CN104508953A - 包括两个磁性轴承电机的致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括至少两个磁性轴承电机的致动器。所述致动器的特征在于所述致动器包括一个从另一个延伸的两个磁性轴承电机(1，1bis)，所述两个轴承电机(1，1bis)相对于彼此角向偏置。该致动器的特征还在于主动的或被动的轴承(13)插入所述两个轴承电机(1，1bis)之间，所述轴承(13)在每个轴承电机(1，1bis)的所述转子部(3，3bis)和定子部(4，4bis)上作用，壳体(10)于第一轴承电机(1)和第二轴承电机(1bis)之间设置在所述致动器上以接收所述轴承(13)。本发明适于在电机领域使用。

Description

包括两个磁性轴承电机的致动器
技术领域
本发明涉及一种包括两个磁性轴承电机的致动器。
背景技术
传统电机或发电机需要轴承以支撑和引导传动杆的旋转。现有应用中使用的机械元件大多数为球轴承或套筒轴承。它们的操作极限在具有高速旋转、具有特定环境或在真空中、在非常低或非常高的温度下的应用中、或者摩擦和磨损必须被最大可能地减小的领域中仍能很快达到。
在那种情况下，已经知晓将磁性轴承用于电机或发电机，那些磁性轴承不会遭受摩擦导致的磨损。这样的磁性轴承确保电机的静止部分、称之为定子和所述电机的移动部分、称之为转子之间没有接触，转子和定子被毫米的十分之几的空气间隙分开。
由此，已经知晓使用具有磁性轴承系统的电机从而克服前述操作限制。为此，轴承电机已经被发展从而形成在单个致动器中并入径向轴承的绕组和电机的双功能致动器。
这样的致动器能够减少旋转系统中的元件的数量并且能够保持力矩和径向力的独立控制。在单个装置上具有轴承和电机共享的绕组的结构也存在。
轴承电机的实施例包括一些缺陷，例如磁回路含有铁，该铁在高频率下会产生涡流导致的额外损失。轴承电机还需要含有很多通信单元的电源电子装置以及复杂控制方法，这减慢了它们的产业化。
两种类型的磁性轴承可能存在，称之为被动轴承和主动轴承。被动磁性轴承采用永久磁体，而主动磁性轴承采用环绕着磁回路被电流经过的线圈，所述线圈能够在它的周围形成引力。如前所述，主动轴承被通常为复杂且昂贵的电子元件控制以获得轴的有效支撑。
当物体绕着它的轴线、最常见为中心轴线旋转时，五个自由度必须被控制，所述五个维度的自由度可拆分为三个位移自由度和两个旋转自由度。这不能通过被动轴承实现；至少一个主动轴承被需要。然而，对主动磁悬浮的控制引入了损失以及安全性、可靠性的问题。
另一损失源在于致动器的组成元件中或致动器所驱动的部件中的铁的存在。在所述元件中铁的存在会产生、特别是在高频率下会产生由涡流导致的额外损失。致动器和关联的部件在它们不被使用时也会自然地流失它们的电量。
文献EP-A-2107668描述了一种旋转电机，在该旋转电机中即使当转子非常长时磁性支撑力也可被形成。旋转电机包括安装在主轴上的转子和环绕转子的定子。
所述转子具有产生沿着所述主轴的周向的旋转力矩和支承力的第一段、以及形成沿着转子的所述主轴的径向的向外的轴承力的第二段。
转子的所述两段沿着主轴串联定位。这个文献因此涉及一种与前述现有技术具有相同的缺陷的单轴承电机。
上述文献描述的现有技术记载了一种轴承电机，该轴承电机具有两个彼此隔开并且与一体式制成的定子协作的转子。由此，这一现有技术具有与前述相同的缺陷。
文献WO-A-02/40884描述了一种旋转机，该旋转机具有被第一径向磁性轴承和第二径向磁性轴承支承的旋转轴件，该旋转机的电流被控制装置操纵。旋转轴件装配有包括由刚性紧固的圆盘形成的转子的轴向轴承装置。这个文献没有描述任何轴承电机，而只描述了径向磁性轴承，并且该旋转机具有与前述相同的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种致动器，该致动器能够降低致动器在操作中出现的所有的摩擦并且能够在旋转它的驱动轴件的同时消除在它的旋转中产生的寄生运动。
为此，本发明涉及一种致动器，其具有至少一个磁性轴承电机，所述至少一个电机包括转子部和定子部，所述转子部相对于所述定子部磁悬浮，其特征在于：所述致动器包括在彼此的延伸上定位的两个磁性轴承电机，所述两个轴承电机相对于彼此角向偏置，并且主动的或被动的轴承插入所述两个轴承电机之间，所述轴承在每个轴承电机的所述转子部和定子部上作用，壳体于第一轴承电机和第二轴承电机之间设置在所述致动器上以接收所述轴承。
这样的具有两个轴承电机的致动器能够保证用于旋转轴件的恒定力矩，轴承电机中的一个的力矩在一些角向位置能够为零并且能够被另一个轴承电机角向偏置。
根据本发明的优选结构：
-所述两个轴承电机偏置22.5°的机械角度。
-每个轴承电机的所述转子部由绕着所述轴承电机的所述定子部对称分布的磁体形成。
-所述转子部分布为形成海尔贝克结构，从而使得所述磁体能够形成具有非对称分布的磁流，所述磁流在所述海尔贝克结构的一侧被放大而在另一侧被减小或甚至消去。
-所述磁体具有镧系元素、有机金属磁体或有机磁体的基底。
-所述定子部和所述转子部由复合材料或陶瓷材料制成。
-每个轴承电机的所述定子部由大致圆柱形的芯体形成，所述芯体具有槽，所述槽用于两个相邻槽之间的至少一个线圈的通过。
-每个轴承电机包括以星形安装的三组线圈，用于每个轴承电机的三个电流的总和为零。
-所述致动器包括通过改变传递至每个轴承电机的至少一个线圈的电流而指挥和控制定位参数的控制装置，至少一个感应式传感器形式的检测装置设置在所述致动器上，所述控制装置对传递至每个轴承电机的所述线圈的所述电流的强度作用。
本发明还涉及一种控制这样的致动器的方法，所述方法包括用于改变传递至所述致动器的每个轴承电机的所述定子部的至少一个线圈的电流的步骤，所述步骤基于所述致动器的位置和力矩而执行。
有利地，每个轴承电机的所述至少一个线圈被供以至少一个电流，第二轴承电机的所述电流的强度能够与第一轴承电机的所述电流的强度不同或相同。
有利地，每个轴承电机被至少三个电流供电，每个电流供向相应的一组线圈，所述第一轴承电机的所述三个电流能够与所述第二轴承电机的所述三个电流不同或相同。
附图说明
本发明现在将被更详细但非限定性地、参考附图地予以说明。所述附图为：
图1示出了绕着轴线被驱动的元件的透视图，指示出多个自由度；
图2示出了根据本发明的由两个轴承电机组成的致动器的透视图；
图3a示出了用于根据本发明的致动器的定子的侧视图，所述定子由两个定子部形成，每个定子部均与轴承电机对应；
图3b示出了图3a的定子的纵向剖视图；
图3c示出了图3a的定子的透视图；
图3d示出了图3的定子上的绕组的展开图；
图4示出了沿着根据本发明的致动器的第一轴承电机的A-A的剖视图；
图5示出了沿着根据本发明的致动器的第二轴承电机的B-B的剖视图；
图6示出了沿着根据本发明的另一实施例的致动器的轴承电机的A-A或B-B的剖视图，该图中的转子以海尔贝克结构布置；
图7示出了能够插入根据本发明的致动器的两个轴承电机之间的磁性轴承的透视图；
图8示出了图7的轴承的轴向剖视图；以及
图9a、9b和9c分别示出了沿着图1示出的轴线X、Y和Z的力的曲线。
具体实施方式
图1示出了旋转元件V和它的轴件A，所述旋转元件能够为飞轮。这个图指旋转示出元件V可能的自由度。
假设这个旋转元件V是完全自由的，那么它的空间运动能够通过相对于正交参考系的三个平移和三个旋转的组合来被描述，所述正交参考系以沿着所述元件V的旋转轴件A的轴线延伸的轴线Z、所述元件V的平面内包含的轴线Y和垂直于第一轴线Z和第二轴线Y的轴线X示出。
三个旋转自由度分别为绕着轴线Y的旋转α、绕着轴线X的旋转β和绕着轴线Z的旋转γ。在飞轮V旨在绕着轴线Z旋转的情况下，只有旋转γ是自由的，其余旋转被认为是寄生旋转。
仍假设元件V是完全自由的，那么存在沿着轴线X、Y和Z的三个平移自由度。这可以发生在元件V的轴件A的两端，并且这些平移自由度应当局限为旋转元件V携带它的轴件A达到最佳操作。监测应当被实施以确保在轴件A的两端没有形成偏移，该偏移相对于在轴件每端上居中的正交参考系能够概述为形成相应的合量R1和R2的两个相应分量X1、Y1和X2、Y2。
根据本发明，具有相对于彼此角向偏置的两个轴承电机的致动器被使用；所述轴承电机将在下文中被更详细地描述。两个轴承电机相对于彼此的角向偏置指的是两个轴承电机的磁极相对于彼此的偏置。
两个轴承电机可为类似地或具有不同的设计。使用两个相对于彼此角向偏置的轴承电机使得能够通过绕着轴线Z的旋转动作γ传递电机力矩，并且还能够施加径向力以控制力R1和R2以及旋转α和β。沿着轴线Z的平移自由度通过磁性轴承被保持，该磁性轴承最好为被动轴承。这涉及本发明想要减小的摩擦损失。
对于由涡流导致的损失，本发明设置为使得致动器和关联元件由不含铁的材料制成。这例如对于具有两个轴承电机的致动器的转子部和定子部的磁体尤其有效。
根据本发明的致动器将参考图2至5予以描述。根据本发明的致动器将具有永磁体的同步电机的特性和磁性轴承功能结合在一起。
致动器由两个角向偏置的轴承电机1和1bis构成。这使得能够保证用于旋转轴件的恒定力矩，轴承电机1或1bis中的一个的力矩在某些角向位置能够为零并且轴承电机1或1bis中的一个被轴承电机1bis或1的另外一个的力矩偏置。作为致动器部件的两个轴承电机1和1bis可为在转子部具有永磁体的同步电机。
在图2至5中，轴承电机1和1bis在下述示例中由六个磁极和三个线圈组成，但是别的结构也是可能的以控制多个轴，例如可以为具有四个磁极和线圈的轴承电机。
每个轴承电机1和1bis首先具有外转子，所述外转子具有极化且交替的永久磁体3和3bis。极化且交替的永久磁体3和3bis可被传统地布置或采用海尔贝克(Halbach)结构布置。还可能具有被定子包围的内转子。
如图6示出了海尔贝克结构，磁体3和3bis以这样的结构的布置使得能够将磁体3和3bis的一侧磁场的放大，同时将磁体3和3bis的另一侧的磁场消去。在该图中，磁体3、3bis上的箭头指示了磁场的方向。
永磁体3和3bis有力地直接紧固在旋转部上，这使得能够消除转子和磁体3和3bis的耦合。内定子承载线圈4。线圈4可有利地由铜或铝制成。
如在图3a、3b、3c和3d中特别好地示出，定子由对应于第一轴承电机1的定子部4的芯体5和对应于第二轴承电机的定子部4bis的芯体5bis形成。芯体5、5bis具有大致圆柱形，并且壳体10设置在芯体5和5bis之间用于将在下文说明的磁性轴承。图3a至3c所示的定子还包括用于接收感应式传感器的腔12，所述感应式传感器的信号传输使得能够控制支承致动器的轴件的位置。
每个芯体5、5bis具有槽11，所述槽优选为纵向的、有利地为六个的槽11，用于在芯体5、5bis的被两个相邻槽11界定的周部上缠绕线圈。
图3c示出了第一轴承电机1的定子部和第二轴承电机1bis的定子部相对于彼此角向偏置，第一定子的槽11相对于第二定子的槽11角向偏置。
图3d展示了在槽11之间连接两个线圈41的绕组的展开图。这个绕组可有利地在定子的两个相邻线圈41之间形成X。这还对线圈41至46以及41bis至46bis有效，这一点将在图4和5中示出。
如图4和5特别好地示出，每个轴承电机1、1bis内的定子部由芯体5、5bis上的六个线圈41至46、41bis至46bis组成，所述线圈41至46、41bis至46bis具有低导磁性并且有利地如图3d所示那样地绕着芯体5、5bis的被两个相邻槽11界定的周部。
参见图4和5，为了降低铁存在导致的损失，芯体5、5bis有利地不含有铁。一个相位的绕组由两个通过回路6或6bis连接的相邻线圈组成，在图4或5中只有一个回路6或6bis被引用。这样的组成有利于在转子上产生电机的力矩和径向力。三个线圈41至46、41bis至46bis以星形耦合并且被三个电流i1、i2、i3或i1bis、i2bis、i3bis供电，轴承电机1和1bis的每个的三个电流的总和为零。
图6展示了与图4和5中所示的不同的轴承电机的实施例。在图6中，磁体3采用海尔贝克结构定位。这样的结构在轴承电机的一侧增强了磁场而在轴承电机的另一侧减弱或消去磁场。
海尔贝克结构包括轴承电机的转子部的12个磁体3，所述12个磁体3带有象征磁场方向的箭头。轴承电机的定子部相对于图4和5基本保持不变。对于致动器，能够将海尔贝克结构用于致动器上设置的每个轴承电机，这具有允许更好的磁流集中性的优点并且直接提高了具有角向偏置的两个轴承电机的致动器的性能。
参见所有附图，轴承电机结构1或1bis允许基于位置和力矩利用三个电流i1、i2、i3或i1bis、i2bis、i3bis的数字控制对三个自由度X、Y和Z进行独立且非耦合的控制。
根据本发明的致动器的电子控制包括通过改变传递至所述至少一个线圈的电流、即在各图中传递至每个轴承电机的三组线圈的电流来指挥和控制它的轴件的定位参数的手段。这种电子控制还包括检测手段，例如之前描述的设置在致动器上的至少一个感应式传感器形式的检测手段。
因此，所述检测手段监测致动器的转子相对于致动器的定子的位置并且控制手段对传递至每个轴承电机的线圈的电流强度作用从而将转子返回至它的预设工作位置。转子由此相对于定子保持漂浮并且同时以安全的方式与定子保持很小的距离。
致动器仅需要三个逆变器来采用非正弦电流为线圈41至46、41bis至46bis供电。逆变器的三个切换单元的数字控制使得能够产生独立于旋转角度的恒定力，同时在一些旋转角度上力矩为零。由此仅仅通过将两个角向偏置轴承电机1或1bis关联就能够保证恒定力矩，如本发明所提出的那样。
在本发明的一个优选实施例中，致动器由角向偏置90电角度或22.5机械度的角度的两个轴承电机1、1bis组成，其中每个电机具有六个磁极。除了不受旋转角度影响获得恒定力矩的优点外，两个关联的轴承电机1、1bis使得能够控制两个额外的旋转自由度、称之为绕着轴线Y的旋转α和绕着轴线X的旋转β，参见图1。
通过控制六个非正弦电流，根据本发明的致动器基于电机的位置和力矩能够产生完全非耦合的力和力矩。
本发明的轴承电机1、1bis中使用的磁体不含有铁。这些磁体有利地具有镧系元素、也称之为稀土元素例如钐钴的基底。替代地，所述磁体可配位化学磁体、有机金属磁体例如具有非常低的铁含量的钒二—四氰基乙烯或钕铁硼、和/或纯有机磁体例如CHNO。
除了铁以外的元素优选形成致动器。这些元素可具有复合基底或陶瓷基底。
图7和8展示了磁性轴承13。第一轴承电机1和第二轴承电机1bis之间轴承可在壳体10内定位，具体如图2、3a至3c所示。应当说明的是，这个磁性轴承可为主动轴承或被动轴承。
如在这两个图中非限定性地所示，磁性轴承13可包括用作两个轴承电机的转子的轴承的一串三个同心环13a和用作两个轴承电机的定子的轴承的一串三个同心环13b。
图9a、9b和9c分别示出了两个轴承电机中的每个的基于致动器的旋转角度的沿着轴线X的合力的曲线、沿着轴线Y的合力的曲线和沿着轴线Z的合力矩，虚线形式的曲线指示出轴承电机之一的合力并且带有圆圈的曲线指示出另外的轴承电机的合力。
图9c展示出轴线Z的合力矩曲线被反转。轴承电机的力矩曲线可在某些位置具有零值；由此然后可知仅仅通过将两个角向偏置的轴承电机关联就能够获得恒定力矩。
由于六个非正弦电流的控制，根据本发明的致动器能够基于电机的位置和力矩来形成完全不耦合的力和力矩。
根据本发明的具有两个轴承电机的致动器具有结实并且节约成本的设计。由于至少一个感应式传感器的存在，致动器的运动的更好的监测和更好的控制是可能的，从而为致动器获得更好的性能和可靠性。
这样的具有两个轴承电机的致动器不再承受摩擦，磁性轴承没有接触地操作，这大大减小了能量损耗并且增加了致动器的寿命。没有接触还能够降低致动器在它的运动过程中所产生的噪音。这能够相对于现有技术的致动器增加速度并且尽可能地减小具有轴承电机的致动器的大小。
对于这样的具有两个磁性轴承电机的致动器，由于线圈被至少一个感应式传感器的操纵恒定地控制，因此所述致动器能够被安全地控制。
致动器已经被示出含有具有内定子和外转子的轴承电机，但是这可被反转。
本发明绝没有局限于说明和图示的实施例，而是仅仅以示例方式提供了这些实施例。

Claims (12)

1.一种致动器，其具有至少一个磁性轴承电机，所述至少一个电机包括转子(3，3bis)和定子(4，4bis)，所述转子(3，3bis)相对于所述定子(4，4bis)磁悬浮，其特征在于：所述致动器包括在彼此的延伸上定位的两个磁性轴承电机(1，1bis)，所述两个轴承电机(1，1bis)相对于彼此角向偏置，并且主动的或被动的轴承(13)插入所述两个轴承电机(1，1bis)之间，所述轴承(13)作用在每个轴承电机(1，1bis)的所述转子部(3，3bis)和定子部(4，4bis)上，壳体(10)于第一轴承电机(1)和第二轴承电机(1bis)之间设置在所述致动器上以接收所述轴承(13)。
2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于：所述两个轴承电机(1、1bis)偏置22.5°的机械角度。
3.根据前述任一项权利要求所述的致动器，其特征在于：每个轴承电机(1，1bis)的所述转子部(3，3bis)由绕着所述轴承电机(1，1bis)的所述定子部(4，4bis)对称分布的磁体(3，3bis)形成。
4.根据前一项权利要求所述的致动器，其特征在于：所述磁体(3，3bis)分布为形成海尔贝克结构，从而使得所述磁体(3，3bis)能够生成具有非对称分布的磁流，所述磁流在所述海尔贝克结构的一侧被放大而在另一侧被减小或甚至消去。
5.根据前两项权利要求的任一项所述的致动器，其特征在于：所述磁体(3，3bis)具有镧系元素、有机金属磁体或有机磁体的基底。
6.根据前述任一项权利要求所述的致动器，其特征在于：所述定子(4，4bis)和所述转子(3，3bis)由复合材料或陶瓷材料制成。
7.根据前述任一项权利要求所述的致动器，其特征在于：每个轴承电机(1，1bis)的所述定子部(4，4bis)由大致圆柱形的芯体(5)形成，所述芯体(5)具有槽(11)，所述槽(11)用于两个相邻槽之间的至少一个线圈(41至46，41bis至46bis)的通过。
8.根据前一项权利要求所述的致动器，其特征在于：每个轴承电机(1，1bis)包括以星形安装的三组线圈(41至46，41bis至46bis)，用于每个轴承电机(1，1bis)的三个电流(i1至i3，i1bis至i3bis)的总和为零。
9.根据前两项权利要求的任一项所述的致动器，其特征在于：所述致动器包括通过改变传递至每个轴承电机(1，1bis)的至少一个线圈(41至46，41bis至46bis)的电流(i1至i3，i1bis至i3bis)而指挥和控制定位参数的控制装置，至少一个感应式传感器(12)形式的检测装置设置在所述致动器上，所述控制装置对传递至每个轴承电机(1，1bis)的所述线圈(41至46，41bis至46bis)的所述电流(i1至i3，i1bis至i3bis)的强度作用。
10.一种控制根据前一项权利要求所述的致动器的方法，所述方法包括用于改变传递至所述致动器的每个轴承电机(1，1bis)的所述定子的至少一个线圈(41至46，41bis至46bis)的电流(i1至i3，i1bis至i3bis)的步骤，所述步骤基于所述致动器的位置和力矩而执行。
11.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于：每个轴承电机(1，1bis)的所述至少一个线圈(41至46，41bis至46bis)被供以至少一个电流，第二轴承电机(1bis)的所述电流(i1bis至i3bis)的强度能够与第一轴承电机(1)的所述电流(i1至i3)的强度不同或相同。
12.根据前一项权利要求所述的方法，其特征在于：每个轴承电机(1，1bis)被至少三个电流(i1至i3，i1bis至i3bis)供电，每个电流(i1至i3，i1bis至i3bis)供向相应的一组线圈(41至46，41bis至46bis)，所述第一轴承电机(1)的三个电流(i1至i3)能够与所述第二轴承电机(1bis)的三个电流(i1bis至i3bis)不同或相同。
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