發電機-制動集成型旋轉機器的製作方法
2023-09-23 23:47:45 1
專利名稱：發電機-制動集成型旋轉機器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種發電機-制動集成型旋轉機器，尤其是涉及一種能夠利用外部旋轉動能產生的電力獲得制動力的發電機-制動集成型旋轉機器。
背景技術：
通常，要求制動力的設備中需要考慮下面的因素。首先，該制動力必須沒有波動。第二，在相同設定值下應獲得相同的制動力。第三，設備必須具有慣性力。第四，制動應在無聲方式下執行。
同時，通過兩個相對運動的物體之間的機械摩擦獲得制動力的設備具有下面所述的問題。也就是，摩擦熱產生，摩擦表面不均勻地磨損，以及制動力由於物理性質的改變而改變。
為處理這些問題，近來，對於採用渦流產生制動力的設備的研究已經展開。在採用渦流的情況下，涉及波動、磨損、噪音等的問題可以得到解決。然而，由於渦流產生的制動力相對於電流、速度、溫度、物理性質等是非線性的，控制制動力是困難的。
為此，採用渦流產生制動力的設備目前只在簡單應用中採用。
例如，公開在美國專利6,084,325的帶有發電和渦流磁阻的組合的制動設備具有可以旋轉的圓盤，布置在該圓盤外面的制動軛和布置在該圓盤裡面的發電機，從而制動力可以通過自生方式提供而無需採用外部電然而，公開在美國專利6，084，325的帶有發電和渦流磁阻的組合的制動設備中，用於產生渦流的螺線管布置在圓盤外面，而發電機布置在圓盤裡面。在這種情況下，儘管制動力可以最大化，氣隙可能由於加工誤差和組裝誤差而發生改變。另外，由於磁鐵附著於圓盤的熱產生部，磁鐵的特性易於隨著時間的流逝而惡化退化。因此，導致的缺點是磁鐵的尺寸增加，以抑制受熱導致的磁鐵特性的改變。進一步地，由於在制動設備中沒有進行慣性補償，引起的另外一個缺點是圓盤的尺寸顯著地增加。而且，由於只使用一個螺線管以獲得充足力矩的事實，螺線管中產生的熱的溫度可能過分地增加，這就很難穩定地控制力矩，因為隨著螺線管溫度的上升電流會發生改變。此外，由於螺線管軛布置在一側，力集中地施加於一側上。因此，用於支撐軸的軸承的功能性可能下降，軸承的有效使用壽命可能縮短。
在另外一個例子中，自主產生制動的裝置公開在美國專利6,581,731中，該裝置具有螺線管軛，其中用於制動的螺線管和用於發電機的螺線管互相集成在芯上。由於該自主產生制動的裝置是芯集成型，在其製造過程中可以減少誤差。然而，制動和發電機的螺線管不是在圓周方向上以規則角度間隔布置的。由於這個原因，在發電中需要用許多磁鐵，並且在發電過程中力矩波動增加了。而且，由於用於制動的螺線管布置在軛的裡面，由渦流產生的制動力矩的大小顯著下降。因此，為防止制動力矩下降，需要具有大量匝數的線圈。
在另一個例子中，發電組和調節驅動機構相組合的磁控加載設備公開在美國專利7,018,324中，金屬導體中產生的渦流量隨著金屬導體和永久磁鐵之間的距離的減小而增加，從而可以提高制動力。該設備採用壓縮彈簧來將磁碟推向飛輪。
然而，由於壓縮彈簧的彈性隨著時間的流逝而改變，金屬導體和永久磁鐵之間的氣隙在馬達的單一旋轉過程中可能變化，從而制動力可能改變。此外，由於氣隙的長度和制動力的大小具有非線性關係，導致難以控制制動的缺點。
發明內容
相應地，本發明旨在解決產生在相關技術中的問題，本發明的目的是提供一種發電機-制動集成型旋轉機器，其中發電機側軛和制動側軛是集成構建的，從而使該旋轉機器的尺寸下降，並減小機械誤差。
本發明的另一目的在於提供一種發電機-制動集成型旋轉機器，其中轉子和圓盤相互儘可能遠地彼此分開，從而可以使基於渦流產生的熱對布置在該轉子上的磁鐵的影響最小化。
本發明的還一目的在於提供一種發電機-制動集成型旋轉機器，其中由徑向磁場力產生的力矢量為零，從而，由線圈溫度升高而引起的制動特性的改變可以得到抑制。
為實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供一種發電機-制動集
成型旋轉機器，其包括慣性圓盤，該慣性圓盤結合到用於旋轉的軸上；
轉子環，該轉子環繞著該軸在該慣性圓盤裡面旋轉，並具有多個安裝到
其圓周的外表面的磁鐵；和層壓軛，該層壓軛布置在該慣性圓盤和轉子
環之間，並具有多個在其圓周外表面上以規則角度間隔分布的制動線圈和多個在其圓周內表面上以規則角度間隔分布的發電機線圈，其中所述
多個發電機線圈各自纏繞在多個從該層壓軛的圓周內表面向內突出的第一線軸上，所述多個制動線圈各自纏繞在多個從該層壓軛的圓周外表面向外突出的第二線軸上，並且其中該層壓軛固定地結合到定子保持架上，且該定子保持架通過軸承結合到該軸上並固定地結合到外殼上。
根據本發明的另一個方面，至少兩個制動線圈布置在層壓軛的圓周外表面上。根據本發明的另一方面，所述制動線圈布置在具有"E"截面形狀的層壓軛的圓周外表面上。
根據本發明的再一方面，所述旋轉機器還包括發電機線圈輸出部，其與發電機線圈電連接；整流部，其用於對從發電機線圈輸出部輸出的交流電壓進行整流；直流供電及控制部，其用於將整流部的輸出電壓轉換為預定的電壓電平並產生用於補償慣性力矩的速度控制信號，以響應用戶的輸入；電流控制部，其用於接收該整流部的輸出並控制輸出到制動線圈輸入部的電流強度，以響應速度控制信號；和顯示部，其用於與該直流供電及控制部通信並顯示旋轉速度。
根據本發明的還一方面，所述直流供電及控制部包括力矩加法器，其用於將用戶輸入的力矩命令值和依賴於慣性圓盤的旋轉速度的慣性力矩相加並輸出補償力矩；電流輸出單元，其用於將從力矩加法器輸出的補償力矩轉換為電流命令；電流加法器，其用於將從電流輸出單元輸出的電流命令與測量得到的實際電流相加；比例積分器，其用於將來自電流加法器的補償電流按比例地積分並將得到的值提供給制動線圈輸入部；旋轉脈衝發生器，其用於測量慣性圓盤的旋轉速度並以脈衝方式輸出旋轉速度值；微分器，其用於對從旋轉脈衝發生器輸出的旋轉速度值進行微分；和慣性力矩輸出單元，其用於對從微分器輸出的角速度與預定的係數相乘並輸出慣性力矩。
本發明上述目的和其它特徵及優點將在閱讀下面結合附圖的具體說明後將變得更加明確，其中-
圖1是根據本發明一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的立體
圖；圖2是描述根據本發明一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的主要部分的分解立體圖3是該發電機-制動集成型旋轉機器的側面剖視圖；圖4a是該發電機-制動集成型旋轉機器的左視圖4b是該發電機-制動集成型旋轉機器的右視圖5是描述根據本發明一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的整個系統的框圖6是根據本發明一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的控制框圖7是根據本發明另一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的正面剖視圖8是根據本發明另一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的側面剖視圖。
具體實施例方式
現在將對本發明的優選實施例作更加具體的標記，其中的例子表示在附圖中。然而儘可能地，相同的附圖標記將在所有附圖中使用並表示相同或相似的部件。
圖1是根據本發明一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的立體圖，圖2是描述根據本發明一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的主要部分的分解立體圖，圖3是該發電機-制動集成型旋轉機器的側面剖視圖，圖4a是該發電機-制動集成型旋轉機器的左視圖，而圖4b是該發電機-制動集成型旋轉機器的右視圖。
在根據本發明一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器中，慣性圓盤120結合到軸110上。在一個例子中，該慣性圓盤120可以通過裝配結合到該軸110上。在另外一個例子中，該慣性圓盤120可以採用鍵結合到該軸110上。如在圖中示出的，在本實施例的一個例子中，轉子環170可以結合到慣性圓盤120上。在另外一個例子中，該轉子環no可以使用鍵直接結合到軸110上。這裡，該慣性圓盤120由金屬材料製成，
該金屬材料可以通過渦流提高制動力。
帶輪100可以布置在軸110的一端上。多個磁鐵160以表面安裝方式附著於轉子環170的圓周外表面上。在本實施例中，所述磁鐵160可以包括鐵素體磁鐵。層壓軛130布置在慣性圓盤120和有磁鐵160附著於其上的轉子環170之間，其狀態為該層壓軛130固定地結合到定子保持架180上。該定子保持架180通過軸承107結合到軸110上並固定地結合到外殼190上。
在本實施例中，該層壓軛130包括多個從其圓周內表面向內突出的第一線軸和多個從其圓周外表面向外突出的第二線軸。發電機線圈150纏繞在所述多個第一線軸上，而制動線圈140纏繞在所述多個第二線軸上。也就是說，所述多個發電機線圈150以規則角度間隔分布在該層壓軛130的圓周內表面，而所述多個制動線圈140以規則角度間隔分布在該層壓軛130的圓周外表面。另外，儘管在圖2中示出了六個制動線圈140，本發明不限於一個明確的線圈數。也就是說，只要用於產生渦流的電磁鐵線圈一致地以規則角度間隔分布，所述制動線圈140可以為奇數個或偶數個。
圖5是描述根據本發明一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的整個系統的框圖。
根據本發明一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的系統包括發電機線圈輸出部151;用於整流從發電機線圈輸出部151輸出的交流電壓的整流部530;電流控制部540，其用於接收整流部530的輸出並控制輸出到制動線圈輸入部141的電流強度，以響應速度控制信號；直流供電及控制部520，其用於將整流部530的輸出電壓轉換為預定的電壓電平並響應用戶的輸入而產生速度控制信號；和顯示部510，該顯示部用於與控制部520通信並顯示旋轉速度。
根據本實施例，當外部旋轉力傳送到軸110並使軸110旋轉時，安裝到轉子環170上並與軸110集成的磁鐵160和發電機線圈150之間進行磁相互作用並產生電。當發電機線圈150產生的電壓達到臨界點(threshold)時，控制部520和顯示部510被激活。
圖6是根據本發明一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的控制框圖。
根據本發明一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的系統包括力矩加法器610，其用於將用戶輸入的力矩命令值和依賴於慣性圓盤120的旋轉速度的慣性力矩相加並輸出補償力矩；電流輸出單元620，其用於將補償力矩轉換為電流命令；電流加法器630，其用於將從電流輸出單元620輸出的電流命令與測量得到的實際電流相加；比例積分器640，其用於將來自電流加法器630的補償電流按比例地積分並將得到的值提供給制動線圈輸入部141;旋轉脈衝發生器650，其用於測量慣性圓盤120的旋轉速度並以脈衝方式輸出旋轉速度值；微分器660，其用於對從旋轉脈衝發生器650輸出的旋轉速度值進行微分；和慣性力矩輸出單元670，其用於將從微分器660輸出的角速度與預定的係數相乘並輸出慣性力矩。
在該發電機-制動集成型旋轉機器的系統中，由於渦流產生的制動力的大小作為慣性圓盤的旋轉速度和流過制動線圈的電流的函數而被決定，通過測量這兩個要素，控制制動力是可能的。
當假設發電機通過預定負載電流產生的預定力矩和由除制動器外的控制元件消耗的電力是常數時，通過測量流過制動器的電流，可以計算出發電機的力矩分量。該電流控制部540通過與外面的通信或響應於通過用戶界面設定的制動命令執行電流控制，這樣實現了恆力矩控制。其間，當從外部輸入的速度和慣性圓盤的旋轉速度之間具有差值時，就會發生加速或減速，需要使用實際的慣量補償算法。該慣量補償算法是控制算法，當圓盤的旋轉慣量設計為小於旋轉速度比率時，該算法使得在實際運行條件下用戶感覺到相同的慣量。當減速發生、力矩從外部提供並用於維持旋轉運動時，該旋轉慣量用作預定的力矩係數。
圖7是根據本發明另一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的正面剖視圖，而圖8是根據本發明另一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器的側面剖視圖。
根據本發明另一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器包括軸承705、軸710、慣性圓盤720、層壓軛730、制動線圈740、發電機線圈750、磁鐵760、轉子環770、定子保持架780和外殼790。
根據本實施例的發電機-制動集成型旋轉機器與圖1-圖4中所示的實施例結構基本相似。然而，在圖l-圖4中所示的根據本發明一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器中，六個制動線圈140分布在層壓軛130的圓周外表面上，在圖7和圖8中示出的根據本發明另一個實施例的發電機-制動集成型旋轉機器中，兩個制動線圈740分布在層壓軛730的圓周外表面上。
在本實施例中，其上分布有制動線圈740的該層壓軛730布置在慣性圓盤的圓周內表面上，同時具有"E"形剖面形狀，從而關於磁路上的磁通量的閉環長度可以減少，從而可以減小磁場損失。
在根據本發明的發電機-制動集成型旋轉機器中，由於發電機側軛和制動側軛是集成構建的，旋轉機器的尺寸可以降低且機械誤差可以減小。在發電機側產生的磁通量不對制動力的均勻性施加實質影響。
另外，在根據本發明的發電機-制動集成型旋轉機器中，由於由渦流產生的制動力以熱能方式傳送到慣性圓盤上，通過將轉子和慣性圓盤分離的儘可能遠，可以最小化由渦流產生的熱對布置在轉子上的磁鐵的影響。
進一步地，在根據本發明的發電機-制動集成型旋轉機器中，通過一致地以規則角度間隔布置用於產生渦流的電磁鐵線圈，由於徑向磁場力的最終力矢量變為零，由於線圈溫度上升引起的制動特性的改變可以得到抑制。
而且，在根據本發明的發電機-制動集成型旋轉機器中，由於能夠實現恆力矩控制，實現了制動的特性。
儘管為示例目的描述了本發明的優選實施例，本領域技術人員可以理解，只要不脫離本發明的範圍和精神的，各種修改、添加和替代都是可能的，這已在伴隨的權利要求書中所公開。
權利要求
1、一種發電機-制動集成型旋轉機器，其特徵在於，包括慣性圓盤，該慣性圓盤結合到用於旋轉的軸上；轉子環，該轉子環繞著該軸在該慣性圓盤裡面旋轉，並具有多個安裝到其圓周外表面的磁鐵；和層壓軛，該層壓軛布置在該慣性圓盤和轉子環之間，並具有多個在其圓周外表面上以規則角度間隔分布的制動線圈和多個在其圓周內表面上以規則角度間隔分布的發電機線圈，其中所述多個發電機線圈各自纏繞在多個從該層壓軛的圓周內表面向內突出的第一線軸上，並且所述多個制動線圈各自纏繞在多個從該層壓軛的圓周外表面向外突出的第二線軸上，並且其中該層壓軛固定地結合到定子保持架上，且該定子保持架通過軸承結合到該軸上並固定地結合到外殼上。
2、 根據權利要求l所述的旋轉機器，其特徵在於，至少兩個制動線圈布置在所述層壓軛的圓周外表面上。
3、 根據權利要求2所述的旋轉機器，其特徵在於，所述制動線圈布置在具有"E"截面形狀的層壓軛的圓周外表面上。
4、 根據權利要求2所述的旋轉機器，其特徵在於，所述慣性圓盤通過裝配結合到所述軸上。
5、 根據權利要求2所述的旋轉機器，其特徵在於，所述慣性圓盤採用鍵結合到所述軸上。
6、 根據權利要求4或5所述的旋轉機器，其特徵在於，所述轉子環固定地結合到慣性圓盤上。
7、 根據權利要求4或5所述的旋轉機器，其特徵在於，所述轉子環固定地結合到所述軸上。
8、 根據權利要求4或5所述的旋轉機器，其特徵在於，所述多個安裝到轉子環上的磁鐵是以表面安裝方式附著的。
9、 根據權利要求l所述的旋轉機器，其特徵在於，還包括發電機線圈輸出部，該發電機線圈輸出部與發電機線圈電連接；整流部，該整流部用於對從發電機線圈輸出部輸出的交流電壓進行整流；直流供電及控制部，該直流供電及控制部用於將整流部的輸出電壓轉換為預定的電壓電平並產生用於補償慣性力矩的速度控制信號，以響應用戶的輸入；電流控制部，該電流控制部用於接收該整流部的輸出並控制輸出到制動線圈輸入部的電流強度，以響應速度控制信號；和顯示部，該顯示部用於與該直流供電及控制部通信並顯示旋轉速度。
10、 根據權利要求9所述的旋轉機器，其特徵在於，所述直流供電及控制部包括力矩加法器，該力矩加法器用於將用戶輸入的力矩命令值和依賴於慣性圓盤的旋轉速度的慣性力矩相加並輸出補償力矩；電流輸出單元，該電流輸出單元用於將從力矩加法器輸出的補償力矩轉換為電流命令；電流加法器，該電流加法器用於將從電流輸出單元輸出的電流命令與測量得到的實際電流相加；比例積分器，該比例積分器用於將來自電流加法器的補償電流按比例地積分並將得到的值提供給制動線圈輸入部；旋轉脈衝發生器，該旋轉脈衝發生器用於測量慣性圓盤的旋轉速度並以脈衝方式輸出旋轉速度值；微分器，該微分器用於對從旋轉脈衝發生器輸出的旋轉速度值進行微分；和慣性力矩輸出單元，該慣性力矩輸出單元用於將從微分器輸出的角速度與預定的係數相乘並輸出慣性力矩。
全文摘要
一種發電機-制動集成型旋轉機器，其包括慣性圓盤，該慣性圓盤結合到用於旋轉的軸上；轉子環，該轉子環繞著該軸在該慣性圓盤裡面旋轉，並具有多個安裝到其圓周的外表面的磁鐵；和層壓軛，該層壓軛布置在該慣性圓盤和轉子環之間，並具有多個在其圓周外表面上以規則角度間隔分布的制動線圈和多個在其圓周內表面上以規則角度間隔分布的發電機線圈。所述發電機線圈纏繞在從該層壓軛的圓周內表面向內突出的第一線軸上，並且所述制動線圈纏繞在從該層壓軛的圓周外表面向外突出的第二線軸上。該層壓軛固定地結合到定子保持架上，後者依次通過軸承結合到該軸上並固定地結合到外殼上。
文檔編號H02K49/00GK101567602SQ200810172529
公開日2009年10月28日 申請日期2008年10月27日 優先權日2008年4月25日
發明者徐晉圭 申請人:Adt株式會社