发明内容

本发明旨在通过提供一种用于电机的机械开关来有效地弥补这一缺陷，所述开关能够利用包括q个相的多相电流系统来激励具有2*p个磁极的旋转电机转子，其中q是严格大于1的正整数，该机械开关转子包括:

-可绕电机的轴线旋转运动的换向器，基本节距等于2*π/(p*q)，

-至少一对径向延伸的电刷，即正电刷和负电刷，这些电刷能够抵靠换向器摩擦，旋转地固定，每个电刷限定在角扇区上，并且能够连接到相同的电压源，特别是车辆电池。

机械开关的特征在于，机械换向器包括n*p*q个周向连续的导电段，其中n是整数，特别是n＝1或n＝2，每个段被限定在角扇区上，相邻的段彼此绝缘，这些段被分成q个组，给定组的所有段被电连接在一起，q个组周向交替。

机械开关的特征还在于，给定对的电刷在周向上彼此偏移[(2k+1)*2*π]/(2*p)]，k是自然整数。

因此，这种配置更耐用、更便宜。性能也大大优于DC电机。

这种开关允许电机在没有电子转换器的情况下用多相电流系统激励，结果功率电子元件的数量和相关成本大大降低，甚至被消除。这种自动控制的激励也使得可以省去转子位置传感器。

根据本发明的一个方面，电刷之间的角度偏移是从中心到中心测量的，即在每个电刷的中间平面之间。电刷可以具有基本平行六面体的形状。根据本发明的一个方面，电刷可以总是与段接触。电刷可以包括圆柱形径向内表面，其与换向器接触，特别是与段接触。

根据本发明的一个方面，电刷对的数量在1和p之间。例如，对于具有两对极的机器，电刷对的数量可以等于1或2。所有的电刷对都抵靠相同的段摩擦。根据本发明，电刷的数量因此是偶数的。

根据本发明的一个方面，电刷可以沿径向摩擦抵靠换向器。这种开关被称为径向开关。作为一种变型，摩擦可以发生在轴向上。

根据本发明的一个方面，换向器可以是圆柱形的。电刷和换向器之间的摩擦表面是圆柱形的。

根据本发明的一个方面，换向器是分段的，即它不是打印的。

根据本发明的一个方面，换向器包括风扇。

风扇的存在允许产生气流，允许热空气排出，从而冷却换向器本身及其环境。

根据本发明的一个方面，风扇可以由绝缘材料制成，特别是由塑料制成。

根据本发明的一个方面，风扇可以是向前弯曲的。作为变型，风扇可以是向后弯曲的。

根据本发明的一个方面，风扇可以轴向放置在段旁边。风扇可以是具有整体结构的单一零件。

根据本发明的一个方面，风扇可以包括多个叶片。叶片的数量可以在2到16个之间，特别是8个，特别是6或10个。

叶片可以沿周向规则分布。作为变型，叶片可以不规则地分布，例如对数分布。不规则或可变的间距可能会使系统更安静。

叶片可以是弯曲的。叶片可以是弯曲的，以便使空气向内流动。作为变型，叶片可以是弯曲的，以便使空气向外流动。叶片可以径向延伸到段的径向高度。叶片可以全部是具有整体结构的单一零件。叶片可以是彼此分离的零件。

根据本发明的一个方面，换向器可以包括多个电容器，每个电容器安装在两组不同的段之间。

电容器的存在可以减少开关过程中的电流不连续性。因此，换向器和可以集成到其中的电机具有更好的耐用性和提高的效率。

在本申请的上下文中，当提到相邻段的绝缘时，应理解为指沿圆周方向的绝缘。直接相邻的段可以属于同一组段，同时彼此电绝缘，而不脱离本发明的范围。

电容器可以轴向放置在与风扇相对的一侧。因此，这些段被放置在电容器和风扇之间。这允许在定位这两个功能件中的每一个时实现更大的自由度。作为一种变型，风扇和电容器可以相对于段位于相同的轴向侧。

根据本发明的一个方面，至少一个电容器安装在两个不同的段组之间。换向器包括至少q个电容器。

根据本发明的一个方面，每个电容器包括由可极化绝缘体分开的两个电极。给定电容器的两个电极电连接到两个不同的段组。电极可以直接固定到段。尽管电容器连接两组段，但可极化绝缘体允许段之间的电绝缘受到尊重。

根据本发明的一个方面，在两组不同的段之间提供单个电容器。作为变型，可以在两个不同的段组之间提供多个电容器。这多个电容器可以串联或并联布置在两组段之间。

电容器可以相同。每个电容器可以具有基本平行六面体形状。

每个电容器可以具有1至100微法之间的电容，例如25微法，例如50微法。当多个电容器串联或并联在两个不同的段组之间时，等效电容在1至100微法之间。

每个电容器可以包括封装可极化绝缘体和/或全部或部分电极的外壳。

根据本发明的一个方面，所有或一些电容器从段轴向偏移。存在垂直于旋转轴线的平面与电容器相交，但不与段相交。

根据电容器的第一实施方式，换向器仅包括q个电容器。每组段之间有单个电容器。用最少数量的电容器获得了电流不连续性的减少。

根据电容器的第二种实施方式，换向器包括至少一个电容器，该电容器位于周向上连续的不同组的两个组段之间。换向器包括至少p*q个电容器，特别是仅p*q个电容器。当n＝1时，每个段电连接到两个电容器。当n＝2时，每个段仅与单个电容相关联。

根据本发明的一个方面，每个电容器可以固定到一个段的轴向取向的指部上。电容器电极可以直接固定到指部，特别是通过焊接。电容器可以只固定到指部。

根据本发明的一个方面，电容器可以全部放置在给定的角扇区中，特别是小于90°的角扇区，特别是小于45°的角扇区。作为一种变型，电容器可以围绕换向器的圆周规则地分布。电容器可以在周向上全部彼此偏移。

电容器可以与段处于相同的径向水平。作为变型，电容器可以比段更径向靠近轴线放置。电容器可以一个放在另一个上面。

根据本发明的一个方面，电容器可以全部位于段的同一轴向侧。

根据本发明的一个方面，换向器可以包括用于保护电容器的元件。该保护元件可以是具有整体结构的单一零件。该保护元件可以包括容纳电容器的多个腔。作为变型，单个连续的圆形腔可以容纳电容器。作为进一步的变型，保护元件可以由与电容器一样多的保护部分形成，这些保护部分彼此分开。

根据本发明的一个方面，风扇和保护元件可以是具有整体结构的单个零件。这允许功能被合并。

根据本发明的一个方面，换向器具有从一种类型的段到另一种类型的段的p*q个通道。换向器可以包括与第二实施方式中的电容器一样多的从一种类型的段到另一种类型的段的通道。段的类型由它属于某个段组来定义。因此，当n＝2时，给定类型的两个线段在周向上连续。换向器可以具有重复p次的基本电段基序。

根据本发明的一个方面，这些段都具有相同的角扇区和/或轴向尺寸。特别是，所有的段都是相同的。这些段不能轴向偏移。这些段可以由铜制成。这些段的径向厚度可以在1毫米和3毫米之间，例如2毫米。该厚度允许段中的电流密度降低。这些段的轴向尺寸可以在8毫米和12毫米之间，例如10毫米。根据本发明，换向器具有围绕轴线的导电段的单个周向布置。

根据本发明的一个方面，换向器包括绕电机的轴线回转的骨架，以将各段保持在位。骨架可以由电绝缘材料制成，例如塑料。骨架可以是具有整体结构的单个零件。骨架可以包括径向孔，特别是容纳段的n*p*q个孔。骨架可以包覆成型在段上。骨架可以包括用于容纳转子轴的中心孔。换向器可以包括放置在骨架的中心孔中的套筒，并且能够牢固地紧固到转子轴。套筒相对于骨架固定。套筒比骨架更刚性，以加强换向器和转子轴之间的连接。

根据本发明的一个方面，电容器可以固定到骨架。电容器的外壳可以固定到骨架的轴向取向的面。

根据本发明的一个方面，风扇和骨架可以是具有整体结构的单一零件。作为一种变型，每个叶片可以附接到骨架上。作为进一步的变型，风扇可以是具有整体结构的单个零件，并且附接到骨架上。

根据本发明的一个方面，q可以等于3。因此，该开关能够使用三相电流系统激励电机。

根据本发明的一个方面，电刷和段之间的摩擦区域相对于轴线的径向距离可以在20毫米和45毫米之间，特别是25毫米，特别是35毫米

根据本发明的一个方面，定义给定零件的角扇区是在垂直于机器轴线的平面中包含给定零件的最小扇区。

根据本发明的另一方面，给定组的段可以全部电连接到径向放置在段内部的环。

根据电容器的第一实施方式，q个电容器中的每一个可以放置在两个不同的环之间。

这种环可以汇集给定组的段之间的电连接，这简化了开关的制造。在应用环境中，电刷不会抵靠环摩擦，而是抵靠段摩擦。

根据本发明的另一方面，可以在每个段和相关环之间设置桥。桥从环径向延伸，特别是没有从环的轴向偏移。桥和相关的环在骨架的内部空间中，而段与外部齐平，以便与电刷电接触。给定组的段、桥和环形成一个环体，该环体是具有整体结构的单一零件。与组q的段相关的环和环体称为类型q。

根据本发明的另一方面，桥与单个段相关联。作为变型，例如当n＝2并且当给定类型的两个段在圆周上连续时，桥可以由多个段共享，例如两个。

根据本发明的另一方面，换向器包括q个连接臂，每个连接臂牢固地固定到一个环，特别是通过焊接。每个臂具有自由端，该自由端能够连接到转子绕组的一个相或多个相，以便将其激励。每个连接臂通过骨架中的径向孔从换向器的骨架中特别是径向地伸出。

根据本发明的一个方面，特别是根据电容器的第一实施方式，电容器连接到q个段组的连接臂。电容器可以相对于段放置在与连接臂相同的轴向侧。每个电极可以直接固定到一个自由连接臂端。作为变型，每个电极可以通过连接部件固定，例如金属线，例如金属导体件。

根据本发明的一个方面，每组的环可以轴向相继。

这种轴向并置提高了换向器的紧凑性。

根据本发明的一个方面，给定类型q的桥偏离其他类型的桥。环可以轴向分布在轴向段长度上。

桥可以连接到段的中心区域或其一端。特别地，当q＝3时(即当电流系统为三相时)，换向器包括三个环，一个中心环和位于中心环两侧的两个端环。与中心环相关联的桥轴向连接到段的中心，与端环相关联的桥连接到段的拐角。

替代地，环可以是同心的。

根据本发明的一个方面，每个段可以通过段间部而与两个相邻的段分开。

段间部被定义为防止两个连续段之间的周向接触。

根据本发明的一个方面，段间部可以都具有相同的角度范围。

因此，每个段的角度范围以弧度表示等于[2*π-n*q*p*(一个线段间部的范围)]/(n*p*q)。

根据本发明的一个方面，段间部的角度范围小于段之一的角度范围。作为变型，段间部的角度范围可以大于段之一的角度范围。

根据本发明的一个方面，选择两个连续段之间的沿周向的最小尺寸，即段间距的周向尺寸，以防止介电击穿。当开关在48伏电压下通电时，最小尺寸可在1.6毫米和2.4毫米之间

段间距的这种尺寸可以防止相邻段之间的电弧，同时为段留出足够的空间，这简化了骨架的制造。这种段间部尺寸也可以允许电刷和段之间的摩擦的连续性。

换向器的最小径向尺寸由所需的段数和所需的段间部最小尺寸决定。

从摩擦区域的径向距离和该段间部的周向尺寸推导出段间部中的一个的角度范围。

段的角度范围可以与段间部的角度范围相同。每个段和每个段间部每个都在2*π/(2*p*q)上延伸。

根据本发明的一个方面，段间部可以是绝缘的。段间部可以是两个连续段之间的空白空间。段间部可以包括不导电的突起，特别是由骨架形成的突起。

根据本发明的一个方面，一个段间部，特别是每个段间部，可以包括隔离段。隔离段不与任何其他段电连接。隔离段不与任何电容器电连接。与形成q个组的电连接导电段相比，该段被称为是隔离的。作为一种变型，段间部可以连接在一起以形成一组隔离段，其经受关于电势的相同条件。

根据本发明的一个方面，隔离段可以紧固到段间环。段间环可以放置在骨架的内部空间中。段间环可以在q类型的环的径向外侧。每个隔离段包括插入到段间环的孔中的足部，以将隔离段紧固在位。段间环可以包括用于q个组之一的段和相关环之间的桥的通道的窗口。

隔离段通过间隙与导电段分开。在周向方向上，间隙可以在1毫米和5毫米之间。隔离段容纳在径向孔中。换向器然后可以包括2*n*p*q个段，导电段与隔离段交替。隔离段处于浮动电位。

根据本发明的一个方面，隔离段的角度范围可以包括导电段的角度范围的20％至50％，特别是40％至50％。

隔离段允许换向器和电刷之间的均匀接触。具体来说，电刷几乎连续摩擦抵靠绝缘或导电段。

根据本发明的一个方面，每个电刷的角度范围大于段间部的角度范围。因此，每个电刷总是与至少一个段接触。每个电刷可以同时最多接触两个不同的段组。

根据本发明的一个方面，重叠度可以是电刷的角度范围和段间部的角度范围之差除以换向器的基本节距之比。

根据本发明的一个方面，重叠度可以在10％和55％之间。这种重叠度允许使用多相电流系统激励转子，该多相电流系统例如可以是方波形式，例如准正弦形式，同时将电压源的电流保持在非零平均值，并确保电流的符号随着时间保持相同。

在本申请的上下文中，重叠是给定电刷与不同组的两个段接触的时间段。在这种重叠期间，电刷因此可以同时激励两个不同的段组。用同一个电刷同时激励两组的段会对多相电流系统的形式产生影响。每一相的波形被修改。

根据本申请的一个方面，对于给定的换向器(给定的段和段间部的角度范围)，电刷的范围可以被选择以获得各种形式的电流系统。对于给定的换向器，因此可以获得多个电流系统。

根据本发明的一个方面，当限定电刷之间的角度偏移时，考虑电枢反应。在角度偏移不同于本发明中定义的角度偏移的情况下，存在不对称的风险。

根据本发明的一个方面，当设定重叠度时，电枢反应也被考虑在内。具体来说，电枢反应取决于电流系统，电流系统本身取决于重叠度。在产生转矩的机器的情况下，重叠度将不会以与不意图产生转矩的无芯机器的情况下相同的方式来定义，因为电枢反应显著不同。

本发明还涉及一种用于电机的机械开关，所述开关能够用包括q个相的多相电流系统激励具有2*p个磁极的旋转电机转子，其中q是严格大于1的正整数，机械开关包括：

-换向器，其可绕电机的轴线(X)旋转运动，具有的基本节距等于2*π/(p*q)，

-至少一对具有径向范围的电刷，即正电刷和负电刷，这些电刷能够抵靠换向器摩擦，相对于彼此旋转固定，每个电刷限定在角扇区上，并且能够连接到相同的电压源，特别是车辆电池，

其特征在于，机械换向器包括n*p*q个周向连续的导电段，其中n是整数，特别是n＝1或n＝2，每个段被限定在角扇区上，相邻的段彼此绝缘，这些段被分成q个组，给定组的所有段被电连接在一起，q个组周向交替，并且换向器包括风扇。

关于风扇所说的一切也适用于本发明的这一部分。

本发明还涉及一种用于电机的机械开关，所述开关能够用包括q个相的多相电流系统激励具有2*p个磁极的旋转电机转子，其中q是严格大于1的正整数，机械开关包括：

-换向器，可绕电机的轴线(X)旋转运动，具有的基本节距等于2*π/(p*q)，

-至少一对具有径向范围的电刷，即正电刷和负电刷，这些电刷能够抵靠换向器摩擦，相对于彼此旋转地固定，每个电刷限定在角扇区上，并且能够连接到相同的电压源，特别是车辆电池。

机械开关的特征在于，机械换向器包括n*p*q个周向连续的导电段，其中n是整数，特别是n＝1或n＝2，每个段被限定在角扇区上，相邻的段彼此绝缘，这些段被分成q个组，给定组的所有段被电连接在一起，q个组周向交替，并且换向器包括多个电容器，每个电容器连接在两个不同的段组之间。

关于电容器所说的一切也适用于本发明的这一部分。

本发明还涉及一种电机，包括：

-如上所述的机械开关，

-旋转固定的定子，包括2*p个磁极，定子形成机器的场磁体，

-转子，其可围绕电机的轴线旋转运动，该转子与换向器一起形成电机的电枢，该转子包括:

i.转子轴，以及

ii.转子本体，包括：

1.包括轴向堆叠的叠片的叠片堆，该叠片堆具有轴向延伸的(2*p)*m*q个槽，其中m是整数，

2.至少一个绕组，绕组被分成通过开关激励的q个相，这些相包括容纳在槽中的绕组部分，每个相的部分周向相继，每个相具有两个端。

这种多相同步电机是经济的，因为它不需要昂贵的电子组件来从DC输入实现电机的多个相的AC激励。

叠片堆在推进应用中特别重要。没有它，机器就不能产生所需的扭矩。然而，在定义开关时必须考虑电枢反应。

该开关，特别是通过如上定义的电刷的重叠度和角度偏移的参数，允许获得产生扭矩但不振动的机器。振动在机动车辆推进应用中特别不利。

根据本发明的一个方面，转子是圆柱形的。

这种及其特别值得注意的地方在于，转子采用多相电流系统供电，定子采用DC电流激励。转子和定子从电压源(例如蓄电池)获得它们的电压和电流，该电压源是DC而不是AC。

电刷也由DC激励；它们连接到同一个电压源。它们没有连接到转子的相，而是各段组连接到转子q个相。

根据本发明的一个方面，风扇可以轴向放置在转子主体的侧面。

根据本发明的一个方面，风扇可以至少部分地延伸到转子主体的内部空间中。风扇可以在转子轴和转子主体之间径向延伸。这使得可以搅拌转子主体内的空气和冷却绕组。

根据本发明的一个方面，电容器在轴向上位于转子主体的相对侧，特别是当它们直接紧固到段上时。

机器可以具有的极对的数量为1至12。特别地，机器可以具有6对极或6对极。

整数m在这里是每极和每相的槽数量，这个数量例如是1，例如是2。

根据本发明的一个方面，当m严格高于1时，与给定相相关联的槽周向连相继。

根据本发明的一个方面，每相可以具有形成绕组的各个部分的单个导体。每相可以具有多个导体，所述多个导体在槽的外部连接在一起。这些导体可以是销，例如U形销或I形销。这些销可以轴向插入，然后连接在一起。销允许获得更好的性能，尤其是在电机扭矩方面。

根据本发明的另一方面，槽的数量可以是段的数量的倍数。每个段与中间平面对齐，该中间平面等同地划分p个相继极中的一个的q个相的m个槽。每个段与m个相继的段的质心对齐。例如，当n＝m＝1时，每个段与转子主体的一个齿对齐，该齿将容纳给定相的部分的槽中的两个分开。

根据本发明的另一个方面，绕组的相可以通过连接臂连接到换向器的段，特别是换向器的环。

根据本发明的另一方面，电刷可以与定子的极轴向对齐。

根据本发明的另一方面，定子可以具有爪极拓扑。定子可以包括绕组、爪和极间磁体，特别是由廉价材料铁氧体制成。极间磁体也可以由钕铁硼制成，以受益于每单位体积更好的性能。作为变型，定子可以包括配备有多个周向分布的电磁体的磁轭。定子能够连接到电压源，特别是车辆电池。

作为一种变型，定子可以包括配备有一个或多个无爪、周向分布的永磁体的磁轭，特别是无绕组的永磁体。

根据本发明的另一方面，电机还可以包括旋转固定的电刷架组件，开关的电刷容纳在该电刷架组件中。电刷架可以环绕换向器。

电机可以包括旋转固定的护套。护套可以完全包围定子、转子和开关。护套可以由两部分组成，前部和后部。电刷架可以固定到外套的后部。定子可以固定到护套的前部。

根据本发明的另一个方面，换向器可以固定到转子轴上，以便与其一起旋转；特别地，换向器的套筒可以干涉配合。作为变型，换向器可以以可逆的方式安装在转子轴上。滚动构件可以放置在转子轴和护套之间以支承转子。

根据第一绕组模式，q个段组中的每一个电连接到转子的q相中的一个相的两个端中的一个，q个相的另一端电连接在一起以形成星形连接绕组。

根据本发明的一个方面，当绕组根据第一模式时，重叠度可以在10％和50％之间。当重叠度在10％和20％之间时，系统电流为方波形式。当重叠度在20％和50％之间时，系统电流为正弦或准正弦形式。

在本申请的上下文中，如果信号的谐波直到第15次谐波都小于基波值的12％，特别是10％，特别是8％，则电流是准正弦形式。

在该第一绕组模式的一个特定示例中，q等于3，因此开关使用三相电流系统激励转子。三相绕组的每一相的一端可以固定到三个连接臂之一的一端，特别是通过焊接。

根据本发明的另一方面，每个相的两端中只有一端可以连接到连接臂。每个段组可以激励转子的q个相(特别是三相)中的一个相。每个段组，特别是换向器的每个环体，激励一个不同的相。

根据本发明的一个方面，换向器还可以包括能够将绕组的相的端电互连的连接器。连接器可以沿周向放置在连接臂的自由端旁边。连接器可以从骨架径向伸出。连接器包括q个、特别是三个端，每个端用于接收每个相端。

根据第二绕组模式，q个段组中的每一个电连接到转子的q个相的两个不同相的两端，从而形成多边形连接绕组。

根据本发明的一个方面，当绕组根据第二模式时，重叠度可以包括在10％和55％之间。

在该第二绕组模式的一个特定示例中，q＝3，因此开关使用三相电流系统激励转子。因此，绕组是三角形连接的。三相绕组的每一相的一端可以固定到三个连接臂之一的一端，特别是通过焊接。

根据本发明的另一方面，转子的每一相可以连接到两个不同的段组。绕组的每一相可以连接到两个连接臂。每个连接臂可以连接到绕组的两个相。绕组的每个相的两端处的电位可能相同。

本发明还涉及一种用于运输工具的牵引系统，所述系统包括：

-如上所述的电机，以及

-斩波器，电连接到机械开关的电刷，并能够连接到车辆的电池。

运输工具可以是车辆，特别是机动车辆。运输工具可以是用于运送物体的自主车辆，特别是轮式自主车辆，特别是推进式自主车辆，例如无人驾驶飞机。

斩波器允许调节电压，因此起到功率变速器的作用。这里的斩波器不是逆变器，它允许产生正弦电流信号。可以提供变阻器来代替斩波器，从而允许在电机的激励方面完全消除功率电子器件。

这种牵引系统允许以低成本推进机动车辆。

作为变型，本发明还可以涉及包括电机的交流发电机。本发明还涉及一种系统，该系统包括能够在电马达模式和交流发电机模式下运行的电机。