用于电机转子的具有单独的滑环模块的转子轴 |
|||||||
| 申请号 | CN202280059012.4 | 申请日 | 2022-10-25 | 公开(公告)号 | CN117897891A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 宝马股份公司; | 发明人 | J·迈尔; A·肖尔茨; | ||||
| 摘要 | 描述了一种用于 电机 的 转子 的转子轴。转子轴包括轴部件，轴部件沿着转子的旋 转轴 线延伸并且轴部件具有用于布置在转子的转子体中的转子体区域。轴部件具有在轴向方向上跟随的承载元件。此外，轴部件具有一个或多个槽，其在轴向方向上从轴部件的连接区域延伸直至承载元件。转子轴还包括滑环模 块 ，滑环模块具有带有一个或多个滑环的基本元件，其布置在轴部件的承载元件上。此外，滑环模块具有一个或多个导电的模块 导线 ，其从对应的所述一个或多个滑环在轴部件的对应的所述一个或多个槽之内延伸直至轴部件的连接区域。此外，转子轴包括布置在轴部件上和/或在滑环模块上的用于支承转子轴的 轴承 面。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于电机(100)的转子(120)的转子轴(250)，所述电机尤其是电流激励的同步电机；其中，所述转子轴(250)包括： |
||||||
| 说明书全文 | 用于电机转子的具有单独的滑环模块的转子轴技术领域背景技术[0002] 至少部分电驱动的车辆包括用于驱动车辆的电机。该电机包括定子，该定子包围电机的转子。 [0003] 用于电流激励的转子的转子轴可以多件式地构造有分离的轴承座，其中，在轴承座中布置有用于为转子的线圈供应电能的滑环。使用多件式的转子轴会导致转子轴的稳定性降低和/或导致转子轴的机械承载能力降低。 发明内容[0004] 本文件致力于如下技术任务，即，提供一种用于电机的电流激励的转子的转子轴，该转子轴具有提高的稳定性、使用寿命和机械承载能力。 [0005] 所述任务通过独立权利要求来解决。此外在从属权利要求中描述有利的实施形式。要指出的是，从属于一个独立权利要求的权利要求的附加特征在没有该独立权利要求的特征的情况下或者仅与该独立权利要求的一部分特征组合地可以形成独立的并且与该独立权利要求的所有特征的组合无关的发明，该发明可以成为独立权利要求、分案申请或在后申请的主题。这以相同的方式适用于在说明书中描述的技术教导，该技术教导可以形成与独立权利要求的特征无关的发明。 [0006] 按照一方面描述一种用于电机、尤其是电流激励的同步电机的转子的转子轴。转子轴包括轴部件，轴部件例如基本上具有圆柱体形。轴部件沿着转子的旋转轴线延伸，并且可选地可以关于旋转轴线旋转对称地构造(除了在轴部件中的一个或多个槽之外)。 [0007] 轴部件具有用于布置在转子的转子体中、尤其是布置在转子体的中央的开口中的转子体区域。转子体区域可以构造成使得轴部件能够借助压配合在转子体区域中与转子体接合。为此目的，轴部件可以在与转子体接合之前被冷却。 [0008] 在一个示例中，轴部件具有在轴向方向上跟随(转子体区域)的用于支承转子轴的轴承面。在一种备选的示例中，轴承面可以布置在转子轴的滑环模块上。 [0009] 转子体区域可以延伸直至转子体的端面。轴承面可以作为轴部件在轴向方向上的延长部布置在转子体区域旁边(并且因此在转子体的端面旁边)。在(轴部件或滑环模块)的轴承面与(轴部件)的转子体区域之间可以布置有轴部件的连接区域。在轴部件的连接区域中可以将转子的线匝电连接到电流供应装置上。 [0010] 转子轴的轴承面典型地具有圆柱形的形状。轴承面可以构造用于接纳用于可旋转地支承转子轴的轴承。 [0011] 轴部件此外包括在轴向方向上跟随(轴承面或连接区域)的承载元件。在此，承载元件可以构造为(圆柱体形的)销或栓，所述销或栓在径向方向上从轴部件的转子体区域和从轴部件的连接区域(并且可选地从轴承面)延伸离开。承载元件可以具有比轴承面和/或比转子体区域和/或比连接区域更小的直径。这样能够以高效的方式(在承载元件与轴承面或连接区域之间的过渡处)形成止挡部。 [0012] 此外，轴部件包括一个或多个槽，所述一个或多个槽分别在轴向方向上从轴部件的(可选地布置在转子体区域与轴承面之间的)连接区域延伸直至承载元件。所述一个或多个槽尤其是可以分别在轴部件的止挡部上开始并且在轴部件的连接区域中结束。在此，所述一个或多个槽可以横跨转子轴的轴承面。 [0014] 轴部件优选一件式地构造和/或构造为金属构件。由此，轴部件能够以高效的方式(通过冷作用)与转子体接合。此外，轴部件优选至少局部空心地构造，以便降低轴部件的重量。 [0015] 转子轴此外包括滑环模块(作为与轴部件分离的构件)。滑环模块可以(基本上、尤其是除去所述一个或多个模块导线并且可选地除去轴承面)由电绝缘塑料制成。 [0016] 滑环模块具有带有一个或多个滑环的基本元件，该基本元件布置在轴部件的承载元件上。滑环模块的基本元件可以为此目的具有空腔，该空腔构造用于接纳轴部件的承载元件，尤其是这样使得在滑环模块的基本元件与轴部件的承载元件之间形成压配合。基本元件尤其是可以构造为(圆形的)空心圆柱体。 [0017] 基本元件因此能够满足将滑环模块固定在轴部件上的任务。在此可以经由轴部件的止挡部实现滑环模块的轴向定位。基本元件的(朝向轴部件的转子体区域的)端面可以为此目的被放置在轴部件的止挡部上(并且可选地通过螺纹件向轴部件的止挡部被挤压)。 [0018] 此外，滑环模块包括一个或多个(尤其是正好两个)导电的模块导线，所述模块导线从对应的所述一个或多个滑环在轴部件的对应的所述一个或多个槽之内延伸直至轴部件的连接区域。 [0019] 因此描述了一种转子轴，该转子轴具有(一件式的、金属的)轴部件，该轴部件能够以高效并且可靠的方式与转子体接合。在后续的过程步骤中，然后可以以高效的方式将滑环模块紧固在轴部件、尤其是紧固在轴部件的承载元件上，以便提供所述一个或多个(尤其是正好两个)滑环，并且以便将所述一个或多个滑环经由对应的所述一个或多个模块导线与转子的线匝导电连接。这样能够提供鲁棒的、耐用的并且能够高效地制造的转子轴。 [0020] 如已经在更上面所陈述的，转子轴具有布置在轴部件上和/或在滑环模块上的用于支承转子轴的轴承面。在此，轴承面可以关于轴向方向布置在轴部件的连接区域与滑环模块的所述一个或多个滑环之间。尤其是，轴承面可以围绕轴向方向环绕地沿径向包围所述一个或多个槽和所述一个或多个导电的模块导线。这样能够以高效的方式实现，轴承面不会被所述一个或多个滑环到转子的线匝上的电连接所影响和/或中断。 [0021] 轴承面可以在连接区域与承载元件之间布置在轴部件上。备选地，轴承面可以布置在滑环模块上，尤其是布置在滑环模块的朝向轴部件的连接区域的端部上。 [0022] 所述一个或多个(尤其是正好两个)导电的模块导线可以分别布置在电绝缘的(例如由塑料制成的)支架中。所述一个或多个支架在此可以分别从滑环模块的基本元件的(布置在轴部件的止挡部上的)端面出发在轴向方向上朝轴部件的连接区域延伸。此外，所述一个或多个槽可以构造用于接纳对应的所述一个或多个支架。为此目的，各个槽可以具有与对应的支架的形状互补的形状，从而各个槽完全被对应的支架填充。通过将各个模块导线布置在相应的电绝缘的支架上，滑环模块能够以特别高效并且可靠的方式布置在轴部件上。 [0023] 在滑环模块的基本元件的(布置在轴部件的止挡部上的)端面上可以布置有一个或多个(弹性的)密封元件，以用于以流体密封的方式密封轴部件的对应的所述一个或多个槽。例如，模块导线可以在基本元件的端面的区域中被密封元件包围，从而密封元件向对应的槽的布置在基本元件的端面上的端部被挤压，以便密封该槽。这样能够以可靠的方式避免流体(尤其是油)从转子的线匝到达所述一个或多个滑环，和/或避免金属粉尘从所述一个或多个滑环到达转子的线匝。因此能够提高电机的鲁棒性和安全性。 [0024] 滑环模块的基本元件可以具有沿径向围绕基本元件环绕的至少一个密封面，所述至少一个密封面布置在所述一个或多个滑环与基本元件的朝向轴部件的连接区域的端面之间。密封面可以用于隔离转子的线匝的油和/或隔离滑环的金属粉尘。 [0025] 转子轴可以具有至少一个密封元件，所述至少一个密封元件布置在滑环模块的基本元件的所述至少一个密封面上。密封元件可以构造用于相对于布置在转子轴的轴承面和/或转子的线匝上的流体、尤其是相对于油屏蔽所述一个或多个滑环。通过提供环绕地围绕滑环模块的基本元件布置的密封元件，能够以可靠的方式避免流体(尤其是油)从转子的线匝到达所述一个或多个滑环，和/或避免金属粉尘从所述一个或多个滑环到达转子的线匝。因此能够提高电机的鲁棒性和安全性。 [0026] 轴部件的承载元件可以在(与轴部件的转子轴区域背离的)端面上具有螺纹孔。转子轴可以具有螺纹件，所述螺纹件被拧紧到轴部件的承载元件的螺纹孔中，并且螺纹件构造用于将滑环模块在轴向方向上固定在轴部件的承载元件上。螺纹件尤其是可以构造用于将滑环模块向轴部件的止挡部挤压。这样能够实现滑环模块在轴部件上的特别稳定的紧固。 [0027] 转子轴可以在轴部件的连接区域中包括沿径向围绕轴部件延伸的环，该环具有一个或多个(导电的)接触元件，以用于连接对应的所述一个或多个模块导线(连接到转子的线匝上)。所述一个或多个接触元件可以分别构造为导电叉。这样能够实现所述一个或多个滑环到转子的线匝上的特别高效的导电连接。所述一个或多个滑环可以又经由电机的刷模块与电流供应装置导电耦接。 [0028] 转子轴可以包括紧固在轴部件的承载元件的(与转子体区域背离的)端面上的传感器模块，以用于检测转子轴的角位置。传感器模块在此能够以特别高效的方式借助上述螺纹件紧固。这样能够实现传感器模块的高效并且精确的放置。 [0029] 按照另一方面描述一种用于电机的转子，该转子包括在本文件中所描述的转子轴。转子此外可以包括具有多个凸极的转子体。转子体在此可以包围转子轴。此外，转子可以包括围绕对应的所述多个凸极的导电的多个线匝。转子轴的滑环模块的所述一个或多个模块导线可以与所述多个线匝导电连接。 [0030] 按照另一方面描述一种电机、尤其是同步电机，该电机包括在本文件中所描述的转子。 [0031] 按照另一方面描述一种(道路)机动车(尤其是轿车或货车或公共汽车或摩托车)，该机动车包括在本文件中所描述的用于驱动车辆的电机。 [0032] 要注意，在本文件中所描述的装置、方法和系统不仅可以单独使用，而且可以结合其他的在本文件中所描述的装置、方法和系统使用。此外，在本文件中所描述的装置、方法和系统的任何方面可以以多样化的方式相互组合。尤其是，权利要求的特征可以以多样化的方式相互组合。此外，在括号中列举的特征应理解为可选的特征。附图说明 [0033] 此外借助实施例详细阐述本发明。在此： [0034] 图1a示出具有冷却外罩的示例性的电机； [0036] 图1c示出由定子铁心组成的定子(以如下视图示出，在该视图中，电机的旋转轴线或者说定子的纵轴线水平地在图平面之内延伸)； [0037] 图1d示出示例性的转子体的透视图； [0038] 图2a示出示例性的转子轴的透视图； [0039] 图2b示出转子轴的滑环模块和轴部件的透视图； [0040] 图2c示出滑环模块的透视图； [0041] 图2d示出轴部件的透视图； [0042] 图2e示出轴部件的侧视图；以及 [0043] 图3a至3e示出用于具有滑环模块的转子轴的对应于图2a至2e的视图，其中轴承面布置在滑环模块上。 具体实施方式[0044] 如开头陈述的，本文件致力于提供一种用于电机、尤其是同步电机的电流激励的转子的特别稳定的转子轴，该转子轴能够以高效的方式与转子体接合。就此而言，图1a在垂直于电机100的轴101或垂直于电机100的定子110的纵轴线或者说转子120的旋转轴线(其沿着所示出的笛卡尔坐标系的z轴延伸)的视图中示出示例性的电机100。电机100包括具有多个定子绕组111的定子110，这些定子绕组沿径向围绕转子120的旋转轴线布置，并且这些定子绕组设计用于产生旋转电磁场。定子110由电机100的壳体135包围。 [0045] 此外，电机100包括转子120，该转子通过由定子110引起的旋转场驱动。转子120与由电机100驱动的轴101固定连接(该轴可以与转子120的转子轴连接或对应于转子120的转子轴)。转子120包括转子体122。 [0046] 电机100的转子120可以具有铁叠片组(例如由相互绝缘的板材组成)作为转子体122。以对应的方式，定子110也可以由各个(相互绝缘的)定子铁心150(例如铁板材)组成(如示例性地在图1b和1c中示出)。定子铁心150在此可以具有环的形状(该环也称为定子轭)，该环在朝向该环的中心的内侧上具有用于定子110的对应的定子绕组111的接片151。 对于每个定子绕组111可以分别提供一个接片151。在两个直接相邻的接片151或定子绕组 111之间典型地产生定子槽113作为自由空间。 [0047] 如在图1c中示出的那样，多个定子铁心150(例如50个或更多个、或100个或更多个定子铁心150)可以沿着定子110的纵轴线相叠，以便形成定子110。然后围绕各个接片151(或围绕由此形成的磁极铁心)可以布置定子绕组111。通过彼此相叠的定子铁心150，在中央形成用于转子120的自由空间160(该自由空间在本文件中也称为转子空间)。 [0048] 电机100可以为了冷却而包括具有冷却导管131的冷却外罩130，其中，冷却外罩130可以至少部分地或完全地围绕电机100的定子110和/或壳体135(或者，围绕电机100的壳体135和车辆的驱动系统的一个或多个其他的构件)布置。通过冷却外罩130、尤其是经由各个冷却导管131能够引导冷却剂(例如水)，以便将在电机100运行时产生的热能、尤其是定子绕组111的热能导出。 [0049] 图1d示出转子120的示例性的转子体122的透视图。转子体122沿着转子120的旋转轴线从第一端面延伸直至对置的第二端面。在此，转子体122在示出的示例中具有不同的磁性的凸极124，这些凸极围绕转子120的旋转轴线布置。凸极124可以均匀围绕旋转轴线分布地布置。围绕各个凸极124可以分别布置一个线圈(即线匝)，通过所述线圈产生磁场。各个凸极124因此可以形成转子120的磁极。 [0050] 转子体122具有中央的开口123、尤其是孔，转子120的转子轴可以被导入所述开口中。转子轴可以经由相应的轴承面可旋转地支承在转子体122的端面上，以便能够实现转子120的旋转。通至在转子体122的凸极124上的线圈的电线可以经由转子轴的轴承中的至少一个轴承引导。为此目的，转子轴可以多件式地构造有分离的轴承座。这典型地导致转子 120的并且尤其是转子轴的稳定性和/或承载能力降低。在本文件中描述了一种用于电流激励的转子120的特别稳定的并且能够承载的转子轴。 [0051] 在本文件中描述的转子轴200如示例性地在图2a至2e中示出的那样包括轴部件200，该轴部件可以被引入转子体122的中央的开口123中。中央的开口123可以是圆柱体形的。对应地，轴部件200的布置在转子体122的中央的开口123之内的转子体区域205可以是圆柱体形的。转子体122和轴部件200可以经由压配合相互连接。 [0052] 轴部件200在突出超过转子体122的第一端面的第一侧上具有用于支承转子120的第一轴承面202。对应地，轴部件200在突出超过转子体122的第二端面的对置的第二侧上具有用于支承转子120的第二轴承面(未示出)。 [0053] 此外，轴部件200例如在第一侧上具有承载元件207，具有一个或多个滑环211的滑环模块210可以施加在该承载元件上。承载元件207可以是圆柱体形的。在图2a至2e所示的示例中，承载元件207构造为圆柱体形的栓和/或销，所述栓和/或销在轴向方向上、即沿着轴部件200的纵轴线和/或旋转轴线超过第一轴承面202从转子体区域205延伸离开。 [0054] 轴部件200还可以在轴承面202与承载元件207之间具有止挡部208，该止挡部构造用于在轴向方向上定位布置在承载元件207上的滑环模块210。止挡部208例如可以构造为如下区域，该区域(径向于旋转轴线)具有比承载元件207更大的直径。 [0055] 此外，轴部件200具有至少一个槽201，所述至少一个槽从承载元件207延伸经过止挡部208、经过轴承面202直至轴部件200的连接区域209，其中，连接区域209布置在转子体区域205与(第一)轴承面202之间。槽201构造用于接纳电导线212(在本文件中也称为模块导线)和可选地接纳用于电导线212的支架213，从而导线212在轴承面202之下(在轴部件200的壁中)延伸。电导线212可以用于将滑环模块210的滑环211与转子102的线匝的接触元件234(在接触环233上)导电连接。在优选的示例中，轴部件200具有用于正好两个电导线 212的正好两个槽201、尤其是两个对置地布置的槽201。 [0056] 轴部件200优选具有空腔206。轴部件200尤其是可以至少在部分区域中构造为空心圆柱体。这样能够降低转子轴250的重量。 [0057] 图2c示出示例性的滑环模块210的透视图，该滑环模块构造用于施加到轴部件200的承载元件207上，以便形成用于电流激励的转子120的转子轴250。 [0058] 滑环模块210包括基本元件217，该基本元件构造用于施加在部件200的承载元件207上。为此目的，基本元件217可以是基本上圆柱体形和/或旋转对称的。此外，基本元件 217可以包围空腔，该空腔构造用于接纳轴部件200的承载元件207。基本元件217例如可以构造为空心圆柱体。 [0059] 滑环模块210的滑环211可以布置在基本元件217上、尤其是环绕地布置在基本元件217的外表面上。此外可以在滑环211与基本元件217的朝向轴部件200的止挡部208的端面之间(环绕地在基本元件217的外表面上)布置一个或多个用于布置一个或多个密封元件221、222的密封面215、216。所述一个或多个密封元件221、222可以构造用于从滑环模块210的滑环211屏蔽用于冷却转子120的油。 [0060] 滑环模块210此外对于每个滑环211分别包括一条导线212，所述导线从相应的滑环211出发延伸通过基本元件217的壁直至基本元件217的(朝向止挡部208的)端面。从基本元件217的该端面起，相应的导线212分别在专用的支架213之内在轴向方向上继续延伸。用于导线212的支架213在此具有与在轴部件200中的对应的槽201互补的形状。用于导线212的支架213优选构造为电绝缘体。导线212在此可以完全由支架213包套。 [0061] 导线212可以在基本元件217的(朝向止挡部208的)端面上通过接触元件218、例如通过插接连接部中断。由此能够实现将支架213连同导线212的一部分安装到基本元件217的该端面上，以便提供从相应的滑环211直至用于转子线匝的连接元件234的总导线212。 [0062] 备选地或补充地，可以在基本元件217的(朝向止挡部208的)端面上对于每个槽201和/或对于每条导线212分别布置一个(弹性的)密封元件219，所述密封元件构造用于以流体密封的方式密封相应的槽201。 [0063] 滑环模块210、尤其是滑环模块210的基本元件217和轴部件200、尤其是轴部件200的承载元件207可以构造成，使得滑环模块210通过压配合固定在轴部件200上。备选地或补充地，轴部件200的承载元件207可以为了在轴向方向上固定滑环模块210而在背离轴承面202的端面上具有螺纹孔206，螺纹件230可以被拧入所述螺纹孔中，所述螺纹件构造用于将滑环模块210的基本部件217向止挡部208挤压。此外，螺纹件230可以用于将传感器模块231(例如用于确定转子位置)固定在转子轴250上。 [0064] 滑环211和电流输送装置212、213因此构造为能够沿轴向插入的滑环模块210。在此，电流输送装置212、213可以在槽201中在转子轴250的B轴承之下被引导至转子120的接通环233。由此能够提供一件式的轴部件200。该(一件式的并且典型地由金属制成的)轴部件200则可以为了制造转子120而(例如以液氮)被冷却并且被接合到叠片组122中。随后可以将滑环模块210装配到轴部件200上。 [0065] 所描述的滑环模块210可以具有中央的密封区域，带有用于密封系统221、222的不间断的工作面215、216。此外，电流输送装置212、213可以具有弹性的密封部219。滑环模块210具有分离的电流输送装置212、213(典型地正好两个电流输送装置)，所述电流输送装置分别包括用于绝缘和引导功能的塑料注塑包封部213。各个电流输送装置212、213可以沿轴向被导入、尤其是被推入一件式轴部件200的对应的槽201中。在此在下面横跨转子轴250的B轴承、即尤其是轴部件200的轴承面202。轴承的内环(可选地，该内环加强地构造)则位于被槽201中断的轴承座202上。 [0066] 滑环模块210构造用于实现将电流传输到滑环211上。滑环211可以经由塑料连接到滑环模块210的基本元件217上(彼此之间具有足够高的绝缘距离)。轴部件200的承载元件207可以为了改善径跳并且为了冷却而构造为直至滑环模块210的(第一)端面的销207(轴头)。在该区域中，能够以相对高的定位精度装配用于角度检测的传感器231。 [0067] 在图3a至3e中示出转子轴250的一种备选的设计方案。图2a至2e中的附图标记能对应地应用于图3a至3e。尤其是，对图2a至2e的说明也能应用于图3a至3e。在图3a至3e中的转子轴250具有用于支承转子轴250的轴承面202，该轴承面布置在滑环模块210上。滑环模块210的布置有轴承面202的部分在此可以由金属制成，以便提供尽可能稳定的轴承面202。转子轴250的轴部件200在图3a至3e所示的示例中在连接区域209和轴部件200的止挡部208之间不具有轴承面202。 [0068] 通过在本文件中描述的措施，能够以高效的方式提供用于电机100的转子120的特别稳定的和/或鲁棒的转子轴250。 [0069] 本发明不限制于示出的实施例。尤其是要注意，说明书和附图应该仅示例性地阐明所提出的装置、方法和系统的原理。 |
||||||
