CN1258857C - 一种磁性支承的电力传动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在三个自由度内有效调节转子位置的廉价的无磨损的电力恒磁传动系统。定子绕组在极距内通过不对称的磁势分布产生不同极数的叠加磁场。

Description

一种磁性支承的电力传动系统
技术领域
本发明涉及一种磁性支承的电力传动系统，这一电力传动系统廉价且无磨损。
背景技术
磁性轴承技术以其对传动系统的转数范围、寿命、清洁度和密封性提出了极高的要求而为机械制造和仪表制造开辟了广阔的应用领域—亦即开辟了在使用常规轴承技术情况下不可能实现的或很难实现的应用领域。例如高速铣床主轴和磨床主轴、涡轮压缩机、真空泵或高纯度化学或医药产品用的泵等都已经装配了磁性轴承。
下面各图中的机器横截面只作为例子示出，且其一部分被大大简化，只用作功能原理的较详细的说明。
WO99/40334或相应的US6,236,130B1中的图1和3描述了一种常规的磁性支承的机器，它除了需要一个机器单元1外，还需要两个径向磁性轴承2、3、一个轴向磁性轴承4、两个机械的支承轴承5、6以及电动机各相和磁性轴承各相控制用的一共10个功率调节器7、8、9、10。
在名为“Fourth International Symposium on MagneticBearings”的文献中提出这样的建议(图2)，把机器和径向磁性轴承集成在一个磁性的定子单元中。在一个定子内，在槽中多层地设置了转矩绕组和支承力绕组用的两个分开的绕组系统11、12。原则上，在很大程度上分开的产生支承力和转矩的无轴承的电动机中，绕组极数之间的关系为p1＝p2±2，式中p1或p2也表示转子的极数。图2电动机的两个绕组系统是三相的。这些线圈是短节距的并分布在多个槽中，从而达到了接近于正弦形的磁通交联。
这两个绕组由下列部分组成：
四极的电机绕组11(外部)：相1(13)，相2(14)，相3(15)，
两极的支承线圈12(内部)：相1(16)，相2(17)，相3(18)。
为了实现整个系统的经济性，可减少绕组系统的数目并由此除了使机械结构简化外，还可简化控制电子部分。
作为具有减少绕组数目的一种电动机的实施例以一台由四个集中线圈组成的共同的转矩和支承力绕组系统的电动机来进行说明，这样的电动机下面叫做无轴承的单相电动机。
WO99/40334中的图3表示一个四极电动机的转子和定子的外转子结构。其中转子35最好做成环形或钟形。借助于四个集中线圈31，32，33，34可产生两极和四极的磁势分布，所以可独立地在x和y方向产生一个支承力和一个转矩。各相电流的确定在考虑转子位置和转数、转子角度或转矩的理论值的情况下利用分析处理转子位置x，y和转子转角的传感器信号来进行。
在先有技术的上述段落中描述了这种无轴承的单相电动和多相的感应电动机。
两种结构型式都部分地具有明显的技术上或经济上的缺点：
无轴承的单相电动机(图3)只适用于对启动力矩要求很小的使用场合。例如泵、风扇、鼓风机或通风机的传动。在最简单的结构中，这种无轴承的单相电动机只需要四个单独线圈。单相传动的启动弱点是由结构引起的。对径向支承力的结构来说，应当用旋转磁场绕组，而电动机部分只配置了一个单相的交变磁场绕组。所以在存在一些临界的转子角度位置，在这些位置内，启动力矩为零而与选择的电流振幅无关。为此，必须从结构上保证转子只停止在与这些临界角度位置不同的位置内。所以这种传动的回转力矩特别是在启动阶段还有在稳定运行中都能克服这些临界点。对许多其他的传动任务来说，这种电动机的启动力矩太小。
与该先有技术对应的无轴承的多相电动机(图2)则没有旋转力矩小的角度位置的缺点。与单相电动机比较，这种多相电动机不但在轴承部分而且在电动机部分都有一个自己的旋转磁场绕组。但缺点是，两个磁场绕组带来了大的线圈数目。这种无轴承的电动机的典型的线圈数一般在36(分级的三相绕组)和12(简单的双相绕组)之间。
发明内容
从以上的对传动市场在技术和经济上的分析中可知，值得追求和特别有利可图的无轴承电动机应当具有少的线圈数而又不受由单相技术产生应用范围的种种限制。
这个任务的技术解决方案是一种磁性支承的电力传动系统，包括：一个具有绕组的磁性支承的电机，这些绕组放在定子或转子中并用来产生转矩和支承力；一个用来确定转子位置的传感机构；一个用于该磁性支承电机的控制、调节、监视和馈电的模拟或数字电子装置，其中该电机配置的绕组在通电时产生具有极数p1和p2的磁势或磁场，p1和p2满足条件p1＝p2±2，且p1或p2表示转子尤其是恒磁转子的极数，
其特征为，p1极和p2极的磁场或磁势结构的电机在其定子内配置了n个定子铁心(在集中的绕组时)、定子齿(在分级的绕组时)或定子槽，其中的n不同时是极数p1和极数p2的整数倍数。
这个任务的本发明解决方案的独特优点在于，与迄今为止的已知的解决方案比较，本发明明显地简化了磁性支承的电机的结构以及简化了电控制。
按照本发明的一个优选实施例，通过定子中心的两个相互垂直的轴之间的定子扇形段形状不同。定子叠片铁心断面最多轴向对称于定子平面内的两个相互垂直的轴之一。通过定子中心的两个相互垂直的轴之间的绕组扇形段形状不同。以及绕组配置最多轴向对称于定子平面内的两个相互垂直的轴之一。
按照本发明的又一优选实施例，在两个用集中线圈缠绕的定子铁心之间至少有一个未缠绕的铁心或齿。用分离的绕组组来实现产生磁性支承的支承力和产生电动机运行的转矩，其中一个绕组组通电只用于产生支承力，而另一个绕组组通电则只用于产生转矩。也可以只用一个共同的绕组组来实现产生磁性支承的支承力和电动机运行的转矩，其中该绕组组的线圈用电流启动，该电流既含有产生支承力的分量又含有产生转矩的分量。该绕组组是这样设计的，通过绕组相位用叠加的电流分量通电可同时产生一个用于支承力产生的旋转磁场和一个用于转矩产生的旋转磁场或交变磁场。其中用于产生支承力的绕组组实施为旋转磁场绕组，而用于产生转矩的绕组组实施为旋转磁场绕组。以及，用于产生转矩的绕组组实施为交变磁场绕组。
按照本发明的再一优选实施例，电动机各相呈星形连接。在电动机各相的星形连接时，中性点不进行电连接。或者电动机各相呈环形连接。其中各相连接通过功率半桥进行控制。或者各相连接通过功率全桥进行控制。
按照本发明另一个重要的优点是，由于不对称的绕组结构，而可实现绕组的短节距和由此实现场结构和磁势结构的谐波的高度衰减。这个特性增加了位置调节器转数调节器的稳定范围及其调节精度和磁性支承传动系统的平静的运转。
附图说明
下面结合附图来说明本发明的实施例。这些示意图表示：
图1一个常规的磁性支承系统；
图2先有技术的一种无轴承的多相电动机；
图3先有技术的一种无轴承的单相电动机。
图4具有不对称的定子断面和集中绕组的一种无轴承的多相电动机；
图5在x方向内有一个恒定的支承力时，相电流随角度的变化；
图6定子圆周上的不对称的磁势；
图7在一个恒定的转矩时，相电流随角度的变化；
图8在屏蔽了恒磁磁场的情况下，在气隙范围的不对称的磁场变化；
图9具有对称铁心断面的电动机的支承力绕组(四极)的磁通密度变化(转子：两极)；
图10具有对称铁心断面的电动机的转矩绕组(两极)的磁通密度变化(转子：两极)；
图11具有分级绕组(单个绕圈)的无轴承的电动机；
图12具有分级绕组(线圈组)的无轴承的电动机；
图13具有用于产生支承力和产生力矩的分离的绕组组的无轴承电动机；
图14绕组包围定子磁轭的无轴承的电动机。
具体实施方式
下面举例说明本发明的可能实施方案。
图4表示具有5个集中单个线圈41、42、43、44、45的电动机。用这种定子布置通常用叠加的电流分量流过线圈可同时既得到一个两极的旋转磁场又可得到一个四极的磁场或两个两极的和四极的磁势。所以在一个两极的转子上可与两极的绕组磁势共同作用得到一个转矩并与四极的绕组磁势共同作用得到一个径向的支承力。
不能被所用的两个极数4和2整除的奇数线圈数或铁心数导致一个不对称的铁心断面和定子或气隙范围的不对称的磁势分布或场分布。
因此，根据转子的、支承力要求和转矩需要的角度位置来确定线圈电流，使其达到要求的工作点。
图5表示在x方向内的一个恒定的支承力时相应的支承力-线圈电流分量与具有正弦形磁通密度分布的一个二极的恒磁转子的转子角的关系，其中I1、I2、I3、I4和I5分别表示通过线圈41、42、43、44和45的电流。图6表示在起始角位置(＝0)时，气隙内的绕组磁场(在转子的恒磁磁场被屏蔽时)的磁通密度变化61与理想的、正弦形的四极的磁通密度变化62的对比。从这个磁通密度图中可以看出四极的不对称的磁场的变化。这种不对称性是由于铁心数5与通过相电流实现的绕组极数4的非整数的比例引起的。
图7表示适合于在恒定转矩时同样是相应转矩-线圈电流分量与转子角的关系。在这里也是用I1、I2、I3、I4和I5来分别表示通过线图41、42、43、44和45的电流。在这两个图5和7中所示的电流分量在五个电动机线圈内进行叠加，所以既得到了要求的转矩，又得到了要求的支承力。在定子圆周上，由于电流叠加和线圈的几何分布产生电动机的总磁势。图8又是表示在起始转子角位置(＝0)时，气隙内的绕组磁场(也是在转子的恒磁磁场被屏蔽时)的磁通密度变化81与理想的、正弦形的两极的磁通密度变化82的对比。从这个磁通密度图中可以看出一个二极的不对称的磁场的变化。这种不对称性是由于铁心数5与通过相电流实现的绕组极数2的非整数的比例引起的。
按相同的方式还可实现例如具有六个或七个集中的单个线圈的无轴承感应电动机。三个线圈的解决方案导致一个机械费用减少的无轴承的单相电动机。
为了说明与对称结构的电动机的磁通密度的变化的区别。图9示出了由一台具有8个集中的单个线圈的电动机产生的四极磁势和磁通密度变化91与理想的、正弦形的四极的磁势和磁通密度变化92的对比。相应的图10又是表示在这种电动机结构时两极的磁势和磁通密度变化101与正弦形的磁势和磁通密度变化102的对比。
不用集中的单个绕组，也可用分级的和必要时短节距的绕组放入定子中。此时由于上述的原因，定子的齿数或槽数也是这样选择的，即它们不是两个待实现的绕组极数的整数的倍数。
下面用图11的一个例子来说明原理结构。从图中可以看出，在槽中放入了五个线圈111、112、113、114和115，它们的宽度大于图4中的线圈宽度。这些线圈分别包围两个齿因而不再叫做集中线圈。图12表示具有一个附加的线圈分布的另一种方案，其中在相邻槽中布置的两个线圈构成一个电串联或并联的线圈组。
上述的绕组方案都是集成的方案，它们可同时产生支承力和转矩，而图13则表示对于相应功能具有分离的绕组组的一种结构。在产生一个转矩的两极的恒磁励磁时，用三相的、两极的绕组系统131a-131b、132a-132b和133a-133b。用三相的绕组系统134a-134b，135a-135b和136a-136b可产生一个用于产生支承力的四极的磁通密度分布。在这个方案中也可看出本发明的特征。
一种很简单而又廉价的结构可通过一种如图14所示的机械布置来实现。在这里线圈141，142，143，144和145代替定子铁心包围定子磁轭(146)。当定子磁轭由扇形段组成时，则可用简单的成型线圈。单个扇形段可通过一个扇形支架，例如一个与定子轮廓匹配的塑料件，用适当的紧固件进行安装并定位。
图14所示的方案具有这样的优点，即在定子齿的气隙附近范围内没有从定子面伸出的部分(绕组)。所以在定子的两个表面上可安装泵、风扇、鼓风机、通风机或别的设备的部件，视使用场合而定。
图15表示这种布置的一个例子、在这里泵壳的一部分直接放在定子齿的表面上。

Claims (30)

1.磁性支承的电力传动系统，包括：一个具有绕组的磁性支承的电机，这些绕组放在定子或转子中并用来产生转矩和支承力；一个用来确定转子位置的传感机构；一个用于该磁性支承电机的控制、调节、监视和馈电的模拟或数字电子装置，其中该电机配置的绕组在通电时产生具有极数p1和p2的磁势或磁场，p1和p2满足条件p1＝p2±2，且p1或p2表示转子尤其是恒磁转子的极数，
其特征为，p1极和p2极的磁场或磁势结构的电机在其定子内配置了n个定子铁心(在集中的绕组时)、定子齿(在分级的绕组时)或定子槽，其中的n不同时是极数p1和极数p2的整数倍数。
2.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，通过定子中心的两个相互垂直的轴之间的定子扇形段形状不同。
3.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，定子叠片铁心断面轴向对称于定子平面内的两个相互垂直的轴中的至多一根轴。
4.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，通过定子中心的两个相互垂直的轴之间的绕组扇形段形状不同。
5.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，绕组配置轴向对称于定子平面内的两个相互垂直的轴中的至多一根轴。
6.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，在一个或多个极距的间隔内，两p1和p2极的至少一个磁势或绕组磁场在定子或气隙范围内具有不对称性或由非周期性的线段组成。
7.按权利要求6的电力传动系统，
其特征为，不对称的磁势分布呈阶梯形模拟两个叠加的p1极和p2极的磁势函数的变化，其中这两个函数的至少一个具有阶梯的角度步距，该步距不是一个或两个极距的整数倍数。
8.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，定子绕组完全地或部分地作为分级绕组构成，具有由相互错开的或相互错接的单个线圈组成的线圈组。
9.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，定子绕组完全地或部分地实施为短节距绕组，亦即线圈宽度不等于电动机内存在的一个极宽度。
10.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，定子绕组由集中的线圈组成，这些线圈分别包围一个定子铁心。
11.按权利要求10的电力传动系统，
其特征为，在两个用集中线圈缠绕的定子铁心之间至少有一个未缠绕的铁心或齿。
12.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，用分离的绕组组来实现产生磁性支承的支承力和产生电动机运行的转矩，其中一个绕组组通电只用于产生支承力，而另一个绕组组通电则只用于产生转矩。
13.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，只用一个共同的绕组组来实现产生磁性支承的支承力和电动机运行的转矩，其中该绕组组的线圈用电流启动，该电流既含有产生支承力的分量又含有产生转矩的分量。
14.按权利要求13的电力传动系统，
其特征为，该绕组组是这样设计的，通过绕组相位用叠加的电流分量通电可同时产生一个用于支承力产生的旋转磁场和一个用于转矩产生的旋转磁场或交变磁场。
15.按权利要求12的电力传动系统，
其特征为，用于产生支承力的绕组组实施为旋转磁场绕组。
16.按权利要求12的电力传动系统，
其特征为，用于产生转矩的绕组组实施为旋转磁场绕组。
17.按权利要求12的电力传动系统，
其特征为，用于产生转矩的绕组组实施为交变磁场绕组。
18.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，线圈是这样包围定子磁轭的，线圈轴沿圆周方向延伸或与通过定子中点的辐射保持垂直，以便在定子铁心或定子齿的气隙附近的区域内为机械的或电气的上部结构提供一定的空间。
19.按权利要求1或2的电力传动系统，
其特征为，定子磁轭机械地分成单独的区段并可围绕线圈进行简便的安装。
20.按权利要求19的电力传动系统，
其特征为，定子磁轭的分段按这样的方式固定在一个安装支架上，使定子磁轭分段之间形成尽可能小的气隙。
21.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，电动机配置了一个两极的或四极的恒磁转子和三个、五个、六个或七个集中的定子线圈，馈入这些线圈的电流既含有产生支承力的分量又含有产生转矩的分量。
22.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，电动机具有多相，这些相或由单个线圈组成或由电联接的线圈组成。
23.按权利要求22的电力传动系统，
其特征为，电动机各相呈星形连接。
24.按权利要求23的电力传动系统，
其特征为，在电动机各相的星形连接时，中性点不进行电连接。
25.按权利要求22的电力传动系统，
其特征为，电动机各相呈环形连接。
26.按权利要求22的电力传动系统，
其特征为，各相连接通过功率半桥进行控制。
27.按权利要求22的电力传动系统，
其特征为，各相连接通过功率全桥进行控制。
28.按权利要求22的电力传动系统，
其特征为，分布在定子圆周上的电动机各相的电流分布产生这样的定子磁势，即从整个圆周上看，该定子磁势含有一个p1极和p2极的基波。
29.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，该传动系统具有一个带恒磁的p1极或p2极的转子。
30.按权利要求1的电力传动系统，
其特征为，电动机具有多相，这些相由全节距线圈、短节距线圈或分级线圈组成。
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