在绕组短路时转子自动地退耦的永磁同步电机

摘要

本发明公开了一种永磁同步电机(4)，其具有定子(5)，在该定子中布置有定子绕组(6)。同步电机(4)具有可围绕旋转轴线(9)旋转的转子(7)，在该转子中布置有永磁体(11)。转子(7)通过连接装置(14)与电机轴(10)连接。连接装置(14)设计成，首先将转子(7)抗扭地与电机轴(10)连接，从而将由定子绕组(6)和永磁体(11)相互作用产生的转矩传递到电机轴(10)上。此外，连接装置(14)设计成在定子绕组(6)短路的情况下自动地解除转子(7)的抗扭的连接，使得作用在电机轴(10)上的转矩不再被传递到转子(7)上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机，

其中，同步电机具有定子，在定子中布置有定子绕组，

其中，该同步电机具有可围绕旋转轴线(9)旋转的其中布置永磁体的转子，

其中，转子通过连接装置与电机轴连接，

其中，连接装置设计成首先将转子抗扭地与电机轴连接，从而将由定子绕组和永磁体相互作用产生的转矩传递到电机轴上。

本发明还涉及一种陆用交通工具，其中，陆用交通工具具有多个行驶驱动器，行驶驱动器分别具有这样的同步电机并且通过同步电机分别驱动陆用交通工具的至少一个轮。

背景技术

在陆用交通工具中--对于铁路交通工具尤其如此，但不一定限于铁路交通工具--通常有许多变流器和电动机，他们分别驱动轮或轮对。如果单个变流器或电动机发生故障，陆用交通工具则在不使用出现故障的变流器或发生故障的电动机的情况下继续运行。当电动机是永磁同步电机并且这样的电动机因绕组电路而发生故障时，即，在定子绕组中发生短路时，那么在现有技术中，所属的变流器被关断并与电动机断开。关闭变流器后，没有外部电压馈送到故障的电动机中。然而，通过轮-轨-接触或通常的轮-地-接触，由移动的交通工具使转子继续旋转。布置在转子中的永磁体因此在定子绕组中感应出电压。感应出的电压在过发生短路的故障位置上产生故障电流。由此通常会出现电弧和/或高热损失。结果，定子绕组的绝缘部会过热并燃烧。而且，定子绕组的铜可以在某些情况下熔化。除了这些已经产生的负面影响之外，仍然可能出现(本身无害的)烟雾，例如在铁路交通工具的情况下，会导致乘客的显著不适。

因此在绕组短路的情况下有利的是将转子(更确切地说：转子的有源部分)与旋转中的轮分开，使得有源部分不再旋转。然后，由于没有旋转的原因而在定子绕组中不再能感应出电压，从而越过绕组短路而不会发生进一步的损坏。

已知的是，安全离合器用于在发生故障时断开驱动电机与传动系的连接。但是，这些通常分开地(主动地)切换。

由DE 10 2013 104 558 A1已知一种用于轨道交通工具的传动系，其包括轮组轴和用于将转矩从驱动单元传递到轮组轴的大轮。在这个传动系中，过载离合器与轮组轴抗扭地连接。过载离合器将大齿轮与轮组轴抗扭地耦联。过载离合器具有预定的切换转矩。当超过切换转矩时，过载离合器相对于轮组轴释放大齿轮。因此，在DE 10 2013 104 558 A1中，当超过机械作用转矩时，轮组轴与驱动器分离。该实施例不适合用于在绕组短路的情况下的分离。

发明内容

本发明的目的是设计一种永磁同步电机，使得在绕组短路的情况下，以简单和可靠的方式中断转矩从电机轴到永磁同步电机的转子上的传递。

该目的通过具有权利要求1的特征的永磁同步电机来实现。根据本发明的同步电机的有利实施例是从属权利要求2至12的主题。

根据本发明，开头所述类型的永磁同步电机设计为，

-连接装置设计用于，该连接装置将转子仅仅首先与电机轴抗扭地连接，从而将由定子绕组和永磁体的相互作用产生的转矩传递到电机轴上，并且

-连接装置进一步设计成，使得在定子绕组短路的情况下其自动地解除转子的抗扭的连接，从而作用在电机轴上的转矩不再被传递到转子上。

基于该设计方案，在绕组短路的情况下，进行转子与电机轴的抗扭连接的自动解除。因此避免了上述缺点。

电机轴可以与转子轴、即在其上布置有转子的轴，完全相同。或者，其也可以是另外的轴。然而，在任何情况下，电机轴都是从永磁同步电机向外部输出转矩的轴。

在同步电机的一个可行的设计方案中提出，

-转子抗扭地布置在不同于电机轴的转子轴上，

-电机轴具有围绕转子轴的毂，

-在转子轴和毂之间布置有轴承，

-连接装置包括保持元件，毂首先借助于保持元件径向压靠到转子轴上，从而由于压靠，定子绕组与永磁体的相互作用而产生的转矩被传递到电机轴上，并且

-保持元件至少部分地由一种材料构成，该材料的强度和/或内聚性在定子绕组短路的情况中由于出现的定子绕组的过热和/或出现的电弧而减小到，使得将毂在转子轴上的压靠被消除。

该实施例的优点在于，转子可以如平常一样抗扭地布置在转子轴上。

在该实施例中，保持元件可以设计为径向外侧围绕毂的绑带。绑带的可能的材料是浸渍有固化剂的玻璃纤维毡或碳纤维毡。在这种情况下，固化剂的熔化温度应该在约200℃和约300℃之间，特别是在约250℃和约280℃之间。这种固化剂是本领域技术人员已知的。特别适合的固化剂的一个例子尤其是其所谓的玻璃化转变温度处于该范围内的固化剂。可以选择热塑性塑料作为这种固化剂。

转子轴和毂之间的轴承使得当陆用交通工具继续行驶并且因此特别是电机轴继续旋转时不会发生损坏，特别地电机轴能够相对于转子轴自由地旋转。优选地，该轴承设计为应急轴承。由于设计为应急轴承，电机轴和转子轴之间的轴承可以容易地构造并且非常便宜。相比之下，应急轴承不必要能够保证在数天、数周和数月内持续运行。能够继续当前陆用交通工具的行驶就足够了，例如直到下一次修理。

在同步电机的另一可能的设计方案中提出，

-转子能旋转地支承在电机轴上，

-连接装置包括环，该环在转子的轴向端部处抗扭地与转子连接，

-连接装置包括至少一个螺栓，该螺栓部分地布置在环的凹部中，并且部分地布置在电机轴的凹部中，使得通过定子绕组和永磁体的相互作用产生的转矩经由螺栓被传递到电机轴上，

-连接装置包括保持元件，借助于该保持元件首先阻止螺栓从电机轴的凹部中的径向移出，并且

-保持元件至少部分地由一种材料组成，该材料的强度和/或内聚性在定子绕组短路的情况中由于出现的定子绕组的过热和/或出现的电弧而减小到，使得螺栓从电机轴的凹部中移出。

该实施例具有的优点是，在正常运行期间(即，当转子和电机轴之间的抗扭连接存在时)，由同步电机施加的转矩经由螺栓传递。相对地，只有螺栓施加在保持元件上的力和离心力作用在保持元件上。然而它们非常小。

在这种情况下，保持元件可以设计为例如在外侧径向围绕环的绑带。上面已经提到了绑带的可行的材料。

优选地，连接装置具有至少一个压缩弹簧，借助于该压缩弹簧在螺栓上施加有径向向外指向的力。这导致当保持元件的强度和/或内聚力降低时，螺栓主动地被压缩弹簧径向向外地挤压。压缩弹簧可以例如通过适当的设计或止挡构造成，使得在螺栓被压出电机轴之后它不会自己伸入到环中。可选择地，压缩弹簧的尺寸可以确定为，使得其将螺栓从电机轴上压出并且然后使其自身伸入到环中，但是不能传递任何值得一提的转矩，而是例如其本身预先被切断。

目前特别优选的是，同步电机设计为，

-转子能旋转地支承在电机轴上，

-连接装置包括抗扭地布置在电机轴上的第一联接部件，

-连接装置包括抗扭地与转子连接的第二联接部件

-连接装置包括轴向穿过转子和第一联接部件和第二联接部件的保持元件，借助于保持元件首先将第一联接部件轴向压靠到第二联接部件上，使得由定子绕组和永磁体的相互作用产生的转矩通过第一联接部件和第二联接部件的相互作用被传递到电机轴上，并且

-保持元件至少部分地由一种材料组成，该材料的强度和/或内聚性在定子绕组短路的情况中由于出现的定子绕组的过热和/或出现的电弧而减小到，使得由保持元件施加到第一联接部件和第二联接部件上的压力减小到使得第一联接部件和第二联接部件能够彼此远离地移动。

该实施例具有如下特别的优点：连接元件的释放，即转子与电动机轴的抗扭连接的解除被可靠地触发，其中，释放不取决于绕组短路出现在哪个轴向位置并由此出现最剧烈的发热。特别地，经验表明，当发生短路时，这通常发生在两个绕组头中的一个上。

保持元件可以设计为多个绑带。上面已经提到了绑带的可行的材料。

可选择地，也可能的是，

-保持元件设计为多个螺栓，这些螺栓由固定元件被固定在两个轴向端部处，并且

-固定元件由一种材料组成，该材料的强度和/或内聚性在定子绕组短路的情况中由于出现的定子绕组的过热和/或出现的电弧而减小。

固定元件例如可以设计为熔断器。例如，熔断器可以由具有合适的固相温度的软焊料构成。本领域技术人员已知多种软焊料，这些固相温度在138℃和308℃之间。在本发明的背景中，固相温度在200℃和300℃之间，特别是在250℃和280℃之间的软焊料是合适的。例如，99.3％锡和0.7％铜的共晶混合物的熔点为227℃。同样适用于99.0％锡，0.3％银和0.7％铜的共晶混合物。纯锡的熔点为232℃，89％锡，10.5％锑和0.5％铜的混合物，固相温度为242℃。这些软焊料中的每一种都可以用作熔断器的材料。根据需要可以使用其他具有更高或更低固相温度的软焊料。同样可以使用合适的塑料，例如PEEK。

优选地，在第一联接部件和第二联接部件之间布置有至少一个压缩弹簧，借助于该压缩弹簧，在第一联接部件和第二联接部件上施加有促使第一联接部件和第二联接部件彼此远离的力。这引起当保持元件的强度和/或内聚力减小时，联接部件由压缩弹簧主动地挤压远离彼此。

轴承优选地设计为应急轴承，借助于该轴承在电机轴上支承有转子。由于设计为应急轴承，电机轴上的转子的轴承可以很容易和非常便宜地构造。相比之下，应急轴承不必须能够保证在数天、数周和数月内连续运行。能够在一段时间内继续陆用交通工具的当前行驶就足够了。

该目的进一步通过具有权利要求13的特征的陆用交通工具来实现。根据本发明开头所述类型的陆用交通工具设计为，使得驱动器具有各一个根据本发明的同步电机。

附图说明

结合下面将结合附图更详细描述的实施例的描述，本发明的上述特征，特点和优点以及实现它们的方式将变得更清楚以及更清晰地理解。这里以示意图示出：

图1示出了陆用交通工具，

图2示出了永磁同步电机，

图3示出了图2的同步电机的转子布置的可行设计方案，

图4示出了图2的同步电机的转子布置的另一个可行的设计方案，以及

图5示出了图2的同步电机的转子布置的另一可能设计方案。

具体实施方式

根据图1，陆用交通工具1具有多个行驶驱动器2。行驶驱动器2分别驱动陆用交通工具1的至少一个轮3。为于驱动各个轮3，行驶驱动器2各具有一个同步电机4。各个同步电机4通常经由相应的变流器供电。变流器未在图中示出。

根据图1所示，陆用交通工具1设计为轨道交通工具。在本发明应用的背景下，该设计方案是陆用交通工具的情况中的一种惯例。然而，当陆用交通工具1不受轨道限制时，例如当陆用交通工具1设计为电动交通工具并且电动交通工具的每个轮具有其自身的驱动器时，本发明也适用。

根据图2，同步电机4具有定子5。在定子5中布置有定子绕组6。定子绕组6具有中间部分6'以及两个绕组头6”。定子绕组6的中间部分6'是位于定子5中的定子绕组6的部分。绕组头6”是定子绕组6的伸出定子5的轴向部分。

此外，同步电机4具有转子7。转子7布置在轴8上。轴8和与其一起的转子7可围绕旋转轴线9旋转。在本发明的一些实施例中(这将结合其它附图进行说明)，轴8是同步电机4的电机轴10。在其它的实施例中它是与电机轴10不同的单独的轴。在这种情况下，轴8与电机轴10对齐，即，轴8的旋转轴线9与马达轴10的旋转轴线是同一个。在转子7中布置有永磁体11。因此，同步电机4设计为永磁同步电机。永磁体11或其磁场以及通过为定子绕组6供电而生成的旋转磁场在同步电机4运行期间相互作用以产生转矩。

术语“轴向”，“径向”和“切向”总是关于旋转轴线9的。“轴向”是平行于旋转轴线9的方向。“径向”是与旋转轴线9垂直的、向着或远离旋转轴线9的方向，“切向”是不仅与轴向正交而且还与径向正交的方向。因此，“切向”是指在恒定的轴向位置处以恒定的径向距离围绕旋转轴线9圆形地指向的方向。

在根据图3的实施例的背景下，轴8是独立的轴，即，不同于电机轴10的轴。在根据图3的设计方案的背景下，轴8在下面被称为转子轴。转子7抗扭地布置在转子轴8上。电机轴10具有毂12。毂12搭接转子轴8。在转子轴8和毂12之间布置有轴承13。原理上，转子轴8因此可相对于毂12旋转。轴承13尤其可以设计成应急轴承。

转子7经由连接装置14(经由转子轴8间接地)连接到电机轴10。在根据图3的设计方案的背景下，连接装置14首先包括毂12。此外，连接装置14包括保持元件15。通过保持元件15，毂12被径向压靠到转子轴8上。由于压力，可以将由定子绕组6和永磁体11的相互作用产生的转矩传递到电机轴10上。连接装置14因此设计成，其(首先)将转子7与电机轴10抗扭地连接。保持元件15通常使得转子轴8与电机轴10的摩擦配合地、在一些情况下形状配合地连接。

然而，保持元件15至少部分地、优选完全地由一种材料制成，该材料的强度和/或内聚力在定子绕组6短路的情况下由于定子绕组6出现的过热和/或出现的电弧降低到，使得毂12在转子轴8上的压靠消除。例如，保持元件15可以设计成这种材料制成的绑带，其在径向外侧围绕毂12。如果绑带由于绕组短路和由此产生的故障电流而升温，则绑带失去其强度。

压靠消除，使得转子轴8能够通过轴承13相对于电机轴10旋转。在绑带的稍后冷却时，其再次固化，然而电机轴10与转子轴8之间(以及在转子轴8上到转子7上)之前的抗扭连接不会由此再次建立。它仍然保持消除。因此，连接装置14设计为，其在定子绕组6短路的情况下自动地解除转子7的抗扭的连接，使得作用在电机轴10上的转矩不再被传递到转子7上。

在下文中，将结合图4和5解释同步电机4的其他可行的设计方案。在这些设计方案中，转子7可旋转地直接支撑在电机轴10上。然而，即使在这些设计方案中，转子7也经由连接装置14连接到电机轴10。正如在根据图3的设计方案中一样，连接装置14设计为其(首先)将转子7与电机轴10抗扭地连接。在这种状态下，由定子绕组6和永磁体11的相互作用产生的转矩可以被传递到电机轴10上。然而，连接装置14既在根据图4的设计方案中也在根据图5的设计方案中设计成，使得在定子绕组6的短路的情况下其自动地解除转子7的抗扭连接。作用在电机轴10上的转矩就不再被传递到转子7上。而且在这些设计方案中，在抗扭的连接被解除之后，连接装置也保持释放。

在根据图4的设计方案中，连接装置14包括环16，该环在转子7的一个轴向端部处抗扭地连接到转子7。环16具有至少一个凹部。图4示出两个这样的凹部。通常存在有三到四个凹部。此外，对于环16的每个凹部，电动机轴10分别具有一个对应的凹部。

随后总是参照环16的单个凹部和电机轴10的相应凹部。相应的实施方案也类似地适用于，在环16和电机轴10各自具有多个凹部时。

环16的凹部和电机轴10的凹部都径向地延伸。在环16的凹部中有螺栓17插入。螺栓17穿过环16的凹部延伸到电机轴10的相应凹部中。因此，螺栓17部分地布置在环16的凹部中并且部分地布置在电机轴10的凹部中。螺栓17使得转子7与电动机轴10形状配合地连接。由定子绕组6和永磁体11的相互作用产生的转矩因此可以经由螺栓17被传递到电机轴10。

只要在两个凹部(即环16的凹部和电机轴10的凹部)中布置有螺栓17，转矩的传递当然就是可行的。此外，在电机轴10旋转期间在螺栓17上作用有离心力。因此连接装置14包括保持元件18，通过该保持元件(最初)防止螺栓17从马达轴10的凹部的径向移出。保持构件18可以根据图4所示设计成绑带，其在径向外侧围绕环16。类似于根据图3的设计方案，保持元件18至少部分地、甚至优选完全地由一种材料制成，该材料的强度和/或内聚力在定子绕组6的短路情况下由于出现的定子绕组6的过热和/或出现的电弧而减小。以上对于图3的设计方案的保持元件15的实施方案类似地是可以应用的。

在定子绕组6短路的情况下，保持元件18因此失去了挡住螺栓17的能力。这使得螺栓17能够从电机轴10的凹部中移出。在绑带随后冷却后，绑带再次硬化。然而，螺栓17不再被压回到电机轴10的凹部中。其有可能会因重力而落回到那里。然而，最迟在电机轴10的重新旋转时，其通过出现的离心力再次移出电机轴10的凹部。如有可能，(在图4中未示出)连接装置14还能够包括压缩弹簧，借助于该压缩弹簧在螺栓17上施加指向径向向外的力。压缩弹簧在这种情况下布置在电机轴10内。

图5示出了同步电机4的转子布置的另一设计方案。该设计方案当前是特别优选的。在根据图5的设计方案中，连接装置14包括第一联接部件19和第二联接部件20。第一联接部件19抗扭地布置在电机轴10上。第二联接部件20抗扭地连接到转子7。此外，连接装置14包括保持元件21。保持元件21轴向穿过转子7和第一联接部件19以及第二联接部件20。在大多数情况下，在转子7的远离联接部件19、20的另一侧上附加地布置有压力环22，该压力环同样被保持元件21轴向穿过。保持元件21处于拉力作用下。因此，借助于保持元件21(首先)第一联接部件19被轴向(夹持)压靠到第二联接部件20上。因为保持元件21将联接部件19、20相互压靠，所以可以将由定子绕组6和永磁体11的相互作用生成的转矩传递到电机轴10上。转矩的传递因此通过第一联接部件19、第二联接部件20的相互作用来实现。通过联接部件19、20，通常情况下产生转子7与电机轴10的摩擦配合的、在一些情况下产生形状配合的连接。

正如在图3和4的设计方案中那样，在图5的设计方案中，保持元件21也至少部分地由一种材料构成，该材料的强度和/或内聚力在定子绕组6短路的情况下由于出现的定子绕组6的过热和/或出现的电弧而减小为，使得由保持元件21施加在第一联接部件19和第二联接部件20上的压力被减小。该压力特别地减小到，使得保持元件21能够使第一联接部件19、第二联接部件20轴向地移动远离彼此。由此，联接部件19、20不再抗扭地彼此连接，从而电机轴10的旋转与转子7的旋转退耦。根据该设计方案，保持元件21例如可以从联接部件19、20中移出、自己释放或被切断。

在根据图5的设计方案中，保持元件21可以设计为多个绑带23。这在图5的上部示出为单个绑带23。以上结合图3和4所涉及的实施方式类似地适用于绑带23的设计方案。

可选择地，保持元件21可以设计为多个螺栓24，这些螺栓通过固定元件25被固定在两个轴向端部处。这在图5的下部示出。螺栓24由钢或其他合适的材料制成。即使在定子绕组6的短路的情况下螺栓24的强度和内聚力也保持不变。然而，固定元件25由一种材料构成，该材料的强度和/或内聚力在定子绕组6短路的情况下由于出现的定子绕组6的过热和/或出现的电弧而降低。特别地，固定元件25可以设计为熔断器。

优选地，根据图5所示，在第一联接部件19和第二联接部件20之间布置有压缩弹簧26。借助于压缩弹簧26可以对第一联接部件19和第二联接部件20施加驱动第一联接部件19和第二联接部件20远离彼此的力。能够确保，当转子7的一侧或另一侧上的固定元件25失去其强度或内聚力时，由联接部件19、20形成的联接立即打开。

在图4和5的设计方案的背景下，转子7通过轴承27支承在电机轴10上。轴承27优选设计为应急轴承。

总而言之，本发明因此涉及以下内容：

永磁同步电机4具有定子5，在定子5中布置有定子绕组6。同步电机4具有可围绕旋转轴9旋转的转子7，永磁体11布置在转子7中。转子7经由连接装置14与电机轴10连接。连接装置14设计成首先将转子7抗扭地连接到电机轴10上，使得由定子绕组6和永磁体11的相互作用产生的转矩被传递到电机轴10。连接装置14进一步被设计成在定子绕组6的短路的情况下其自动地解除转子7的抗扭的连接，使得作用在电机轴10上的转矩不再被传递到转子7上。

本发明具有许多优点。特别是，它能够容易地实施。此外，在绕组短路的情况下可以以简单和可靠的方式解除转子7与电机轴10的抗扭连接。

虽然已经通过优选设计方案进一步详细地说明和描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，并且本领域技术人员可以从其中衍生出其他变体而不偏离本发明的范围。