侧向表面和外侧向表面的第一筒形环状部段。滚子轴承以其外环布置在内侧向表面上。在外侧向表面上布置有能量传输装置的感应变压器的初级线圈1。初级线圈1和滚子轴承5在轴向方向上至少部分地重叠。此外，滚子轴承5和初级线圈1同轴地布置。初级线圈1包括铁氧体芯9和绕组10。壳体部分6的第二筒形环状部段从第一筒形环状部段的外侧向表面开始沿径向方向延伸。因此，第一筒形环状部段和第二筒形环状部段形成L形横截面，其中，一个腿部平行于转子的旋转轴线对准，并且另一个腿部径向向外延伸。在第二筒形环状部段的第一轴向表面上布置有逆变器电子器件3。第二筒形环状部段的第一轴向表面面向转子110。在所示出的实施方式中，初级线圈1和逆变器电子器件3利用环氧化合物封装，以防止环境影响并且改进部件的热联接和电绝缘。因此，初级线圈1、逆变器电子器件3和壳体部分6形成模块化结构单元。

在转子壳体13上沿轴向方向布置有变压器壳体8，并且该变压器壳体以在旋转方面固定的方式连接至转子壳体13。在变压器壳体的内侧向表面上布置有次级绕组2。次级线圈2包括铁氧体芯11和绕组12。次级绕组2与初级绕组1同轴地布置，并且与初级绕组在轴向方向上重叠。变压器壳体8具有背离转子的轴向表面，在该轴向表面上布置有整流器电子器件4。次级绕组经由整流器电子器件4以导电的方式连接至转子的绕组(在该视图中未示出)。在所示出的实施方式中，次级线圈2和整流器电子器件4利用环氧化合物封装，以防止环境影响并且改进部件的热联接和电绝缘。因此，次级线圈2、整流器电子器件4和变压器壳体8形成模块化结构单元。

图2以示意性轴向截面图示出了第二实施方式中的具有非接触式能量传输装置的电机。第二实施方式与图1的第一实施方式的不同之处仅在于壳体部分6的第二筒形环状部段中的通道16。通道设计成运载冷却液体并且连接至冷却系统(未示出)。冷却通道在壳体部分6内部分地沿径向方向和切向方向延伸并且因此形成曲折结构。通道16沿径向方向布置在逆变器电子器件3的区域中，以便实现最佳可能的散热。通道16在壳体部分6中设计为封闭管线，因此冷却液体不与逆变器电子器件3直接接触。

图3以示意性轴向截面图示出了第三实施方式中的具有非接触式能量传输装置的电机。第三实施方式允许逆变器电子器件3的直接冷却或散热。在第二筒形环状部段中，在第一轴向表面中形成有凹槽17，该凹槽由逆变器电子器件3封闭并且因此形成用于导引冷却液体的通道16。在凹槽中形成有肋(18)，以增加冷却表面。这导致更好的散热。尽管第二实施方式和第三实施方式作为替代方案示出，但是第二实施方式的封闭通道与第三实施方式的通道的组合是可能的。

图4以示意性轴向截面图示出了第四实施方式中的具有非接触式能量传输装置的电机。第四实施方式与第一实施方式的不同之处在于以下要素。第四实施方式可以与第二实施方式和第三实施方式两者组合。在第四实施方式中，变压器壳体8的径向外表面具有大致切向延伸的肋17。由于径向外表面的增加的表面面积，因此这导致改进的速度稳定性以及改进的对流散热。此外，在转子壳体与变压器壳体之间布置有腔20，该腔形成用于导引冷却介质的通道16并且连接至冷却系统(未示出)。这改进了散热、特别是在整流器电子器件4和次级线圈2的区域中的散热。

本发明不限于附图中所示出的实施方式。因此，以上描述不应被视为是限制性的，而应被视为是说明性的。所附权利要求应被理解为意指在本发明的至少一个实施方式中存在所陈述的特征。这不排除其他特征的存在。在权利要求和以上描述限定“第一”特征和“第二”特征的情况下，这种命名用于在相同类型的两个特征之间进行区分，而不限定优先顺序。

附图标记列表

1.初级线圈

2.次级线圈

3.逆变器电子器件

4.整流器电子器件

5.滚子轴承/转子轴承

6.壳体部分/支承板

7.转子轴

8.变压器壳体

9.初级线圈的铁氧体芯

10.初级线圈的绕组

11.次级线圈的铁氧体芯

12.次级线圈的绕组

13.转子壳体

14.铸件或塑料包覆模制件

15.铸件或塑料包覆模制件

16.冷却通道

17.凹槽

18.肋

20.腔

100.电机

110.转子

Claims (10)

1.一种用于机动车辆的动力系内的电机、特别是外部激励同步电机的转子的非接触式能量传输装置，所述非接触式能量传输装置包括：

-壳体部分(6)，所述壳体部分能够以旋转刚性的方式联接至所述电机的壳体，以及

-感应变压器，所述感应变压器具有初级线圈(1)和次级线圈(2)，所述初级线圈能够通电，所述次级线圈布置在距所述初级线圈一定距离处并且能够以导电的方式联接至所述转子的绕组，

-滚子轴承(5)，转子轴(7)借助于所述滚子轴承相对于所述壳体部分(6)以可旋转的方式安装，

其特征在于，

所述感应变压器(5)的所述初级线圈(1)相对于所述壳体部分(6)以相对于所述壳体部分旋转刚性的方式定位，并且

所述滚子轴承(5)在所述壳体部分(6)内布置成使得所述初级线圈(1)和所述滚子轴承(5)同轴地布置，并且

所述感应变压器的所述次级线圈(2)布置在变压器壳体(8)内，其中，所述变压器壳体以在旋转方面固定的方式连接至所述转子。

2.根据权利要求1所述的非接触式能量传输装置(1)，其中

所述感应变压器(5)的初级绕组(6)和次级绕组(7)彼此同轴地布置在所述变压器壳体(8)内。

3.根据权利要求1或2所述的非接触式能量传输装置(1)，其中

所述滚子轴承(5)具有内环和外环，在所述内环与所述外环之间容纳有多个滚动元件(28)，其中，所述内环以在旋转方面固定的方式连接至所述转子轴(7)，并且所述外环以在旋转方面固定的方式连接至所述壳体部分(6)。

4.根据权利要求3所述的非接触式能量传输装置，其中

所述壳体部分(6)具有第一筒形环状部段，所述初级线圈(1)布置在所述第一筒形环状部段的外侧向表面上，并且所述滚子轴承(5)的所述外环在所述第一筒形环状部段的内侧向表面上布置成使得所述滚子轴承和所述初级线圈至少部分地重叠。

5.根据权利要求4所述的非接触式能量传输装置，其中

所述壳体部分(6)具有第二筒形环状部段，所述第二筒形环状部段从所述第一筒形环状部段的所述外侧向表面径向向外延伸，其中，在所述第二筒形环状部段的面向所述转子的第一轴向表面上布置有逆变器电子器件(3)。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的非接触式能量传输装置，其中

所述壳体部分(6)是所述电机的支承板。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的非接触式能量传输装置，其中

所述壳体部分具有用于导引冷却液体的通道(16)。

8.根据权利要求6所述的非接触式能量传输装置，其中

所述第二筒形环状部段中的通道(16)由所述第一轴向表面中的凹槽和覆盖所述凹槽的所述逆变器电子器件(3)形成。

9.根据权利要求1至5中的任一项所述的非接触式能量传输装置(1)，其中

所述初级线圈(1)、所述逆变器电子器件(3)和所述壳体部分(6)形成模块化结构单元。

10.根据权利要求1至6中的任一项所述的非接触式能量传输装置(1)，其中

所述次级线圈(2)、整流器电子器件(4)和所述变压器壳体(8)形成模块化结构单元。