专利名称：横向磁通开关磁阻电机、提供旋转驱动的电机及其操作方法
横向磁通开关磁阻电机、提供旋转驱动的电机及其操作方法技术领域本申请涉及一种改进的电动机，其中，将一台多相电动机的多个定子 绕组沿电动机的一个旋转轴在轴向上分隔开。此外， 一种冷却流体通过这 些定子绕组循环，背景技术经常需要牵引电动机来提供用于商用车辆传动系的电-机械转换。典型的用于传动系应用的牵引电动机是三相AC感应式机器。 一台三相 AC感应电机是利用 一台感应电动机来将三相电能转换成机械运动的一 种机器.使用AC感应机器作为牵引电动机的主要原因在于AC感应机 器易于制造并使用非常成熟的技术。AC感应机器依据的技术非常成熟 并具有大的基础设施的事实允许相对便宜地来制造它们。另一方面，在将标准的AC感应机器适配到车辆传动系中时就引起 了大的成本、尺寸、以及重量的不利结果。因此，已经对开发能够满足 商用车辆的成本、尺寸以及重量需要的新的电动机设计投入了大量的研 究工作。通常， 一个目标是通过在减少电机的全部重量和成本的同时增加输 出转矩来使感应电机更加有效。横向磁通电机是实现该目标的最可行的 方法。在本领域中已知有两种类型的橫向磁通电机，？M4橫向磁通电机 和开关磁阻橫向磁通电机。永磁橫向磁通电机是利用一个永磁体的橫向 磁通电机，该永磁体通常是由稀土材料制成并作为它们的转子结构的一 部分。永磁横向磁通电机实现了一个高的转矩对重量的比。然而，永磁 横向磁通电机不是最优的。由于为了构造机器结构所需的绕组而使用的 复杂的磁体安装方法使它们难以制造。此外， 一台电机的转矩输出依赖 于温度，并且它们非常不能耐受电气故陣的状况。开关磁阻电机具有优于永磁电机的几个明显的优点。首先，开关磁 阻电机提供相对地独立于温度的转矩，并且其次，开关磁阻电机更能容 忍故障状况。开关磁阻电动机的工作原理是一个转子磁极对具有与一个 带电的定子磁极对相对齐的倾向。通过顺序地激励定子绕组，转子在使 其自身与每次激励中新激励的定子磁极重新对齐时进行转动。这使得在 未使用稀土材料的电机中产生机械运动。开关磁阻电机还没有得到像永 磁电机一样多的开发，在不同的原因中这是由于电子控制器开发中的高 投资成本。当前的开关磁阻电机使用径向分隔的多个相，并且每个相都 有多个绕组，它们更加难以组装。发明内容本发明的目的在于设计一种重量更轻且产生更高的转矩的开关磁 阻横向磁通电机。此外，本发明的目的在于减少组装成本，并减少电机 所需的空间。本发明涉及一种轴向分隔的横向磁通开关磁阻牵引电动机，该电动 机对每相绕组使用了一个单个的简单缠绕线圏架线圏。作为一个独立的 发明特征，在每相绕组中构造一个整体的冷却回路。横向磁通开关磁阻 电机在本领域是已知的，且提供包括简单设计和可接受的功率重量比的 多种优点。使用开关磁阻电机的不利方面在于它们具有难于组装的工 艺、不具有同永磁横向磁通电机一样高的功率效率、以及具有高组装成 本。本领域中已知的是通过环绕转子径向分隔多个相来制造一种开关 磁阻电机。本发明沿转子轴向分隔多个相。轴向分隔允许开关磁阻电机 被安排为这样一种方式，以致它以可使用一种模块构造技术来建造。该 模块构造技术允许单独地组装每一相，然后将其与其他多个相"扣合" 在 一起。未使用模块组装的其他构造技术对于轴向分隔的多个相也是可 能的，所有的这些构造技术都比现有技术的开关磁阻电机的组装技术更 容易。通过轴向分隔使相绕组构造的一个特征成为可能，并有助于使组装 容易。已知的开关磁阻电机以及永磁系统使用"雏菊链"式绕组，或者 甚至更复杂且错综的线圏绕组安排。每相只有一个线圏的轴向分隔的绕组允许为该绕组使用一个简单的缠绕线圏架线圏。在这种情况下，这些 绕组都是环形的且易于组装。该简单的缠绕线團架线圏不仅有助于易于 组装而且使用较少的铜导线，并且减少了开关磁阻电机的总重量。由简 单的缠绕线圏架线圏产生的第三个优点是在电绕组中添加一个整体的 冷却回路的可能性。一个整体的冷却回路是环绕线圏架进行缠绕并嵌入在线圏中的一 个中空环路。该环路可以由能够形成为一个管、具有良好的热传导特性、 且能够容纳一种制冷气体或流体而不泄漏的任何材料构成。如果具有非 导电性该材料还具有多个优点。该嵌入式冷却环路允许在开关磁阻电机 工作时通过线圏泵送一种冷却剂。在通过线圏泵送冷却剂时，将热量从 这些线圏传送至冷却剂，从而冷却整个系统。热的冷却剂然后流出这些 线圏。 一旦流出这些线圏，冷却剂就经由一个热交换器被冷却并被输送 回该嵌入冷却环路。这允许在线圏自身内部进行温度调节，以提供更高 的效率和一个更高的转矩输出。还考虑到可以使用中空导线制造绕组， 以及直接通过绕组导线自身输送冷却剂来实现一种类似的效果。一种整体的冷却环路在实施了简单的缠绕线圏架线圏的任何电动 机/发电机系统中都是可能的，并且本领域中已知的所有的电动机/发电 机系统都可以得益于通过一个整体的冷却回路提供的内部温度调节。由一种内部温度调节系统提供的优点包括但不限于由于一个恒定温度导 致的一个更稳定的转矩输出水平、将电动机/发电机放置在将使典型的 电动机/发电机经受过热的位置中的能力、以及提高的效率。从下面的说明书和附图可以更好的理解本发明的这些和其他特征， 下面是附图的简要说明。
图l示出了本发明的一个实施例的可能应用和部署。图2示出了如现有技术中可见的一种单纯径向分隔的开关磁阻电机0图3示出利用了 C型定子和C型转子的本发明的一个实施例。图4示出了用于本发明的三相实施例的围绕转子轴的一种可能的相 的布置。图5示出了一个轴向分隔的开关磁阻电机的用于一相的一个环形芯体。图6示出了包括在图3的环形芯体中的一个单个缠绕线團架线圏的 多个视图。图7示出了本发明的一个模块组装实施例。图8示出利用了 C型定子和I型转子的本发明的一个实施例。图9示出了冷却回路。
具体实施方式
图1的实施例涉及用于汽车的电传动系的一种牵引电动机。牵引电 动机10被置于靠近四个车轮20的每一个的轴30上。在所示的实例中， 该电动机被用于一种混合型电动机械制动系统。本发明可以用于任何数 量的不同应用中，并在一个开关磁阻横向磁通电机会有益处的任何地方 都提供益处。如图2所示，现有技术中已知的标准开关磁阻电动机是由一组三相 绕组53、 54、 55组成，其中的每一个绕组都缠绕在一个定子磁极51上。 每个开关磁阻电机设计都具有一定数量的定子磁极51和转子磁极52的 适当组合。通过施加在每相绕组53、 54、 55的一系列电流脉冲来激励 (使其运动)电动机。各个相绕组53、 54、 55因此而被激励，迫使开 关磁阻电机中的电场改变对齐。转子磁极52然后变换至使其自身与新 改变的电场对齐，并产生旋转运动。当每个新相充电时，开关磁阻电机中的电场将其自身与对应于充电 相这些定子重新对齐，引起转子磁极52移位并将它们自己与电场重新 对齐。使用该过程可以使转子56从一相到下一相依次变换对齐；在每 一相都已被激励两次以后引起一个完整的360度的旋转。如果这些相绕 组53、 54、 55都被足够快地依次充电和放电，那么该旋转可以达到足 够的速度并产生对于大多数应用都足够的转矩。如图2所示，典型地这些相是在围绕轴的一个单个环中径向地分布。该设计引入的不利方面包 括一种非常苛刻的对于故障的不可耐受性，以及为了容纳相邻的相而必 须的复杂的绕组。在本发明中，如图3所示，这些相530、 540、 550沿轴590轴向分 隔开。在诸如所示实施例的设计中，每一相530、 540、 550都由围绕转 子轴5卯的其自己的环形芯体580所组成。如图4所示，每一相530、 540、 550的定子510、 511、 512彼此对齐，而轴5卯上的转子520、 521、 522与每一相530、 540、 550错开。为了说明的目的减少了图4中每相 的转子520、 521、 522和定子510、 511、 512的数量。每一相530、 540、 550像在一台径向分隔开的开关磁阻电机中一样被顺序激励。这推动了 类似于径向分隔的横向磁通电机中的旋转的一种机械旋转。图4示出了为了允许该效果应如何使定子510和转子520定位的一 个三维视图。在平行于转子轴590的一个纵列中每个定子510都与其他 相的定子511、 512排齐。相530的转子520开始与定子510排齐。在 轴5卯上轴向设置的下一个相使其转子521与第一相530的转子520错 开。沿轴590轴向设置的第三相550 4吏其定子512与第一相530和第二 相540均错开。该模式可以进行修改以允许任意数目的相。然而，工业 标准是使用三相。图5示出了在本发明所示实施例中每一相所使用的一个环形芯体 580。环形芯体由一个环形的壳体组成，该壳体包括多个单独的筒单缠 绕线圏架线圏320,而围绕这些线圏320放置了这些定子。该环形芯体 包括用于每个定子520、 521、 522的一个简单缠绕线圏架线圏320，而 这些定子将围绕该环形体而放置。这些线圏相互连接而实质上产生在整 个壳体内延伸的一个线圏。该连接方案可以使用在壳体内对每个绕组的 的简单的输入和输出连接来实现。该设置将某一指定线圏的输入端与在该环中其前一线圏的输出端相连接。环形体中的第一个线圏和最后一个 线圏彼此不进行连接,但是将改为被连接至该芯体的输入端和输出端。 这些线圏还可以通过本领域中已知的一些其他手段相互连接以提供类 似于将这些线圏连接在一起的效果。这些定子放置在环形芯体壳体310 的外侧并通常是U型或C型。三相530、 540、 550的轴向分隔允许该电机由较少的材料来建造，并显著降低了绕组的复杂性。径向分隔的绕组(类似于图2中使用的绕 组)需要是复杂的以使相绕组53、 54、 55得以容纳直接与它们相邻的 各个相。在本发明中，这些绕组可以由显著降低复杂性的多个简单缠绕 线團架线團构成。这就允许有一种更轻便的设计，因为在绕组中较少的 材料被浪费在诸如非必需的绕组组件中，如在末端绕组。更轻便的设计 和更简单的绕组允许实施以前不实际或不可能的附加特征。通过多个相的轴向分隔而另外变为可能的是一种模块式组件设计。 图7示出了由三个相610、 611、 612组成的一种模块式組件。以相同的 方式组装每一个相610、 611、 612，然后将它们"扣合，，在一起以形成 三相开关磁阻电机。该模块式组件包括一个壳体620，它包括C型的定 子磁极621。包括在C型定子磁极621中心的是线圏622。 一个转子磁 极624附在转子623上。转子磁极624是I型的，并附在电动机轴680 上。 一旦每一相610、 611、 612完成组配时，它们如上所述围绕轴680 错开并固定到位。该方法提供了一种比以前可用的方法更容易且更快的 组装开关磁阻电机的方法，允许更快和更便宜的制造工艺。另外还有可能使用非模块式组件来构造一种轴向分隔的开关磁阻 电机。 一种非模块式组件要求以一步组装该开关磁阻电机。由非模块式 组件提供的一个优点是可以将开关磁阻电机构造得更小。由于构造在对 于一种模块式设计所必须的每个模块中的一些组件不再是必须的并可 以被去除，因此这也是可能的。去除模块式部件允许具有更小的构造和 更轻的重量。另外，非模块式组件与模块式组件相比可以更易于针对特 别的应用而"专门定制"。图3和图8示出了两种可能的非模块式设计。 图8使用了一个标准的转子轴700，其上附有对应于每一个相的多个C 型转子702。此外，使用了一种C型定子704的设计。图8的设计造成 了径向和轴向的气隙。图3使用了一个标准的转子轴，它具有I型转子520、 521、 522和 C型定子510、 511、 512。图3的设计造成了一个径向气隙。每种设计 的优点和缺点根据具体应用而改变。本领域的技术人员将能够确定用于 任何指定应用的一种适合的定子/转子配置。径向间隙更能容许轴向偏 差。轴向间隙更能容^N圣向偏差。相绕组的轴向分隔还允许使用包括简单缠绕线圈架线圏320的环形芯体580。由于每一相都是沿轴而轴向分隔的，因此每一相都具有其自 己的环形芯体580。该设计允许这些绕组是简单的缠绕线圏架线圏，因 为这些绕组无需容纳相邻的相。图6中示出了使用简单缠绕线圏架线圏 的环形芯体的说明。图6以三个独立视图示出了环形芯体的截面。视图 A示出了在环形芯体壳体470中放置了一个简单的缠绕线團架线圏410。 一个线圏架被放置在每个C型定子420的中部，造成线圏450在定子 420中部被置为中心。在使用环形芯体的一个实施例中，环绕转子轴放 置环形芯体，然后将C型定子420放置在围绕每个简单缠绕线團架线圏 410的位置中。在该步骤中，多个转子磁极430不必对齐，这是因为在 电动机接通时它们将自动对齐。视图B示出了简单缠绕线團架线團410 相对于环形芯体壳体310的定位和定向。这些绕组被安排为使绕组中的 每条导线在由X轴和Y轴形成的平面中平行于该环形芯体壳体470而 延伸并在Z轴上垂直于该环形芯体壳体470。当这些简单缠绕线圏架线 圏410被充电时该定向使电场对准以便适当地感应出运动。视图C示出 了 一个单个定子420和转子磁极430，在该C型定子420之中有一个筒 单缠绕线圏架线圏410。相对于图中的其他部分视图C关于Y轴转动了 卯度。如视图C所示，线圏450缠绕着线圏架460，线圏架扣合在环形 芯体壳体470内的位置中。 一个整体的冷却环路440包括在线圏450中 以保证充分的温度调节。在环绕由C和I叠片部分形成的一个闭合回路 周围的任何点处均可发生轴向和径向间隙。在本发明中， 一个冷却环路440可以整合在在线圏450中。可替代 地， 一个专用冷却管可以包括在线圏450中。由于减小了重量以及简单 的绕组设计使这一点成为可能的。该冷却环路440可以由具有适当的热 传导特性的柔韧性的非透过性的中空管构成。可以使用任何数量的可用 手段通过冷却环路440来输送一种冷却剂。如图9中示意性地示出， 一个冷却回路可以提供为具有流体路径 804、和一个泵802,它通过线圏450排出冷却流体并将其向外排出到一 个热交换器800。在热交换器800处，热量从通过回路804循环的冷却 剂被排出。可以使用任意数量的从冷却剂去除热量的方法。作为一个实 例，热交换器可以放置在由电动机轴驱动的一个风扇的路径中。此外， 可以使用包括一个压缩机、 一个膨胀装置等的更复杂的冷却系统。同样， 本领域的技术人员知道如何准备一个适当的冷却系统。本发明是针对在一个电动机的线團中应用一个冷却系统。如果线團450由中空导线构成，则可以实现一个相似的系统而不使 用一个嵌入的冷却环路。在这样的一种情况中，可以使用一种类似的方 法以及与用于上述嵌入的冷却环路一样的系统来使冷却剂通过中空导 线而不是通过一个冷却环路来进行循环。比起一个嵌入的冷却环路，这 将提供更好的热调节，因为冷却的冷却剂将会更均匀地分布在整个线圏 450中。此外，这将使冷却剂分布到更大的区域并减少构造线圏所需的 材料的量。尽管已经披露了本发明的几个实施例，但是本领域技术人员将会认 识到在本发明的范围内可以进行一些修改。因此，应该研究所附的权利 要求以确定本发明真正的范围和内容。
权利要求
1. 一种横向磁通开关磁阻电机，包括一个定子，具有多个相；一个转子，被安装为相对于所述定子绕一个轴旋转，所述多个相沿所述轴在轴向上分隔开。
2. 根据权利要求l所述的电机，其中，每个所述相上的磁极被相 对于彼此的近似相等的圆周角分隔开。
3. 根据权利要求l所述的电机，其中，所述定子相包括多个线圏， 每个线團都包括一个线圏架缠绕的线圏。
4. 根据权利要求l所述的电机，其中，在所述定子和所述转子之 间提供了 一个径向空气间隙。
5. 根据权利要求l所述的电机，其中，在所述定子和所述转子之 间提供了一个轴向空气间隙。
6. 根据权利要求l所述的电机，其中，所述定子具有多个C型磁 极，以及所述转子包括多个I型部件。
7. 根据权利要求l所述的电机，其中，这些相包括由一个角度而 沿圓周分隔开的多个绕组，该角度通过将360。除以所述电机中相的数 目、并除以每相的磁极的数量来确定.
8. 根据权利要求l所述的电机，其中，在所述定子中提供了一个 冷却回路。
9. 根据权利要求8所述的电机，其中，所述冷却回路包括用于通 过所述冷却回路循环一种冷却流体并使其向外流出所述定子到达一个 远处的热交换器的一个装置。
10. 根据权利要求9所述的电机，其中，所述定子包括中空导线， 并且所述冷却流体在所述中空导线中循环。
11. 根据权利要求9所述的电机，其中，所述冷却回路包括结合在 该定子中的独立的冷却管。
12. 根据权利要求l所述的电机，其中，该定子有多个模块部分形 成，且对于所述多相中的每一相都有一个单独的模块部分。
13. —种用于提供旋转驱动的电机，包括一个定子，所述定子包括多个定子线圏，所述多个定子线圏由导电 导线形成，以及多个电连接以选择性的激励所述多个定子线圏；一个转子，所述转子具有与所述多个定子线圏相关联的多个转子构 件；以及一个冷却回路，用于冷却所述多个定子线圏，所述冷却回路包括用 于通过所述多个定子线圏循环一种冷却流体，并将热量从所述多个定子 线圏排除出去的 一条冷却路径，所述冷却路径将一种被加热的流体输送 至一个远处的热交换器，它在其中被冷却。
14. 根据权利要求13所述的电机，其中，所述冷却回路包括用于驱 动所述冷却流体通过所述冷却回路的一个构件。
15. 根据权利要求13所述的电机，其中，所述多个定子线圏由中空 导线形成，并且所述冷却流体在所述中空导线中循环。
16. 根据权利要求13所述的电机，其中，所述多个定子线圏由实心 导线形成，并在所述多个定子线圏中结合了专门的冷却管。
17. —种操作一种电机的方法，包括以下步骤(1)提供由导电导线形成的多个定子线圏，以及用于选择性地激 励所述多个定子线圏的电连接；(2 )提供具有与所述多个定子线圏相关联的多个转子构件的一个 转子；以及(3)通过所述多个定子线團循环一种冷却流体，并从所述多个定 子线圏排除热量，所述冷却流体将被加热的冷却流体输送至一个远处的 热交换器，它在其中被冷却。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中， 一种构件驱动所述冷却流体。
19. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述多个定子线圏由中空 导线形成，并且所述冷却流体在所述中空导线中循环。
20. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述多个定子线圏由实心 导线形成，并在所述多个定子线圏中结合了专门的冷却管。
全文摘要
本发明涉及一种开关磁阻类横向磁通电机。横向磁通电机由多个相组成，其中每一相都沿轴在轴向上分隔开。轴向分隔提供了多种优点，包括减少了重量以及将简单缠绕线圈架线圈用于绕组的能力。在这些线圈本身中提供了一个嵌入的冷却环路。该冷却环路提供了用于绕组的内部温度调节，并允许除其他优点外的一个更高的效率。
文档编号H02K3/24GK101262159SQ20081000418
公开日2008年9月10日 申请日期2008年1月23日 优先权日2007年1月30日
发明者丹尼斯·A·克拉默 申请人:阿文美驰技术有限责任公司