TW202315281A - 用於捲繞／解繞鏈接件之裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種用於捲繞/解繞適於輸送流體或傳輸能量及/或信號之鏈接件的裝置，該裝置包括： - 一捲盤，該捲盤適於收納呈捲繞形式之該鏈接件， - 一空心通軸，該空心通軸適於在一旋轉接頭與該捲盤之間傳遞該鏈接件或流體，該空心軸與該捲盤成一體以便驅動該捲盤繞著該軸之一縱軸線旋轉， - 至少一個永久磁體同步直接驅動馬達，該至少一個永久磁體同步直接驅動馬達包括：一定子，該定子承載適於被三相供電之繞組；及一轉子，該轉子承載該等永久磁體，該等永久磁體面向該定子之繞組。

Description

用於捲繞/解繞鏈接件之裝置

發明領域

本發明係關於用於捲繞/解繞適於輸送流體或傳輸能量及/或信號之鏈接件的裝置。

發明背景

有許多工業應用需要經由在第一元件與相對於第一元件移動之第二元件之間的旋轉連接來傳輸能量及/或信號(例如，電流、光信號、機械張力、流體等)。例如，第一元件可為固定至地面之櫃子、機器人之框架等，且第二元件可為地面上之滑架或移動門型起重機、機器人之臂等。

前述能量及/或信號經由電纜、一根光纖或一束光纖、機械纜線、液壓或氣動管件或任何其他合適構件(在本文中一般用「鏈接件」表示)來傳輸。

為了防止鏈接件在第二元件相對於第一元件移位期間以無序方式展開，已知將鏈接件配置在捲線機之捲盤上，該捲線機安裝在第一元件或第二元件上且包括驅動單元，該驅動單元適於以某方式驅動捲盤旋轉以使該鏈接件以與第二元件相對於第一元件移位同步之方式來解繞或捲繞。此類捲繞裝置例如描述於EP3008005中。

捲線機必須經過調整以盡可能地接近於捲線機所用於的應用，應用是變化很大的。視鏈接件而定，安裝高度、第二元件相對於第一元件移位之速度及加速度、驅動單元之尺寸設定均必須經過調整。

捲線機之特點是捲盤低速旋轉，但必須遞送相當大的扭矩。

有不同類型之驅動單元意欲解決此等技術約束。

第一類驅動單元包括馬達與磁耦合器之聯合，諸如描述於例如文件FR2102600、FR2607333及FR2899399中。此概念准許根據同樣的馬達及耦合器進行一定程度之模組化，因為若干馬達耦合器組可安裝在同一個齒輪箱上以便根據應用調整扭矩。

第二類驅動單元包括變頻馬達與電子控制單元的聯合。該類驅動單元不受益於第一類之模組化，因為馬達必須被選擇為具有應用所要求的功率。另一類驅動單元為軸向通量馬達，諸如例如描述於EP3072220中。

發明概要

本發明之目的是為捲線機設計一類新的驅動，使得能夠在低速下獲得高扭矩。

為此，本發明提出一種用於捲繞/解繞適於輸送流體或傳輸能量及/或信號之鏈接件的裝置，該裝置包括： -   一捲盤，該捲盤適於收納呈捲繞形式之該鏈接件， -   一空心通軸，該空心通軸適於在旋轉接頭與該捲盤之間傳遞該鏈接件或流體，該空心軸與該捲盤成一體以便驅動該捲盤繞著該軸之縱軸線旋轉， -   至少一個永久磁體同步直接驅動馬達，該至少一個永久磁體同步直接驅動馬達包括：一定子，該定子承載適於被三相供電之繞組；及一轉子，該轉子承載該等永久磁體，該等永久磁體面向該定子之繞組。

在一些實施例中，該至少一個馬達之至少一個轉子由該捲盤之中心盤體形成。

在其他實施例中，該至少一個同步馬達之至少一個轉子與該軸剛性地成一體。在一些實施例中，該等永久磁體以使各自之北面在該轉子之一側且南面在同一個轉子之相對側的方式穿過該至少一個轉子來配置。

在一些實施例中，每個永久磁體具有梯形形狀，每個永久磁體之高度相對於縱軸線徑向地延伸。特別有利地，該等磁體並置以便形成冠部。

在一些實施例中，該等磁體之冠部之徑向延伸部實質上等於該繞組之高度。

在一較佳實施例中，該馬達具有軸向通量。

該裝置可另外包括電子變速器，該電子變速器適於改變定子之繞組的供應電流。該裝置有利地進一步包括：旋轉接頭，該旋轉接頭耦接至該空心軸的與該捲盤相對之端；及控制/命令系統，該控制/命令系統包括處理單元，該處理單元耦接或整合至該電子變速器以特別是根據捲線機之位置及工作階段來控制每個馬達。

較佳實施例之詳細說明

圖1為根據本發明之一實施例的用於捲繞/解繞鏈接件之裝置的概圖。

該鏈接件可為電纜、一根光纖或一束光纖、機械纜線、液壓或氣動管件或用於傳輸能量及/或信號的任何其他合適構件。

為了圖式之易讀性，未示出旋轉接頭、控制/命令裝置及藉由鏈接件連接的元件。

此等元件中之一者可特別是但不限於為固定至地面的櫃子或機器人之框架。

此等元件中之其他者可特別是但不限於為：在地面上的滑架或移動門型起重機，或機器人之臂。

該捲繞/解繞裝置(在本文之其餘部分中亦稱為「捲線機」)包括適於與該等元件中之一者剛性地成一體的支撐件。

捲線機亦包括適於收納呈捲繞形式之鏈接件的捲盤2。

該捲盤包括： - 心軸20，該心軸沿著該捲盤之旋轉軸線延伸，及 - 兩組側臂21a、21b，該等兩組側臂界定鏈接件之捲繞量、適於在側向容納該鏈接件之匝、固定在心軸20之任一側上。每一組臂形成一凸緣。

可替代地(未示出)，捲盤之凸緣可為實心的，每一組臂用相等直徑之盤體來替換。

捲盤之結構藉由套圈來加強，該等套圈可為心軸或凸緣之組成部分，即： - 內部套圈22，該套圈位於與心軸相距第一距離處，及 - 一對外部套圈23a、23b，其中每個套圈固定至在與心軸相距第二距離處的各別凸緣之至少一個臂，該第二距離大於該第一距離。

該捲盤包括承載表面，該承載表面適於收納鏈接件之匝，內部匝與該承載表面接觸。該承載表面可特別是心軸或內部套圈之部分。

凸緣間空間，亦即，兩個凸緣之間的距離，係根據將捲繞在捲盤上之鏈接件的寬度來界定。為了實現對鏈接件之正確捲繞/解繞，特別是在單匝捲盤之情況中，調整凸緣間空間，使得凸緣之間的距離適應捲繞在臂之近端或遠端處的鏈接件。

根據易於捲繞在捲盤上的鏈接件之最大長度來選擇凸緣間空間及臂長度，該凸緣間空間及臂長度界定捲盤之容量。視應用而定，捲盤之外徑通常可為約3 m至8 m。

捲盤2與軸3之端部剛性地成一體，該軸被安裝為經由軸承30相對於支撐件旋轉移動。

如可在圖2中更好地看出，軸3係空心的，以允許鏈接件在捲盤2與旋轉接頭(未示出)之間傳遞，該旋轉接頭位於該軸的與捲盤相對之側上。因此，相對於圍繞捲線機之元件來保護鏈接件，且使鏈接件免於被該等元件損壞。

在鏈接件輸送流體之情況中，空心軸自身可構成用於流體之管件，與鏈接件聯合，隨後設置於軸之端上。

空心軸的與捲盤相對之端耦接至旋轉接頭(未示出)的空心軸，該空心軸與空心軸3同軸。

該軸及捲盤藉由至少一個永久磁體同步直接驅動馬達驅動以繞著軸3之縱軸線X旋轉。該類馬達亦被稱為「直接驅動馬達」。

該至少一個馬達包括定子1，該定子與支撐件剛性地成一體。在圖式中，定子1與支撐件由單個零部件形成，但該定子可由剛性地連接至支撐件之單獨零部件形成。

根據一較佳實施例，定子1支撐多個繞組10，其中三相電源圍繞軸線X配置以便沿著軸線X產生磁場，該磁場之極性根據通過繞組之電流的方向而交替。更準確而言，定子1包括彼此藉由徑向凹口間隔開的多個經定向之電薄片100，且每個繞組包括滑到該等凹口中的一組101匝之導電線。

馬達亦包括相對於定子1旋轉移動的轉子。轉子支撐多個永久磁體11。

繞組10之匝以產生面向轉子之永久磁體11之軸向磁場的方式在實質上徑向方向上配置。

在一些實施例中，參看圖2至圖5，轉子由與捲盤成一體之盤體24構成，永久磁體固定在該盤體上。有利地，該盤體可與心軸20重合。

為了最佳化被磁體覆蓋之表面，磁體有利地具有實質上梯形形狀，其中高度相對於軸線X徑向地定向，最窄之底被定位為比最寬之底更接近於軸線X。磁體之底可為直的或彎曲的。永久磁體因此可並置以便形成與軸線X同軸的冠部，該冠部面向繞組。因此，如圖3至圖5所示，定子1包括不同高度之繞組10，且轉子包括根據冠部配置的梯形永久磁體11，冠部之寬度(對應於磁體高度)較佳地小於或等於繞組之高度(繞組之高度係在相對於軸線X之徑向方向上量測)。

在其他實施例中，參看圖6至圖10，轉子41、42包括盤體，永久磁體11固定在該盤體之面上，該盤體並非捲盤2之部分而是與空心軸3剛性地成一體。明確而言，轉子可與空心軸由單個零部件形成，或例如藉由凹槽、銷或任何其他緊固構件剛性地固定至空心軸。定子1經由軸承30繞著轉子41、42及空心軸3配置，該等軸承允許空心軸及轉子41、42相對於定子1旋轉。定子1包括面向轉子的承載永久磁體之面的表面，該表面支撐多個繞組101-104，其中三相電源圍繞軸線X配置以沿著軸線X產生磁場，該磁場之極性根據通過繞組之電流的方向而交替。

更準確而言，定子1包括彼此藉由徑向凹口間隔開的多個電薄片，且每個繞組101-104包括滑到該等凹口中的一組多匝導電線。

特別有利地，轉子及定子之該配置使得可將若干馬達沿著軸線X並置，每個馬達將轉子的承載永久磁體之面與定子的面向且支撐繞組之面相關聯。因此，每個轉子可為兩個相鄰馬達共同的，承載永久磁體之第一面屬第一馬達且與第一面相對且亦承載永久磁體的第二面屬第二馬達。根據此原理，可添加其他轉子，該等轉子與定子之各別面結合，各自對兩個額外馬達起作用。

圖6因此示出具有四個馬達51-54的實施例，該等馬達包括兩個轉子41、42，該等轉子在其兩個面上支撐永久磁體111-114，轉子之每個面面向定子的包括繞組101-104之各別面。

圖6之架構使得可根據轉子41、42的設有永久磁體之面及設有繞組的定子之各別面的數量來使馬達數量在1與4之間改變。自然地，可藉由設置與轉子41 、42同軸之一或多個額外轉子及各別額外定子面來添加額外馬達。

圖7示出包括轉子41之實施例，該轉子在面向包括繞組101的定子1之表面的面上包括磁體111以形成馬達51。轉子41與軸3剛性地成一體且與捲盤同軸。

圖8示出包括轉子41之實施例，該轉子在面向包括繞組101的定子1之表面的面上包括磁體111以形成馬達51，且在轉子41的面向包括繞組102之定子1的第二表面的相對面上包括磁體112以形成第二馬達52。

該等磁體可例如膠合至轉子41之表面上。

可替代地，單組磁體可用於兩個相鄰馬達。在此種情況下，該等磁體以某種方式配置在轉子41中，使得磁體之北面在轉子41之第一側且南面在同一個轉子41之另一側，且相鄰磁體之南面在轉子41之第一側且北面在轉子41之另一側。換言之，北面與南面交替出現在轉子41之每一側上。

由轉子41形成之第一馬達因此包括在冠部上之磁體，具有交替出現之北面及南面。在同一個轉子41之相對面上，存在具有相反極性之磁體的冠部。藉由使位於轉子之任一側上的定子之繞組與磁體偏離某一間距，相對於在單側上使用之磁體冠部產生雙倍扭矩。

每個磁體因此有一面被第一馬達51使用，而其相對面被第二馬達52使用。例如，轉子41可由金屬薄片製成，該金屬薄片能夠保留磁體形狀，其中磁體111-114經配置以從轉子41中穿過。

在圖7及圖8之實施例中，轉子42不用於形成馬達，因此不承載永久磁體。自然地，為了增加裝置之緊湊性，可能會去除此轉子42。

圖9示出包括馬達51及52以及第二轉子42的實施例，該第二轉子在面向包括繞組103的定子1之表面的面上包括磁體113以形成第三馬達53。

圖10示出包括馬達51及52以及第二轉子42的實施例，該第二轉子在面向包括繞組103的定子1之第三表面的面上包括磁體113以形成第三馬達53，且在其面向包括繞組104的定子1之第四表面的相對面上包括磁體114以形成第四馬達54。

可替代地，馬達53及54可由同一組磁體形成，該組磁體以某方式穿過轉子42配置，以便藉由使相鄰磁體之北面及南面在轉子之每一側上交替出現而使每個磁體的北面在轉子42之一側且南面在同一個轉子42之另一側。

轉子數量僅用於說明而非限制，熟習此項技術者將知道如何根據捲繞裝置之參數及所需扭矩來調整轉子數量。

在包括承載永久磁體111-114之一或多個轉子41-42的實施例中，永久磁體111-114有利地具有實質上梯形形狀，其中高度相對於軸線X徑向地定向，最窄之底被定位為比最寬之底更接近於軸線X。磁體之底可為直的或彎曲的。永久磁體因此可並置以形成與軸線X同軸的冠部，該冠部面向繞組。

每個馬達藉由電子變速器(未示出)控制，該電子變速器適於改變定子1之繞組的電壓、頻率及供應電流。該等繞組產生以與電源頻率成比例之速度旋轉的磁場，藉此使一個轉子或多個轉子旋轉，導致永久磁體產生磁場。有利地，可以改變磁場且因此調整馬達產生之扭矩的方式來控制供應給繞組之電流。

電子變速器為捲線機之控制/命令系統的部分，該控制/命令系統亦包括處理單元，該處理單元耦接或整合至該變速器以特別是根據捲線機之位置及工作階段來控制馬達。

該控制/命令系統進一步包括感測器，該等感測器適於量測流過馬達之繞組的電流。

該處理單元包括至少一個處理器及一記憶體，該至少一個處理器經組態以實施考慮了特別是由感測器供應之輸入資料的計算演算法，執行該等演算法需要用到的參數記錄在該記憶體中。

在一些實施例中，該處理單元直接整合至該變速器中；在其他實施例中，該處理單元整合至在變速器(例如捲線器連接至之機器的變速器)外部的可程式化邏輯控制器中。

該處理單元及該變速器可配置在位於捲線機附近之櫃子內部。

如此一個直接驅動馬達或一組直接驅動馬達的優點為可允許避免使用任何傳動元件，諸如齒輪箱，因此克服此類齒輪箱產生之所有問題，諸如特別是齒輪箱之任何故障及操作間隙以及因為其良率導致之損失。

此外，在此類馬達中，轉子與定子1之間無接觸。因此無機械磨損，如此得到極好之可靠性及長的使用壽命。

另一方面，如此一個馬達或一組馬達使得可產生比當前之不同步馬達技術大得多的短持續時間之扭矩，此是重要的，因為可減少緊急情況下捲線機之制動持續時間(在馬達之恒定功率下)或在短時間內(通常小於5秒)更快地傳遞到捲線機之供應點以上，此需要與通常使用中產生之扭矩相比較強之過扭矩。

此外，根據本發明之捲線機受益於捲盤之大尺寸以允許配置大量之永久磁體，且將該等磁體放置於離軸線X很遠處，以便產生所要扭矩。

例如，通常有約1.5 m之直徑可用於配置磁體。捲盤之旋轉速度通常為約30 rpm，但可大體上包括明確而言為零與100 rpm之間的速度。藉由馬達產生之扭矩可達到8000 Nm。

如圖3至圖10中可見，就繞組之大小及/或數量以及永久磁體之大小而論，根據本發明之捲線機架構促成了一定程度之模組化。

因此，在圖3之實施例中，定子1包括具有高度h1之繞組10，繞組之頂部在徑向上與軸線X相距距離d，且磁體11之高度實質上等於繞組之總厚度，該等磁體面朝繞組配置。

在圖4之實施例中，定子1包括繞組10，該等繞組之高度h2小於h1。較佳地，繞組之頂部在徑向方向上與軸線X相距之距離與圖3之繞組相同，且磁體11之寬底所處之位置與軸線X相距之距離與圖3之轉子的磁體相同，以便最大化所產生之扭矩。

在圖5之實施例中，定子1包括繞組10，該等繞組之高度h3小於h2。較佳地，繞組之頂部在徑向方向上與軸線X相距之距離與圖3及圖4之繞組相同，且磁體11之寬底所處之位置與軸線X相距之距離與圖3及圖4之轉子的磁體相同，以便最大化所產生之扭矩。

可根據可用空間及特別是捲盤之尺寸來調整磁體及繞組相對於軸線X之位置。

視情況地可藉由使每個磁體形成為兩個或更多個在徑向方向上並置之梯形部分的形式來產生一定程度之模組化，該等梯形部分之高度的和形成磁體之總高度。

視應用而定，可藉由使用梯形部分之總成形成最大高度之磁體，或藉由僅使用該等梯形部分之一部分且藉由將該等部分配置成冠部來形成最小或中等高度之磁體。

自然地，所示之實施例僅為了說明而給出；熟習此項技術者可根據應用及扭矩及所需之速度為繞組使用任何其他匝數且因此確定磁體之大小及數量。此外，對於一或多個轉子41、42與軸3成一體(諸如圖6至圖10中所示)的實施例，熟習此項技術者可以相同方式調整繞組101-104之匝數及確定磁體111-114之大小及數量。此外，在此類實施例中，對於由轉子及定子1之表面形成的若干馬達51-54，繞組101-104之匝數的大小及數量及磁體111-114之數量可為不同或相同的。

此外，雖然本說明書係參考軸向通量馬達而給出，但根據替代實施例，馬達可為徑向通量馬達。在此實施例中，轉子將包括與承載永久磁體之心軸20成一體的鼓，且定子1將承載繞組，其中三相電源使磁場徑向取向。磁體可放置於繞組內部或外部。

1:定子 2:捲盤 3:軸 10,101-104:繞組 11:永久磁體 20:心軸 22:內部套圈 24:盤體 30:軸承 21a,21b:側臂 23a,23b: 41,42:轉子 51-54:馬達 100:電薄片 111-114:磁體

參看附圖，本發明之其他特性及優點將在以下詳細描述中顯而易見，其中： - 圖1為根據本發明之一實施例的捲繞/解繞裝置的概圖； - 圖2為圖1之捲繞/解繞裝置的截面圖； - 圖3為根據馬達之第一實施例的圖1之捲繞/解繞裝置的透視圖，具有馬達之部分截面圖； - 圖4為與圖3之視圖類似的視圖，具有馬達之第二實施例； - 圖5為與圖3及圖4之視圖類似的視圖，具有馬達之第三實施例； - 圖6為根據本發明之另一個實施例的捲繞/解繞裝置的截面圖； - 圖7為根據本發明之另一個實施例的捲繞/解繞裝置的透視圖，具有定子之部分截面圖； - 圖8為與圖7之視圖類似的視圖，具有兩個並置馬達； - 圖9為與圖7及圖8之視圖類似的視圖，具有三個並置馬達； - 圖10為與圖7至圖9之視圖類似的視圖，具有四個並置馬達。

僅示出描述捲線機需要用到之元件。各圖中相同之元件符號表示相同或實現相同功能的元件，因此將無需再次進行詳細描述。

1:定子

3:軸

10,101:繞組

11:永久磁體

21a,21b:側臂

22:內部套圈

24:盤體

30:軸承

100:電薄片

Claims (10)

1. 一種用於捲繞/解繞鏈接件之裝置，該鏈接件適於輸送一流體或傳輸能量及/或信號，該裝置包括： 一捲盤(2)，該捲盤適於收納呈捲繞形式之該鏈接件， 一空心通軸(3)，該空心通軸適於在一旋轉接頭與該捲盤之間傳遞該鏈接件或流體，該空心通軸(3)與該捲盤(2)成一體以便驅動該捲盤繞著該空心通軸之一縱軸線(X)旋轉， 至少一個永久磁體同步直接驅動的同步馬達，該至少一個同步馬達包括：一定子，該定子承載適於被三相供電之數個繞組(10)；及一轉子，該轉子承載面向該定子之該等繞組(10)的數個永久磁體(11)。
2. 如請求項1所述之裝置，其中該至少一個同步馬達之至少一個轉子由該捲盤(2)之一中心盤體(24)形成。
3. 如請求項1所述之裝置，其中該至少一個同步馬達之至少一個轉子(41, 42)與該空心通軸(3)剛性地成一體。
4. 如請求項3所述之裝置，其中該等永久磁體配置成穿過該至少一個轉子(41)，使得每個永久磁體具有一北面在該轉子(41, 42)之一側且具有一南面在同一個轉子(41, 42)之相對側。
5. 如請求項1至4中任一項所述之裝置，其中每個永久磁體(11)具有一梯形形狀，每個永久磁體之高度相對於該縱軸線(X)徑向地延伸。
6. 如請求項5所述之裝置，其中該等永久磁體(11)並置以便形成一冠部。
7. 如請求項6所述之裝置，其中該等永久磁體(11)之該冠部之徑向延伸部實質上等於該等繞組(10)之高度。
8. 如請求項1至7中任一項所述之裝置，其中該馬達為一軸向通量馬達。
9. 如請求項1至8中任一項所述之裝置，該裝置進一步包括一電子變速器，該電子變速器適於改變該定子之該等繞組的供應電流。
10. 如請求項9所述之裝置，該裝置進一步包括：一旋轉接頭，該旋轉接頭耦接至該空心通軸(3)的與該捲盤(2)相對之一端；及一控制/命令系統，該控制/命令系統包括一處理單元，該處理單元耦接或整合至該電子變速器以特別是根據該捲線機之位置及工作階段來控制每個馬達。

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