CN102067410A - 驱动电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由形成驱动系统的定子(2)和转子(3)构成的驱动电机(1)。为该驱动系统配置一个用于对转子上的负载供应能量的能量传输系统(5)，其中驱动功能和能量传输功能最大程度上互相独立。为了将电能传输到转子绕组(5)，使用分谐波的气隙场分量。

Description

驱动电机

技术领域

本发明涉及一种由形成驱动系统的定子和转子构成的驱动电机，为该驱动系统配置一个用于对运动部分上的负载供应能量的能量传输系统，其中驱动功能和能量传输功能最大程度上互相独立。

背景技术

这样的驱动电机例如按照同步电机或异步电机的原理构造并且可以用于直线或旋转驱动。驱动电机由定子和运动的转子构成。在一些应用情况下，如在机床和工作母机中，必需将电能(例如以机轴或转轴形式的)传输到转子上。电能除了别的之外可以用于安全装置、传感器、数据传输系统或执行机构(例如用于工具的张紧)的供电。

需要合适的能量传输系统用于驱动电机中的能量传输。必须将这样的能量传输系统集成到驱动电机中或者分离地构造。

例如，可以利用电耦合进行电能到转子上的传输。在此，例如可以使用简单可靠的滑环，然而需要极大的维护开销。此外需要用于滑环的空间。电耦合的一种替换可能性是，使用拖拽电缆。在此问题是可能的扭转角受到限制和通过电缆的持续弯曲负荷导致电缆断裂的危险。

替换地，可以通过感应耦合将电能传输到转子。电耦合的所述问题可以利用感应耦合来避免。在此，初级三相电流绕组(初级绕组)位于驱动电机的定子上并且第二绕组(次级绕组)位于驱动电机的转子上。馈入装置(例如频率转换器)将三相的电压系统馈入到初级绕组中。为了提高效率，将绕组布置在铁磁的有效部件(Aktivteil)中或绕着铁氧体磁芯缠绕。

如果除了要将电能传输到转子之外还需要驱动，则将上面描述的感应传输器例如法兰安装在电机上。由此需要附加的空间。此外用于电机和传输器的两个有效部件产生不期望的高成本。

为了避免这点，在DE102005024203A1中公知一种这类的驱动电机，其中驱动系统和能量传输系统的电绕组安装在共同的有效部件中，然而其中驱动功能和能量传输功能互相独立。在此感应地将能量传输到转子，由此能量传输和电机驱动的去耦合运行是可能的。设置两个逆变器，其分别根据需要从共同的电压中间电路或从分离的电压中间电路获得电能。一个逆变器负责电机另一个逆变器负责能量传输。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种驱动电机，其具有优势地扩展现有技术中公知的驱动电机并且以结构上更简单的方式将电能感应地传输到转子上。

本发明通过一种具有权利要求1的特征的驱动电机解决上述技术问题。优选的实施方式在从属权利要求中给出。

本发明实现一种由形成驱动系统的定子和转子构成的驱动电机，在该驱动系统中配置用于对转子上的负载供应电能的能量传输系统，其中驱动功能和能量传输功能最大程度上互相独立。在此，使用气隙场中的分谐波的气隙场分量(所谓的分谐波)，用于将电能传输到转子绕组。

本发明允许将能量传输集成在电机的有效部件，由此可以按照结构上更简单的方式制造该电机。由此不需要附加的空间用于将电能传输到转子。此外还确保了，驱动和能量传输功能最大程度地互相去耦合。感应的能量传输与基于滑环的解决方案相比确保了低的成本和维护开销。此外，通过感应的能量传输，不产生电刷磨损，由此同样减小了维护开销并且确保了高的卫生标准。不存在由于电刷换向或更换拖拽电缆带来的停机费用。同样消除了在使用拖拽电缆的情况下扭转角受限制的缺点。按照本发明的驱动电机允许任意的扭转角。此外，感应的能量传输还可以应用于有爆炸危险的领域中。

在一种合适的实施方式中，定子具有一个共同的有效部件，其包括一个用于驱动和能量传输功能的(共同的)定子绕组，电机电流系统和与电机电流系统重叠并且与之不同的能量电流系统可以馈入其中。相对于在DE102005024203A1中描述的驱动电机，在定子上仅需一个唯一的绕组，其既用于驱动又用于能量传输功能。由此，相对于现有技术可以更紧凑和结构上更简单地构造按照本发明的驱动电机。

按照另一个实施方式，定子绕组是锯齿状线圈绕组。锯齿状线圈绕组总是分数槽绕组。因此，定子绕组的槽数(Lochzahl)通过分数(gebrochene Zahl)形成。分数槽绕组具有在气隙场中也产生分谐波的特性。这样的分谐波的气隙场分量被用于将电能传输到转子绕组。

转子特别地包括用于驱动功能的永久磁铁和用于能量传输功能的转子绕组。按照该实施方式，电气驱动系统基于永久激励的同步电机，其中，如所解释的，对于定子绕组仅需要一个唯一的有效部件(例如，叠片铁芯)，用于既提供驱动又提供能量传输功能。

按照另一个实施方式，转子绕组的极对数相应于气隙场的分谐波的极对数。相反地，这样选择永久磁铁的极对数，使得其相应于由定子绕组形成的极对数，理想地在最大可能的绕组因数的情况下。由此可以提供更有效的驱动。

可以将永久磁铁可选地设置在驱动电机的气隙中或者埋藏在转子中。

为了产生电机电流系统和能量电流系统，变流器(例如变频器)与定子绕组耦合。与现有技术中的驱动电机相反，在此唯一的变流器足以提供电机电流系统和能量电流系统，由此可低成本地提供按照本发明的驱动电机。合适地，能量电流系统与电机电流系统相比，具有更高的频率。虽然更高频的能量电流系统导致摆锤式力矩，然而该摆锤式力矩由电机的惯性衰减。在此在其频率中这样选择优选的低频的电机电流系统，使得在转子侧的“能量绕组”(转子绕组)不会通过电机电流产生不期望的效果。当电机电流不传输功率并且能量电流不产生力矩时，就是这种情况。

附图说明

以下借助附图中的实施例详细解释本发明。其中，

图1示出了一种示意性的驱动电机。

具体实施方式

唯一的图1示出了一种示意性的驱动电机，其中，按照本发明使用一个分谐波的气隙场，用于将电能传输到驱动电机的转子。

驱动电机1包括定子2以及转子3。该驱动电机可以用于直线或旋转驱动。能量传输系统由定子2中的定子绕组4以及转子3中的转子绕组5构成。驱动系统通过定子绕组4和在转子3中或之上的永久磁铁6构成。定子2和转子3以公知的方式通过气隙9互相分离。定子绕组通过在图中未示出的变流器连接到一相的或三相的电网。与转子绕组5连接了同样未示出的电气负载(耗电器)。负载例如可以是安全装置、传感器系统或执行机构系统。可选地，可以在转子绕组5和电气负载之间设置电压中间电路，其由整流器馈电。其后可以连接升压变压器、降压变压器或逆变器。电压中间电路本身被提供以在转子绕组5的端子上传输的功率。

如容易看出的，驱动电机基于永久激励的同步电机的原理，其中将电能感应地传输到转子3。在此，对于驱动电机1的特征是，对于定子绕组4仅需一个唯一的有效部件。有效部件例如可以通过叠片铁芯构成。在该实施例中其携带按照锯齿状线圈技术构造的三相的定子绕组4。如下计算定子侧的旋转磁场绕组的槽数q：

$q=\frac{N}{2\·m\·p}=\frac{z}{n}---\left(1\right).$

其中，N表示定子槽数，m表示相数并且p表示极对数。z是槽数的分子，n是槽数的分母。m通常为3。因为锯齿状线圈绕组总是分数槽绕组，所以槽数q表示一个分数。本发明利用对于分数槽绕组的如下典型特征：也能够产生气隙场中的分谐波的分量，因为分谐波的气隙场分量(也称为分谐波)被用于将电能传输到转子系统。

为了实现驱动电机的驱动，转子3携带具有极对数p_M的永久磁铁6，其相应于定子绕组4的极对数p_M。在此有意义的是，使用其绕组因数尽可能大的那些极对数p_M，以便实现有效的驱动。转子绕组5的极对数p_E相应于选择的分谐波的极对数p_E。下标“M”和“E”表示驱动电机1的电机功能或能量功能。

一般地如下计算由交流分数槽绕组产生的极对数v：

$v=p+2\·m\·\frac{p}{n}g,$ g＝0，±1，±2，±3，...(2)，

其中，v是出现的谐波的极对数，P是极对数，m是相数，n是等式(1)中的槽数q的分母，g是谐波的顺序参数。

由定子绕组4产生的极对数p_M被作为基本磁场极对数定义(参见附图标记7)。如所解释的那样，其应该对于有效的驱动具有一个尽可能大的绕组因数。相应于该极对数p_M设计可以埋藏或设置在驱动电机1的气隙9中的磁铁6。转子绕组5必须与定子绕组4的分谐波耦合。相应地选择转子绕组5的极对数p_E。通过开头提到的变流器利用电机电流系统对定子绕组馈电。附加地，通过该变流器对与电机电流系统重叠的更高频的能量电流系统馈电。由电机的转子的惯性来衰减由更高频的能量电流系统产生的摆锤式力矩。

示例性的驱动电机可以按照如下构造：

定子齿数：N＝24，

电机功能的极对数：p_M＝10，

相数：m＝3。

按照等式(1)得到定子绕组的槽数：

$q_1=\frac{N}{2\·m\·p}=\frac{24}{2\·3\·10}=\frac{2}{5}---\left(3\right).$

按照等式(2)可以得到如下的极对数：

$v=p+2\·m\·\frac{p}{n}g=10+\frac{6\·10}{5}g---\left(4\right).$

由此对于出现的极对数得到

v＝10+12g＝...，-14，-2，10，22，...(对于g＝0，±1，±2，...)

对于极对数10(g＝0，即呈现基波，其直接耦合到驱动电机的永久磁铁6中)得到绕组因数0.933。对于极对数2得到绕组因数0.067。如果其利用分谐波，则转子绕组5构造为四极的，即，p_E＝2。相反地，如果对于转子绕组5选择整数槽绕组，则对于转子槽数：

N₂＝2·m·p_E·q₂＝2·3·2·q₂＝12·q₂    q₂＝1，2，3，...(5).

按照本发明的驱动电机具有如下优点：可以将能量传输集成到电机的有效部件中并且由此不需要用于能量到转子的传输器的空间。在此，可以进行电机和能量传输功能最大程度的互相去耦合。在转子和定子之间的相对运动优选是旋转的。然而，该相对运动也可以是线性的。永久磁铁可以构造在气隙上或埋藏在转子中。在此可以利用绑带来紧固气隙磁铁。可以将驱动电机作为内转子或外转子构造。

定子绕组优选地构造为锯齿状线圈绕组，由此可以简单制造驱动电机。除了唯一的定子绕组之外，同样仅需要一个唯一的变流器。转子绕组可以直接地或借助中间连接的功率电子电路对耗电器馈电。

Claims (10)

1.一种由形成驱动系统的定子(2)和转子(3)构成的驱动电机(1)，为该驱动系统配置一个用于对转子上的负载供应能量的能量传输系统，其中，驱动功能和能量传输功能最大程度上互相独立，

其特征在于，

使用分谐波的气隙场分量，用于将电能传输到转子绕组(5)。

2.根据权利要求1所述的驱动电机，其特征在于，所述定子(2)具有一个共同的有效部件，其包括一个用于驱动和能量传输功能的定子绕组(4)，电机电流系统和与电机电流系统重叠并且与之不同的能量电流系统馈入该定子绕组中。

3.根据权利要求2所述的驱动电机，其特征在于，所述定子绕组(4)是锯齿状线圈绕组。

4.根据上述权利要求中任一项所述的驱动电机，其特征在于，所述转子(3)包括用于驱动功能的永久磁铁(6)和用于能量传输功能的转子绕组(5)。

5.根据上述权利要求中任一项所述的驱动电机，其特征在于，所述转子绕组(5)的极对数(p_E)相应于气隙场的分谐波的极对数(p_E)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的驱动电机，其特征在于，这样选择所述永久磁铁(6)的极对数(p_M)，使得其相应于由定子绕组(4)形成的极对数(p_M)。

7.根据上述权利要求中任一项所述的驱动电机，其特征在于，所述永久磁铁设置在所述驱动电机(1)的气隙(9)中。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的驱动电机，其特征在于，所述永久磁铁(6)被埋藏在所述转子(3)中。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的驱动电机，其特征在于，变流器与所述定子绕组(4)耦合，以产生电机电流系统和能量电流系统。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的驱动电机，其特征在于，所述能量电流系统与所述电机电流系统相比具有更高的频率。

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