CN1771646A - 具有集成制动器的模块化横向磁通电动机 - Google Patents

具有集成制动器的模块化横向磁通电动机 Download PDF

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Abstract

一种电梯机械(12)具有多个大致成圆筒形的、相同的、横向磁通的转子/定子模件(28－30)，它们被邻接地布置在一个公用轴(21)上以便给该轴提供一个转矩，该转矩等于模件产生转矩的能力乘上模件的数目。有一盘式的制动器(49)与电动机被制成一体。双侧制动盘在两侧都设有摩擦垫(92、93)。制动力被施加到电动机端板(14)上并通过制动盘施加到该电动机一个相位(30)的定子(60)上。还揭示一种过程(113)，按照该过程可从各种设计(12、100、110)的大小相同的模块化组件制出各种大小的电动机。

Description

具有集成制动器的 模块化横向磁通电动机
技术领域
本发明涉及横向磁通电动机，其中输出矩可用堆置转子/定子模件来调节，以符合如电梯那样用途的需要，并可任选地设有集成制动器。
背景技术
作为需要本发明技术的一个例子，电梯机械代表电梯材料费用的主要部分。电梯机械要求慢的转速并且必须能提供数十年的保用服务。为了做到低的噪声、平稳的操作、低的费用、紧凑的驱动系统，应尽可能不用齿轮。选择电动机的一个重要因素是每单位有效材料输出转矩的数量，单位可按质量或体积计，有效材料包括芯部用钢、导线、和永久磁铁。一台电梯机械的最大转矩需求取决于其最大的不平衡，其值一般约为额定负载的一半加上缆绳质量与滑轮直径和绳索牵引装置(1∶1、2∶1等)的最大失配。
传统的旋转磁场电机具有多个集成在一个芯部结构内的相位绕组。为了获得较大的转矩能力，需要将多个不同的相位绕组的叠层堆置成一个较长的芯部，这些不同的绕组分别需要不同的绕组夹具和其他制造设备。另外，传统电动机的定子具有延伸到电动机的有效磁通产生部之外的端线圈。这些线圈延伸部使它难以制成紧凑的电动机/滑轮组合，并难以将制动器或其他辅助结构集成到电动机内。
为了减少产品线上所需电动机模件的数目，与其他电梯模件共用一个电动机型式的某些电梯模件就得超过它们对转矩的要求而加大尺寸。在另一方面，具有多种电动机而没有公用零件时会增加材料生产、准备、制造和仓库备件的费用。
本发明概述
本发明的目的包括电梯用的各种改进的电动机；能在低转速提供高转矩的电动机；只是添加模块化位相绕组便能增加转矩的电动机；不需总体改变绕组便能增加转矩的电动机；具有高效率和良好的功率因数的电动机；具有高体积转矩密度的电动机；具有较短组合件而没有伸出的端线圈因而损失较小的电动机；具有简单的定子绕组的电动机；类似额定的永久磁铁的无刷电动机相比、使用显著较少的铜并且只需较少的制造工时的电动机；以及能用相同的模件造成从而可在少量工步内使用相同的模件将转矩调到额定值的电动机。
按照本发明，适宜用来驱动电梯滑轮的电机是由相同的转子/定子模件构成，驱动电流的每一相位各有一个或多个模件，为的是可选定该电机的合适的转矩额定值。
按照本发明还有，制动器可成为一体地设置在同一轴上并与横向磁通电动机的转子/定子模件相邻。
按照本发明的电动机每单位体积能提供比传统电动机大的转矩，在定子的转矩和转速都恒定的情况下具有实际上恒定的效率，具有提高的功率因数(由于没有从端线圈泄漏的磁通量)，并能具有随着磁极数而增加的功率因数。按照本发明的电动机在从约50％到约120％的额定轴转矩的范围内和额定的运转速率下具有实际上恒定的效率。本发明与可比的永久磁铁的无刷电动机相比，具有较短的铁磁芯部和轴，并在导线内使用较少30％的铜，此外还使用较少的铁磁芯部体积，并且没有伸出的端线圈，从而可制出较短较轻的电动机不管磁极数目多少，每一相位只有一个环状线圈。
本发明的另外一些目的、特点和优点借助于下面用附图示出的、示范实施例的详细说明，当可得到较清楚的了解。
附图简要说明
图1为按照本发明可连结到电梯滑轮上的电动机的外部透视图。
图2为按照本发明的三相电动机和成为一体的制动器的分解透视图。
图3为组装好的转子/定子模件的透视图。
图4为图3中模件的分解透视图。
图5为图3中沿5-5线切开的剖面立视图。
图6为转子/定子模件的转子和定子之间的界面的部分透视图。
图7为图5中剖面的部分的放大立视图。
图8为图1中示出的电动机和集成制动器的剖面立视图。
图9为图8中所示集成制动器在松开时的部分放大图。
图10为图8中所示集成制动器在接合时的放大图。
图11和12为简化的侧剖视图，示出本发明的模块化。
图13为模块化电动机制造的宏流程图。
实现本发明的方式
参阅图1，本发明的具有集成制动器的电动机12包括一块左端板13和一块右端板14，它们被合适的紧固件固定在壳体15上。在转矩小的用途中，紧固件例如可用径向的螺钉。而在大的电动机中，该端板可用拧入到较厚壳体内的轴向螺栓来固定。该电动机转动一个被驱动件例如电梯的滑轮17。该电动机壳体有一安装基座。在图2中为使图面清晰，壳体15被省略。
参阅图2，该端板13、14内各有轴承，但只有右端板的轴承41在图2内被示出。虽然在这里没有示出，但该轴承可以有盖，以便有助于润滑和防止灰尘侵入。在轴21上有一槽23以便接纳与多个转子/定子模件28-30接合的键24。这些模件中的每一个在其转子上都有一个相应的槽22以便从转子将转矩传送到轴上。有一垫圈33(并见图8)用来防止模件28的转子与轴承20的外座圈接合。在轴21的缺口35内有一弹簧夹34与模件30的转子接合用来防止模件28-30与轴21之间的相对的轴向运动，从而保持模件28-30相互邻接并与垫圈33接触。与此类似，为了防止轴21向右运动，在缺口37内有一弹簧夹36(并见图8)与该轴右端轴承41的内座圈40接触，这只在图8-10中示出。
有一制动盘43被一销钉46接合在轴21上的一个孔44内而可沿着一条细长槽47滑动。制动器组合件49包括一个环形框50，其上有一制动器释放线圈用的环形槽51，和一个壁面52，堆置的波状弹簧53将抵压在该壁面52上，在该制动器释放线圈不通电流时接合该制动器。而当该制动器释放线圈被通以电流时，有一返回弹簧56使该制动盘采取中性位置，在该位置既不与右端板14接触也不与框50接触。这将在后面结合图9和10详细说明。
参阅图3-7，每一个转子/定子模件都包括一对柔软的磁性定子板60、61，它们被一含有环形线圈64的柔软的磁性环63隔开。该两定子60、61具有相反极性的磁极，如图6所示，在定子板61上为北极(同时在定子板60上为南极)，但在线圈64内有电流时该极性会改变。磁极67被空气间隙68隔开。
每一转子/定子模件的转子28-30都由一个环形柔软的磁性基部71构成，其上设有一孔72供插入轴21之用。在基部71的表面上有两列硬质的永久磁铁74-77(可以是NdFeB钕铁硼磁铁)，它们被一无磁性的间隔件78隔开(但也可以在两列磁铁74-77之间有空气)。在一列磁铁中的南极74与在另一列磁铁中的北极76在轴向上直线对准，而在一列磁铁中的北极75与在另一列磁铁中的南极77在轴向上直线对准。这样，每一磁极67就各有一对磁铁74、75。变化磁铁的设置、大小和密度可成为各种可替代的设计。但要求是需有一个交变的磁场、多个磁铁、或具有多个磁极的弧形段。在图4和6中示出的磁铁75-77为与相邻的磁铁间隔开，但它们可以是接触的。实际上，它们可以是一个磁性材料的实心环或者是基部71磁性材料的延伸经过极化后具有适当的极性。该基部71具有在其内造成的极性，该极性与每一磁铁74-77的空气间隙极性相反并为磁场提供一条有效的返回路径。
参阅图7，由箭头79示出的磁通路径随着电流而反向。压配合在环63内的销钉(图4)与定子60、61内的孔82接合以便保持模件的对准。
参阅图9和10，盘式制动器49的框50包括一对对准孔83(图10)，在该孔内对准销84可自由滑动，该销钉84被压配合在转子/定子模件30中的定子60的孔内。这样就把该框销住在电动机的固定零件上，从而当该制动器被使用时可以顶住该制动盘43的力，不让该盘式制动器组合件50转动。或者该框可被销住在该电动机的任何一个合适的固定零件如壳体15上。有一对制动线圈86、87被设置在槽51内并与它接近。每一个线圈都有足够的强度，设置这两个线圈是为了在松开制动器时具有多余的安全性。有一肩部90(图9)接合在该销钉46上。当该制动器被松开时该返回弹簧56将使该制动盘43移动离开该端板14，而作用在该肩部90(图9)上的该销钉46将可阻止该弹簧56不让它使制动盘43拉动整个盘式制动器组合件50。
该波状弹簧53的大小和数目可根据所需制动转矩来定。它们例如可以是在网址www.smalley.com/spring上所展示并由美国伊利诺州Lake Zurich的Smalley钢环公司所提供的波峰到波峰的弹簧。
如从图10可见，当线圈86、87没有通以电流而用弹簧53操作来接合制动器时，制动盘上的一个制动摩擦垫92将与该电动机的端板14接合。与此类似，另一个制动摩擦垫93将与框50接合，该框又被销钉84固定在定子上。这样，该制动器便与电动机组合件成为一个整体所需空间、质量和零件数都可减少，从而可提供一个更为有效和经济的单元。
代替使用图1-7所示转子/定子装置，本发明使用横向磁通的永久磁铁电机来实行。这时可参考多种拓扑图，例如那些在土耳其伊斯坦布尔的ICEM期刊1998年第2卷1110-1122页上的Harris M.R.的论文“VRPM(横向磁通)电机的集中磁通和表面磁铁两种设计的比较”中所刊载的，这里引用供参考。唯一关键的要求是转矩的方向必须垂直于磁通线。
在图8、11和12中示出利用本发明的模块化设计将多个相同的转子/定子模件组合成各种大小的电动机的方式。每一模件包含一个相位。图1-10的电动机具有三个模件，可被设有的四相AC电源操作，例如被一著名品种的可变电压、可变频率的功率转换器(VVVF驱动器)操作。假定每一个模件提供的转矩足够供给一个5吨的电动机，那么图1-10的电动机将是一个20吨电机。
在图11中示出的是一个三相15吨的电机。VVVF驱动器通过相关的线路104、105、106将与相位有关的、分开的驱动电流供到相应的模件28-30上。或者，为了完整的模块化，每一模件可有它自己的分开的驱动器。
在图12中，一个电梯用电机可具有在公用轴上工作的六个模件；这些模件可分开被六个不同相的AC电源驱动，或者模件28-30和模件28a-30a可被同一三相AC电源平行地驱动。但六相的电源将能提供更顺畅的操作和较低的损失，这是人们所知道的。
类似地，每个模件都能产生或多或少转矩的多个模件能被排列起来，小到能被二相电源驱动的一对模件，以至能被三相或六相或更多相的电源驱动的六相或更多相。例如一个三相的驱动器能够驱动一个由3N定子模件构成的电动机，其中N可以是1-4或其他一些小的正整数，其时多个相似的模件分享来自三相驱动器的功率。

Claims (9)

1.一个模块化横向磁通的旋转电机系列，其中每一电机(12)具有：
一根可转动的轴(21)；
多个设在所说轴上的相同的大致成圆筒形的横向磁通的转子/定子模件(28-30)，在所说模件的转子和定子之间(68)的磁通线(79)垂直于所说转矩，所说模件中至少有一个模件与在其附近的所说模件中的至少另一个模件邻接，每一所说模件都给所说轴提供基本相同的额定转矩，从而所说电动机的额定转矩等于每一所说模件的额定转矩乘上所说模件的数目；
一个被设置成与所说轴一同转动的旋转从动件(17)；及
多块端板(13，14)，一块端板对应于所说模件(28，30)中任一个模件的不与所说模件的另一个模件邻接的每侧；
其特征为：
每一所说电机包括至少一个制动器(49)，该制动器与所说模件可兼容地被制出，并被设置在不与所说模件中另一个模件邻接的一侧和所说端板(14)的相应一端板之间；
所说电机中至少有一电机具有与所说电机中至少另一电机不同的所说模件数目；及
所说轴的长度被选定得至少能容纳所说数目的所说模件、所说制动器、和所说从动件。
2.一个模块化横向磁通的旋转电机系列，所说电机(12)具有：
一根可转动的轴(21)；
多个设在所说轴上的相同的大致成圆筒形的横向磁通的转子/定子模件(28-30)，在所说模件的转子和定子之间(68)的磁通线(79)垂直于所说转矩，所说模件中至少有一个模件与在附近的至少另一个模件邻接，每一所说模件能给所说轴提供基本相同的额定转矩，从而所说电动机的额定转矩等于每一所说模件的额定转矩乘上所说模件的数目；及
一个被设置成所说轴一同转动的旋转从动件(17)；
其特征为：
所说电机中至少有一电机具有与所说电机中的至少另一电机不同的所说模件数目；
所说轴的长度被选定得至少能容纳所说数目的所说模件和所说从动件，所说模件被安装在所说从动件的一侧或多侧。
3.权利要求2的电机系列，其特征在于：
所说电机中至少有一电机的所有所说模件仅被设置在所说从动件的一侧。
4.权利要求2的电机系列，其特征在于：
所说电机中至少有一电机的至少一个模件被设置在所说被驱动件的每一侧。
5.一个模块化、横向磁通的电机(12)，具有：
一根可转动的轴(21)；
多个设在所说轴上的相同的大致成圆筒形的横向磁通的转子/定子模件(28-30)，在所说模件的转子和定子之间(68)的磁通线(79)垂直于所说转矩，所说模件中至少有一个模件与在其附近的所说模件中的至少另一个模件邻接，每一所说模件能给所说轴提供基本相同的额定转矩，从而所说电动机的额定转矩等于每一所说模件的额定转矩乘上所说模件的数目；
一个被设置成与所说轴一同转动的旋转从动件；及
多块端板(13、14)，一块端板对应于所说模件(28，30)中任一个模件的不与所说模件的另一个模件邻接的每侧，其特征为，所作改进包括：
一个制动器(49)，该制动器与所说模件整体制成，并被设置在不与所说模件中另一个模件邻接的所说一侧和所说端板(14)的一个相应侧一端板之间。
6.权利要求5的电机，其特征在于所说制动器包括：一个或多个线圈(86、87)，在通以电流时可脱开所说制动器；
一个制动盘(43)，在其每一个主要表面上具有摩擦制动垫(92、93)，该制动盘被设置得可与所说轴一同转动，并可沿轴向在所说轴上滑动(46、47)；
一个设有环形槽供所说一个或多个线圈用的框(50)，该框被销住(84)在所说电机的固定部分(60)上使其不能转动，但可沿轴向滑动(83)；及
至少有一个弹簧(53)，在所说一个或多个线圈未被通以电流时迫使所说框向所说端板移动，从而使所说垫中的一个垫与所说端板接合，所说另一个垫与所说框接合，这样来提供制动转矩。
7.一种提供一个模块化旋转电机(12)系列的方法，其特征为：
(a)选定一个转矩增量；
(b)设计一个圆筒形横向磁通转子/定子模件，以便提供一个等于所说增量的转矩，并使所说模件的转子和定子之间的磁通线垂直于所说模件的轴线；
(c)对于每一个要被制造的电机：
(i)选用一根轴(21)来安装所需的数目为N的模件，以便以小于所说增量的方式达到或超过所说电机和要被驱动的零件(17)所需的转矩；
(ii)将所说要被驱动的件装在所说轴上，并将所说模件邻接地装在所说轴上，所说模件被装在所说被驱动件的一侧或多侧；及
(d)所说电机中至少有一电机具有与所述电机的至少另一电机不同的模件数目。
8.权利要求7的方法，其特征在于还包括：
设计一个大致成圆筒形而直径不大于所说模件的制动器模件(49)；及
将所说制动器件装在所说轴上，与所说模件(30)中的一个模件(30)邻接。
9.权利要求7的方法，其特征在于还包括：
选定所说模件的驱动电流的相位数目P，其时P＝NX而X＝一个小的正整数；及
所说步骤(ii)包括安装所说模件，使所说数目的相位相互间适当取向。
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