特别用于电或混合动力车辆的电机单元的制作方法

技术领域

本发明涉及一种电机单元，特别用于电或混合动力车辆，该电机单元具有电机，其中，电机包括定子和具有转子轴的转子。

背景技术

电机一般被理解为机电转换器，其能够具有各种运行方式。因此，其能够仅用作为电驱动器或仅用作为发电机或交替地或者用作为电驱动器或者用作为发电机。例如，电或混合动力车辆中的电机在驱动车辆时工作在电机运行模式中并且在制动时工作在发电机运行模式中。

通常，对于电机的运行重要的是，知道当前通过电机的转子轴传递的是哪个转动力矩。

已知的是，施加在电机处的转动力矩直接经由电机处的当前的电参量确定。

为了在轴上直接机械地进行负载检测，从现有技术中还已知了各种类型的扭力传感器。其例如布置在转子轴上。因此，应变传感器(简称DMS)能够布置在轴上，以便检测轴上的机械的负载。然而，该设置带来的缺点在于，DMS必须经由信号线与相应的控制装置连接，其是实体连接的，以便能够实现信号传输。特别地，该接触在能转动的轴的情况中是不方便的，因为必须为信号传输而安装集电环或类似的接触接口。

此外也已知了无接触的转动力矩测量方法，其使用用于测量轴上的转动力矩的反磁致伸缩效应(inversen magnetostriktiven Effekt)(也被称为磁致弹性效应(magneto-elastischer Effekt)或维拉里效应(Villari-Effekt))。该效应在铁磁的材料中最大并且存在于磁化系数的由于机械应力的改变中。目前，这样的无接触的转动力矩测量方法广泛地在Pedelec(“Pedal Electric Cycle”，踏板电动车的简称)的传感器轴承中采用。然而，Pedelec的传感器轴承中的这样的无接触的转动力矩测量方法的几何结构有时是不可靠和/或易干扰的，因为对于转动力矩测量来说要考虑测量的、分别检测的传感器轴承部件相对于转动的部件的精确的定位。这对于现有技术来说主要通过高耗费的壳体附加结构实现，特别是通过附加的载体或套筒元件实现，其大多由机械上稳定性低的塑料制成。此外，在前述的Pedelec中存在的问题是，无接触的转动力矩测量方法在调节技术上到复杂(电气化)的整体系统中的结合仅能够高耗费地实现，因为这样的传感器轴承迄今为止仅能够传输无反作用的控制信号。此外，该传感器轴承对于现有技术来说不足以针对直接的环境的电干扰影响进行屏蔽。

技术实现要素：

本发明的目的在于，在结构上和功能上改进前述的现有技术。特别地，电机应当具有改进的转动力矩测量装置。

该目的通过本发明的特征的电机单元实现。在此，在开头所述的电机单元中，无接触的转动力矩测量装置的静止的部件与定子连接，并且无接触的转动力矩测量装置的转动的部件与转子轴连接，并且转动的部件设计用于，测量转子轴的由转动力矩引起的扭力并且将测量的值无接触地发送到静止的部件处。

转动力矩测量装置的无接触的设计方案与具有DMS的有线连接的设计方案相比明显地进行了简化并且也提高了其可靠性。

此外有利地，能够取决于所测量的、分别检测的转动力矩地控制或调节电机的驱动或回收利用功率。

此外，能够在利用根据本发明的机器单元设计的电或混合动力车辆中，利用所测量的、分别检测的转动力矩对行驶指令进行可信度测试，该行驶指令由驾驶员借助于脚踏力传递到行驶踏板(俗称“油门”)上并且经由所谓的行驶踏板模块控制装置(FPM控制装置)传输到电机控制装置处或到电或混合动力车辆的变流器处。以该方式能够为行驶踏板和/或行驶踏板模块控制装置提供附加的诊断功能。

另一个优点能够是，在特殊的车辆情况中将出现的机械的负载限制到转子轴上，以便最小化电机的机械运动的部件的磨损和/或阻止电机或相邻组件处的损坏的风险。转子轴上的转动力矩在该情况中例如借助于在电机控制装置中实现的方法进行限制。

另一个优点能够是，将电机的驱动功率限制在特定的特性曲线上。因此，能够例如经由相应的特性曲线控制电机的功率输出，以使得在能量存储器中提供储能的情况下获得尽可能高的可行驶的距离，实现所谓的路径有效距离。

现在在前述实施的优点的基础上，也能够为电或混合驱动器在转子轴上配备转动力矩检测系统。转动力矩的瞬时值能够在各种驱动方案中、特别地也在车辆中用于控制装置和/或变流器中的驱动调节。可替换地，该瞬时值也能够考虑用于驱动调节的电子车上诊断(E-OBD)。

本发明的一个有利的设计方案提出，转动的部件具有磁场生成器，该磁场生成器设计用于，在充分利用反磁致伸缩效应的情况下，取决于由转子轴传递的转动力矩地改变由反磁致伸缩效应生成的磁场，该静止的部件包括磁场传感器，该磁场传感器设计用于检测由磁场生成器生成的磁场，并且评估单元与磁场传感器连接，该评估单元设计用于从磁场变化中确定作用在转子轴处的转动力矩，其中，磁场生成器和磁场传感器布置在电机的相同的轴向位置处，并且有利地，磁场生成器和磁场传感器在径向上彼此间隔开地布置。本发明的电机的改进方案能够实现的是，也在负载有较高干扰级别的环境中以较高的精度测量作用在转子轴上的转动力。在此，经由反磁致伸缩效应通过机械上来源于转子轴的扭力的应力来测量磁场发生器的磁化的改变。

本发明的另一个特别有利的设计方案提出，磁场生成器构造为永磁体，尤其是磁化的或能磁化的铁氧体，并且，转子轴与磁场生成器一件式地构造，并且，转子轴至少在磁场生成器的区域中由能磁化的材料构成，并且转子轴在磁场生成器的区域中相应地被磁化，并且，磁场传感器设计用于检测由磁场生成器生成的磁场的轴向的分量。转子轴与磁场发生器的特别的一件式的构造具有的优点是，不必在转子轴的周向上引入缺口或凹槽以用于采用分开的磁场发生器。因此不改变地分别减弱转子轴在磁场发生器的位置上的横截面，并且因此不减小能传递的转动力矩。特别有利的是，转子轴实施为空心轴。

有利地，本发明还提出，电机包括轴承端盖，转子轴支承在该轴承端盖中，并且磁场传感器能与轴承端盖固定地连接，并且尤其能再次拆卸地集成在轴承端盖中地实施。转子轴实施为空心轴能够改进电机的冷却。通过引导在可能的情况下以冷却剂的形式或以油的形式存在的流体或气体，能够使转子轴从内部由流体流过。由此能够实现电机的运行热量经由流体的改进的导出。

本发明的另一个有利的设计方案提出，转子轴借助于滚动轴承支承在轴承端盖中，在该滚动轴承中，在滚动面处布置有滚动的滚动体，并且磁场传感器紧固在滚动轴承的、固定地布置在轴承端盖中的滚动面处，其中，磁场传感器构造为霍尔探测器或者电线圈。通过将磁场传感器集成到外部的轴承环中，分别集成到滚动轴承的利用轴承端盖固定地布置的滚动面中，得出电机单元的紧凑的结构形式。

本发明的另一个有利的设计方案提出，电机与功率和控制单元连接，其中，功率和控制单元设计用于，根据上级的控制装置的控制信号来控制电机的功率，并且无接触的转动力矩测量装置与功率和控制单元连接，其中，功率和控制单元布置在电机处，并且磁场传感器针对该功率和控制单元进行磁屏蔽。磁场生成器的磁屏蔽允许在电动和电子线路附近采用转动力矩测量装置，其对电磁干扰场敏感。磁屏蔽同样保护磁场传感器不受高磁干扰场的影响，如其此外由功率单元生成的那样。

本发明的另一个有利的设计方案提出，无接触的转动力矩测量装置布置在转子轴的轴向延伸部中的单独的部段中，特别地布置在与转子轴机械地有效连接的并且能由转子轴驱动的变速器部段中，其中，无接触的转动力矩测量装置布置在车辆变速器的、与转子轴有效平行地布置的变速器轴处，以便对由变速器部段传递的转动力矩进行测量，并且无接触地传送到无接触的转动力矩测量装置的静止的部件处。通过将转动力矩测量装置布置在转子轴的轴向延伸部中的单独的部段中，可替换地布置在与转子轴有效平行的布置中，能够扩大到电力和电子线路的物理上的间距，该线路对电磁干扰场敏感。这样能够用于更好的磁屏蔽并且同样保护磁场传感器不受高磁干扰场的影响，如其此外由功率单元生成的那样。证明了特别有利的是，该单独的部段是变速器部段，其机械地与转子轴耦合连接，以使得要经由转子轴传递的转动力矩经由变速器部段引导。

附图说明

结合下述联系附图详细阐述的实施例的说明，本发明的上述特性、特征和优点以及实现的方式和方法变得更加清楚易懂。在此示意性地示出：

图1是具有电机和布置在其轴承端盖处的无接触的转动力矩测量装置的第一变化方案的、电机单元的剖面图，

图2是具有带有集成的功率和控制单元的电机和无接触的转动力矩测量装置的第二变化方案的、电机单元的剖面图，

图3是具有转动力矩控制装置的电机单元的框图，并且

图4是具有变速器部段的电机单元的示意图，该变速器部段机械地耦合连接在电机的转子轴处。

具体实施方式

在详细描述图示的实施例之前，首先简短介绍扭力和转动力矩或扭矩之间的已知的机械工作背景。

当转动力矩导致杆、梁或轴的扭转(扭力)的时候，其被称为扭矩。扭矩在扭转的物体的作为作用和反作用的两个端部上起作用。在具有恒定的横截面的轴中，弹性的扭转与扭矩的大小成比例。类似于在控制中，在扭力中仅出现剪应力或扭应力。该扭应力限定为在物体扭转时作用的扭矩与阻力力矩的比。经由测量各个当前的扭力或扭转能够检测各个当前作用的转动力矩。

然而，在实际的应用中必须注意几个边界条件。因此应当在可逆的或弹性的扭转中仅出现相对较小扭转角度。此外，应当在扭转时不进行轴横截面的变形或弯曲。然而，该前提条件在很多应用情况中都能够遵守。

图1示出了电机2的示意性的纵剖面图，其机电工作部件由壳体4所包围。无接触的转动力矩测量装置6的第一变化方案与壳体4连接。

壳体4包括具有基本上圆柱形的内室10的第一壳体部分8。在壳体部分8的两个端侧上分别紧固有轴承端盖12或14。与轴线16转动对称地布置有转子轴18，在其上紧固有电机2的转子20。同样与轴线16转动对称地在第一壳体部分8上紧固有电机2的定子22。转子轴18在此构造为空心轴以用于改进电机2的冷却。通过引在可能的情况下以冷却剂的形式或以油的形式存在的导流体或气体，能够使转子轴18从内部由流体流过。由此能够实现电机2的运行热量经由流体的改进的导出。

转子轴16在两个轴承端盖12，14中借助于滚动轴承24，26能转动地支承。例如其在轴承端盖12中的支承经由固定轴承实现并且其在轴承端盖14中的支承经由浮动轴承(Loslager)实现。

经由转子轴18，由在电机运行模式中的电机2给出机械功率并且在发电机运行模式中接收机械功率。这两种运行状态应当通过双箭头27表示。

无接触的转动力矩测量装置6包括与壳体4固定连接的静止的部件28和与转子轴18固定连接的转动的部件30。静止的部件28和转动的部件30在径向上间隔开地布置在相同的轴向位置处，其在此通过虚线32图示。

转动的部件30包括磁场生成器，其经由反磁致伸缩效应取决于在转子轴18上作用的扭矩地改变其磁场。在此，转子轴18由能磁化的材料构成。磁场生成器通过沿着转子轴18的圆周线布置的环形施加的磁化装置34实现，这在图1中以虚线示出。与转子轴18的环形的磁化装置34在径向上间隔开地，磁场传感器36固定地与壳体4的轴承端盖14连接。在此设置两个相对布置的磁场传感器36。

磁场传感器36能够构造为霍尔探测器又或者构造为缠绕的电线圈，其在可能的情况下用铁磁的原料填充。其定向地安装用于，使得其能够检测由磁场发生器、在此为环形的磁化装置34生成的磁场的轴向的分量。

取决于运行类型地，电机2经由转子轴18输出机械功率，即其在电机运行模式中工作，或者其接收机械功率，即其在发电机运行模式中工作。在作为驱动电动车辆的应用中，转子轴18例如直接或经由变速器与电动车辆的传动系机械地耦合连接。在电动车辆加速(电机运行模式)或在减速(发电机模式)时由于弹性的材料属性而扭转或扭曲转子轴18。另一方面，该扭转在转子轴18中以及在永磁环34中生成扭转应力，其改变了其磁通量。磁通量的大小是用于扭转的参量。经由前面所述的机械工作背景能够经由转子轴18的已知的材料特性表示与扭力相应一致的转动力矩，其能够用于控制和调节电机2，如接下来所描述的那样。

无接触的转动力矩测量装置6的第一变化方案的静止的部件28集成到浮动轴承26中。浮动轴承26包括能在轴承端盖14中轴向移动地支撑的外环或滚动面38，在那里引导浮动轴承26的滚动体。外环38在轴向方向上延伸超过滚动体的区域。在该延伸的内侧处紧固有磁场传感器36。相应地，磁场传感器36的支承部与浮动轴承26的外环38一件式地实施，这不仅简化了静止的部件28的制造，也简化了其装配。

对此指出的是，磁场传感器36的支承部能够与固定轴承的外环一件式地实施。

图2示出了具有无接触的转动力矩测量装置的第二变化方案的电机单元的剖面图。电机2如结合图1描述的那样包括具有对此布置的机电部件的壳体4。然而，在与根据图1的实施方案不同的、根据图2的电机2上在右边的轴承端盖14处在轴向方向上凸缘安装有功率和控制单元40。此外，转子轴18在此构造为实心轴。无接触的转动力矩测量装置6的第二变化方案在功率和控制单元40中集成地布置。

功率和控制单元40包括用于控制电机2的功率和转速的电力和电子的部件，如在现有技术中多次描述的那样。

功率和控制单元40包括壳体42，在其内室44中布置有功率和控制单元40的电力和电子的部件。壳体42的右端侧构造为第三轴承端盖48，在那里布置用于支承在此延伸的转子轴18的另外的滚动轴承50。

与无接触的转动力矩测量装置6的第一变化方案不同，磁场传感器36在根据图2的第二变化方案中紧固在与滚动轴承50的外环分开的环形载体52上。无接触的转动力矩测量装置6的第二变化方案同样与无接触的转动力矩测量装置6的转动的部件30的实施方案不同。在此通过永磁体54实现磁场生成器，该永磁体布置在转子轴18的环绕的缺口或凹槽中。特别地，该实施方案能在大的和/或重的转子轴18的情况下在制造中简单地处理，然而通过引入凹槽在相同的直径中相对于没有凹槽的转子轴18减小能传递的转动力矩。

磁场传感器36与布置在另外的壳体42之中的评估单元56经由信号线58连接。评估单元56从由磁场传感器36测量的磁场中在考虑转子轴18的几何形状和材料属性的情况下，确定在转子轴18上起作用的转动力矩，并且提供电机2的控制装置的确定的转动力矩。

由具有高导磁性的材料构成的盘状的壁60的形式的磁屏蔽部对于转动力矩测量装置6磁屏蔽了功率和控制单元40。

根据图3的框图示出了转动力矩测量装置6与电动车辆的上级的控制装置70的共同作用。电机2经由功率和控制单元40与蓄电器71连接。电能流在电机运行模式中从蓄能器经过功率和控制单元40传输到电机2，并且在发电机运行模式中从电机2回到蓄电器71。电机2的电机和发电机运行模式在图3中通过标识“M/G”表示，并且能量流在两个方向上通过双箭头表示。

由转动力矩测量装置6与评估单元56一起在电机2的转子轴18上测定的当前作用的转动力矩作为输入参量输送给上级的控制装置70。附加地，当前作用的转动力矩的参量也直接输送给功率和控制单元40，这应当通过虚线示出。此外，上级的控制装置70还获得驾驶员的控制指令，以用于所期望的速度，例如“加速”或“减速”。由电动车辆的驾驶员给出的控制指令在图3中通过标号72标识。控制指令72随后经由行驶踏板模块74输送给上级的控制单元70。驾驶员的另外的控制指令应当通过输入标志76给出。

上级的控制装置70为了调节电机2的功率而包含运行特性曲线，经由其控制或调节相应的运行参数。例如驾驶员能够预设的是，在考虑所提供的驱动能量的情况下获得尽可能高的可行驶的距离(高的路径有效距离)。在转子轴18上起作用的转动力矩或者转子轴18的负载也能够经由相应的运行特性曲线限制，以便最小化机械运动的部件的磨损。同样监视电机内部的运行状态，其在上级的控制装置70中考虑。

在由驾驶员预设的控制信号和内部的运行和监视信号的基础上，生成用于功率和控制单元40的控制信号，以便相应地调节转子轴18上的转动力矩。转子轴18上的当前的转动力矩相对于预设的作为引导参量的转动力矩的偏差直接被识别并且能够相应地被调节。

图4示意性地示出了具有变速器部段80的电机单元，该变速器部段机械地耦合连接到电机2的转子轴18处。变速器部段80在轴向延伸部中的单独的部段中轴向地布置在转子轴18的一侧。变速器部段80包括多个变速器部件81至84。变速器部件81至84设计为彼此在机械的啮合中起作用的齿轮传动级。出于简明原因，图4省略了变速器部件81至84的轴承。变速器部段80机械地紧固在防止外部影响的变速器壳体85中。

无接触的转动力矩测量装置6在图4中不像在前述实施例中那样直接布置在转子轴18上，而是对此有效平行地布置。无接触的转动力矩测量装置6包括与变速器壳体85固定连接的静止的部件28和转动的部件30。转动的部件30布置在与转子轴18有效平行地布置的传动轴86(英文被称为“link shaft”，连接轴)上。转动的部件30能够类似于根据图1的设计方案，是在制造工艺上引入到传动轴86中的磁化部件，而没有通过该制造工艺上引入的磁化部件分别改变地减弱传动轴86的几何形状的横截面。可替换地，转动的部件30是永磁体的环，其抗扭地紧固在传动轴86上。静止的部件28和转动的部件30类似于图1地在径向上彼此间隔开地布置在相同的轴向的位置上，在此重新通过虚线32示出。

在电机2的周围与传动轴86的轴线88相对置地布置有功率单元40。通过无接触的转动力矩测量装置6与功率单元40的、因此结构上实现的较大的间距，得出了无接触的转动力矩测量装置6与功率单元40的高磁性的退耦。这支持了磁场敏感的部件的磁屏蔽(在此未示出)，并且特别针对高磁干扰场地保护壳磁场传感器36，如其此外由功率单元40生成的那样。

尽管通过优选的实施例在细节上详细地阐述并描述了本发明，但本发明并不局限于所公开的实例，并且能够由专业人员推导出其他的变化方案，而不脱离本发明的保护范围。