專利名稱：驅(qū)動(dòng)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由形成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配 置一個(gè)用于對(duì)運(yùn)動(dòng)部分上的負(fù)載供應(yīng)能量的能量傳輸系統(tǒng)，其中驅(qū)動(dòng)功能和能量傳輸功能 最大程度上互相獨(dú)立。
背景技術(shù)：
這樣的驅(qū)動(dòng)電機(jī)例如按照同步電機(jī)或異步電機(jī)的原理構(gòu)造并且可以用于直線或 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)由定子和運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子構(gòu)成。在一些應(yīng)用情況下，如在機(jī)床和工作母機(jī) 中，必需將電能(例如以機(jī)軸或轉(zhuǎn)軸形式的)傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子上。電能除了別的之外可以用于 安全裝置、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)(例如用于工具的張緊)的供電。需要合適的能量傳輸系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)中的能量傳輸。必須將這樣的能量傳輸系 統(tǒng)集成到驅(qū)動(dòng)電機(jī)中或者分離地構(gòu)造。例如，可以利用電耦合進(jìn)行電能到轉(zhuǎn)子上的傳輸。在此，例如可以使用簡單可靠的 滑環(huán)，然而需要極大的維護(hù)開銷。此外需要用于滑環(huán)的空間。電耦合的一種替換可能性是， 使用拖拽電纜。在此問題是可能的扭轉(zhuǎn)角受到限制和通過電纜的持續(xù)彎曲負(fù)荷導(dǎo)致電纜斷 裂的危險(xiǎn)。替換地，可以通過感應(yīng)耦合將電能傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子。電耦合的所述問題可以利用感應(yīng) 耦合來避免。在此，初級(jí)三相電流繞組(初級(jí)繞組)位于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定子上并且第二繞組 (次級(jí)繞組)位于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上。饋入裝置(例如頻率轉(zhuǎn)換器)將三相的電壓系統(tǒng)饋 入到初級(jí)繞組中。為了提高效率，將繞組布置在鐵磁的有效部件(Aktivteil)中或繞著鐵 氧體磁芯纏繞。如果除了要將電能傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子之外還需要驅(qū)動(dòng)，則將上面描述的感應(yīng)傳輸器例如 法蘭安裝在電機(jī)上。由此需要附加的空間。此外用于電機(jī)和傳輸器的兩個(gè)有效部件產(chǎn)生不 期望的高成本。為了避免這點(diǎn)，在DE102005024203A1中公知一種這類的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 和能量傳輸系統(tǒng)的電繞組安裝在共同的有效部件中，然而其中驅(qū)動(dòng)功能和能量傳輸功能互 相獨(dú)立。在此感應(yīng)地將能量傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子，由此能量傳輸和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的去耦合運(yùn)行是可能的。 設(shè)置兩個(gè)逆變器，其分別根據(jù)需要從共同的電壓中間電路或從分離的電壓中間電路獲得電 能。一個(gè)逆變器負(fù)責(zé)電機(jī)另一個(gè)逆變器負(fù)責(zé)能量傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其具有優(yōu)勢地?cái)U(kuò)展現(xiàn)有技術(shù)中 公知的驅(qū)動(dòng)電機(jī)并且以結(jié)構(gòu)上更簡單的方式將電能感應(yīng)地傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子上。本發(fā)明通過一種具有權(quán)利要求1的特征的驅(qū)動(dòng)電機(jī)解決上述技術(shù)問題。優(yōu)選的實(shí) 施方式在從屬權(quán)利要求中給出。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一種由形成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中配置用于對(duì)轉(zhuǎn)子上的負(fù)載供應(yīng)電能的能量傳輸系統(tǒng)，其中驅(qū)動(dòng)功能和能量傳輸功能最大程 度上互相獨(dú)立。在此，使用氣隙場中的分諧波的氣隙場分量(所謂的分諧波)，用于將電能 傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子繞組。本發(fā)明允許將能量傳輸集成在電機(jī)的有效部件，由此可以按照結(jié)構(gòu)上更簡單的方 式制造該電機(jī)。由此不需要附加的空間用于將電能傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子。此外還確保了，驅(qū)動(dòng)和能 量傳輸功能最大程度地互相去耦合。感應(yīng)的能量傳輸與基于滑環(huán)的解決方案相比確保了低 的成本和維護(hù)開銷。此外，通過感應(yīng)的能量傳輸，不產(chǎn)生電刷磨損，由此同樣減小了維護(hù)開 銷并且確保了高的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。不存在由于電刷換向或更換拖拽電纜帶來的停機(jī)費(fèi)用。同樣 消除了在使用拖拽電纜的情況下扭轉(zhuǎn)角受限制的缺點(diǎn)。按照本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電機(jī)允許任意的 扭轉(zhuǎn)角。此外，感應(yīng)的能量傳輸還可以應(yīng)用于有爆炸危險(xiǎn)的領(lǐng)域中。在一種合適的實(shí)施方式中，定子具有一個(gè)共同的有效部件，其包括一個(gè)用于驅(qū)動(dòng) 和能量傳輸功能的(共同的)定子繞組，電機(jī)電流系統(tǒng)和與電機(jī)電流系統(tǒng)重疊并且與之不 同的能量電流系統(tǒng)可以饋入其中。相對(duì)于在DE102005024203A1中描述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在定子 上僅需一個(gè)唯一的繞組，其既用于驅(qū)動(dòng)又用于能量傳輸功能。由此，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)可以更 緊湊和結(jié)構(gòu)上更簡單地構(gòu)造按照本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。按照另一個(gè)實(shí)施方式，定子繞組是鋸齒狀線圈繞組。鋸齒狀線圈繞組總是分?jǐn)?shù)槽 繞組。因此，定子繞組的槽數(shù)(Lochzahl)通過分?jǐn)?shù)(gebrochene Zahl)形成。分?jǐn)?shù)槽繞組 具有在氣隙場中也產(chǎn)生分諧波的特性。這樣的分諧波的氣隙場分量被用于將電能傳輸?shù)睫D(zhuǎn) 子繞組。轉(zhuǎn)子特別地包括用于驅(qū)動(dòng)功能的永久磁鐵和用于能量傳輸功能的轉(zhuǎn)子繞組。按照 該實(shí)施方式，電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基于永久激勵(lì)的同步電機(jī)，其中，如所解釋的，對(duì)于定子繞組僅 需要一個(gè)唯一的有效部件(例如，疊片鐵芯)，用于既提供驅(qū)動(dòng)又提供能量傳輸功能。按照另一個(gè)實(shí)施方式，轉(zhuǎn)子繞組的極對(duì)數(shù)相應(yīng)于氣隙場的分諧波的極對(duì)數(shù)。相反 地，這樣選擇永久磁鐵的極對(duì)數(shù)，使得其相應(yīng)于由定子繞組形成的極對(duì)數(shù)，理想地在最大可 能的繞組因數(shù)的情況下。由此可以提供更有效的驅(qū)動(dòng)。可以將永久磁鐵可選地設(shè)置在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的氣隙中或者埋藏在轉(zhuǎn)子中。為了產(chǎn)生電機(jī)電流系統(tǒng)和能量電流系統(tǒng)，變流器(例如變頻器)與定子繞組耦 合。與現(xiàn)有技術(shù)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)相反，在此唯一的變流器足以提供電機(jī)電流系統(tǒng)和能量電流 系統(tǒng)，由此可低成本地提供按照本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。合適地，能量電流系統(tǒng)與電機(jī)電流系統(tǒng) 相比，具有更高的頻率。雖然更高頻的能量電流系統(tǒng)導(dǎo)致擺錘式力矩，然而該擺錘式力矩由 電機(jī)的慣性衰減。在此在其頻率中這樣選擇優(yōu)選的低頻的電機(jī)電流系統(tǒng)，使得在轉(zhuǎn)子側(cè)的 “能量繞組”(轉(zhuǎn)子繞組)不會(huì)通過電機(jī)電流產(chǎn)生不期望的效果。當(dāng)電機(jī)電流不傳輸功率并 且能量電流不產(chǎn)生力矩時(shí)，就是這種情況。


以下借助附圖中的實(shí)施例詳細(xì)解釋本發(fā)明。其中，圖1示出了一種示意性的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
具體實(shí)施例方式唯一的圖1示出了一種示意性的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其中，按照本發(fā)明使用一個(gè)分諧波的 氣隙場，用于將電能傳輸?shù)津?qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。驅(qū)動(dòng)電機(jī)1包括定子2以及轉(zhuǎn)子3。該驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以用于直線或旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。能量 傳輸系統(tǒng)由定子2中的定子繞組4以及轉(zhuǎn)子3中的轉(zhuǎn)子繞組5構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過定子繞 組4和在轉(zhuǎn)子3中或之上的永久磁鐵6構(gòu)成。定子2和轉(zhuǎn)子3以公知的方式通過氣隙9互 相分離。定子繞組通過在圖中未示出的變流器連接到一相的或三相的電網(wǎng)。與轉(zhuǎn)子繞組5 連接了同樣未示出的電氣負(fù)載(耗電器)。負(fù)載例如可以是安全裝置、傳感器系統(tǒng)或執(zhí)行機(jī) 構(gòu)系統(tǒng)。可選地，可以在轉(zhuǎn)子繞組5和電氣負(fù)載之間設(shè)置電壓中間電路，其由整流器饋電。 其后可以連接升壓變壓器、降壓變壓器或逆變器。電壓中間電路本身被提供以在轉(zhuǎn)子繞組 5的端子上傳輸?shù)墓β?。如容易看出的，?qū)動(dòng)電機(jī)基于永久激勵(lì)的同步電機(jī)的原理，其中將電能感應(yīng)地傳 輸?shù)睫D(zhuǎn)子3。在此，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的特征是，對(duì)于定子繞組4僅需一個(gè)唯一的有效部件。 有效部件例如可以通過疊片鐵芯構(gòu)成。在該實(shí)施例中其攜帶按照鋸齒狀線圈技術(shù)構(gòu)造的三 相的定子繞組4。如下計(jì)算定子側(cè)的旋轉(zhuǎn)磁場繞組的槽數(shù)q
N ζq =--=—⑴‘
2-m · ρ η其中，N表示定子槽數(shù)，m表示相數(shù)并且ρ表示極對(duì)數(shù)。ζ是槽數(shù)的分子，η是槽數(shù) 的分母。m通常為3。因?yàn)殇忼X狀線圈繞組總是分?jǐn)?shù)槽繞組，所以槽數(shù)q表示一個(gè)分?jǐn)?shù)。本 發(fā)明利用對(duì)于分?jǐn)?shù)槽繞組的如下典型特征也能夠產(chǎn)生氣隙場中的分諧波的分量，因?yàn)榉?諧波的氣隙場分量(也稱為分諧波)被用于將電能傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)子3攜帶具有極對(duì)數(shù)pM的永久磁鐵6，其相應(yīng)于定子 繞組4的極對(duì)數(shù)pM。在此有意義的是，使用其繞組因數(shù)盡可能大的那些極對(duì)數(shù)Pm，以便實(shí)現(xiàn) 有效的驅(qū)動(dòng)。轉(zhuǎn)子繞組5的極對(duì)數(shù)Pe相應(yīng)于選擇的分諧波的極對(duì)數(shù)Pe。下標(biāo)“Μ”和“Ε”表 示驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的電機(jī)功能或能量功能。一般地如下計(jì)算由交流分?jǐn)?shù)槽繞組產(chǎn)生的極對(duì)數(shù)ν V = p + 2-m-^-g,g = 0，士 1，士2，士3，... 0)，
η其中，ν是出現(xiàn)的諧波的極對(duì)數(shù)，P是極對(duì)數(shù)，m是相數(shù)，η是等式(1)中的槽數(shù)q 的分母，g是諧波的順序參數(shù)。由定子繞組4產(chǎn)生的極對(duì)數(shù)pM被作為基本磁場極對(duì)數(shù)定義(參見附圖標(biāo)記7)。如 所解釋的那樣，其應(yīng)該對(duì)于有效的驅(qū)動(dòng)具有一個(gè)盡可能大的繞組因數(shù)。相應(yīng)于該極對(duì)數(shù)Pm 設(shè)計(jì)可以埋藏或設(shè)置在驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的氣隙9中的磁鐵6。轉(zhuǎn)子繞組5必須與定子繞組4的 分諧波耦合。相應(yīng)地選擇轉(zhuǎn)子繞組5的極對(duì)數(shù)Pe。通過開頭提到的變流器利用電機(jī)電流系 統(tǒng)對(duì)定子繞組饋電。附加地，通過該變流器對(duì)與電機(jī)電流系統(tǒng)重疊的更高頻的能量電流系 統(tǒng)饋電。由電機(jī)的轉(zhuǎn)子的慣性來衰減由更高頻的能量電流系統(tǒng)產(chǎn)生的擺錘式力矩。示例性的驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以按照如下構(gòu)造定子齒數(shù)N = 24，電機(jī)功能的極對(duì)數(shù)pM = 10，
5
相數(shù)m= 3。按照等式(1)得到定子繞組的槽數(shù)
N 24 2…qt ---== 7(3)‘
2-m-ρ 2-3-10 5按照等式⑵可以得到如下的極對(duì)數(shù)
6.10
權(quán)利要求
1.一種由形成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的定子(2)和轉(zhuǎn)子(3)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電機(jī)(1)，為該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配 置一個(gè)用于對(duì)轉(zhuǎn)子上的負(fù)載供應(yīng)能量的能量傳輸系統(tǒng)，其中，驅(qū)動(dòng)功能和能量傳輸功能最 大程度上互相獨(dú)立，其特征在于，使用分諧波的氣隙場分量，用于將電能傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子繞組(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其特征在于，所述定子(2)具有一個(gè)共同的有效部 件，其包括一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)和能量傳輸功能的定子繞組(4)，電機(jī)電流系統(tǒng)和與電機(jī)電流系統(tǒng) 重疊并且與之不同的能量電流系統(tǒng)饋入該定子繞組中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其特征在于，所述定子繞組(4)是鋸齒狀線圈繞組。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子(3)包括用于 驅(qū)動(dòng)功能的永久磁鐵(6)和用于能量傳輸功能的轉(zhuǎn)子繞組(5)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子繞組(5)的極 對(duì)數(shù)(Pe)相應(yīng)于氣隙場的分諧波的極對(duì)數(shù)(Pe)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其特征在于，這樣選擇所述永久磁鐵 (6)的極對(duì)數(shù)(pM)，使得其相應(yīng)于由定子繞組(4)形成的極對(duì)數(shù)(pM)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其特征在于，所述永久磁鐵設(shè)置在所 述驅(qū)動(dòng)電機(jī)(1)的氣隙(9)中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其特征在于，所述永久磁鐵(6)被埋 藏在所述轉(zhuǎn)子(3)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至8中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其特征在于，變流器與所述定子繞組 (4)耦合，以產(chǎn)生電機(jī)電流系統(tǒng)和能量電流系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求2至9中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其特征在于，所述能量電流系統(tǒng)與 所述電機(jī)電流系統(tǒng)相比具有更高的頻率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由形成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的定子(2)和轉(zhuǎn)子(3)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電機(jī)(1)。為該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配置一個(gè)用于對(duì)轉(zhuǎn)子上的負(fù)載供應(yīng)能量的能量傳輸系統(tǒng)(5)，其中驅(qū)動(dòng)功能和能量傳輸功能最大程度上互相獨(dú)立。為了將電能傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子繞組(5)，使用分諧波的氣隙場分量。
文檔編號(hào)H02K11/00GK102067410SQ200980122903
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者格哈德·胡思, 馬庫斯·萊因哈德 申請(qǐng)人:西門子公司