驅動電機的製作方法

2023-05-20 02:15:36 1

專利名稱：驅動電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種由形成驅動系統的定子和轉子構成的驅動電機，為該驅動系統配 置一個用於對運動部分上的負載供應能量的能量傳輸系統，其中驅動功能和能量傳輸功能 最大程度上互相獨立。
背景技術：
這樣的驅動電機例如按照同步電機或異步電機的原理構造並且可以用於直線或 旋轉驅動。驅動電機由定子和運動的轉子構成。在一些應用情況下，如在工具機和工作母機 中，必需將電能(例如以機軸或轉軸形式的)傳輸到轉子上。電能除了別的之外可以用於 安全裝置、傳感器、數據傳輸系統或執行機構(例如用於工具的張緊)的供電。需要合適的能量傳輸系統用於驅動電機中的能量傳輸。必須將這樣的能量傳輸系 統集成到驅動電機中或者分離地構造。例如，可以利用電耦合進行電能到轉子上的傳輸。在此，例如可以使用簡單可靠的 滑環，然而需要極大的維護開銷。此外需要用於滑環的空間。電耦合的一種替換可能性是， 使用拖拽電纜。在此問題是可能的扭轉角受到限制和通過電纜的持續彎曲負荷導致電纜斷 裂的危險。替換地，可以通過感應耦合將電能傳輸到轉子。電耦合的所述問題可以利用感應 耦合來避免。在此，初級三相電流繞組(初級繞組)位於驅動電機的定子上並且第二繞組 (次級繞組)位於驅動電機的轉子上。饋入裝置(例如頻率轉換器)將三相的電壓系統饋 入到初級繞組中。為了提高效率，將繞組布置在鐵磁的有效部件(Aktivteil)中或繞著鐵 氧體磁芯纏繞。如果除了要將電能傳輸到轉子之外還需要驅動，則將上面描述的感應傳輸器例如 法蘭安裝在電機上。由此需要附加的空間。此外用於電機和傳輸器的兩個有效部件產生不 期望的高成本。為了避免這點，在DE102005024203A1中公知一種這類的驅動電機，其中驅動系統 和能量傳輸系統的電繞組安裝在共同的有效部件中，然而其中驅動功能和能量傳輸功能互 相獨立。在此感應地將能量傳輸到轉子，由此能量傳輸和電機驅動的去耦合運行是可能的。 設置兩個逆變器，其分別根據需要從共同的電壓中間電路或從分離的電壓中間電路獲得電 能。一個逆變器負責電機另一個逆變器負責能量傳輸。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，提供一種驅動電機，其具有優勢地擴展現有技術中 公知的驅動電機並且以結構上更簡單的方式將電能感應地傳輸到轉子上。本發明通過一種具有權利要求1的特徵的驅動電機解決上述技術問題。優選的實 施方式在從屬權利要求中給出。本發明實現一種由形成驅動系統的定子和轉子構成的驅動電機，在該驅動系統中配置用於對轉子上的負載供應電能的能量傳輸系統，其中驅動功能和能量傳輸功能最大程 度上互相獨立。在此，使用氣隙場中的分諧波的氣隙場分量(所謂的分諧波)，用於將電能 傳輸到轉子繞組。本發明允許將能量傳輸集成在電機的有效部件，由此可以按照結構上更簡單的方 式製造該電機。由此不需要附加的空間用於將電能傳輸到轉子。此外還確保了，驅動和能 量傳輸功能最大程度地互相去耦合。感應的能量傳輸與基於滑環的解決方案相比確保了低 的成本和維護開銷。此外，通過感應的能量傳輸，不產生電刷磨損，由此同樣減小了維護開 銷並且確保了高的衛生標準。不存在由於電刷換向或更換拖拽電纜帶來的停機費用。同樣 消除了在使用拖拽電纜的情況下扭轉角受限制的缺點。按照本發明的驅動電機允許任意的 扭轉角。此外，感應的能量傳輸還可以應用於有爆炸危險的領域中。在一種合適的實施方式中，定子具有一個共同的有效部件，其包括一個用於驅動 和能量傳輸功能的(共同的)定子繞組，電機電流系統和與電機電流系統重疊並且與之不 同的能量電流系統可以饋入其中。相對於在DE102005024203A1中描述的驅動電機，在定子 上僅需一個唯一的繞組，其既用於驅動又用於能量傳輸功能。由此，相對於現有技術可以更 緊湊和結構上更簡單地構造按照本發明的驅動電機。按照另一個實施方式，定子繞組是鋸齒狀線圈繞組。鋸齒狀線圈繞組總是分數槽 繞組。因此，定子繞組的槽數(Lochzahl)通過分數(gebrochene Zahl)形成。分數槽繞組 具有在氣隙場中也產生分諧波的特性。這樣的分諧波的氣隙場分量被用於將電能傳輸到轉 子繞組。轉子特別地包括用於驅動功能的永久磁鐵和用於能量傳輸功能的轉子繞組。按照 該實施方式，電氣驅動系統基於永久激勵的同步電機，其中，如所解釋的，對於定子繞組僅 需要一個唯一的有效部件(例如，疊片鐵芯)，用於既提供驅動又提供能量傳輸功能。按照另一個實施方式，轉子繞組的極對數相應於氣隙場的分諧波的極對數。相反 地，這樣選擇永久磁鐵的極對數，使得其相應於由定子繞組形成的極對數，理想地在最大可 能的繞組因數的情況下。由此可以提供更有效的驅動。可以將永久磁鐵可選地設置在驅動電機的氣隙中或者埋藏在轉子中。為了產生電機電流系統和能量電流系統，變流器(例如變頻器)與定子繞組耦 合。與現有技術中的驅動電機相反，在此唯一的變流器足以提供電機電流系統和能量電流 系統，由此可低成本地提供按照本發明的驅動電機。合適地，能量電流系統與電機電流系統 相比，具有更高的頻率。雖然更高頻的能量電流系統導致擺錘式力矩，然而該擺錘式力矩由 電機的慣性衰減。在此在其頻率中這樣選擇優選的低頻的電機電流系統，使得在轉子側的 「能量繞組」(轉子繞組)不會通過電機電流產生不期望的效果。當電機電流不傳輸功率並 且能量電流不產生力矩時，就是這種情況。


以下藉助附圖中的實施例詳細解釋本發明。其中，圖1示出了一種示意性的驅動電機。
具體實施例方式唯一的圖1示出了一種示意性的驅動電機，其中，按照本發明使用一個分諧波的 氣隙場，用於將電能傳輸到驅動電機的轉子。驅動電機1包括定子2以及轉子3。該驅動電機可以用於直線或旋轉驅動。能量 傳輸系統由定子2中的定子繞組4以及轉子3中的轉子繞組5構成。驅動系統通過定子繞 組4和在轉子3中或之上的永久磁鐵6構成。定子2和轉子3以公知的方式通過氣隙9互 相分離。定子繞組通過在圖中未示出的變流器連接到一相的或三相的電網。與轉子繞組5 連接了同樣未示出的電氣負載(耗電器)。負載例如可以是安全裝置、傳感器系統或執行機 構系統。可選地，可以在轉子繞組5和電氣負載之間設置電壓中間電路，其由整流器饋電。 其後可以連接升壓變壓器、降壓變壓器或逆變器。電壓中間電路本身被提供以在轉子繞組 5的端子上傳輸的功率。如容易看出的，驅動電機基於永久激勵的同步電機的原理，其中將電能感應地傳 輸到轉子3。在此，對於驅動電機1的特徵是，對於定子繞組4僅需一個唯一的有效部件。 有效部件例如可以通過疊片鐵芯構成。在該實施例中其攜帶按照鋸齒狀線圈技術構造的三 相的定子繞組4。如下計算定子側的旋轉磁場繞組的槽數q
N ζq =--=—⑴『
2-m · ρ η其中，N表示定子槽數，m表示相數並且ρ表示極對數。ζ是槽數的分子，η是槽數 的分母。m通常為3。因為鋸齒狀線圈繞組總是分數槽繞組，所以槽數q表示一個分數。本 發明利用對於分數槽繞組的如下典型特徵也能夠產生氣隙場中的分諧波的分量，因為分 諧波的氣隙場分量(也稱為分諧波)被用於將電能傳輸到轉子系統。為了實現驅動電機的驅動，轉子3攜帶具有極對數pM的永久磁鐵6，其相應於定子 繞組4的極對數pM。在此有意義的是，使用其繞組因數儘可能大的那些極對數Pm，以便實現 有效的驅動。轉子繞組5的極對數Pe相應於選擇的分諧波的極對數Pe。下標「Μ」和「Ε」表 示驅動電機1的電機功能或能量功能。一般地如下計算由交流分數槽繞組產生的極對數ν V = p + 2-m-^-g,g = 0，士 1，士2，士3，... 0)，
η其中，ν是出現的諧波的極對數，P是極對數，m是相數，η是等式(1)中的槽數q 的分母，g是諧波的順序參數。由定子繞組4產生的極對數pM被作為基本磁場極對數定義(參見附圖標記7)。如 所解釋的那樣，其應該對於有效的驅動具有一個儘可能大的繞組因數。相應於該極對數Pm 設計可以埋藏或設置在驅動電機1的氣隙9中的磁鐵6。轉子繞組5必須與定子繞組4的 分諧波耦合。相應地選擇轉子繞組5的極對數Pe。通過開頭提到的變流器利用電機電流系 統對定子繞組饋電。附加地，通過該變流器對與電機電流系統重疊的更高頻的能量電流系 統饋電。由電機的轉子的慣性來衰減由更高頻的能量電流系統產生的擺錘式力矩。示例性的驅動電機可以按照如下構造定子齒數N = 24，電機功能的極對數pM = 10，
5
相數m= 3。按照等式(1)得到定子繞組的槽數
N 24 2…qt ---== 7(3)『
2-m-ρ 2-3-10 5按照等式⑵可以得到如下的極對數
6.10
權利要求
1.一種由形成驅動系統的定子(2)和轉子(3)構成的驅動電機(1)，為該驅動系統配 置一個用於對轉子上的負載供應能量的能量傳輸系統，其中，驅動功能和能量傳輸功能最 大程度上互相獨立，其特徵在於，使用分諧波的氣隙場分量，用於將電能傳輸到轉子繞組(5)。
2.根據權利要求1所述的驅動電機，其特徵在於，所述定子(2)具有一個共同的有效部 件，其包括一個用於驅動和能量傳輸功能的定子繞組(4)，電機電流系統和與電機電流系統 重疊並且與之不同的能量電流系統饋入該定子繞組中。
3.根據權利要求2所述的驅動電機，其特徵在於，所述定子繞組(4)是鋸齒狀線圈繞組。
4.根據上述權利要求中任一項所述的驅動電機，其特徵在於，所述轉子(3)包括用於 驅動功能的永久磁鐵(6)和用於能量傳輸功能的轉子繞組(5)。
5.根據上述權利要求中任一項所述的驅動電機，其特徵在於，所述轉子繞組(5)的極 對數(Pe)相應於氣隙場的分諧波的極對數(Pe)。
6.根據上述權利要求中任一項所述的驅動電機，其特徵在於，這樣選擇所述永久磁鐵 (6)的極對數(pM)，使得其相應於由定子繞組(4)形成的極對數(pM)。
7.根據上述權利要求中任一項所述的驅動電機，其特徵在於，所述永久磁鐵設置在所 述驅動電機(1)的氣隙(9)中。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的驅動電機，其特徵在於，所述永久磁鐵(6)被埋 藏在所述轉子(3)中。
9.根據權利要求2至8中任一項所述的驅動電機，其特徵在於，變流器與所述定子繞組 (4)耦合，以產生電機電流系統和能量電流系統。
10.根據權利要求2至9中任一項所述的驅動電機，其特徵在於，所述能量電流系統與 所述電機電流系統相比具有更高的頻率。
全文摘要
本發明涉及一種由形成驅動系統的定子(2)和轉子(3)構成的驅動電機(1)。為該驅動系統配置一個用於對轉子上的負載供應能量的能量傳輸系統(5)，其中驅動功能和能量傳輸功能最大程度上互相獨立。為了將電能傳輸到轉子繞組(5)，使用分諧波的氣隙場分量。
文檔編號H02K11/00GK102067410SQ200980122903
公開日2011年5月18日 申請日期2009年3月26日 優先權日2008年4月18日
發明者格哈德·胡思, 馬庫斯·萊因哈德 申請人:西門子公司