同步电机和用于至少局部在周边地制造同步电机的方法与流程

本发明涉及一种同步电机和一种用于至少局部在周边地制造同步电机的方法。

背景技术：

现今具有电驱动系的无轨道的车辆逐步出现在市场上。在这样的驱动系中使用电机，所述电机由高压供电单元提供电能并且设置用于在车辆的驱动轮上产生引起车辆推进的转矩。上述高压供电单元可以具有250至420伏特、部分地甚至直至1000伏特的电压水平。这样的高压供电单元由多个蓄能器电池构造，所述蓄能器电池优选作为锂离子电池构成。这样构造的高压供电单元也称为高压存储器或牵引蓄电池。为了实现前述的电压水平，各个蓄能器电池借助触点接通系统相互电接通并且因此接通至总系统。通常蓄能器电池串联接通。在此，蓄能器电池通常组合或接通成较小的组、即所谓的能量存储模块，其中所述模块为了构成高压存储器彼此串联接通。

上述车辆可以作为混合动力车辆或作为电动车构成。在混合动力车辆中除了电机之外使用用于驱动的另一个机组、通常为内燃机。而电动车仅通过电机驱动。作为电机可以使用例如电流激励的同步电机，所述同步电机构造为内转子电机，因此在所述内转子中可转动支承的转子带有励磁绕组并且被位置固定的定子包围。基于所述布置结构，励磁绕组称为转子绕组。转子绕组可以设置在伸出于转子表面的转子极上。通常目前使用的转子由多个一件式构成的单板材构造。

在装备有电驱动系的无轨道的车辆运行中，电机基于在此存在的运行情况或运行条件至少暂时经受高的负载。一方面在电机上出现极限温度，所述极限温度按照环境情况可以从-40℃延伸直至+150℃。另一方面大的离心力作用到转子上，这通过短时以电机可实现的大的电机转速决定。在电流激励的、构成为内转子电机的同步电机中，设置在转子上的转子绕组也经受这些负载。在运行中出现的离心力导致，转子绕组倾向性地远离转子，朝气隙运动，所述气隙构成在转子和包围其的定子之间。为了抑制该运动或运动趋势，采取结构上的措施。这样在转子极的朝向气隙的端部上构成的极靴相应大地设计尺寸，以便构成抵抗转子绕组的运动趋势的足够的保持装置。这导致，在相邻的转子极或极靴之间保留的间隙相对小或紧密，这又导致在转子制造时的提高的时间耗费和因此成本耗费。通常所述转子借助针缠绕器或锭翼缠绕器来缠绕。基于相邻的转子极之间的小距离而非常耗费的是，引入对于构成转子绕组必需的线匝，通常这是每个转子极80至180绕。引入需要相对多的时间，因为其必须极其细心地进行，以便例如避免包围电导体的漆层的损坏和/或保证转子极芯的优化的缠绕以用于构成可行的填充度。为了此外能够确保同步电机的可靠运行，转子在其运行中可实现的旋转速度限定于最大值、例如大约115m/s。在处于其上的值时，作用到转子绕组上的离心力这样大，使得危害或不再确保同步电机的机械稳定性。

技术实现要素：

因此本发明的任务是，这样进一步构成现有的电流激励的同步电机，使得利用其可以实现比至今所可能的旋转速度而更高的旋转速度。在另一方面，制造费用应该更小。此外应该可能的是，取得更好的填充度并且因此可产生的磁场强度相对于转子极的结构体积而更有利的比例。

该任务通过如下的同步电机解决，所述同步电机设置用于在无轨道的车辆的驱动轮上产生引起车辆推进的转矩，其中定子为了形成旋转的定子磁场具有至少三相构造的定子绕组，转子围绕所述定子旋转，所述转子具有至少一个构成为用于形成转子磁场的转子绕组。

按照本发明的方案的特征在于，在无轨道的车辆中使用构成为外转子电机的电流激励的同步电机。通过带有转子绕组的转子围绕定子旋转，可以利用这样构成的同步电机实现比开头提到的115m/s显著更高的旋转速度。但在该同步电机中离心力也作用到转子绕组上，不过在这里转子绕组压向转子的如下部分、即压向转子磁轭，所述部分具有比在转子极的极靴的情况下显著更高的稳定性，转子绕组在构成为内转子机器的电流激励的同步电机中压向所述极靴。因此在按照本发明的同步电机的运行中，转子绕组无法从转子槽中运动出并且因此从确定的旋转速度开始存在同步电机损坏的危险，如这可能是在构成为内转子的电流激励的同步电机中的情况。

上述任务因此完全解决。

有利地，在按照本发明构造的同步电机中，所述转子具有多个在其转子周边上分布地设置的转子极。在此优选地，所述转子由转子磁轭并且独立构成的在所述转子磁轭上可紧固的转子极构造。进一步优选地，所述转子绕组由多个转子线圈构造，其中，给每个转子极配置各一个转子线圈，即每个转子极带有一个转子线圈并且所述转子线圈为了构成转子绕组彼此接通，优选串联接通。总体上产生制造技术上的优点。转子极可以在将其紧固在转子磁轭上之前装备有预缠绕的插入线圈。这样预先批量生产的、分别带有转子线圈的转子极然后紧固在转子磁轭上。由此相比于构造为内转子机器的电流激励的同步电机，用于转子的制造时间显著减少，因为在内转子电机中显著更费时地施加转子绕组。在该有利的实施方案中，转子极突出于转子表面或高于所述转子表面或从所述转子表面伸出。此外在该措施中构造转子的转子板不是一件式而是拼合或多件式地实施。

在之前提到措施的另一种实施方案中，所述转子极分别借助形锁合的连接而紧固在转子磁轭上。优选地，所述形锁合的连接分别构成为燕尾榫连接，其中进一步优选地，所述转子极在其磁轭侧的端部上分别具有一个梯形的销、即阳紧固元件，而转子磁轭在多个紧固位置上分别具有一个梯形的槽、即阴紧固元件。通过所述措施，各个转子极可以以简单的方式和方法并且同时可靠地紧固在转子磁轭上。这导致小的制造成本并且此外导致同步电机的高的运行安全性。尤其是，所述燕尾榫连接是高程度可靠的形锁合的连接，因为在其中不仅横向于梯形的销、即所谓的燕尾、而且也沿其纵向方向存在形锁合。将梯形的槽引入到转子磁轭中一方面具有制造技术上的优点并且另一方面导致转子极和转子磁轭的特别可靠的连接。

有利地，所述转子极在其自由端部上分别具有一个极靴。通过该措施，进一步改善转子绕组在转子上的保持或固定。尤其是转子绕组在旋转速度较小时被保护以防运动进入气隙中。此外极靴有助于在气隙内的磁场的有利构成。

在一种有利的实施方案中，所述转子绕组由具有多边形的导体横截面的电导体构造。所述多边形的或多角形的导体横截面例如可以四角形、优选矩形并且特别优选正方形地构成。备选地也可以涉及六角性构成的导体横截面。尤其是通过使用具有长方形的或正方形的导体横截面的导体(这样的导体也称为扁平线或扁平导体)可以在缠绕转子极时取得非常高的填充度，相比于结构相同的以导体横截面为圆形的导体来缠绕的转子极，这导致可产生的或可取得的磁场强度的提高。改善的填充度表示引入到转子槽中的铜面的提高。

以上提到的任务还通过一种用于至少局部在周边地制造同步电机的方法来解决，所述同步电机设置用于在无轨道的车辆的驱动轮上产生引起车辆推进的转矩，并且所述同步电机为此具有定子，所述定子为了形成旋转的定子磁场又具有至少三相构造的定子绕组，并且具有围绕所述定子旋转的转子，所述转子又具有至少一个构成为用于形成转子磁场的转子绕组，在所述方法中进行如下步骤：

-提供转子磁轭，

-提供多个转子极，

-将所述转子极紧固在转子磁轭上，以用于构成转子，

-提供定子，并且

-将定子引入到转子中。

如已经以上说明的，要提供的转子极有利地具有各一个缠绕好的转子线圈。即涉及预先批量生产的转子极，在所述转子极中在前置的步骤中施加相应的转子线圈。即在提供多个转子极的步骤之前将转子线圈缠绕到转子极或每个所述转子极上。该前置的生产或制造步骤可以在同步电机本身的供应商或制造者那里进行。通过该措施，用于转子和因此整个同步电机的制造费用减少。

结果对于转子极有利地具有各一个缠绕好的转子线圈并且因此转子绕组由多个转子线圈构造的情况，在将转子极紧固在转子磁轭上的步骤之后，进行将各个转子线圈接通成转子绕组的步骤。该步骤可以立即或直接后置于此，备选地可以在所述两个步骤之间还实施其他步骤。

在这里简短地介绍电流激励的同步电机的普遍性的优点。在电流激励的同步电机中，与定子磁场相互作用引起转子旋转运动的转子磁场借助设置在转子上的转子绕组产生。因此为了构造转子不需要永磁体，如在永久激励的同步电机中情况如此。由此转子和因此同步电机的制造与价格走势、尤其是稀土材料、例如钕的上升的原料价格脱离关系并且因此可更好地长期核算并且成本更低。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在后续的说明中进一步解释。

图中：

图1示出以本发明装备的电动车的示意图；

图2示出以本发明装备的混合动力车辆的示意图；

图3示出穿过非按照本发明的构造为内转子的电流激励的同步电机的示意剖视图；以及

图4示出穿过按照本发明的构造为外转子的电流激励的同步电机的示意剖视图。

具体实施方式

在图1中示出车辆10，所述车辆具有驱动轮12和未被驱动的车轮14。车辆10应该仅电驱动，因此其作为驱动马达具有仅一个电机16，所述电机应该是电流激励的同步电机，所述同步电机构造为外转子机器。电机16通过变速器18和差速器20作用技术地与驱动轮12连接，以便产生引起车辆10推进的转矩。电机16可通过由操控单元22可操控的逆变器24与高压存储器26连接。逆变器24具有多个逆变器开关，所述逆变器开关设置成设计用于三相运行的全桥。所述逆变器开关例如可以是mosfet晶体管或igbt。

如由图1的示图可得出的，高压存储器26由多个能量存储模块构造，所述能量存储模块之一示例性地以附图标记28表示。能量存储模块28又由多个蓄能器电池构造，所述蓄能器电池之一示例性地以附图标记30表示。利用区块32表示，在高压存储器26中除了对于存储电能所必需的构件之外还存在对于实现操控和/或监控功能所必需的其他构件。这样，所述区块32可以是上级的监控和/或控制单元。

车辆10应该是无轨道的车辆，优选是在行车道上向前运动的道路车辆。在图1中选择的表示应该没有限制作用，按照图1，车辆10总体上具有四个车轮。当然本发明也可以在具有两个、三个或更多个车轮的车辆中使用。

图2示出构造为混合动力车辆的车辆10'，其构成为并联混合动力车辆，优选具有插电式混合的功能。在图2中示出的具有相同的或相应的功能的构件以与在图1中示出的构件相同的、但设有撇号的附图标记来表示，其中参阅结合图1做出的说明。接着仅说明附加的构件或改变的功能。附加于电机16'，车辆10'具有内燃机34，所述内燃机通过离合器36和变速器18'以及差速器20'可以驱动车辆10'的驱动轮12'。驱动轮12'在此可以仅通过电机或仅通过内燃机34或组合地通过两者来驱动。无论如何，电机16'在这里也应该是电流激励的同步电机，所述同步电机构造为外转子机器。

图3示出穿过非按照本发明的构造为内转子的电流激励的同步电机的示意剖视图，其中仅示出可转动支承的转子38的部段和位置固定的定子40的部段。

如由在图3中的示图可得出的，转子38被定子40包围。定子40带有引入到定子槽中的定子绕组42，所述定子槽之一示例性地以附图标记44表示。定子绕组42多相地构成，从而在对所述定子绕组相地通电时产生旋转的定子磁场。

转子38具有转子磁轭46和多个转子极，所述转子极之一示例性地以附图标记48表示。每个所述转子极48具有转子极芯50和转子极靴52。此外转子38具有转子绕组54，所述转子绕组支承在转子磁轭46和转子极靴52之间。通过对转子绕组54相应通电产生转子磁场。通过转子磁场并且定子磁场之间的相互作用引起转子的旋转运动，这通过箭头56表示。基于旋转运动产生向外即从转子38朝定子的方向指向的离心力，这通过箭头58表示。该离心力导致，转子绕组54倾向于离开转子38朝气隙60运动，所述气隙在转子38和包围其的定子40之间构成。基于转子绕组的所述运动在这样构成的电流激励的同步电机中将转子的旋转速度限定于最大值，从而不危害或确保转子的机械稳定性。

图4示出穿过按照本发明的构造为外转子的电流激励的同步电机的示意剖视图，所述同步电机应该在无轨道的车辆中使用并且设置用于在所述车辆的驱动轮上产生引起车辆推进的转矩。

如由图4的示图可得出的，按照本发明构成的电流激励的同步电机具有位置固定的定子62和可转动支承的围绕所述定子旋转的转子64，其中，转子64的旋转运动通过箭头66表示。在图4中不仅对于定子62而且对于转子64仅分别示出一个部段。定子62具有构造成用于形成旋转的定子磁场的定子绕组68，所述定子绕组又具有至少三个相。定子62具有定子磁轭70和多个定子极，所述定子极之一示例性地以附图标记72表示。定子绕组68引入到分别处于相邻的定子极72之间的定子槽中，其中定子槽以附图标记74表示。

转子64具有至少一个构成为用于形成转子磁场的转子绕组76。如由图4的示图进一步可得出的，转子64具有多个在其转子周边78上分布地设置的转子极，所述转子极之一示例性地以附图标记80表示。如在图4中的示图示出的，转子极80紧固在转子磁轭82上。因此转子64由转子磁轭82和独立构成的转子极80构造。转子极80分别借助形锁合的连接84紧固在转子磁轭82上。如由图4中的示图可得出的，所述形锁合的连接构成为燕尾榫连接。为了构成燕尾榫连接，每个所述转子极80在其磁轭侧的端部86上具有梯形的销88，而转子磁轭82在多个紧固位置上分别具有梯形的槽，其中所述紧固位置之一示例性地以附图标记90表示并且梯形的槽之一以附图标记92表示。如由图4中的示图进一步可得出的，每个所述转子极80具有转子极芯94并且在其自由端部96上具有转子极靴98。转子极80的自由端部96朝向气隙100，所述气隙在转子64和定子62之间构成。

如由图4中的示图此外可得出的，转子绕组76由多个转子线圈构造，所述转子线圈之一示例性地以附图标记102表征。在此给每个转子极80配置一个所述转子线圈102。转子绕组76和因此其每个转子线圈102也由电导体104构造，所述电导体具有多边形的导体横截面，在图4中示出的实施例的情况中具有正方形的导体横截面。

在该电流激励的同步电机中也基于转子64的旋转运动产生向外作用的离心力，这通过箭头106表示。在该情况中转子绕组76也基于离心力向外运动，不过所述转子绕组朝转子磁轭82运动，所述转子磁轭相比于极靴显著更结实地并且因此更稳定地构成，所述极靴在构成为内转子机器的电流激励的同步电机中负责固定基于离心力运动的转子绕组。出于这个原因可以利用按照本发明构成的电流激励的同步电机比利用构成为内转子机器的电流激励的同步电机实现显著更高的旋转速度。

在图4中选择的图应该绝不对定子绕组或转子绕组的具体匝数具有限制作用。此外，由此绝不应得出几何或结构上的限制。

附图标记列表

10车辆

12驱动轮

14未被驱动的车轮

16电机

18变速器

20差速器

22操控单元

24逆变器

26高压存储器

28能量存储模块

30蓄能器电池

32区块

34内燃机

36离合器

38转子

40定子

42定子绕组

44定子槽

46转子磁轭

48转子极

50转子极芯

52转子极靴

54转子绕组

56箭头

58箭头

60气隙

62定子

64转子

66箭头

68定子绕组

70定子磁轭

72定子极

74定子槽

76转子绕组

78转子周边

80转子极

82转子磁轭

84形锁合的连接

86磁轭侧的端部

88梯形的销

90紧固位置

92梯形的槽

94转子极芯

96自由端部

98转子极靴

100气隙

102转子线圈

104导体

106箭头