CN115004516A - 操作上可靠的无刷dc电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种特别是用于植入物(优选用于心脏辅助系统)的致动器单元的无刷DC电动机，该无刷DC电动机具有定子和转子，该定子具有中空的圆柱形无铁绕组，并且该转子可以相对于该定子旋转并且该转子包括具有p个永磁极对的轴杆，其中该绕组具有彼此分离的n个三相系统。对于数量p＝1的永磁极对而言，彼此分离的三相系统的数量是2，并且对于数量p>1的永磁极对，彼此分离的三相系统的数量或对应于p的整数除数(其中该整数除数不等于1)，或对应于数量p，或对应于永磁极对数量p的两倍，其中在中空圆柱形无铁绕组中彼此分离的n个三相系统以在空间上彼此偏移360°/n的角度的方式布置。

Description

操作上可靠的无刷DC电动机
描述
本发明涉及一种特别是用于植入物(优选用于心脏辅助系统)的致动器单元的无刷DC电动机，该无刷DC电动机具有定子和转子，该定子具有中空的圆柱形无铁绕组，并且该转子可以相对于该定子旋转并且该转子包括具有p个永磁极对的轴杆，其中该绕组具有彼此分离的n个三相系统。
无刷DC电动机具有中空的圆柱形无铁绕组，该绕组由三相系统供应电流并且该绕组被布置在定子中，因为不存在可以将电流传递给旋转绕组的电刷系统。因此，一对永磁极必须相对于定子与绕组共同旋转。这对永磁极的材料通常包括钕-铁-硼合金，以便实现足够高的功率密度。设置有这对永磁极的轴杆典型地是使用预加载的滚珠轴承来安装的，用于获得长的使用寿命。为了实现更高的功率密度，该转子可以设置有若干对永磁极。无刷DC电动机需要电子换向来操作，这原则上模仿常规DC电动机的电刷系统。因此，获得了类似于具有高起动扭矩和高动力学的常规DC电动机的转速-扭矩行为。无刷DC电动机的主要优点是更长的使用寿命和更高的转速，这不受机械换向系统的限制。具体地，该中空圆柱形无铁绕组使得无刷DC电动机能够具有降低的铁损耗、具有低摩擦和低热损耗，从而得到极其高效的电动机，该电动机由于其低惯性而实现高加速度和短响应时间，该电动机特别适合于与用于植入物的致动器单元一起使用并且对于心脏辅助泵是特别有利的。
在过去的二十年中，无刷DC电动机的使用已经稳步增加，因为操作所需的电子器件已经变得更便宜和更小，也是由于其中具有冗余或具有增加的可靠性的在操作上可靠的电动机是必不可少的领域的增加的使用和扩张。
从EP754365B1中已知一种冗余的电动机，并且该电动机包括：转子，该转子具有在轴向上彼此前后布置的两个磁极；以及定子，该定子包括彼此分开的并且在轴向上彼此前后布置的两个绕组。这些绕组可以彼此独立地控制并且各自与一对永磁极相关联。DE3140034A1描述了一种冗余无刷DC电动机，其中开槽的定子绕组由四股部分组成，用于换向的传感器系统包括四组传感器，并且转子具有四对磁极。该冗余电动机因此包括可单独地控制的四个电动机单元，这使得高水平的冗余成为可能，但是需要大的安装尺寸和大量的单独组件。从EP2922180A1中已知另一种冗余无刷DC电动机，其中定子的绕组具有可以彼此独立地操作的若干绕组股以及用于检测转子的旋转位置和用于电子换向的若干独立的传感器组。线圈在此被设计成双线绕组，其包括由单根导线制成的至少两个可独立地控制的绕组股。尽管双线绕制的线圈包括可以由不同的电压源供电的并行引出的两个绕组线，但在故障的情况下存在如下情形的高可能性：直接毗邻的冗余绕组系统同样受到操作温度升高或由于生产技术导致的局部削弱的影响。在短路情况下，受影响的绕组线另外在双线毗邻线上具有磁效应，其方式是使得双线毗邻线就像受影响的绕组线一样受到由相反的短路电流减小的磁通量的影响，并且因此仅可在有限程度上参与机电能量转换。相应地，双线绕制的线圈具有较低的冗余，其中短路电流在其余绕组上不能被关断的高负反激效应。除了多年在航空工业中使用冗余电动机之外，近年来已经开发了必须以故障保护方式电动操作的许多可植入医疗设备，例如心脏辅助泵。对于这种类型的心室辅助设备，可靠的、不间断的操作是特别必要的，因为中断或性能的显著下降可能具有威胁生命的后果。然而，除了植入物的驱动单元的冗余之外，驱动单元的小安装尺寸和低重量目前也是能够在植入物中使用的必要方面。因此，本发明基于提供一种在操作上可靠的无刷DC电动机的目的，该无刷DC电动机在具有轻且紧凑的设计的同时具有足够的冗余以在局部故障的情况下至少在有限程度上维持操作。
根据本发明，该目的被满足，因为对于数量p＝1的永磁极对，彼此分离的三相系统的数量是2，并且对于数量p>1的永磁极对，彼此分离的三相系统的数量或对应于p的整数除数(其中该整数除数不等于1)，或对应于数量p，或对应于永磁极(14)对的数量p的两倍，其中在中空圆柱形无铁绕组中彼此分离的n个三相系统以在空间上彼此偏移360°/n的角度的方式布置。p的整数除数是自然数，其与另一自然数相乘，得到p。例如，如果p＝6，则数字1、2、3和6是p的整数除数。因此，由于根据本发明的除数不等于1，因此可以提供彼此分离的2、3或6个三相系统。在绕组股中彼此分离(即彼此电隔离)的多个三相系统的在空间上偏移布置导致围绕转子布置的中空圆柱形无铁绕组的分段，并且因此实现无刷DC电动机的容错绕组连接。对于数量p>1的永磁极对而言，至少一个分离的三相系统可以与由一个北极和一个南极组成的一对或多对磁极相关联，由此实现了这些磁路的解耦，使得在这些分离的三相系统之一中发生短路的情况下，对其他三相系统没有磁效应或具有减小的磁效应。
由于两个三相系统还可以被布置成与一对磁极相对，具有一对磁极的DC电动机的实施例也是可能的，但优选地在轴杆上提供了至少数量p＝2的永磁极对，其中尤其彼此分离的三相系统的数量n对应于p的整数除数，其中该整数除数不等于1，或对应于永磁极对的数量p。相应地，在空间上彼此偏移360°/n角度地布置的三相系统各自被布置成与一个或多个极对正好相对。在仅具有一对永磁磁极p＝1或p>2并且两倍的三相系统的数量n＝2×p的转子的情况下，在空间上彼此分离的这些三相系统各自被布置成与一个磁极正好相对。
特别有利的是，使至少数量p＝2的永磁极对被设置在轴杆上，并且彼此分离的三相系统的数量n恰好对应于在中空圆柱形无铁绕组中彼此空间偏移360°/n角度的永磁极对的数量p。在这种情况下，在空间上彼此偏移360°/n角度地布置的三相系统各自被布置为与一个或多个极对正好相对。无刷DC电动机的这种结构配置使得在电动机的操作期间能够实现针对未预见的故障的高水平的稳健性，并且尽管存在故障或断开的绕组部分，但在紧急操作期间也能够实现良好程度的绕组。尽管可以用这种配置获得无刷DC电动机的高水平的冗余性和故障安全性，但是可以使用用于电动机的制造、测试和质量控制的常规过程，如能用于功率电子器件和换向逻辑的常规组件。与现有技术中已知的在常规三相绕组或五相或七相绕组的单线圈中具有双线绕组的冗余电动机相比，根据本发明的无刷DC电动机的配置可免除绕组的特殊且因此成本密集的生产以及特殊功率电子器件和换向逻辑的使用。
在根据本发明的无刷DC电动机的中空圆柱形无铁绕组中使用在空间上彼此分离的至少两个三相系统不仅能够实现具有短安装长度和小直径而同时具有高标称功率的小且紧凑的电动机配置，还能够实现针对例如由于操作温度升高或由于生产技术导致的绕组的局部弱化而引起的绕组系统中的故障的高水平的冗余，为此，该无刷DC电动机理想地适于例如针对人类心脏的血液循环的长期辅助的植入式心脏辅助系统中的植入物的驱动单元。使用这样的可植入心脏辅助系统，绕组的线圈中可能的故障、以及供电线路中的故障或到供电线路的连接可能导致心脏辅助系统的故障并且因此导致患者的死亡。
有利的实施例提供了，对于彼此电气分离的三相系统的每个相，至少数量k＝2的单线圈串联连接，其中k个单线圈和n个分离相系统的乘积k×n对应于永磁极对的数量的两倍，并且其中彼此分离的三相系统的相应相的串联连接的单线圈的空间角是360°/n/k。在该实施例中，定子的单线圈的总数因此分别对应于永磁极对数量的两倍或转子极的总数量，使得两个单线圈之间的空间角对应于两个转子极之间的空间角。这些单线圈在空间上彼此分离的布置增加了该电动机在绕组级故障的情况下的容错性，并且由此改善了该电动机作为植入物的驱动单元的可用性，对于该植入物而言要求针对故障的高水平的可靠性。DC电动机优选地被配置成具有彼此电气分离的两个三相系统的四极永久激励的同步电动机，其中三相系统的每个相包括串联连接的并且以90°的空间角度布置的两个单线圈。通过这样的四极同步电动机，对于小的安装尺寸和低的制造复杂度，已经可以获得高水平的冗余。为了实现中空圆柱形无铁绕组的最大可能的匝密度，三相系统的单线圈设置有菱形绕组，其也被称为钻石绕组。
为了增加容错性，彼此分离的该至少两个三相系统的一个相的串联连接的两个单线圈可以在相对的绕组方向上电连接在该中空圆柱形无铁绕组中。两个单线圈在相对的绕组方向上的连接导致磁线圈与北极和南极耦合，由此减小了在紧急操作期间的绕组电流。
便利的配置提供了彼此分离的该至少两个三相系统的轴向位置至少在某些区域中相对于该轴杆交叠。在轴杆的轴向延伸方向上彼此电气分离的至少两个三相系统的轴向位置的交叠布置实现了无刷DC电动机的紧凑设计，同时具有短的总长度。使三相系统的磁场在一定的轴向长度上作用在该轴杆的共同区段上就足够了。三相系统的垂直于该轴杆的轴向方向延伸的磁场优选地基本上仅作用在该轴杆的共同区段上以便实现非常短的电机长度，但有高水平的冗余。
有用的实施例提供了彼此分离的三相系统的单线圈以星形连接彼此连接，其中彼此分离的至少两个三相系统的中性点优选地彼此连接。将星形连接用于对应的三相系统的单线圈的电耦合使得不仅能够实现更高的扭矩常数，而且能够避免绕组中不期望的循环电流。这些中性点可以按简单的方式被单独地引出该中空圆柱形无铁绕组或作为共同的中性点引出并且连接到功率电子器件。
可替换地，彼此分离的各个体三相系统的单线圈彼此串联连接，从而产生各个体三相系统的电耦合，称为三角形(delta)连接。然后可以将这些三角形连接各自连接到功率电子器件。可替换地，根据本发明的无刷DC电动机的彼此分离的三相系统的单线圈以单个多边形连接彼此连接。若干三相系统的这些单线圈的三角形连接或这些单线圈的多边形连接能够实现该电动机的更高的转速常数并且因此实现必需供电电压的降低。
对于彼此分离的三相系统中的每一者，可以有利地提供单独的电子换向器，优选地是电子块换向器。其结果是，尽管使用了彼此电气地且在空间上分离的两个三相系统，但可以采用也被用于标准电机的常规换向器。因此，可以降低冗余无刷DC电动机的开发和生产成本。此外，当对这些分离的三相系统中的每一者采用分离的电子换向器时，假设这些换向器装备有它们自己的电压电路，如果这些换向器出现故障，则在这些三相系统之间仅存在最小的干扰。因此，根据本发明的DC电动机的容错性可因此得到改进，并且可获得增加的冗余。
此外，该定子可以包括磁轭，优选地是围绕该中空圆柱形无铁绕组布置的叠片铁芯。该磁轭降低了涡电流损耗并且相应地改善了DC电动机的功率密度。叠片铁包或铁-镍金属片包可被布置在该中空-圆柱形无铁绕组周围，用于尽可能高质量的磁轭。
特定实施例规定，转子和定子之间的气隙允许流体流过气隙，特别是允许人体血液流过，其中周向气隙优选大于转子半径的15％，特别是大于转子半径的25％。转子和定子之间如此大的气隙允许轻松用作植入式心脏辅助系统的驱动单元，并将其整合到患者的血流中。
下文将使用示例性附图更详细地说明本发明的非限制性实施例，其中：
图1示出了根据本发明的无刷DC电动机的示意分解图，
图2示出了图1的DC电动机的线圈连接的示意图，其中有两对永磁极和两个三相系统，
图3示出了图2的电路的独立磁通量的示意图，其中每个相有两个单线圈，
图4示出了根据图3的独立磁通量的示意图，其中匝间有内部短路，以及
图5示出了图2的电路的绕组配置的示意图，其中每个相有两个单线圈。
它适用于用相似的附图标记指定相似的组件的以下实施例。在附图包含在相关联附图描述中未详细说明的附图标记的附图标记的情况下，则参考前面或后面的附图描述。
首先将参照图1来说明根据本发明的无刷DC电动机1的一般结构。该无刷DC电动机1的主要组件是可旋转转子2和定子5，可旋转转子2具有直接连接至轴杆4的永磁体3，转子2安装在定子5中以便可旋转，定子具有中空的圆柱形无铁绕组6和围绕绕组6布置并且连接至壳体8的磁轭7。磁轭7包括叠片铁心包，用于降低由于转子2的旋转永磁体3而发生的铁损。印刷板10通过连接线9提供绕组6到相关联的功率电子器件的电连接。传感器(例如霍尔传感器)也可被布置在印刷板10上并扫描与轴杆4一同旋转的永磁体3的位置。
其上安装有永磁体3的轴杆4安装成可在两个预加载的滚珠轴承11上旋转。布置在滚珠轴承11与永磁体3之间的两个平衡环12能够实现转子的动态平衡，因为可以选择性地从两个平衡环12中去除材料。通过平衡环12对转子的平衡减少了振动和噪声，并且由此对应地延长了滚珠轴承11和整个电动机1的使用寿命，特别是在无刷DC电动机1可以达到的高转速下。安装在壳体8中的转子2可以通过轴承凸缘13紧固在面侧上。
图2中示出了图1中的DC电动机1的中空圆柱形无铁绕组6与永磁体3的连接，永磁体3包括两对永磁极14和绕组6的两个三相系统15，它们彼此电隔离，分别连接到单相P1、P3和P5或者P2、P4和P6。除了具有四个磁极的永磁体3之外，单相P1、P3和P5和P2、P4和P6分别均具有两个单线圈16，这两个单线圈16串联连接并且布置在彼此偏移90°的空间角的绕组6中。其中，较大的气隙17被设置在具有绕组6的定子5与具有永磁体3的转子2之间，这允许流体的流动，特别是允许人血液流过。此外，相应的三相系统15的单个相P1、P3和P5以及P2、P4和P6分别以星形连接彼此电连接，其中两个三相系统15的各个中性点18彼此合并，并作为共同的中性点19从绕组6中引出。作为图2中示出的星形连接的替换方案，两个三相系统15也可以因此连接成六相多边形电路而没有单独的中性点18或共同的中性点19。
图3示出了用于图2中示出的星形连接中的根据本发明的DC电动机1的独立磁通量的示意图。这里再次将具有四极永磁体3和两个三相系统15的DC电动机1的优选实施例作为基础，每个相具有2个单线圈16，这些单线圈串联连接并且相对于彼此以90°的空间角度布置在绕组6中。图3示出了彼此分离的两个三相系统15的两个相关联的单相(即偏移180°)的四个单线圈16的独立磁通量Φ1至Φ4的示图。相应单相的两个单线圈16在相反的绕组方向上电连接，从而导致磁线圈与北极和南极耦合。
图4中的示意图示出了用于故障工作状态的四个单线圈16的独立磁通量Φ1至Φ4的示图，其中绕组6的单线圈16因内部绕组故障而短路并且理想地不允许任何磁通量。与图3中的DC电动机1的未受干扰的操作状态相反，单相P1的单线圈16因匝之间的内部故障而以未预见的方式被短路，从而导致形成抵消转子场的短路电流。磁通量Φ1和Φ2被迫使离开单相P1的被短路的单线圈16并且因此必须在转子2的表面和绕组6的内径之间的气隙17中在切向上，即在周向方向上，闭合。磁通量Φ1和Φ2因此仅形成不再被绕组系统检测到的漏磁通量分量并且因此可以不再有助于机电功率转换。
由单相P1的磁通量Φ1和Φ2组成的磁线圈通量由于匝之间的短路而减小3/4至1/4。然而，绕组6的相对布置的单相P2中的磁线圈通量示出了图3中在无故障状态中占优势的通量的仅1/4到3/4的减少。在断开被短路的单相P1之后，单相P2仍可继续工作，其中通量减小25％。该相对小的损害是由于直接毗邻的极对与单相相关联的事实所导致。在断开发生故障的单相之后，10/12(即，约83％的绕组系统)依然可做出功率贡献。因此，在紧急操作中，还可减小绕组电流以及与电流的平方对应的铜损耗。由于在紧急操作期间更高的效率的程度，根据本发明的DC电动机1可被分类为比具有简单三相绕组6的常规电动机显著更容错。通过根据本发明的DC电动机1，在紧急操作期间从静止状态起动也仍然是可能的。
在毗邻的单线圈16之间具有较小的电压差的根据本发明的DC电动机1的多相特性减小了在匝之间具有内部短路的紧急操作期间毗邻单相P1至P6之间的电流。具有匝之间的现有内部短路的紧急操作因此导致较低的附加损耗，并且因此根据本发明的DC电动机1在紧急操作期间提供更好的效率程度。与双线绕制的绕组6相比，在根据本发明的DC电动机1中的匝之间的内部短路的情况下，在绕组6的超过一半圆周上仍可形成磁通量，这允许在剩余的未受影响的单线圈16中略微降低的电压感应。
图2中示出的根据本发明的DC电动机1的绕组配置在图5中具有用于每个单相P1至P6的两个单线圈16的绕组6的示意图中示出。彼此分离的两个三相系统15的单相P1至P6以星形连接彼此连接，其中彼此分离的至少两个三相系统15的中性点18彼此连接并且可以作为共同的中性点19从绕组6中引出并且连接到功率电子器件上。两个三相系统15的单线圈16被配置成菱形形状的绕组形状，以便实现中空圆柱形无铁绕组6的最大可能的匝密度。该绕组形状也被称为钻石绕组。相应单相P1至P6的两个单线圈16在中空圆柱形无铁绕组中在相反的绕组方向上电连接，导致磁线圈与北极和南极耦合，且由此导致根据本发明的DC电动机1的增大的容错。
附图标记列表
1 DC电动机
2 转子
3 永磁体
4 轴杆
5 定子
6 绕组
7 磁轭
8 壳体
9 连接线
10 印刷板
11 滚珠轴承
12 平衡环
13 轴承凸缘
14 极对
15 三相系统
16 单线圈
17 气隙
18 中性点
19 共同中性点
P1-P6 单个相
Φ1-Φ4 磁通量

Claims (12)

1.一种特别是用于植入物，优选用于心脏辅助系统，的致动器单元的无刷DC电动机(1)，所述无刷DC电动机具有定子(5)和转子(2)，所述定子具有中空的圆柱形无铁绕组，并且所述转子能相对于所述定子(5)旋转并且包括具有p个永磁极(14)对的轴杆(4)，其中所述绕组(6)具有彼此分离的n个三相系统，
其特征在于，所述n个三相系统(15)彼此分离，
-对于数量p＝1的永磁极(14)对而言，n是2并且，
-对于数量p>1的永磁极(14)对而言，n
-对应于p的整数除数，其中所述整数除数不等于1，或
-对应于数量p，或
-对应于永磁极(14)对的数量p的两倍，
其中所述中空圆柱形无铁绕组(6)中彼此分离的所述n个三相系统(15)以彼此在空间上偏移360°/n的角度的方式布置。
2.如权利要求1所述的无刷DC电动机(1)，其特征在于，提供至少数量p＝2的永磁极(14)对，并且彼此分离的三相系统(15)的数量n对应于p的整数除数，其中所述整数除数不等于1，或对应于永磁极(14)对的数量p。
3.如权利要求2所述的无刷DC电动机(2)，其特征在于，提供至少数量p＝2的永磁极(14)对，并且彼此分离的三相系统(15)的数量n恰好对应于永磁极(14)对的数量p。
4.如权利要求1到3中的一项所述的无刷DC电动机(1)，其特征在于，对于彼此电气分离的所述三相系统的每个相，至少数量k＝2的单线圈(16)串联连接，其中k个单线圈(16)和所述n个分离的相系统的积k·n对应于永磁极(14)对的数量的两倍，并且其中彼此分离的所述三相系统(15)的相应相的串联连接的所述单线圈(16)的空间角是360°/n/k。
5.如权利要求4所述的无刷DC电动机(1)，其特征在于，相的串联连接的两个单线圈(16)在相对绕组方向上电气连接在所述中空圆柱无铁绕组(6)中。
6.如权利要求1到5中的一项所述的无刷DC电动机(1)，其特征在于，彼此分离的所述至少两个三相系统(15)的轴向位置至少在某些区域中相关于所述轴杆(4)交叠。
7.如权利要求1到6中的一项所述的无刷DC电动机(1)，其特征在于，彼此分离的所述三相系统(15)的所述单线圈(16)以星形连接彼此连接，其中彼此分离的所述至少两个三相系统的中性点(18)优选地彼此连接。
8.如权利要求1到6中的一项所述的无刷DC电动机(1)，其特征在于，彼此分离的所述三相系统(15)的所述单线圈(16)彼此串联连接，从而产生各个体三相系统(15)的电耦合，称为三角形连接。
9.如权利要求1到6中的一项所述的无刷DC电动机(1)，其特征在于，根据本发明的无刷DC电动机(1)的彼此分离的所述三相系统(15)的所述单线圈以单个多边形连接来彼此连接。
10.如权利要求1到9中的一项所述的无刷DC电动机(1)，其特征在于，对于彼此分离的所述三相系统(15)中的每一者，提供单独的电子换向器，优选地是电子块换向器。
11.如权利要求1到10中的一项所述的无刷DC电动机(1)，其特征在于，所述定子(5)包括磁轭(7)，优选地是在所述中空圆柱形无铁绕组(6)周围布置的叠片铁包。
12.如权利要求1到11中的一项所述的无刷DC电动机，其特征在于，所述转子(2)和所述定子(5)之间的空隙(17)允许流体流过所述空隙(17)，尤其是允许人体血液流过，其中所述周向空隙(17)优选地大于所述转子(2)的半径的15％，特别是大于所述转子(2)的半径的25％。
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