專利名稱：橫向磁通開關磁阻電機、提供旋轉驅動的電機及其操作方法
橫向磁通開關磁阻電機、提供旋轉驅動的電機及其操作方法技術領域本申請涉及一種改進的電動機，其中，將一臺多相電動機的多個定子 繞組沿電動機的一個旋轉軸在軸向上分隔開。此外， 一種冷卻流體通過這 些定子繞組循環，背景技術經常需要牽引電動機來提供用于商用車輛傳動系的電-機械轉換。典型的用于傳動系應用的牽引電動機是三相AC感應式機器。 一臺三相 AC感應電機是利用 一臺感應電動機來將三相電能轉換成機械運動的一 種機器.使用AC感應機器作為牽引電動機的主要原因在于AC感應機 器易于制造并使用非常成熟的技術。AC感應機器依據的技術非常成熟 并具有大的基礎設施的事實允許相對便宜地來制造它們。另一方面，在將標準的AC感應機器適配到車輛傳動系中時就引起 了大的成本、尺寸、以及重量的不利結果。因此，已經對開發能夠滿足 商用車輛的成本、尺寸以及重量需要的新的電動機設計投入了大量的研 究工作。通常， 一個目標是通過在減少電機的全部重量和成本的同時增加輸 出轉矩來使感應電機更加有效。橫向磁通電機是實現該目標的最可行的 方法。在本領域中已知有兩種類型的橫向磁通電機，？M4橫向磁通電機 和開關磁阻橫向磁通電機。永磁橫向磁通電機是利用一個永磁體的橫向 磁通電機，該永磁體通常是由稀土材料制成并作為它們的轉子結構的一 部分。永磁橫向磁通電機實現了一個高的轉矩對重量的比。然而，永磁 橫向磁通電機不是最優的。由于為了構造機器結構所需的繞組而使用的 復雜的磁體安裝方法使它們難以制造。此外， 一臺電機的轉矩輸出依賴 于溫度，并且它們非常不能耐受電氣故陣的狀況。開關磁阻電機具有優于永磁電機的幾個明顯的優點。首先，開關磁 阻電機提供相對地獨立于溫度的轉矩，并且其次，開關磁阻電機更能容 忍故障狀況。開關磁阻電動機的工作原理是一個轉子磁極對具有與一個 帶電的定子磁極對相對齊的傾向。通過順序地激勵定子繞組，轉子在使 其自身與每次激勵中新激勵的定子磁極重新對齊時進行轉動。這使得在 未使用稀土材料的電機中產生機械運動。開關磁阻電機還沒有得到像永 磁電機一樣多的開發，在不同的原因中這是由于電子控制器開發中的高 投資成本。當前的開關磁阻電機使用徑向分隔的多個相，并且每個相都 有多個繞組，它們更加難以組裝。發明內容本發明的目的在于設計一種重量更輕且產生更高的轉矩的開關磁 阻橫向磁通電機。此外，本發明的目的在于減少組裝成本，并減少電機 所需的空間。本發明涉及一種軸向分隔的橫向磁通開關磁阻牽引電動機，該電動 機對每相繞組使用了一個單個的簡單纏繞線圏架線圏。作為一個獨立的 發明特征，在每相繞組中構造一個整體的冷卻回路。橫向磁通開關磁阻 電機在本領域是已知的，且提供包括簡單設計和可接受的功率重量比的 多種優點。使用開關磁阻電機的不利方面在于它們具有難于組裝的工 藝、不具有同永磁橫向磁通電機一樣高的功率效率、以及具有高組裝成 本。本領域中已知的是通過環繞轉子徑向分隔多個相來制造一種開關 磁阻電機。本發明沿轉子軸向分隔多個相。軸向分隔允許開關磁阻電機 被安排為這樣一種方式，以致它以可使用一種模塊構造技術來建造。該 模塊構造技術允許單獨地組裝每一相，然后將其與其他多個相"扣合" 在 一起。未使用模塊組裝的其他構造技術對于軸向分隔的多個相也是可 能的，所有的這些構造技術都比現有技術的開關磁阻電機的組裝技術更 容易。通過軸向分隔使相繞組構造的一個特征成為可能，并有助于使組裝 容易。已知的開關磁阻電機以及永磁系統使用"雛菊鏈"式繞組，或者 甚至更復雜且錯綜的線圏繞組安排。每相只有一個線圏的軸向分隔的繞組允許為該繞組使用一個簡單的纏繞線圏架線圏。在這種情況下，這些 繞組都是環形的且易于組裝。該簡單的纏繞線團架線圏不僅有助于易于 組裝而且使用較少的銅導線，并且減少了開關磁阻電機的總重量。由簡 單的纏繞線圏架線圏產生的第三個優點是在電繞組中添加一個整體的 冷卻回路的可能性。一個整體的冷卻回路是環繞線圏架進行纏繞并嵌入在線圏中的一 個中空環路。該環路可以由能夠形成為一個管、具有良好的熱傳導特性、 且能夠容納一種制冷氣體或流體而不泄漏的任何材料構成。如果具有非 導電性該材料還具有多個優點。該嵌入式冷卻環路允許在開關磁阻電機 工作時通過線圏泵送一種冷卻劑。在通過線圏泵送冷卻劑時，將熱量從 這些線圏傳送至冷卻劑，從而冷卻整個系統。熱的冷卻劑然后流出這些 線圏。 一旦流出這些線圏，冷卻劑就經由一個熱交換器被冷卻并被輸送 回該嵌入冷卻環路。這允許在線圏自身內部進行溫度調節，以提供更高 的效率和一個更高的轉矩輸出。還考慮到可以使用中空導線制造繞組， 以及直接通過繞組導線自身輸送冷卻劑來實現一種類似的效果。一種整體的冷卻環路在實施了簡單的纏繞線圏架線圏的任何電動 機/發電機系統中都是可能的，并且本領域中已知的所有的電動機/發電 機系統都可以得益于通過一個整體的冷卻回路提供的內部溫度調節。由一種內部溫度調節系統提供的優點包括但不限于由于一個恒定溫度導 致的一個更穩定的轉矩輸出水平、將電動機/發電機放置在將使典型的 電動機/發電機經受過熱的位置中的能力、以及提高的效率。從下面的說明書和附圖可以更好的理解本發明的這些和其他特征， 下面是附圖的簡要說明。


圖l示出了本發明的一個實施例的可能應用和部署。圖2示出了如現有技術中可見的一種單純徑向分隔的開關磁阻電機0圖3示出利用了 C型定子和C型轉子的本發明的一個實施例。圖4示出了用于本發明的三相實施例的圍繞轉子軸的一種可能的相 的布置。圖5示出了一個軸向分隔的開關磁阻電機的用于一相的一個環形芯體。圖6示出了包括在圖3的環形芯體中的一個單個纏繞線團架線圏的 多個視圖。圖7示出了本發明的一個模塊組裝實施例。圖8示出利用了 C型定子和I型轉子的本發明的一個實施例。圖9示出了冷卻回路。
具體實施方式
圖1的實施例涉及用于汽車的電傳動系的一種牽引電動機。牽引電 動機10被置于靠近四個車輪20的每一個的軸30上。在所示的實例中， 該電動機被用于一種混合型電動機械制動系統。本發明可以用于任何數 量的不同應用中，并在一個開關磁阻橫向磁通電機會有益處的任何地方 都提供益處。如圖2所示，現有技術中已知的標準開關磁阻電動機是由一組三相 繞組53、 54、 55組成，其中的每一個繞組都纏繞在一個定子磁極51上。 每個開關磁阻電機設計都具有一定數量的定子磁極51和轉子磁極52的 適當組合。通過施加在每相繞組53、 54、 55的一系列電流脈沖來激勵 (使其運動)電動機。各個相繞組53、 54、 55因此而被激勵，迫使開 關磁阻電機中的電場改變對齊。轉子磁極52然后變換至使其自身與新 改變的電場對齊，并產生旋轉運動。當每個新相充電時，開關磁阻電機中的電場將其自身與對應于充電 相這些定子重新對齊，引起轉子磁極52移位并將它們自己與電場重新 對齊。使用該過程可以使轉子56從一相到下一相依次變換對齊；在每 一相都已被激勵兩次以后引起一個完整的360度的旋轉。如果這些相繞 組53、 54、 55都被足夠快地依次充電和放電，那么該旋轉可以達到足 夠的速度并產生對于大多數應用都足夠的轉矩。如圖2所示，典型地這些相是在圍繞軸的一個單個環中徑向地分布。該設計引入的不利方面包 括一種非常苛刻的對于故障的不可耐受性，以及為了容納相鄰的相而必 須的復雜的繞組。在本發明中，如圖3所示，這些相530、 540、 550沿軸590軸向分 隔開。在諸如所示實施例的設計中，每一相530、 540、 550都由圍繞轉 子軸5卯的其自己的環形芯體580所組成。如圖4所示，每一相530、 540、 550的定子510、 511、 512彼此對齊，而軸5卯上的轉子520、 521、 522與每一相530、 540、 550錯開。為了說明的目的減少了圖4中每相 的轉子520、 521、 522和定子510、 511、 512的數量。每一相530、 540、 550像在一臺徑向分隔開的開關磁阻電機中一樣被順序激勵。這推動了 類似于徑向分隔的橫向磁通電機中的旋轉的一種機械旋轉。圖4示出了為了允許該效果應如何使定子510和轉子520定位的一 個三維視圖。在平行于轉子軸590的一個縱列中每個定子510都與其他 相的定子511、 512排齊。相530的轉子520開始與定子510排齊。在 軸5卯上軸向設置的下一個相使其轉子521與第一相530的轉子520錯 開。沿軸590軸向設置的第三相550 4吏其定子512與第一相530和第二 相540均錯開。該模式可以進行修改以允許任意數目的相。然而，工業 標準是使用三相。圖5示出了在本發明所示實施例中每一相所使用的一個環形芯體 580。環形芯體由一個環形的殼體組成，該殼體包括多個單獨的筒單纏 繞線圏架線圏320,而圍繞這些線圏320放置了這些定子。該環形芯體 包括用于每個定子520、 521、 522的一個簡單纏繞線圏架線圏320，而 這些定子將圍繞該環形體而放置。這些線圏相互連接而實質上產生在整 個殼體內延伸的一個線圏。該連接方案可以使用在殼體內對每個繞組的 的簡單的輸入和輸出連接來實現。該設置將某一指定線圏的輸入端與在該環中其前一線圏的輸出端相連接。環形體中的第一個線圏和最后一個 線圏彼此不進行連接,但是將改為被連接至該芯體的輸入端和輸出端。 這些線圏還可以通過本領域中已知的一些其他手段相互連接以提供類 似于將這些線圏連接在一起的效果。這些定子放置在環形芯體殼體310 的外側并通常是U型或C型。三相530、 540、 550的軸向分隔允許該電機由較少的材料來建造，并顯著降低了繞組的復雜性。徑向分隔的繞組(類似于圖2中使用的繞 組)需要是復雜的以使相繞組53、 54、 55得以容納直接與它們相鄰的 各個相。在本發明中，這些繞組可以由顯著降低復雜性的多個簡單纏繞 線團架線團構成。這就允許有一種更輕便的設計，因為在繞組中較少的 材料被浪費在諸如非必需的繞組組件中，如在末端繞組。更輕便的設計 和更簡單的繞組允許實施以前不實際或不可能的附加特征。通過多個相的軸向分隔而另外變為可能的是一種模塊式組件設計。 圖7示出了由三個相610、 611、 612組成的一種模塊式組件。以相同的 方式組裝每一個相610、 611、 612，然后將它們"扣合，，在一起以形成 三相開關磁阻電機。該模塊式組件包括一個殼體620，它包括C型的定 子磁極621。包括在C型定子磁極621中心的是線圏622。 一個轉子磁 極624附在轉子623上。轉子磁極624是I型的，并附在電動機軸680 上。 一旦每一相610、 611、 612完成組配時，它們如上所述圍繞軸680 錯開并固定到位。該方法提供了一種比以前可用的方法更容易且更快的 組裝開關磁阻電機的方法，允許更快和更便宜的制造工藝。另外還有可能使用非模塊式組件來構造一種軸向分隔的開關磁阻 電機。 一種非模塊式組件要求以一步組裝該開關磁阻電機。由非模塊式 組件提供的一個優點是可以將開關磁阻電機構造得更小。由于構造在對 于一種模塊式設計所必須的每個模塊中的一些組件不再是必須的并可 以被去除，因此這也是可能的。去除模塊式部件允許具有更小的構造和 更輕的重量。另外，非模塊式組件與模塊式組件相比可以更易于針對特 別的應用而"專門定制"。圖3和圖8示出了兩種可能的非模塊式設計。 圖8使用了一個標準的轉子軸700，其上附有對應于每一個相的多個C 型轉子702。此外，使用了一種C型定子704的設計。圖8的設計造成 了徑向和軸向的氣隙。圖3使用了一個標準的轉子軸，它具有I型轉子520、 521、 522和 C型定子510、 511、 512。圖3的設計造成了一個徑向氣隙。每種設計 的優點和缺點根據具體應用而改變。本領域的技術人員將能夠確定用于 任何指定應用的一種適合的定子/轉子配置。徑向間隙更能容許軸向偏 差。軸向間隙更能容^N圣向偏差。相繞組的軸向分隔還允許使用包括簡單纏繞線圈架線圏320的環形芯體580。由于每一相都是沿軸而軸向分隔的，因此每一相都具有其自 己的環形芯體580。該設計允許這些繞組是簡單的纏繞線圏架線圏，因 為這些繞組無需容納相鄰的相。圖6中示出了使用簡單纏繞線圏架線圏 的環形芯體的說明。圖6以三個獨立視圖示出了環形芯體的截面。視圖 A示出了在環形芯體殼體470中放置了一個簡單的纏繞線團架線圏410。 一個線圏架被放置在每個C型定子420的中部，造成線圏450在定子 420中部被置為中心。在使用環形芯體的一個實施例中，環繞轉子軸放 置環形芯體，然后將C型定子420放置在圍繞每個簡單纏繞線團架線圏 410的位置中。在該步驟中，多個轉子磁極430不必對齊，這是因為在 電動機接通時它們將自動對齊。視圖B示出了簡單纏繞線團架線團410 相對于環形芯體殼體310的定位和定向。這些繞組被安排為使繞組中的 每條導線在由X軸和Y軸形成的平面中平行于該環形芯體殼體470而 延伸并在Z軸上垂直于該環形芯體殼體470。當這些簡單纏繞線圏架線 圏410被充電時該定向使電場對準以便適當地感應出運動。視圖C示出 了 一個單個定子420和轉子磁極430，在該C型定子420之中有一個筒 單纏繞線圏架線圏410。相對于圖中的其他部分視圖C關于Y軸轉動了 卯度。如視圖C所示，線圏450纏繞著線圏架460，線圏架扣合在環形 芯體殼體470內的位置中。 一個整體的冷卻環路440包括在線圏450中 以保證充分的溫度調節。在環繞由C和I疊片部分形成的一個閉合回路 周圍的任何點處均可發生軸向和徑向間隙。在本發明中， 一個冷卻環路440可以整合在在線圏450中。可替代 地， 一個專用冷卻管可以包括在線圏450中。由于減小了重量以及簡單 的繞組設計使這一點成為可能的。該冷卻環路440可以由具有適當的熱 傳導特性的柔韌性的非透過性的中空管構成。可以使用任何數量的可用 手段通過冷卻環路440來輸送一種冷卻劑。如圖9中示意性地示出， 一個冷卻回路可以提供為具有流體路徑 804、和一個泵802,它通過線圏450排出冷卻流體并將其向外排出到一 個熱交換器800。在熱交換器800處，熱量從通過回路804循環的冷卻 劑被排出。可以使用任意數量的從冷卻劑去除熱量的方法。作為一個實 例，熱交換器可以放置在由電動機軸驅動的一個風扇的路徑中。此外， 可以使用包括一個壓縮機、 一個膨脹裝置等的更復雜的冷卻系統。同樣， 本領域的技術人員知道如何準備一個適當的冷卻系統。本發明是針對在一個電動機的線團中應用一個冷卻系統。如果線團450由中空導線構成，則可以實現一個相似的系統而不使 用一個嵌入的冷卻環路。在這樣的一種情況中，可以使用一種類似的方 法以及與用于上述嵌入的冷卻環路一樣的系統來使冷卻劑通過中空導 線而不是通過一個冷卻環路來進行循環。比起一個嵌入的冷卻環路，這 將提供更好的熱調節，因為冷卻的冷卻劑將會更均勻地分布在整個線圏 450中。此外，這將使冷卻劑分布到更大的區域并減少構造線圏所需的 材料的量。盡管已經披露了本發明的幾個實施例，但是本領域技術人員將會認 識到在本發明的范圍內可以進行一些修改。因此，應該研究所附的權利 要求以確定本發明真正的范圍和內容。
權利要求
1. 一種橫向磁通開關磁阻電機，包括一個定子，具有多個相；一個轉子，被安裝為相對于所述定子繞一個軸旋轉，所述多個相沿所述軸在軸向上分隔開。
2. 根據權利要求l所述的電機，其中，每個所述相上的磁極被相 對于彼此的近似相等的圓周角分隔開。
3. 根據權利要求l所述的電機，其中，所述定子相包括多個線圏， 每個線團都包括一個線圏架纏繞的線圏。
4. 根據權利要求l所述的電機，其中，在所述定子和所述轉子之 間提供了 一個徑向空氣間隙。
5. 根據權利要求l所述的電機，其中，在所述定子和所述轉子之 間提供了一個軸向空氣間隙。
6. 根據權利要求l所述的電機，其中，所述定子具有多個C型磁 極，以及所述轉子包括多個I型部件。
7. 根據權利要求l所述的電機，其中，這些相包括由一個角度而 沿圓周分隔開的多個繞組，該角度通過將360。除以所述電機中相的數 目、并除以每相的磁極的數量來確定.
8. 根據權利要求l所述的電機，其中，在所述定子中提供了一個 冷卻回路。
9. 根據權利要求8所述的電機，其中，所述冷卻回路包括用于通 過所述冷卻回路循環一種冷卻流體并使其向外流出所述定子到達一個 遠處的熱交換器的一個裝置。
10. 根據權利要求9所述的電機，其中，所述定子包括中空導線， 并且所述冷卻流體在所述中空導線中循環。
11. 根據權利要求9所述的電機，其中，所述冷卻回路包括結合在 該定子中的獨立的冷卻管。
12. 根據權利要求l所述的電機，其中，該定子有多個模塊部分形 成，且對于所述多相中的每一相都有一個單獨的模塊部分。
13. —種用于提供旋轉驅動的電機，包括一個定子，所述定子包括多個定子線圏，所述多個定子線圏由導電 導線形成，以及多個電連接以選擇性的激勵所述多個定子線圏；一個轉子，所述轉子具有與所述多個定子線圏相關聯的多個轉子構 件；以及一個冷卻回路，用于冷卻所述多個定子線圏，所述冷卻回路包括用 于通過所述多個定子線圏循環一種冷卻流體，并將熱量從所述多個定子 線圏排除出去的 一條冷卻路徑，所述冷卻路徑將一種被加熱的流體輸送 至一個遠處的熱交換器，它在其中被冷卻。
14. 根據權利要求13所述的電機，其中，所述冷卻回路包括用于驅 動所述冷卻流體通過所述冷卻回路的一個構件。
15. 根據權利要求13所述的電機，其中，所述多個定子線圏由中空 導線形成，并且所述冷卻流體在所述中空導線中循環。
16. 根據權利要求13所述的電機，其中，所述多個定子線圏由實心 導線形成，并在所述多個定子線圏中結合了專門的冷卻管。
17. —種操作一種電機的方法，包括以下步驟(1)提供由導電導線形成的多個定子線圏，以及用于選擇性地激 勵所述多個定子線圏的電連接；(2 )提供具有與所述多個定子線圏相關聯的多個轉子構件的一個 轉子；以及(3)通過所述多個定子線團循環一種冷卻流體，并從所述多個定 子線圏排除熱量，所述冷卻流體將被加熱的冷卻流體輸送至一個遠處的 熱交換器，它在其中被冷卻。
18. 根據權利要求17所述的方法，其中， 一種構件驅動所述冷卻流體。
19. 根據權利要求17所述的方法，其中，所述多個定子線圏由中空 導線形成，并且所述冷卻流體在所述中空導線中循環。
20. 根據權利要求17所述的方法，其中，所述多個定子線圏由實心 導線形成，并在所述多個定子線圏中結合了專門的冷卻管。
全文摘要
本發明涉及一種開關磁阻類橫向磁通電機。橫向磁通電機由多個相組成，其中每一相都沿軸在軸向上分隔開。軸向分隔提供了多種優點，包括減少了重量以及將簡單纏繞線圈架線圈用于繞組的能力。在這些線圈本身中提供了一個嵌入的冷卻環路。該冷卻環路提供了用于繞組的內部溫度調節，并允許除其他優點外的一個更高的效率。
文檔編號H02K3/24GK101262159SQ20081000418
公開日2008年9月10日 申請日期2008年1月23日 優先權日2007年1月30日
發明者丹尼斯·A·克拉默 申請人:阿文美馳技術有限責任公司