專利名稱：廉價的無磨損的電力傳動系統(tǒng)的制作方法
磁性軸承技術(shù)以其對傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)數(shù)范圍、壽命、清潔度和密封性提出了極高的要求而為機械制造和儀表制造開辟了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域—亦即開辟了在使用常規(guī)軸承技術(shù)情況下不可能實現(xiàn)的或很難實現(xiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域。例如高速銑床主軸和磨床主軸、渦輪壓縮機、真空泵或高純度化學(xué)或醫(yī)藥產(chǎn)品用的泵等都已經(jīng)裝配了磁性軸承。
下面各圖中的機器橫截面只作為例子示出，且其一部分被大大簡化，只用作功能原理的較詳細的說明。
常規(guī)的磁性支承的機器(

圖1)除了需要一個機器單元(1)外，還需要兩個徑向磁性軸承(2)、(3)、一個軸向磁性軸承(4)、兩個機械的支承軸承(5)、(6)以及電動機各相和磁性軸承各相控制用的一共10個功率調(diào)節(jié)器(7)、(8)、(9)、(10)。
在文獻中提出這樣的建議(圖2)，把機器和徑向磁性軸承集成在一個磁性的定子單元中。在一個定子內(nèi)，在槽中多層地設(shè)置了轉(zhuǎn)矩繞組和支承力繞組用的兩個分開的繞組系統(tǒng)(11)、(12)。原則上，在很大程度上分開的產(chǎn)生支承力和轉(zhuǎn)矩的無軸承的電動機中，繞組極數(shù)之間的關(guān)系為p1＝p2±2，式中p1或p2也表示轉(zhuǎn)子的極數(shù)。圖2電動機的兩個繞組系統(tǒng)是三相的。這些線圈是短節(jié)距的并分布在多個槽中，從而達到了接近于正弦形的磁通交聯(lián)。
這兩個繞組由下列部分組成四極的電機繞組(11)(外部)相1(13)，相2(14)，相3(15)，兩極的支承線圈(12)(內(nèi)部)相1(16)，相2(17)，相3(18)。
為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)的經(jīng)濟性，可減少繞組系統(tǒng)的數(shù)目并由此除了使機械結(jié)構(gòu)簡化外，還可簡化控制電子部分。
作為具有減少繞組數(shù)目的一種電動機的實施例以一臺由四個集中線圈組成的共同的轉(zhuǎn)矩和支承力繞組系統(tǒng)的電動機來進行說明，這樣的電動機下面叫做無軸承的單相電動機。
圖3表示一個四極電動機的轉(zhuǎn)子和定子的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。其中轉(zhuǎn)子(35)最好做成環(huán)形或鐘形。借助于四個集中線圈(31，32，33，34)可產(chǎn)生兩極和四極的磁勢分布，所以可獨立地在x和y方向產(chǎn)生一個支承力和一個轉(zhuǎn)矩。各相電流的確定在考慮轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)子角度或轉(zhuǎn)矩的理論值的情況下利用分析處理轉(zhuǎn)子位置(x，y)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角()的傳感器信號來進行。
在先有技術(shù)的上述段落中描述了這種無軸承的單相電動和多相的感應(yīng)電動機。
兩種結(jié)構(gòu)型式都部分地具有明顯的技術(shù)上或經(jīng)濟上的缺點無軸承的單相電動機(圖3)只適用于對啟動力矩要求很小的使用場合。例如泵、風扇、鼓風機或通風機的傳動。在最簡單的結(jié)構(gòu)中，這種無軸承的單相電動機只需要四個單獨線圈。單相傳動的啟動弱點是由結(jié)構(gòu)引起的。對徑向支承力的結(jié)構(gòu)來說，應(yīng)當用旋轉(zhuǎn)磁場繞組，而電動機部分只配置了一個單相的交變磁場繞組。所以在存在一些臨界的轉(zhuǎn)子角度位置，在這些位置內(nèi)，啟動力矩為零而與選擇的電流振幅無關(guān)。為此，必須從結(jié)構(gòu)上保證轉(zhuǎn)子只停止在與這些臨界角度位置不同的位置內(nèi)。所以這種傳動的回轉(zhuǎn)力矩特別是在啟動階段還有在穩(wěn)定運行中都能克服這些臨界點。對許多其他的傳動任務(wù)來說，這種電動機的啟動力矩太小。
與該先有技術(shù)對應(yīng)的無軸承的多相電動機(圖2)則沒有旋轉(zhuǎn)力矩小的角度位置的缺點。與單相電動機比較，這種多相電動機不但在軸承部分而且在電動機部分都有一個自己的旋轉(zhuǎn)磁場繞組。但缺點是，兩個磁場繞組帶來了大的線圈數(shù)目。這種無軸承的電動機的典型的線圈數(shù)一般在36(分級的三相繞組)和12(簡單的雙相繞組)之間。
從以上的對傳動市場在技術(shù)和經(jīng)濟上的分析中可知，值得追求和特別有利可圖的無軸承電動機應(yīng)當具有少的線圈數(shù)而又不受由單相技術(shù)產(chǎn)生應(yīng)用范圍的種種限制。
這個任務(wù)的本發(fā)明解決方案可從獨立權(quán)利要求中得知。各種優(yōu)選的實施方案可從各項從屬權(quán)利要求中得知。
這個任務(wù)的本發(fā)明解決方案的獨特優(yōu)點在于，與迄今為止的已知的解決方案比較，本發(fā)明明顯地簡化了磁性支承的電機的結(jié)構(gòu)以及簡化了電控制。
在各項權(quán)利要求中聲明的本發(fā)明完全滿足了上述要求。另一個重要的優(yōu)點是，由于不對稱的繞組結(jié)構(gòu)，而可實現(xiàn)繞組的短節(jié)距和由此實現(xiàn)場結(jié)構(gòu)和磁勢結(jié)構(gòu)的諧波的高度衰減。這個特性增加了位置調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定范圍及其調(diào)節(jié)精度和磁性支承傳動系統(tǒng)的平靜的運轉(zhuǎn)。
下面結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的實施例。這些示意圖表示圖1一個常規(guī)的磁性支承系統(tǒng)；圖2先有技術(shù)的一種無軸承的多相電動機；圖3先有技術(shù)的一種無軸承的單相電動機。
圖4具有不對稱的定子斷面和集中繞組的一種無軸承的多相電動機；圖5在x方向內(nèi)有一個恒定的支承力時，相電流隨角度的變化；圖6定子圓周上的不對稱的磁勢；圖7在一個恒定的轉(zhuǎn)矩時，相電流隨角度的變化；圖8在屏蔽了恒磁磁場的情況下，在氣隙范圍的不對稱的磁場變化；圖9具有對稱鐵心斷面的電動機的支承力繞組(四極)的磁通密度變化(轉(zhuǎn)子兩極)；圖10具有對稱鐵心斷面的電動機的轉(zhuǎn)矩繞組(兩極)的磁通密度變化(轉(zhuǎn)子兩極)；圖11具有分級繞組(單個繞圈)的無軸承的電動機；圖12具有分級繞組(線圈組)的無軸承的電動機；圖13具有用于產(chǎn)生支承力和產(chǎn)生力矩的分離的繞組組的無軸承電動機；圖14繞組包圍定子磁軛的無軸承的電動機。
下面舉例說明本發(fā)明的可能實施方案。
圖4表示具有5個集中單個線圈(41、42、43、44、45)的電動機。用這種定子布置通常用疊加的電流分量流過線圈可同時既得到一個兩極的旋轉(zhuǎn)磁場又可得到一個四極的磁場或兩個兩極的和四極的磁勢。所以在一個兩極的轉(zhuǎn)子上可與兩極的繞組磁勢共同作用得到一個轉(zhuǎn)矩并與四極的繞組磁勢共同作用得到一個徑向的支承力。
不能被所用的兩個極數(shù)4和2整除的奇數(shù)線圈數(shù)或鐵心數(shù)導(dǎo)致一個不對稱的鐵心斷面和定子或氣隙范圍的不對稱的磁勢分布或場分布。
因此，根據(jù)轉(zhuǎn)子的、支承力要求和轉(zhuǎn)矩需要的角度位置來確定線圈電流，使其達到要求的工作點。
圖5表示在x方向內(nèi)的一個恒定的支承力時相應(yīng)的支承力-線圈電流分量與具有正弦形磁通密度分布的一個二極的恒磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子角的關(guān)系，其中I1、I2、I3、I4和I5分別表示通過線圈41、42、43、44和45的電流。圖6表示在起始角位置(＝0)時，氣隙內(nèi)的繞組磁場(在轉(zhuǎn)子的恒磁磁場被屏蔽時)的磁通密度變化(61)與理想的、正弦形的四極的磁通密度變化(62)的對比。從這個磁通密度圖中可以看出四極的不對稱的磁場的變化。這種不對稱性是由于鐵心數(shù)5與通過相電流實現(xiàn)的繞組極數(shù)4的非整數(shù)的比例引起的。
圖7表示適合于在恒定轉(zhuǎn)矩時同樣是相應(yīng)轉(zhuǎn)矩-線圈電流分量與轉(zhuǎn)子角的關(guān)系。在這里也是用I1、I2、I3、I4和I5來分別表示通過線圖41、42、43、44和45的電流。在這兩個圖5和7中所示的電流分量在五個電動機線圈內(nèi)進行疊加，所以既得到了要求的轉(zhuǎn)矩，又得到了要求的支承力。在定子圓周上，由于電流疊加和線圈的幾何分布產(chǎn)生電動機的總磁勢。圖8又是表示在起始轉(zhuǎn)子角位置(＝0)時，氣隙內(nèi)的繞組磁場(也是在轉(zhuǎn)子的恒磁磁場被屏蔽時)的磁通密度變化(81)與理想的、正弦形的兩極的磁通密度變化(82)的對比。從這個磁通密度圖中可以看出一個二極的不對稱的磁場的變化。這種不對稱性是由于鐵心數(shù)5與通過相電流實現(xiàn)的繞組極數(shù)2的非整數(shù)的比例引起的。
按相同的方式還可實現(xiàn)例如具有六個或七個集中的單個線圈的無軸承感應(yīng)電動機。三個線圈的解決方案導(dǎo)致一個機械費用減少的無軸承的單相電動機。
為了說明與對稱結(jié)構(gòu)的電動機的磁通密度的變化的區(qū)別。圖9示出了由一臺具有8個集中的單個線圈的電動機產(chǎn)生的四極磁勢和磁通密度變化(91)與理想的、正弦形的四極的磁勢和磁通密度變化(92)的對比。相應(yīng)的圖10又是表示在這種電動機結(jié)構(gòu)時兩極的磁勢和磁通密度變化(101)與正弦形的磁勢和磁通密度變化(102)的對比。
不用集中的單個繞組，也可用分級的和必要時短節(jié)距的繞組放入定子中。此時由于上述的原因，定子的齒數(shù)或槽數(shù)也是這樣選擇的，即它們不是兩個待實現(xiàn)的繞組極數(shù)的整數(shù)的倍數(shù)。
下面用圖11的一個例子來說明原理結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，在槽中放入了五個線圈(111、112、113、114和115)，它們的寬度大于圖4中的線圈寬度。這些線圈分別包圍兩個齒因而不再叫做集中線圈。圖12表示具有一個附加的線圈分布的另一種方案，其中在相鄰槽中布置的兩個線圈構(gòu)成一個電串聯(lián)或并聯(lián)的線圈組。
上述的繞組方案都是集成的方案，它們可同時產(chǎn)生支承力和轉(zhuǎn)矩，而圖13則表示對于相應(yīng)功能具有分離的繞組組的一種結(jié)構(gòu)。在產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩的兩極的恒磁勵磁時，用三相的、兩極的繞組系統(tǒng)131a-131b、132a-132b和133a-133b。用三相的繞組系統(tǒng)134a-134b，135a-135b和136a-136b可產(chǎn)生一個用于產(chǎn)生支承力的四極的磁通密度分布。在這個方案中也可看出本發(fā)明的特征。
一種很簡單而又廉價的結(jié)構(gòu)可通過一種如圖14所示的機械布置來實現(xiàn)。在這里線圈(141，142，143，144和145)代替定子鐵心包圍定子磁軛(146)。當定子磁軛由扇形段組成時，則可用簡單的成型線圈。單個扇形段可通過一個扇形支架，例如一個與定子輪廓匹配的塑料件，用適當?shù)木o固件進行安裝并定位。
圖14所示的方案具有這樣的優(yōu)點，即在定子齒的氣隙附近范圍內(nèi)沒有從定子面伸出的部分(繞組)。所以在定子的兩個表面上可安裝泵、風扇、鼓風機、通風機或別的設(shè)備的部件，視使用場合而定。
圖15表示這種布置的一個例子、在這里泵殼的一部分直接放在定子齒的表面上。
權(quán)利要求
1.磁性支承的電力傳動系統(tǒng)，包括一個具有繞組的磁性支承的電機，這些繞組放在定子或轉(zhuǎn)子中并用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和支承力；一個用來確定轉(zhuǎn)子位置的傳感機構(gòu)；一個用于該磁性支承電機的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視和饋電的模擬或數(shù)字電子裝置，其中該電機配置的繞組在通電時產(chǎn)生具有極數(shù)p1和p2的磁勢或磁場，p1和p2滿足條件p1＝p2±2，且p1或p2表示轉(zhuǎn)子尤其是恒磁轉(zhuǎn)子的極數(shù)，其特征為，p1極和p2極的磁場或磁勢結(jié)構(gòu)的電機在其定子內(nèi)配置了n個定子鐵心(在集中的繞組時)、定子齒(在分級的繞組時)或定子槽，其中的n不同時是極數(shù)p1和極數(shù)p2的整數(shù)倍數(shù)。
2.按權(quán)利要求1的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，通過定子中心的兩個相互垂直的軸之間的定子扇形段形狀不同。
3.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，定子疊片鐵心斷面最多軸向?qū)ΨQ于定子平面內(nèi)的兩個相互垂直的軸之一。
4.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，通過定子中心的兩個相互垂直的軸之間的繞組扇形段形狀不同。
5.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，繞組配置最多軸向?qū)ΨQ于定子平面內(nèi)的兩個相互垂直的軸之一。
6.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，在一個或多個極距的間隔內(nèi)，兩p1和p2極的至少一個磁勢或繞組磁場在定子或氣隙范圍內(nèi)具有不對稱性或由非周期性的線段組成。
7.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，不對稱的磁勢分布呈階梯形模擬兩個疊加的p1極和p2極的磁勢函數(shù)的變化，其中這兩個函數(shù)的至少一個具有階梯的角度步距，該步距不是一個或兩個極距的整數(shù)倍數(shù)。
8.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，定子繞組完全地或部分地作為分級繞組構(gòu)成，具有由相互錯開的或相互錯接的單個線圈組成的線圈組。
9.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，定子繞組完全地或部分地實施為短節(jié)距繞組，亦即線圈寬度不等于電動機內(nèi)存在的一個極寬度。
10.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，定子繞組由集中的線圈組成，這些線圈分別包圍一個定子鐵心。
11.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，在兩個用集中線圈纏繞的定子鐵心之間至少有一個未纏繞的鐵心或齒。
12.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，用分離的繞組組來實現(xiàn)產(chǎn)生磁性支承的支承力和產(chǎn)生電動機運行的轉(zhuǎn)矩，其中一個繞組組通電只用于產(chǎn)生支承力，而另一個繞組組通電則只用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
13.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，只用一個共同的繞組組來實現(xiàn)產(chǎn)生磁性支承的支承力和電動機運行的轉(zhuǎn)矩，其中該繞組組的線圈用電流啟動，該電流既含有產(chǎn)生支承力的分量又含有產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量。
14.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，該繞組組是這樣設(shè)計的，通過繞組相位用疊加的電流分量通電可同時產(chǎn)生一個用于支承力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場和一個用于轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場或交變磁場。
15.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，用于產(chǎn)生支承力的繞組組實施為旋轉(zhuǎn)磁場繞組。
16.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的繞組組實施為旋轉(zhuǎn)磁場繞組。
17.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的繞組組實施為交變磁場繞組。
18.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，線圈是這樣包圍定子磁軛的，線圈軸基本上沿圓周方向延伸或與通過定子中點的輻射保持垂直，以便在定子鐵心或定子齒的氣隙附近的區(qū)域內(nèi)為機械的或電氣的上部結(jié)構(gòu)尤其是為泵、風扇、鼓風機或通風機部分提供一定的空間。
19.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，定子磁軛機械地分成單獨的區(qū)段并可圍繞線圈進行簡便的安裝。
20.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，定子磁軛的分段按這樣的方式固定在一個安裝支架上，使定子磁軛分段之間形成盡可能小的氣隙。
21.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，電動機配置了一個兩極的或四極的恒磁轉(zhuǎn)子和三個、五個、六個或七個集中的定子線圈，饋入這些線圈的電流既含有產(chǎn)生支承力的分量又含有產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量。
22.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，電動機具有多相，這些相或由單個線圈組成或由電聯(lián)接的線圈組成，特別是由全節(jié)距線圈、短節(jié)距線圈或分級線圈組成。
23.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，電動機各相呈星形連接。
24.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，在電動機各相的星形連接時，中性點不進行電連接。
25.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，電動機各相呈環(huán)形連接。
26.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，各相連接通過功率半橋進行控制。
27.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，各相連接通過功率全橋進行控制。
28.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，分布在定子圓周上的電動機各相的電流分布產(chǎn)生這樣的定子磁勢，即從整個圓周上看，該定子磁勢含有一個p1極可p2極的基波。
29.按前述權(quán)利要求任一項的電力傳動系統(tǒng)，其特征為，該傳動系統(tǒng)具有一個帶恒磁的p1極或p2極的轉(zhuǎn)子。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在三個自由度內(nèi)有效調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子位置的廉價的無磨損的電力恒磁傳動系統(tǒng)。定子繞組在極距內(nèi)通過不對稱的磁勢分布產(chǎn)生不同極數(shù)的疊加磁場。
文檔編號H02K7/09GK1443391SQ01812919
公開日2003年9月17日 申請日期2001年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月16日
發(fā)明者沃爾夫?qū)ぐ⒛啡R恩, 西格弗里德·西爾伯 申請人:列維特龍尼克斯有限責任公司