CN102075048A - 用于分段式电动机的轴承方案 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于分段式电动机的轴承方案。本发明涉及一种电动机，具有：机架；耦合连接在机架上的定子(1)，定子具有用于产生磁场的第一部件；轴(3)；以及与轴连接的并且与定子磁性地相互作用的转子(4)，转子通过气隙(5)与定子间隔开，其中，气隙这样地布置，即在电动机运行时，磁场在气隙的内部基本上平行于轴线指向。为了简化这种电动机的结构，电动机还包括：布置在转子和定子之间的轴向轴承(6)，用于承受在定子和转子之间在轴线的方向上作用的引力；弹性耦合件，用于将定子机械地耦合连接在机架上，其中，用于在轴线的方向上作用的力的耦合件的刚度要小于轴向轴承，并且耦合件这样设计，通过在转子上在前述的方向上作用的力可使定子相对于机架在轴线的方向上平移。

Description

用于分段式电动机的轴承方案

技术领域

本发明涉及一种具有根据权利要求1的前序部分所述的特征的电动机。这种类型的电动发电机的特征在于定子和转子彼此之间的布置以及由此形成的气隙。也就是说，定子和转子这样地彼此成比例地布置，即在电动机运行时，在气隙中产生磁通量，该磁通量在第一线路中轴向地指向。轴向在此理解为平行于轴的旋转轴线的方向。

背景技术

因此这种类型的电动机与许多商业上通用的电动机的区别在于，在气隙中的通量密度轴向地而非径向地延伸。

根据权利要求1的前序部分所述的电动机的特别的表述提出了一种所谓的盘状分段式电动机。一种这样的电动机例如由WO2008/098867A1公开。盘状分段式电动机从其功能原理上看是直线电动机，其中用于产生磁场的定子侧的线圈固定在电动机上并且用于产生励磁场的永磁体分布在旋转的盘上。在此，驱动装置根据与如直线电动机中相同的原理起作用，其中，产生跟随旋转的盘的圆周的圆形的驱动路径。

这种类型的盘状分段式电动机经常如在WO 2008/098867A1中描述的那样，用于产生非常高的转矩。然而其结构并不简单，这是因为在定子侧的板叠和转子侧的永磁体之间作用有非常强的磁性引力。在定子和转子之间的气隙选择的越小，该磁性引力就越大。然而为了使机器实现较高的效率，气隙被尽可能小地选择。为了能够克服这种由此产生的强烈的轴向作用的引力，电动机的结构必须具有较高的刚度。此外，为了保持气隙，在轴承上的制造公差必须保持相应的小。需要由电动机产生的转矩越大，转子盘的直径就必须选择越大。然而这导致一个后果，即在定子和转子之间的引力相应于它们的杠杆臂产生较大的倾斜力矩，该倾斜力矩通过轴承传导到机架中。

发明内容

本发明的目的在于利用特别是在轴线的方向上产生的气隙场来简化电动机的构造。

该目的通过具有权利要求1所述的特征的电动机来实现。这种类型的电动机包括：

-机架；

-耦合连接在机架上的定子，该定子具有用于产生磁场的第一部件；

-轴；

-与轴连接的并且与定子磁性地相互作用的转子，该转子通过气隙与定子间隔开，其中，气隙这样地布置，即在电动机运行时，磁场在气隙的内部基本上平行于轴线指向；

-布置在转子和定子之间的轴向轴承，用于承受在定子和转子之间在轴线的方向上作用的引力；

-弹性耦合件，用于将定子机械地耦合连接在机架上，其中，用于在轴线的方向上作用的力的耦合件的刚度要小于轴向轴承，并且该耦合件这样地设计，即通过在转子上在前述的方向上作用的力可以使定子相对于机架在轴线的方向上平移。

本发明的有利的实施方式由从属权利要求获得。

在当今的轴承方案中，轴向引力由和转子连接的轴的径向轴承来承受，而与当今的轴承方案相反，在转子和定子之间的磁性引力通过根据本发明的轴向轴承尽可能靠近产生区域来承受。在此，轴承越靠近于产生磁场的部件的区域放置，则由引力引起的并且作用在轴上的倾斜力矩就越小。由此，轴的径向轴承的负荷被明显降低。

用于保持定子和转子之间的气隙场的轴向轴承根据本发明被设计得非常坚固。由此确保即使在机械负荷下也能够一直保持最理想的气隙。在转子和定子之间的轴向引力通常包括不希望的交流分量，其例如归因于盘的摆动运动或者在制造电动机时的公差。因此，轴向轴承的高的刚度是必须的，以承受住该力。

如果现在定子继续与机架刚性地连接，那么上述的轴向力通过轴向轴承传递到定子上并从那里继续传递到电动机中。此外，在转子相对于定子支承时产生机械的重复测定的问题。

现在，本发明基于这样的认识，即这种机械的重复测定和由此导致的不希望的力传递可以通过定子的与机架连接的弹性耦合来避免。根据本发明，这种弹性耦合允许定子在轴向作用的引力的方向上的基本上纯粹平移的运动。在装配电动机时由于制造公差以及特别是在定子和转子彼此对齐时导致的问题通过这种弹性耦合来缓解，这是因为定子不再如在现有技术中那样刚性地耦合连接在机架上，而是在轴向方向上具有必要的灵活性，从而使轴向力与机架退耦。相反，在切线方向上的、也就是说在电动机的力方向上的耦合连接优选地非常坚固地设计。由此确保了最理想的力传递。

此外，根据本发明，耦合件这样地设计，即在轴线的方向上作用的力导致定子相对于机架在轴线的方向上的平移。因此，在安装电动机时，装配公差仅仅导致定子平行于轴线的推移。在定子和转子之间的气隙基本保持恒定。在定子和转子之间的倾斜运动被避免，这是因为通过根据本发明的构造，定子的运动基本上是纯粹平移的。当耦合件可能这样地设计、即轴向力引起定子的倾翻时，这也许不会实现。如果定子与电动机壳体这样地耦合，即轴向作用的力使电动机悬挂装置倾斜，那么就会产生不均匀的气隙，这也许会对电动机的运行特性造成消极影响。通过定子与机架的根据本发明的耦合连接来防止这种消极影响。

在本发明的有利的设计方案中，定子和转子设计成盘状，并且第一部件设计成环状地分布在定子盘上的线圈。通过根据本发明的轴向轴承，这样的转子盘无需再如此地抗弯地来实现，如在根据现有技术的盘状电动机中的的情况那样。由此，该转子盘的旋转惯性被极大地降低，这导致了电动机的更高的动力。

对转子的供电以及与之相联系的滑动触点可以在本发明的有利的设计方案中被由此省去，即转子具有用于产生磁场的第二部件，该第二部件特别设计成永磁体并且环状地布置在转子盘上。在电动机的运行中，轴向作用的引力在这种类型的设计方案中出现在转子侧的永磁体和定子侧的板叠之间。用于承受轴向力的轴承在径向的方向上看应该尽可能接近线圈和永磁体布置，从而减少倾斜力矩的产生。

根据本发明在轴线的方向上使定子弹性耦合连接在机架上可以在本发明的有利的设计方案中由此实现，即弹性耦合件具有两个彼此平行的并且平行于定子布置的并且彼此间隔开的板。在轴线的方向上的弹性耦合连接基本上由这些板的几何参数以及它们彼此之间的布置来确定。板设计得越厚，在轴向方向上的耦合连接就保持得越坚固。随着板平行于定子、也就是说正交于轴线逐渐扩展，弹性也随之增大。在板间的更大的间距使定子在预期的方向上的、也就是说相对于轴线平移和平行的移动变得容易。

轴承能够以有利的方式设计成滚动轴承或者滑动轴承，其中在作为滑动轴承的实施例中例如可以考虑空气轴承、磁性轴承、静压轴承或者无润滑轴承。

在本发明的一个有利的实施方式中，由此来实现提高电动机的可实现的转矩以及降低轴承的负载，即电动机具有另外的定子，该另外的定子具有用于产生磁场的另外的第一部件，其中转子这样地布置在定子和另外的定子之间，即该转子通过另外的气隙与另外的定子间隔开，并且在电动机运行时，磁场在该另外的气隙的内部基本上轴向地指向。

为了在这种类型的实施例中确保用于维护整个系统的稳定性的引力的限定的方向，在本发明的另外的设计方案中，在定子和转子之间作用的引力大于在另外的定子和转子之间作用的引力。该目的例如可以由此实现，即另外的定子的线圈可以被馈送一个在数值方面上小于定子的线圈的电流。可替换地，在应用用于在转子上产生励磁场的永磁体时，可以应用用于两个气隙场的不同强度的永磁体。用于产生不平衡的引力的最简单的可能性通过根据本发明的一个设计方案实现，在该设计方案中，在定子和转子之间的气隙小于在另外的定子和转子之间的另外的气隙。

特别在那些电动机利用直线电动机技术的功能原理的实施例中，电动机的效率直接取决于在定子和转子之间的可实现的气隙。因此，电动机的效率极度地取决于转子的尺寸精度、刚度和支承，以及取决于在定子和转子之间的对齐的质量。

附图说明

接下来，根据附图中示出的实施例来更详细地描述和说明本发明。图中示出：

图1是设计成分段式电动机的电动机；

图2是盘状布置的、具有轴向轴承的电动机的原理结构；

图3是定子在机架上的第一弹性耦合连接；

图4是在轴向指向的力的作用下的定子在机架上的第一弹性耦合连接；

图5是定子在机架上的第二弹性耦合连接；

图6是在轴向指向的力的作用下的定子在机架上的第二弹性耦合连接；

图7是根据本发明的一个设计方案的、定子在机架上的弹性耦合连接；

图8是在轴向指向的力的作用下的根据图7的定子在机架上的弹性耦合连接；以及

图9是根据本发明的另一个实施例的电动机的固定在机器法兰上的定子。

具体实施方式

图1示出了设计成分段式电动机的电动机。这样的分段式电动机在原理上可以被视为圆形布置的直线电动机。电动机包括转子4，该转子布置在定子1和另外的定子10之间。用于产生励磁场的、环状布置的永磁体处于转子4上。永磁体布置在转子4的两侧，从而不仅定子1而且另外的定子10都可以将转矩传递到转子4上。不仅在定子1上而且在另外的定子10上都分别安装有线圈，这些线圈用于产生电枢磁场。两个初级部件、也就是定子1和另外的定子10的线圈分别通过一个气隙与次级部件、也就是转子4的永磁体间隔开。

利用这样的分段式电动机可以基于在这种类型的盘式布置中能够实现的较大的直径来产生非常大的转矩。磁力线在定子1和转子4之间的气隙的内部以及在转子4和另外的定子10之间的另外的气隙的内部在轴向方向上、也就是说在平行于转子4的旋转轴线的方向上走向。在转子4和定子1或者在转子4和另外的定子10之间作用的引力同样轴向地、也就是说平行于电动机的轴线指向。在定子1，10的缠绕的板叠和永磁体之间作用的引力通常在数值上是不同的，从而除了分段式电动机的转矩之外也能够出现强烈引起的轴向力以及倾斜力矩。为了能够对其进行控制，根据现有技术，这种类型的分段式电动机的部件、特别是转子4通常被设计成抗弯的。然而，由此带来的结果是转子盘通常非常重并且进而不灵活。

图2示出了盘状布置的、具有轴向轴承6的电动机的原理结构。在此，设计成盘状电动机的电动机也包括盘状的转子4，该转子布置在定子1和另外的定子10之间。在定子1和转子4之间布置有轴向轴承6，该轴向轴承可以承受轴向地在定子1的板叠和转子4的永磁体之间作用的引力。该轴承6不仅可以设计成滚动轴承也可以设计成滑动轴承。在滑动支承的情况中，可以使用静压轴承、无润滑轴承或者空气轴承。借助于这种支承可以避免转子盘除了传递电动机的转矩之外还必须传递轴向力或者倾斜力矩。通过永磁体、气隙、线圈2以及轴向轴承6产生闭合的力线，该力线在图中通过箭头示出。

在定子1和转子4之间设置有轴向轴承6，以便在尽可能靠近引力的产生的区域承受轴向引力。通过转子4的轴向导向，可以确保在定子1和转子4之间的气隙以及进而也可以确保在转子4和另外的定子10之间的气隙。在该视图中可知，定子1与机器的壳体16或者机架如何耦合。在定子1牢固地耦合连接到机器的壳体16上时，作用在轴向轴承6上的轴向力也会传递到机架上。在初级部件坐标系18和电动机坐标系17之间会产生直接的耦合。然而当两个坐标系17，18之间的耦合被取消时，电动机部件的负荷可以进一步降低。

图3示出了定子1在机架上的第一弹性耦合连接。机架在此以及在另外的图4至8中都简化地通过基座来表示。为了清晰起见，在图3中并未示出电动机的其他部件，如轴向轴承、转子和产生磁场的组件。这也适用于另外的附图4至8。在图3中仅仅描绘了支承点11，在该支承点上通过轴向轴承使转子相对于定子1进行支承。

定子1通过具有厚度S的板12机械地耦合连接在机架上。该板12可在电动机的轴线的方向上弹性地弯曲并因此通过在定子1和转子之间在气隙中作用的轴向力弯曲。

图4示出了在轴向指向的力F的作用下的定子1在机架上的第一弹性耦合连接。这样轴向指向的力F由于较高的磁力而在设计成盘状的电动机的气隙中作用在定子1和转子之间。在转子引入到电动机的定子1中时，这种类型的力作用可以例如在装配电动机时产生。如果现在出现示出的轴向指向的引力F，则板12出现弯曲。初级部件或者说定子1相对于次级部件或者说转子倾斜，这在附图中为了更好地被看到而被明显夸张地示出。在此，气隙变得不均匀，这对电动机的运行特性产生消极影响。虽然初级侧的坐标系与机架的坐标系退耦是所希望的，从而避免转子的支承的重复测定。然而，板12的为此所必要的变形不应该导致转子相对于定子1的位置的变化，特别是在气隙场的区域中。

图5示出了定子1在机架上的第二弹性耦合连接。在此，耦合连接通过两个彼此平行地布置的板12来实现。这些板又平行于同样设计成盘状的定子1和其同样设计成盘状的转子。具有板厚度S的板12以间距A彼此间隔开。

图6示出了在轴向指向的力F的作用下的定子1在机架上的第二弹性耦合连接。与图4比较地示出，定子1相对于机架的相对运动现在除了倾斜运动之外还通过平移运动被施加影响。这归因于两个彼此间隔开的板12的应用。然而在此也可以确定在定子1相对于机架和转子的运动中的可察觉的旋转的分量，其导致气隙的上述不希望的不均匀性。

图7示出了根据本发明的一个设计方案的定子1在机架上的弹性耦合连接。该实施例基本上相应于根据图5或者图6的实施例，其区别仅仅在于，在板12之间的间隙现在选择为明显更大的。

图8示出了根据图7在轴向指向的力的作用下的定子1在机架上的弹性耦合连接。在此可以明显地看到，基于在板12之间的更大的间距，轴向指向的力F基本上导致了定子1的纯粹的平移运动。倾斜分量几乎不再被识别到。通过弹性耦合连接的根据本发明的设计方案，在转子和定子之间的气隙几乎保持不变，从而尽管存在制造技术上的公差也可以保持一个在运行特性方面优化的气隙。

图9示出了根据本发明的另一个实施例的电动机的、固定在机器法兰9上的定子1。电动机包括次级部件盘14，在其上设置有单独的次级部件区段8。次级部件区段8又具有用于产生励磁场的永磁体。定子包括多个在圆周上分布的初级部件区段13，其具有用于产生电枢磁场所必需的线圈。次级部件盘14通过空气轴承相对于电动机的定子支承，该空气轴承完成根据本发明的轴向轴承6的任务。利用空气轴承可以实现非常高的刚度，其中为此仅仅需要相对较小的供给压力(通常小于10bar)。空气轴承通过空气轴承保持架5与两个平行布置的板12连接，这些板又固定在电动机的机器法兰9处。通过间隔垫块7来确保在两个板12之间的预期的间距。板12具有之前描述的弹性，该弹性允许由初级部件区段和次级部件盘构成的布置相对于机器法兰9并且进而相对于电动机的机架的平行推移。在板12之间的间距被选择得足够大，从而可以实现几乎纯粹的平移移动，如其在图8中所示出的那样。

Claims (8)

1.一种电动机，具有：

-机架；

-耦合连接在所述机架上的定子(1)，所述定子具有用于产生磁场的第一部件；

-轴(3)；

-与所述轴(3)连接的并且与所述定子(1)磁性地相互作用的转子(4)，所述转子通过气隙(5)与所述定子(1)间隔开，其中，所述气隙这样地布置，即在所述电动机运行时，所述磁场在所述气隙的内部基本上平行于轴线指向；

-布置在所述转子(4)和所述定子(1)之间的轴向轴承(6)，用于承受在所述定子(1)和所述转子(4)之间在所述轴线的方向上作用的引力；

-弹性耦合件，用于将所述定子(1)机械地耦合连接在所述机架上，其中，用于在所述轴线的方向上作用的力的所述耦合件的刚度要小于所述轴向轴承(6)，并且所述耦合件这样地设计，即通过在所述转子(4)上在前述的方向上作用的力可使所述定子(1)相对于所述机架在所述轴线的方向上平移。

2.根据权利要求1所述的电动机，其中，所述定子(1)和所述转子(4)设计成盘状，并且所述第一部件设计成环状地分布在定子盘上的线圈(2)。

3.根据权利要求2所述的电动机，其中，所述转子(4)具有用于产生磁场的第二部件，所述第二部件特别设计成永磁体，并且环状地布置在转子盘上。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电动机，其中，所述弹性耦合件具有两个彼此平行的并且平行于所述定子(1)布置的并且彼此间隔开的板(12)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电动机，其中，所述轴向轴承(6)设计成空气轴承或者磁性轴承或者静压轴承或者无润滑轴承。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电动机，具有另外的定子(10)，所述另外的定子具有用于产生磁场的另外的第一部件，其中所述转子(4)这样地布置在所述定子(1)和所述另外的定子(10)之间，即所述转子通过另外的气隙与所述另外的定子(10)间隔开，并且在所述电动机运行时，所述磁场在所述另外的气隙的内部基本上轴向地指向。

7.根据权利要求6所述的电动机，其中，在所述定子(1)和所述转子(4)之间作用的所述引力大于在所述另外的定子(10)和所述转子(4)之间作用的引力。

8.根据权利要求7所述的电动机，其中，在所述定子(1)和所述转子(4)之间的所述气隙小于在所述另外的定子(10)和所述转子(4)之间的所述另外的气隙。

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