CN111052563B - 电机*** - Google Patents

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Abstract

一种电机，包括定子(101)和转子(104)。定子包括框架结构(102)和在框架结构的内部的电磁作用部(103)。转子包括轴(105)和电磁作用部(106)，该电磁作用部(106)用于与定子的电磁作用部协作以产生扭矩。电机包括在框架结构的内部的轴承(107至109)，该轴承(107至109)布置成用以支撑转子以能够相对于定子旋转。用于支撑轴的磁轴承模块(110)附接到框架结构的外表面，使得框架结构和磁轴承模块在轴向上是连续的。磁轴承模块是能够从框架结构无损地拆卸的可替换部件。因此，通过选择合适的磁轴承模块，能够使电机适应于不同的机械负载。

Description

电机***
技术领域
本公开总体上涉及旋转电机。更特别地，本公开涉及一种能够适应于不同机械负载的电机***。此外，本公开还涉及用于实现电驱动器的产品组。
背景技术
在电机被连接至工作机的电驱动器中，工作机可以将静态和/或时变的轴向和/或径向力引导至电机的轴。工作机例如可以是压缩机、涡轮机、泵或者由电动马达运行的或使发电机运行的其它机械装置。被引导至电机的轴的上述轴向和/或径向力取决于工作机的性能。因此，具有相同机械功率的不同的工作机可以将显著不同的径向和/或轴向力引导至所连接的电机的轴。因此，电机的轴承需要适合于承载不同的静态和/或时变的径向和/或轴向力，使得电机与不同的工作机兼容。
在与包括磁轴承的电机结合时，上述要求可能具有挑战性。特别是在高速应用中，具有足够功率用于不同工作机的电机通常不直接适合于使这些工作机中的每一个工作机运行，因为对于被引导至电机的轴的静态和/或时变的轴向和/或径向力而言，在这些工作机之间可能存在显著差异。因此，经常需要将工作机和设有磁轴承的高速电机完全集成。这样的完全集成可能是困难的，并且对完全集成的需求甚至可能成为磁轴承技术在市场上更广泛应用的障碍。
发明内容
下文呈现了简化的概述，以便提供对各种发明实施例的一些方面的基本理解。该概述不是本发明的全面概览。它既不旨在标识本发明的关键或重要元素，也不旨在限制本发明的范围。以下概述仅以简化形式呈现了本发明的一些概念，作为对本发明的示例性实施例的更详细描述的序言。
根据本发明，提供了一种新型的电机***，其能够用作马达或发电机。根据本发明的电机***包括电机，该电机包括：
-定子，该定子包括框架结构和在框架结构的内部的电磁作用部，
-转子，该转子包括轴和电磁作用部，该电磁作用部与定子的电磁作用部协作产生扭矩，以及
-轴承，该轴承用于支撑转子以能够相对于定子旋转，该轴承在框架结构的内部。
电机***还包括磁轴承模块，该磁轴承模块被布置成用以支撑轴并且被附接到框架结构的外表面，使得框架结构和磁轴承模块在轴向上是连续的。磁轴承模块是能够从框架结构无损地拆卸的可替换部件。因此，通过选择合适的磁轴承模块，能够使电机适应于不同的工作机。电机的上述轴承可以包括例如磁轴承。然而，上述类型的磁轴承模块也可以用于适配具有除磁轴承以外的轴承(例如气轴承)的电机，以与工作机兼容。
根据本发明，还提供了一种用于实现电驱动器的新产品组。根据本发明的产品组包括电机，该电机包括：
-定子，该定子包括框架结构和在框架结构的内部的电磁作用部，
-转子，该转子包括轴和电磁作用部，该电磁作用部与定子的电磁作用部协作产生扭矩，以及
-轴承，该轴承用于支撑转子以能够相对于定子旋转，该轴承在框架结构的内部。
该产品组还包括：
-第一磁轴承模块，该第一磁轴承模块用于支撑轴并且能够附接到上述框架结构的外表面，使得框架结构和磁轴承模块在轴向上是连续的并且能够从彼此无损地拆卸。
-至少一个第二磁轴承模块，所述至少一个第二磁轴承模块用于支撑轴并且能够附接到框架结构的外表面上与第一磁轴承模块相同的位置，使得框架结构和第二磁轴承模块在轴向上是连续的并且能够从彼此无损地拆卸，第二磁轴承模块具有产生力的磁性元件，该磁性元件的尺寸被设计成与第一磁轴承模块的对应的产生力的磁性元件的尺寸不同。
在所附的从属权利要求中描述了本发明的示例性且非限制性的实施例。
当结合附图阅读以下对具体示例性且非限制性的实施例的描述时，将最佳地理解本发明的各种示例性且非限制性的实施例及其构造和操作方法以及其附加的目的和优点。
动词“包含”和“包括”在本文件中用作开放的限制，既不排除也不要求未叙述的特征的存在。除非另有明确说明，否则从属权利要求中所叙述的特征可以相互自由组合。此外，应当理解，在整个文件中，“一”或“一个”的使用(即单数形式)并不排除多个。
附图说明
下面以示例的方式并参考附图更详细地解释本发明的示例性且非限制性的实施例及其优点，在附图中：
图1示出了根据本发明的示例性且非限制性的实施例的电机***，并且
图2a和图2b示出了根据本发明的示例性且非限制性的实施例的用于实现电驱动器的产品组。
具体实施方式
以下描述中所提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则描述中所提供的示例的列表和组并不是穷举性的。
图1示出了根据本发明的示例性且非限制性的实施例的电机***的示意性截面图。截面平面与坐标系199的yz平面平行。电机***包括电机100，该电机100包括定子101和转子104。定子101包括框架结构102和框架结构102内部的电磁作用部103。电磁作用部103可以包括例如铁磁芯结构和安装在铁磁芯结构的狭槽中的多相绕组。转子104包括轴105和电磁作用部106，该电磁作用部106用于与定子的电磁作用部103协作产生扭矩。转子104的电磁作用部106可以包括例如永磁体、绕线绕组、笼形绕组和/或其它导电结构以及/或者提供凸极的铁磁结构。因此，电机100可以是例如电激励同步机、永磁机、感应机或磁阻机。在图1中所示的示例性情况中，电机100的轴105借助于联接器123联接到工作机124。工作机124可以是例如压缩机、涡轮机、泵，或者是当电机作为马达运作时由电机100运行的或者当电机作为发电机运作时使电机100运行的一些其它机械装置。
电机100包括位于定子101的框架结构102内部的轴承107、108和109。轴承107至109被布置成用以支撑转子104以能够相对于定子101旋转。在该示例性电机100中，轴承107和108是径向磁轴承，其在轴向方向上位于转子的电磁作用部106的相反侧。轴承109是包括转子盘120的轴向磁轴承。电机100还包括位置传感器117和118，用于产生位置信号，该位置信号指示轴向方向和径向方向上转子104相对于参考位置的位置。轴向方向平行于坐标系199的z轴。根据示例性且非限制性的实施例的电机***的电机也可以包括与图1中所示的磁轴承不同的磁轴承。磁轴承可以包括例如锥形磁轴承。有利地，电机100还包括着陆轴承，例如球轴承或滑动轴承，用于在磁轴承故障的情况下承载转子。着陆轴承未在图1中示出。此外，根据示例性且非限制性的实施例的电机***的电机还可以包括除磁轴承以外的一些其它轴承，例如气轴承。
电机***还包括磁轴承模块110，该轴承模块110被布置成用以支撑轴105并且被附接到电机100的框架结构102的外表面，使得框架结构和磁轴承模块在轴向上是连续的。磁轴承模块110是可替换的部件，其能够从框架结构102无损地拆卸。因此，通过选择合适的磁轴承模块，电机100能够适应于不同的工作机。磁轴承模块110可以包括一个或多个着陆轴承，例如球轴承或滑动轴承，用于在磁轴承模块110的磁轴承发生故障的情况下承载轴。着陆轴承未在图1中示出。在示例性电机100中，框架结构102包括：管状部111，该管状部111包围定子的电磁作用部103；和端罩112，该端罩112被附接到管状部，并且具有用于轴105的孔。如图1中所示，磁轴承模块110被附接到端罩112。
在图1中所示的示例性电机***中，磁轴承模块110包括径向磁轴承113和具有转子盘115的轴向磁轴承114。此外，磁轴承模块110包括位置传感器116，该传感器116用于产生位置信号，该位置信号指示轴相对于固定到磁轴承模块的参考位置的径向位置和/或轴相对于固定到磁轴承模块的参考位置的轴向位置。
包括图1中所示的电机***的电驱动器包括控制器***130，该控制器***130用于基于由位置传感器116、117和118产生的位置信号来控制磁轴承107至109、113和114。可以根据多变量控制来控制磁轴承模块110的磁轴承和电机100的磁轴承，使得在磁轴承模块110的悬浮控制回路和电机100的悬浮控制回路之间存在连接。磁轴承模块110也可以由其自己的与电机100的悬浮控制回路分开的悬浮控制回路来控制。有利地，以协调的方式控制磁轴承模块110的磁轴承和电机100的磁轴承，以避免例如磁轴承模块110的径向和/或轴向磁轴承作用在电机100的径向和/或轴向磁轴承上的情况。除了由工作机124将轴承力引导至轴105之外，磁轴承模块110还可以用于衰减轴的有害振动。如果不应该由于磁轴承单元110而改变对电机100的磁轴承107至109的控制，则可以对所有磁轴承使用协调的多变量控制或对磁轴承单元110使用单独的控制来进行减振。在图1中，示出了以与磁轴承107至109的控制分开的方式控制磁轴承单元110的示例性情况，其中具有用于控制磁轴承单元110的第一控制器130a和用于控制电机100的磁轴承107至109的第二控制器130b。
控制器***130(即控制器130a和130b)的实现可以基于一个或多个模拟电路、一个或多个数字处理电路或其组合。每个数字处理电路可以是：设有适当软件的可编程处理器电路；专用硬件处理器，例如专用集成电路“ASIC”；或可配置硬件处理器，例如现场可编程门阵列“FPGA”。此外，控制器***130(即控制器130a和130b)可以包括一个或多个存储器电路，每个存储器电路可以是例如随机存取存储器“RAM”电路。
图2a示出了根据本发明的示例性且非限制性的实施例的用于实现电驱动器的产品组。该产品组包括电机200和磁轴承模块210a、210b和210c。磁轴承模块210a至210c中的每一个磁轴承模块能够附接到电机200，使得电机200和磁轴承模块在轴向上连续且能够从彼此无损地拆卸。在图2a中，以示意性截面图示出了电机200和磁轴承模块210a至210c，其中，截面平面与坐标系299的yz平面平行。电机200包括定子201和转子204。定子201包括框架结构202和位于框架结构的内部的电磁作用部203。转子204包括轴205和电磁作用部206，该电磁作用部206用于与定子的电磁作用部203协作产生扭矩。电机200包括径向磁轴承207和208以及轴向磁轴承209，其用于支撑转子201以能够相对于定子204旋转。磁轴承207至208位于框架结构202的内部。在该示例性情况中，上述框架结构202包括：管状部211，该管状部211包围定子的电磁作用部203；以及端罩212，该端罩212被附接至管状部211，并且具有用于轴205的孔。每个磁轴承模块210a至210c被附接至端罩212。
如图2a中所示，磁轴承模块210a至210c具有不同的产生力的磁性元件。因此，通过选择磁轴承模块210a至210c中的合适的一个磁轴承模块，能够使电机200适应不同的要求。磁轴承模块210a包括径向磁轴承和用于产生位置信号的位置传感器，该位置信号指示轴205在磁轴承模块210a的轴向覆盖区域中的径向位置。位置传感器可以例如是电感式传感器。此外，磁轴承模块210a包括转子元件240，该转子元件240例如可以以热干涉配合的方式绕着轴205组装。有利地，转子元件240包括层叠部，该层叠部由在轴向上堆叠的电绝缘铁磁片构成。与实心钢相比，层叠部减少了涡流，该涡流会导致功率损耗并干扰径向磁轴承的运行以及电感式位置传感器的运行。磁轴承模块210b包括锥形磁轴承219和用于产生位置信号的位置传感器，该位置信号指示轴205在磁轴承模块210a的轴向覆盖区域中的径向位置以及轴205的轴向位置。磁轴承模块210b适合于外部机械***将单向轴向力引导到轴205的情况。磁轴承模块210c包括径向磁轴承，该径向磁轴承在轴向上比磁轴承模块210a的径向磁轴承长。磁轴承模块210c不包括位置传感器，并且假定将由电机200的位置传感器产生的位置信号用于磁轴承模块210c的控制。值得注意的是，磁轴承模块210a至210c仅是示例，并且根据本发明的示例性实施例的产品组可以包括与磁轴承模块210a至210c不同的磁轴承模块。
根据本发明的实施例的产品组的磁轴承模块可以具有定子部，该定子部包括能够彼此附接以包围轴的至少两个部段。因此，能够在不需要轴的自由端的情况下安装磁轴承模块的定子部。在图2a中所示的产品组中，磁轴承模块210c的定子部包括能够彼此附接以包围轴205的两个部段。图2b示出了当沿坐标系299的z轴正方向观察时的磁轴承模块210c。在图2b中，磁轴承模块210c的部段由附图标记221a和221b表示。在图2b中用虚线A-A描绘与图2a有关的截面平面。自然地，磁轴承模块210a和201b也可以具有上述类型的部段结构。
上文给出的描述中所提供的具体示例不应被解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则上文给出的描述中所提供的示例的列表和组不是穷举性的。

Claims (9)

1.一种用于实现电驱动器的产品组，所述产品组包括电机(200)，所述电机(200)包括：
-定子(201)，所述定子(201)包括框架结构(202)和在所述框架结构的内部的电磁作用部(203)，
-转子(204)，所述转子(204)包括轴(205)和电磁作用部(206)，所述电磁作用部(206)用于与所述定子的所述电磁作用部协作以产生扭矩，以及
-轴承(207-209)，所述轴承(207-209)用于支撑所述转子以能够相对于所述定子旋转，所述轴承在所述框架结构的内部，
其特征在于，所述产品组还包括：
-第一磁轴承模块(210a)，所述第一磁轴承模块(210a)用于支撑所述轴并且能够附接到所述框架结构的外表面，使得所述框架结构和所述磁轴承模块在轴向上是连续的并且能够从彼此无损地拆卸，以及
-至少一个第二磁轴承模块(210b，210c)，所述至少一个第二磁轴承模块(210b，210c)用于支撑所述轴，并且能够附接到所述框架结构的所述外表面上的与所述第一磁轴承模块相同的位置，使得所述框架结构和所述第二磁轴承模块在轴向上是连续的并且能够从彼此无损地拆卸，所述第二磁轴承模块具有产生力的磁性元件，所述磁性元件的尺寸设计为不同于所述第一磁轴承模块的对应的产生力的磁性元件，并且
其中，所述第一磁轴承模块(210a)和所述至少一个第二磁轴承模块(210b，210c)一次只能有一个被附接到所述框架结构的外表面上的所述位置。
2.根据权利要求1所述的产品组，其中，所述框架结构包括：管状部(211)，所述管状部(211)包围所述定子的所述电磁作用部；和端罩(212)，所述端罩(212)附接到所述管状部并且具有用于所述轴的孔，并且所述第一磁轴承模块和所述第二磁轴承模块中的每一个能够附接到所述端罩。
3.根据权利要求1或2所述的产品组，其中，所述磁轴承模块(210a，210c)中的至少一个包括径向磁轴承。
4.根据权利要求1或2所述的产品组，其中，所述磁轴承模块(110)中的至少一个包括具有转子盘的轴向磁轴承。
5.根据权利要求1或2所述的产品组，其中，所述磁轴承模块(210b)中的至少一个包括锥形磁轴承(219)。
6.根据权利要求1或2所述的产品组，其中，所述磁轴承模块(210c)中的至少一个的定子部包括至少两个部段(221a，221b)，所述至少两个部段(221a，221b)能够彼此附接以包围所述轴，并且使得能够在不需要所述轴的自由端的情况下安装所述磁轴承模块的所述定子部。
7.根据权利要求1或2所述的产品组，其中，所述磁轴承模块(210a，210b)中的至少一个包括位置传感器，所述位置传感器用于产生指示以下的至少一项的位置信号：所述轴相对于固定到所述磁轴承模块的径向参考位置的径向位置；所述轴相对于固定到所述磁轴承模块的轴向参考位置的轴向位置。
8.根据权利要求1或2所述的产品组，其中，在所述框架结构的内部的所述轴承(207-209)包括第一磁轴承和第二磁轴承，所述第一磁轴承和所述第二磁轴承在轴向方向上位于所述转子的所述电磁作用部的相反侧上。
9.根据权利要求1或2所述的产品组，其中，所述电机的轴承包括磁轴承，所述产品组包括：第一控制器(130a)，所述第一控制器(130a)用于控制所述磁轴承模块中的一个磁轴承模块，以衰减所述轴的振动；和第二控制器(130b)，所述第二控制器(130b)用于在所述磁轴承模块中的所述一个磁轴承模块被附接到所述框架结构的外表面上的所述位置的情况下控制所述电机的所述磁轴承。
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