DC电动机的制作方法

发明领域

本发明涉及一种变速直流(dc)电动机。

技术背景

目前在各行业中最受欢迎的电动机是鼠笼式感应电动机(sqim)和无刷永磁电动机(blpmm)，其中在使用中sqim占所有工业电动机的90％以上。现代sqim和blpmm具有类似的定子设计，其中围绕电工钢层压板所分布的铜绕组用于产生旋转磁场。然而，它们的转子设计是不同的。sqim具有圆柱形转子轴，其在电工钢层压板上具有压铸铝或铜鼠笼结构。相比之下，blpmm具有永磁体，永磁体或靠近表面安装，形成圆柱形转子或埋置在电工钢层压板内，用于形成凸极转子。虽然blpmm通常实现更好的效率和功率密度，但由于sqim的高可靠性、相当好的效率和低生产成本，sqim在半个多世纪以来一直支配该行业。

据估计，全球所产生的电能的几乎三分之一由工业电动机消耗。电费可以占到拥有和运行这些电动机的寿命周期成本的95％。因此，电动机的效率是用于使行业优化的明显的关键参数。当在工业应用中需要具有高工作效率的变速电动机时，通常使用称为变频驱动(vfd)的电气系统来对所连接的电动机进行供电和控制。现代vfd的电力电子系统的基本架构包括三个不同的级。第一，整流器级，其使用无源功率二极管或用于再生功能和功率因数校正功能的有源绝缘栅双极晶体管(igbt)，以及任选的输入滤波器来构建。第二，直流链路级，其使用高压电容器组、线路滤波扼流圈、制动斩波器和任选的制动电阻来构建。最后是倒相级，其使用igbt和任选的输出滤波器来构建。

随着时间的推移，已经付出了很多努力来改善接线技术和电工钢的性能以便提高电动机的整体效率。为了进一步提高驱动效率，还付出了许多努力来提高vfd中的igbt、高压电容器和滤波器的性能和降低vfd中的igbt、高压电容器和滤波器的损耗。然而，由于这些技术已经成熟，提高效率的潜力逐渐减少。随着对变速电动机应用的效率和性能要求的提高，有必要超越当前开始展望未来。

为了加强对当前电动机构造中涉及的问题的理解，下面将对sqim和blpmm的设计细节进行说明。对于现有技术的sqim和blpmm，其大部分的电动机损耗源于定子处的定子绕组导体电阻损耗的形式和定子电工钢铁损耗的形式。影响这两个主要损耗源的设计将在以下部分中描述。

对于定子绕组电阻损耗，由于这些电动机被设计成在具有高定子绕组电感的交流公用电压下工作，所以它们通常使用多匝分布式随机缠绕的定子绕组1，定子绕组1由圆形漆包铜线2制成，与最流行的设计方式，例如图1a至图1d中所示的示例性定子绕组一样。图1c示出了电工钢狭槽开口3中的这种绕组1的示意性横截面图。除了其高复杂性和与制造和装配相关的成本之外，这种多匝分布式随机缠绕的绕组1具有数个缺点。首先，作为绕组的铜4的总截面积与狭槽开口3的总横截面积的比率的电工钢狭槽填充系数低，通常仅在0.4和0.65之间。这既是因为在单独的导线之间以及导线和电工钢的狭槽壁之间需要占用空间的电绝缘体5和6，也是因为随机缠绕的圆形导线在它们之间留下然后填充有清漆7的很多空间。由于这些绝缘材料和清漆通常具有低导热性，因此低狭槽填充系数导致较高的电流密度、较差的散热和对铜线的较高工作温度，其然后全都转化为更高的绕组电阻损耗。其次，例如如图1d中所示，在定子的两端部处从电工钢狭槽伸出的分布式定子绕组的端部绕组部分8较大。这些端部布线部分8带来了总的铜使用和总的定子长度以及电阻损耗，而不利于电动机的有效转矩和功率。这是因为定子周围的绕组分布需要大量的绝缘导线以穿过狭槽并相互交叉多次以便连接整个绕组。这进而导致端部绕组部分占用大量空间，并且对总定子绕组电阻损耗也有很大贡献。

对于sqim和blpmm的电工钢铁损失，损失中的大部分集中在定子而不是转子上。转子侧芯铁损耗较低，因为在典型的内转子电动机(in-runnermotor)设计中，转子电工钢体积比定子的体积小得多，并且由于在电动机运行期间，转子上的磁通量，在sqim的情况下，以仅几个赫兹的差频缓慢地旋转，或者在blpmm情况下，仍然很大程度上是静态的。另一方面，定子侧铁损较高，首先是由于其较大的芯尺寸以及较高的磁通旋转频率，其次是由于上面所描述的低狭槽填充系数。为了降低电流密度并限制定子绕组的工作温度，在sqim和blpmm的设计中，狭槽开口尺寸需要较大，但这种方式不可避免地导致用于在定子电工钢中使磁通量通过的狭槽之间的路径宽度9减小，其然后导致电动机的定子和转子之间的相互磁耦合的减小以及定子电工钢的狭槽之间的较高的磁通密度。这些效果然后转化为高定子电工钢损耗和低定子绕组电感，以及低的电动机功率因数。此外，由于电动机的低绕组电感和低功率因数，它们转化为高磁化电流，并因此转化为定子绕组中的高rms电流，这然后也增加了电动机的总定子绕组电阻损耗。

由于上面所描述的sqim和blpmm的设计问题，明显的是，具有固有缺点的现有的无刷电动机不再能够满足工业变速电动机应用中不断增长的效率要求。因此，需要新的变速电动机设计，以通过解决sqim和blpmm的问题进一步提高效率并进一步降低定子损耗。

美国专利第5059876号公开了在无刷电动机中使用旋转变压器以向转子电枢提供激励。转子上的次级变压器绕组的输出被整流并馈送到转子电枢。旋转变压器是提供具有直流馈电转子电枢的无刷结构的便捷方式，其是sqim和blpmm的替代解决方案。然而，该电动机仍然经受具有励磁线圈的定子的高损耗。美国专利第5770936号的图25公开了利用旋转变压器和转子上(on-rotor)整流来为机床上的转子轴端处的电动机提供功率的类似概念。然而，除了仅将其称为直流电动机之外，没有给出关于这种电动机的设计的信息，并且完全未提及高效率下的电动机的变速操作。

美国专利第5424625号、第5491398号、第5686805号、第5936374号、第6049187号、第6321032号、第7166984号和第7375488号各自公开了一种无刷斥力电动机，其是交流电动机，具有定子绕组激励和转子电枢，转子电枢可以通过转子上的电子装置选择性地短路来产生转矩，以及公开了传感和控制电子器件及其方法以实现电动机的转矩和速度控制。

发明概述

提供与现有技术的电动机相比具有改进的效率的变速直流电动机将是有利的。

为了更好地解决这个问题，在本发明的第一方面中，提出了一种变速直流电动机，其包括定子、设置在定子内的转子和部分地布置在定子处并部分地设置在转子处的电动机驱动装置。定子包括界定圆柱形腔的磁轭，和布置在磁轭处的多个永磁体。转子包括圆柱形芯和布置在芯处的导体结构。电动机驱动装置包括交流变压器，交流变压器具有布置在定子处的初级绕组和布置在转子处的次级绕组，布置在转子处并与次级绕组连接的整流器装置，布置在转子处并且与整流器装置连接以及与导体结构连接的直流供电装置，以及操作控制装置，操作控制装置包括布置在转子处的第一单元和布置在转子外部且与第一单元无线通信的第二单元。

该无刷变速直流电动机设计尤其是提供了以下优点。由于直流电动机的直流结构和转子上驱动系统，与上述现有技术的具有交流驱动的电动机相比，效率提高。更具体地，本发明中的变速电动机的整体效率提高源自于以下优点的组合。与常规的电动机相比，本发明的电动机的总电工钢铁损耗大大降低；首先是因为电动机中使用的大部分电工钢位于定子上，而且大部分是无损的，因为它主要有利于安装于定子的永磁体所产生的静磁场；以及其次，是由于较小体积的安装于转子的电工钢可以受益于转子励磁绕组的较高的狭槽填充系数，并且这导致较低的平均磁通密度和较低的铁损。由于其真正的直流驱动设计，该电动机可以在功率因数接近一的情况下工作，并且其避免了因与常规交流电动机相关的趋肤效应和接近效应引起的交流电阻损耗，这进一步最小化了电阻损耗和磁损耗，并且还减少了对驱动器中的电容器的需要。应该注意的是，上述us5059876中没有给出关于如何设计或构造电动机布局、其两个电枢及其电路，以用于高效率地实现变速操作的功能的描述。获得转子上驱动系统的高效供电的一个因素是交流变压器，它是旋转变压器。旋转变压器是用于以非接触或无刷方式将交流电能传递到相对于彼此旋转的两个部分之间的专用变压器。与常规变压器相同，能量传递是基于电磁感应的物理学。

根据直流电动机的实施方案，导体结构包括鼠笼结构、叠绕组结构或波状绕组结构，它们都是有利的结构。

根据直流电动机的一个实施方案，鼠笼结构由压铸铝或铜制成，其中芯包括狭槽，鼠笼结构延伸穿过该狭槽，该狭槽预先涂覆有电绝缘涂层。这是一种有利的结构，因为它可以以压铸方法用铝或铜制成实心转子工件，这实现了非常低的成本生产，并且与狭槽的形状一致，具有接近一的电工钢狭槽填充系数和优越的机械坚固性。由于鼠笼结构本质上是单匝绕组，因此更优选用于具有较大转子尺寸或更高额定工作速度的电动机中，以便获得适合于电动机驱动装置的工作电压的足够高的反电动势。例如，具有这种鼠笼结构转子上导体和双极永磁体定子的直流电动机，其具有约1特斯拉的平均定子-转子气隙磁通密度，并且其转子具有250mm的外径以及380mm的有效轴向长度，以3000rpm的速度工作，将在跨过两个磁极的鼠笼结构的端子之间产生约30v的反电动势。然后适合用40v额定电动机驱动装置来激励该鼠笼结构。

根据直流电动机的实施方案，导体结构包括也称为平行绕组的叠绕组结构，或也称为串联绕组的波状绕组结构。对于具有较小转子尺寸或较低工作速度的电动机而言，这些是有利结构，以实现高电工钢狭槽填充系数和适用于电动机驱动装置的工作电压的足够高的反电动势。例如，具有这种转子上单叠绕组结构和两极永磁体定子的直流电动机，其具有用于每个磁极的160度的弧角以及约1特斯拉的平均定子-转子气隙磁通密度，以及其转子靠近转子外表面具有26个周向隔开的狭槽，每个狭槽中具有两根绝缘导线，并且转子具有92mm的外径和70mm的有效轴向长度，以3000rpm的速度运行，将在跨过两个磁极的单叠绕组结构的端子之间产生约22v的反电动势。然后适合用30v额定电动机驱动装置来激励该叠绕组结构。根据该实施方案，对于具有四个或更多个磁极的直流电动机，与相应的叠绕组相比，波状绕组以相同的转子速度成比例地产生成更大的反电动势，并且该波状绕组与其对应的叠绕组之间的该反电动势比例是直流电动机的磁极对的数量。因此，例如，对于四极电动机，该比例是二，而对于六极电动机，该比例是三。根据这一事实，并且根据本发明为了设计一种有效的直流电动机以达到一定的运行速度，本领域技术人员可以为电动机选择合适的极数，并在叠绕组和波状绕组之间选择相应的绕组设计，以便使绕组的电动势最佳地匹配电动机驱动装置的工作电压。

根据直流电动机的实施方案，叠绕组和波状绕组结构由预成形的漆包铜线制成，预成形的漆包铜线通过超声焊接相互连接。

根据直流电动机的实施方案，转子的芯设置有周向隔开的狭槽，该周向隔开的狭槽靠近芯的表面沿着芯的长度延伸，每个狭槽包含导体的鼠笼、叠绕组或波状绕组结构中的导体的相应的一个，每个导体包括至少一匝导线。该实施方案还支持降低损耗。应当注意，为了本申请的目的，术语狭槽包括诸如凹槽的开放结构和诸如管的封闭结构。

根据直流电动机的实施方案，交流变压器包括围绕其初级绕组的至少一个磁芯和围绕其次级绕组的至少一个磁芯。由此，促成了两个绕组之间的磁耦合。该至少一个磁芯可以进一步分成位于初级绕组周围的定子部分和位于次级绕组周围的转子部分。

根据直流电动机的实施方案，直流供电装置包括直流变压器，直流变压器布置成将从整流器装置接收的直流电压下降转换成适合于激励导体结构的另一直流电压以运行直流电动机。该实施方案提供了电动机效率的进一步提高。此外，直流变压器可以包括具有双向，并联和多相拓扑的多个同步降压转换器，从而获得低损耗dc/dc转换。使直流电动机在低电压和高电流下被驱动，还提供了提高直流电动机效率的可能性。

根据直流电动机的实施方案，直流供电装置包括连接在直流变压器和导体结构之间的电子换向器，该电子换向器包括半导体开关，半导体开关用于基于相应的导体和多个永磁体之间的相对位置以及基于转子的旋转速度使导体结构的相应的导体换向。因此，换向器是基于半导体开关的高电流低电压的换向器。这些半导体开关可以并联在一起，以进一步降低电子换向器的电阻功率损耗。

根据直流电动机的实施方案，整流器装置是基于半导体开关的高电流低电压的有源整流器，其支持功率因数校正功能和双向功率流。

根据直流电动机的实施方案，整流器装置、直流供电装置和操作控制装置的第一单元包括安装在转子的中心轴上的至少一个圆形板。因此，为紧凑和均衡结构提供了基础。

根据直流电动机的实施方案，整流器装置、直流供电装置和操作控制装置的第一单元布置在安装在转子的中心轴上的至少一个圆形板上。

根据直流电动机的实施方案，包括在直流供电装置中的电子换向器包括安装在转子的中心轴上的至少一个圆形板。

根据直流电动机的实施方案，整流器装置是有源整流器，其包括具有并联拓扑的有源半导体开关。该实施方案的优点在于，跨过开关两端的电压降以及由此整流器中的功率损耗减小。该实施方案的另一个优点是可以控制有源整流器以支持功率因数校正以及支持双向功率流，双向功率流实现了该直流电动机的再生制动功能。

根据直流电动机的实施方案，直流供电装置包括具有双向，并联和多相拓扑的多个同步降压转换器。该实施方案的优点在于，驱动电压和驱动电流可以具有较少的谐波波动含量和更高的精度，因此可变速度控制可以更精确，并且驱动器需要更少的滤波电容器，这减小了尺寸和成本。另外，在电动机载荷较低的情况下可以关闭个别的相，以进一步提高效率。双向拓扑结构还可以实现该直流电动机的再生制动功能。

根据直流电动机的实施方案，包括整流器装置和直流供电装置的转子上驱动系统具有支持双向功率流的架构。由此，其可以提供再生制动功能。

根据直流电动机的实施方案，包括整流器装置、直流供电装置(其中包括电子换向器)的转子上驱动系统具有支持双向功率流的架构。由此，其可以提供再生制动功能。

根据直流电动机的实施方案，初级绕组构造成与三相电源连接，并且整流器装置是全波整流器。

根据直流电动机的实施方案，永磁体是长形的，在定子腔的端部之间延伸，并且分成至少两组，每一组构成极，并且其中每组中的永磁体彼此相邻地布置。

根据直流电动机的实施方案，每组包含不同等级(grades)的磁体，其中在组的中部的至少一个磁体具有最高等级。因此，气隙磁通密度在组之间变得更加均匀。

根据直流电动机的实施方案，永磁体选自钕铁硼(ndfeb)、钐钴(smco)和铝镍钴(alnico)磁体组成的组。根据本实施方案使用强永磁体是有利的。

根据直流电动机的实施方案，磁体布置在磁轭的内表面上。

附图说明

现在，将参考附图且更详细地描述本发明，在附图中：

图1a-1d是现有技术的电动机中的常规多匝分布式随机盘绕的定子绕组的示意性透视图和横截面图；

图2示出了根据本发明的直流电动机的两极直流电动机实施方案的示意性横截面图；

图3是根据本发明的电动机驱动装置的实施方案的方框图；

图4是根据本发明的电动机驱动装置的另一个实施方案的框图；

图5a-5c是根据本发明的鼠笼式导体结构的实施方案的鼠笼式导体结构的示意性透视图和转子的横截面图；

图6a-6d是根据本发明的用于两极直流电动机的叠绕组导体结构的单绕组实施方案的示意性透视图和横截面图；

图7a-7d是根据本发明的用于四极直流电动机的波状绕组导体结构的单绕组实施方案的示意性透视图和横截面图；

图8是根据本发明的安装在直流电动机上时的电动机驱动装置的实施方案的示意性透视图；以及

图9是根据本发明的安装在直流电动机上时的电动机驱动装置的另一实施方案的示意性透视图。

在下面的实施方案的描述中，不同附图中的相似部件用相同的附图标记表示。

实施方案的描述

根据第一实施方案，直流电动机21包括定子22和布置在定子22内的转子23。定子22包括界定圆柱形腔31的磁轭25和布置在磁轭25的内表面处的多个永磁体24。虽然为本领域技术人员所理解，应当注意的是，“在内表面处”这个表述确实包括永磁体24与内表面对齐并因此界定内表面，或者是内表面的至少主要部分的情况，如图2中所示，以及它们埋置在定子磁轭25中，但相对靠近其内表面布置的情况。因此，磁轭25可以被认为是无导体的(conductor-less)，因为它不具有导体结构。转子23包括圆柱形芯26和布置在芯26处的导体结构47。

此外，定子22的磁轭25由已经层叠在一起的环状钢片构建。在该实施方案中，直流电动机21是双极电动机。在磁轭25的内表面上已经形成有两个凹部33、34，每个凹部33、34包含永磁极29、30中的一个。更具体地，每个凹部33、34沿着定子22的长度以及因此磁轭25的长度延伸并且覆盖内表面的几乎一半的外围。一组永磁体24已经安装在每个凹部33、34中。每组包含并排布置的十一个棒状钕铁硼(ndfeb)磁体24。因此，在定子22的横截面中，这些组磁体是弧形的。使用四种不同等级的ndfeb磁体以获得在每个磁极29、30的气隙中、跨过磁极的弧的更均匀的磁通分布。五个中心磁体24具有最高等级，并且等级远离中心朝向极29、30的侧面减小。

作为可选方案，此时不太优选，磁体布置成彼此隔开。

直流电动机还包括电动机驱动装置40，电动机驱动装置40部分地布置在定子22处，并且部分地布置在转子23处。图3中示出了电动机驱动装置40的框图，其中电动机驱动装置40以点划线表示，其部分分别布置在定子22和转子23处。电动机驱动装置40包括交流(ac)变压器41、整流器装置44、直流供电装置45，该交流(ac)变压器41具有布置在定子22处的初级绕组42和布置在转子23处的次级绕组43，整流器装置44布置在转子23处并与次级绕组43连接，直流供电装置45布置在转子23处并与整流器装置44以及与导体结构47连接。此外，电动机驱动装置40包括操作控制装置48，操作控制装置48包括布置在转子23处的第一单元49和布置在转子23外部并与第一单元49无线连通的第二单元50。这里，第二单元50布置在定子22处。例如，无线通信可以使用rf，或光学地或感应地来执行。

通过分开的交流变压器41，对电动机驱动装置40的其它转子上部分44、45、49以及对该同一转子23的导体结构或绕组47的电力供应可以经由固定导线从次级绕组43等来供应。另外，电力以无刷的方式来供应。以下，整流器装置44和直流供电装置45共同地也将称为转子上驱动系统。交流变压器41是降压旋转变压器，其将供应到直流电动机21的三相交流电力变换为较低的电压和较高的电流，并且由此，下降变换后的交流电压然后由整流器装置44来整流。作为可选方案，使用单相交流电力。整流器装置44是基于半导体开关51的有源整流器级。直流供电装置45是dc/dc切换模式供电级，即它包括直流变压器52，该直流变压器52又包括具有双向并联和多相拓扑的多个同步降压转换器53，其支持双向功率流。降压转换器53也基于半导体开关51。因此，直流供电装置45生成具有甚至更低的直流电压和更高的直流电流的输出。直流供电装置45为转子23的导体结构47输出合适的直流电压幅值和电流幅值，以便以受控的速度和转矩驱动电动机21。在如图3中所示的电动机驱动装置40的一个实施方案中，包括在直流变压器52中的多个同步降压转换器53直接连接到导体结构47的导体27。这些同步降压转换器53可以利用来自导体结构本身的电感来驱动导体结构47，因此在这些同步降压转换器内部对电感器部件的需求显著降低。直流供电装置45还包括霍尔效应开关(未示出)，霍尔效应开关跟踪定子22的磁场取向，从而实现同步降压转换器53的开关定时和占空比控制并以受控的速度和转矩驱动电动机21。在如图4中所示的电动机驱动装置40的第二实施方案中，直流供电装置45还包括电子换向器46，电子换向器46布置在转子23处，与直流变压器52连接。因此，驱动电压通过电子换向器46输送，电子换向器46包括直接连接到导体结构47的导体27的高电流半导体开关51。电子换向器46包括霍尔效应开关(未示出)，霍尔效应开关跟踪定子22的磁场取向，并从而实现换向功能。根据一个实施方案，半导体开关51是mosfet。

图2的截面图中的导体结构47也称为转子电枢绕组，并且其优选实施方案中的数个实施方案在以下部分中描述。

如图5a至图5c中所示，在第一实施方案中，导体结构47是鼠笼结构60，并且包括端环61连同二十六个导体27，该二十六个导体27靠近转子23的表面布置，并沿着转子23的长度等距延伸，并且相对于转子的中心轴28稍微倾斜，以减小直流电动机的磁阻转矩波动。二十六个导体27中的每一个通过导体和芯之间的薄绝缘涂层62与芯26电绝缘。根据该实施方案，用于压铸生产导体结构47的优选材料是铝和铜。

如图6a至图6d中所示，在第二实施方案中，导体结构47是用于两极直流电动机的单叠绕组结构70，并且包括二十六匝导体27，该二十六匝导体27布置在转子23表面周围的凹槽中并沿着转子23的长度等距延伸，并且相对于转子的中心轴28稍微倾斜，以减小直流电动机的磁阻转矩波动。这些二十六匝的导体27在芯26的一个端部处连接在一起以形成叠绕组结构。

如图7a至图7d中所示，在第三实施方案中，导体结构47是用于四极直流电动机的单波状绕组结构80，并且包括二十八匝导体27，该二十八匝导体27布置在转子23表面周围的凹槽中并沿着转子23的长度等距延伸，并且相对于转子的中心轴28稍微倾斜，以减小直流电动机的磁阻转矩波动。这些二十八匝的导体27在芯26的一个端部处连接在一起以形成波状绕组结构。

根据导体结构47的第二实施方案和第三实施方案，该结构优选地由具有圆形、正方形、矩形或具有围绕导线的薄的电绝缘涂层72的任何其它优选形状的预制的漆包铜线71制成。转子23的表面周围的每个凹槽都接纳两根这样的导线71。导线71和芯26之间的电绝缘用另一绝缘层73确保，绝缘层73优选用绝缘纸制成。

根据导体结构47的第二实施方案和第三实施方案，用于在这些导体端部处使这些导体27结合的优选方法是在这些导体的预压制和非绝缘部分74处进行超声波焊接以形成超声波焊接部。因为超声波焊接是一种非常快速的工业焊接方法，其提供良好的机械坚固性和低接触电阻，并且在结合部处需要较少的空间，并且该焊接方法与其它更多侵入性焊接方法相比，还降低了因过热导致损坏对附近漆包线的绝缘的可能性。

根据上面所描述的导体结构47的三个优选实施方案，芯26包括多个圆形的金属片，通常为钢片，布置在中心轴28上，被钻孔并堆叠在一起，它们也稍微倾斜以容纳斜导体27。金属片的孔提供穿过芯26的管32，其中每个管32包含导体结构47的导体27中的相应一个导体。然而，作为管32的可选方案，可以在转子23的表面处提供倾斜延伸的凹槽，其中导体27接纳在凹槽中。如上所述，术语“狭槽”将被用作一般术语，包括用于接纳导体27的芯26的任何种类的适当结构，包括凹槽以及管。根据电动机的实施方案，狭槽32(即，其壁)预先涂覆有电绝缘涂层，电绝缘涂层构成上述导体和芯之间的薄绝缘涂层62。

上面所描述的实施方案的共同之处是它们在每个狭槽32中具有低数量的导体27，即一个或两个。这尤其是通过低电压和高电流的直流驱动功率而已经实现。由于导体27的数量少，优选地，每个狭槽32最多有五个导体，因此可以以有序的方式布置它们。通过提供具有足够的空间来接纳导体27的狭槽32，实现了高狭槽填充系数。对于本实施方案而言，典型的是高于0.8的狭槽填充系数。与常规的电动机相比，这种转子激励的低压绕组将由于更高的狭槽填充系数和更短的总绕组长度而显著降低总绕组电阻损耗。

根据直流电动机的第一实施方案以及根据电动机驱动装置40的第一实施方案，为了获得均衡且紧凑的电动机驱动装置40，整流器装置44和直流供电装置45均包括，并且在这里完全设置为圆形板91和圆形板92，通常称为印刷电路板，该圆形板91和92安装在转子23的中心轴28处，靠近芯26的端部，其中导体结构47的导体27的端部引线被定位在该端部，直流供电板92与芯26最相邻地定位，并且整流器板91定位在直流供电板92之后，如图8中最示意性地所示。然而，为了清楚起见，图8中的部件被清楚地示出为彼此隔开。直流供电板92包括多个同步降压转换器53，该多个同步降压转换器53分布在板92周围，并且该多个同步降压转换器53与导体27连接。根据直流电动机的第一实施方案以及根据电动机驱动装置40的第二实施方案，电子换向器46还包括圆形板93，通常也称为印刷电路板，该圆形板93安装在转子23的中心轴28处，靠近芯26的端部，其中导体结构47的导体27的端部引线被定位在该端部，换向器板93与芯26最相邻地定位，如图9中最示意性地所示。换向器板93包括分布在板93周围并与导体27连接的多对半导体开关51。根据直流电动机的第一实施方案以及根据电动机驱动装置40的两个实施方案，实现操作控制装置48的第一单元49的圆形操作控制板90与整流器板91相邻安装，并且连接到其它板。因此，操作控制板90布置在整流器板91与转子安装部分，即交流变压器41的第二绕组43之间。电路板的形状可以不同，例如，任何对称的形状将是可行的，例如多边形形状。在另一个实施方案中，交流变压器和整流器装置完全集成为单个变压和整流装置，但是仍然可以在功能上被视为如权利要求中所限定的两个单独的装置。其它组合也是可行的，例如将直流供电装置45与整流器装置44组合到共同直流发电装置101，直流发电装置101可以被布置为单独的板，或者甚至与交流变压器41的次级绕组43集成为共同的圆形封装，或者甚至将操作控制装置48的第一单元49集成到其它板中。

因此，转子上电动机驱动系统40可以与转子电枢高度集成。从而其可以显著降低驱动电流回路的路径距离，并从而进一步降低该电动机的电阻损耗。此外，用于转子上电动机驱动系统40的电子部件的主要部分可以是来自普通电子工业的大量的、低成本的商业现成的小型化部件，因为如今这些部件中具有胜任的足够多的部件。用这种部件构建的低压高电流转子上驱动系统具有双向，并联和可扩展的架构，并且其利用具有高工作频率的低压直流多相驱动拓扑结构，从而显著提高功率密度，使输出谐波最小化，并实现部分关断和再生制动能力，所有这些有助于提高整个电动机运行速度和转矩范围内的驱动效率和性能。降压旋转变压器，其将公用交流电力无刷地从定子输送到转子，可以使用现有技术的电工钢来设计以还实现高效率，并且该降压变压器可以通过工业变压器的标准生产方法来生产。

操作控制装置48实时接收电动机控制参数，例如起动/停止、方向、速度和转矩设置。该信息从转子23外部的第二单元50无线地传送到转子23上的第一单元49。操作控制装置48将这些参数转换为诸如驱动电压和驱动电流的具体控制命令。该转换过程利用存储在操作控制装置48中的电动机模型的关键参数，例如速度常数和转矩常数。然后，控制命令用于通过诸如开关序列、开关频率和占空比、各个相的开/关控制等重要参数来相应地调整整流器装置44、直流供电装置45和电子换向器46。操作控制装置48还从整流器装置44、直流供电装置45和电子换向器46实时地接收重要数据，例如输入电压和电流、驱动电压、各相电流、转子rpm、反电动势、工作温度、诊断数据等。该数据由操作控制装置48使用以监测电动机的状态和健康状况，并且如果需要，电动机的状态和健康状况也可以从转子23上的第一单元49无线地转回到转子外部的第二单元50。

总而言之，上述实施方案提出了一种无刷直流电动机设计，其是转子激励的内转子电动机，该转子激励的内转子电动机在定子上具有永磁体，以及转子激励绕组，该转子激励绕组具有简单结构，该简单结构在每个电工钢狭槽中具有少得多的匝数，甚至仅一匝，以实现更高的狭槽填充系数，并因此与常规sqim和blpmm的绕组电感和工作电压相比，实现了低得多的绕组电感和工作电压。该直流电动机的定子是无动力的，并且是完全被动的，而所有的动力被输送到其转子以激励转子上绕组。与常规电动机的定子绕组相比，该构造显著降低了绕组的总电流环路长度，同时其增加了绕组的路径宽度，并提高了有效长度与绕组总长度的占空比。一个重要的因素是在直径上转子通常比定子小得多，并且由于具有较少匝数的更简单的绕组，端部绕组尺寸可以被高度减小，因此这些特征全部导致具有较低电阻损耗的绕组。该转子上绕组使用在电动机的同一转子轴上的绕组旁安装的低压可变速直流驱动系统来激励，由于驱动器和绕组之间的距离显著减小，这进一步降低了电阻损耗。该转子上驱动系统通过从其电源获取电力并将其高效率地转换为激励绕组和以适当的速度和转矩使电动机运行所需要的适当的输出电压和电流来有效地处理电动机的变速要求。该转子上低压变速驱动系统的电力输入从连接在电动机定子上的公用电源以无刷方式被输送，并且通过该同一方式高效率地已经实现了从高到低的或降压的电压转换以匹配公用电源与低压转子上驱动系统的工作电压之间的电压差。

虽然本发明已经在附图和前面的描述中详细地说明和描述，但是这种说明和描述被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明并不限于所公开的实施方案。

所公开的实施方案的其它变型可以由本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，根据附图、公开内容和所附权利要求的研究来理解和实现。在权利要求中，词语“包括(comprising)”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中叙述的若干项的功能。仅仅在相互不同的从属权利要求中叙述了某些措施的事实并不表示这些措施的组合不可被有利地使用。权利要求中的任何参考标记不应当被解释为限制该范围。