CN101567602A - 发电机-制动集成型旋转机器 - Google Patents

Abstract

一种发电机－制动集成型旋转机器，其包括惯性圆盘，该惯性圆盘结合到用于旋转的轴上；转子环，该转子环绕着该轴在该惯性圆盘里面旋转，并具有多个安装到其圆周的外表面的磁铁；和层压轭，该层压轭布置在该惯性圆盘和转子环之间，并具有多个在其圆周外表面上以规则角度间隔分布的制动线圈和多个在其圆周内表面上以规则角度间隔分布的发电机线圈。所述发电机线圈缠绕在从该层压轭的圆周内表面向内突出的第一线轴上，并且所述制动线圈缠绕在从该层压轭的圆周外表面向外突出的第二线轴上。该层压轭固定地结合到定子保持架上，后者依次通过轴承结合到该轴上并固定地结合到外壳上。

Description

发电机-制动集成型旋转机器

技术领域

本发明涉及一种发电机-制动集成型旋转机器，尤其是涉及一种能够利用外部旋转动能产生的电力获得制动力的发电机-制动集成型旋转机器。

背景技术

通常，要求制动力的设备中需要考虑下面的因素。首先，该制动力必须没有波动。第二，在相同设定值下应获得相同的制动力。第三，设备必须具有惯性力。第四，制动应在无声方式下执行。

同时，通过两个相对运动的物体之间的机械摩擦获得制动力的设备具有下面所述的问题。也就是，摩擦热产生，摩擦表面不均匀地磨损，以及制动力由于物理性质的改变而改变。

为处理这些问题，近来，对于采用涡流产生制动力的设备的研究已经展开。在采用涡流的情况下，涉及波动、磨损、噪音等的问题可以得到解决。然而，由于涡流产生的制动力相对于电流、速度、温度、物理性质等是非线性的，控制制动力是困难的。

为此，采用涡流产生制动力的设备目前只在简单应用中采用。

例如，公开在美国专利6,084,325的带有发电和涡流磁阻的组合的制动设备具有可以旋转的圆盘，布置在该圆盘外面的制动轭和布置在该圆盘里面的发电机，从而制动力可以通过自生方式提供而无需采用外部电源。

然而，公开在美国专利6,084,325的带有发电和涡流磁阻的组合的制动设备中，用于产生涡流的螺线管布置在圆盘外面，而发电机布置在圆盘里面。在这种情况下，尽管制动力可以最大化，气隙可能由于加工误差和组装误差而发生改变。另外，由于磁铁附着于圆盘的热产生部，磁铁的特性易于随着时间的流逝而恶化退化。因此，导致的缺点是磁铁的尺寸增加，以抑制受热导致的磁铁特性的改变。进一步地，由于在制动设备中没有进行惯性补偿，引起的另外一个缺点是圆盘的尺寸显著地增加。而且，由于只使用一个螺线管以获得充足力矩的事实，螺线管中产生的热的温度可能过分地增加，这就很难稳定地控制力矩，因为随着螺线管温度的上升电流会发生改变。此外，由于螺线管轭布置在一侧，力集中地施加于一侧上。因此，用于支撑轴的轴承的功能性可能下降，轴承的有效使用寿命可能缩短。

在另外一个例子中，自主产生制动的装置公开在美国专利6,581,731中，该装置具有螺线管轭，其中用于制动的螺线管和用于发电机的螺线管互相集成在芯上。由于该自主产生制动的装置是芯集成型，在其制造过程中可以减少误差。然而，制动和发电机的螺线管不是在圆周方向上以规则角度间隔布置的。由于这个原因，在发电中需要用许多磁铁，并且在发电过程中力矩波动增加了。而且，由于用于制动的螺线管布置在轭的里面，由涡流产生的制动力矩的大小显著下降。因此，为防止制动力矩下降，需要具有大量匝数的线圈。

在另一个例子中，发电组和调节驱动机构相组合的磁控加载设备公开在美国专利7,018,324中，金属导体中产生的涡流量随着金属导体和永久磁铁之间的距离的减小而增加，从而可以提高制动力。该设备采用压缩弹簧来将磁盘推向飞轮。

然而，由于压缩弹簧的弹性随着时间的流逝而改变，金属导体和永久磁铁之间的气隙在马达的单一旋转过程中可能变化，从而制动力可能改变。此外，由于气隙的长度和制动力的大小具有非线性关系，导致难以控制制动的缺点。

发明内容

相应地，本发明旨在解决产生在相关技术中的问题，本发明的目的是提供一种发电机-制动集成型旋转机器，其中发电机侧轭和制动侧轭是集成构建的，从而使该旋转机器的尺寸下降，并减小机械误差。

本发明的另一目的在于提供一种发电机-制动集成型旋转机器，其中转子和圆盘相互尽可能远地彼此分开，从而可以使基于涡流产生的热对布置在该转子上的磁铁的影响最小化。

本发明的还一目的在于提供一种发电机-制动集成型旋转机器，其中由径向磁场力产生的力矢量为零，从而，由线圈温度升高而引起的制动特性的改变可以得到抑制。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种发电机-制动集成型旋转机器，其包括惯性圆盘，该惯性圆盘结合到用于旋转的轴上；转子环，该转子环绕着该轴在该惯性圆盘里面旋转，并具有多个安装到其圆周的外表面的磁铁；和层压轭，该层压轭布置在该惯性圆盘和转子环之间，并具有多个在其圆周外表面上以规则角度间隔分布的制动线圈和多个在其圆周内表面上以规则角度间隔分布的发电机线圈，其中所述多个发电机线圈各自缠绕在多个从该层压轭的圆周内表面向内突出的第一线轴上，所述多个制动线圈各自缠绕在多个从该层压轭的圆周外表面向外突出的第二线轴上，并且其中该层压轭固定地结合到定子保持架上，且该定子保持架通过轴承结合到该轴上并固定地结合到外壳上。

根据本发明的另一个方面，至少两个制动线圈布置在层压轭的圆周外表面上。

根据本发明的另一方面，所述制动线圈布置在具有“E”截面形状的层压轭的圆周外表面上。

根据本发明的再一方面，所述旋转机器还包括发电机线圈输出部，其与发电机线圈电连接；整流部，其用于对从发电机线圈输出部输出的交流电压进行整流；直流供电及控制部，其用于将整流部的输出电压转换为预定的电压电平并产生用于补偿惯性力矩的速度控制信号，以响应用户的输入；电流控制部，其用于接收该整流部的输出并控制输出到制动线圈输入部的电流强度，以响应速度控制信号；和显示部，其用于与该直流供电及控制部通信并显示旋转速度。

根据本发明的还一方面，所述直流供电及控制部包括力矩加法器，其用于将用户输入的力矩命令值和依赖于惯性圆盘的旋转速度的惯性力矩相加并输出补偿力矩；电流输出单元，其用于将从力矩加法器输出的补偿力矩转换为电流命令；电流加法器，其用于将从电流输出单元输出的电流命令与测量得到的实际电流相加；比例积分器，其用于将来自电流加法器的补偿电流按比例地积分并将得到的值提供给制动线圈输入部；旋转脉冲发生器，其用于测量惯性圆盘的旋转速度并以脉冲方式输出旋转速度值；微分器，其用于对从旋转脉冲发生器输出的旋转速度值进行微分；和惯性力矩输出单元，其用于对从微分器输出的角速度与预定的系数相乘并输出惯性力矩。

附图说明

本发明上述目的和其它特征及优点将在阅读下面结合附图的具体说明后将变得更加明确，其中：

图1是根据本发明一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的立体图；

图2是描述根据本发明一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的主要部分的分解立体图；

图3是该发电机-制动集成型旋转机器的侧面剖视图；

图4a是该发电机-制动集成型旋转机器的左视图；

图4b是该发电机-制动集成型旋转机器的右视图；

图5是描述根据本发明一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的整个系统的框图；

图6是根据本发明一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的控制框图；

图7是根据本发明另一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的正面剖视图；

图8是根据本发明另一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的侧面剖视图。

具体实施方式

现在将对本发明的优选实施例作更加具体的标记，其中的例子表示在附图中。然而尽可能地，相同的附图标记将在所有附图中使用并表示相同或相似的部件。

图1是根据本发明一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的立体图，图2是描述根据本发明一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的主要部分的分解立体图，图3是该发电机-制动集成型旋转机器的侧面剖视图，图4a是该发电机-制动集成型旋转机器的左视图，而图4b是该发电机-制动集成型旋转机器的右视图。

在根据本发明一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器中，惯性圆盘120结合到轴110上。在一个例子中，该惯性圆盘120可以通过装配结合到该轴110上。在另外一个例子中，该惯性圆盘120可以采用键结合到该轴110上。如在图中示出的，在本实施例的一个例子中，转子环170可以结合到惯性圆盘120上。在另外一个例子中，该转子环170可以使用键直接结合到轴110上。这里，该惯性圆盘120由金属材料制成，该金属材料可以通过涡流提高制动力。

带轮100以布置在轴110的一端上。多个磁铁160以表面安装方式附着于转子环170的圆周外表面上。在本实施例中，所述磁铁160可以包括铁素体磁铁。层压轭130布置在惯性圆盘120和有磁铁160附着于其上的转子环170之间，其状态为该层压轭130固定地结合到定子保持架180上。该定子保持架180通过轴承107结合到轴110上并固定地结合到外壳190上。

在本实施例中，该层压轭130包括多个从其圆周内表面向内突出的第一线轴和多个从其圆周外表面向外突出的第二线轴。发电机线圈150缠绕在所述多个第一线轴上，而制动线圈140缠绕在所述多个第二线轴上。也就是说，所述多个发电机线圈150以规则角度间隔分布在该层压轭130的圆周内表面，而所述多个制动线圈140以规则角度间隔分布在该层压轭130的圆周外表面。另外，尽管在图2中示出了六个制动线圈140，本发明不限于一个明确的线圈数。也就是说，只要用于产生涡流的电磁铁线圈一致地以规则角度间隔分布，所述制动线圈140可以为奇数个或偶数个。

图5是描述根据本发明一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的整个系统的框图。

根据本发明一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的系统包括发电机线圈输出部151；用于整流从发电机线圈输出部151输出的交流电压的整流部530；电流控制部540，其用于接收整流部530的输出并控制输出到制动线圈输入部141的电流强度，以响应速度控制信号；直流供电及控制部520，其用于将整流部530的输出电压转换为预定的电压电平并响应用户的输入而产生速度控制信号；和显示部510，该显示部用于与控制部520通信并显示旋转速度。

根据本实施例，当外部旋转力传送到轴110并使轴110旋转时，安装到转子环170上并与轴110集成的磁铁160和发电机线圈150之间进行磁相互作用并产生电。当发电机线圈150产生的电压达到临界点(threshold)时，控制部520和显示部510被激活。

图6是根据本发明一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的控制框图。

根据本发明一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的系统包括力矩加法器610，其用于将用户输入的力矩命令值和依赖于惯性圆盘120的旋转速度的惯性力矩相加并输出补偿力矩；电流输出单元620，其用于将补偿力矩转换为电流命令；电流加法器630，其用于将从电流输出单元620输出的电流命令与测量得到的实际电流相加；比例积分器640，其用于将来自电流加法器630的补偿电流按比例地积分并将得到的值提供给制动线圈输入部141；旋转脉冲发生器650，其用于测量惯性圆盘120的旋转速度并以脉冲方式输出旋转速度值；微分器660，其用于对从旋转脉冲发生器650输出的旋转速度值进行微分；和惯性力矩输出单元670，其用于将从微分器660输出的角速度与预定的系数相乘并输出惯性力矩。

在该发电机-制动集成型旋转机器的系统中，由于涡流产生的制动力的大小作为惯性圆盘的旋转速度和流过制动线圈的电流的函数而被决定，通过测量这两个要素，控制制动力是可能的。

当假设发电机通过预定负载电流产生的预定力矩和由除制动器外的控制元件消耗的电力是常数时，通过测量流过制动器的电流，可以计算出发电机的力矩分量。该电流控制部540通过与外面的通信或响应于通过用户界面设定的制动命令执行电流控制，这样实现了恒力矩控制。

其间，当从外部输入的速度和惯性圆盘的旋转速度之间具有差值时，就会发生加速或减速，需要使用实际的惯量补偿算法。该惯量补偿算法是控制算法，当圆盘的旋转惯量设计为小于旋转速度比率时，该算法使得在实际运行条件下用户感觉到相同的惯量。当减速发生、力矩从外部提供并用于维持旋转运动时，该旋转惯量用作预定的力矩系数。

图7是根据本发明另一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的正面剖视图，而图8是根据本发明另一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器的侧面剖视图。

根据本发明另一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器包括轴承705、轴710、惯性圆盘720、层压轭730、制动线圈740、发电机线圈750、磁铁760、转子环770、定子保持架780和外壳790。

根据本实施例的发电机-制动集成型旋转机器与图1-图4中所示的实施例结构基本相似。然而，在图1-图4中所示的根据本发明一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器中，六个制动线圈140分布在层压轭130的圆周外表面上，在图7和图8中示出的根据本发明另一个实施例的发电机-制动集成型旋转机器中，两个制动线圈740分布在层压轭730的圆周外表面上。

在本实施例中，其上分布有制动线圈740的该层压轭730布置在惯性圆盘的圆周内表面上，同时具有“E”形剖面形状，从而关于磁路上的磁通量的闭环长度可以减少，从而可以减小磁场损失。

在根据本发明的发电机-制动集成型旋转机器中，由于发电机侧轭和制动侧轭是集成构建的，旋转机器的尺寸可以降低且机械误差可以减小。在发电机侧产生的磁通量不对制动力的均匀性施加实质影响。

另外，在根据本发明的发电机-制动集成型旋转机器中，由于由涡流产生的制动力以热能方式传送到惯性圆盘上，通过将转子和惯性圆盘分离的尽可能远，可以最小化由涡流产生的热对布置在转子上的磁铁的影响。

进一步地，在根据本发明的发电机-制动集成型旋转机器中，通过一致地以规则角度间隔布置用于产生涡流的电磁铁线圈，由于径向磁场力的最终力矢量变为零，由于线圈温度上升引起的制动特性的改变可以得到抑制。

而且，在根据本发明的发电机-制动集成型旋转机器中，由于能够实现恒力矩控制，实现了制动的特性。

尽管为示例目的描述了本发明的优选实施例，本领域技术人员可以理解，只要不脱离本发明的范围和精神的，各种修改、添加和替代都是可能的，这已在伴随的权利要求书中所公开。

Claims (10)

1、一种发电机-制动集成型旋转机器，其特征在于，包括

惯性圆盘，该惯性圆盘结合到用于旋转的轴上；

转子环，该转子环绕着该轴在该惯性圆盘里面旋转，并具有多个安装到其圆周外表面的磁铁；和

层压轭，该层压轭布置在该惯性圆盘和转子环之间，并具有多个在其圆周外表面上以规则角度间隔分布的制动线圈和多个在其圆周内表面上以规则角度间隔分布的发电机线圈，

其中所述多个发电机线圈各自缠绕在多个从该层压轭的圆周内表面向内突出的第一线轴上，并且所述多个制动线圈各自缠绕在多个从该层压轭的圆周外表面向外突出的第二线轴上，并且

其中该层压轭固定地结合到定子保持架上，且该定子保持架通过轴承结合到该轴上并固定地结合到外壳上。

2、根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，至少两个制动线圈布置在所述层压轭的圆周外表面上。

3、根据权利要求2所述的旋转机器，其特征在于，所述制动线圈布置在具有“E”截面形状的层压轭的圆周外表面上。

4、根据权利要求2所述的旋转机器，其特征在于，所述惯性圆盘通过装配结合到所述轴上。

5、根据权利要求2所述的旋转机器，其特征在于，所述惯性圆盘采用键结合到所述轴上。

6、根据权利要求4或5所述的旋转机器，其特征在于，所述转子环固定地结合到惯性圆盘上。

7、根据权利要求4或5所述的旋转机器，其特征在于，所述转子环固定地结合到所述轴上。

8、根据权利要求4或5所述的旋转机器，其特征在于，所述多个安装到转子环上的磁铁是以表面安装方式附着的。

9、根据权利要求1所述的旋转机器，其特征在于，还包括：

发电机线圈输出部，该发电机线圈输出部与发电机线圈电连接；

整流部，该整流部用于对从发电机线圈输出部输出的交流电压进行整流；

直流供电及控制部，该直流供电及控制部用于将整流部的输出电压转换为预定的电压电平并产生用于补偿惯性力矩的速度控制信号，以响应用户的输入；

电流控制部，该电流控制部用于接收该整流部的输出并控制输出到制动线圈输入部的电流强度，以响应速度控制信号；和

显示部，该显示部用于与该直流供电及控制部通信并显示旋转速度。

10、根据权利要求9所述的旋转机器，其特征在于，所述直流供电及控制部包括：

力矩加法器，该力矩加法器用于将用户输入的力矩命令值和依赖于惯性圆盘的旋转速度的惯性力矩相加并输出补偿力矩；

电流输出单元，该电流输出单元用于将从力矩加法器输出的补偿力矩转换为电流命令；

电流加法器，该电流加法器用于将从电流输出单元输出的电流命令与测量得到的实际电流相加；

比例积分器，该比例积分器用于将来自电流加法器的补偿电流按比例地积分并将得到的值提供给制动线圈输入部；

旋转脉冲发生器，该旋转脉冲发生器用于测量惯性圆盘的旋转速度并以脉冲方式输出旋转速度值；

微分器，该微分器用于对从旋转脉冲发生器输出的旋转速度值进行微分；和

惯性力矩输出单元，该惯性力矩输出单元用于将从微分器输出的角速度与预定的系数相乘并输出惯性力矩。

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