同步电动机、电动机系统、和用于运行电动机系统的方法.pdf

本发明涉及一种同步电动机(12，32)，具有：多个定子线圈和一个转子(16，36)，该转子具有至少一个永磁体(17，37)，该永磁体在主磁通方向上产生磁场；至少一个线圈绕组(20，40)，其安装在该转子(16，36)上，以使得通过借助于定子线圈(15，35)所施加的交变磁场的分量可以在该线圈绕组中感应出次级电流，该次级电流可以通过可设置在转子上的用电设备(25，45)被分接。

1.  一种同步电动机(12，32)，具有：
-多个定子线圈；和
-一个转子(16，36)，所述转子具有至少一个永磁体(17，37)，所述永磁体在主磁通方向上产生磁场，
-至少一个线圈绕组(20，40)，所述线圈绕组安装在所述转子(16，36)上，以使得在所述线圈绕组中通过借助于定子线圈(15，35)所施加的交变磁场的分量可以感应次级电流，所述次级电流可以通过可设置在所述转子上的用电设备(25，45)被分接。

2.  根据权利要求1所述的同步电动机(12，32)，其中在所述转子(15，35)上设置用电设备，所述用电设备与所述线圈绕组(20，40)连接，以用于将所述次级电流作为供给电流施加到所述用电设备(25，45)上。

3.  根据权利要求1或2所述的同步电动机(12，32)，其中所述线圈绕组设置在所述转子(16，36)上，所述线圈绕组的绕组轴线的走向平行于所述主磁通方向。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的同步电动机(12)，其中所述转子具有转动件(16)，其中设置在所述转动件上的所述至少一个永磁体(17)产生磁场，所述磁场具有相对于转动轴线的至少一个径向分量。

5.  根据权利要求1至4中任一项所述的同步电动机(12)，其中所述线圈绕组至少部分地围绕所述至少一个永磁体(17，37)。

6.  根据权利要求1至5中任一项所述的同步电动机(12)，其中所述至少一个永磁体(17)的极相对于所述转动件(16)的转动件轴线相互面对。

7.  根据权利要求1或2所述的同步电动机(12)，其中所述同步电动机设计为直线同步电动机(32)，其中所述多个定子线圈(35)设置在纵向方向上。

8.  一种电动机系统(11)：
-具有根据权利要求1至7中任一项所述的同步电动机(12)；
和
-具有用于通过下述方式驱动所述同步电动机(12，32)的控制单元(13)，即利用各自的驱动电流控制所述定子线圈(15，35)，以使得在垂直于所述主磁通方向的方向上产生磁场，其中所述控制单元(13，33)被进一步设计为用于将各自的初级电流叠加于所述各自的驱动电流，所述初级电流在所述至少一个永磁体(17，37)的所述主磁通方向上产生所述交变磁场。

9.  根据权利要求8所述的电动机系统(11，31)，其中所述控制单元(13，33)设计为用于向被叠加了所述相应的初级电流的所述各自的驱动电流叠加磁场减弱电流，以使得在所述主磁通方向上产生均匀磁场，以用于以磁场减弱工作方式运行所述同步电动机(12，32)。

10.  一种用于运行具有根据权利要求1至7中任一项所述的同步电动机(12，32)的电动机系统(11)的方法，其中通过下述方驱动所述同步电动机(12，32)：利用驱动电流控制所述定子线圈(15，35)，以使得在垂直于所述主磁通方向的方向上产生驱动磁场，其中将初级电流叠加于所述驱动电流，所述初级电流在所述至少一个永磁体(17，37)的所述主磁通方向上产生所述交变磁场。

11.  根据权利要求10所述的方法，其中向被叠加了所述各自的初级电流的所述相应的驱动电流叠加磁场减弱电流，以用于在所述主磁通方向上产生均匀磁场，以使得可以实施所述同步电动机(11，31)的磁场减弱工作方式。

同步电动机、电动机系统、和用于运行电动机系统的方法
技术领域
本发明涉及一种同步电动机，其具有多个定子线圈和一个转子，该转子具有至少一个永磁体。此外本发明还涉及一种具有这种同步电动机的电动机系统，以及涉及一种用于运行这种电动机系统的方法。
背景技术
同步电动机通常具有带有定子线圈的布置，这些定子线圈分别以合适的方式利用驱动电流被控制，以用于产生驱动磁场。该驱动磁场驱动了具有至少一个永磁体的转子。在设计为转动件的转子中，驱动磁场始终被这样施加，即该磁场垂直于通过永磁体产生的转子磁场的主磁通方向。
同步电动机的特征在于，转子仅仅具有永磁体而不具有线圈，以及因此不需要换向器或其它的具有电刷、滑动触头(Schleifer)和类似物的装置，来将线圈电流输送给转子。然而，在一些使用同步电动机的应用中，这一点可能是必需的，即需要在转子上的供给电流，从而为位于那里的用电设备供给电能。
使用换向器或其它的使用滑动触头或电刷的装置使供给电流达到转子上的方法是有害的，因为这种方法提高了这些装置的磨损程度并且因此对于按照规定的运行来说必须定期对这些装置进行维护。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种同步电动机，在该同步电动机中可以在转子上提供附加的供给电流，而不需要用于提供供给电流的提高磨损程度的装置。此外本发明的目的还在于，提供一种电动机系统以及一种用于运行这种电动机系统的方法，其中在磨损程度低的情况下可以在转子侧提供供给电流。
该目的通过根据权利要求1所述的同步电动机、根据权利要求8所述的电动机系统以及根据权利要求10所述的用于运行这种电动机系统的方法来实现。
本发明的其它有利的设计方案在从属权利要求中进行说明。
根据本发明的第一个方面设置同步电动机，其具有多个定子线圈和一个带有至少一个永磁体的转子。在转子上的永磁体在主磁通方向上产生转子磁场。此外在转子上安装至少一个线圈绕组，以使得通过借助于定子线圈所施加的交变磁场的分量在该线圈绕组中感应出次级电流，该次级电流可以通过可设置在转子上的用电设备被分接或者说接出(abgreifbar)。
根据本发明的同步电动机以简单的方式，仅仅通过应用定子线圈实现了能够在转子上设置的线圈绕组中感应出供给电流，从而在定子上不需要附加的初级绕组。为此在定子线圈上除了用于驱动转子所必需的驱动电流之外也还施加了相应的初级电流，这些初级电流在设置在转子上的线圈绕组的绕组轴线的方向上产生交变磁场，以用于在线圈绕组中感应次级电流。由此在转子上提供了作为次级电流的供给电流，而不必设置不耐磨的电刷-或滑动触头装置以用于传输供给电流。
根据本发明的一个实施方式在转子上设置用电设备，该用电设备与线圈绕组连接，以将次级电流施加到用电设备上。
优选地将线圈绕组设置在转子上，以使得该绕组的绕组轴线的走向平行于通过永磁体产生的转子磁场的主磁通方向。由此，使得用于感应供给电流而被施加到定子线圈上的交变磁场不对用于驱动转子的驱动磁场产生不利影响，这是因为该交变磁场不引起对转子的附加的驱动力。
此外，转子可以具有转动件，其中设置在该转动件上的至少一个永磁体产生磁场，该磁场具有相对于转动件轴线的至少一个径向分量。
优选地，线圈绕组至少部分地围绕至少一个永磁体。
此外，至少一个永磁体的极可以相对于转动件的转动件轴线相互面对。
根据本发明的另一个实施方式，同步电动机可以设计为直线同步电动机，其中多个定子线圈设置在纵向方向上。
根据本发明的另一个方面，设置一个电动机系统，该系统具有前述的同步电动机和具有控制单元，通过下述方式以驱动同步电动机：利用各自的驱动电流控制定子线圈，以使得在垂直于主磁通方向的方向上产生驱动磁场，其中该控制单元被进一步设计成用于将各自的初级电流叠加于各自的驱动电流上，该初级电流在一个方向上产生交变磁场，在该方向上可以感应在线圈绕组中的次级电流，特别是在至少一个永磁体的主磁通方向上。
将定子线圈既用于施加驱动磁场，又用于在线圈绕组中感应供给电流，能够使得放弃附加的初级绕组以在线圈绕组中感应供给电流。
根据本发明的另一个实施方式，控制单元可以设计成用于向被叠加了相应的初级电流的各自的驱动电流叠加相应的磁场减弱电流，以使得在主磁通方向上产生均匀磁场，以用于以磁场减弱工作方式运行同步电动机。
根据本发明的另一个方面设置一种用于运行具有前述的同步电动机的电动机系统的方法，其中通过下述方式驱动该同步电动机：利用驱动电流控制定子线圈，以使得在垂直于主磁通方向的方向上产生驱动磁场，其中将初级电流叠加于驱动电流，该初级电流在一个方向上产生交变磁场，在该方向上感应出线圈绕组中的次级电流，特别是在至少一个永磁体的主磁通方向上。
此外，可以向被叠加了各自的初级电流的相应的驱动电流叠加磁场减弱电流，以用于在主磁通方向上产生均匀磁场，从而可以实施同步电动机的磁场减弱工作方式。
附图说明
下面参照附图详细说明本发明的优选的实施方式。
附图所示为：
图1是根据本发明的一个实施方式的电动机系统的示意图；
图2是根据本发明的另一个实施方式的直线同步电动机的示意图。
具体实施方式
图1是电动机系统11的示意图，该系统具有同步电动机12和控制单元13。该同步电动机12具有壳体14，在该壳体中设置定子线圈15。在第一个实施例中，三个定子线圈15相互之间分别以120°偏移并围绕置于内部的转动件16设置。该转动件16具有两个永磁体17，这些永磁体作为壳形磁铁设置在基本上呈圆柱形的转动件16的相对于转动轴线18相互面对的侧面上。永磁体17的极之间彼此对准(gleichgerichtet)，以使得在转动件16的d-轴线的方向上通过永磁体17形成转子磁场，该方向与主磁通方向相符。定子线圈15的数量基本上可以自由选择，并且每个定子线圈15也可以作为定子线圈对设置在转动件16的相对于转动轴线相互面对的侧面上。
定子线圈15通过相应的控制线路19与控制单元13连接，从而可以借助于分别的驱动电流来控制定子线圈15，以在转动件16的区域中形成所引起的驱动磁场，该磁场的走向垂直于通过永磁体17产生的转子磁场的主磁通方向。为了分别地测定转子磁场的当前的主磁通方向，必须确定转动件的位置，这可以通过合适的位置探测器进行。可选地，在无探测器的同步电动机中可以测定在定子线圈中所产生的电感的各向异性以用于估算转动件的位置。
此外，转动件16配有一个或多个(在示出的实施例中是两个)线圈绕组20，其与用电设备25连接，该用电设备可以设置在同步电动机内部，或者可以设置在转动件轴线18上的其它的位置上，并与线圈绕组20这样地连接，即在线圈绕组中所感应的次级电流可以用作用于运行用电设备25的供给电流。
代替了在同步电动机12的壳体14中设置的初级绕组，借助于定子线圈15来感应供给用电设备25的次级电流。定子线圈15通过控制单元13来控制，从而在线圈绕组20的绕组轴线方向上产生交变磁场，以使得在线圈绕组20中形成次级电流。
在如在图1中所示出的优选的实施例中，线圈绕组20的绕组轴线的走向平行于通过永磁体形成的转子磁场的主磁通方向的d-轴线。在这种情况下有利的是，交变磁场不具有在转动件16的q-轴线方向上的分量，其中q-轴线方向垂直于转动件16的d-轴线，以使得通过交变磁场不对转动件16的驱动产生不利影响。
控制单元13具有驱动电路21，该驱动电路通过控制线路19交替地将各自的控制电压施加到定子线圈15上，以使得例如在转动件16的旋转速度不变的情况下，驱动电流的正弦形的电流走向流经定子线圈15，定子线圈基本上相互之间分别以120°偏移走向。由此在同步电动机12的内部形成了所引起的驱动磁场，该磁场的走向始终垂直于通过永磁体17产生的转子磁场的主磁通方向，也就是说，在q-轴线方向上。
此外，控制单元13具有输入耦合电路22，该输入耦合电路引起在定子线圈15中的各自的初级电流，该初级电流引起在d-轴线方向上，也就是说，在线圈绕组20的绕组轴线的方向上所生成的交变磁场。
交变磁场感应在线圈绕组20中的次级电流，利用该次级电流可以给用电设备25供电。由此，可能实现的是，放弃在同步电动机12的壳体14中的初级线圈装置，以感应次级电流用作用电设备25的供给电流。换言之，使用定子线圈15，这是为了除驱动磁场之外还建立交变磁场。输入耦合电路22通过将被脉动的(gepulsten)初级电压叠加到在控制线路19上的控制电压上而产生在定子线圈15中的各自的初级电流。
线圈绕组20在极的覆盖率(Polabdeckung)小于100％、例如是80％的情况下可以经过壳形磁铁而围绕着该壳形磁铁被引导，以使得通过永磁体形成的转子磁场的主磁通不受到不利影响。代替了两个所示出的线圈绕组20，也可以在转动件16中设置唯一的线圈绕组，该绕组则优选地设置为相对于旋转轴线对称。在应用两个或多个线圈绕组20的情况下需要注意的是，这些绕组同样设置为相对于旋转轴线对称，这是为了一方面不引起在转动件16中的不平衡(Unwucht)和另一方面实现对次级电流的均匀的感应。
为了实现同步电动机的更高的转速，可以设置磁场减弱工作方式，在该工作方式中相对于转子磁场相反地借助于定子线圈15施加均匀磁场，以由此降低在定子线圈15上的通过同步电动机的运行而引起的电压。为此除了驱动电流之外还通过驱动电路21向定子线圈施加磁场减弱电流，其建立与永磁体17的磁场相反的均匀磁场，也就是说在d-轴线方向上的磁场，以减少在主磁通方向上的主磁通。在这种情况下利用各自的总电流来控制定子线圈15，该总电流由驱动电流、磁场减弱电流以及用于将次级电流输入耦合到线圈绕组20中的初级电流构成。
在图2中示出，在直线或者说线性电动机的情况下也可以设置上述的将次级电流输入耦合到在转子上所设置的线圈绕组中的原理。在图2中设置了直线电动机系统31，该系统具有直线同步电动机32和控制单元33。该直线同步电动机32具有带有多个定子凸出部分50的定子34，这些凸出部分分别支撑了定子线圈35中的一个。邻近的定子线圈35可以彼此分离地被控制，其中优选地可以通过控制单元33分别单独控制三个相互邻近的定子线圈35。
在定子34附近设置转子，该转子相对于定子34在直线的方向上沿定子34活动地设置。该转子36具有至少一个转子凸出部分51，在该凸出部分上设置永磁体37，这是为了在主磁通方向上产生转子磁场。该主磁通方向指向于定子34的方向。在转子凸出部分51上或者说围绕该转子凸出部分设置线圈绕组40，该绕组与设置在转子上的用电设备45电连接。以这种方式可以为用电设备45供给电能。
直线同步电动机32的定子线圈35通过各自的控制线路39与控制单元33连接。控制单元33具有驱动电路41，以提供用于定子线圈35的各自的驱动电流。驱动电流被施加于定子线圈35，以使得在转子的区域中形成朝向永磁体37的主磁通方向转置的驱动磁场，以及通过永磁体所产生的转子磁场对齐于该驱动磁场。根据所期望的驱动力矩可以选择驱动磁场的偏移(Versatz)，该驱动磁场是由定子线圈35引起的。
为了在直线同步电动机32中感应在转子36上的线圈绕组40中的次级电流，进一步地向定子线圈35施加初级电流，该初级电流导致了在转子36的线圈绕组40的绕组轴线方向上的交变磁场。
在所示出的实施例中，线圈绕组40的绕组轴线与永磁体37的主磁通方向相符，然而在其它的实施例中，可能将永磁体37的布置和线圈绕组40的布置彼此分离，并将这两个布置设置在转子36上的不同的位置上。基本上应该设置为，附加地通过初级电流所施加的交变磁场对转子36的驱动产生尽可能少的不利影响，从而优选地将线圈绕组40和永磁体37共同地设置在转子凸出部分51处。
通过在控制单元33中的输入耦合单元42在定子线圈35中产生初级电流，其中该初级电流叠加于驱动电流，通过驱动电路41提供该驱动电流，也就是说，对于每一个可单独控制的定子线圈35来说，驱动电流和初级电流相加。