CN107800261B

CN107800261B - 磁阻马达

Info

Publication number: CN107800261B
Application number: CN201710779052.7A
Authority: CN
Inventors: K.施托尔; G.贝尔纳; M.富斯; C.施陶登曼
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2037-09-01
Also published as: CN107800261A; DE102016216655A1

Abstract

本发明涉及一种带有第一构件(2)和相对于第一构件可在工作运动方向(x)上移动的第二构件(3)的磁阻马达(1)，其中，两个构件(2)中的一个构造成定子而两个构件(3)中的另一个构造成电枢或转子，第一构件(2)具有至少一个励磁线圈(8)以及围绕励磁线圈的通量传导装置(9)并且第二构件(3)具有齿状的表面区域(5)，其面向通量传导装置(9)，使得第二构件(3)可通过励磁线圈(8)的通电和由此引起的在通量传导装置(9)中的磁通量被力加载，以便于引起第二构件(3)相对于第一构件(2)的移动。根据本发明，励磁线圈(8)由带有超导特征的材料制成。

Description

磁阻马达

技术领域

本发明涉及一种带有第一构件和第二构件的磁阻马达，其中，所述第一构件相对于第二构件可在工作运动方向上移动地支承，两个构件中的一个构造成定子而两个构件中的另一个构造成电枢或转子，第二构件具有至少一个励磁线圈以及包围励磁线圈的通量传导装置，而第一构件具有齿状的表面区域，其面向通量传导装置，从而第一构件可通过励磁线圈的通电和由此引起的在通量传导装置中的磁通量被力加载，以便于引起第一构件相对于第二构件的移动。

背景技术

这样的磁阻马达由现有技术、例如文件EP 2 012 413 A1已知。如在该印刷文献中所说明的那样，这样的磁阻马达可尤其构造成线性磁阻马达。电枢或转子的运动由此实现，即，由第一构件和第二构件组成的系统力求第一构件相对于第二构件的一种布置方案，在其中，减少由励磁线圈产生的磁通量所经受的磁性阻力(磁阻)。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种带有经改善的电磁效率的磁阻马达。

该目的对于开头所述类型的磁阻马达而言利用根据本发明的磁阻马达来实现。在此，设置成，励磁线圈由带有超导特征的材料制成。由此可在没有电气电阻的情况下实现励磁线圈的运行以用于提供磁通量。自今已知的超导材料在当该材料被冷却到其材料特定的跃变温度上或以下时，呈现出超导特征。例如根据当前的认知情况，超导材料可用于一种类型电机中的应用中，该超导材料被称为类型II超导体并且在约为-180摄氏度或90开尔文的温度范围中已具有超导特征。这种超导材料的典型的代表是钇钡铜氧化物，也简称为YBCO，并且其作为半成品以最不同的形式、尤其作为线材材料和带材料以供使用，以便于可由此制成励磁线圈。还可使用其它可类比的连接，例如BISCO或“氮属盐(Pniktide)”。通过由这种类型的带有超导特征的电气传导材料构成的励磁线圈的设计方案可在保持或超过用于励磁线圈的材料的跃变温度的情况中实现至少在励磁线圈方面低损耗地、优选除了磁滞损耗尤其至少近似无损耗地提供磁场。

这样的磁阻马达的电子机械效率不仅通过所提供的电能到在电枢或转子处提供的输出功率的转换效率来确定，而且还通过用于冷却励磁线圈的能量需求来确定，并且在合适地设计励磁线圈和用于励磁线圈的冷却系统的情况中可相对于常规的磁阻马达得到改善。尤其在缓慢的旋转运动/线性运动的情况中或在“保持模式”中，所说明的磁阻马达相对于传统的或“正常传导”的马达具有显著的优点。

本发明的有利的改进方案是说明书的内容。

根据一优选的设计方案，第二构件包括绝缘部，其围绕励磁线圈并且使励磁线圈相对于通量传导装置热绝缘。该绝缘部例如可以是低温保持器(Kryostat)的外套。低温保持器或绝缘部适宜地用于将励磁线圈的温度保持在跃变温度上或以下。通量传导装置优选地位于绝缘部或低温保持器以外。在励磁线圈以交流电通电的情况中可引起典型地由铁制成的通量传导装置的强烈加热。因为通量传导装置位于绝缘部或低温保持器以外，因此需要更少的冷却效率来将励磁线圈保持在跃变温度上或以下。

适宜地，励磁线圈布置在构造成环形空心体的励磁线圈盒的凹入部中。优选地，励磁线圈盒布置在绝缘部以内。励磁线圈盒的目的尤其在于，以小的热阻将热流从励磁线圈导出到散热片、例如低温保持器冷却器的冷却指(Kuehlfinger)处，以便于确保励磁线圈到超导地构造的励磁线圈材料的跃变温度上或以下的有利的退火。容纳在励磁线圈盒中的励磁线圈相对于周围环境影响、尤其周围环境空气的热屏蔽优选地通过围绕励磁线圈盒的外套或通过绝缘部来实现。一旦磁阻马达应在在其中温度没有立即出现在材料特定的跃变温度的范围中或该温度以下的周围环境中运行，则该措施是必要的。一旦不是这种情况，则另外由于励磁线圈相对于周围的(空气)大气的强烈温差，由冷凝的湿气构成的冰晶沉淀在励磁线圈上或励磁线圈盒上，其可能会引起磁阻马达的功能性问题。尤其优选地，用于励磁线圈盒的外套或绝缘部实施成气密的，从而必要时可在内部维持真空，以便于辅助或确保用于励磁线圈的期望的热绝缘效应。热绝缘使得低温冷却器(Kryokuehler)的较低的所需的冷却效率成为可能。

在本发明的另外的设计方案中设置成，励磁线圈盒由带有高热传导性和/或电气绝缘特征的材料构造成。当设置有励磁线圈的外部冷却时，例如通过联结热泵、尤其斯特林马达、脉冲管冷却器(PulseTube-Kuehler)或类似的冷却设计时，励磁线圈盒的高热传导性是有利的。在此，对于励磁线圈盒而言目的在于确保从励磁线圈至充当散热片的冷却装置的尽可能均匀的热流并且由此有助于励磁线圈的尽可能均匀的冷却。优选地，励磁线圈盒附加地或备选地还具有有利的电气绝缘特征，从容可以简单的方式确保励磁线圈的电气绝缘。对于励磁线圈盒的制造而言，蓝宝石材料被证实为尤其有利的，其具有高热传导性/导热能力和有利的电气绝缘特征的尤其适宜的组合。

优选地，励磁线圈盒关联有冷却装置、尤其低温冷却器或斯特林马达的冷却指，其与励磁线圈盒和/或直接与励磁线圈热传导地相联接。优选地设置成，冷却装置与励磁线圈盒处于热联接。附加地或备选地，冷却装置与容纳在励磁线圈盒中的励磁线圈处于直接热传导的联接中。

优选地设置成，冷却装置包括用于使励磁线圈与电源相联接的电导线。通过从励磁线圈的热输出和电能到励磁线圈的输送的这样的组合确保尤其紧凑的结构方式和尽可能少的经由电导线从周围环境到励磁线圈处的热输入。

在本发明的一有利的改进方案中设置成，在冷却装置与励磁线圈盒之间布置有带有高热传导性的热传导联接器件，其被电导线穿过。示例性地，联接器件具有电气绝缘特征，从而电导线可在没有其它措施的情况下电气绝缘地从冷却装置被引导到励磁线圈盒中直至与励磁线圈电气触点接通。尤其优选地设置成，联接器件作为由蓝宝石材料构成的杆来制造并且由此具有热传导性和电气绝缘的有利的组合。同样可使用其特征可类比的类似的材料。

适宜地，第二构件包括多个通量传导装置，其相应地包围励磁线圈并且其绕第一构件分布地布置。通过通量传导装置绕第一构件的分布可得到到第一构件上的均匀的力加载。优选地，通量传导装置彼此间隔开地布置。以该方式，励磁线圈或围绕励磁线圈的绝缘部保持可良好接近。

根据一优选的设计方案设置成，第二构件具有热传导的联接器件，其与励磁线圈盒和/或励磁线圈热传导地相联接并且其在两个相邻的通量传导装置之间朝向励磁线圈盒和/或励磁线圈伸延。热传导的联接器件可以是上述已提及的联接器件。通过将两个相邻的通量传导装置之间的连接器件引导到励磁线圈处，可行的是，在由通量传导装置围绕的空间之外设置一种用于冷却励磁线圈所需的冷却装置并且使该冷却装置在这里热传导地联结到联接器件处。这是有利的，因为被通量传导装置围绕的空间受限并且为了获得高驱动力应尽可能大部分地被励磁线圈填满。

优选地，通量传导装置具有齿状的表面区域，其面向第二构件的齿状表面区域。通过面向彼此的齿状表面区域可减小电枢每电气旋转(每定子频率周期)的冲程并且使力变大。

附图说明

在附图中示出本发明的一示例性实施形式。其中：

图1显示了线性磁阻马达的示意性截面图，

图2显示了线性磁阻马达的示意性前视图，

图3显示了通量传导装置的示意性细节图和线性磁阻马达的励磁线圈区段。

具体实施方式

图1显示了线性磁阻马达1的示意性截面图。该截面沿着在图2中示出的设有罗马字母“I”的虚线伸延。线性磁阻马达1在x方向上延伸。x方向在以下还称为工作运动方向x。正交于x方向伸延有在图1中示出的z方向以及在图2中示出的y方向。示例性地，线性磁阻马达1是3相线性磁阻马达。备选于此，线性磁阻马达然而还可具有更多或更少的相。

线性磁阻马达1包括第一构件2以及第二构件3。第一构件2相对于第二构件3可在工作运动方向x上移动地支承。

第一构件2适宜地包括构造成柱形的杆元件4，其纵轴线18平行于x方向伸延。在杆元件4处设置有齿状的表面区域5，其在x方向上延伸。齿状的表面区域5在以下还被称为第一齿状表面区域5。第一齿状表面区域5的齿部7径向延伸远离柱形杆元件4的纵轴线18。第一齿状的表面区域5由此得出，即，在柱形的杆元件4的套面中设置多个环形的槽6，其布置成与杆元件的纵轴线共轴。槽6沿着x方向分布地布置；在两个槽6之间分别得出齿部7。适宜地，相邻的槽6之间的间隔相同，从而所有齿部7在x方向上具有相同的长度。适宜地，此外相邻的齿部7之间的间隔也是相同的。槽6和齿部7分别具有矩形的轮廓。为了更高的清晰性，在图1中仅3个槽6和两个齿部7设有从属的附图标记。

第一构件2尤其由软磁材料制成。优选地，第一构件2不包括永磁体。

第二构件3包括环形地构造的励磁线圈8。在所示实施形式的情况中，示例性地设置三个励磁线圈8；然而备选于此也可存在更多或更少的励磁线圈8。励磁线圈8在x方向上分布地布置成与杆元件4共轴。励磁线圈8分别具有相同的周缘。励磁线圈8中的每个包围杆元件4。

励磁线圈8中的每个又被通量传导装置9包围。如在图2中可见，在所示实施形式中，每个励磁线圈分别设有8个通量传导装置9。备选于此还可设置更多或更少的通量传导装置9。通量传导装置9优选地由铁制成。示例性地，通量传导装置9相应地具有框架形状。

在优选的设计方案中，在励磁线圈侧、例如端侧处安装有侧向的磁通量盘(未示出)，其使降低励磁线圈电流的干扰磁场与励磁线圈屏蔽。

如尤其由图3获悉，通量传导装置9相应地具有框架形状，其包括四个彼此正交地布置的、方形的框架区段18,19,20,21，其中，框架区段21通过中间布置的间隙10被分成两个分段。四个框架区段18,19,20,21位于其中的平面在以下还应被称为框架平面。通量传导装置9还可被称为爪脚(Klauenfuss)或通量爪(Flussklauen)。

在面向杆元件4的侧上，通量传导装置9分别具有齿状的表面区域11，其在以下还被称为第二齿状表面区域11。如在图3中所示，第二齿状表面区域11尤其设置在具有间隙10的框架区段21处。第二齿状表面区域11的齿部12相应地朝向第一构件2的第一齿状表面区域5延伸。优选地，在第一齿状表面区域5与第二齿状表面区域11之间设置有空气间隙。第二齿状表面区域11通过多个正交于x方向且法向于框架平面伸延的在x方向上分布地布置的槽13得出。在两个槽13之间分别得出齿部12。适宜地，相邻的槽13之间的间隔相同，从而所有齿部12在x方向上具有相同的长度。适宜地，此外相邻的齿部12之间的间隔也相同。槽13和齿部12分别具有矩形的轮廓。

励磁线圈8的通量传导装置9绕第一构件2分布地布置，更确切地说，即，其框架平面在纵轴线18中相交。如在图2中可见，通量传导装置9示例性地均匀地绕从属的励磁线圈8的周缘分布。相应地，相邻的通量传导装置9彼此分别以相同的角度绕纵轴线18摆动。在所示实施例中(在其中每个励磁线圈8分别有8个通量传导装置9)，两个通量传导装置9之间的角度相应地为45°。

励磁线圈8构造用于借助于合适的电流供给来通电。由励磁线圈8产生的磁通量通过通量传导装置9引导；更确切地说引导至齿状表面区域11和5。根据线性磁阻马达的已知的原理可以该方式获得第二构件3相对于第一构件1在工作运动方向x上的移动。

示例性地设置成，每个励磁线圈8构造成未详细示出的线材材料的多层式绕组并且具有两个彼此间隔开布置的电气排出部(Abzapfung)，其用作用于使励磁线圈8与未示出的电源相连接的电气联接部。优选地设置成，每个励磁线圈8构造成环形的并且与杆元件4的纵轴线18共轴地定向。尤其优选地设置成，每个励磁线圈8在包括纵轴线18的相应于图1的图片平面的截平面中具有矩形的横截面，由此可关于励磁线圈5而言实现紧凑的设计和高充填密度。

为了可提供超导特征，每个励磁线圈8由如下材料制成，其至少在一定边界条件下是超导的。优选地，根据当前认知情况为此使用类型II超导体、尤其钇钡铜氧化物，从而在冷却到约-200摄氏度上的情况下出现励磁线圈8的超导特征。

每个励磁线圈8容纳在构造成环形空心体的励磁线圈盒14中并且被励磁线圈盒优选地完全地、尤其气密地包围。励磁线圈盒14的目的一方面在于励磁线圈8的电气绝缘。励磁线圈盒14另一方面用于励磁线圈8与冷却装置16的有利的热联接。相应地，励磁线圈盒14由带有高热传导性和有利的电气绝缘特征的材料、尤其蓝宝石材料制成。根据未示出的实施形式，励磁线圈盒14可以U形横截面来构造，其中，励磁线圈盒14的U形边腿在径向上向外伸出。由此，励磁线圈8可以简单的方式卷绕到励磁线圈盒14中。对于整个励磁线圈8的有利的热联结而言，于是可在励磁线圈盒4处设置径向位于外部的环绕的覆盖环，其将励磁线圈8封闭在励磁线圈盒14中。

如由图3可得悉，励磁线圈盒14至少近似完全地被绝缘部15包围，其构造用于使励磁线圈盒14与通量传导装置9脱开热联接。示例性地设置成，绝缘部15作为封闭的、环形的盒体由形状稳定的非磁性材料、尤其玻璃纤维塑料制成并且构造成气密封的，从而被绝缘部15包围的在其中布置有励磁线圈盒14的空间容积优选地可至少近似完全地被抽真空。

对于从励磁线圈8的热导出而言，设置有杆型的联接器件17，其示例性地布置在两个通量传导装置9之间。

联接器件17一方面穿过励磁线圈盒14的绝缘部19，以便于可实现与励磁线圈盒14的有利的热联接。另一方面，联接器件17在其侧设有环绕的绝缘套。

示例性地设置成，联接器件17例如由蓝宝石材料制成，以便于确保热流从励磁线圈8至冷却装置16的有利的热传导性。

此外设置成，联接器件17被未详细示出的电气联结导线穿过，其在一端部处与励磁线圈8的两个同样未详细示出的排出部中的一个处于电气传导的连接中并且在一端部处与未示出的电源相连接。

冷却装置16优选地是低温冷却器、尤其斯特林马达，其为此设定成用于引起励磁线圈8到励磁线圈8的励磁线圈材料的跃变温度的温度范围中或该温度以下的冷却。

一旦线性磁阻马达1应在周围环境(在其中总归低于励磁线圈8的励磁线圈材料的跃变温度的温度占主导)中运行，则可省去如下部件，即冷却装置16、联接器件17以及绝缘部15和绝缘套，由此以仍更简单的结构得出线性磁阻马达的未示出的变型。

在电机的同样未示出的变型的情况中，直接将冷却指(其尤其是低温冷却器、尤其斯特林马达的冷侧)引导直至励磁线圈盒处，从而可省去联接器件。

由此同样得出线性磁阻马达的简化的实施方案。

两个构件3的前述部件优选地相互机械联接。第二构件3尤其位置固定地来布置，从而其是线性磁阻马达1的定子。适宜地，第一构件2或杆元件4借助于在附图中未示出的支承装置相对于第二构件3可线性移动地支承并且如此优选地是线性磁阻马达1的电枢。

Claims

1.一种带有第一构件(2)和第二构件(3)的磁阻马达(1)，其中，所述第一构件(2)能相对于第二构件(3)在工作运动方向(x)上移动地支承，这两个构件中的一个构造成定子，而这两个构件中的另一个构造成电枢或转子，所述第二构件(3)具有至少一个励磁线圈(8)以及围绕所述励磁线圈(8)的通量传导装置(9)，并且所述第一构件(2)具有第一齿状表面区域(5)，所述第一齿状表面区域(5)面向所述通量传导装置(9)，使得所述第一构件(2)能通过所述励磁线圈(8)的通电和由此引起的在通量传导装置(9)中的磁通量被力加载，以便于引起所述第一构件(2)相对于所述第二构件(3)的移动，其特征在于，所述励磁线圈(8)由带有超导特征的材料制成，其中，所述第一构件(2)包括构造成柱形的杆元件(4)，所述第一齿状表面区域(5)形成使得在柱形的所述杆元件(4)的套面中设置多个环形的槽(6)，所述环形的槽(6)布置成与所述杆元件(4)的纵轴线共轴，其中，所述第二构件(3)包括多个通量传导装置(9)，其分别包围所述励磁线圈(8)并且其绕所述第一构件(2)分布地布置，其中，所述励磁线圈(8)布置在构造成环形空心体的励磁线圈盒(14)的凹入部中，所述第二构件(3)具有热传导的联接器件(17)，其与所述励磁线圈盒(14)和/或所述励磁线圈(8)热传导地相联接并且其在两个相邻的通量传导装置(9)之间朝向所述励磁线圈盒(14)和/或所述励磁线圈(8)伸延。

2.根据权利要求1所述的磁阻马达(1)，其特征在于绝缘部(15)，其围绕所述励磁线圈(8)并且使所述励磁线圈(8)相对于所述通量传导装置(9)热绝缘。

3.根据权利要求1或2所述的磁阻马达(1)，其特征在于，所述励磁线圈盒(14)由带有高热传导性和/或电气绝缘特征的材料构造成。

4.根据权利要求1或2所述的磁阻马达(1)，其特征在于，所述励磁线圈盒(14)关联有冷却装置(16)，所述冷却装置(16)与所述励磁线圈盒(14)和/或所述励磁线圈(8)热传导地相联接。

5.根据权利要求4所述的磁阻马达(1)，其特征在于，所述冷却装置(16)是斯特林马达的冷却指。

6.根据权利要求4所述的磁阻马达(1)，其特征在于，所述冷却装置(16)包括用于使所述励磁线圈(8)与电源相联接的电气导线。

7.根据权利要求6所述的磁阻马达(1)，其特征在于，在所述冷却装置(16)与所述励磁线圈盒(14)之间布置有带有高热传导性的热传导的联接器件(17)，其被所述电气导线穿过。

8.根据权利要求1或2所述的磁阻马达(1)，其特征在于，所述通量传导装置(9)具有齿状的表面区域(11)，其面向所述第二构件(3)的齿状的表面区域。

9.根据权利要求1或2所述的磁阻马达(1)，其特征在于一个或多个通量盘，其布置在所述励磁线圈(8)的一个或多个侧处。

10.根据权利要求9所述的磁阻马达(1)，其特征在于，所述通量盘环形地来构造。

11.根据权利要求9所述的磁阻马达(1)，其特征在于，所述通量盘布置在所述励磁线圈(8)的一个或多个端侧处。

12.根据权利要求9所述的磁阻马达(1)，其特征在于，所述通量盘适于使所述励磁线圈(8)从能使所述励磁线圈(8)中电流降低的磁场屏蔽。