CN100341230C - 分段式结构的力矩电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种力矩电动机，它具有一个环形转子(15)和一个环形定子(2)，定子包括一个带铁芯和安装在铁芯上的电绕组的定子框。按本发明，铁芯(10)和电绕组(11)安装在一个或多个独立的定子段(3)内，其中每个所述定子段(3)只在定子框内占一个预定的角度区≤180°并且可拆地与定子框连接。优选地设有多个定子段(3)，它们在定子框内各占一个角度区≤45°。

Description

分段式结构的力矩电动机
技术领域
本发明涉及一种力矩电动机，它具有一个环形转子和一个环形定子，定子包括一个带铁芯和安装在铁芯上的电绕组的定子框。
背景技术
除了传统的转子式电动机外，它们的驱动功能通过传动元件的中间连接满足，在完全不同的技术领域越来越多地采用所谓直接驱动，其中，备用的驱动力在没有传动元件中间连接的情况下提供要运动的构件。上述类型的所谓力矩电动机(已知也称为Torquemotor)也属于这些直接驱动装置。
由公司文件“Direct Drives & Systems”(ETEL S.A公司，瑞士，版本1.1-01/07/99)已知一种力矩电动机，它有一固定的定子框和一个环形的在定子框内部运转的转子。转子由转子框和固定在转子框上的永久磁铁组成，永久磁铁提供持续的励磁。同样为环形结构的定子有一个铁芯和装在铁芯上的电绕组。在定子环的外侧固定冷却元件，它们与水冷装置连接。这种电动机在直径为2.5m时产生约10000Nm的扭矩。除了提供大的力外，这种力矩电动机允许精确定位、大的加速度和大的速度范围。当然，与其他大型电动机中一样，在这里也存在这样的问题，即，必须加工、运输和组装非常大和重的旋转零件，因此对生产成本有巨大的影响。因为这种直接驱动装置经常使用于昂贵的总设备内，所以电动机的可靠性是另一个重要的准则。最重要的故障源之一认为是，电动机的电绕组受损以及例如在各圈之间出现短路。在这种情况下必须分解整台电动机，以便更换电绕组。通常，各圈封闭在一种由合成树脂、滴浸漆或类似材料构成的浇注材料内，所以只能完全替换整个电绕组。基于直接驱动装置的尺寸；所以拆卸麻烦。因为直接驱动装置是复杂设备的重要组成部分，所以当产生这种故障时设备在整个修理期间都不能使用。
由US 4,315,171已知一种步进电动机，其中定子再分成一个个分段。此已知电动机的目的是，通过定子的分段化，更有效地利用制造叠片铁芯需要的材料，从而降低生产成本，与此同时不应明显地影响电动机的有效功率。为了达到此目的，将圆形的定子再分成多个扇形段，它们的铁芯因此只包括圆段，从而减少制造时产生的废料。各扇形段然后组合成一个定子，在这种情况下所有分段装在唯一的一个公共外壳内。电绕组为了使电动机有持久的工作能力必须固定在外壳内，这通常通过将绕组浇注在外壳内实现。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种力矩电动机，它允许更换电绕组个别段，没有因分解引起电绕组的损坏以及无需分解整个定子，与此同时，在其原先的生产后，亦即当使用条件变换时，仍能够适应改变后的功率需求。
此目的和其他目的通过本发明的力矩电动机达到。此力矩电动机具有一个环形转子和一个环形定子，定子包括一个带铁芯和安装在铁芯上的电绕组的定子框。此力矩电动机的特征主要在于，铁芯和电绕组装在一个或多个独立的定子段内，其中每个所述定子段：设计为能独立工作；包括一个自己的外壳，外壳内安装一个定子段自己的铁芯和一个定子段自己的电绕组；只在定子框内占一预定的角度区≤180°；以及可拆地与定子框连接，即，可与其它定子段无关以及不损伤其电绕组(11)和定子框地装入和拆出。
按本发明的力矩电动机突出的优点是，各定子段有比由这些分段组成的定子小得多的尺寸。各分段完全可以使用传统的机床加工。同样，分解成段的电动机的运输也没有任何困难。力矩电动机的定子可以直接在使用地点组装，只要将定子段固定在定子框内规定的位置上。本力矩电动机还有一个优点，当电绕组内有缺损的情况下，只须拆下含有绕组有缺陷的部分的定子段。电动机保持其余部分的完整性和工作能力。若在相应于此结构的设备中注意保持这些定子段的良好可及性，则可以拆卸有故障的分段，无须从设备中取出整台电动机。此外，这种电动机的修理可以非常迅速地完成，因为只需将一个新的定子段装到故障段的位置上。
最后，按本发明的力矩电动机提供了一优点，即，可以用同类的定子段构建成不同的电动机，它们的功率取决于装入定子段的数量。在定子内可以使用不同数量的分段，在这种情况下不破坏电动机的工作能力。为达到全部有效功率，定子框沿其整个圆周配备定子段。若较小的功率便够了，那么在各定子段之间可以留下空位，当然此时应注意到为电动机无故障运行所需的极数。
按一种优选的实施方式，设有多个定子段，它们在定子框内各占一个角度区≤45°。一般而言，若只装唯一的一个定子段，它在定子框内占一个小的分区例如10°到30°，力矩电动机仍有工作能力。这一设计可尤其应用于只需要低的转速和小的力矩，但另一方面追求高的精度的情况下。
按力矩电动机的一种有利的实施形式，环形转子由转子框和固定在转子框上的永久磁铁组成。由此提供永久励磁场，从而不需要向转子的励磁绕组供电。由于这样一来取消了电的滑动接触，所以该力矩电动机只需小的维护工作量。
按一种进一步发展的实施形式，多个定子段的电绕组通过电连接元件互相电联接，其中，连接元件可拆地在定子段之间延伸。各绕组电联接的方式取决于所选择的工作类型。例如多个绕组可以并联成单元，这些单元本身连接成串联电路。连接元件可例如通过插塞或螺钉连接装置实现。由此可以快速拆卸各定子段。
一种特别有利的实施形式的特征在于，定子框包括一个下定子环和一个上定子环，定子段定位在它们之间。特别有利的是，在下定子环与上定子环之间垂直延伸多个框隔板，定子段固定在框隔板上。此外，框隔板决定了下定子环与上定子环之间的距离，从而在需要时也可以取下全部定子段，以便例如实施维护工作。但一般而言也可以只使用上定子环或下定子环，因为定子段设计为自支承式的并因而可以同时承担框架的功能。若通过彼此邻接的定子段构成一个封闭的定子，则在需要时可以完全取消下定子环和上定子环。
按一种优选的实施方式，多个框隔板基本上垂直于定子环地在下定子环与上定子环之间延伸并用于固定定子段。
为了能方便地实施定子段的圆形定向，恰当的是框隔板有互成夹角的侧面，因此这些侧面处于定子不同的径向平面内。也可以使用设计为不同厚度的框隔板，由此有可能改变定子段的准确位置。其结果是可以最佳地调整例如在电动机工作时产生的止动力(Rastkrfte)。
按一种优选的力矩电动机实施形式，在每个定子段内的铁芯上设三个线圈，它们分别与相邻定子段所属的线圈联接。因此，本力矩电动机设计为三相交流同步电动机(Drei-Phasen-Wechselstrommotor)。一般而言，为了控制力矩电动机，可考虑使用众所周知的用于直接驱动装置的控制方法和调整装置。
为了通过电绕组能产生大的磁场强度，又不会造成各电磁线或各自的绝缘的损坏，有利的是在每个定子段上固定一个冷却体，它有一个流过冷却剂的流动通道。在最简单的情况下冷却可通过形成空气流进行。对于更高的要求，可通过密封的流动通道引入液态冷却剂。在这种情况下，相邻定子段的流动通道借助可拆的通道连接件互相串联，以便也能快速地分解各定子段。在需要的情况下拆除通道连接件和电连接元件，以便取出一个定子段。若在没有这个定子段时电动机应继续运行，则装入跨接件，以便能在现在通过空位相邻的定子段之间实现电联接和冷却剂的继续导引。
按一种优选的实施方式，在每个定子段上固定一个冷却体，它具有至少一个流过冷却剂的流动通道。
此外，力矩电动机特殊的实施形式中在每个定子段内有一些温度传感器和一个集成的测量系统，借助测量系统可以检测转子与定子之间的相对和/或绝对位置。所提供的测量值由电动机控制器评估，在这方面可采用传统的方法。
附图说明
其他优点、详情和进一步发展由下面参见附图对本发明优选实施形式的说明中给出。其中：
图1按本发明的力矩电动机简化的侧视图；
图2定子段从上面看的剖切详图；
图3力矩电动机剖切侧视图；以及
图4组装好的力矩电动机俯视图。
具体实施方式
图1表示按本发明的力矩电动机1侧视图。图示的实施形式涉及一种同步电动机，它有一个在外面的环形定子2。定子2由多个定子段3组成，为了简化起见图中只详细表示了其中在中央的三个定子段。在图示的实施形式中，定子段3排列成行以及布置在定子的整个圆周上。按一种与之不同的实施形式，可以例如取消每第二个定子段或也可以使用更少的定子段。
一个下定子环4构成定子的下部终端，各定子段3装在下定子环上。定子段在其上侧被一个上定子环5覆盖。在图1所示的实施形式中，定子环4、5用于支承定子段和提高整个定子的稳定性。按其他的实施形式可以取消一个或两个定子环，只要定子段借助其他装置能保证其定位和固定。
各定子段3互相通过电连接元件(图中未表示)和通过可拆的通道连接件6互相连接，它们的功能在后面说明。
图2中表示的详图，在一个从上面看的剖面图中表示一个单个的定子段3，它固定在定子内。按图示的实施形式，定子段3的固定借助在两个侧面框隔板8上的螺钉7实现，框隔板在下定子环4与上定子环5之间垂直延伸。按不同的实施形式，定子段例如也可以借助夹紧或卡锁连接装置固定在定子内。
由图2还可看出，框隔板8有互成锐角延伸的侧面，它们分别处于定子的径向平面内。由此定子段可以准确地角向定位，以建成定子2的圆形横截面。此外可以看出，可以使用不同厚度的框隔板8，从而能改变相邻定子段3之间的距离。通过恰当选择有适合厚度的框隔板，定子段可以如此装在定子框的里面，即，使得在运行时形成的磁极有期望的最佳位置。
铁芯10和电绕组11处于定子段3内部。按图示的实施形式，在每个定子段内通过电绕组构成三个线圈，从而通过三相电流控制力矩电动机。电绕组11在定子段3内部可以按传统的方式用合成树脂材料、浇注漆或类似材料浇注或包封。定子段3的外壳可例如用铝制造。
此外，在定子段3外侧固定一冷却体12，它用于改善从电绕组11的散热。冷却体12例如仍用螺钉7固定在定子段3上。在冷却体12内部延伸一个流动通道，冷却剂在流动通道内流动。在图1中可看到的通道连接件6用于联接相邻定子段各自的流动通道，以及在拆除一个定子段时它们也必须暂时除去。
为能从定子框取下图2所示的定子段，这例如在此定子段内的电绕组发生故障的情况下可能要求的，此时只须拆除将定子段3固定在框隔板8上的螺钉7。同样也必须除去与相邻定子段的通道连接件6和电连接元件。接着定子段可以顺利地从电动机取下，以便用一个能工作的定子段代替。
图3表示力矩电动机1的剖切侧视图。在外面的定子2内装多个定子段3。此外，力矩电动机还有一个环形转子15，它可按传统的方式设计为永久励磁的内转子。定子与转子之间的联接，按图示的举例通过轴承16实现，轴承与电动机的具体使用目的相适应。此外可以设一个测量系统17，以提供位置值。
下定子环和上定子环4、5可以由多个环段组成，这样可以更方便地加工按较大的实施形式的定子环。
图4表示组装好的力矩电动机从上方看的视图。多个可拆的通道连接件6连接各相邻定子段3的冷却系统。为了实施必要时需要的维护工作，在电动机罩内设维修口18。通过电接头19进行电动机电流的输送和提取由测量系统17提供的测量数据。同样可在此位置读出温度传感器(图中未表示)的数据，温度传感器设在每个定子段内，以监测电绕组的工作温度。通过定子段3冷却体12流动的冷却剂经流入和流出接头20导引。
按本发明的力矩电动机可以设计为不同的尺寸和有不同的功率值。通过为电动机基本上可任意配备更多或更少的定子段，可使电动机功率无可指摘地适应于期望的使用目的。已经组合在设备内的力矩电动机，当功率需求增大时，必要时可通过附加的定子段增强，只要在原先的设计中已经设有用于附加的定子段的相应的安装位置。还可以设想另一些修改，用于在结构上适应于任何使用状况。
附图标记一览表
1  力矩电动机
2  定子
3  定子段
4  下定子环
5  上定子环
6  可拆的通道连接件
7  螺钉
8  框隔板
10 铁芯
11 电绕组
12 冷却体
15 转子
16 轴承
17 测量系统
18 维修口
19 电接头
20 流入和流出接头

Claims (15)

1.力矩电动机(1)，具有一个环形转子(15)和一个环形定子(2)，定子包括一个带铁芯和安装在铁芯上的电绕组的定子框，其特征为：铁芯(10)和电绕组(11)安装在一个或多个独立的定子段(3)内，其中每个所述定子段(3)：
·设计为能独立工作；
·包括一个自己的外壳，外壳内安装一个定子段自己的铁芯(10)和一个定子段自己的电绕组(11)；
·在定子框内占一预定的角度区≤180°；
·以这样的方式与此定子框可拆地连接，即，可与其它定子段无关以及不损伤本定子段的电绕组(11)和定子框地装入和拆出。
2.按照权利要求1所述的力矩电动机，其特征为：设有多个定子段(3)，它们在定子框内各占一个角度区≤45°。
3.按照权利要求1或2所述的力矩电动机，其特征为：环形转子(15)由一个转子框和固定在转子框上的永久磁铁组成。
4.按照权利要求1所述的力矩电动机，其特征为：多个定子段(3)的电绕组(11)通过电连接元件互相电联接，连接元件可拆地在定子段(3)之间延伸。
5.按照权利要求1所述的力矩电动机，其特征为：定子框包括一个下定子环(4)和一个上定子环(5)，定子段(3)定位在它们之间。
6.按照权利要求5所述的力矩电动机，其特征为：多个框隔板(8)基本上垂直于定子环(4、5)地在下定子环(4)与上定子环(5)之间延伸并用于固定定子段(3)。
7.按照权利要求6所述的力矩电动机，其特征为：框隔板(8)的侧面互成夹角地处于定子不同的径向平面内。
8.按照权利要求7所述的力矩电动机，其特征为：在同类定子段(3)之间装入不同厚度的框隔板(8)，由此可以调整相邻定子段(3)之间的距离。
9.按照权利要求1所述的力矩电动机，其特征为：多个同类的定子段(3)构成一个封闭的环形定子(2)。
10.按照权利要求1所述的力矩电动机，其特征为：它设计为三相交流同步电动机，其中，电绕组(11)在每个定子段(3)内构成三个线圈，它们与相邻定子段(3)的相应线圈联接。
11.按照权利要求1所述的力矩电动机，其特征为：在每个定子段(3)上固定一个冷却体(12)，它具有至少一个流过冷却剂的流动通道。
12.按照权利要求11所述的力矩电动机，其特征为：相邻定子段(3)的流动通道通过可拆的通道连接件(6)互相串联。
13.按照权利要求1所述的力矩电动机，其特征为：在每个定子段(3)内安装一个温度传感器，它监测在此定子段内的电绕组(11)的温度。
14.按照权利要求1所述的力矩电动机，其特征为：定子(2)作为外部环围绕着转子(15)；在定子(2)与转子(15)之间设有一个轴承(16)；并且，一个测量系统(17)组合在内，它检测转子与定子之间的相对位置。
15.按照权利要求2所述的力矩电动机，其特征为：定子段自己的电绕组(11)通过合成树脂材料或浇注漆固定在定子段中。
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