CN1034454A - 在电机转子中的导电金属镶嵌件 - Google Patents

Abstract

一种电机转子包括一层覆盖其大部分表面的高 电导金属涂层。高电导金属减少了由交流电源的高 频谐波引起的电涡流所产生的电阻性加热。在本发 明的一个实施例中，将激磁导体保持在纵向槽内的燕 尾斜铁的表面被涂以一层紫铜涂层。转子的极区包 括若干切槽，以保持涂有高电导金属的倒角的磁性材 料斜铁。在转子相对二端的保持环也可涂以高电导 金属。

Description

本发明涉及电机，尤其涉及到交流电机的转子。

电机既可以是电动机，也可以是发电机。具体地说，本发明是按电动机来描述的，应该明白，下面的叙述同样适用于发电机。

传统的电动机采用由整体磁性金属锻件制成的转子，若干绕组镶入其纵向槽内，以便输入一激磁直流电流，在转子中产生若干磁极。转子在定子中心转动，定子一般由层叠许多相互绝缘的磁性金属片而成。定子包括若干绕组，它由交流电流激磁，从而产生一种以某一预定的角速度围绕转子轴旋转的磁场。

可以意识到，一种随时间变化的磁场是能在导电金属中感应电涡流的。最有用的磁性金属显示出较高的电阻率。结果，在该种金属中感生的电涡流能在电阻性加热中消耗大量的能量。避免电涡流损失的对策，对于电动机的定子和转子是不同的。

在电动机定子的任一点上，为了产生电动机赖以转动所需要的旋转磁场，必须存在一个随时间变化的磁场。用较薄的相互绝缘的磁性金属叠层制造定子，在很大程度上可避免在定子的磁性物质中产生过大的电涡流损失。每一片铁蕊很薄，和邻接铁蕊绝缘，形成了高电阻通路，从而严格限制了在其中感生的电涡流。

采用降低电涡流效应的叠层技术在大电机转子中是不适用的，因为由大直径转子迅速转动产生的应力不能为叠层结构所经受。因此，通常用整块高强度磁性金属锻件来制成转子。在锻件上加工出若干纵向槽以安装导体来建立磁场。在转子二端的端部拐弯处导体相互连接通过插入接近槽表面的燕尾槽中的燕尾斜铁，导体卡在槽中以抵抗相当大的离心加速度。端部拐弯处抵抗离心加速度是通过热装在锻件二端的高强度保持环来实现的。

因此，转子是一块相当大的磁性材料，由于存在随时间变化的磁场，在其中可能产生相当大的电涡流。

由于转子和由定子产生的旋转磁场同步旋转，在转子中电涡流一般是不存在问题的。这样除了由于负荷变化引起较小的变化外，转子上各点处在一个大体不变的磁场里。结果不产生电涡流。

某些类型的电动机采用合成波形，按直流电源或其频率不同于电动机所要求的交流电源来控制交流电动机。一种通常的情况，是要求按固定频率交流电源来驱动变速交流感应电动机。用于改变电动机转速的技术，包括减小固定频率电源的电流，从而允许电动机落后于和电源频率同步的情况下滑动。遗憾的是，当电动机远远滑出和旋转磁场同步时，电动机便不可能产生一个大的扭矩。旋转磁场和转子的转速差超过约6%时，扭矩下降到接近于零。这样，允许转子滑到旋转磁场频率以下，已限制了在许多方面的应用。

在负荷变换的变换器内，利用诸如闸流晶体管或可控硅整流器的开关装置来合成一个交流电源，它具有所希望的频率，并接近应用于定子所需的电流。由于采用开关装置来合成交流电源，因此就获得交流电，除了所希望的基本频率外，还包含基本上不希望的谐波。这样，虽然一个由该电源的基本频率所决定的某一转速所驱动的转子经受了按该基本频率大体不变的磁场，然而在各谐波频率处经受了很大的磁场变化。这种谐波频率范围约从几百赫兹到十或几十千赫兹。

若适用的主电源是交流电源，那么变换负荷的变换器采用一整流器和滤波器，在变换之前产生所要求的直流。

一循环换流器籍控制和开关交流电源直接从交流主电源上产生的交流电源输出来合成所需的输出波形。虽然该输出波形包含一基本频率，它同时还伴有各种基本高频谐波。如在变换负荷的变换器情况下，这些谐波能增强转子中的电涡流，结果引起功率损失和发热。

因此，本发明的目的是提供一种克服了现有技术缺点的电机转子。

本发明的另一目的是提供一种包括在其外表面上哂懈叩绲疾牧贤馔坎愕难辔残碧牡缁印?

本发明又一目的是提供一种包括许多配置于其上的高电导材料的条带的电机转子。

本发明再一目的是提供一种在其极区具有若干纵向槽、而在这些槽内具有磁性材料条带的电机转子。这些磁性材料条带在其径向外表面上有一高电导涂层。

简言之，本发明提供一种具有复盖其大部分表面的高电导金属涂层的电机转子。该高电导金属降低了因基本交流电源的高频谐波由电涡流引起的电阻发热。在本发明的一个实施例中，在将激磁导体保持于纵向槽内的燕尾斜铁的外表面上均涂以紫铜涂层。转子的极区包括保持涂有高电导金属的有倒角的磁性材料斜铁的若干切槽。在转子的相对二端的若干保持环也可涂以高电导金属。

按本发明的一个实施例，所配置的电机转子包括：至少具有第一和第二极区和至少具有第一和第二导体区的一般圆柱体转子，所述导体区包含用以在转子中产生某一磁场的若干导体，并包含至少在10%的园柱体转子表面区上的高电导金属涂层。

按照本发明的特点，所配置的电机转子包括至少具有第一和第二极区和至少具有第一和第二导体区的一般园柱体转子，所述导体区包含用以在转子中产生某一磁场的若干导体和至少在10%的园柱体转子表面区上的高电导金属涂层，所述导体区各包含若干其内装有导体的纵向槽，每一纵向槽包括一燕尾斜铁，盖住其开口，还包括至少涂覆在一些燕尾斜铁的一个外表面上的高电导涂层，至少第一和第二极区包括许多纵向槽，每一纵向槽包括装在其内的一个斜铁，一高电导涂层至少涂覆于许多斜铁的一个外表面上。

本发明上述的和其它的目的、特点以及优点从下面的叙述和附图中会变得明显，在附图中相同的序号代表相同的另件。

图1是电机的透视图，部分切去以便表示其内各转子另件;

图2为一电源变换器的简略方块图，带有该变换器，本发明就能工作;

图3为一循环变换器系统的简略方块图，带有该系统，本发明就能工作;

图4为一系列曲线，表示图3的循环变换器产生的输出波形种类;

图5为本发明转子的简略侧视图，表示在二极转子中电极和导体区的位置;

图6为沿包含激磁导体的纵向槽所取的图1转子的横剖视图;

图7为沿极区内纵向槽所取的图1转子的横剖视图;

图8为图7斜铁的放大视图。

首先参看图1，以数码10表示一电机，诸如一电动机。定子12由层叠的铁蕊片制成（未单独表示），包围着转子14的园柱体外周，转子14包括一园柱体转子锻件16，其第一和第二轴18和20自其相反二端轴向延伸。在某些实施例中，轴18和20是和转子锻件16构成整体。虽未表示，轴20可被连接来驱动一直流发电机，以便为转子14中的磁化导体提供直流电，而轴18可连接于负载。

一保持环22配置于转子锻件16的两端（仅表示转子锻件16后端上的保持环22）以支持端部拐弯（未示出）抵抗由转子14迅速转动引起的离心加速度。在某些电机里，用传统的方法把保持环22热套在适当的位置，使其可靠保持。因为这种热套装配是传统的，进一步叙述是不必要的。

现在参看图2，以数码24表示一电源变换器，本发明籍助于这一变换器便可被应用。一交流电源26，可有一固定频率，给整流器28供以交流电。整流器28产生适用于变换器30的直流电源。变换器30合成一多相（通常是三相）适用于电动机32的交流电波形。所合成的交流电波形可有一可控的电流和频率，从而能根据电动机控制适用的扭矩和转速。由于应用于可变换器30来合成交流电波形的开关技术是传统的，所合成的交流电波形，除了包含在所需频率上的很强的基本成分之外，还包含相当的谐波功率。

如先前所指出的，谐波的存在，使转子14（图1）受到随时间变化的磁场的作用，从而在其内产生所不希望有的电涡流。熟知本技术的人会理解到，适当的系统可用直流发电机来代替交流电源26和整流器28，而不影响装置的运转。

现在参照图3，循环变换器34用交流电源26的交流输出直接操作，以产生一合成的具有可控电流和基本频率的波形，用以驱动电动机32。在图4中将要看到的，供给电动机32的三相电流的波形，包括大量的能产生许多谐波分量的尖的阰跃波。

我已发现，在图2和图3的各系统中，所产生谐波的较高频率有限制电涡流于转子14表面的趋向。这是由通常与高频有关的集

效应造成的。集 效应有限制高频电流于表面的趋向，而在一导体的蕊部基本上无电流。根据这一认识，如果转子14的表面覆盖一种诸如银或紫铜的高电导材料涂层，任何在转子14中感生的电涡流将通过这一高电导涂层。由于发热量和功率消耗随电流所通过的导体的电阻而变化，若用一高电导材料来取代在低于它的磁性材料中所感生的大量电涡流的电导，将会使功率消耗和发热降低相当大的量。我已计算，一种覆盖转子14整个表面的紫铜涂层将会把由电涡流引起的功率消耗降低到原来的1/20至1/25左右。

现在再暂时参照图1，用具有足够厚度和粘性来经受使转子14表面受到作用的高加速度环境的高电导金属涂层来涂覆转子14的整个表面是困难的。一种显示满意的商用技术是爆炸粘接。

目前的商用爆炸粘接技术是不可能涂覆诸如大型电动机10的转子铸件16那样大的物件的。因此，必须寻找代用技术来提供转子锻件16上的高电导涂层。如果希望的话，用爆炸粘接来涂覆保持环22必定是可能的。

本发明不应被看成是限于应用导电涂层的个别技术。在用满意的导电涂层来涂覆像转子锻件16或保持环22那样大的物件方面，其它各种技术可能或变得有用。本发明必须考虑扩大到由其它那些技术和这里所举例的各种实现技术来涂覆的装置。

现在参照图5，表示了转子14的侧视图，用简略的方式表示下面要讨论的各区。转子14基本上是一整体锻件，具有由导体区40和42中的各导体条带（未示出）内的直流激磁电流激磁的极区36和38。在传统的转子里，极区36和38是锻件的一部分。导体区40和42包含纵向槽（未示出），其内保持着导体条带籍安装于燕尾槽内的燕尾斜铁来抵抗离心加速度，燕尾槽接近于纵向槽顶部的边缘。

现在参照图6，导体区40（以及导体区42，在图6中未示出）包括若干纵向槽44，每槽包含若干载流导体条带46。燕尾斜铁48装入一对在导体条带46顶部的相对的燕尾槽50和52内，把导体条带46保持在纵向槽内。

按照传统，燕尾斜铁48为诸如不锈钢或铍铜合金的高强度非磁性材料。该材料具有高的导电率。每一燕尾槽50的外表面包括一高电导涂层56，例如紫铜涂层。每一燕尾斜铁48应从燕尾槽50的一端连续地延伸到另一端。应当指出，虽然它们并不盖住导体区40内的转子14的整个表面，然而各外表面54彼此是足够接近的，它们盖住该表面的相当大部分。在一个实施例中，导体区40表面大约60%至70%是高电导涂层56，覆盖导体区40这样大部分表面的这种高电导材料把涡流损失减少到原来的1/10左右。

现在参照图7和图8，在传统的转子里，极区36（以及38，在图7中未示出），是光滑的和连续的。按照本发明在转子14中，许多纵向槽58各包含一斜度60。每一斜铁60在其外表面上包括一高电导表面涂层62和导体区40中的燕尾斜铁48（图6）相比，不要求斜铁60把大块导体条带保持在其下面。因此，纵向槽58和斜铁60在径向可做得比较薄，在切向可做得比较宽。斜铁60的垂直边被倒角，和纵向槽58的垂直边处的切槽部位配合，有助于保持斜铁60克服离心加速度。重要的是，使斜铁60的存在对电机磁路的影响要最小，因此，斜铁60最好为磁性金属，若是和转子14的金属相同，那就更好。每一斜铁60最好自转子14的一端连续延伸到另一端。

所要求的高电导涂层56（图6）和高电导表面涂层62（图8）的厚度取决于谐波的频率以及防止导电涂层脱落的各种机械因素。随着谐波频率增加，感生电流穿透深度下降。该厚度也可随电涡流的大小而变化。根据本发明申请日时的资料，我相信大约50/1000至250/1000英寸的紫铜的厚度能满足大系数转子的要求。不应理解成从本发明的范围内排除较薄或较厚的涂层。

在本优先实施例中，从60%至100%的转子锻件16和所有保持环22均覆盖高导电金属涂层，以降低电涡流消耗的电阻性发热。我相信，发热的可观减少，可通过用高导电涂层覆盖的少至10%转子表面积来达到。

由于有了本发明的理想的优先实施例，参照各附图，就会明白本发明不限于这些严谨的实施例，其中可以被熟悉本技术的人作出各种修改和变化，它们没有脱落如附录的权利要求书中所限定的本发明的精神和范围。

Claims (12)

1、一种电机转子，包括：

一个至少具有第一和第二极区及第一和第二导体区的一般园柱体转子；

所述导体区包含用以在转子中产生一个磁场的若干导体；

一层在至少10%的园柱体转子表面积上的高电导金属涂层。

2、一种按权利要求1所述的转子，其特征在于所述涂层是紫铜。

3、一种按权利要求1所述的转子，其特征在于：

上述每个导体区包含若干其中保有导体的纵向槽;

上述各个纵向槽包括一个覆盖其开口的斜铁;

上述高电导涂层至少配置于所述某些斜铁的一个外表面上。

4、一种按权利要求3所述的转子，其特征在于所述斜铁为非磁性材料，而所述高电导涂层是紫铜。

5、一种按权利要求4所述的转子，其特征在于所述紫铜是通过爆炸粘接涂覆的。

6、一种按权利要求1所述的转子，其特征在于：

至少所述第一和第二极区包括若干纵向槽;

所述每一纵向槽包括一个安装于其内的斜铁;

所述涂层至少配置于所述许多斜铁的一个外表面上。

7、一种按权利要求6所述的转子，其特征在于所述涂层是紫铜。

8、一种按权利要求6所述的转子，其特征在于所述斜铁是一种磁性金属。

9、一种按权利要求8所述的转子，其特征在于所述磁性金属与所述第一和第二极区中的金属基本上是相同的。

10、一种按权利要求1所述的转子，其特征在于所述涂层的厚度约为千分之五十至千分之二百五十英寸。

11、一种按权利要求1所述的转子，还包括：

在所述一般园柱体转子二末端的第一和第二保持环;

覆盖所述第一和第二保持环外表面很大部分的高电导金属涂层。

12、一种电机转子，包括：

一个至少具有第一和第二极区及第一和第二导体区的一般园柱体转子;

所述导体区包括用以在转子中产生一个磁场的若干导体;

一层在至少10%园柱体转子表面积上的高电导金属涂层。

所述导体区各包含若干其内保有导体的纵向槽;

所述每一纵向槽包括一个覆盖其开口的燕尾斜铁;

一层至少配置于所述某些燕尾斜铁的一个外表面上的高电导涂层;

所述至少第一和第二极区包括若干纵向槽;

所述每一纵向槽包括一个装于其内的斜铁;

所述高电导涂层至少配置于所述许多斜铁的一个外表面上。

Images