CN101488691B - 变气隙涡流调速感应电机及工作方式 - Google Patents
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Abstract
变气隙涡流调速感应电机是通过导电体和绕组之间的气隙磁场的相互作用，达到由电动机到负载的转矩传输目的，变气隙涡流调速感应电机由定子、转子和气隙调节组件等构成，其特征是定子(1)由铁心、绕组构成，铁心固定于端盖(6)上；转子由铜盘(2)，背轭(3)构成，转子固定于输出转轴(4)，输出转轴(4)可以通过气隙调节组件(5)改变定子(1)和铜盘(2)间的气隙距离；该电机采用盘式结构，通过调节输出转轴上的气隙调节组件可方便地调节气隙磁场的强弱，从而达到调节电机转速、转矩的目的，并实现电机的低负荷启动、满负荷运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种变气隙涡流调速感应电机，属于电动机制造的技术领域。
背景技术
能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。上世纪70年代以来两次世界性的能源危机以及当前环境问题的严重性，引起世界各国对节能技术的广泛关注。我国能源生产和消费已列世界第二，但仍远远满足不了工业生产和人民生活发展的需要，在能源十分紧张的情况下，却因为在节能方面的巨大差距，造成单位产值能耗太大，每年的能源浪费惊人。如相当一部分的风机、水泵类负载，由于采取恒速驱动，浪费掉大量的电能。这类拖动系统约占工业电力拖动总量的一半，如果采用调速节能技术则至少可节约20％以上的电能。我国“十一五”规划提出了不断提高能源利用效率和效益的节能目标，而节能工作的重点则放在推行量大面广的节能技术上。其中一项重要措施就是要逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速节电和电力电子节电技术，只有这样才能以较低的能源消费弹性系数和较大的节能量来长期支持国民经济快速、健康、持续的发展。
随着变频调速技术的日趋成熟，变频器已成为电机驱动系统调速节能的首选解决方案。然而，对于大容量高压电机驱动系统，变频器固有的以及目前技术条件下难以解决的两方面的技术问题凸现出来。其一，变频器是采用电力电子技术改变电源频率以改变原动机的速度来调节负载速度，因此对电网的谐波污染不可避免，在大容量的情况下，这一问题变得十分突出，其应用受到供电部门的政策限制；其二，目前低压变频器技术已比较成熟，而高压变频器的相关技术还不够完善，其可靠性还不够高，运行过程中故障时有发生，导致生产中断，造成通过节能远远不能弥补的巨大经济损失，因此，很多用户明知变频器可以实现调速和节能，也不轻易采用高压变频器。
变气隙涡流调速技术是在传统滑差调速技术基础上发展起来的一种新型调速技术，该技术最先在永磁涡流式联轴器中得到应用，如：中国专利CN1140042C(可调节磁耦合器，卡尔.J.兰姆)；中国专利CN1242535C(自卸载磁耦合器，卡尔.J.兰姆)；中国专利CN1326721C(具有可调节的气隙的永磁联轴器，卡尔.J.兰姆)；中国专利：CN1543700A.(自卸式磁联轴节，理查德.基伦，卡尔.J.兰姆等)。这种联轴器通过改变永磁体和铜盘之间的气隙大小，实现原动机和负载之间通过空气气隙进行扭矩的传递和速度的调节；原动机和负载之间相互保持独立运行，没有机械连结，不存在负载振动的传递及轴心偏移问题，从而大大提高整个系统的可靠性，而且对电网没有任何谐波污染。但是在传动过程中，由于采用原动机+联轴器的调速方式，效率损失将同时存在于电机和联轴器中，因此系统的运行效率有所降低，同时由于联轴器以及联轴器中永磁体的存在，使得系统的制造成本增加，并且不易安装。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供一种运行效率较高的感应电机，它能实现软启动，过载保护并实时调节输出转速、转矩。
技术方案：为了实现电机软启动、过载保护和调速，本发明采用了类似于原动机+永磁涡流式联轴器的变速传动方式，即在感应电机中采用了气隙调节组件。
一种变气隙涡流调速感应电机，其特征在于：该电机包括一对定子、一对转子，上述转子对位于定子对之间，其中上述定子由铁心及绕组组成，上述转子由背轭及安装在背轭上的铜盘组成，且铜盘位于靠近定子一侧；该对转子与输出转轴固定连接；另外在输出转轴上位于两个转子之间设有可使输出轴伸长或缩短的用于调节定子与铜盘距离的气隙调节组件。
上述变气隙涡流调速感应电机的工作方式，其特征在于：定子的绕组中加载对称的三相交流电，从而产生一个以同步转速n1沿定子和铜盘间气隙作顺时针或逆时针方向旋转的旋转磁场；软启动：定子与铜盘之间，在额定转速时，两者的空气间隙即气隙最小，此时其相互间存在一个静磁场吸力f1；电机启动过程中，定子产生的旋转磁场与铜盘之间有较大的相对速度差，该速度差又在二者之间产生一个轴向动态磁感应斥力f2；当f2＞f1时，铜盘将被推开，使定子与铜盘之间气隙逐渐增大；随着气隙的增大，传递的扭矩减小，使电机在较小的负荷下逐渐完成启动过程，即实现了电机的软启动；此后、铜盘继续加速使转速差逐渐减小，轴向动态磁感应斥力f2开始逐渐减小；当f2＜f1时，静磁场吸力f1又将铜盘拉回来，气隙开始逐渐减小；随着气隙的减小，传递的扭矩增大，与负载连接的铜盘转速逐渐加快，转速差迅速减小，最后达到设定的额定转速差ns，气隙也回到了初始位置，负载开始在额定状态下正常运转；过载保护：当负载出现过载或卡死的情况时，与负载连接的铜盘的转速很快下降到零，此时定子产生的旋转磁场与铜盘之间的相对速度差达到最大值，产生的磁感应推力f2＞＞f1并能迅速将铜盘推开至气隙最大处，这一气隙距离使得定子与铜盘之间失去相互间的磁作用力，从而在电机与负载之间失去扭矩传递，使电机得到完全保护；负载波动：当负载的扭矩发生周期性变化的时候，定子和铜盘之间的距离在最大气隙到最小气隙之间变动，实现周期性变化的扭矩传递；调速：输出转轴通过气隙调节组件改变定子与铜盘间的气隙距离；在负载不变的情况下，定子和铜盘之间气隙的改变将使输出扭矩发生变化，从而实现负载转速变化。
定子的铁心采用卷铁心形式，从而可以减少铁心中的涡流损耗，降低铁损。为了减小定子绕组中的电枢电流，降低铜损，转子铜盘的背轭采用导磁材料，考虑到进入转子背轭的磁场被铜盘中涡流削弱不少，且铁磁材料电阻率较大，转子背轭不采用卷铁心形式。
变气隙涡流调速感应电机的工作原理是：转子铜盘和定子之间保持相互独立，当在定子中加载三相交流电时，气隙中产生旋转磁场，铜盘与旋转磁场产生相对运动，旋转磁场通过气隙在铜盘转子上产生涡流，同时涡流产生感应磁场与定子绕组产生的磁场相互作用，并带动转子沿着与绕组磁场相同的方向旋转，结果是在负载侧输出轴上产生扭矩，从而带动负载做旋转运动。当铜盘与定子之间的气隙固定不变时，实现不同的速度和扭矩传递、电机的软启动/停止、电机的过载保护；当铜盘与定子之间的气隙通过伺服机构改变时即可控制传递的扭矩，以获得可调整的、可控制的负载转速，从而实现电机速度调节。
有益效果：由于在异步电机输入转轴中采用了气隙调节组件，可以调节铜盘转子到定子的距离，改变气隙磁场，从而调节输出转速、转矩，使电机具有了软启动、过载保护、调速等功能。
与变频器调速相比，在运行过程中，变气隙涡流调速感应电机对电网几乎没有谐波污染。与原动机+永磁涡流式联轴器的变速传动系统相比，由于变气隙涡流调速感应电机的效率损失只存在于电机本身，因此其运行效率更高，而制造成本降低，且易于安装。
附图说明
图1是变气隙涡流调速感应电机剖面示意图。
图中标号名称：1.定子，2.铜盘，3.背轭，4.输出转轴，5.气隙调节组件，6.电机端盖。
具体实施方式
本发明采用了特殊的感应电机结构，即在输出转轴上的两块转子之间设有气隙调节组件。该变气隙涡流调速感应电机的转子有对称的两块并固定于输出转轴4上，在输出转轴4上的该两块转子之间设有气隙调节组件5，转子包括铜盘2、背轭3，铜盘2位于转子的外侧，输出转轴4可以通过调节气隙调节组件5改变定子1与铜盘2间的气隙距离，定子包括绕组、铁心，铁心固定于端盖6上。所述铁心采用卷铁心形式，绕组中加载三相交流电在气隙中产生旋转磁场，输出转轴4可以通过调节气隙调节组件5改变定子1和铜盘2间的气隙距离，定子铁心和转子背轭采用高导磁材料制成，输出轴采用非导磁钢。
磁通路径为：绕组、铜盘2、转子背轭3、铜盘2、相邻的极性相异绕组、铁心、最后回到绕组。
此外，从提高电机气隙磁密和降低铜损考虑，选择导磁率高的铁磁材料作为定子铁心和转子背轭材料。
定子铁心采用卷铁心形式可以减少铁心中的涡流损耗，抑制铁心中的涡流对气隙磁场的反作用，降低铁心的工作温度和提高电机传输功率。
Claims (3)
1.一种变气隙涡流调速感应电机，其特征在于：该电机包括一对定子(1)、一对转子，上述转子对位于定子对之间，其中上述定子(1)由铁心及绕组组成，上述转子由背轭(3)及安装在背轭(3)上的铜盘(2)组成，且铜盘(2)位于靠近定子一侧；该对转子与输出转轴(4)固定连接；另外在输出转轴(4)上位于两个转子之间设有可使输出轴伸长或缩短的用于调节定子(1)与铜盘(2)距离的气隙调节组件(5)。
2.根据权利要求1所述的变气隙涡流调速感应电机，其特征在于：所述定子(1)的铁心采用了卷铁心形式。
3.根据权利要求1所述的变气隙涡流调速感应电机的工作方式，其特征在于：
定子(1)的绕组中加载对称的三相交流电，从而产生一个以同步转速n1沿定子和铜盘间气隙作顺时针或逆时针方向旋转的旋转磁场；
软启动：定子(1)与铜盘(2)之间，在额定转速时，两者的空气间隙即气隙最小，此时其相互间存在一个静磁场吸力f1；电机启动过程中，定子(1)产生的旋转磁场与铜盘(2)之间有较大的相对速度差，该速度差又在二者之间产生一个轴向动态磁感应斥力f2；当f2＞f1时，铜盘(2)将被推开，使定子与铜盘之间气隙逐渐增大；随着气隙的增大，传递的扭矩减小，使电机在较小的负荷下逐渐完成启动过程，即实现了电机的软启动；此后、铜盘(2)继续加速使转速差逐渐减小，轴向动态磁感应斥力f2开始逐渐减小；当f2＜f1时，静磁场吸力f1又将铜盘(2)拉回来，气隙开始逐渐减小；随着气隙的减小，传递的扭矩增大，与负载连接的铜盘(2)转速逐渐加快，转速差迅速减小，最后达到设定的额定转速差ns，气隙也回到了初始位置，负载开始在额定状态下正常运转；过载保护：当负载出现过载或卡死的情况时，与负载连接的铜盘(2)的转速很快下降到零，此时定子(1)产生的旋转磁场与铜盘(2)之间的相对速度差达到最大值，产生的磁感应推力f2＞＞f1并能迅速将铜盘推开至气隙最大处，这一气隙距离使得定子(1)与铜盘(2)之间失去相互间的磁作用力，从而在电机与负载之间失去扭矩传递，使电机得到完全保护；
负载波动：当负载的扭矩发生周期性变化的时候，定子(1)和铜盘(2)之间的距离在最大气隙到最小气隙之间变动，实现周期性变化的扭矩传递；
调速：输出转轴(4)通过气隙调节组件(5)改变定子(1)与铜盘(2)间的气隙距离；在负载不变的情况下，定子(1)和铜盘(2)之间气隙的改变将使输出扭矩发生变化，从而实现负载转速变化。
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