专利名称：具备产生侧向力能力的电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有提供双重能力功能的组合磁性轴承的旋转电机，即具备产生转矩和磁浮转子的功能。
背景技术：
常规轴承，如滚动元件和油膜轴承所带来的缺点是，在需要更高转速和特别高可靠性的特定应用中都适应于交流方法。磁性轴承应用非接触技术执行与常规轴承相同的任务，但由于其有源特性而具备了很多优点。磁性轴承的有源特性是提供了控制转子振动、诊断和负载测量能力的更高水平(Knopse和Collins，1996)。其中具备以下优点减小摩擦、磨损和润滑；具备高速能力；能够在更高温度下运转；振动控制效力；以及更长使用寿命。
为了悬浮和定位转子，必须沿着五个轴，通常在每个转子端的两个垂直轴和沿转子旋转轴的第五个轴施加磁力。径向轴承负责在两个垂直轴的平面内悬浮轴。轴向轴承或推力轴承用于在两个方向抵消轴向力。它们的通常工作方式是通过将电流注入绕组中，从而产生净吸引力以最小化转子的偏移。反馈控制对于有源磁性轴承是必不可少的，因为它们本质上是不稳定的。传感器测量转子位置并且该信号通过抗混淆滤波器来消除高频噪声。控制器然后处理该被滤波信号并发送请求电流到反过来驱动这些绕组的功率放大器。
当考虑连同电机使用磁浮时，自然会考虑到无轴承或自轴承电机作为替代。无轴承电机是一种进步，它拥有磁性轴承和马达的能力以同时悬浮转子并产生转矩。无轴承马达与一种马达和轴承结构相比可以具有较短的轴，因此，有可能以较高速度进行工作。除了常规磁性轴承所拥有的优点以外，无轴承马达还拥有较少的部件，所以有可能减少生产的成本。
无轴承电机的早先设计包括使用单独的线圈组用于产生悬浮和转矩。因此，一组线圈是用于产生转矩的常规马达线圈，另一组线圈则已知为位置控制线圈。当在位置控制线圈中没有电流激励时，间隙中的磁通密度单独由马达线圈产生。为了产生侧向力，通过位置控制线圈的电流而故意地使间隙中的电机磁场不平衡。这使得在一定位置的磁通密度减少，而在直径方向上的相对位置上磁通增加。结果，净侧向力被施加到朝向较高磁通密度位置的转子上。通过进一步使得在其他磁极的间隙中的磁通密度不平衡，能够产生任意方向上的净侧向力。
通过马达或磁性轴承中的磁通产生的力被发现与磁通大小的平方成比例。在无轴承马达中，这些力作用穿过间隙。电动马达的有用设计实践产生了间隙中相对高的磁通密度，该间隙用于磁通的转矩产生部件。已知相对小量的剩余磁通就能够在局部的磁通大小平方的值中产生重大的差别。如果仔细选择剩余磁通的分布，则能够产生相当大的净侧向力。如果缺少磁通的任何基本转矩产生部件，就会常常发现所需用于施加侧向力的悬浮磁通的水平相当高些。
在任何情况下操作旋转无轴承马达时，使得转矩产生的磁通BTorq(□)是角度位置□围绕间隙的一定函数。为了讨论的目的，可以假设BTorq表示任何分割间隙的圆柱面上的磁通，其中该圆柱与电机轴是同心的。我们隐含假设该电机在某种意义上说是棱柱的，即通过电机法线到达转子轴的每一片都看起来相同。因此有可能设想无轴承旋转电机，该电机不是棱柱的，但是这里建立的原理需要在那些实例中进行一般化。在任何角度位置□，在概念化的圆柱上，在径向和圆周方向可能存在磁通，严格意义上说，我们应该使用两个量来表示切割圆柱表面的磁通。简而言之，假定磁通密度测量BTorq(□)表示在一定角度的方向、与半径的□方向上的磁通密度。对于所有角度 以下方程必须是成立的，对于至少一些角度 不等式也是成立的。
通常，但不是总这样，BTorq(□)具有相当正弦的形式BTorq(θ)≈BTorqMaxcos(NppTθ-ωt)在该表达式中，NppT为磁通的转矩产生部件的磁极对数量以及□为频率。
让用于悬浮目的的间隙中的剩余磁通分布表示为BLev(□)。因此间隙中的整个磁通分布为BTotal(θ)＝BTorq(θ)+BLev(θ)期望由悬浮磁场产生的剩余磁通分布使得转矩不发生改变。这通过以下保证∫02π(BTorq(θ)+BLev(θ))2.dθ=∫02π(BTorq(θ))2.dθ]]>如果BLev(□)的大小非常小于BTorq(□)的大小，那么通过简化更合理地满足上述即∫02πBTorq(θ).BLev(θ).dθ=0]]>
为了由悬浮磁场产生的剩余磁通分布引起一定的悬浮，需要∫02π(BTorq(θ)+BLev(θ))2.sin(θ)dθ≠0]]>或者∫02π(BTorq(θ)+BLev(θ))2.cos(θ)dθ≠0]]>在设计无轴承电机中主要优先将是至少一个上述积分的大小将基本上为给定BLev(□)的大小。
在转矩产生磁通的情况下，BTorq(□)具有上述给定的正弦波形，并发现最佳的悬浮磁场分布也近似于正弦即BLev(θ)≈BLevMax[a.cos(NPPLθ)+b.sin(NPPLθ)]其中NPPL＝NPPT±1。
一些类型的具有两组绕组的无轴承电机已获得专利。Williamson的美国专利第4792710号公开了一种构造多相无轴承电机的方法，其通过定子中单独的一组线圈在转子上施加非旋转的侧向力。其他线圈可能安排以任何方便的方式安排用于产生所需的悬浮磁场。该悬浮磁场作为主磁场在相同的位置和频率旋转并具有不同于2的磁极数量。
在Fukao等人的美国专利第5880550号中公开了一种具有抑制振动并控制转子阻尼能力的可变速电动发电机。该发明不需要在结构上修改定子，但是仅仅需要一个附加线圈绕在定子上。悬浮磁场还由于磁极对而不同于主电机磁场。Fukao等人的美国专利第5936370号公开了另一种具有位置控制线圈的旋转电机。它包括根据感应电压或电流以及旋转磁场的大小和速度来检测转子偏移的电路。
Chiba等人的美国专利第5955811号公开了一种在定子中具有位置控制线圈的高速旋转感应电机。该定子磁心具有四磁极定子线圈和两磁极位置控制线圈并且这些线圈被独立地缠绕。为了避免过热，设计转子的罩导体以使该导体和位置控制线圈之间的互电感为零。
Osama等人的美国专利第6034456号公开了一种具备简化制造技术的更紧凑无轴承电机。该发明还包括单独的缠绕在定子中的位置控制线圈。在一个实施例中，整个感应电机设备包括两个定子和两个转子部分和一个轴向轴承以实现稳定的悬浮。在另一个实施例中，两个转子整流子片相对于定子偏移以消除使用轴向磁性轴承。这种安排能够当绕组被激励时产生轴向力以阻碍转子的轴向运动。对于永磁和同步电机，由于在转子中不存在电流流动，所以可能使用从一个定子整流子片延伸到另一个定子整流子片的单个转子整流子片。
Nichols等人的美国专利第6049148号公开了一种用于半导体片加工的组合磁悬浮和旋转系统。因此，定子部件具有永磁以沿着垂直轴悬浮和被动地定位磁性不锈钢转子的中心。通过为定子位置控制线圈提供能量，控制线圈产生的磁通和永磁产生的DC磁通相互作用增强了有效的位置控制。当多相驱动线圈被激励时产生转矩。
Satoh等人的美国专利第6078119号公开了一种无轴承感应电机，它具有第二组线圈以悬浮鼠笼式的转子。间隙中的磁通分布通过积分在定子线圈中感应产生的抗电动的电压来检测。该发明存在的困难是当在衰减电平检测到低频分量时如何控制悬浮转子。为了代替和补偿衰减的磁通，为定子线圈提供了补偿电流。
应用两组线圈的目的是叠加间隙中的不同磁铁和磁极数量的两种磁场，以便同时产生转矩和悬浮。很明显这些无轴承电机具有较少的转矩能力并且成本效率不高。由于物理大小的缘故，总是不能方便地将附加线圈适应传统的马达。另外，如果定子是定制设计的磁心，则需要更多空间来容纳两组线圈，这将不可避免地增加电机的体积和产生的成本。
有可能利用仅仅一组线圈实现间隙中的均衡磁场分布，在线圈中不同幅度和相位关系的预定电流被提供给同一组线圈以产生叠加磁场，从而增加了转矩和悬浮。这种方法通常需要大量电力电子设备来驱动独立缠绕的定子线圈。这里，在电流的转矩和悬浮产生分量被注入端子线圈之前，它们在控制器中被电子相加。使用用于两种功能的一组单独的线圈是一种更加有效的解决方案，并且提供了向集成设计方向发展的重要概念。
已经提出了使用一组单独线圈的设计方案。Ohishi的美国专利第5237229号公开了一种应用旋转磁场的磁性轴承设备。在该设计方案中，缠绕在定子上的全部线圈由功率放大器的分离单元来独立地控制。转子具有安装于永磁的表面并且被连接到外部装置的驱动轴。通过连续地为线圈通电实现了悬浮，因此产生了旋转磁场以排斥和吸引转子上永磁的极性。
Preston等人的美国专利第5424595号公开了一种集成磁性轴承和开关磁阻的电机。定子磁极用分离的可激励相线圈缠绕并且每个线圈通过马达的相和磁性轴承电流的组合来激励。每个线圈中所产生的力具有切向和径向分量以分别旋转和悬浮凸出磁极转子。
MishKevich等人的美国专利第5949162号公开了一种通过马达轴上的感应不平衡力来阻尼和平衡感应马达机械振动的方法。在一个实例中，定子线圈被分成四组星型连接的线圈，其中每组线圈通过驱动单元单独地激励。通过为全部的四组线圈提供电流，产生了所需的四磁极旋转磁场。以不同频率旋转并彼此反作用的两组悬浮磁场(两磁极)通过利用适当频率和相位关系来选择性激励三相线圈组而产生。
Maurio等人的美国专利第6020665号公开了一种具有集成磁性轴承的永磁同步电机。四磁极定子线圈被分离为两半以形成2-磁极磁性轴承线圈和四磁极马达线圈。这些线圈被注入包含转子中永磁的极性关系的电流以产生转矩和悬浮。
可以看出上述讨论的现有技术的无轴承马达存在大量的缺陷。首先，具有产生转矩和轴承力的单独线圈组的无轴承电机成本效率不高-它们需要其他附加制造花费并且传送非常低的单位额定功率，结果需要另外的空间来容纳次级线圈。其次，在通过同一组线圈来产生转矩和轴承力的现有设计中需要使用大量的高速开关电源设备以用于正常的转矩产生功能，以及控制电机的方式也有些复杂。
发明内容
本发明的优选实施例旨在克服现有技术中的上述缺点。
特别是，本发明的优选实施例旨在提供一种能够仅仅使用一组单独的线圈就能产生转矩和侧向力的无轴承旋转电机。位于该组线圈内的相同导体可以同时载有来自转矩和侧向力产生分量的电流。这提供了对定子铁的更加有效的使用。
本发明的优选实施例还旨在提供一种无轴承选择电机，该电机使用位于电机相范围内线圈的物理连接，从而各个单独的换流器或电源可以用于磁场的转矩和侧向力产生分量。这种电机受益于能够仅仅使用一个用于电机正常转矩产生功能的标准电源因此，保存了马达控制的有利方式而不象当前可用的具有一组单独线圈的无轴承马达。其他应用的驱动是用于产生侧向力的相对低速的电源电子设备。就其他合适的定子支座装置而言，这些低速电源可以被关断并且通过传统的马达电源来驱动马达。
本发明的优选实施例还旨在提供一种可用于不同类型马达或布局的连接方案。
本发明的优选实施例还旨在提供一种可扩展用于任何多相电机如两相，三相或更多相电机的解决方案。
下文将使用术语“马达换流器”和“轴承换流器”表示分别用于产生转矩和侧向力的电源。前者以及后者所产生的电流分别已知为“马达电流”和“轴承电流”。进一步，将频繁使用术语“悬浮”表示产生侧向力。
根据本发明，提供了一种旋转电机，其包括有第一部件；适于第一部件接收并与第一部件相对旋转的第二部件；以及在至少所述第一部件和所述第二部件其中之一上所提供的至少一组线圈，其中至少一组所述线圈包括第一电导体和与所述第一电导体串联的第二电导体，第三电导体和与所述第三电导体串联的第四电导体，并且其中由所述第一电导体和所述第二电导体构成的组与由所述第三电导体和所述第四电导体构成的组并联，从而所述导体适合于传导第一电流以产生力图相对于第一部件旋转第二部件的磁动力，并传导第二电流，该电流通过施加所述第一电流的电机的不同端子来施加，并产生磁动力以在第一部件和第二部件之间产生净位移力。
通过提供多组线圈，每组线圈具有串联的第一和第二线圈，和串联的第三和第四线圈，第一和第二线圈对与第三和第四线圈对并联，这样提供了优点即通过安排为第一和第二线圈结点，和第三和第四线圈结点提供相同大小的第二电流，提供给全部四个线圈的第二电流可以通过单个电流源产生。这使得所使用的电流源数量与现有技术的安排相比而大大减少，在现有技术中马达转矩和位移力是由相同组的线圈产生的。而且，通过将第一和第二线圈对与第三和第四线圈对并联，这样可以提供有利之处即全部四个线圈产生的转矩磁场能够通过相同的电源产生，例如三相电源。进一步，通过不同于引入第一电流的端子注入第二电流，这样带来了好处，即提供第二电流的电流源的电压和电流比率可以大大小于现有技术中的比率。
另外，在第一和第二，以及第三和第四导体的结点注入第二电流，这进一步提供了有利之处，即电机的导体能够以对称布局来提供，从而实质上不存在第一和第二电流之间的耦合。换言之，悬浮产生电流可以被安排对转矩产生电动力(MMF)具有不可忽略的影响，并且转矩产生电流同样可以被安排对MMF产生位移力产生不可忽略的影响。
至少一组所述线圈的所述第一和第二电导体和/或所述第三和第四电导体可以适于分别在所述第一和第二电导体的结点和/或所述第三和第四电导体的结点接收所述第二电流，以及在所述第一和第三导体的结点和/或所述第二和第四导体的结点接收所述第一电流。
至少一组所述线圈可以至少包括一个个绕组，该绕组基本上相对于对应的包括至少一个绕组的第二线圈径向排列，和/或所述第三电导体可以被基本上相对于对应的所述第四电导体径向排列。
本领域普通技术人员将会理解，在本说明书上下文中的“径向相反”指的是，位于与第二部件有关的第一部件旋转轴的相反侧上。
至少一组所述线圈的所述第一和第四和/或所述第二和第三线圈基本上是相互共轴的。
在本上下文中，本领域普通技术人员将会理解，这意味着这两个导体之间的互电感大小接近于两个导体中每一个给定的自电感最大值的100％。
这提供了有利之处，即使得至少一组线圈的第一和第三和/或第二和第四线圈能够缠绕在单个齿上，相反使得电机齿的数量减少了。结果，能够增加每一个齿上的绕圈匝数，这将为给定大小的电机增加产生转矩的磁动力大小，反过来又增加了电机的效率。
在一个优选实施例中，所述第一部件包括许多齿，以及至少一组所述线圈的所述第一，第二，第三和第四线圈，每个都为许多的各个所述齿提供了有效的MMF。
电机可以包括许多所述组线圈，其中许多所述组线圈适于在不相互平行的方向产生各个所述净位移力。
在一个优选实施例中，许多所述组线圈对应于各个相，以及至少一组所述线圈与各个同相的其他组线圈相串联或并联。
这提供了有利之处，使得对于每个相不止一组线圈被相同的电源提供转矩产生电流，因此进一步减少了所需电源的数量。
至少一组线圈的所述第一和第二和/或第三和第四线圈可以通过位于所述第一和/或第二部件外部的各个连接器而相互串联。
这提供了有利之处，即将线圈之间连接器影响第一和第二部件之间间隙中的磁通密度的程度最小化。
至少一组所述线圈的所述第一和第二和/或所述第三和第四线圈可以通过具有同相的其他线圈而相互串联。
这提供了有利之处，即通过最小化第一部件外部产生的磁场从而最大化了电机转矩产生的效率。例如，连接一个相的第一和第二线圈的返回路径可以通过同相的其他线圈来提供，以便全部线圈产生的磁场看起来穿过了第一和第二部件之间的间隙。
该电机还可以包括用于提供所述第一和第二电流的控制装置。
该电机还进一步包括至少一个位置检测器，用于提供一个输出信号到所述控制装置，该输出信号表示所述第二部件相对于所述第一部件的位置。
该电机还进一步包括至少一个转子速度检测器，用于输出一个输入信号到所述控制装置，该输入信号表示所述第二部件相对于所述第一部件的旋转速度。
这里描述的无轴承电机包括两个主要部件-通常称作转子和定子。电机在至少一个主要部件上具有线圈。绝大多数的电机在传统上是连接的，从而即使加以不平衡的力时侧向力也是平衡的。这是通过利用电机径向上平行连接的绕组来实现的，以便如果这些绕组之一发现不正常的高或低电流时，其对方还可以发现该情况并且净侧向力的增加为零。
实际全部电机的线圈被组织为两个或更多单独的相。即使其他相是断路，每相是一个可以载有电流的独立电路。每相具有两个端子。有时候，相的末端在电机内部连接起来但是最普遍的是，全部相的末端都产生在一个端盒中。
每相可以包括两个或更多并联组。在本发明中，我们需要每相包括一个偶数数目的并联组。为了简单说明，我们假设偶数为2但是扩大到更大数目也是易懂的。
每组包括串联的绕组。在本发明中，需要每组包括偶数数目的串联绕组。为了再次简单说明，我们假设该数目为2但是扩大到更大数目也是易懂的。存在这种情况，即通过考虑一定对的绕组容易处理一组中具有4个绕组的情况，以包括在以下描述中的一个单个“绕组”。
在本发明中，电流被注入相线圈中，以便在间隙中产生不平衡的磁通分布，从而在任何期望的任意方向产生了净侧向力。轴承换流器的作用就是将差分电流注入到线圈中以产生所需的不平衡的磁通分布。
在第一实施例中描述了本发明的基本原理。工作原理包括从两个独立源提供电流到基本连接以便在间隙中能够产生所需的磁极或磁通分布。
在第二实施例中给出了永磁同步电机作为实例。基本连接被扩展形成同心线圈方案，该方案在24齿定子中产生了4磁极电机磁场和2磁极悬浮磁场。转子在其周围等角的空间中具有安装永磁的表面，形成了相同数量的磁极对作为定子。应用外部传感器给出有关转子径向位移和旋转速度的信息，在发送信号切换换流器之前，该信息然后将被控制器处理。使用单独的换流器，即标准马达换流器和大量小电压和电流额定轴承换流器用于产生必要的电流以分别产生转矩和侧向力。第三实施例描述了如何这些组并联绕组如第二实施例一样能被安排在间隙中形成相同的MMF分布，但是增加了优点，即减少了所需定子齿一半的数量。这还是一种同心线圈布局。
如通常在传统电机中发现的一样，在第四，第五和第六实施例中描述了扩展到双层分布线圈布局的可能性。这些实施例描述了一种在间隙中利用最小数量的轴承换流器产生正弦磁通分布的方法。第四实施例涉及在定子中最佳使用的螺旋管形线圈的方案，定子具有短轴长度和大的直径以减少末端线圈影响。第五实施例描述了如何可以操作线圈连接以便全部导体安排在定子槽中，并因此在定子底座磁心上不需要螺旋管形线缠绕绕组。在第六实施例中描述了连接的其他操作，该实施例有可能至少减少轴承换流器数量的一半。
现在将参考附图通过实例而不是任何限定的方式描述本发明的优选实施例，其中
图1是本发明第一实施例中一相无轴承电马达的电路图；图2是在图1的环路连接中马达产生的磁极和悬浮电流流动的示意图；图3是图1中环路的示意图，其中当马达电流被激励时，在径向相反定子齿上产生相同的磁极；图4是图1中环路的示意图，其中当悬浮电流被激励时，在径向相反定子齿上产生相反的磁极；图5是对应于图2的示意图，但是图中反转了一对绕组的极性；图6是本发明第二实施例中三相永磁同步马达的示意图；图7是图6实施例中三相星型连接的示意图，其中示出了瞬时马达电流和悬浮电流激励；图8所示为在图7布局的24槽定子中产生的四磁极电机磁场的示意性横截面视图；图9是对应于图8的示意性横截面视图，图中示出了在图7布局的24槽定子中产生的两磁极悬浮磁场；图10是代替图7中星型连接的三相Δ连接的示意图；图11是用于本发明的控制系统示意图；图12是本发明第三实施例中绕组排列的示意图；图13示出了在图12实施例的12槽定子中产生的四磁极电机磁场；图14示出了在图12实施例的12槽定子中产生的两磁极悬浮磁场；图15示出了产生四磁极电机磁场的现有技术的分布线圈方案；图16示出了产生两磁极悬浮磁场的现有技术的分布线圈方案；图17是本发明第四实施例中三相连接的示意图，图中示出了瞬时马达电流和悬浮电流激励；图18示出了通过图17实施例中的螺旋管形线圈排列产生的四磁极电机磁场；图19示出了通过图17实施例中的螺旋管形线圈排列产生的两磁极悬浮磁场；图20是图18和19螺旋管形缠绕定子的透视图；图21是本发明第五实施例中三相连接的示意图，图中示出了瞬时马达电流和悬浮电流激励；图22示出了通过图21实施例中的分布线圈排列方式产生四磁极电机磁场；图23示出了通过图21实施例中的分布线圈排列方式产生两磁极悬浮磁场；图24是本发明第六实施例中三相连接的示意图，图中示出了瞬时马达电流和悬浮电流激励。
具体实施例方式
本发明可以适用于任何类型的多相电机以及现在将参考图1-24根据优选实施例描述本发明的原理。
在电机设计中通常可以发现相包括一些并联的线圈组。图1示出了根据第一实施例的本发明的无轴承电机包括分离为两个并联组的每个相；每组包括两个绕组3的串联。由于所有电机都具有不同相，对于每个相有两个端，我们只能够考虑图1中所示的一相。马达换流器1和轴承换流器2提供双向电流分别用于产生电机转矩和侧向力。
在图1中，期望在臂“CA”，“CB”，“AD”和“BD”中流动的电流与分支“AB”中流动的轴承电流相比是非常大的。同样，期望相“CD”的满电压额定值与“AB”上的电压降相比也是非常大的。从电路的对称明显看出，如果分支“CA”，“CB”，“AD”和“BD”的阻抗相同，那么“CD”上的电压降独立于流过“AB”的电流并且反之亦然。
有关连接中阻抗不匹配的问题能够通过保证轴承换流器2的电压额定值必须足以经受得住将存在于其上面的电压来解决。通过该实施，由于不匹配绕组阻抗产生的不平衡电流能够被防止流入轴承换流器2中，并且轴承换流器2注入的电流必须相应地考虑该不平衡而进行微调。
该连接的重要性在于电流的转矩产生分量在每个相中被分离为两个并列通路，并且在环状结构每个通路的中间点之间的轴承换流器2或电源提供负责用于产生悬浮力的电流。图2示出了环路连接中流动的马达和轴承电流如何产生磁极；作为马达和轴承电流激励的结果，分别在环路的外部和内部标记该极性。因此，全部绕组3当被提供马达电流时产生相同的磁极N，但是当提供轴承电流时，在绕组对产生的极性与其他对的极性方向相反。对于图2中给出的实例，在涉及轴承电流流动时，则绕组“a11”和“a12”具有S极，而绕组“a13”和“a14”都具有N极。
图3和图4分别示出了图2中的绕组3如何当激励马达电流时，在定子中缠绕和排列以在径向相反定子齿上产生N极的，但是当激励轴承电流时，径向相反齿上的极性为彼此相反的极性。这种电流或进行反转特性被利用用于在电机间隙中产生独立对称的磁通转矩和悬浮产生分量。图5示出了可替代的连接，其中当提供马达电流时，并列绕组“a11”和“a12”产生相同的极性但是与绕组“a13”和“a14”的极性相反。注入轴承电流现在将对全部绕组产生相同的极性。这种结构可被考虑具有图2中的从内部向外反转的连接方案。
当旨在形成一种根据第二实施例的三相电机时，这种连接方案的有利之处将更加明显。给出了该特定实施例作为如何可以实现本发明的实例。所述的电机是具备如图6所示的分离定子5和转子6间隙4的四相永磁同步电机。转子具有安装永磁7产生4磁极磁场8的表面。连接相绕组的端子以形成如图7所示的星型连接。图8和图9中分别示出了产生相应4-磁极电机磁场9和2-磁极悬浮磁场10的瞬时马达和悬浮电流。需要注意的是，为了简明忽略了绕定子流回磁心的磁通。通过4-磁极主磁场的相互作用产生了悬浮力，主磁场由永久磁通7和马达换流器1所形成的磁场构成，并且其具有2-磁极悬浮磁场10或6-磁极悬浮磁场；但是本发明选用2-磁极磁场。优选地为了简化悬浮控制使用相同的旋转频率用于马达和轴承电流。
在下文中，由于相“b”和“c”的连接与相“a”的连接相似，因此定子中绕组排列的描述被限制在相“a”绕组。因此，在第一实施例描述的一相中的该组绕组3(形成独立环路)与其他组串联来形成相“a”。安排绕组3以便当正方向马达电流流动时，使上部环路(“a11”，“a12”，“a13”，“a14”)中的一组四个绕组呈N极，而其他一组的四个绕组(“a21”，“a22”，“a23”，“a24”)呈S极。在图7的环路外部和内部分别示出了马达和轴承电流产生的磁极。当流动的是相反方向电流时，这些磁极可以相互交换。对于本布局而言绕组对“a11”-“a12”以及“a13”-“a14”产生相同大小但是彼此相反方向的不同轴承电流。相同的电流属性还应用于相“a”下部环路的绕组对“a21”-“a22”以及“a23”-“a24”。
当采取沿间隙4界面外围的往返行程时，通过考虑每相中极性改变的次数可以理解这种连接方案的重要性。由于这是一种每相中往返行程产生四次极性改变的4-磁极马达。然而，施加的2-磁极悬浮磁场每相只产生两次极性改变，这意味着绕组对“a11”-“a12”和“a21”-“a22”必须分别与“a13”-“a14”和“a23”-“a24”径向相反。另外，在相“a”上部和下部的两组绕组3必须彼此正交。
对于永磁无轴承马达，侧向力主要由于永久磁场8和激励悬浮磁场10之间的相互作用而产生。悬浮磁场10使在间隙周围4附近安装永磁6的表面所产生的磁场不平衡，从而产生了施加在马达6上的净侧向力。为了控制该侧向力，在任何工作瞬间必须出现两个悬浮MMF轴的最小值以便这些独立悬浮MMF的线性合并增加在任意方向所产生的MMF。
作为一种替代的结构，相绕组3还可以被连接形成图10中的三相Δ连接。本发明中环路连接的方法保持了星型或Δ-连接的灵活性并同时用于提供注入电流的位置以在转子6上施加侧向力。如图7和10所示，每种结构需要6个用于悬浮的独立轴承换流器2。这些轴承电流源彼此具有不同的相位关系，以便在整体效果上产生电机中所需数量磁极的磁场。
图11示出了一种用于驱动马达并产生侧向力的控制系统的示意方框图，该控制系统被分成两组，即马达控制和磁性轴承控制。同步电机提供有传感器20和21用于检测转子6的角度位置和旋转速度。为了控制马达的速度和转矩，在比较器23中比较来自速度检测器21的信号ω和指令信号ωRef并将产生的差信号输入到马达控制器24，然后马达控制器计算提供给马达的所需频率和电流量。然后发送相应的请求信号到马达换流器1以切换电流的大小和方向。
应用以正交位置而布置的两个分离的位置传感器25和26来检测转子5的位移，并输入信号到滤波器27以消除高频噪声。然后在比较器28和29中将期望的水平(xRef)和垂直(yRef)转子位置与来自传感器25和26的信号(x和y)进行比较，并被馈送到轴承控制器30。轴承控制器30基于比较信号和信息，诸如转子速度；转子方向；以及电流的转矩产生分量或磁通来计算所需的合成力及其相应的方向。所需力的大小和方向表示需要多少注入到每相绕组3中的电流。最后，控制器30发送请求信号到轴承换流器2，该换流器相反注入不同的电流到相绕组3。这些轴承电流叠加到相同组绕组3的马达电流上以产生侧向力。
参考图12-14描述本发明的第三实施例。图12示出了图7中的绕组对“a11”-“a12”和“a13”-“a14”如何绕在2个定子齿上而不是4个定子齿，如上一个实施例中所述。绕组“a11”-“a12”在相同的对称轴上叠加起来并且排成一行，籍此产生了与具有包括两倍匝数的单独绕组所相同的磁效应。另一种描述方式是，定子磁极中的每个绕组被分离为两个较小的具有相同匝数的绕组。然而，不像早先的无轴承马达包括有用于转矩和悬浮力产生的独立线圈组，而是本发明电机中的导体同时载有马达和轴承电流。同样，绕组“a13”和“a14”被缠绕在径向相反的齿上并且这些绕组的端子被连接到绕组“a11”和“a12”上以形成一个环路。
一种相似的连接方法还应用其他相，以便在间隙中获得与第二实施例中描述的电机所相同的MMF分布。图14和15分别示出了根据图7中的电流激励产生的合成电机磁场9和悬浮磁场10。该实施例中本发明的好处是，所需定子齿的数量已经被减少一半，这使得每个定子齿中的绕组匝增加。很显而易见的是，对于槽中所容纳的相同数量的导体，第三实施例中的本发明比传统的具有多组线圈的无轴承马达相比，将具有更大的转矩和侧向力产生能力。
缠绕本发明电机的定子的方法通过应用预先缠绕的绕组最方便地实现，其中这些线圈可以在定子中被容易地放置或去除。但是，使用预先缠绕的绕组，主要取决于各个定子齿的物理几何结构或形状。第二实施例中描述的相同控制系统还可以在第三实施例中应用本发明。
在前一个实施例中，同心绕组被缠绕在定子齿上产生4-磁极马达和2-磁极轴承磁场。由于齿的数量相对小，作为电流激励的结果，间隙周围的磁通分布在某种程度上是矩形的。当转子轴被外部驱动旋转时，在每相线圈中产生反向EMF也是正确的。因此，很自然假定利用较大数量的定子齿和独立电流环路，可以实现正弦磁通分布的改善。但是，如果需要更多独立的电流环路，那么将存在与具有更多轴承电源相关的成本。例如，包括根据第三实施例中描速方法连接的同心绕组的24-齿定子将要求12个独立的轴承电源以提供较好的正弦波形。这就是发展交流线圈方法以利用最小的附加电源电子设备而获得正弦磁通分布的动机。
使用第一实施例中描述的原理作为基础，这里的第四实施例描述了如何能够安排绕组以形成均衡的双层分布的线圈。双层分布线圈在电机中非常普遍，这里线圈被叠加并且从一相到另一相都是连续的。这些电机不能被仅仅通过注入合适大小和相位合成的马达和轴承电流到端子中就转换为无轴承马达。另外应该注意的重要之处是，这种传统线圈不能被与本发明的连线方案一起包含起来，这是因为需要断开线圈以允许轴承电流注入。从2D-静磁学的观点看来，这里在第四实施例中描述的线圈将产生与传统的具有双层分布线圈的4-磁极马达相同的结果。可以考虑将24齿定子作为设计实例。
作为一种设计辅助，首先讨论与磁极数量，磁通密度和电流密度相关的径向相反齿或槽的属性。因此，4(1+N)磁极磁通产生了径向相反齿上的相同大小和方向的磁通密度。而2(1+2N)磁极磁通提供了相同的大小但相反方向的磁通密度。这里N为整数0，1，2，3，等等。相同原理还应用于载有电流的导体在径向相反槽的相同大小和方向的电流密度产生了4(1+N)磁极磁场，而相同大小但相反方向的电流密度产生了2(1+2N)磁极磁通。通过这种理解，能够根据第一实施例中提供的基本原理推导出实际的线圈。
最适合开始考虑在2D平面内的传统线圈。现有技术的图15和16示出了具有在定子槽中分别产生4-和2-磁极磁场的分布电流密度的相同组双层线圈。为了简单的目的只画出了最小数量的磁力线。就具有忽略端效应的2D平面而言，只要应用如图15和16中的分布电流密度就可以产生相同的马达或悬浮磁场。因此，有无数种缠绕定子的方法。规定相同导体必须同时载有马达和轴承电流，对如何缠绕定子不可避免地产生了限制。
从图15和16中很明显看出，在相邻槽中的一些导体载有相同大小的电流，这意味着有可能为这些导体仅仅提供一个公共电流源。参考径向相反槽的上述特性，绕组“a1”→“a4”以及“a11”→“a44”能够被链接起来以形成一个单独的电流环路。类似地，绕组“aa1”→“aa4”以及“aa11”→“aa44”能够联合形成另一个独立环路。两个电流环路形成相“a”线圈，相线圈“b”和“c”提供两个独立的电流环路，每个电流环路具有和相“a”中相同的连接方法。图17示例了在时间的一个瞬时的全相马达和轴承电流，其中马达和轴承电流的方向，不论在“去”还是“返回”的槽中流动，都分别在电流环路的外部和内部示出。注意到在连接图中示出了只有产生图15和16中磁场的绕组端。为了简明原因省略了其他相关的去或返回通路，例如，去通路绕的组“aa1”直接链接到相同通路的绕组“aa2”而明显地不经过返回通路。在本实施例中使用了总共6个独立的轴承换流器2。只要适当地控制轴承换流器2以产生两个独立的悬浮MMF轴，就有可能减少换流器2的数量。无论如何，通过使用更多的轴承换流器2，系统就会具有故障容忍度。
由于定子槽中的径向相反绕组端具有相同大小和方向的电流密度，并形成了独立的电流环路，那么对于在槽中应该放置各个去和返回通路就存在有空间限制。这些去和返回通路产生了它们自己的磁场并且严格地说，它们必须与间隙中的马达和轴承磁场不产生干扰。这种要求可以通过使用螺线管形或Gramme线圈方案而实现，其中去和返回通路位于定子20的外部，如图18和19所示。因此，通过定子5到转子6间隙4的磁通将不会受到影响。图18和19都示例了一个绕组端被放置在每个定子槽的其他绕组端的上部。但是在实际布局中，在每个槽中，绕着定子反向磁心5并排地连接和缠绕两个绕组3，以便使桥保持平衡。图20描述了一种根据第四实施例的螺线管形线圈方案。螺线管形线圈最好用在具有短轴长度和大直径的定子中从而减少了端线圈。但是，螺线管形线圈方案可能不具备吸引力，这是因为在定子磁心反向缠绕的绕组能够放置散热。
第五实施例描述了如何操作连接以便消除在定子反向磁心缠绕螺线管形线圈的必要，因此朝着一种更加方便的分布线圈布局发展。如果在定子槽中连接绕组，以便环路连接的每个臂由两个以90度分开的绕组端构成(如相对于180度的径向相反方向)，那么全部导体可以被安排在定子槽中。图21示例了一种根据本实施例修改的连接方案，其分别产生了图22和23中4-磁极电机磁场9和2-磁极悬浮磁场10。如上所述，分别在环路的外部和内部示出了马达和悬浮电流的方向。槽“a1”和“a11”表示一个绕组3的端，其中铜导体进入槽“a1”并且通过槽“a11”返回而产生了大量的匝。任何注入绕组3的绕组端的电流将在另一个绕组端产生相反方向的电流流动。链接槽“a3”和“a33”的相同方向电流流动的另一绕组3在相反的环路连接，既然这些绕组都具有相同的电流反转特性。链接槽“aa2”-“aa22”以及“aa4”-“aa44”的两个其他绕组然后被连接到绕组“a1”-“a11”以及“a3”-“a33”形成如图21中所示的完整环路，因此，全部的8个绕组端或4个单独的绕组3构成了一个单独的环路。
由于需要16个绕组端构成一个相，每个相扩展为2个串联环路。可以看出保持了电路连接方法和电源数量，即一个标准的3相马达电源1和六个双向悬浮电流源2。如上述，如果需要可以减少悬浮电源2的数量。不像上面实施例中每个环路控制径向相反槽或齿中的电流那样，本实施的变型连接控制位于环路内的所有绕组端中的电流。注意，合成的4-磁极电机磁场9与第四实施例中螺线管形线圈布局产生的磁场具有相同的分布。
净侧向力可以通过适当地激励任何合成中的相悬浮电流而产生，而只要间隙周围合成的磁场是2磁极的就可以。重要的是，产生至少两个悬浮MMF轴以便能够控制任何大小和任意方向的力。本方案不可能与第四实施例中的方案完全一样产生正弦悬浮磁场10，这是因为连接方式的不同。例如，当激励全部相时，产生的悬浮磁场10将在最大峰值具有轻微的凹陷。除了该细微不完美以外，整个悬浮磁场10仍近似于正弦波形并且可以实现净侧向力。
根据本发明的第六实施例，由于图22和23的每相中的一些绕组3具有相同大小和方向的电流，因此有可能合并这些绕组，以便在每相中只形成一个独立的连接环路。图24中示出了这种变型的连接，其中在环路的每个分支中两个绕组3串联，所以只需要三个悬浮电源2而不是6个。如上所述，在环路的外部示出了马达电流的方向，但是在其内部示出了悬浮电流。合成的4-磁极电机磁场9和2-磁极悬浮磁场10分别等同于图22和23中的。由于两个悬浮MMF轴足以提供任意方向的净侧向力控制，因此轴承换流器2就变得多余了。
下文的一般性描述适用于本发明的全部实施例。
对于转子悬浮的基本要求是实现电机磁场和轴承磁场之间±1磁极对的差。很明显，在时间的任何瞬时，如果按照±1磁极对原则，那么不是所有的独立环路都需要提供轴承电流以实现悬浮。
产生转矩的电机磁场取决于电机的类型并且直接于通过定子和转子之间间隙界面的MMF有关。在永磁电机中，净MMF只要由转子上的永久磁铁产生，除非定子永非常大的电流激励。对于感应电机，净MMF由感应转子电流并部分由定子电流产生。来自激励定子和感应转子的±1磁极对磁场产生了净侧向力。与永磁和感应电机相反，开关磁阻电机的转子不被任何装置激励，因此定子单独产生了净MMF。经验表明，悬浮磁场的大小小于电机磁场的大小的几乎一百倍，所以不担心激励磁性材料到饱和。而且，由于悬浮电流引起的损失当与马达电流比较时也将忽略。
如在马达和磁性轴承装置的情况下，无轴承马达的转子必须沿着五个轴施加磁力，即在每一端的两个正交轴和沿转子旋转轴的第五轴。所以，为了完全稳定需要无轴承马达和轴向磁性轴承的整流子片。产生的不平衡侧向力不仅被限制于为转子提供必要的支撑，而且还用作故障容忍由于有源磁性轴承。通过改变环路电流，可以平衡过多的振动，相反控制了集成磁性轴承的刚度和阻尼。
优选实施例中描述的本发明提供了可选择的第二功能，即产生不平衡力，而尽管用于产生转矩的基本功能。该特征极为重要，因为在可以获得转子支座的合适装置的情况下，马达可以只使用一个标准电源作为标准电机运行。这种构思适用于不同的电机，在这些电机中在至少一个主要部件上提供一组线圈。尽管优选实施例描述了一般性的3相无轴承电机，但是可相对直接扩展该连接到其他多相电机中，诸如2，4，5，6，12和更高相。
本领域的普通技术人员将会理解，已经只通过实例而不是任何限制的方式描述了上述实施例，但是对本发明可以作出不同的替换和修改而不偏离附属权利要求所定义的本发明的范围。在上述优选实施例中，仅仅描述并示例了本发明的少许实例。无论如何，本领域的普通技术人员可以根据其特定电机的要求来扩展并操作本发明的基本原理。附属权利要求的目的是包含对本发明实际范围所作的全部这些操作和修改。
参考文献美国专利4792710 1988年12月20日 Williamson5237229 1993年8月17日Ohishi5424595 1995年1月13日Preston等人5880550 1999年3月9日 Fukao等人5936370 1999年8月10日Fukao等人5949162 1999年9月7日 Mishkevich等人5955811 1999年9月21日Chiba等人6020665 2000年2月1日 Maurio等人6034456 2000年3月7日 Osama等人6049148 2000年4月11日Nichols等人6078119 2000年1月20日Satoh等人其他参考Knospe C.R和Collins E.G，“有关磁性轴承控制专题的介绍”(“Introduction to the special issue on magnetic bearingcontrol”)IEEE期刊.控制系统技术，第4卷，no.5，第481-483页，1996年9月。
权利要求
1.一种旋转电机包括第一部件；适于由所述第一部件接收并与第一部件相对旋转的第二部件；以及在至少所述第一部件和所述第二部件其中之一上所提供的至少一组线圈，其中至少一组所述线圈包括第一电导体和与所述第一电导体串联的第二电导体，第三电导体和与所述第三电导体串联的第四电导体，并且其中由所述第一电导体和所述第二电导体构成的组与由所述第三电导体和所述第四电导体构成的组并联，从而所述导体适合于传导第一电流以产生趋向于使第二部件相对于第一部件旋转的磁动力，并传导第二电流，该电流通过施加了所述第一电流的电机的不同端子来被施加，以产生磁动力，从而在第一部件和第二部件之间产生净位移力。
2.根据权利要求1所述的电机，其中至少一组所述线圈的所述第一和第二电导体和/或所述第三和第四电导体适于分别在所述第一和第二电导体的结点和/或所述第三和第四电导体的结点接收所述第二电流，以及在所述第一和第三导体的结点和/或所述第二和第四导体的结点接收所述第一电流。
3.根据权利要求1或2所述的电机，其中至少一组所述线圈的所述第一和第二电导体每个都包括至少一个绕组，并且其中所述第一电导体被安排基本上与相应的所述第二电导体径向相反和/或所述第三电导体被安排基本上与相应的所述第四电导体径向相反。
4.根据权利要求3所述的电机，其中至少一组所述线圈的所述第一和第四和/或所述第二和第三电导体基本上彼此共轴。
5.根据上述权利要求之一所述的电机，其中所述第一部件包括多个齿，并且至少一组所述线圈的所述第一，第二，第三和第四电导体缠绕在单独的齿上。
6.根据上述权利要求之一所述的电机，其中所述第一部件包括多个齿，并且至少一组所述线圈的所述第一，第二，第三和第四电导体每个都为各个所述齿提供有效的磁动力。
7.根据上述权利要求之一所述的电机，其中至少一组所述线圈的所述第一和第二和/或第三和第四电导体通过位于所述第一和/或第二部件外部的各个导体进行相互串联。
8.根据上述权利要求之一所述的电机，其中至少一组所述线圈的所述第一和第二和/或第三和第四电导体通过同相的其他电导体进行相互串联。
9.根据上述任何权利要求之一所述的电机，包括许多所述组线圈，其中多个所述组线圈适于在相互不平行的方向产生各个所述净位移力。
10.根据权利要求9所述的电机，其中许多所述组线圈对应于各个相，并且至少一组所述线圈与同相的各个其他组线圈串联或并联。
11.根据上述权利要求之一所述的电机，还包括控制装置，用于提供所述第一和第二电流。
12.根据权利要求11所述的电机，还包括至少一个位置检测器，用于提供输出信号到所述控制装置，该输出信号表示所述第二部件相对于所述第一部件的位置。
13.根据权利要求11或12所述的电机，还包括至少一个转子速度检测器，用于输出输入信号到所述控制装置，该信号表示所述第二部件相对于所述第一部件的旋转速度。
14.根据上述权利要求之一所述的电机，其中所述组线圈被安排以便所述第二电流基本上不在所述第一和第二部件之间产生转矩的变化。
15.一种基本上参考附图的图1到14和17到24在上文中描述的旋转电机。
全文摘要
本发明为一种包括两个主要部件的旋转电机，所述部件能够围绕一个公共轴进行相对旋转并被间隙所分离，其中通过间隙磁场耦合的两个主要部件都可以施加转矩和侧向力。在这些组件的至少一个上提供一组线圈并且该组线圈用于产生包括两部分的磁通分布在两个主要部件中，第一部分主要用作产生转矩以及第二部分用作产生净侧向力。这种电机在电机相范围内使用绕组的物理连接，因此单独的电源能够独立地提供电流用于产生转矩和侧向力。用于产生侧向力的电源的电压和电流额定值都基本上低于用于产生转矩的电源的相应额定值。
文档编号H02K7/09GK1565071SQ02819688
公开日2005年1月12日 申请日期2002年10月7日 优先权日2001年10月5日
发明者谢默斯·多米尼克·加维, 邱伟强 申请人:谢默斯·多米尼克·加维, 邱伟强