具有电动马达和磁传动装置的电机的制作方法

本说明书涉及电驱动器领域，特别是涉及具有电动马达和磁传动装置的整合式驱动单元。

背景技术：

在磁传动装置中，两个转子(驱动轴和从动轴)是磁性耦合，而并非像机械传动装置那样借助齿轮耦合。因此，与机械传动装置相比，摩擦损耗更小，无需润滑，磨损局限于起承载作用的滚动轴承，且产生的噪声减小。不同于机械传动装置，磁传动装置在过载情况下不受损，而是发生打滑。通过减小负载力矩，磁传动装置能够重新耦合。可能存在不利的铁损和磁滞损耗，但可以通过使用磁片将其保持在较小程度。

可以将磁传动装置与电动马达一起整合在一个驱动单元中(例如参阅ep2133982a2、gb2472020a)。这类驱动单元可以像直接驱动那样使用，故有时被称作伪直接驱动。本发明的目的在于，对包含电动马达和磁传动装置的整合式驱动单元的现有方案进行改进。

技术实现要素：

本发明提出一种电机，特别是具有电动马达和磁传动装置的电驱动单元。根据一个实施例，所述电机具有以下组件：壳体；设于壳体中的第一轴体，其与第一永磁体机构以及与第二永磁体机构刚性连接；以及在内部设于壳体上的定子，其与第一轴体一起构成电动马达。所述电机还具有管状机械元件，其具有多个铁磁性极靴，所述第一轴体至少部分地插入极靴，使得第一轴体与管状机械元件同轴，且第二永磁体机构位于该管状机械元件内。第一轴体在第一末端处借助第一轴承在管状机械元件内部支承在该机械元件上。环状第三永磁体机构以某种方式围绕所述管状机械元件布置，使得第二永磁体机构、管状机械元件和第三永磁体机构构成磁传动装置。其中，所述管状机械元件可旋转地支承在壳体上且环状第三永磁体机构与壳体刚性连接，或者，管状机械元件与壳体刚性连接且环状第三永磁体机构可旋转地支承在壳体上。

根据另一实施例，所述电机具有以下组件：设于壳体中的第一轴体，其与第一永磁体机构以及与第二永磁体机构刚性连接；在内部设于壳体上的定子，其与第一轴体一起构成电动马达；以及管状机械元件，其具有第三永磁体机构，所述第一轴体至少部分地插入所述第三永磁体机构，使得第一轴体与管状机械元件同轴，且第二永磁体机构位于该管状机械元件内。第一轴体在第一末端处借助第一轴承在管状机械元件内部支承在该机械元件上。一包含多个极靴的环状机构以某种方式围绕所述管状机械元件布置，使得第二永磁体机构、包含第三永磁体机构的管状机械元件和该包含多个极靴的环状机构构成磁传动装置。其中，所述管状机械元件可旋转地支承在壳体上且所述包含多个极靴的环状机构与壳体刚性连接，或者，管状机械元件与壳体刚性连接且包含多个极靴的环状机构可旋转地支承在壳体上。

根据另一实施例，所述电机具有以下组件：壳体；设于壳体中并且构建为空心轴的第一轴体，在其内部设有至少一个第一永磁体机构和至少一个第二永磁体机构；在内部设于壳体上的定子，其与第一轴体一起构成电动马达；以及包含多个铁磁性极靴的管状机械元件，所述第一轴体至少部分地插入该机械元件，使得第一轴体与管状机械元件同轴，且至少第二永磁体机构位于该管状机械元件内。环状第三永磁体机构以某种方式围绕所述管状机械元件布置，使得第二永磁体机构、管状机械元件和第三永磁体机构构成磁传动装置。其中，所述管状机械元件可旋转地支承在壳体上且环状第三永磁体机构与壳体刚性连接，或者，管状机械元件与壳体刚性连接且环状第三永磁体机构可旋转地支承在壳体上。

附图说明

下面结合附图对实施例进行详细说明。图示不一定遵循比例，且实施例不仅局限于示出的方面。确切言之，示出的是展示实施例之基本原理的值。其中：

图1为包含电动马达和磁传动装置的驱动单元的第一实施例的纵向剖视图。

图2示出如图1所示实施例的第一变体，其中修改永磁体的布局。

图3出如图1所示实施例的第二变体，其中将实心轴而非空心轴用作电动马达的转子。

图4出如图1所示实施例的第三变体，其中转子具有不同的外径。

图5出如图1所示实施例的第四变体，其中壳体具有两个可相对彼此旋转的壳体部件。

图6示出如图5所示实施例的一个变体，其中调制器与电动马达的壳体刚性连接，且另一壳体部件用作外转子。

图7示出如图1所示实施例的第五变体，其中马达实施为无轴承的马达。

图8和图9示出如图1所示实施例的另两个变体，其中内部空心轴11采用突出式支承。

图10和图11示出如图6所示实施例的两个变体，其中内部空心轴11采用突出式支承。

图12示出如图1所示实施例的另一变体，其中磁传动装置的调制器采用突出式支承。

图13示出如图1所示实施例的另一变体，包含壳体内腔的强制通风系统。

图14示出如图1所示实施例的另一变体，其中在设于壳体中之电路板上设有磁场传感器。

具体实施方式

在此描述的实施例揭示一种用于将电动马达和磁传动装置(magnetictransmission，magneticgear)整合在壳体中的新方案，从而构成具有高功率密度的紧凑的电驱动单元。这类驱动单元也被称作magneticgearmotor(mgm，磁齿轮马达)。电动马达以相对较高的转速(例如乃至每分钟30000转或更高)运行，从而实现高功率密度。磁传动装置将该高转速降至“正常”值，其例如处于从1000至6000转/分钟的范围内，其中可用转矩被相应转换。当然，在此描述的包含电动马达的实施例亦可作为发电机运行(在电动马达适用于再生模式的情况下)。电动马达与发电机就结构而言无显著区别。

就已知的包含磁传动装置和电动马达的驱动单元(mgm单元)中的绝大部分而言，磁传动装置与电动马达同轴地布置在一个平面中。亦即，马达与此传动装置并非轴向错开地，而是相互嵌套地以可围绕同一旋转轴旋转的方式布置。此布局例如被称作pdd(pseudodirectdrive，伪直接驱动)。故这类mgm单元具有相对较大的直径-长度比。在此揭示的实施例基于马达和传动装置的具有较长度而言相对较小的直径的并排布局。

相比马达与磁传动装置同轴布置(其中马达定子处于内部)的mgm布局，并排布局的优点在于：内置转子可以具有更小的直径。藉此也能实现较小的滚动轴承，故通常也减小轴承损耗。相比马达与磁传动装置同轴布置(其中马达定子处于外部)的mgm布局，并排布局的优点在于：可以减小快速旋转的转子的永磁体机构与定子之间的有效气隙。

图1为电驱动单元的一个实施例的(沿旋转轴as的)纵向剖视图。如前文所述，在该结构单元中，电动马达40与磁传动装置30布置在壳体50中。根据所示示例，电动马达的定子41与壳体50刚性连接。在一个实施例中，定子41配设有三相绕组系统。但也可采用其他相数，例如介于一与六之间。其中，线圈可以采用集中或分布式布局。另一方案为使用环形线圈(环形马达)。在定子绕组正确通流的情况下，在马达的气隙中形成具有极数pmot(pmot≥1)的旋转磁场。为了导引磁通，定子可具有叠片组(stackoflaminatedmetalsheets)或者由软磁复合材料(softmagneticcomposite，smc)构成的器件。也可以采用无叠片组的实施方案(空心线圈马达)。在两种情形下均在运行中形成沿径向的磁通。

通过包含一或多个永磁体12的永磁体机构12构成电动马达的转子。在所示示例中，永磁体机构12布置在空心轴11内部。特别是在高转速下，空心轴11可用作针对永磁体机构12的离心力保护装置。空心轴11在一端上通过滚动轴承14(例如滚珠轴承)支承在壳体50上。下文还将对空心轴11的第二支承点进行说明。空心轴不需要轴肩，故易于制造。视实施方案而言，空心轴11亦可具有多个凸起，其具有不同的直径。空心轴11兼具相对较高的抗弯刚度和相对较小的转动惯量，故可以使得弯曲振动的谐振处于快速旋转转子的转速范围以外的方式构建空心轴11。

所述电动马达例如可以构建为无刷同步马达(bldc马达，无刷直流马达)。替代性地，也可采用其他马达类型，例如异步马达、磁阻马达等，其产生径向的磁通，并且常常不需要转子中的永磁体机构12。bldc马达(以及其他马达类型)的工作原理已众所众知，故在此不再赘述。

一般而言，磁传动装置具有内部的快速旋转的转子(在图1中为具有较小极对数p1的转子r1)、调制器(在图1中为具有p3+p1或p3-p1极靴的转子r2)、以及外部的缓慢旋转的转子(在图1中为具有极对数p3的转子r3)。在许多磁传动装置构造中，调制器是静止的，且外转子r3是传动装置的输出。作为替代方案(如在图1中示出的示例那样)，外转子r3也可以与壳体50刚性连接，故而静止。在此情形下，调制器(转子r2)是传动装置的输出。为了在说明书中保持一致，将磁传动装置的三个主要组件均称作转子(转子r1、转子r2和转子r3)，尽管视实施方案而定，转子r2或者转子r3可能与壳体刚性连接。

转子r1的p1极对由包含至少一个永磁体的第二永磁体机构13构成，其在所示示例中同样设于空心轴11内部。转子r3的p3极对由第三环状永磁体机构32构成，其包含多个永磁体，并且将调制器r2围绕。调制器r2的p3+p1(或者替代性地p3-p1)极靴由铁磁性材料构成。就调制器21(转子r2)的p3+p1极靴而言，传动装置的减速比(从轴体11至从动轴23)等于p3/p1+1。在此情形下，轴体11和从动轴23具有相同的旋转方向。就调制器21的p3-p1极靴而言，传动装置的减速比(从轴体11至从动轴23)等于-(p3/p1-1)。在此情形下，轴体11和从动轴23具有相反的旋转方向。此外，减速比的值也发生变化。在某些实施例中，第一永磁体机构12与第二永磁体机构13可以接触，或者构建为一个单元。在后一情况下，第一永磁体机构12是沿纵轴布置的永磁体单元的一个区段，且第二永磁体机构13是沿轴向位于该第一区段旁的第二区段。

如图1所示，电动马达40的空心轴11同时也是磁传动装置30的内部快速旋转转子r1的部件。因此，在磁传动装置30的区域内，在空心轴11中设有第二永磁体机构13，其与空心轴11一起形成磁传动装置30的内部的快速旋转转子r1(即输入)。在一个示例中，极对数p1为一(n-s极化通过箭头表示)，在传动装置的输出上的给定输出转速下，这实现高程度减速，进而实现电动马达40的高转速(以及高功率)。替代性地，极对数p1也可以是二。

磁传动装置的调制器(转子r2)由一个管状机械元件构成，其例如具有另一空心轴22以及沿空心轴22的周边布置的极靴21。管状机械元件还具有包含轴凸23a的轴体23(驱动轴或者从动轴)，轴凸在空心轴22的一端处与这个空心轴刚性连接。故空心轴22在一端经轴体23封闭，并在另一端敞开。极靴21和空心轴22可以作为一个器件制造。作为替代或附加方案，空心轴22与轴体23可以一体式制造。空心轴22在两端借助滚动轴承24和25支承在壳体50上。视构造而定，在轴承24与25之间可以设有衬套51和52，轴承24和25布置在这些衬套中。

在空心轴11(转子r1)在空心轴22内部(例如通过滚动轴承15)支承在轴体23的一个轴体区段上的情况下，能够实现特别紧凑的构造。亦即，空心轴11部分地在空心轴22的内部延伸，并且在空心轴22的闭合端支承在轴体23的轴体区段上。就调制器21的p3+p1极靴而言，轴承15不能“看见”电动马达的整个转速，而是仅输入上的转速与磁传动装置30的输出上的转速之间的差。

如前文所述，磁传动装置30的外转子r3与壳体50刚性连接，故准确而言并非转子，而是磁传动装置30的定子31，永磁体32可以沿周边布置在所述定子上(极对数p3)。但为了保持描述的一致性，将其称作转子r3，因为这个器件在某些实施例中也能够旋转(且调试器21例如固定，例如参阅图6)。类似于电动马达的定子41，定子31也可为了导引磁通而具有叠片组(或者由smc构成的器件)，从而在气隙中实现高磁通密度。

壳体50可采用一体式或分体式实施方案。视马达类型而定，可能需要控制电子装置(马达电子装置)，其可设于印制电路板61(pcb，printedcircuitboard)上，该印制电路板又可安装在壳体内。在所示示例中，空心轴11穿过印制电路板61一定程度，故也可以将角度传感器直接布置在印制电路板61上(另见图14)。

快速旋转的转子r1(空心轴11)同时是电动马达的转子和磁传动装置的驱动转子(在电动模式下)；基于轴承14和15的布局，所述转子不必有对外的连接，故可完全布置在壳体50的内部。电动马达40的定子41、此传动装置30的定子31(转子r3)和壳体50一起构成一个紧凑的模块。所述轴承、特别是快速旋转轴承14和快速旋转轴承15可构建为陶瓷轴承，或者构建为混合式轴承，其中轴承环与滚动体由不同的材料构成(例如轴承环由钢构成，且球体由陶瓷构成)。对于永磁体机构的磁场线而言，陶瓷轴承或者混合式轴承具备较传统的钢制轴承更高的磁阻。通过这些轴承特别是能减小磁场线的磁“短路”。与传统的钢制轴承相比，在采用陶瓷轴承时完全避免轴承中的涡流损耗。在采用混合式轴承时，因永磁体机构12或13的杂散磁场造成的涡流损耗所有减小。

图2示出图1中的示例的一个替代方案。图2中的实施例与前一实施例近乎相同，唯一区别在于，永磁体32‘(图1中的32)布置在转子r2上，而非定子31(转子r3)上(亦即为前述管状机床元件的一部分)。在图1中是通过位于转子r2(调制器)上的极靴进行对永磁场的调制，而在图2中则是通过外置转子r3进行(其中在图1和图2中，转子r3是静止的，故准确而言用作定子)。定子31(转子r3)为此具有包含多个极靴21‘的环状布局。在如图2所示的示例中，定子31实现调制器的功能，而磁场通过转子r2(管状机械元件)的永磁体机构21‘产生。其余结构与如图1所示的前一示例相同，尤其是空心轴11在空心轴22的内部在轴体23的轴体区段上的支承。

图3示出图1中的示例的另一替代方案。图3中的实施例与先前的实施例近乎相同，唯一区别在于，设有实心轴11‘，而非空心轴11。因此，永磁体13和14不是布置在轴体11‘内部，而是布置在其外部。尽管如此，轴体11‘(类似于图1所示)支承在空心轴22内部，或者支承在轴体23的中心孔中。其余结构与先前的如图1所示的示例相同。根据图3的实施方式例如适用于以下应用：因转速较小或磁体机构12及13的外径较小而不需要离心力保护。

图4示出图1中的示例的一个变体，其中空心轴11具有两个直径不同的区段。这样便能针对电动马达40和磁传动装置30在气隙的区域内实现不同的直径(亦即，就磁传动装置而言在空心轴11的外径与调制器21的内径之间，或就马达而言在空心轴11与定子41的外径之间)。

图5示出图1中的示例的一个变体，其中转子r3相对壳体50支承(参见图5，轴承26a和26b)。现以可旋转的方式支承的转子r3(在图1中与壳体50刚性耦合)可被驱动以及/或者用作输出。如果将转子r3固持住，则根据图5的实施方案的功能等同于图1。在此情形下不使用衬套51和52(参见图1)。取而代之地，借助轴承26a和26b可旋转地支承在壳体50上的套筒50b用作外转子。空心轴22通过轴承24和25支承在套筒50b上(而非如图1那样在壳体50上)。如前文所述，在所示示例中，磁传动装置30的外转子r3不与电动马达40的定子41刚性耦合，且驱动单元故而具有两个输出。如同图1中的示例那样，轴体23构成第一输出，以及，套筒50b构成第二输出，该套筒如前文所述能够旋转并且构成外转子。所述输出中的一个或者这两个输出也可用作驱动，其中将这两个输出驱动上的机械功率组合。马达40在电动模式或再生模式下工作，具体视净功率是正还是负而定。

图6示出如图5所示示例的一个变体，其中调制器21与电动马达40的壳体(壳体部件50a)刚性连接。在此情形下不采用轴承26a和26b，且磁体32(转子r3)与用作外转子的壳体部件50b刚性连接。作为(可旋转的)空心轴22的替代，设有(不可旋转的)套筒22‘。在所示示例中，套筒22‘具有凸起22a，其与壳体部件50a固定连接。例如(借助凸起22a)将套筒22‘旋入或者压入壳体部件50a。从动轴23被替换成壳体盖50c。壳体部件50b构成输出，所述输出类似于图5中的示例为外转子。在本示例中，马达40的结构与先前的示例相同；与图5中的示例的区别仅在于：转子r2(包含调制器21)通过与壳体部件50a的刚性耦合而被“固持”。空心轴11(类似于先前的示例)借助滚动轴承15支承在壳体盖50c内部(所述壳体盖在本示例中就支承而言起到轴体23的作用)。滚动轴承14和15可以如图5中的示例那样具有相同的结构(视应用而定作为钢轴承、陶瓷轴承或者混合式轴承)。在其他方面，本示例大体等同于图5中的示例。就调制器21的p3+p1极靴而言，传动装置的减速比(从轴体11至输出50b)等于-p3/p1。轴体11和输出50b具有相反的旋转方向。就调制器21的p3-p1极靴而言，传动装置的减速比(从轴体11至输出50b)等于p3/p1。轴体11和输出50b在此具有相同的旋转方向。

可如图3中的示例那样使用实心轴来替代空心轴11，从而对图6中的示例作进一步修改。根据另一变体，永磁体32布置在转子r2(套筒22‘)上，而非外转子r3上(类似于图2中的示例)，如同结合图2中的示例阐述的那样，这使得外转子r3承担调制器的功能。

图7中的实施例是图1中的示例的另一变体，其中马达40实施为无轴承的马达；故无需采用轴承14。其余参阅对图1的描述。空心轴11如图7所示仅在一个位置上借助滚动轴承15支承。除了驱动转矩以外，所述无轴承的马达也产生为将空心轴11保持就位所需的径向力。为此，马达40可以具有位置传感器，其以测量空心轴11在电动马达40的区域内的径向偏移的方式布置。其余参阅针对图1的叙述。结合图1描述的修改和变体也可应用于图7中的示例。在另一方案中，空心轴完全采用磁性支承(主动或者被动)。在此情形下也无需采用滚动轴承15。

图8中的实施例是图1中的示例的另一变体，其中轴承14并非设于空心轴11的左端，而是位于电动马达40与磁传动装置30之间。在本示例中，空心轴11的位于电动马达40与磁传动装置30之间的轴承用14‘表示。与图1中的轴承14相比，图8中的轴承14‘具有更大的直径，这造成轴承中的更大的摩擦损耗。其余参阅针对图1的叙述。结合图1描述的修改和变体也可应用于图8中的示例。

图9中的实施例是图1中的示例的另一变体，其中位于空心轴22中的轴承15并非设于空心轴11的右端，而是位于电动马达40与磁传动装置30之间。在本示例中，空心轴11的位于电动马达40与磁传动装置30之间的轴承用15‘表示。与图1中的轴承15相比，图9中的轴承15‘具有更大的直径，这造成轴承中的更大的摩擦损耗。其余参阅针对图1的叙述。结合图1描述的变体也可应用于图9中的示例。就图8和图9中的两个示例而言需要注意的是，空心轴11的突出式支承(在图8中在马达侧突出，在图9中在磁传动装置侧突出)使得弯曲振动的谐振频率低于图1中的示例。视快速旋转转子r1(空心轴11)的旋转速度而定，这个谐振可能造成令人困扰的意外的振动。此外，轴向位于马达40与磁传动装置30之间的中的轴承14‘或15’可能导致装置的较大的(轴向)尺寸。

图10中的实施例是图6中的示例的变体，其中轴承14并非设于空心轴11的左端，而是位于电动马达40与磁传动装置30之间。在本示例中，空心轴11的位于电动马达40与磁传动装置30之间的轴承用14‘表示。与图6中的轴承14相比，图10中的轴承14‘具有更大的直径，这造成轴承中的更大的摩擦损耗。其余参阅针对图6的叙述。如图6中的示例那样用套筒22‘替代空心轴22(转子r2，调制器/极靴21)。套筒22‘可具有多个凸起，其具有不同的直径。在所示示例中，轴承14‘布置在凸起22b内部，且轴承24布置在凸起22b外部，故这两个轴承的支承力大体位于一条径向线中。

图11中的实施例是图6中的示例的另一变体，其中轴承15并非设于空心轴11的右端，而是位于电动马达40与磁传动装置30之间。在本示例中，空心轴11的位于电动马达40与磁传动装置30之间的轴承用15‘表示。与图6中的轴承15相比，图11中的轴承15‘具有更大的直径，这造成轴承中的更大的摩擦损耗。其余参阅针对图6的叙述。如图6中的示例那样用套筒22‘替代空心轴22。套筒22‘可具有多个凸起，其具有不同的直径。在所示示例中，轴承15‘布置在凸起22b内部，且轴承24布置在凸起22b外部，故这两个轴承的支承力大体位于一条径向线中。在如图10和图11所示的示例中，基于空心轴11的突出式支承，弯曲振动的谐振也可能造成困扰(根据马达转速)。

图12中的实施例是图1中的示例的另一变体，其中轴承24并非设于调制器21左侧，而是设于其右侧。亦即，轴承24和25位于调制器21的同一侧上。其余参阅对图1的描述。结合图1描述的修改和变体也可应用于图12中的示例。本示例尤其适用于磁传动装置30的轴向长度相对较短的情形。

以在此描述的示例为基础，通过将不同示例中的特征相互组合能够设计出更多示例。例如，(根据应用)在所有实施例中也可使用滑动轴承来替代滚动轴承。在所有实施例中均可将空心轴11替换成实心轴11‘(参阅图3中的实施例)。通过内空心轴11的两个或两个以上具有不同直径的轴体区段，能够影响磁性有效气隙的尺寸和位置。可将空心轴的内置轴承14(参阅图1)替换成外置轴承。可进行许多其他类似的修改，而不会明显改变在此描述的实施例的功能。

图13中的实施例是图1中的示例的包含壳体50的内腔的强制通风系统的另一变体。在空心轴11上设有风扇叶轮16，其在壳体的内腔中实现对流。通过一或多个入口55，在壳体50的一个(轴向)末端处(例如在端侧)将空气吸入壳体内部。空气流经电动马达和磁传动装置，并且能够将热运走。在与入口55相对的另一末端处，空气通过一或多个出口56重新向外排出。在所示示例中，出口56穿过从动轴23的轴凸23a。在图13中，空气流用“l”表示。在其余方面，如图13所示的示例与图1中的示例相同，参阅上文的说明。也可以将用于通风的组件应用在其他实施例中。

图14中的实施例是图1中的示例的另一变体。在本实施例中，电动马达例如是bldc马达。为了控制定子绕组的电子换向，需要测量转子的角位置。为此，在印制电路板61上以节省空间的方式设有磁场传感器62，例如霍尔传感器或磁阻(mr)传感器。由于印制电路板61以节省空间的方式垂直于壳体中的旋转轴装入，可将传感器62直接固定在印制电路板61上，且同时将其布置在定子绕组42附近。在其余方面，如图13所示的示例与图1中的示例相同，参阅上文的说明。所有需要角度测量的实施例均可采用将传感器62布置在印制电路板61上的方案。对于特定的应用而言，可能需要(作为传感器62的补充或替代)将旋转角传感器应用于输出(转子r2和/或转子r3)，从而实现对输出上的角位置的精确控制。