TWI426686B - 發電機-制動集成型旋轉機器 - Google Patents

Description

發電機-制動集成型旋轉機器

本發明涉及一種發電機-制動集成型旋轉機器，尤其是涉及一種能夠利用外部旋轉動能產生的電力獲得制動力的發電機-制動集成型旋轉機器。

通常，要求制動力的設備中需要考慮下面的因素。首先，該制動力必須沒有波動。第二，在相同設定值下應獲得相同的制動力。第三，設備必須具有慣性力。第四，制動應在無聲方式下執行。

同時，透過兩個相對運動的物體之間的機械摩擦獲得制動力的設備具有下面所述的問題。也就是，摩擦熱產生，摩擦表面不均勻地磨損，以及制動力由於物理性質的改變而改變。

為處理這些問題，近來，對於採用渦流產生制動力的設備的研究已經展開。在採用渦流的情況下，涉及波動、磨損、噪音等的問題可以得到解決。然而，由於渦流產生的制動力相對於電流、速度、溫度、物理性質等是非線性的，因此，難以控制制動力。

為此，採用渦流產生制動力的設備目前只在簡單應用中採用。

例如，揭示於美國專利6,084,325中帶有發電和渦流磁阻組合的制動設備具有可以旋轉的圓盤，配置在該圓盤外面的制動軛和配置在該圓盤裏面的發電機，從而制動力可以透過自生方式提供而無需採用外部電源。

然而，在揭示於美國專利6,084,325之帶有發電和渦流磁阻組合的制動設備中，用於產生渦流的螺線管配置在圓盤外面，而發電機配置在圓盤裏面。在這種情況下，儘管制動力可以最大化，氣隙卻可能由於加工誤差和組裝誤差而發生改變。另外，由於磁鐵附著於圓盤的熱產生部，磁鐵的特性易於隨著時間的流逝而惡化退化。因此，所導致缺點在於為抑制受熱導致的磁鐵特性改變，磁鐵的尺寸增加。進而，由於在制動設備中沒有進行慣性補償，因此，所造成另一缺點是圓盤的尺寸顯著地增加。而且，由於只使用一個螺線管以獲得充足力矩，因此，螺線管中產生的熱的溫度可能過分地增加，並因電流會隨著螺線管溫度的上升發生改變而很難穩定地控制力矩。此外，由於螺線管軛配置在一側，因此，力集中地施加於一側上。因此，用於支撐軸的軸承的功能性可能下降，軸承的有效使用壽命可能縮短。

在另外一個例子中，自主產生制動的裝置揭示於美國專利6,581,731中，該裝置具有螺線管軛，其中用於制動的螺線管和用於發電機的螺線管互相集成在芯上。由於該自主產生制動的裝置是芯集成型，因此，在其製造過程中可以減少誤差。然而，制動和發電機的螺線管並非在圓周方向上以規則角度間隔配置。由於這個原因，在發電中需要用許多磁鐵，並且在發電過程中力矩波動增加。而且，由於用於制動的螺線管配置在軛的裏面，因此，由渦流產生的制動力矩的大小顯著下降。因此，為防止制動力矩下降，需要具有大量匝數的線圈。

在另一個例子中，發電組和調節驅動機構相組合的磁控載入設備揭示於美國專利7,018,324中，金屬導體中產生的渦流量隨著金屬導體和永久磁鐵之間的距離的減小而增加，從而可以提高制動力。該設備採用壓縮彈簧來將磁片推向飛輪。

然而，由於壓縮彈簧的彈性隨著時間的流逝而改變，金屬導體和永久磁鐵之間的氣隙在馬達的單一旋轉過程中可能變化，從而制動力可能改變。此外，由於氣隙的長度和制動力的大小具有非線性關係，導致有難以控制制動的缺點。

相應地，本發明旨在解決發生在相關技術中的問題，本發明的目的是提供一種發電機-制動集成型旋轉機器，其中發電機側軛和制動側軛是集成構建的，從而使該旋轉機器的尺寸下降，並減小機械誤差。

本發明的另一目的在於提供一種發電機-制動集成型旋轉機器，其中轉子和圓盤相互盡可能遠地彼此分開，從而可以使因渦流而產生的熱對配置在該轉子上的磁鐵的影響最小化。

本發明的還一目的在於提供一種發電機-制動集成型旋轉機器，其中由徑向磁場力產生的力向量為零，從而，由線圈溫度升高而引起的制動特性的改變可以得到抑制。

為實現上述目的，根據本發明的一個態樣，提供一種發電機-制動集成型旋轉機器，其包括：慣性圓盤，結合到用於旋轉的軸上；轉子環，環繞著該軸在該慣性圓盤裏面旋轉，並具有多個安裝到其圓周的外表面的磁鐵；以及層壓軛，配置在該慣性圓盤和轉子環之間，並具有多個在其圓周外表面上以規則角度間隔分佈的制動線圈和多個在其圓周內表面上以規則角度間隔分佈的發電機線圈，其中多個發電機線圈各自纏繞在多個從該層壓軛的圓周內表面向內突出的第一線軸上，多個制動線圈各自纏繞在多個從該層壓軛的圓周外表面向外突出的第二線軸上，並且其中該層壓軛固定地結合到定子保持架上，且該定子保持架透過軸承結合到該軸上並固定地結合到外殼上。

根據本發明的另一個態樣，至少兩個制動線圈配置在層壓軛的圓周外表面上。

根據本發明的另一態樣，所述制動線圈配置在具有“E”截面形狀的層壓軛的圓周外表面上。

根據本發明的再一態樣，旋轉機器還包括：發電機線圈輸出部，與發電機線圈電連接；整流部，用於對從發電機線圈輸出部輸出的交流電壓進行整流；直流供電及控制部，用於將整流部的輸出電壓轉換為預定的電壓電平並產生用於補償慣性力矩的速度控制信號，以回應用戶的輸入；電流控制部，用於接收該整流部的輸出並控制輸出到制動線圈輸入部的電流強度，以回應速度控制信號；以及顯示部，用於與該直流供電及控制部通信並顯示旋轉速度。

根據本發明的又一態樣，直流供電及控制部包括：力矩加法器，用於將用戶輸入的力矩命令值和取決於慣性圓盤的旋轉速度的慣性力矩相加並輸出補償力矩；電流輸出單元，用於將從力矩加法器輸出的補償力矩轉換為電流命令；電流減法器，用於將從電流輸出單元輸出的電流命令與測量得到的實際電流相減；比例積分器，用於將來自電流減法器的補償電流按比例地積分，並將得到的值提供給制動線圈輸入部；旋轉脈衝發生器，用於測量慣性圓盤的旋轉速度，並以脈衝方式輸出旋轉速度值；微分器，用於對從旋轉脈衝發生器輸出的旋轉速度值進行微分；以及慣性力矩輸出單元，其用於對從微分器輸出的角速度與預定的係數相乘並輸出慣性力矩。

現在將更詳細參考本發明的較佳實施例，其例子顯示在附圖中。然而盡可能地，使用相同元件符號標示圖式及說明中相同或相似的部件。

第1圖是根據本發明一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的立體圖，第2圖是描述根據本發明一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的主要部分的分解立體圖，第3圖是該發電機-制動集成型旋轉機器的側面剖視圖，第4a圖是該發電機-制動集成型旋轉機器的左視圖，而第4b圖是該發電機-制動集成型旋轉機器的右視圖。

在根據本發明一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器中，慣性圓盤120結合到軸110上。在一個例子中，該慣性圓盤120可以透過裝配結合到該軸110上。在另外一個例子中，該慣性圓盤120可以採用鍵結合到該軸110上。如圖所示，在本實施例的一個例子中，轉子環170可以結合到慣性圓盤120上。在另外一個例子中，該轉子環170可以使用鍵直接結合到軸110上。這裏，該慣性圓盤120由金屬材料製成，該金屬材料可以透過渦流提高制動力。

帶輪100可以位在軸110的一端上。複數個磁鐵160以表面安裝方式附著於轉子環170的圓周外表面上。在本實施例中，磁鐵160可以包括鐵素體磁鐵。在該層壓軛130固定地結合到定子保持架180之狀態下，層壓軛130放置在慣性圓盤120和有磁鐵160附著於其上的轉子環170之間。該定子保持架180透過軸承107結合到軸110上並固定地結合到外殼190上。

在本實施例中，該層壓軛130包括複數個從其圓周內表面向內突出的第一線軸和多個從其圓周外表面向外突出的第二線軸。發電機線圈150纏繞在複數個第一線軸上，而制動線圈140纏繞在複數個第二線軸上。也就是說，複數個發電機線圈150以規則角度間隔分佈在該層壓軛130的圓周內表面，而複數個制動線圈140以規則角度間隔分佈在該層壓軛130的圓周外表面。另外，儘管在圖2中示出了六個制動線圈140，本發明不限於一個明確的線圈數。也就是說，只要用於產生渦流的電磁鐵線圈一致地以規則角度間隔分佈，制動線圈140可以為奇數個或偶數個。

第5圖是描述根據本發明一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的整個系統的方塊圖。

根據本發明一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的系統包括：發電機線圈輸出部151，用於整流從發電機線圈輸出部151輸出的交流電壓的整流部530；電流控制部540，用於接收整流部530的輸出，並控制輸出到制動線圈輸入部141的電流強度，以回應速度控制信號；直流供電及控制部520，用於將整流部530的輸出電壓轉換為預定的電壓電平，並回應用戶的輸入而產生速度控制信號；以及顯示部510，用於與控制部520通信並顯示旋轉速度。

根據本實施例，當外部旋轉力傳送到軸110並使軸110旋轉時，安裝到轉子環170上，並與軸110集成的磁鐵160和發電機線圈150之間進行磁相互作用並產生電。當發電機線圈150產生的電壓達到臨界點(threshold)時，控制部520和顯示部510被啟動。

第6圖是根據本發明一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的控制方塊圖。

根據本發明一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的系統包括：力矩加法器610，用於將用戶輸入的力矩命令值和取決於慣性圓盤120的旋轉速度的慣性力矩相加並輸出補償力矩；電流輸出單元620，用於將補償力矩轉換為電流命令；電流減法器630，用於將從電流輸出單元620輸出的電流命令與測量得到的實際電流相減；比例積分器640，用於將來自電流減法器630的補償電流按比例地積分，並將得到的值提供給制動線圈輸入部141；旋轉脈衝發生器650，用於測量慣性圓盤120的旋轉速度，並以脈衝方式輸出旋轉速度值；微分器660，用於對從旋轉脈衝發生器650輸出的旋轉速度值進行微分；以及慣性力矩輸出單元670，用於將從微分器660輸出的角速度與預定的係數相乘並輸出慣性力矩。

在該發電機-制動集成型旋轉機器的系統中，由於渦流產生的制動力的大小作為慣性圓盤的旋轉速度和流過制動線圈的電流的函數而被決定，因此，可透過測量這兩個要素控制制動力。

當假設發電機透過預定負載電流產生的預定力矩和由除制動器外的控制元件消耗的電力是常數時，透過測量流過制動器的電流，可以計算出發電機的力矩分量。該電流控制部540透過與外面的通信或回應於透過用戶介面設定的制動命令執行電流控制，結果，實現恒力矩控制。

同時，在從外部輸入的速度和慣性圓盤的旋轉速度之間具有差值情況下，會發生加速或減速，需要使用實際的慣量補償演算法。該慣量補償演算法是控制演算法，當圓盤的旋轉慣量設計為小於旋轉速度比率時，該演算法使得在實際運行條件下用戶感覺到相同的慣量。當減速發生、力矩從外部提供並用於維持旋轉運動時，該旋轉慣量用作預定的力矩係數。

第7圖是根據本發明另一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的正面剖視圖，而圖8圖是根據本發明另一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的側面剖視圖。

根據本發明另一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器包括軸承705、軸710、慣性圓盤720、層壓軛730、制動線圈740、發電機線圈750、磁鐵760、轉子環770、定子保持架780和外殼790。

根據本實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器與第1圖-第4圖中所示的實施例結構基本相似。然而，在第1圖-第4圖所示根據本發明一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器中，六個制動線圈140分佈在層壓軛130的圓周外表面上，在第7圖和第8圖所示根據本發明另一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器中，兩個制動線圈740分佈在層壓軛730的圓周外表面上。

在本實施例中，其上分佈有制動線圈740的該層壓軛730配置在慣性圓盤的圓周內表面上，同時具有“E”形剖面形狀，從而關於磁路上的磁通量的閉環長度可以減少，可以減小磁場損失。

在根據本發明實施的發電機-制動集成型旋轉機器中，由於發電機側軛和制動側軛是集成構建的，因此，旋轉機器的尺寸可以降低且機械誤差可以減小。在發電機側產生的磁通量不對制動力的均勻性施加實質影響。

另外，在根據本發明實施的發電機-制動集成型旋轉機器中，由於由渦流產生的制動力以熱能方式傳送到慣性圓盤上，因此，透過將轉子和慣性圓盤分離得盡可能遠，可以最小化由渦流產生的熱對配置在轉子上的磁鐵的影響。

進一步，在根據本發明實施的發電機-制動集成型旋轉機器中，透過一致地以規則角度間隔配置用於產生渦流的電磁鐵線圈，由於徑向磁場力的最終力向量變為零，因此，可抑制因線圈溫度上升而引起的制動特性的改變。

而且，在根據本發明實施的發電機-制動集成型旋轉機器中，由於能夠實現恒力矩控制，因此，實現制動的特性。

雖為例示而描述本發明的較佳實施例，熟於此技藝人士卻須知，在不悖離本發明的範圍和精神下，可如後附申請專利範圍所揭示，作各種修改、添加和替換。

100．．．帶輪

110．．．軸

120．．．慣性圓盤

130．．．層壓軛

140‧‧‧制動線圈

141‧‧‧制動線圈輸入部

150‧‧‧發電機線圈

151‧‧‧發電機線圈輸出部

160‧‧‧磁鐵

170‧‧‧轉子軸

180‧‧‧定子保持架

190‧‧‧外殼

510‧‧‧顯示部

520‧‧‧控制部

540‧‧‧電流控制部

610‧‧‧力矩加法器

620‧‧‧電流輸出單元

630‧‧‧電流減法器

640‧‧‧比例積分器

650‧‧‧旋轉脈衝發生器

660‧‧‧微分器

670‧‧‧慣性力矩輸出單元

705‧‧‧軸承

710‧‧‧軸

720‧‧‧慣性圓盤

730‧‧‧層壓軛

740‧‧‧制動線圈

750‧‧‧發電機線圈

760‧‧‧磁鐵

770‧‧‧轉子軸

780．．．定子保持架

790．．．外殼

參閱以下配合附圖所作具體說明，本發明之上述目的、其他特徵及優點將更加瞭然，其中：

第1圖是根據本發明一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的立體圖；

第2圖是描述根據本發明一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的主要部分的分解立體圖；

第3圖是該發電機-制動集成型旋轉機器的側面剖視圖；

第4a圖是該發電機-制動集成型旋轉機器的左視圖；

第4b圖是該發電機-制動集成型旋轉機器的右視圖；

第5圖是描述根據本發明一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的整個系統的方塊圖；

第6圖是根據本發明一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的控制方塊圖；

第7圖是根據本發明另一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的正面剖視圖；

第8圖是根據本發明另一個實施例實施的發電機-制動集成型旋轉機器的側面剖視圖。

100．．．帶輪

110．．．軸

120．．．慣性圓盤

130．．．層壓軛

140．．．制動線圈

141．．．制動線圈輸入部

150．．．發電機線圈

151．．．發電機線圈輸出部

160．．．磁鐵

170．．．轉子軸

180．．．定子保持架

Claims (8)

1. 一種發電機-制動集成型旋轉機器，其特徵在於，包括慣性圓盤，結合到用於旋轉的軸上；轉子環，繞著該軸在該慣性圓盤裏面旋轉，並具有複數個安裝到其圓周外表面的磁鐵；層壓軛，配置在該慣性圓盤和轉子環之間，並具有複數個在其圓周外表面上以規則角度間隔分佈的制動線圈和複數個在其圓周內表面上以規則角度間隔分佈的發電機線圈；發電機線圈輸出部，與該發電機線圈電性連接；整流部，用於對從該發電機線圈輸出部輸出的交流電壓進行整流；直流供電及控制部，用於將該整流部的輸出電壓轉換為預定的電壓電平並產生用於補償慣性力矩的速度控制信號，以回應用戶的輸入；電流控制部，用於接收該整流部的輸出並控制輸出到該制動線圈輸入部的電流強度，以回應該速度控制信號；以及顯示部，用於與該直流供電及該控制部通信並顯示旋轉速度，其中該複數個發電機線圈各自纏繞在複數個從該層壓軛的圓周內表面向內突出的第一線軸上，並且該複數個制動線圈各自纏繞在複數個從該層壓軛的圓周外表面向外突出的第二線軸上； 其中該層壓軛固定地結合到定子保持架上，且該定子保持架透過軸承結合到該軸上並固定地結合到外殼；以及其中該直流供電及控制部包括：力矩加法器，用於將用戶輸入的力矩命令值和取決於該慣性圓盤的旋轉速度的慣性力矩相加並輸出補償力矩；電流輸出單元，用於將從該力矩加法器輸出的補償力矩轉換為電流命令；電流減法器，用於將從該電流輸出單元輸出的電流指令與測量得到的實際電流相減；比例積分器，用於將來自該電流減法器的補償電流按比例地積分，並將得到的值提供給該制動線圈輸入部；旋轉脈衝發生器，用於測量該慣性圓盤的旋轉速度並以脈衝方式輸出旋轉速度值；微分器用於對從該旋轉脈衝發生器輸出的旋轉速度值進行微分；以及慣性力矩輸出單元，用於將從該微分器輸出的角速度與預定的係數相乘並輸出慣性力矩。
2. 如申請專利範圍第1項之旋轉機器，其中至少兩個制動線圈配置在該層壓軛的圓周外表面上。
3. 如申請專利範圍第2項之旋轉機器，其中，該制動線圈配置在具有“E”截面形狀的該層壓軛的圓周外表面上。
4. 如申請專利範圍第2項之旋轉機器，其中，該慣性圓盤透過裝配結合到該軸上。
5. 如申請專利範圍第2項之旋轉機器，其中，該慣性圓盤採用鍵結合到該軸上。
6. 如申請專利範圍第4或5項之旋轉機器，其中，該轉子環固定地結合到該慣性圓盤上。
7. 如申請專利範圍第4或5項之旋轉機器，其中，該轉子環固定地結合到該軸上。
8. 如申請專利範圍第4或5項之旋轉機器，其特徵在於，該等複數個安裝到該轉子環上的磁鐵是以表面安裝方式附著。