CN101151782A - 多极的、直线的或旋转的同步直接驱动电机 - Google Patents

多极的、直线的或旋转的同步直接驱动电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多极的、直线的或旋转的同步直接驱动电机，包括：一个具有一个磁轭和许多齿以及一些位于所述齿之间的槽的初级部件，一个多相绕组的一些在所述槽中延伸的绕组相，其中，在相同相配置的两个绕组相之间分别搭接地存在另一相或另一些相的各绕组相，一个与初级部件对置地设置并且具有许多位于一个公共的回流底板上的交替极性的永久磁铁的次级部件，其中，槽出口具有均匀的槽距TN并且永久磁极具有均匀的极距TP。按照本发明，一个相应相绕组的绕组相由一根通常的高柔性的绞合线组成，其中绞合线分别曲折地围绕一个齿组穿过所述槽进行导引，并且一个相应相的总绕组通过在相应槽中上下叠层的绞合线构成。按照本发明，每个槽都具有一个等于绝缘的绞合线直径的宽度。所述另一相或一些相的绕组相的绞合线对称地在第一相的各槽之间错置地导引，其中通过叠交的曲折绕组相的分层的绕组结构在分绕组的交叉点的区域内在槽外形成一些扁平的、只微小体积的绕组端部。

Description

多极的、直线的或旋转的同步直接驱动电机
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的多极的、直线的或旋转的同步直接驱动电机，包括：一个具有一个磁轭和许多齿以及一些位于所述齿之间的槽的初级部件，一个多相绕组的一些在所述槽中延伸的绕组相，其中，在相同相配置(Phasenzuordnung)的两个绕组相之间分别搭接地存在另一相或另一些相的各绕组相，一个与初级部件对置地设置并且具有许多位于一个公共的回流底板上的交替极性的永久磁铁次级部件。
背景技术
一些已知的电机具有双层绕组或双排绕组，这些绕组具有复杂结构的绕线图。因为这些本身叠交的(vermaschten)分绕组的线圈受结构的限制必须在绕组端部中交叉并且相互从旁边导引，因此相应地形成具有高铜损的大的和大体积的绕组端部。
例如由Bala，C.；Fetita，Al.，Lefter，V.：电机绕线技术手册，柏林技术出版社，1976，图1.5.11已知一种用于三相电机的按叠交实施形式的典型的叠绕组。
用于三相交流发电机的所谓鳞片式(geschuppte)绕组同样属于已知的现有技术，这些绕组是更易于掌握的。对此例如参照DE 30 08 212A1，该文献公开了不同的用于三相交流发电机的典型的鳞片式绕组。
在分别围绕一个具有确定齿数的齿组缠绕的鳞片式绕组的分绕组的搭接范围中产生加厚，这些加厚总体上以不期望的方式加大了结构空间。在很长的在许多槽上延伸的绕组圈(Wicklungsschleifen)中，在槽中的有效绕组部分与在槽外的无效部分(passiven Anteil)的比例发生变化，不利于电机效率。
原则上敷设在槽外的绕组部分仅仅提高绕组电阻继而提高损失部分同时降低电机效率。
在所有的叠交的绕组中，其中各单个相的绕组相相互搭接地位于初级部件的槽中并且缠绕在那里，其中存在缺陷，即与具有所谓单齿绕组的电机相比形成了具有更差效率的大体积绕组端部，其中单齿绕组可以通过一定的相移(Phasenversatz)聚集在一些极组中。
DE 195 03 610 C2示出一种此类的通过一定的相移聚集在极组中的单齿绕组的实例。
在那儿的多相的、多极的可换向电机情况下，设置有按区沿着定子分布的相，其中一个区对应一个相，并且该相的绕组线在该区内以交替的方向围绕直接相继的定子极缠绕。
在两个相邻定子极之间的槽宽等于绕组线的宽度，其中绕组线在一个极槽内相遇的各区段上下重叠地设置。这样构成的极组电机(Polgruppenmotor)的主要缺陷是显著地形成噪声。其原因是在一个极组上分布的、在相对运动期间在初级部件与次级部件之间的高的牵引力波动。这种局部的牵引力波动根据支承的刚性引起小的、随极频而来的振荡和由此引起的噪声。因此对于确定的正好期望低噪声的应用领域不能使用极组电机。
在一种按照DE 198 46 923 C1的教导的电机的多相绕组中涉及这样实现这种绕组，使得由此实现的电机是紧凑的并且是高承载的。为此目的，采取直接缠绕齿，而且通过使用通常的绞合线，由此通过通常缠绕的线圈产生一个相绕组(Strangwicklung)。就是这种电机在振荡和噪声形成方面也存在上述缺陷。
在按照DE 101 58 267 A1的用于制造波形绕组的方法中，预制许多平行缠绕且连接的线并且引入到电机的槽中。
但是并联分绕组存在的缺陷是，在分绕组中产生的反向电压在振幅和相位上的最小差值导致不期望的补偿电流并且从一个确定的速度开始导致不再可控的发热和阻尼效应。
对于非常快速移动的且同时多极的电机，由于从现有技术已知的反向电压问题而力争得到非常低欧姆的具有大的绕组横截面的绕组。在传统的在槽中具有漆包线绕组的电机结构中所力求得到的进一步增加绕组横截面由于可操纵的导线横截面要么是有限的要么还在常见的叠交绕组类型中形成在槽外的显著布线费用继而形成更高的成本。
关于上述的反向电压问题，要指出的是，同步电机随着在定子或初级部件与转子或次级部件之间的相对速度的增加而显示出一种增加的反向电压。如果反向电压在变流器(Umrichtern)中出现在运行电压即中间回路电压的范围内，则在电机中的电流是有限的并且不再可能进一步增加电机速度。尤其是当一台电机同时要产生一个高的力或一个高的转矩和一个高的速度即一个高的转速时，由于必需的高的极数，电压常数kV(kω)是非常大的并且相应的电机需要非常大的运行电压，以便实现高的速度。具有高的力或转矩收益(Kraft oder Momentausbeute)的电机一般以高的极数设计，因此原则上存在的任务是，消除增加反向电压的问题。
在常见的具有大的绕组横截面的导线绕组中，还在较高的控制频率情况下由于涡流效应而在导线带中导致电流表面效应。这种所谓的集肤效应导致在相应的电机运行时不期望的热损失。
此外在已知的电机中，根据在槽数与磁极对数之间的确定的比例进行安排。例如可以使槽数等于磁极对数的6倍，然后根据极结构，电机配备有一个三相叠交的绕组。由于在槽与极结构之间的状况的高重复率，干扰的磁阻效应产生同步。
当槽数是极数的整数倍数时，这个效应被证实是最大的。每个槽以确定的宽度在电机相对于对置的磁极移动时产生一个基本的磁阻力。基本的磁阻力在总和中叠加成外部可测量的总效应。
在叠加各单个齿槽力(Einzelrastkrften)时重要的是，这些力是否是同向或反向的或者相位相对于一个磁周期是如何的。
为了使磁阻波纹(Rrluktanzrippel)保持微小，一般使槽出口宽度最小化。还已知磁极的倾斜位置或者初级部件的倾斜叠装，但是也伴随降低力收益(Kraftausbeute)的副效应或更小的电机转矩。
总之由上述的现有技术已知一些极组电机，一些实施形式也属于现有技术，其中绕组线在一个区内以交替的方向围绕相继的定子极缠绕。这种类型的极组电机由于其传统的绕组结构只有限地适用于在高速时的应用。在这种电机运行中，由于内部的磁阻力波动和振荡效应导致了不期望的噪声。
发明内容
因此本发明的目的是，实现一种进一步改进的、多极的、直线的或旋转的同步直接驱动电机，它具有绕组，该绕组满足关于同步特性、高的相对速度、低噪声、紧凑性和简单制造方面的极端要求。
按照本发明的电机应在高的极数情况下具有高效的且同时低欧姆的绕组，由此能够在气隙中的相对速度为约10m/sec至50m/sec和更高的地方并且需要具有最小噪声形成的特殊同步的地方使用。该电机应在注意到上述特性的情况下尤其也适用于医疗技术领域或者也适用于机械制造领域作为用于切屑尤其是磨削加工的快速主轴或旋转台的驱动装置。
本发明的这个目的通过一种具有按照权利要求1的特征组合的多极的、直线的或旋转的同步直接驱动电机得以实现，其中从属权利要求包括至少合乎目的的扩展结构和改进方案。
因此，按照本发明，用基本上通常的绕组线曲折地通过初级部件的相应的槽敷设每个电机相的多相叠交的绕组，并且使绕组多层地构成。
绕组线的这种优选的曲折敷设保证了短的、紧凑的绕组端部继而保证了微小的绕组电阻以及电机的高效率。
由于绕组线的上述通常的结构原理，在现有技术不令人满意地解决的反向电压问题方面，有利的是串联槽绕组。
在优选使用绝缘的铜绞线作为基本上通常的绕组线时，能够以特别高的速度或转速设计电机，铜绞线在相应大的横截面积情况下可以以高电流加载并且它在少的圈数情况下也只感应微小的反向电压。
此外，在高频控制时，使用电绝缘的绞线使集肤效应最小化，因此与具有粗的铜线的绕组相比具有更进一步的优点。
此外，绞线绕组与传统的线绕组相比更加柔性并且能够在工艺上更简单地敷设，因此在导线中有高的铜横截面部分情况下，一般才能实现通常的串联。
按照本发明，可实现的串联与一个多芯接通的平行布线的铜线绕组相比的优点在于其特别适用于最高相对速度。由于阻抗不同和磁化差异，在并联支路中总是流动不期望的补偿电流，它们在更高的速度时剧烈增加并且导致不期望的发热。
本身叠交的、非常扁平的曲折绕组(Manderwicklungen)的特殊的分层的(lagenweise)结构在分绕组的交叉点的区域内只引起非常微少的端部加粗并且使各单个层非常良好地相互紧贴，由此电机可非常紧凑地构成。
在一种优选的实施形式中，按照本发明的电机的槽基本与包括导线的现有的和必需的绝缘层在内的绞合线一样宽地构成。
通过这个措施，绞合线的各单个曲折形的层直接位于上下重叠并且在槽内夹紧在所述齿之间并且力锁合地固定在那里。这种结构措施在制造绕组时使加工过程简化，该加工过程可以手动、但是也可以自动地进行。
在本发明的一种实施形式中，在外径直到约5mm情况下，使用2.5至6mm2范围的大导线横截面积的绞线。在这个范围内，铜横截面积与外绝缘体的比例是非常有利的并且可良好地匹配于优选在3至5mm的范围内实现的槽宽。
上述的绕组结构在所致力的叠交绕组的情况下首次可以实现高的极数继而可以提高力和转矩收益和电机的效率。
通过实现相对小的槽距，整个极宽可以相应地保持较小，整个极宽在一台三相电机中在三个槽上延伸而在一台两相电机中则在两个槽上延伸。
为了使不期望的齿槽效应转矩(Nutrasten)最小化，选择槽数与电机极对数的有利的比例。
在一台三相电机情况下，槽数大于磁铁装置的极对数的6倍。曲折绕组这样分布，使得在整个电机上以均匀分布的间距分别保留一个槽作为空槽而不缠绕，其中有效缠绕的槽的数量等于极对数的6倍。
在一台两相电机情况下，槽数大于磁铁装置的极对数的4倍。曲折绕组在此这样分布，使得同样在整个电机上以均匀分布的间距分别保留一个槽作为空槽而不缠绕，其中有效缠绕的槽的数量等于极对数的4倍。
在曲折形缠绕初级部件时，跳过空槽并且继续绕线图。
以差额大于必需的槽数的槽数选择引起从槽到槽相对于磁栅(Magnetraster)的相移并因此导致一种对磁阻力和不期望的齿槽效应转矩的几乎完全的补偿。这种不期望的效应也可以通过使槽间距继而使齿非常窄地构成而避免。
此外，填补空槽也用于相对于磁极结构补偿绕组的相位。
原则上，按照本发明的教导可以用于封闭的、旋转的和类似的直线电机或弧形分段电机(Bogensegmentmotoren)。分摊到一个相应定义的电机单元上的相对力和速度可以通过给定的半径进行换算。
在一个旋转的电机中或在一个旋转的电机分段中，电机分段可以同心地或者像盘状转子那样扁平地构成。在扁平结构的情况下，槽和磁极的对称轴线向着相应的旋转点那边对准，其中，在一种实施形式中，磁极具有楔形的侧面。
总之，要实现的同步直接驱动电机具有一些用于相应相绕组的绕组相，它们由一根通常的、高柔性的绞合线组成，其中绞合线分别曲折形地围绕一个齿组穿过可很窄构成的槽进行导引。
一个相应相的总绕组通过在相应槽中上下叠层的绞合线构成。
每个槽都具有一个等于绝缘的绞合线直径的宽度。所述其它一相或其它一些相的绕组相的绞合线对称地在第一相的各槽之间错置地导引，其中通过叠交的曲折绕组相的分层的绕组结构在分绕组的交叉点的区域内在槽外形成一些扁平的、只微小体积的具有上述优点的绕组端部。
在此在一种优选的实施形式中，曲折绕组相在初级部件的整个长度上这样分布地构成，以致以均匀的间距保留一些空槽。
附图说明
下面借助一个实施例以及借助于附图详细地描述本发明。
附图中：
图1a  按照本发明的具有可看到的绕组相的电机的截面图，
图1b按照图1a视图的电机的俯视图，
图2具有38个槽和12个磁极的按照本发明的三相旋转电机，
图3本发明的电机作为盘状转子或盘状转子分段的实施形式，初级部件1或次级部件2的俯视图，
图4具有可看到的槽距Tn和Tp的电机结构的原理图。
具体实施方式
在按照图1a和1b的视图中，首先存在一个具有磁轭5的初级部件1，其中初级部件1具有许多均匀地隔开距离的齿4，这些齿具有位于其间的槽3。
与初级部件1对置地设置的次级部件2具有许多永久磁铁6，它们具有交替的极性并且它们设置在一个公共的回流底板7上。
按照实施例，槽3与位于其间的齿4几乎一样宽，它们没有明显的齿顶。在所示示例中，槽的实施形式尽可能平行地实现。
一个三相的绞线绕组曲折形地敷设在槽内(见图1b)。在一个电机相U内部相应的绞合线分别敷设在第四槽中。在其间相V和W的绞合线以与所属的磁铁装置要求的那样的序列位于槽里面。
对于本发明的实施形式，所有三个相的绞合线是否以相同的绕组方向敷设并不重要。
但是如果位于相U与V之间的相W的绞合线以相反的绕组方向敷设，则得到本发明的一种有利的扩展结构。由此得到一种非常均匀的绕线图，如同图1b所示的那样。
在按照图1a和1b的示例中，所述曲折绕组五层地构成。
交叉点位于各单个的绞合线之间并且逐层地错置并且以这样的形式相互嵌套，以致整个多层绕组互相结合。
在电机内，十二个槽3分别被缠绕，其中形成一个空槽8。在空槽8之后相应地继续绕线图。
在用于直接驱动医疗设备的转速直到250转/min的在一个550mm的半径上具有500mm弧长的分段电机(Segmentmotor)示例上，已经令人惊奇地证实，按照本发明实现的结构与具有更粗的槽的相同大小的极组电机相比引起明显更少的噪声发射。在其它方面一致的条件下进行的直接比较中，在按照本发明的电机中得到了75dB到62dB的噪声降低。
图2示出一个按照本发明实现的具有38个槽和12个磁极的三相旋转电机。在这种实施形式中，曲折绕组四层地构成。
从那里的38个槽中缠绕36个槽，由此保留两个空槽。空槽之间的间距为18个槽。
在90mm的气隙直径和100mm的气隙长度情况下，示例电机在约10Nm的连续转矩情况下产生超过10000转/min的转速。
磁阻波纹的循环产生TR＝360°/19×6＝3.15°。即，电机每转产生114个磁阻波纹，它们由于其相移而几乎完全相互补偿。
按照本发明的电机除了其超过47m/s的高的最终速度以外还具有特别明显良好的同步并且具有比低极的主轴驱动更高的转矩收益并由此具有改善的效率。其它方面所需的措施例如磁极和槽在叠片组内的倾斜是多余的。
与传统的叠绕组或波形绕组相比，所建议的绕组带来明显的工艺优点，随之而来的是一种由此更加紧凑的电机结构形式。
图3以初级部件1或次级部件2的俯视图示出了本发明的电机作为盘状转子或盘状转子段的可能的实施形式。
平行槽3以其对称轴线向着电机的旋转点或中心点对准。
磁极6同样以其对称轴线(点划线)对准旋转点。在小半径情况下，选择楔形或梯形磁铁几何结构是有利的。
在这里绞线绕组可以非常好地匹配，而且也匹配于这种非平行的槽结构。
所介绍的按照本发明的电机能够在发电运行时即在强迫相对运动时也用于产生电能。在此所述优点也有效。在应用方面在此也可以设想例如在商业的运输车辆中的车轮驱动装置，它们在移动过程或制动过程中发电式地运行，用于产生能量，并且它们提供这些能量供用于存储的蓄电池使用。
总之，借助本发明的电机，通过每个具有通常的、曲折形地通过初级部件的槽敷设且多层地构成的绕组线的电机相的多相的叠交的绕组的结构，在同样高的相对速度和微少的噪声发射情况下可以成功实现所期望的高同步，其中电机本身是紧凑的并且可以以简单的方式进行制造。

Claims (18)

1.多极的、直线的或旋转的同步直接驱动电机，包括：
一个具有一个磁轭和许多齿以及一些位于所述齿之间的槽的初级部件，
一个多相绕组的一些在所述槽中延伸的绕组相，其中，在相同相配置的两个绕组相之间分别搭接地存在另一相或另一些相的各绕组相，
一个与初级部件对置地设置并且具有许多位于一个公共的回流底板上的交替极性的永久磁铁的次级部件，其中，槽出口具有均匀的槽距TN并且永久磁极具有均匀的极距TP，
其特征在于，
一个相应相绕组的绕组相由一根通常的柔性的绞合线组成，其中绞合线分别曲折地围绕一个齿组穿过所述槽进行导引，其中一个相应相的总绕组通过在相应槽中上下叠层的绞合线构成，每个槽都具有一个等于绝缘的绞合线直径的宽度，并且所述另一相或另一些相的绕组相的绞合线对称地在第一相的各槽之间错置地导引，其中通过叠交的曲折绕组相的分层的绕组结构在分绕组的交叉点的区域内在槽外形成一些扁平的、微小体积的绕组端部。
2.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述曲折绕组相在初级部件的整个长度上这样分布地构成，以致保留一些空槽。
3.如权利要求1或2所述的电机，其特征在于，所述绞合线在各槽中夹紧地保持并由此固定。
4.如上述权利要求之一所述的电机，其特征在于，所述绞合线在外径直到5mm情况下具有基本上2.5至6.0mm2的导线横截面积。
5.如上述权利要求之一所述的电机，其特征在于，在三相电机情况下，槽数大于磁铁装置的极对数的6倍，其中有效缠绕的槽的数量等于极对数的6倍，曲折绕组这样分布，使得在整个电机上以均匀分布的间距分别保留一个槽不缠绕并且保持绕线图越过该空槽。
6.如上述权利要求1至4之一所述的电机，其特征在于，在两相电机情况下，槽数大于磁铁装置的极对数的4倍，其中有效缠绕的槽的数量等于极对数的4倍，曲折绕组这样分布，使得在整个电机上以均匀分布的间距分别保留一个槽不缠绕并且保持绕线图越过该空槽。
7.如上述权利要求之一所述的电机，其特征在于，每个槽在其整个深度上具有尽可能平行的侧面并且所述齿不具有一般的齿顶结构。
8.如权利要求1所述的电机，其特征在于，选择槽距小于8mm并且选择磁距小于25mm。
9.如上述权利要求之一所述的电机，其特征在于，所述通常的绞合线是一种用耐高温的绝缘体包围的具有许多单芯线的铜制多股连接线。
10.如上述权利要求之一所述的电机，其特征在于，所述电机用于直接驱动伦琴管。
11.如权利要求1至9之一所述的电机，其特征在于，所述电机用于直接驱动计算机断层X光摄影装置。
12.如上述权利要求之一所述的电机，其特征在于，所述电机旋转地由盘状转子或盘状转子分段构成，其中槽中心轴线射线形地对准旋转点。
13.如权利要求12所述的电机，其特征在于，所述永久磁极梯形或楔形地构成，其中较窄的端面分别对准电机的旋转点。
14.如权利要求2所述的电机，其特征在于，最多每第6个槽且最少每第24个槽构成为不缠绕的空槽。
15.如权利要求2所述的电机，其特征在于，所述空槽以给定的间距设置。
16.如权利要求15所述的电机，其特征在于，由电机的磁栅推导出给定的间距。
17.如权利要求15所述的电机，其特征在于，所述空槽以均匀的间距设置。
18.如权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机具有多层或单层的绕组。
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