CN107925326B - 带有电磁能量传输的驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带有电磁能量传输的驱动系统(1)。所述系统(1)包括：包括多个定子(4)的轨道(3)，每个定子(4)具有至少一个绕组，所述绕组适于在被馈送变化的电流时产生具有基波(8)和至少一个另外的谐波(9)的磁场，和包括主磁性元件(5)的可移动元件(2)，所述主磁性元件(5)适于接收所述基波(8)以沿所述轨道驱动所述可移动元件(2)。所述系统(1)的特征在于，所述可移动元件(2)进一步包括次磁性元件(6a‑6c)，所述次磁性元件(6a‑6c)适于接收所述至少一个另外的谐波(9)以产生在所述可移动元件(2)上的功率。本发明还涉及一种线性分数槽同步电机和一种旋转同步电机。

Description

带有电磁能量传输的驱动系统

技术领域

本发明涉及一种带有电磁能量传输的驱动系统。本发明还涉及线性分数槽同步电机和旋转同步电机。其目的是在伺服无刷电机的可移动元件上进行能量采集，以根据应用在移动元件上产生用于不同用途的电功率。

背景技术

在食品包装工业中，包装是在大型机器中制造和填充食品，该大型机器将包装材料转变成或者在包装形成期间或者在包装形成之后填充食物内容物的包装。在这些包装机中，包装和用于处理包装或包装材料的设备需要传送。

WO2015/101492公开了一种用于关于将塑料物品模制到基于纸板的包装材料上以在包装材料被输送的同时形成包装的问题的解决方案。通过线性同步电动机沿着环形轨道拉动多个模制站，使得模制站在移动的包装材料片上对准。在一段时间内，移动的模制站与包装材料的区域对准，以在所述区域上模制物品。该解决方案的优点是，可以在包装机中不停止包装材料的供给的情况下对包装材料进行操作。另外，可以实现每个模制站与包装材料的相应区域的精确对准。

在WO2015/101492中，模制站通过机械方式由凸轮操作。然而，在其他情况下，要在包装上执行的操作需要电功率。这种向运动物体传输的电功率传输传统上是用刷式连接器完成的。然而，刷式连接器是一种易受磨损并导致维护需求的机械解决方案。

WO2006/048441示出了一种解决方案，其中刷式连接器已经被感应能量传递系统所替代，以提供密封钳口，所述密封钳口在包装机器中利用功率沿着链条移动，以进行感应加热操作。

WO93/02888公开了使用同步线性电动机对载体(vehicle)进行线性驱动的进一步增强的系统，其中电功率利用感应被传输到每个移动载体。该解决方案使用与同步线性电机所使用来移动载体的电磁机构相同的电磁机构以传输电力。在同步线性电动机中，在与位于载体上的激励器部分相对的长定子的各个部分中产生行波场。行波场与通过直流电源与励磁绕组中产生的场合作，使载体向前移动。提供给定子部分以产生行波场的交流电流在励磁绕组中实际上不产生电压。为了确保感应能量传输，将较高频率的交流电流叠加在可用于产生行波场的交流电流上。较高频率的交流电流在励磁绕组中感应出高频电压，该电压可被认为是包括定子绕组和励磁绕组的变压器的次级绕组。然而，这种用于将电功率无线传输到移动载体的解决方案由于需要非标准电源或者使用多个电源来实现用于使载体移动的交流电流而变得复杂和昂贵，其中高频交流电流被叠加以传输电力。

基于以上所述，需要一种用于向在线性同步电动机中的载体传输电功率的更简单的解决方案。

发明内容

本发明的目的是改进现有技术的现状，以解决上述问题并提供带有电磁能量传输的改进的驱动系统。

根据本发明的第一方面，通过具有电磁能量传递的驱动系统完全地或者至少部分地实现这些和其它目的。该系统包括包含多个定子的轨道，每个定子具有至少一个绕组，所述绕组适合于在被馈送有具有选择的波形的变化的电流时产生具有基波、次谐波和高次谐波的移动(平移或旋转)磁场。该系统还包括可移动元件，该可移动元件包括适于接收所述基波以便沿着所述轨道驱动所述可移动元件的主磁性元件。该系统的特征在于，所述可移动元件还包括适于接收另外的谐波(优选次谐波)以产生在所述可移动元件上的功率(power onboard of said movable element)的次磁性元件。

变化的电流优选根据周期性波形周期性地变化。波形可以是正弦曲线、正方形或三角形、或者适合通过定子驱动同步电机的任何其他形状。变化的电流优选是交流电流，即方向周期性变化的电流，其中波形以电位零为中心。交流电优选地具有正弦波形，因为这是用于驱动同步电机的常规波形。

主磁性元件旨在通过被多个定子产生的磁场拉动，从而移动可移动元件。

主磁性元件可以是永磁体或电磁体或磁路。为了减少可移动元件所需的能量，主磁性元件优选是永磁体。

次磁性元件可以是磁路。特别是，次磁性元件是由铜导线等具有高导电率的导线构成的绕组。次磁性元件的目的是从另一谐波，优选第一次谐波的磁场感应绕组的导线中的电流。绕组进一步优选缠绕若干匝以形成线圈，以用于增加由另外的谐波的磁场感应的电流。

在本发明中，用于在例如同步线性电机中电磁能量传输的系统被解决，其采用了电机设计固有的气隙磁通势的次谐波。众所周知，分数槽同步电机在包括次谐波分量和高次谐波的气隙磁通势分布中产生高谐波含量。同步电机的移动元件与磁通势的基波相联系，并且它们具有相同的平移速度。所有其他谐波相对于与移动元件同步移动的基波具有不同的频率，因此具有不同的速度和方向。

利用本发明，利用寄生效应来获得从定子到移动元件的能量传递。通过这种方式，移动元件正在利用定子的次谐波，以获取能量，并产生其上的功率。注意，不管怎样，次谐波作为运动控制系统的固有特性而存在，作为分数槽电机拓扑的结果，其用于在(同步电动机的)可移动元件中产生运动。本发明利用所述次谐波，以便在(无刷电机的)可移动元件上产生其上的电功率，否则这些电功率将完全不用并被认为是损失。谐波幅值随着谐波阶数的增加而减小。为此，优选地，仅使用次谐波以获得显着的能量传输效果。主要优点是系统能够产生在可移动元件上的功率，而不需要增加额外的主磁性元件、电路或高频谐波电流注入。次电磁性元件或电路可嵌入可移动元件中。除了上面介绍的优点，解决方案完全是无线的。

可移动元件可以例如是在用于制造产品或处理材料或物品的机器中使用的独立小车。如背景技术部分所述，独立小车通常通过现有技术中公知的线性同步电机方案来操作。现有技术中用于驱动小车的定子被优化以主要用基波产生磁场，其作为线性同步电机来驱动小车或载体。定子的所有其他谐波有意地通过设计被最小化以减少能量消耗。然而，不可能完全避免除基波之外的其他谐波，这会导致能量损失。本发明利用了同步电机的缺陷，并且使用了现有技术中没有用于任何事物的谐波中的至少一个谐波，以将能量传输给独立小车/载体。由于频率在基波以下的第一次谐波通常具有最高幅值，所以优选使用次谐波。次磁性元件，优选为感应线圈，被设计为从磁场感应出电流，磁场的频率等于次谐波的频率。以这种方式，在用于独立小车的线性同步电机驱动定子中的先前不需要的效果被用于向独立小车进行无线能量传输，使得电气设备可以用在独立小车上。

根据本发明的另一方面，次磁性元件的绕组的宽度被选择为基本上根据基波与另外的谐波之间的频率比换算(scale)为随后的主磁性元件之间的距离。例如，如果第一次谐波具有基波的频率的一半的频率，则次磁性元件的绕组的宽度是后续主磁性元件之间的距离的两倍。这将导致相对于可移动元件的速度的接近次谐波的最佳同步，同时次级磁性元件的绕组可以被放置在主磁性元件之间的空间中。

在本发明的一实施方式中，可移动元件包括由高磁导率材料(例如，铁)制成的可移动元件的一部分中的切口或槽。槽容纳次磁性元件，次磁性元件优选地是由诸如铜线之类的具有高导电率的材料线缠绕的线圈。槽是一种收集和集中次磁性元件绕组所产生的磁通量能量的方式，以提高次级谐波能量传输的效率。

可移动元件还可以包括安装板，主磁性元件和次磁性元件安装在安装板上。用于容纳次磁性元件的槽在安装板中被制成切口。安装板优选由具有高磁导率的材料(如铁，优选纯铁)制成以获得高磁导率。安装板将用作次磁性元件的通量集中器，尤其是当次磁性元件容纳在安装板的切口槽中时。

该系统可以进一步包括控制单元，该控制单元适于调节所述定子中的电流。这将增强或控制用于能量传输的所述次谐波，以便控制在所述可移动元件上的功率的产生。次谐波的调制可以通过驱动器的不同电流控制来执行。注意，控制单元无论如何都是存在的以控制电动机。该进一步改进包括对所述控制单元的固件的修改，以增加一个或多个次谐波，从而增加向可移动元件的能量传输。以这种方式可以控制向可移动元件的能量传输。因此现有技术的不完善被有意地增加并用于本发明中的能量传输。

根据本发明的第二方面，通过包括与上述特征相对应的驱动系统的线性分数槽同步电机或旋转同步电机来实现这些和其它目的。如上所述的相同优点也适用于本发明的第二方面。

通常，权利要求中使用的所有术语根据其在本技术领域中的普通含义来解释，除非在此另外明确地定义。所有对“一/一个/该[元件、设备、部件、装置、步骤等]的引用”应被公开地解释为指的是所述元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例，除非另有明确说明。

附图说明

通过以下参照附图对本发明的优选实施方式的说明性和非限制性的详细描述，将更充分地理解本发明的上述以及其他目的、特征和优点，其中：

图1a和1b是根据已知现有技术具有驱动系统的线性同步电机的侧视图。

图2是根据本发明的一示例性实施方式的具有驱动系统的线性同步电机的侧视图。

图3是沿着图2中的平面A-A的横截面图。

图4是示出由驱动系统的定子产生的基波和次谐波的图。

图5是根据本发明的感应功率传输的示意图。

图6是使用根据本发明的驱动系统的用于可移动元件的轨道的一种可能实施方式的图。

具体实施方式

图1a和图1b根据已知的现有技术示出了具有驱动系统的线性同步电机的侧视图。用于可移动元件2'的驱动系统1'包括具有多个定子4'的轨道3'，其中每个定子4'具有用电流馈送的绕组(未示出)，从而产生磁场并因此产生磁通量。磁通量影响可移动元件2'中的磁性元件5'，以沿着所述轨道3'的方向拉动可移动元件2'。馈送到定子绕组的电流是交流电，例如，具有三个相位并且具有控制移动元件2'的速度的频率的正弦电流。在图1a和图1b中，三相分别用A、B和C表示。相A、B、C被馈送到驱动系统1'中的后续定子绕组，以实现对移动元件2'的连续的磁拉运动并且由此实现移动元件2'的连续移动。

图2是根据本发明的一示例性实施方式的具有驱动系统1的线性同步电机的侧视图。用于可移动元件2的驱动系统1包括具有多个定子4的轨道3，其中每个定子具有用电流馈送的绕组(未示出)以便产生磁场和磁通量。磁通量影响可移动元件2中的磁性元件5，以便沿着所述轨道3的方向拉动可移动元件2。被馈送到定子绕组的电流是交流电流，例如电流具有三个相位，具有控制移动元件2的速度的频率。交流电流的频率通常在0.2-10Hz的范围内。这些相位被馈送到驱动系统1中的后续定子绕组4，以实现对移动元件2的连续的磁拉运动。

图2中的移动元件还配备有次电磁性元件6a-6c，其是设计用于拾取用于移动元件2的移动的磁场的基波的次谐波磁波频率的能量的绕组。次磁性元件的绕组被设计成拾取次谐波产生的可变磁通量。移动元件2的部件安装在铁板12上。

次磁性元件6a-6c优选地是包括用于收集所述次谐波的磁场的线圈的电感器。在线圈周围设置高磁导率的磁通量集中材料以增加功率传输。在图2中，通量集中材料是可移动元件的安装板。安装板中的切口7被制成便于次磁性元件6a-6c的绕组/线圈。

次磁性元件6a-6c的绕组优选地放置在初级磁性元件5之间的空间中，从而使得它们可以在由基波产生的磁通用于拉动移动元件2的同时连接由次谐波产生的磁通。主磁性元件5之间的空间在用于次磁性元件6a-6c的绕组的初级磁性元件5之间的空间的使用使得可以将接收的次磁性元件放置成与主磁性元件5一样靠近定子，由此提高能量传输的效率，因为来自定子的磁场的幅值随着离定子的距离增大而呈指数规律地减小。由于初级磁性元件5和次磁性元件6a-6c是交错的，所以可移动元件因此可以制造得非常紧凑。

图3是沿着图2中的平面A-A的横截面图。次磁性元件6a-6c的绕组6a-6c放置在主磁性元件5之间的空间中。主磁性元件5通过距离d分离开。在图3的实施方式中，示出三个绕组6a-6c以拾取定子4的次谐波。如果次磁性元件的绕组6a-6c的宽度W基本上根据基波与另外的谐波之间的频率比选择，则使用主磁性元件之间的空间将确保次谐波的良好链路。例如，如果第一次谐波具有基波的频率的一半(如图4所示)，则次磁性元件的绕组6a-6c的宽度应该被选择成包围两个主磁性元件。然后，来自主磁性元件5上的基波的磁拉力将与次磁性元件对次谐波的感应接收同步。

由次磁性元件6a-6c的绕组感应的电流经由连接电缆11a-11c被馈送到整流器(未示出)，使得直流电可以被可移动元件2上的任何电气设备使用。

图4是示出由驱动系统1的定子4产生的基波8和另外的谐波9、10的图。现有技术解决方案中的另外的谐波9、10是消耗将在铁损中损失的能量的缺陷，因为只有基波8被用于移动元件2的运动。能量损失是由于在具有磁导率的材料中感应的涡流所致。因此，现有技术的定子绕组配置被优化以使次谐波9和高次谐波10最小化，使得以磁场能量形式传输的交流电的唯一能量以基波8传输。然而，不可能在没有不希望有的谐波的情况下建立分数槽定子绕组并且不可能产生理想的馈送交流电流，由于次谐波9和高次谐波10而造成一些损失是不可避免的。

然而，在本发明中，次谐波9和高次谐波10的不可避免的副作用被用于经由移动元件2的次磁性元件6a-6c传输能量。先前的失去的由轨道3的定子绕组产生的磁场的最强次谐波9的能量被移动元件2的次磁性元件6a-6c的绕组恢复并被感应转换为电力。向轨道3的定子绕组供给交流电的电源(未示出)也可以被控制以修改交流电，以便对于移动元件2的移动是“次优的”并且产生更大的次谐波，更大的次谐波可以替代地用于将能量传输给移动元件2。如图4所示，最强的次谐波9通常是具有基波8频率的一半的次谐波。

馈电电流以及因此次谐波9的修改可以手动进行，以将静态量的电功率供给到移动元件2，但是其也可以由控制单元或计算机软件来控制，以便能够调整传输到移动元件2的能量的功率。在这种情况下，当移动元件2上不需要电力时，能量可以节省。移动元件2上的一些设备也可以通过传输到移动元件2的功率量直接控制。

通过使用由定子绕组产生的磁场的次谐波9，除了接收移动元件2的次磁性元件之外，不需要额外的部件。传输到移动元件2的电功率可以例如用于机器中的工具，如包装机的密封钳口，用于工具的冷却，等等。以所述方式产生的电功率可以用诸如滤波器和/或DC-DC转换器之类的电气装置进一步调节，以在可移动元件2上产生可用于工业目的的DC或AC功率。

图5是感应能量传输的示意图。驱动系统1的定子4的位于轨道3中的定子绕组被馈送由DC/AC转换器产生的三相交流电(AC)。定子4中的AC电流产生具有其基波8的与AC电流的频率相同的频率的磁场。基波8适于连接到可移动元件的主磁性元件5，以便移动可移动元件。由于馈送给定子4的交流电流的频率决定了驱动系统的可移动元件2的速度，所以主线路馈送被设置成控制所产生的AC的频率并由此控制可移动元件2的在本发明的驱动系统的轨道3上的速度。如上所述，基波8的次谐波9适于由次磁性元件6通过其绕组接收。在次磁性元件6的绕组中感应出的电流被整流并且被馈送到DC/AC转换器以驱动可移动元件2上需要电能的任何电负载。自然，来自整流器的DC电流可以被如果需要的负载直接使用。

图6是使用根据本发明的驱动系统1的可移动元件2的轨道的一个可能实施方式的图。可移动元件2沿着方向R沿着轨道3移动。定子集成在面对可移动元件2的安装板12的侧面3中。每个可移动元件的安装板12是图2和图3中所示的类型，即，它们配备有永磁体形式的主磁性元件5和用于通过由轨道3中的定子4产生的磁场的第一次谐波9进行感应能量传递的次磁性元件6a-6c。可移动元件2可以配备有电动工具，如模具、感应密封钳口、用于其他设备的冷却系统或任何其他设备。电能因此使用来自同步电机驱动系统1的定子4的磁场的次谐波的通常不需要的效果而被无线地传输到可移动元件2。

Claims (12)

1.带有电磁能量传输的驱动系统(1)，其包括：

包括多个定子(4)的轨道(3)，每个定子(4)具有至少一个绕组，所述绕组适于在被馈送变化的电流时产生具有基波(8)和至少一个另外的谐波(9)的磁场，和

包括主磁性元件(5)的可移动元件(2)，所述主磁性元件(5)适于接收所述基波(8)以沿所述轨道(3)驱动所述可移动元件(2)，

其中，所述可移动元件(2)进一步包括次磁性元件(6a-6c)，所述次磁性元件(6a-6c)适于接收所述至少一个另外的谐波(9)以产生在所述可移动元件(2)上的功率，其中，所述至少一个另外的谐波(9)是次谐波，其特征在于，所述驱动系统进一步包括控制单元，所述控制单元适于调节所述定子(4)中的电流以增强所述至少一个另外的谐波(9)以便增加所产生的在所述可移动元件(2)上的功率。

2.根据权利要求1所述的驱动系统(1)，其中所述变化的电流是交流电流。

3.根据前述权利要求中任一项所述的驱动系统(1)，其中，所述主磁性元件(5)和/或所述次磁性元件(6a-6c)包括绕组。

4.根据前述权利要求1-2中任一项所述的驱动系统(1)，其中所述可移动元件(2)包括沿着所述可移动元件(2)交替布置的多个主磁性元件(5)和次磁性元件(6a-6c)。

5.根据权利要求3所述的驱动系统(1)，其中，所述次磁性元件(6a-6c)的所述绕组的宽度(W)基本上按照所述次磁性元件(6a-6c)所接收的所述基波(8)与所述至少一个另外的谐波(9)之间的频率比被换算为随后的主磁性元件(5)之间的距离(d)。

6.根据前述权利要求1-2中任一项所述的驱动系统(1)，其中所述可移动元件(2)还包括安装板(12)，所述主磁性元件(5)和所述次磁性元件(6a-6c)安装在所述安装板(12)上，所述安装板(12)包括用于容纳所述次磁性元件(6a-6c)的槽(7)。

7.根据权利要求6所述的驱动系统(1)，其中所述安装板(12)由具有高磁导率的材料制成。

8.根据权利要求7所述的驱动系统(1)，其中所述安装板(12)由铁制成。

9.根据前述权利要求1-2中任一项所述的驱动系统(1)，其中所述定子被连续地馈送所述变化的电流。

10.根据前述权利要求1-2中任一项所述的驱动系统(1)，其中所述至少一个另外的谐波(9)通过软件或者硬件增强。

11.一种线性分数槽同步电机，其包括根据权利要求1-10中任一项所述的驱动系统(1)。

12.一种旋转同步电机，其包括根据权利要求1-10中任一项所述的驱动系统(1)。