CN103166402B - 隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机 - Google Patents
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Abstract
隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机，包括转轴，转轴外侧的转子、转子外侧的定子和定子外侧的机壳，其特征在于：转轴与转子之间安装有钢套，钢套通过转轴上的定位销与转轴固定在一起；转子采用2pa+2pe极的隔磁磁阻和短路笼条一体式转子结构，硅钢片材料制成的转子叠片，沿径向叠压；定子嵌放两套绕组，运行时连接在变频器上的定子三相交流电枢绕组，以及运行时连接在可调直流电源上的定子单相直流励磁绕组。本发明省去了电刷和滑环，提高了运行可靠性；减少了高次谐波，降低了温升和噪声，改善了运行性能，而且电机的起动转矩大、输出转矩大、转矩脉动小、不易失步，运行稳定。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域，具体指一种隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机。
背景技术
常用电机包括感应电机、电励磁同步电机、永磁同步电机以及其它特种电机等，它们各有优缺点且在不同的应用领域发挥着重要作用。感应电机常常作为电动机运行，其中的鼠笼式感应电机具有结构简单和无刷可靠等优点，而绕线式感应电机具有比鼠笼电机更优的性能：如起动性能可调、便于实现串级或双馈调速等，但其固有的电刷滑环结构大大降低了其运行可靠性，且无法应用于易燃易爆场合。电励磁同步电机在电动和发电方面均有广泛的应用：与感应电动机相比，其效率和功率因数较高且功率因数可调，但其起动性能不如感应电机，而且也是有刷结构，可靠性差，在防爆场合应用同样受限；电励磁同步发电机是电能生产的主要设备，但电刷滑环结构影响其长期可靠运行，特别是在维护十分困难的大型风力发电系统中，其应用十分受限。永磁电机具有公认的优良运行性能且机械上无刷可靠，但是永磁材料的昂贵价格，限制了应用领域。
发明内容
本发明公开一种隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机，省去了易于出故障的电刷和滑环，充分提高了同步电机的运行可靠性，采用了磁场转换能力高的新型转子结构，运行十分性能优良，转子无需永磁材料，成本较低。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机，包括转轴，转轴外侧的转子、转子外侧的定子和定子外侧的机壳，其特征在于：转轴与转子之间安装有钢套，钢套通过转轴上的定位销与转轴固定在一起；转子采用2p a +2p e 极的隔磁磁阻和短路笼条一体式转子结构，转子叠片沿径向叠压；定子嵌放两套绕组，运行时连接在变频器上的定子三相交流电枢绕组，以及运行时连接在可调直流电源上的定子单相直流励磁绕组。
所述转子共有p a +p e 个凸极，相邻两凸极各二分之一部分共同组成一个叠片组，转子的整个圆周是由p a +p e 个完全相同的叠片组构成，每个叠片组沿轴向穿过三个固定螺杆，固定螺杆端部用螺母固定，叠片组底部留有燕尾，燕尾固定在钢套上冲制的燕尾槽里；相邻两个叠片组之间在靠近转子表面处沿轴向放置导电笼条，转子的整个圆周共放置p a +p e 根导电笼条，导电笼条的两端用导电圆环压紧实现短路连接，这些导电笼条与端部短路圆环一起统称为短路笼条。
所述定子的定子槽分为三层，嵌放两套绕组，其中槽顶部的两层嵌放极数为2p a 的定子三相交流电枢绕组，设计为三相对称双层短距分布式叠绕组；槽底部一层嵌放极数为2p e 的定子单相直流励磁绕组，设计为单相同心式正弦绕组。
所述叠片组上设置有导磁层，相邻两凸极导磁层上留有至少三层宽度相等的均匀隔磁层，并保持各隔磁层与导磁层之间宽度比例相同，导磁层之间通过径向连接筋相连，将各导磁层连接为一个整体。
所述导电笼条采用分段式结构放置。
所述固定螺杆由非导磁材料制成。
所述钢套由非导磁材料制成。
所述转子的隔磁层为环氧树脂或者其它耐高温非导磁材料制成。
所述隔磁磁阻和短路笼条一体式转子隔磁层为U形。
隔磁磁阻和短路笼条一体式转子隔磁层为弧形。
本发明的有益效果是：提供了一种隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机，省去了电刷和滑环，提高了运行可靠性。定子的三相对称电枢绕组和单相正弦绕组设计的直流励磁绕组减少了高次谐波，降低了温升和噪声，改善了运行性能，而且电机的起动转矩大、输出转矩大、转矩脉动小、不易失步，运行稳定等。转子采用了隔磁磁阻和短路笼条一体式转子结构，充分提高了两套定子绕组的磁场转换能力，改善了电机运行性能，提高了效率。转子具有结构新颖，工艺简单，成本低廉，机械强度高，运行可靠，结构模块化，便于产业化等方面的显著优势。
附图说明：
图1为本发明所述电机运行示意图；
图2为U形隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机；
图3为弧形隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机；
附图标记说明：
1.定子、2.定子三相交流电枢绕组、3.定子单向直流励磁绕组、4.转子、5.固定螺杆、6.隔磁层、7.导磁层、8.导电笼条、9.转轴、10.钢套、11.燕尾、12.定位销、13.机壳、14.可调直流电源、15.电网。
具体实施方式：
本发明公开一种通用型隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机，定子上嵌有三相对称交流电枢绕组和单相同心式正弦绕组设计的定子直流励磁绕组，转子采用隔磁磁阻和短路笼条一体式转子结构，定子上的电枢绕组和直流绕组，依靠转子的磁场转换作用，实现良好耦合。该转子不仅具有优良的磁场转换能力，而且坚固耐用、安全可靠、效率较高。该电机既可以作为电动机亦可作为发电机使用，做电动机运行时，嵌放在定子上的电枢绕组通入三相对称正弦交流电，定子直流绕组短路以实现自起动，起动结束后定子直流绕组两端切换到直流电，电机进入同步运行状态，因此该电动机具有良好的自起动能力和同步运行性能。外力拖动转子旋转，定子直流励磁绕组加直流电，定子交流电枢绕组能够输出三相对称的正弦交流电，实现同步发电运行。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
图2为本发明所述电机结构图，如图所示，包括转轴9，转轴9外侧的转子4、转子4外侧的定子1和定子1外侧的机壳13，转轴9与转子4之间安装有非导磁材料制成的钢套10，钢套10通过转轴9上的定位销12与转轴9固定在一起。
转子4采用2p a +2p e 极的隔磁磁阻和短路笼条一体式转子结构，转子叠片沿径向叠压。具体为：转子4共有p a +p e 个凸极，相邻两凸极各二分之一部分共同组成一个叠片组，转子4的整个圆周是由p a +p e 个完全相同的叠片组构成，这样的对称结构形式可以实现仅仅加工一种叠片就可以组装成整个转子，因而可以大大减少工艺成本，便于产业化。叠片组沿径向叠压，这样可以减少涡流损耗，提高效率；每个叠片组沿轴向穿过三个由非导磁材料制成的固定螺杆5，固定螺杆5端部用螺母固定。叠片组上设置有导磁层7，相邻两凸极导磁层7上留有至少三层宽度相等的均匀隔磁层6，并保持各隔磁层6与导磁层7之间宽度比例相同，此时均匀厚度的隔磁层和导磁层间隔放置，导磁层7之间通过径向连接筋相连，将间隔分布的各导磁层7连接为一个整体。径向的连接筋可以保证足够的机械强度，隔磁层6采用环氧树脂或者耐高温非导磁材料填充。隔磁层6设计成均匀宽度，并设计为多个隔磁层，其目的是为了增大交轴磁阻而减少直轴磁阻，便于磁通沿着有利于磁场转换的趋势流通，加入隔磁层后，其磁场转换能力明显提高，而且隔磁层数越多，效果就越明显。隔磁层很多时，其成本加速增大，因此隔磁层应选择为合适层数。叠片组底部留有燕尾11，燕尾11固定在钢套10上冲制的燕尾槽里；相邻两个叠片组之间在靠近转子4表面处沿轴向放置导电笼条8，导电笼条8采用分段式结构放置，转子4的整个圆周共放置p a +p e 根导电笼条8，导电笼条8的两端用导电圆环压紧实现短路连接，这样就组成了隔磁磁阻和短路笼条一体式转子结构。p a +p e 根导电笼条8两组端部短路相连，统称为短路笼条。凸极中心线处放置导电笼条8，导电笼条8采用分层设计，其目的是为了克服感应电流的集肤效应。导电笼条8实际上类似于感应电机鼠笼型转子的笼条，加入导电笼条后，电机的起动转矩变大，输出转矩增大，转矩脉动减小，嵌入特性大大改善，运行性能获得了明显提高。
隔磁磁阻和短路笼条一体式转子根据隔磁层的形状可以分为两类：U形隔磁磁阻和短路笼条一体式转子和弧形隔磁磁阻和短路笼条一体式转子，两类转子具有同样的磁场转换能力，结合工艺及功率要求，U形隔磁磁阻和短路笼条一体式转子比较适用于大容量电机，而弧形隔磁磁阻和短路笼条一体式转子比较适用于中小型电机。
定子1的定子槽分为三层，嵌放两套绕组，其中槽顶部的两层嵌放极数为2p a 的定子三相交流电枢绕组2，设计为三相对称双层短距分布式叠绕组，运行时连接在变频器上，能够有效的抑制高次谐波。槽底部一层嵌放极数为2p e 的定子单相直流励磁绕组3，设计为单相同心式正弦绕组，能够削弱高次谐波，降低温升，减弱电磁噪声，提高效率，节省铜线，降低槽满率；运行时连接在可调直流电源上，稳定运行时定子直流励磁绕组通入的是直流电，放置在槽底部，这样可以减少电机漏抗。运行图如图1所示。设计时应满足 ，以便减小单边磁拉力，进而减少振动和噪声对电机运行性能的影响。在每组槽中，从中心线向两边看，槽中导体数逐步增多，这样从整个圆周来看，每个槽内放置的线圈总有效匝数沿着圆周是按正弦规律布线分配的。因为产生旋转磁场的交流电枢绕组和产生励磁磁场的直流励磁绕组均嵌放在定子上，因此该电机转子上没有电刷滑环，这种无刷结构形式，大大提高了该电机的运行可靠性。
转子采用隔磁磁阻和短路笼条一体式转子结构，等效极数为2（p a + p e ）（凸极数为（p a + p e ）），两套定子绕组分别在气隙中产生对应极数的磁场，即气隙中存在两种不同极数的磁场，一个为定子三相交流电枢绕组产生的圆形旋转磁场，另一个为正弦绕组设计的定子单相直流励磁绕组产生的励磁磁场，两个不同极数的磁场依靠隔磁磁阻和短路笼条一体式转子的磁场转换作用，完成定转子机电能量交换。
该电机既可以作电动机运行，亦可以作发电机运行。
作为电动机运行时，该电机具有优良的自起动能力，不同于其它类同步电机，无需要任何起动附加绕组，定子三相交流电枢绕组通过变频器接三相对称正弦交流电，定子直流绕组短路连接，此时，在气隙中产生两个磁场，一个为定子电枢绕组产生的圆形旋转磁场，另一个为定子励磁绕组感应电流产生的励磁磁场，两个磁场同时交链隔磁磁阻和短路笼条一体式转子，依靠转子特殊的磁场转换作用，实现两个磁场的共同作用，产生较大的起动转矩，因而能够使转子旋转起来。当转速达到同步转速的90%左右时，转速传感器检测转速信号并迅速将转速信号反馈至定子侧控制器，使直流绕组切换至可调直流电源，定子电枢绕组产生的磁场和定子直流绕组所产生的磁场共同作用，气隙中会产生2p a 极和2p e 极谐波为主要谐波的磁场，依靠等效极数为2（p a + p e ）的隔磁磁阻和短路笼条一体式转子的磁场转换作用，完成定转子之间的能量交换，电机最终以同步转速运行，达到稳态运行状态。
作为发电机运行时，转子由原动机拖动，定子直流绕组接在可调直流电源上，由于转子的等效极数为2（p a + p e ），因此定子直流绕组依靠于隔磁磁阻和短路笼条一体式转子的磁场转换作用，建立磁场，这样会在气隙中产生以2p a 极和2p e 极为主要谐波的磁场，2p e 极谐波实现定子直流绕组的励磁作用，2p a 极谐波会在定子电枢绕组中感应出三相对称正弦交流电。工作时可以通过控制器改变直流励磁绕组的通电初始位置，从而改变空载电动势和端电压之间夹角，使发电机工作在过励状态，这样发电机可以发出感性无功功率，从而提高电网功率因数，还可以通过调节励磁电流来实现弱磁调速。因为这种隔磁磁阻和短路笼条一体式转子结构新颖，隔磁层的存在，大大增加磁场转换效率，不仅使电机运行时起机电能量交换的主要谐波获得了增大，还能够使不利于机电能量转换的无用谐波获得了大大减小。转子中短路笼条的存在，不仅使电机具有了较大的起动转矩，起动时间进一步缩小，而且起动超调量很小，能够很快达到稳定运行的转速。
短路笼条的另一个重要作用就是使该电机具有了较强的潜入特性，在短路笼条感应电流的作用下，电机起动后潜入到同步运行，所需时间大大缩小，并且负载起动时的带载能力也获得很大提高。因此，集隔磁磁阻和短路笼条一体的转子，不仅具有很高的磁场转换能力和运行效率，而且具有起动性能良好，输出转矩较大，转矩脉动较小，不易失步等优良的运行性能。
Claims (7)
1.隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机，包括转轴（9），转轴（9）外侧的转子（4）、转子（4）外侧的定子（1）和定子（1）外侧的机壳（13），其特征在于：转轴（9）与转子（4）之间安装有钢套（10），钢套（10）通过转轴（9）上的定位销（12）与转轴（9）固定在一起；转子（4）采用2p a +2p e 极的隔磁磁阻和短路笼条一体式转子结构，转子叠片沿径向叠压；定子（1）嵌放两套绕组，运行时连接在变频器上的定子三相交流电枢绕组（2），以及运行时连接在可调直流电源上的定子单相直流励磁绕组（3）；
所述转子（4）共有p a +p e 个凸极，相邻两凸极各二分之一部分共同组成一个叠片组，转子（4）的整个圆周是由p a +p e 个完全相同的叠片组构成，每个叠片组沿轴向穿过三个固定螺杆（5），固定螺杆（5）端部用螺母固定，叠片组底部留有燕尾（11），燕尾（11）固定在钢套（10）上冲制的燕尾槽里；相邻两个叠片组之间在靠近转子（4）表面处沿轴向放置导电笼条（8），转子（4）的整个圆周共放置p a +p e 根导电笼条（8），导电笼条（8）的两端用导电圆环压紧实现短路连接，这些导电笼条（8）与端部短路圆环一起统称为短路笼条；
所述定子（1）的定子槽分为三层，嵌放两套绕组，其中槽顶部的两层嵌放极数为2p a 的定子三相交流电枢绕组（2），设计为三相对称双层短距分布式叠绕组；槽底部一层嵌放极数为2p e 的定子单相直流励磁绕组（3），设计为单相同心式正弦绕组；
所述叠片组上设置有导磁层（7），相邻两凸极导磁层（7）上留有至少三层宽度相等的均匀隔磁层（6），并保持各隔磁层（6）与导磁层（7）之间宽度比例相同，导磁层（7）之间通过径向连接筋相连，将各导磁层（7）连接为一个整体。
2.根据权利要求1所述隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机，其特征在于：所述导电笼条（8）采用分段式结构放置。
3.根据权利要求1所述隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机，其特征在于：所述固定螺杆（5）由非导磁材料制成。
4.根据权利要求1所述隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机，其特征在于：所述钢套（10）由非导磁材料制成。
5.根据权利要求1所述隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机，其特征在于：所述转子（4）的隔磁层（6）为环氧树脂或者其它耐高温非导磁材料制成。
6.根据权利要求1所述隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机，其特征在于：所述隔磁磁阻和短路笼条一体式转子隔磁层（6）为U形。
7.根据权利要求1所述隔磁磁阻和短路笼条一体式转子无刷电励磁同步电机，其特征在于：所述隔磁磁阻和短路笼条一体式转子隔磁层（6）为弧形。
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