CN106059215A - 永磁电机的受控组装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁电机的受控组装。具体而言，提供了一种用于控制包括定子和转子的电气机械内的多个磁体的插入的控制方法和控制系统，转子相对于定子围绕旋转轴线旋转，该控制系统具有连续地感测转子与定子之间的空隙的多个传感器、连续地检测转子的角位置的编码器，以及处理器，处理器从传感器和编码器接收数据且实时确定用于将多个磁体插入转子的表面中的插入顺序，且在执行插入过程的同时应用反馈回路以基于接收的数据中的变化调整插入顺序。

Description

永磁电机的受控组装

技术领域

本技术发明大体上涉及永磁电机(PMM)的受控组装。具体而言，本发明涉及确定将磁体插入PMM或其它电气机械中的顺序。

背景技术

在诸如PMM的电气机械中，用于同步机的磁场可通过在PMM的转子上使用由钕-硼-铁、钐-钴或铁素体制成的永磁体提供。在一些情况中，这些磁体安装在转子芯的表面上，使得磁场沿径向定向穿过机器的转子与定子之间的空隙。在其它情况中，磁场沿轴向定向。作为备选，磁体插入转子芯表面中，或插入在转子芯表面正下方的槽口中。

图1为示出具有使用常规方法安装在其上的磁体的PMM的转子表面的展开图。如图1中所示，转子表面1具有使用当前插入方法在预定固定位置插入其上的多个磁体3。如图1中所示，使用该常规方法，磁体3的位置基于极数6和7、磁体极性9和极插入顺序数11预先确定。

在大型电气机械中，空隙可由不平衡磁力内在地减小。因此，彼此相对的转子上的磁体和定子的线圈可彼此吸引，因此引起组装问题。例如，在定子和转子偏移的电气机械中，不需要的力或不平衡的磁拉力(UMP)可沿偏移方向生成。因此，电气机械的结构刚度产生相反的力来试图反抗生成的不需要的力。

常规的插入方法不能动态地考虑定子与转子之间的潜在偏移或插入过程期间和考虑各个磁体插入的位置时可能生成的不需要的吸引和/或力(例如，UMP)。

发明内容

本公开内容的各种实施例构造成通过提供用于将磁体插入电气机械中的受控组装方法和控制系统来缓解上述方法的缺点，组装方法和控制系统在插入过程期间应用反馈回路来适应转子与定子之间的任何偏移，且最大限度地减小电气机械内的不需要的吸引和/或力。

在一个示例性实施例中，一种控制系统设置成用于控制包括定子和转子的电气机械内的多个磁体的插入，转子相对于定子围绕旋转轴线旋转，控制系统包括连续地测量转子与定子之间的空隙的多个传感器、连续地检测转子的角位置的编码器，以及处理器，其从传感器和编码器接收数据且实时确定用于将多个磁体插入转子的表面中的插入顺序，且在执行插入过程的同时应用反馈回路以基于接收的数据中的变化调整插入顺序。

根据实施例，可连续地测量空隙的间距；或可例如通过测量转子边沿的后侧且扣除边沿的厚度来连续地间接测量空隙。

在另一个示例性实施例中，提供了一种由计算机实施的控制方法。控制方法包括执行反馈回路，其包括将至少一个磁体插入电气机械的转子中、经由传感器感测和测量电气机械的转子与定子之间的空隙的间距、经由编码器检测插入该至少一个磁体之后转子的角位置，以及经由处理器处理从传感器和编码器接收的测量数据，且实时确定用于插入多个磁体中的剩余磁体的插入顺序，且因此在插入该多个磁体的同时应用反馈回路。

技术方案1. 一种用于将多个磁体插入电气机械中的控制系统，所述控制系统包括：

多个传感器，其配置成连续地感测所述电气机械的转子与定子之间的空隙；以及

处理器，其配置成在插入至少一个磁体之后处理从所述多个传感器接收的数据，且实时确定用于插入所述多个磁体的插入顺序；

其中所述控制系统在所述插入过程期间执行反馈回路；以及

其中所述插入顺序基于所述接收的数据的变化调整。

技术方案2. 根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述控制系统还包括配置成连续地检测所述转子的角位置的编码器，其中所述处理器进一步基于所述检测的角位置来确定所述插入过程。

技术方案3. 根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述多个传感器设置在沿所述转子的表面的轴向和/或径向位置处，且包括沿x轴、y轴和z轴的感测方向。

技术方案4. 根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述多个传感器设置在所述定子的从动侧和/或非从动侧处，且包括沿x轴、y轴和z轴的感测方向。

技术方案5. 根据技术方案2所述的控制系统，其中，所述编码器进一步配置成在插入之后检测所述至少一个磁体的插入位置。

技术方案6. 根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述多个传感器进一步配置成确定所述电气机械在多个方向上的结构刚度。

技术方案7. 根据技术方案2所述的控制系统，其中，所述编码器为绝对编码器。

技术方案8. 根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述反馈回路实时重复地应用，以在所述插入过程期间调整用于插入所述多个磁体的所述插入顺序。

技术方案9. 根据技术方案1所述的控制系统，其中，所述处理器进一步配置成基于历史数据和当前测得的数据确定所述插入顺序。

技术方案10. 一种由包括反馈回路的计算机实施的控制方法，包括：

将至少一个磁体插入所述电气机械的转子中；

在插入所述至少一个磁体之后，经由传感器连续地感测所述电气机械的所述转子与定子之间的空隙；以及

经由处理器处理从所述传感器接收的数据，且实时确定用于插入多个磁体中的剩余磁体的插入顺序，以及在插入所述多个磁体的同时应用所述反馈回路。

技术方案11. 根据技术方案10所述的控制方法，其中，所述控制方法还包括以不同时间间隔重复所述反馈回路。

技术方案12. 根据技术方案10所述的控制方法，其中，所述控制方法还包括在使所述转子旋转至少一圈和测量所述空隙的间距之后初始地确定所述插入顺序。

技术方案13. 根据技术方案10所述的控制方法，其中，所述控制方法还包括：

经由编码器连续地检测所述转子的角位置，以及基于所述检测的角位置调整所述插入过程。

技术方案14. 根据技术方案13所述的控制方法，其中，所述控制方法还包括：

经由所述编码器检测所述至少一个磁体在插入之后的插入位置。

技术方案15. 根据技术方案10所述的控制方法，其中，所述控制方法包括：

实时重复地执行所述反馈回路，以在所述插入过程期间调整所述插入顺序，以便适应所述转子和所述定子相对于彼此的移动的任何变化。

技术方案16. 根据技术方案10所述的控制方法，其中，所述控制方法还包括：

经由所述多个传感器确定所述电气机械在多个方向上的结构刚度。

技术方案17. 根据技术方案10所述的控制方法，其中，所述控制方法还包括：

经由所述处理器基于历史数据和当前测得的数据确定所述插入顺序。

技术方案18. 一种用于由计算机执行控制方法的计算机程序产品，所述控制方法包括用于将多个磁体插入电气机械中的反馈回路，包括：

将至少一个磁体插入所述电气机械的转子中；

在插入所述至少一个磁体之后，经由传感器连续地感测所述电气机械的所述转子与定子之间的空隙；以及

经由处理器处理从所述传感器接收的数据，且实时确定用于插入多个磁体中的剩余磁体的插入顺序，以及在插入所述多个磁体的同时应用反馈回路。

技术方案19. 根据技术方案18所述的计算机程序产品，其中，所述反馈回路还包括：

经由编码器连续地检测所述转子的角位置，以及基于所述检测的角位置调整所述插入过程。

技术方案20. 根据技术方案18所述的计算机程序方法，其中，所述反馈回路还包括：

实时重复地执行所述反馈回路，以在所述插入过程期间调整所述插入顺序，以便适应所述转子和所述定子相对于彼此的移动的任何变化。

前文已经宽泛地指出了各种实施例的其中一些方面和特征，其应看作是仅说明本公开内容的各种潜在应用。其它有益结果可通过以不同方式应用公开信息或通过组合公开的实施例的各种方面来获得。因此，除权利要求限定的范围外，其它方面和更透彻的理解可通过连同附图参照示例性实施例的详细描述来获得。

附图说明

图1为示出具有使用常规插入方法安装在其上的多个磁体的电气机械的转子表面的展开图。

图2为用于实施本发明的一个或多个实施例的电气机械的示意图。

图3为示出可在本发明的一个或多个实施例内实施的用于将永磁体插入转子中的控制系统的传感器的放置的示意图。

图4为示出可在本发明的一个或多个实施例内实施的用于将多个永磁体插入电气机械的转子中的包括反馈回路的控制方法的流程图。

图5为可在本发明的一个或多个实施例内实施的插入电气机械的转子上的磁体的图示。

图6为示出可在本发明的一个或多个实施例内实施的计算机系统的示例的示意图。

附图仅出于示出优选实施例的目的，且不认作是限制本公开内容。给定附图的以下开放描述，本公开内容的新颖方面将对于本领域的普通技术人员变得清楚。该详细描述使用了数字和字母标号来表示附图中的特征。附图和描述中相似或类似的标记用于表示本发明的实施例的相似或类似的部分。

具体实施方式

本文按需要公开了详细实施例。必须理解的是，公开实施例仅为示例性的各种形式和备选形式。如本文使用的词语"示例性"宽泛地用于表示用作图解、范例、模型或型式的实施例。附图不一定按比例，且一些特征可扩大或缩小以示出特定构件的细节。在其它情况下，并未详细描述本领域的普通技术人员已知的公知的构件、系统、材料或方法，以免使本公开内容模糊。因此，本文公开的特定结构和功能细节不被认作是限制性的，而是仅作为权利要求的基础，以及用于教导本领域的技术人员的代表性基础。

根据本发明的一个或多个实施例的控制系统和控制方法可在不同的电气机械内实施，诸如PMM、永磁发电机(PMG)、永磁电动机和船用电动机，或其它适合的电气机械。

图2为用于实施本发明的一个或多个实施例的电气机械的示意图。如图2中所示，电气机械100包括定子102和转子(例如，内转子)104，转子104相对于定子102围绕具有专用旋转轴线R_a的轴105旋转。定子102还可具有纵轴线，其与转子104的旋转轴线R_a对准。

使用如图所示的轴承60实现旋转。空隙106位于内转子104与定子102之间。促动器108联接在旋转轴线R_a处，以便于转子104相对于定子102的促动。促动器108还控制转子104到定子102的径向位置。转子104包括插入其中的多个永磁体110。

磁体110可插入磁体座(未示出)中，且安装在转子表面112上，或可使用紧固器件(例如，螺栓)直接地安装在转子表面112上。如果使用磁体座，则磁体座提供偏压力以将磁体110装固在其中。磁体座可设置和分成区段以易于处理和安装。如图所示，实施例可在具有外定子和内转子的电气机械内实施。作为备选，实施例可在具有内定子或任何其它类型的定子-转子关系的外转子中实施，且不限于此。

根据本发明的一个或多个实施例的控制系统200包括用于感测空隙106的间距和对准的多个传感器205(例如，距离传感器)。传感器205可设置在如实线箭头指出的轴向位置和/或如虚线箭头指出的在转子104的转子表面112附近的径向位置。作为备选，传感器205可安装在定子102上或转子104与定子102之间。作为备选，传感器可测量其它量，如应变或力。

传感器205可设置在定子102的从动侧102a或非从动侧102b(如图3中所示)上。传感器205由控制系统200连接和控制，以测量空隙106的间距，且确定电气机械100在多个方向上的结构刚度。根据一个或多个实施例，传感器205连续地监测转子104相对于定子102的移动，以确定移动的变化，且可选地确定电气机械100的刚度。

偏转器可在从动面和非从动面上附接在转子102周围的点处，以用于测量定子面的大小。根据其它实施例，可使用接近探头(例如，电容、电感或光学)。使用发光元件(例如，发光二极管(LED))从定子102的从动侧穿过空隙106传输的光可利用光电探测器测量。光电探测器可由控制系统200控制以测量空隙106的间距。

在还有其它实施例中，使用固定至表面以从定子102的从动侧以较低入射角发射的激光可监测反射离开转子104的激光。在空隙106内检测到一次或多次激光反射之后，可获得非从动侧102b上的激光点的位置的测量结果。除上文所列的无接触装置之外，具有弹簧加载的销的测量装置可用于确定转子与定子之间的相对位置。

控制系统200还包括位于轴105处的编码器210，以在将多个磁体110插入转子104中的同时检测转子104相对于定子102的角位置。根据定义，角位置限定转子104上的哪个磁体位置在磁体插入部位或位置的前方和离其的距离。编码器210可为绝对编码器或适用于本文提出的目的的任何其它类型的编码器。

控制系统200还包括处理器215(例如，图6中所示的605)，或数据处理单元(DPU)，以用于接收由传感器205和编码器210检测到的测量结果且处理它们。

插入机构(未示出)还设置成用于执行磁体110到转子104中的插入。取决于磁体110的载入由磁体的台架和物流最佳支持的位置，插入机构布置在可接近的位置处，例如，三点钟、六点钟或九点钟位置。插入机构可由处理器605进一步控制。

根据实施例，处理器215进一步执行实时确定用于将多个磁体110插入转子104的转子表面112中的插入顺序的技术。实施例的技术对从传感器205、编码器210接收的测量数据和转子104中的至少一个磁体110的放置敏感。处理器215应用反馈回路来实时调整插入顺序，以控制多个磁体110到转子104中的插入(例如，在转子表面112处)。

例如，在插入4或5个磁体110之后，基于实际位移测量、空隙的间距、已经安装的磁体及其位置的信息，以及在处理器215中实时接收到的额外测量数据，处理器215可调整插入顺序来抵销不需要的力(例如，UMP)。该调整通过将磁体110应用于转子104的相对侧处来实现。处理器215重复反馈回路，直到该多个磁体110全部都插入转子104中。

测量数据可显示，且可由使用者在控制系统200的显示装置(例如，图6中所示的670)处查看。

基于接收到的测量数据，控制系统200可在确定插入顺序时考虑若干变量。例如，这些变量可包括磁性吸引中的强度的磁体与磁体的变化、磁性吸引对任何偏移的非线性、轴承间隙、结构刚度的偏差，以及机器零件和其组件的公差。如本领域的技术人员理解那样，可使用其它适合的变量，且将在本发明的精神和范围内。

根据一个或多个实施例，控制系统200可基于储存于储存装置(例如，图6中所示的635)中的历史数据来确定插入顺序。历史数据可包括与磁体类型、记录的UMP，或记录的转子与定子之间的距离相关联的数据，以及任何其它类型的历史数据。

图3为示出根据实施例的用于将永磁体插入转子上的控制系统的传感器的放置的示意图。如图3中所示，设置了定子102且包括为面向转子104的前侧的从动侧102a，以及为定子102的后侧或外侧的非从动侧102b。多个传感器205可沿x、y和z轴设置在各个方向，如由用于从动侧传感器205D和非从动侧传感器205N的相应箭头指出的那样。可存在长度方向上对称和非对称，且在周向方向上非对称的机器(例如，其中定子102下半部分具有底脚来连接至基部，且定子102上半部分安装在下半部分的顶部上而没有基部的附接)。

下文参照图4和图5描述了用于将磁体110插入转子104中的控制方法。

图4为示出根据实施例的用于将多个磁体插入电气机械的转子上的包括反馈回路的控制方法的流程图。如图4中所示，方法400执行反馈回路405，其在操作410处开始，其中控制系统200控制插入机构将至少一个磁体110插入转子104中。

该过程然后继续至操作420，在该处，传感器205感测和测量转子104与定子102之间的空隙106的间距。也执行其它测量，诸如多个方向上的结构刚度，例如通过将已知的力施加到系统中，确定对施加力的响应，因此确定刚度。作为其变型，系统可规定具有已知水平的不平衡磁拉力的一个或多个磁体构造，其将旋转以便观察在若干方向上的系统响应。此外，在操作420中，编码器210连续地检测转子104的角位置，以及各个插入磁体110的插入位置。该过程继续至操作430。

在操作430中，控制系统200接收来自传感器205和编码器210的测量数据。处理单元215处理测量数据，且限定最佳适于插入多个磁体中的剩余磁体110的插入顺序。即，控制系统200读取传感器205，计算接下来的插入顺序，且通知插入机构的操作者按顺序接下来插入哪个磁体。控制系统200还可控制促动，例如，转子104在磁体进入其插入位置的两次插入或运动之间的旋转。

控制系统200实时执行反馈回路405，使得插入顺序可在插入过程期间调整(即，再计算)。该过程帮助适应转子104和定子102相对于彼此的移动中的任何变化，以及电气机械100的多个方向上的结构刚度的任何变化。

取决于空隙106的间距的连续监测和已经填充有磁体110的插入位置，可重复反馈回路。根据实施例，反馈回路可设置成以不同的时间间隔发生，或如由控制系统200的使用者另外期望的那样发生。

在所示实施例中，插入顺序可在使转子104旋转至少一圈且然后测量空隙106的间距(或距离)之后来确定，以确定空隙106相对于定子102的任何闭合或刚度。通过确定结构刚度和测量的空隙106，可确定用于插入磁体110的最佳插入顺序。如上文所述，系统可规定具有已知水平的不平衡磁拉力的一个或多个磁体构造，其将旋转以便观察在若干方向上的系统响应。优化可聚焦于磁体插入之间的最小旋转量、空隙闭合的最小量、最小总体组装时间、其它因素，或它们的组合。

图5为可在本发明的一个或多个实施例内实施的安装在转子上的磁体的图示。在图5中，转子104示为具有插入其中的两个磁体110a和110b，以及彼此相对的UMP的力和实际测量空隙106的力。控制系统200考虑了UMP和测量空隙106来确定和调整磁体110a和110b的插入过程期间的插入顺序。

图6为示出可在本发明的一个或多个实施例内实施的计算机系统的示例的示意图。如图6中所示，控制系统200可在计算机系统600内实施。计算机系统600包括至少一个微处理器或中央处理单元(CPU)605。

CPU 605经由系统总线610互连到随机存取存储器(RAM)615、只读存储器(ROM)620和输入/输出(I/O)适配器625。I/O 625连接到可移除的数据和/或程序储存装置630。还包括海量数据和/或程序储存装置635、用于连接键盘645和鼠标650的用户界面适配器640、用于连接数据端口660的端口适配器655，以及用于连接显示装置670的显示适配器665。

ROM 620包含用于计算机系统600的基本操作系统。操作系统可作为备选位于RAM 615中或其它地方，如本领域中已知那样。示例或可移除的数据和/或程序储存装置630包括磁性介质，诸如软盘驱动器和磁带驱动器，以及光学介质，诸如CD ROM驱动器。

海量数据和/或程序储存装置635的示例包括硬盘驱动器和非易失性存储器，诸如闪速存储器。除键盘645和鼠标650之外，其它用户输入装置(诸如轨迹球、手写板、压力垫、麦克风、光笔和位置感测屏幕显示器)可连接到用户界面640。显示装置的示例包括阴极射线管(CRT)和液晶显示器(LCD)。

来自传感器205和编码器210(如图2中所示)的信号输入所示的数据端口660中。

显示装置670可显示提出的和备选的插入方案、插入方案的决策数据的概括、完成磁体插入的估计时间、至最大应用UMP的裕度、估计的变形、直接测得的值或原始数据的图形和表格指示、不同坐标系(替代线性位移的角)所示的校准(偏移)的此原始数据的几何再计算、计算或测量的力。

具有适合的应用接口的计算机程序可由本领域的技术人员创建，且储存在系统或装置或数据和/或程序储存装置上，以简化实施例的实施。在操作中，创建成执行实施例的信息或计算机程序加载到适合的可移除数据和/或程序储存装置630上。信息经由数据端口660给送，且使用键盘645键入。

鉴于上文，本方法的实施例因此可采用计算机或控制器实施的过程和设备的形式来实施那些过程。本公开内容还可体现为包含指令的计算机程序代码的形式，指令体现在有形介质中，诸如软盘、CD ROM、硬盘或任何其它计算机可读储存介质中，其中，当计算机程序代码加载到计算机或控制器中且由计算机或控制器执行时，计算机变为用于实施该实施例的设备。

本公开内容还可体现为计算机程序代码或信号的形式，例如，其储存在储存介质中、由计算机或控制器加载和/或执行，或在一些传输介质上传输，诸如在电线或线缆上、穿过光纤或经由电磁辐射，其中，当计算机程序代码加载到计算机中且由计算机执行时，计算机变为用于实施本发明的设备。

当在通用微处理器上实施时，计算机程序代码节段将微处理器配置成产生特定的逻辑电路。可执行的指令的技术效果在于实施上文所述的示例性方法。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于将多个磁体插入电气机械中的控制系统，所述控制系统包括：

多个传感器，其配置成连续地感测所述电气机械的转子与定子之间的空隙；以及

处理器，其配置成在插入至少一个磁体之后处理从所述多个传感器接收的数据，且实时确定用于插入所述多个磁体的插入顺序；

其中所述控制系统在所述插入过程期间执行反馈回路；以及

其中所述插入顺序基于所述接收的数据的变化调整。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括配置成连续地检测所述转子的角位置的编码器，其中所述处理器进一步基于所述检测的角位置来确定所述插入过程。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述多个传感器设置在沿所述转子的表面的轴向和/或径向位置处，且包括沿x轴、y轴和z轴的感测方向。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述多个传感器设置在所述定子的从动侧和/或非从动侧处，且包括沿x轴、y轴和z轴的感测方向。

5.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述编码器进一步配置成在插入之后检测所述至少一个磁体的插入位置。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述多个传感器进一步配置成确定所述电气机械在多个方向上的结构刚度。

7.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述编码器为绝对编码器。

8.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述反馈回路实时重复地应用，以在所述插入过程期间调整用于插入所述多个磁体的所述插入顺序。

9.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述处理器进一步配置成基于历史数据和当前测得的数据确定所述插入顺序。

10.一种由包括反馈回路的计算机实施的控制方法，包括：

将至少一个磁体插入所述电气机械的转子中；

在插入所述至少一个磁体之后，经由传感器连续地感测所述电气机械的所述转子与定子之间的空隙；以及

经由处理器处理从所述传感器接收的数据，且实时确定用于插入多个磁体中的剩余磁体的插入顺序，以及在插入所述多个磁体的同时应用所述反馈回路。