CN101534029B - 一种大容量高转矩密度的多相感应电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大容量高转矩密度的多相感应电动机，包括定子、转子和机座，定子和转子被密封于机座内，定子绕组的相数为5的倍数，每相绕组间电气上无连接，每相绕组均为独立引线，定子绕组为整距集中形式；定子铁芯采用轴向分段结构，所述的定子绕组由变频器提供非正弦供电、供电电压通过基波与三次谐波叠加而成，其特点是：所述的机座为密封结构，在机座与转子转轴上采用润滑脂与铁粉混合物作为密封介质密封。本发明通过采用多相设计、非正弦供电、蒸发冷却技术、旋转密封技术和等电阻搅拌摩擦焊工艺等实现感应电动机转矩密度的大幅提高，在提高转子气隙剪切力的同时，实现了感应电机效率的提高。

Description

一种大容量高转矩密度的多相感应电动机

技术领域

本发明属于感应电机的结构设计领域，尤其涉及一种大容量高转矩密度的多相感应电动机。

背景技术

交流传动系统具有调速快捷、布置灵活、高效等一系列的优点，其在船舶推进等领域得到了广泛的应用，但随着这些特殊应用场合的空间限制和功率需求的不断提高，传统电机已成为制约交流传动系统进一步应用的瓶颈，因此，需要发明高转矩密度的推进电机。

感应电机由于具有结构简单、运行可靠等特点，是应用最广的推进电机类型。与同步电动机相比，感应电动机转子上不设置励磁绕组，需要由定子侧提供交流励磁，为使功率因数不至较低，一般说来，感应电机气隙较同步电机要小，这样使得在满足抗冲击性能和效率上存在着一定制约，更为重要的是，由于传统电机电磁设计、冷却方式和加工工艺的常规化，使得感应电动机的转矩密度始终难以大幅提高。

随着功率等级的不断提升和单个电力电子变换单元容量的限制，多相化已成为一个重要的发展方向，事实上，多相电机还存在脉动转矩小、冗余性高等优点。

由于电机齿槽结构的存在，齿部磁密往往成为制约电机饱和度的重要因素，而传统电磁设计多基于正弦供电方式，气隙合成磁势呈正弦分布，仅有少数齿部饱和程度较高，而大多数齿部饱和程度较低，整个铁芯的利用率不高，因此需要提出一种新的供电方式来提高铁芯材料的利用率和效率。

随着感应电机转矩密度的提高，一方面，电磁尺寸得到大大减小，即使采用与同步电机相似的气隙也不会明显影响电机的功率因数；另一方面，电机的损耗密度也在提高，传统的空气冷却方式已经难以满足散热和低噪声的要求，因此需要采用新型的高效冷却方式。

在加工工艺上，传统感应电机转子端板和导条通常采用中频焊接等焊接方式，这些焊接方式由于需要使用电阻率远大于转子导条本身的焊料，不可避免的增加了接触电阻，不仅会增加损耗，更重要的是还存在局部发热导致端板膨胀断裂的可能，因此需要研究新的加工工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大容量高转矩密度的多相感应电动机。

为了实现上述目的，本发明包括定子、转子和机座，定子和转子被密封于机座内，定子绕组的相数为5的倍数，每相绕组间电气上无连接，每相绕组均为独立引线，以5相为基本单元，每个基本单元内的5个相绕组的中性点连接在一起；定子绕组为整距集中形式；定子铁芯采用轴向分段结构，所述定子绕组由变频器提供非正弦供电、供电电压通过基波与三次谐波叠加而成，其特点是：所述的机座为密封结构，在机座与转子转轴上采用润滑脂与铁粉混合物作为密封介质密封。

所述转子的转子导条和端环采用搅拌摩擦焊焊接而成，且焊接部位的电阻率与转子导条一致。

所述的机座中注入的蒸发冷却介质自然液面位于电机轴承下沿和转子导条底部之间，位于自然液面下的定子铁芯、定子绕组和转子都采用浸泡式蒸发冷却方式进行冷却，转子通过转动实现整个转子的冷却；通过将一部分蒸发冷却介质抽到定子铁芯段的导液沟中，导液沟位于定子铁芯内径处设置了堵块，以防止冷却介质大量漏出，整个定子铁芯和铁芯段定子绕组都浸泡在蒸发冷却介质中进行冷却；通过将另一部分蒸发冷却介质抽到位于定子绕组端部的喷淋环中，喷淋环再将冷却介质喷注到定子端部绕组上进行冷却。

本发明通过采用多相设计、非正弦供电、蒸发冷却技术、旋转密封技术和等电阻搅拌摩擦焊工艺等实现感应电动机转矩密度的大幅提高，在提高转子气隙剪切力的同时，实现了感应电机效率的提高。

本发明与常规感应电机重要不同之处在于电磁设计、冷却方式和加工工艺，这些新技术的采用为大幅度提高感应电机的转矩密度奠定了基础。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明定子绕组分布图。

图3为本发明基波磁势与3次谐波磁势叠加波形。

图4为本发明旋转密封示意图。

图5为本发明搅拌摩擦焊示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

现以一台十五相感应电机为例，具体说明本发明的电机在电磁设计和结构上的特点。

本发明由定子1、转子2、机座3、转轴4、旋转密封5、冷却器6和蒸发冷却系统(储夜盒7、磁力泵接口8和喷淋环9)构成(图1)。

本发明的整个电机采用新型蒸发冷却方式，蒸发冷却介质储存在电机底部的储夜盒7中，通过磁力泵接口8将冷却介质抽入到机座3内部和喷淋环9。电机采用卧式结构，其中定子铁芯1采用分段结构，开有多段径向导液沟，整个定子铁芯段与铁芯段的定子绕组均采用浸泡式蒸发冷却技术，在径向导液沟与定子铁芯内缘处设有堵块，以防止蒸发冷却介质大量漏出；定子端部绕组通过喷淋环9进行喷淋冷却；转子2下半部浸泡在冷却介质中，通过转子的转动实现冷却；蒸发冷却介质通过汽化潜热并带走的热量，与位于电机顶端的冷却器6进行热量交换，通过二次冷却介质(水或海水)将热量带出电机本体，同时蒸发冷却介质又变成液态滴落到电机本体上；为了防止冷却介质泄漏到电机本体以外，整个机座3采用密闭设计，在机座3与转轴4处采用旋转密封5。

本发明定子绕组采用每相绕组的两端均引出，相间无电气连接的空间位置分布(图2)。

本发明定子端由变频器实现非正弦供电、即在基波电压中注入三次谐波电压，为了充分利用三次谐波，定子绕组设计为独立引线的15相整距集中绕组，采取PWM方式控制基波与三次谐波电压使电机磁路中的基波磁势与三次谐波磁势按峰谷相对方式相互叠加(图3)，降低了气隙磁势和气隙磁密的峰值，并提高铁心材料的利用率；

本发明旋转密封结构以润滑脂与铁粉混合物作为密封介质10，永磁体11通过导磁钢12、密封介质10和转轴4形成导磁回路，密封介质10在磁场的作用下充满在转轴4和导磁钢12的间隙(图4)，从而起到密封的作用。为了避免分磁并满足散热要求，采用非导磁钢15作为基座，且通过散热冷却通道13带走接触旋转产生的摩擦损耗，进而维持旋转密封的可靠运行。

本发明为减小因转子导条和端环普通焊接方式导致较大的接触电阻，以及由此引起的损耗增加、局部过热和可靠性问题，通过搅拌摩擦焊进行转子导条和端环的焊接(图5)，将端环16套上转子导条17后，将摩擦头18紧压在端环16与转子导条17的接触面，利用摩擦头18高速旋转产生的热量将端环16和转子导条17的接触部分熔化在一起，从而形成一体，由于焊接过程不需要焊料，焊接部位的电阻率与端环16或转子导条17的电阻率基本一致。

本发明已通过最佳实施例的详细附图加以描述。熟于此领域技术人员可从最佳实施例衍生许多变化而毋须背离本发明的范畴。因此，最佳实施例不致限制本发明的范畴。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种大容量高转矩密度的多相感应电动机，由定子、转子和机座构成，其定子和转子被密封于机座内，定子绕组的相数为5的倍数，每相绕组间电气上无连接，每相绕组均为独立引线，以5相为基本单元，每个基本单元内的5个相绕组的中性点连接在一起；定子绕组为整距集中形式；定子铁芯采用轴向分段结构，所述的定子绕组由变频器提供非正弦供电、供电电压通过基波与三次谐波叠加而成，所述的机座为密封结构，在机座与转子转轴上采用润滑脂与铁粉混合物作为密封介质密封，其特征在于：所述的机座中注入的蒸发冷却介质，蒸发冷却介质自然液面位于电机轴承下沿和转子导条底部之间，位于自然液面下的定子铁芯、定子绕组和转子都采用浸泡式蒸发冷却方式进行冷却，转子通过转动实现整个转子的冷却；通过将一部分蒸发冷却介质抽到定子铁芯段的导液沟中，导液沟位于定子铁芯内径处设置了堵块，以防止冷却介质大量漏出，整个定子铁芯和铁芯段定子绕组都浸泡在蒸发冷却介质中进行冷却；通过将另一部分蒸发冷却介质抽到位于定子绕组端部的喷淋环中，喷淋环再将冷却介质喷注到定子端部绕组上进行冷却。

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