CN102859842A - 电动机、卷扬机和升降机系统 - Google Patents

电动机、卷扬机和升降机系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动机、一种卷扬机以及一种升降机系统。根据本发明的一种电动机(1)，包括定子(4)；其中，该定子包括凹槽(5)，其中，在该凹槽中装配集中绕组(6)。该电动机还包括旋转转子(2)；其中，转子(2)包括在旋转运动的方向的圆环中连续地放置的永磁体(3a、3b)。在永磁体的中心线的点处该永磁体的宽度(LM)与该转子的磁极的宽度(LP)的比率
Figure DPA00001623737900011
至少为
Figure DPA00001623737900012
并且最多为
Figure DPA00001623737900013

Description

电动机、卷扬机和升降机系统
技术领域
本发明涉及电动机的结构并且更具体而言涉及永磁电机的结构。
背景技术
尽可能有效地利用建筑空间是一个普遍的目标。例如，由于空间需求，一个目标在于使得升降机的卷扬机尽可能紧凑。为了实现该目标，卷扬机被设计为在旋转轴的方向中它们的尺寸尽可能扁平，在该情况中，该卷扬机更好地适于与例如升降机井道的墙体部分的连接或者一些其他对应的狭窄空间中。另一方面，在一些技术方案中目标在于将卷扬机设计为在径向方向中它的尺寸尽可能小，因而该卷扬机更好地适于与例如升降机井道的顶端和底端的连接。
近来，已经开始在卷扬机的电动机中使用永磁电机，其中永磁电机包括集中定子绕组，该集中定子绕组被缠绕到定子齿四周的两个相邻的凹槽中。在集中绕组中，绕组端部的比例仍然比常规菱形绕组更短，在该情况中，卷扬机的尺寸也减小。
但是，集中绕组的使用导致问题。在电动机的气隙中由集中绕组产生的磁通量密度分布与正弦曲线显著不同，并且因此包括许多谐波。另一方面，谐波在电机中产生振动和干扰噪声。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁电机，其中，通过改良该永磁体的放置和形状来降低由磁场的谐波引起的振动和噪声。为了实现该目标，本发明公开了一种根据权利要求1的电动机，根据权利要求11的卷扬机以及根据权利要求13的升降机系统。在非独立权利要求中描述了本发明的优选实施方式。
根据本发明的一种电动机包括定子，其中，定子包括凹槽，在凹槽中装配集中绕组。该电动机还包括旋转转子，其中，转子包括在旋转运动的方向的圆环中连续地放置的永磁体。该永磁体在磁体的中心线的点处的宽度LM与该转子的磁极的宽度LP的比率
Figure BPA00001623738200021
至少为
Figure BPA00001623738200022
并且最多为就电角度的度数而言，这意味着在磁体的中心线的点处该永磁体的宽度LM的范围在电角度120到144度之间。术语电角度的度数指由在该转子与该定子之间的气隙中循环的磁通量的基本频率的周期长度设置的角度值。因此，对于该转子的该磁极的该宽度LP获得180度的电角度。术语磁体的中心线指转子的旋转运动的方向中的圆环，其基本上坐落于该磁体的几何中心点，换句话说，在中心线的两侧，在与该中心线成直角的方向中该磁体的长度相同。
在本发明的一个优选实施方式中，该转子上的永磁体的至少一侧的方向与具有凹槽倾角s的定子凹槽的方向不同，凹槽倾角s与该转子的磁极的宽度LP的比率
Figure BPA00001623738200024
至少为并且最大为
Figure BPA00001623738200026
就电角度的度数而言，这意味着凹槽倾角范围在电角度25到36度之间。
借助如上所给出的该转子磁体的放置和该磁体的形状，可以降低由磁通量的谐波引起的振动和噪声，特别是在这样一些类型的电动机中，其中在该些类型的电动机中集中分数凹槽绕组被装配在该电动机的定子凹槽中并且该绕组的每极每相凹槽数q小于0.5，最优选0.3。优选地可以通过将该转子的永磁体形成为基本上箭头形来实现该永磁体的前述凹槽倾角。
根据本发明的电动机优选地是轴向磁通电动机，其中，在该转子与该定子之间的气隙基本上处于该转子的旋转轴的方向中。该轴向磁通电动机的转子上的箭头形永磁体的尖端优选地被布置为比前述永磁体的中心线更加远离该转子的旋转轴。该永磁体可以被形成为使得当与该转子的该旋转轴的距离增加时该永磁体的宽度增加。在该情况中，该永磁体的形成增加该电机的扭矩，因为在该情况中该电机的磁通量的更大部分在该电动机的这样一部分中行进，其中该部分在径向中更加远离该转子的该旋转轴。根据本发明的该电动机可以是径向磁通电动机，其中，在该转子与该定子之间的气隙基本上处于该电动机的半径的方向中。
根据本发明的电动机的该转子中的连续永磁体的磁极优选地彼此方向相对。
至于第二方面，本发明涉及一种卷扬机，该卷扬机包括上文公开的那种类型的电动机。在该卷扬机中，该电动机的定子优选地被布置在该卷扬机的固定结构中，并且该电动机的该转子优选地被布置在该卷扬机的旋转结构中。该卷扬机的该旋转结构包括牵引轮。当使用根据本发明的电动机时，可以降低该卷扬机的振动和噪声。
至于第三方面，本发明涉及一种升降机系统，该升降机系统包括上文公开的那种类型的卷扬机，用于在升降机井道中移动升降机轿厢。在根据本发明的升降机系统中，该卷扬机由于它的更小的尺寸和更安静的噪声等级，能够优选地被布置在升降机井道中。
在本发明的一个优选实施方式中，将该转子布置在该卷扬机的该旋转结构的第一侧面上，并且将该牵引轮布置在该卷扬机的该旋转结构的相反侧面上。将该牵引轮固定在与该转子相同的部件上。可以将该牵引轮集成在与该转子相同的部件上；该卷扬机还可以包括用于固定并且/或者拆卸该牵引轮的固定装置如螺栓。如果例如由于磨损或故障而必须替换该牵引轮，则这可以是有益的。由于例如该牵引轮的表面部分中的绳槽的磨损，该牵引轮的替换可能是必要的。该槽的金属化或如聚亚安酯或相应的涂层槽的涂层可能由于绳子的滑动以及其他而磨损。槽的几何形状也影响磨损。
在本发明的优选实施方式中，牵引轮是中空的。因此可以使得该卷扬机的旋转结构及其坚硬，但是该结构同时轻质并且适合小型空间。通过在中空牵引轮中布置例如机械制动器和/或用于测量该卷扬机的旋转部分的运动的传感器，可以进一步降低该卷扬机的尺寸。也可以在该中空牵引轮的圆环部分的内表面上形成该机械制动器的制动表面。
优选地由至少在该永磁体的紧靠附近传导磁通量的材料制造该卷扬机的该旋转结构。在本发明的一个优选实施方式中，在该气隙的方向中该永磁体的厚度基本上恒定；但是在该气隙的方向中该永磁体的前述厚度也可以改变，因而为了在磁路的气隙中实现尽可能正弦曲线的磁通量密度分布，尽力使得厚度变化。
优选地将该转子的前述永磁体装配在固定模型中，其中这是为了降低由不导电的或导电性不佳的材料(如复合玻璃纤维、不锈钢或其对应物)产生的涡流。但是也可以通过例如将永磁体嵌入到该卷扬机的该旋转结构中来将它们固定在为此目的加工的凹处中。
在本发明的一个优选实施方式中，在该卷扬机的固定轴上经由轴承来支撑该卷扬机的该旋转结构。该轴也可以被制造成中空的，在该情况中，该卷扬机变轻，而不会实质上削弱该卷扬机的坚硬度。该轴和/或该牵引轮的中空结构还意味着制造该卷扬机所需要的原材料的量减少。也可以将用于测量该卷扬机的旋转结构的运动的传感器布置在该中空轴中。
可以例如使用鼓形制动器或盘形制动器作为根据本发明的该卷扬机的机械制动器。优选地将该制动器表面形成为轮缘状的环作为该卷扬机的该旋转结构的最外面的环的延伸，例如形成为盘形制动器的制动器盘或者鼓形制动器的制动器圆环。
通过一些实施方式的以下描述的辅助将更好地理解下文给出的本发明的前述概述以及附加特征和优点，所述描述不限制本发明的应用的范围。
附图说明
图1示出了转子的表面上的永磁体的放置；
图2示出了在旋转轴的方向看来根据本发明的轴向磁通电动机的转子；
图3示出了在旋转轴的方向看来根据本发明的轴向磁通电动机的定子；
图4示出了在气隙的方向看来根据本发明的轴向磁通电动机的永磁体；
图5示出了在旋转轴的方向看来根据本发明的径向磁通电动机；
图6给出了根据本发明的一个卷扬机的一部分，从在半径方向中该卷扬机的旋转轴以上剖开；
图7以方框图给出根据本发明的升降机系统。
具体实施方式
图1在气隙的方向中，给出了在旋转运动的方向中的圆环12中，在根据本发明的永磁体同步电机的转子的表面上连续地布置的永磁体。在图1中，为了清楚起见，给出了当被拉直时在旋转运动的方向中的圆环12，在该情况中，永磁体被直线连续地布置在旋转运动的方向中的圆环中。该永磁体是基本上箭头形的。该永磁体3a、3b在该转子上的尺寸和放置使得在每个永磁体3a、3b的中心线12的点处该永磁体的宽度LM与该转子的磁极的宽度LP的比率至少为
Figure BPA00001623738200052
并且最多为就电角度的度数而言，这意味着当该磁极的该宽度LP是电角度180度时，在永磁体的中心线12的点处该永磁体的宽度LM的范围在电角度120到144度之间。该电机还包括定子(在图中未显示)，该定子包括用于定子绕组的凹槽。该定子凹槽被布置为关于旋转运动的方向中的圆环12成直角。永磁体的在尖端11处结束的侧面的方向与被布置在该永磁体的相对侧上的侧面7一样，与该定子凹槽的方向相差凹槽倾角s，其中，凹槽倾角s与该转子的磁极的宽度LP的比率
Figure BPA00001623738200054
至少为
Figure BPA00001623738200055
并且最大为
Figure BPA00001623738200056
就电角度的度数而言，这意味着凹槽倾角范围在电角度25到36度之间。将集中分数凹槽绕组安装在定子凹槽中，该绕组的每极每相凹槽数q小于0.5。每极每相凹槽数q指示电机的每个相位和每个极性的定子凹槽的数量。当每极每相凹槽数小于0.5时，利用以上给出的永磁体的该成形和放置，可以降低电机的气隙中流通的磁通量的谐波，在该情况中，也减小由振动产生的该电机的扭矩波动，并且同时还减小由该电机的工作引起的干扰噪声。
图2示出了在旋转轴的方向看来根据本发明的轴向磁通电动机的转子2。可以在例如图6的卷扬机14的旋转部件16中形成转子2，因而在旋转运动的方向中的圆环12中，将永磁体3a、3b以均匀的间隔连续地固定在卷扬机14的旋转部件16的表面中。永磁体3a、3b是箭头形的；另外，在磁体的中心线的点处，全部永磁体具有相同的宽度LM。两个连续的永磁体3a、3b的磁极彼此相反，因而由连续的永磁体产生的磁场的强度向量彼此方向相反。该永磁体的尺寸和放置以及该永磁体的凹槽倾角如同根据图1的实施方式。图6的卷扬机的定子4包括集中分数凹槽绕组，该绕组的每极每相凹槽数小于0.5。定子4被布置在该卷扬机的固定外框部分15中。该卷扬机的旋转部件16还包括牵引轮17，该牵引轮包括用于曳引绳的绳槽。该定子和该转子被布置为在卷扬机14中彼此面对，因而在旋转轴9的方向中在它们之间仍然存在气隙8。当电机的磁通量在转子2与定子4之间旋转时，电机的磁通量穿过气隙8。
图3给出了图6的卷扬机14的一个可能的定子4。图3的定子4包括12个凹槽，并且在定子绕组中存在3个相。另一方面，根据图2的转子包括10个极，因为每个永磁体在转子中形成磁极。因此，当使用根据图2的转子和根据图3的定子时，得到0.4作为该电机的每极每相凹槽数。在本发明的一个优选实施方式中，该每极每相凹槽数是0.3。在该情况中，该电机最优选地包括36个定子凹槽，并且转子的磁极的数量是40。存在40个永磁体，即与存在的磁极的数量一样多。
将图2的转子的永磁体3a、3b装配在固定模型中，该固定模型因而被固定在卷扬机的旋转部件16的表面上。在气隙8的方向中，该永磁体的厚度基本上恒定。由接近永磁体3a、3b的铁磁材料制造旋转部件16，其中在该材料中磁通量在磁路中流动。
利用永磁体3a、3b的根据本发明的成形和放置，通过降低在电机的气隙中流通的磁通量的谐波，降低电机的扭矩波动。也可以利用不同于或修改于箭头形的形状如多边形来降低谐波，但是在磁体的中心线的点处该形状的宽度和该形状的凹槽倾角在本发明指定的限制值的范围内。永磁体的一个可能的形状是四边形，该四边形的至少一个侧面的方向与该定子凹槽的方向的差异在本发明给出的凹槽倾角2的限制中。另一方面，可以圆化永磁体的一个或多个转角。
图4给出了可应用于例如上述任意轴向磁通电动机的对箭头形略有修改的一个该永磁体，其中，箭头形永磁体的尖端11被布置为比中心线12更加远离转子的旋转轴9，其中中心线12经由永磁体3a的几何中心点行进并且被布置为在转子的旋转运动的方向中的环形。中心线12涉及在转子的旋转运动的方向中基本上坐落在该磁体的几何中心点上的圆环，换句话说，在与中心线成直角的方向A中该磁体的长度在中心线12的两个侧面上相同。另外，当与转子的旋转轴9在箭头10的方向中的距离10增加时，永磁体的宽度1增加。在该情况中，由永磁体产生磁场的更大部分远离转子的旋转轴。利用该类型的永磁体成形，可以改善电机的扭矩产生。
图5示出了在旋转轴的方向看来根据本发明的径向磁通电动机。永磁体3a、3b在转子2的表面上。永磁体3a、3b被固定到固定模型并且在旋转运动方向中的圆环中被连续布置在转子的表面上。永磁体3a、3b基本上是箭头形。选择转子2的永磁体3a、3b的尺寸和放置，使得在每个永磁体3a、3b的中心线的点处该永磁体的宽度LM与该转子的磁极的宽度LP的比率至少为
Figure BPA00001623738200072
并且最多为就电角度的度数而言，这意味着当该磁极的该宽度LP是电角度180度时，在永磁体的中心线12的点处该永磁体的宽度LM的范围在电角度120到144度之间。该电机还包括定子4，该定子包括用于定子绕组6的凹槽5。该定子凹槽5被布置为关于旋转运动的方向中的圆环成直角。图5中的定子包括敞口的凹槽开口，但是该电机也可以具有半敞口或闭合的凹槽开口。永磁体的在尖端11处结束的侧面的方向以及被布置在该永磁体的相对侧上的侧面与该定子凹槽5的方向相差凹槽倾角s，其中，凹槽倾角s与该转子的磁极的宽度LP的比率
Figure BPA00001623738200081
至少为并且最大为
Figure BPA00001623738200083
就电角度的度数而言，这意味着凹槽倾角s范围在电角度25到36度之间。将集中分数凹槽绕组安装在定子凹槽中，该绕组的每极每相凹槽数q小于0.5。当每极每相凹槽数小于0.5时，利用以上给出的永磁体的该成形和放置，可以降低径向磁通电机的气隙中流通的磁通量的谐波，在该情况中，也减小由振动产生的该电机的扭矩波动，并且同时还减小由该电机的工作引起的干扰噪声。
图7给出了升降机系统的方框图，其中，升降机轿厢18和配重20悬挂在升降机井道19中，升降机绳经由该升降机的卷扬机14的牵引轮17穿过。利用升降机的卷扬机14，通过经由卷扬绳在升降机轿厢上施加力，移动升降机轿厢。到升降机的卷扬机1的电源与连接在电网和升降机的卷扬机14之间的变频器(在图中未显示)一起出现。变频器和升降机的卷扬机14被布置在升降机井道中，与升降机轿厢18运动路径的外部的升降机井道19的墙体连接。升降机的卷扬机14具有图6中给出的类型。由于集中分数凹槽绕组，因此可以使得在旋转轴9的方向中升降机的卷扬机14的尺寸比现有技术更加扁平。从图7中可以看出，升降机的更加扁平的卷扬机14允许在升降机的卷扬机1的旋转轴9的方向中增加升降机轿厢18的宽度，在该情况中，因此可以将比以前空间更大的升降机轿厢18装配在同一升降机井道中。类似地，根据本发明的卷扬机14的转子磁体的该放置和成形降低了电机的扭矩波动并且使得卷扬机相当安静。
根据本发明的电动机1和卷扬机14适合用于例如不同的传送系统和升降系统中；除了乘客升降机和货物升降机之外，电动机1和卷扬机14还可用于例如矿井升降机、鼓形驱动升降机以及起重机中。另一方面，根据本发明的电动机还适合用在例如自动扶梯系统和自动人行道系统中。
本发明不仅限于应用在上述实施方式中，而是在如所附权利要求所定义的创造性概念的范围中可以具有许多变形。

Claims (14)

1.一种电动机(1)，包括定子(4)；
其中，所述定子包括凹槽(5)，其中，在所述凹槽中装配集中绕组(6)；
并且其中，电动机包括旋转转子(2)；
其中，转子(2)包括在旋转运动方向上的圆环(12)中连续地放置的永磁体(3a、3b)；
其特征在于，在永磁体的中心线(12)的点处所述永磁体(3a、3b)的宽度(LM)与所述转子的磁极的宽度(LP)的比率(
Figure FPA00001623738100011
)至少为并且最多为
Figure FPA00001623738100013
2.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述转子上的至少一个永磁体(3a、3b)的至少一侧的方向与定子凹槽(5)的方向相差凹槽倾角(s)，凹槽倾角(s)与所述转子的磁极的宽度(LP)的比率(
Figure FPA00001623738100014
)至少为
Figure FPA00001623738100015
并且最大为
3.如权利要求1或2所述的电动机，其特征在于，所述集中绕组是集中分数凹槽绕组(6)。
4.如权利要求3所述的电动机，其特征在于，所述集中分数凹槽绕组(6)的每极每相凹槽数(q)小于0.5。
5.如权利要求1到4中的任意一项所述的电动机，其特征在于，在所述定子(4)与所述转子(2)之间的气隙(8)基本上处于所述转子的旋转轴(9)的方向中。
6.如权利要求5所述的电动机，其特征在于，当与所述转子的所述旋转轴(9)的距离(10)增加时，所述永磁体(3a、3b)的宽度(1)增加。
7.如前述任意一项权利要求所述的电动机，其特征在于，所述转子的所述永磁体(3a、3b)基本上是箭头形。
8.如权利要求7所述的电动机，其特征在于，所述转子上的箭头形永磁体(3a、3b)的尖端(11)被布置为比前述永磁体(3a、3b)的中心线(12)更加远离所述转子的所述旋转轴(9)。
9.如前述任意一项权利要求所述的电动机，其特征在于，连续的永磁体(3a、3b)的磁极彼此方向相反。
10.如前述任意一项权利要求所述的电动机，其特征在于，在所述气隙的方向中永磁体的厚度(13)基本上恒定。
11.一种卷扬机(14)，其特征在于，所述卷扬机包括如权利要求1到10中的任意一项所述的电动机(1)。
12.如权利要求11所述的卷扬机，其特征在于，所述电动机的所述定子(4)被布置在所述卷扬机的固定结构(15)中；
并且在于所述电动机的所述转子(2)被布置在所述卷扬机的旋转结构(16)中；
并且在于所述卷扬机的所述旋转结构(16)包括牵引轮(17)。
13.一种升降机系统，其特征在于，所述升降机系统包括根据权利要求13或14所述的卷扬机(14)，用于在升降机井道(19)中移动升降机轿厢(18)。
14.如权利要求13所述的升降机系统，其特征在于，所述卷扬机(14)被布置在所述升降机井道(19)中。
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