用于电动机器的转子以及具有转子的电动机器的制作方法

1.本发明涉及一种用于电动机器的转子。本发明还涉及一种具有这种转子的电动机器。


背景技术：

2.例如de 10 2006 021 489 a1公开了一种具有定子和转子的电动机器。电动机器被设计为永磁同步电机，其中转子具有转子体，该转子体具有布置在该转子体的内部的永磁体和磁通屏障(flussbarrieren)。永磁体形成电动机器的磁极，其中在每个磁极的区域中布置有至少一个永磁体。
3.为了能够最佳地驱动电动机器，尤其重要的是，借助于传感器来检测转子的状态参量并且将其供应给电动机器的控制装置。迄今为止，很难为被指配给电动机器的转子并随转子一起转动的这种传感器供应足够的电能。
4.例如，电动机器的持续功率尤其受转子(尤其永磁同步电机中的磁体或异步电机中的笼)的最大允许温度的限制。在电动机器运行时，当前转子温度一般来说不是作为测量参量而已知的，而是借助于温度模型进行估算。这导致必须将与最大温度的安全距离规划在内，因此，由于这个安全距离，电动机器无法最佳地运行。如果超过最大温度，则存在电动机器过热和损坏的风险。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，进一步开发一种用于电动机器的转子以及一种电动机器。尤其应借助于该转子来改善电动机器的运行并且降低电动机器过热的风险。此外，该转子应是简单并且快速地可装配的。
6.根据本发明的用于电动机器的转子具有带有两个或多个磁极的转子体，所述转子还具有：至少一个传感器元件，所述至少一个传感器元件被配置成检测所述转子的至少一个状态参量；与所述至少一个传感器元件连接的信号处理单元，所述信号处理单元被配置成根据检测到的所述转子的状态参量生成测量数据并且将所述测量数据传输至控制装置；以及至少一个感应线圈，所述至少一个感应线圈具有至少一个电导体并且布置在所述转子上，并且被配置成从在所述电动机器运行期间随时间变化的磁场生成电能。
7.换言之，电动机器的转子具有该至少一个传感器元件(任选地多个传感器元件)以及信号处理单元和带有该至少一个电导体的该至少一个感应线圈。该至少一个传感器元件、信号处理单元、以及该至少一个感应线圈尤其位置固定地或防旋转地与转子连接，即至少布置在转子上，尤其集成在转子中。
8.优选地，所述至少一个感应线圈被配置成给所述信号处理单元和/或所述至少一个传感器元件供应电能。因此，要么给该信号处理单元供应电能，要么给该至少一个传感器元件供应电能，要么给该信号处理单元和该至少一个传感器元件供应电能。
9.借助于该至少一个感应线圈，在电动机器运行时可以实现，从电动机器的随时间
变化的磁场获得电能，其方式为：该至少一个感应线圈在转子旋转时被变化的磁场通过，由此在该至少一个感应线圈中产生电流或电压，该电压被用于给防旋转地布置在转子上并且与转子一起转动的该至少一个传感器元件和信号处理装置供应电能。因此，可以省去用于给随转子转动的部件供应能量的滑环和电池，由此可以简单并且快速地装配转子，不像在滑环的情况下可能的那样受机械磨损，也不像在电池的情况下可能的那样使用寿命受限。
10.有利地，感应线圈在转子上的位置和感应线圈的大小、尤其线圈宽度(即感应线圈的出线导体区段与回线导体区段之间的距离)与电动机器的谐波场的大量存在的阶数相调谐。因为谐波场的阶数引起在电动机器的恒定运行点时随时间变化的磁场，该磁场特别适合用于借助感应线圈产生电能。
11.该至少一个传感器元件可以无中介地布置在转子上并且在那直接地检测转子的状态参量、尤其转子的温度，以降低电动机器过热的风险。该至少一个传感器元件适合用于检测绝对温度并且适合用于检测温差。例如，转子的温度是转子的状态参量。例如，该至少一个传感器元件直接地或至少邻接地布置在状态参量的产生位置。该至少一个传感器元件与状态参量的产生位置之间的较短测量路径提高了测量准确性。
12.优选地，至少在该至少一个感应线圈与要供应能量的元件之间借助于布线进行电能传输。在第一实施方式中，感应线圈可以借助于布线与该至少一个传感器元件连接。替代性地，感应线圈可以借助于布线与信号处理单元连接。替代性地，感应线圈可以与信号处理单元共同布置在电路板上。替代性地，感应线圈可以与传感器共同布置在电路板上。
13.尤其，信号处理单元以无线的方式与控制装置连接以用于信号传输或数据传输。该至少一个传感器元件优选藉由布线与信号处理单元连接以用于信号传输或数据传输。例如，控制装置布置在转子外部，然而布置在车辆内部。
14.根据本发明的一个优选的实施方式，信号处理单元至少布置在转子的端侧。例如，该至少一个传感器元件布置在转子的端侧。例如，该至少一个传感器元件布置在转子的在电动机器负载情况下特别强烈地变热的区域中。至少该信号处理单元、任选地还有该至少一个传感器元件布置在端侧是有利的，因为对转子的特性、尤其电动机器的电磁特性没有负面影并且简化无线电传输。此外，转子的端侧对于装配和维护而言都是特别易于触及的，由此可以简单并且快速地装配转子和其上布置的元件。
15.根据本发明的一个优选的实施方式，该至少一个传感器元件集成在信号处理单元中。因此，该至少一个传感器元件和信号处理单元形成布置在转子上的唯一的部件。
16.根据本发明的一个优选的实施方式，该至少一个传感器元件布置在转子的内部。换言之，该至少一个传感器元件不是布置在转子的表面上，而是布置在转子的凹部中。尤其，该至少一个传感器元件布置在转子的内部，使得状态参量的产生位置紧靠传感器元件。
17.根据本发明的一个优选的实施方式，在所述转子的每个磁极的区域中布置有至少一个永磁体。优选地，该至少一个永磁体在每个磁极的区域中具有大体上矩形的横截面积并且在周向方向上比在径向方向上延伸得更远。换言之，相应的永磁体宽度大于高度，其中轴向长度大体上与转子长度相对应。永磁体可以在轴向或径向方向上被划分成子磁体。
18.优选地，转子具有至少两个磁极、优选地具有至少六个磁极，其中每个磁极具有至少一个永磁体、优选地具有两个永磁体。
19.根据本发明的一个优选的实施方式，所述至少一个感应线圈的所述至少一个导体
在所述转子的第一区域中朝向第一方向延伸，并且在所述转子的第二区域中再次从第一方向(即，沿与所述第一方向相反的第二方向)延伸返回。尤其，第一方向是转子的纵向方向。取决于感应线圈的匝数，设置有多个出线导体区段和多个回线导体区段，其中感应线圈具有的匝越多，可以生成的电压越大。换言之，该至少一个感应线圈的该至少一个导体被设计成，该至少一个导体可能围绕内部的芯缠绕，然而其中在感应线圈的径向内部没有芯，而是仅有中空空间或空气空间。例如，将电导体围绕芯进行缠绕，并且在放置在转子上之前移除芯。因此，该芯用于在装配前使感应线圈成形。
20.根据本发明的一个优选的实施方式，该至少一个感应线圈布置在电路板上。这个实施方式不仅特别容易装配，而且优化生产。电路板应被理解为印刷电路板，即具有两个相对较大的端面的扁平的元件，其中这些端面中的一个端面被设计成用于布置在转子上，并且另一个端面被设计成用于容纳感应线圈。例如，导体布置在电路板的端侧并且与电路板固定连接，以便在电路板上形成感应线圈。例如，导体集成在电路板中，即，是电路板的固定组成部分。
21.根据本发明的一个优选的实施方式，电路板被设计成柔性的。替代性地，电路板可以被设计成刚性的或者至少部分柔性且部分刚性的、尤其半柔性的。至少部分柔性或完全柔性的电路板提供如下优点：精确配合地贴靠转子的不平的表面，尤其贴靠转子的弯曲的表面。相比之下，刚性的电路板提供如下优点：即使在转子的转速较高的情况下也能保持较高的强度和形状稳定性。
22.根据本发明的一个优选的实施方式，电路板布置在转子的外周面上。在转子的外周面上，可以借助于感应线圈生成特别多的电能。优选地，具有感应线圈的电路板借助于粘合剂和/或箍带被固定在转子的外周面上。例如，箍带在转子的外周面上环绕地延伸，并且即使在转子的转速较高的情况下也位置精确且形状稳定地固定具有感应线圈的电路板。替代于或补充于箍带，具有感应线圈的电路板可以借助于粘合剂被固定在转子的外周面上。箍带应被理解为至少部分地、优选完全地围绕转子的外周面的卷状物并且被置于具有感应线圈的电路板上，使得该电路板位置固定地固持在转子的外周面上。
23.根据本发明的一个优选的实施方式，至少所述感应线圈布置在所述转子的外周面上的为此设置的凹陷中。这个实施方式不仅特别容易装配，而且优化生产。例如，凹陷在转子的外周面上大体上在转子的纵向方向上延伸。布置在凹陷中的感应线圈至少在转子的旋转方向、优选地还在纵向方向上与转子形状配合地连接。尤其，该至少一个感应线圈精确配合地布置在转子的外周面上的凹陷中，其中该至少一个感应线圈可以在径向上被引入凹陷中以用于装配。在转子的外周面上，可以借助于感应线圈生成特别多的电能。优选地，感应线圈借助于粘合剂和/或箍带被固定在转子的外周面上。替代于或补充于箍带，具有感应线圈的电路板可以借助于粘合剂被固定在转子的外周面上。
24.根据本发明的一个优选的实施方式，在所述转子中设计有用于容纳所述电路板和所述感应线圈的槽缝。槽缝应被理解为狭长的凹部，该凹部轴向方向上在转子中形成并且被确定尺寸成使得具有感应线圈的电路板可以在轴向上精确配合地插入槽缝中。具有感应线圈的电路板形状配合地固持在凹部中并且至少在旋转方向和径向方向上固定。可选地，可以对具有感应线圈的电路板进行固定以防轴向滑动。例如，具有感应线圈的电路板至少部分地或完全地粘接在槽缝中。由于电路板的扁平设计以及狭长的槽缝，仅以非常小的程
度影响转子的磁场。因此这尤其是有利的，因为该磁场的减小可能导致电动机器的转矩和功率减小。此外，该实施方式是特别易于装配的。
25.根据本发明的一个优选的实施方式，感应线圈围绕芯缠绕，其中在转子中设计有用于容纳具有感应线圈的芯的凹部。因此，芯或线圈芯布置在感应线圈的径向内部。这是特别成本有效的实施方式。凹部在转子的轴向方向上形成并且被确定尺寸成围绕芯缠绕的感应线圈在轴向上精确配合地插入凹部中。优选地，芯由以适合的方式参与磁通并且因此将凹部的影响降到最低的物质制成。例如，芯由与转子叠片相同的物质形成。这既有利于电动机器的转矩和功率，也有利于借助于感应线圈获得能量。
26.根据本发明的一个优选的实施方式，所述芯由多个轴向堆叠的叠片元件形成。换言之，芯的叠片元件与定子的叠片元件相同地在转子的纵向方向上堆叠并且因此形成芯。这在制造技术上是有利的并且易于装配的。优选地，叠片元件由以适合的方式参与磁通并且因此将凹部的影响降到最低的物质制成。例如，叠片元件由与转子叠片相同的物质形成。
27.根据本发明的一个优选的实施方式，至少所述感应线圈布置在两个磁极之间的区域中，或者布置在延伸穿过磁极的轴线上。这两个磁极之间的轴线通常被称为q轴。这两种布置变体的优点在于对磁场的影响较小并且同时借助于感应线圈获取的能量较高。
28.根据本发明的电动机器包括用于控制电动机器的控制装置以及定子和根据本发明的转子。在定子与转子之间形成有气隙。控制装置优选地布置在车辆中并且用于控制和调节电动机器。
29.本发明还涉及一种具有根据本发明的电动机器的车辆。尤其，车辆被设计为机动车辆(例如pkw，乘用机动车辆)，其中电动机器被配置为车辆的驱动机器，以便至少部分或完全电驱动车辆。因此，车辆优选地被设计为混合动力车辆或电动车辆。
附图说明
30.下面将根据附图详细阐述本发明的多个优选的实施方式，其中相同的元件设有相同的附图标记。在附图中：
31.图1示出具有根据本发明的电动机器的车辆的高度简化的示意性图示，
32.图2示出根据本发明的具有定子和转子的电动机器的高度简化的示意性纵截面图示，
33.图3示出根据图2的本发明的电动机器的高度简化的示意性横截面图示，
34.图4示出根据图3的转子的一部分的高度简化的示意性细节图示，
35.图5示出根据第二实施例的转子的一部分的高度简化的示意性细节图示，
36.图6示出根据第三实施例的转子的一部分的高度简化的示意性细节图示，
37.图7示出根据第四实施例的转子的一部分的高度简化的示意性细节图示，以及
38.图8示出根据第二实施例的转子的一部分的高度简化的示意性细节图示。
39.附图标记清单
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转子
[0041]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电动机器
[0042]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器元件
[0043]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
信号处理单元
[0044]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
控制装置
[0045]
6.1
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磁通屏障
[0046]
6.2
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磁通屏障
[0047]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
感应线圈
[0048]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电导体
[0049]
8.1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
出线导体区段
[0050]
8.2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
回线导体区段
[0051]
9.1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一区域
[0052]
9.2
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第二区域
[0053]
10
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电路板
[0054]
11
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定子
[0055]
12
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外周面
[0056]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
壳体
[0057]
14
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转子轴
[0058]
15.1
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第一永磁体
[0059]
15.2
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第二永磁体
[0060]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
凹陷
[0061]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
轴
[0062]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
气隙
[0063]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
布线
[0064]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
驱动车轮
[0065]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
线圈
[0066]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
箍带
[0067]
23
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槽缝
[0068]
24
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芯
[0069]
25
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
凹部
[0070]
100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
车辆
具体实施方式
[0071]
根据图1，车辆100包括根据本发明的电动机器2，该电动机器被配置成用于驱动车辆100。为此，电动机器2具有驱动作用，例如藉由轴17并且任选地藉由其他的部件与车辆100的驱动车轮20相连接。此外，电动机器2由布置在车辆100中的控制装置5操控并且驱动。尤其，控制装置5用于在运行期间保护电动机器2以防过热，其方式为：电动机器2的最大功率尤其与转子1的当前测量到的温度相适配。为此，控制装置5以传输信号的方式与电动机器2连接。
[0072]
图2示出电动机器2，该电动机器具有用于控制电动机器2的控制装置5以及定子11和转子1。在定子11与转子1之间形成有气隙18。转子1与转子轴14防旋转地连接。在电动机器2的壳体13中，在转子1的端侧布置有具有传感器元件3的信号处理单元4。该至少一个传感器元件3集成在信号处理单元4中。替代性地，传感器元件3可以布置在转子1的内部。替代
性地，信号处理单元4可以布置在转子1的内部。
[0073]
图3以横截面示出电动机器2。转子1可旋转地布置在定子11的内部，其中在定子11与转子1之间形成有气隙18。定子11具有被设计为定子叠片组的定子体以及多个被定子体容纳的线圈21。转子1具有被设计为转子叠片组的转子体和布置在转子体的内部的多个永磁体15.1。布置在转子叠片组的内部的永磁体15.1还被称为埋入永磁体。永磁体15.1在此形成六个磁极。在每个磁极的区域中，各自布置有永磁体15.1以及两个磁通屏障6.1、6.2，尤其使得在相应的永磁体15.1的周向方向的每一侧各自布置有磁通屏障6.1、6.2。
[0074]
在此，柔性电路板10上的感应线圈7布置在转子1的外周面12上并且被配置成从在电动机器2运行期间随时间变化的磁场生成电能并且将给电能供应给传感器元件3和信号处理单元4。替代性地，可以布置有用于从转子1上的随时间变化的磁场生成电能的另外的感应线圈7。感应线圈7藉由布线19与信号处理单元4和集成在其中的传感器元件3相连接。为了将交流电流转换成直流电流并且为传感器元件3提供直流电流，信号处理单元4例如具有未详细展示、然而通常已知的谐振电路、整流器、以及电容器。
[0075]
传感器元件3检测转子1上的温度作为转子1的状态参量并且将该状态参量传输给信号处理单元4。任选地，在转子1上可以布置有多个传感器元件3，这些传感器元件例如检测转子1的不同状态参量。信号处理单元4根据检测到的转子1的状态参量生成测量数据并且将这些测量数据传输至安装在车辆100中的控制装置5。控制装置5通过无线的方式、例如经由无线电与转子1上的信号处理装置4连接，并且被配置成在考虑驾驶员的要求以及电动机器2的运行参数(尤其转子1的运行参数或状态参量)的情况下操控电动机器2。
[0076]
借助感应线圈7可以实现在电动机器2运行时获得电能。感应线圈7在电动机器2运行时(即在转子1旋转时)被随时间变化的磁场流过，由此在相应的感应线圈7中感生电流或电压，该电压被用于给防旋转地布置在转子1上并且与转子1一起转动的传感器元件3和信号处理装置4供应电能。感应线圈7在转子1的外周面12上位于气隙18中，并且没有与定子11接触。
[0077]
图4示出图3的转子1的放大的部分。感应线圈7集成在柔性电路板10中，其中电路板10布置在转子1的外周面12上。电路板10由于其柔性而以感应线圈7紧靠转子1的外周面12的弯曲部。此外，具有感应线圈7的电路板10借助于箍带22位置固定地被固定在转子1的外周面12上。具有感应线圈7的电路板10布置在延伸穿过磁极的轴线上，即布置在磁极内的区域中。
[0078]
根据图5的转子1的实施方式与根据图4的转子1的实施方式的不同之处仅在于：感应线圈7布置在转子1的外周面12上的为此设置的凹陷16中。此外，感应线圈7借助于箍带22位置固定地、尤其防止径向掉落地被固定在转子1的外周面12上。感应线圈7的导体8在转子1的第一区域9.1中朝向第一方向延伸，并且在转子1的第二区域9.2中再次从第一方向延伸返回。转子1的外周面12上的凹陷16是专门针对感应线圈7设计的，因此感应线圈7精确配合地被容纳到凹陷16中。感应线圈7形状和大小、尤其导体8的出线导体区段8.1与回线导体区段8.2之间的距离与电动机器2的谐波场的大量存在的阶数相调谐。感应线圈7布置在延伸穿过磁极的轴线上，即布置在磁极内的区域中。
[0079]
根据图6的转子1的实施方式与根据图4的转子1的实施方式的不同之处仅在于：具有感应线圈7的电路板10不是布置在转子1的外周面12上，而是布置在转子1的槽缝23中。槽
缝23是狭长的凹部，该凹部沿转子1的纵向方向延伸并且用于容纳具有感应线圈7的电路板10。此外，两个永磁体15.1、15.2布置在转子1的每个磁极的区域中。具有感应线圈7的电路板10布置在磁极内的区域中。
[0080]
根据图7的转子1的实施方式与根据图6的转子1的实施方式的不同之处仅在于：感应线圈7围绕芯24缠绕，其中在转子1中设计有用于容纳具有感应线圈7的芯24的凹部25。凹部25由于芯24而被设计成大于根据图6的槽缝23。为了尽可能小地影响转子1的磁场，芯24由多个轴向堆叠的叠片元件形成，这些叠片元件由与转子叠片相同的物质形成。感应线圈7形状和大小、尤其导体8的出线导体区段8.1与回线导体区段8.2之间的距离与电动机器2的谐波场的大量存在的阶数相调谐。具有感应线圈7的芯24布置在延伸穿过磁极的轴线上，即布置在磁极内的区域中。
[0081]
根据图8的转子1的实施方式与根据图7的转子1的实施方式的不同之处仅在于：具有感应线圈7的芯24布置在两个磁极之间的区域中的凹部25中。