CN103701254A

CN103701254A - 一种通过改变转子磁场分布的交流调速电动机

Info

Publication number: CN103701254A
Application number: CN201310743285.3A
Authority: CN
Inventors: 岳建华; 岳征宇; 李兰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-04-02

Abstract

一种通过改变转子磁场分布的交流调速电动机，包括电动机外壳组件、电动机定子组件、电动机轴组件、转子组件、调速组件、定转子磁隙，其特征是：通过调速组件改变定子旋转磁场在转子铜环上的磁场分布，从而改变电动机定、转子电磁耦合力，实现了电动机的直接调速。此种电动机将驱动与调速合而为一，不再需用如液力偶合器、变频器等装置来调速，有效降低了设备投资和维护费用，降低了安装需用的空间，相对其他调速装置(如液力偶合器、变频器)，系统效率更高。

Description

一种通过改变转子磁场分布的交流调速电动机

技术领域

本发明涉及电力驱动领域-一种通过改变转子磁场分布的交流调速电动机的方法。

背景技术

在工业和人民生活中，大量需要对风机、水泵等设备进行变速运行，以降低这些设备的运转能耗。工业领域如电力、石油化工、冶金、水泥等的风机、水泵、压缩机、轧钢机和空分装置等大部分需要调速运行，占整个工业的70％左右；民用如空调、冷藏-冷冻设备和通风设备也需要调速；纵观工业和民用，电动机的调速市场占整个电力需求的60％以上。

工业上对风机、水泵、压缩机、轧钢机和空分装置等进行调速的主要技术有：液力偶合器、高(中)低压变频器、永磁调速装置和汽轮机驱动等。其中液力偶合器、永磁调速装置均需要在电动机和被驱动设备(如风机、水泵等)之间安装独立的调速设备，造成系统结构复杂，维护工作大，造价高；同时液力偶合器消耗大量高品质的液压油、永磁调速装置需用大量的稀土永磁材料；汽轮机是替代电动机进行驱动的，系统复杂，造价高，维护工作大；高(中)低压变频器是对电动机的电源进行调频-调压控制，体积大、寿命期投资费用高(约10年左右进行更换)、修理难度大，消耗大量的贵重金属(如金、铜)，同时大功率、高电压电力电子器件基本被国外垄断。

以上几种大功率调速设备除汽轮机驱动外，均涉及到电动机调速驱动，采用的调速装备均是独立于电动机外的设备，造成系统复杂、维护难度大、占用空间多、投资高等。

发明内容

本发明涉及一种通过改变电动机转子磁场分布的交流调速电动机，此种电动机将电能转换为机械能的同时，通过改变电动机转子磁场分布，实现了电动机的无级调速，即实现了电动机直接调速。

本发明的技术方案是：一种通过改变转子磁场分布的交流调速电动机，包括电动机外壳组件(1)、电动机定子组件(2)、电动机轴组件(3)、转子组件(4)、调速组件(5)、定转子磁隙(6)，其特征是：

1电动机壳体组件(1)，包括电动机外壳(1-1)、电动机端盖(1-2)、轴承端盖(1-3)、转子轴承(1-4)、固定螺栓(1-5)；电动机外壳(1-1)上固定着定子铁心(2-1)和定子通风部件(2-2)，电动机外壳(1-1)两端固定着电动机端盖(1-2)，电动机端盖(1-2)固定着转子轴承(1-4)和轴承端盖(1-3)，两侧电动机端盖(1-2)用固定螺栓(1-5)固定在电动机外壳(1-1)上；电动机轴(3-1)固定在转子轴承(1-4)上，电动机轴(3-1)通过轴向轴承部件(3-4)与电动机转子组件(4)实现连接，实现电动机转子组件(4)在电动机轴(3-1)上轴向移动；转子组件(4)中的转子驱动耦合件(4-7)通过调速驱动组件(5-1)、中间传动机构(5-2)与控制电动机(5-3)相连接，调速驱动组件(5-1)与转子驱动耦合件(4-7)通过滑动模块或轴承连接，中间传动机构(5-2)与控制电动机(5-3)固定在电动机端盖(1-2)；传感器(5-4)与调速驱动组件(5-1)接触并固定在电动机端盖(1-2)；转子铁心(4-1)、转子铜环(4-2)与定子铁心(2-1)之间通过定转子磁隙(6)实现了磁耦合。

2电动机定子组件(2)，包括定子铁心(2-1)、定子通风部件(2-2)、定子通风孔(2-3)、铁心固定螺栓(2-4)、定子线圈(2-5)，定子铁心(2-1)与定子通风部件(2-2)相邻布置，由于定子通风部件(2-2)不导磁，故定子线圈(2-5)产生的旋转磁场主要集中在定子铁心(2-1)中，定子铁心(2-1)采用高质量的硅钢片或其他优质导磁材料。

3电动机轴组件(3)，包括电动机轴(3-1)、转子轴轴流风扇(3-2)、转子滑道(3-3)、轴向轴承部件(3-4)，电动机轴(3-1)中的转子滑道(3-3)与转子组件(4)是通过轴向轴承部件(3-4)相连接，实现转子组件(4)在电动机轴(3-1)轴向灵活移动(在允许的范围内)、从而实现调速的目的；同时电动机轴上安装用于冷却转子的转子轴轴流风扇(3-2)。

4转子组件(4)，包括转子铁心(4-1)、转子铜环(4-2)、转子通风孔(4-3)、转子铁心固定螺栓(4-4)、转子铜环通风孔(4-5)、转子轴流风扇(4-6)、转子驱动耦合件(4-7)，转子铁心(4-1)、转子铜环(4-2)相邻布置；转子铜环(4-2)安装在与转子铁心(4-1)相同材料的转子上；为了提高冷却效果，转子组件(4)安装有转子通风孔(4-3)、转子铜环通风孔(4-5)及转子轴流风扇(4-6)，转子铁心(4-1)采用高质量的硅钢片或其他优质导磁材料。

5调速组件(5)，包括调速驱动组件(5-1)、中间传动机构(5-2)、控制电动机(5-3)、传感器(5-4)，这些部件的组合，驱动转子组件(4)在电动机轴(3-1)平稳移动。

6为实现稳定调速的目的，转子铁心(4-1)加转子铜环(4-2)的宽度与定子铁心(2-1)加定子通风部件(2-2)的宽度相等，即满足图3的要求，A1+A2=B1+B2，B1=A2+1(cm)，B2=A1-1(cm)，具体尺寸根据负载特性决定。

7调速原理：根据调速要求(控制系统来的控制信号)给控制电动机(5-3)正或反转指令，通过调速驱动组件(5-1)、中间传动机构(5-2)驱动转子组件(4)在电动机轴(3-1)轴向移动，改变了转子铁心(4-1)、转子铜环(4-2)与定子铁心(2-1)相对位置，使通过转子铜环(4-2)的磁场发生变化，从而改变了定子旋转磁场对转子的电磁驱动力，实现了转子变速的目的；传感器(5-4)将转子位置变化送控制系统，以实现了闭环转速控制。

8定子旋转磁场与转子之间的磁耦合是通过定转子磁隙(6)实现的。

9本发明的调速组件(5)采用的是一种机械原理进行变速驱动的，根据不同容量的电动机，调速组件(5)还可以是机械的、气动的、液动的、电磁的等，由于这些技术是成熟的、本专业人员很容易理解的，故不在此叙述。

10本发明的轴向轴承部件(3-4)是为大功率变速驱动设计的，小容量电动机，可采用滑齿、滑条或滑动轴套等，由于这些技术是成熟的、本专业人员很容易理解的，故不在此叙述。。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是一种通过改变转子磁场分布的交流调速电动机的剖视图，其中a图是转子最高转速位置，b图是转子最低转速位置；

图2是一种通过改变转子磁场分布的交流调速电动机局部(轴向)剖视图；以及

图3是一种通过改变转子磁场分布的交流调速电动机的定子、转子铁心与铜环配合图；

图中

1-电动机壳体组件，包括电动机外壳(1-1)、电动机端盖(1-2)、轴承端盖(1-3)、转子轴承(1-4)、固定螺栓(1-5)；2-电动机定子组件，包括定子铁心(2-1)、定子通风部件(2-2)、定子通风孔(2-3)、铁心固定螺栓(2-4)、定子线圈(2-5)；3-电动机轴组件，包括电动机轴(3-1)、转子轴轴流风扇(3-2)、转子滑道(3-3)轴向轴承部件(3-4)；4-转子组件，包括转子铁心(4-1)、转子铜环(4-2)、转子通风孔(4-3)、转子铁心固定螺栓(4-4)、转子铜环通风孔(4-5)、转子轴流风扇(4-6)、转子驱动耦合件(4-7)；5-调速组件，包括调速驱动组件(5-1)、中间传动机构(5-2)、控制电动机(5-3)、传感器(5-4)，6-定转子磁隙。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1～3示出了根据本发明的实施方式的一种通过改变转子磁场分布的交流调速电动机。参加附图所示，下面是本发明的一个实施方式。

1电动机外壳(1-1)上固定着定子铁心(2-1)和定子通风部件(2-2)，电动机外壳(1-1)两端固定着电动机端盖(1-2)，电动机端盖(1-2)固定着转子轴承(1-4)和轴承端盖(1-3)，两侧电动机端盖(1-2)用固定螺栓(1-5)固定在电动机外壳(1-1)；电动机轴(3-1)固定在转子轴承(1-4)上，电动机转子组件(4)通过轴向轴承部件(3-4)与电动机轴(3-1)连接，实现电动机转子组件(4)在电动机轴(3-1)轴向移动；转子组件(4)中的转子驱动耦合件(4-7)通过滑动模块或轴承与调速驱动组件(5-1)相连接，中间传动机构(5-2)与控制电动机(5-3)固定在电动机端盖(1-2)；传感器(5-4)与调速驱动组件(5-1)触点连接并固定在电动机端盖(1-2)；转子铁心(4-1)、转子铜环(4-2)与定子铁心(2-1)之间通过定转子磁隙(6)实现了磁耦合。

2定子铁心(2-1)与定子通风部件(2-2)相邻布置，由于定子通风部件(2-2)不导磁，故定子线圈(2-5)产生的旋转磁场主要集中在定子铁心(2-1)中；定子铁心(2-1)与定子通风部件(2-2)采用铁心固定螺栓(2-4)进行紧固，并镶嵌在电动机外壳(1-1)上；为提高对定子铁心(2-1)、定子线圈(2-5)的冷却效果和与转子向配合，定子上设计有定子通风部件(2-2)，定子线圈(2-5)安装在定子铁心(2-1)和定子通风部件(2-2)，与一般电动机相同。

3电动机轴(3-1)与转子组件(4)是通过轴向轴承部件(3-4)相连接，实现转子组件(4)在电动机轴(3-1)轴向灵活移动(在允许的范围内)；为提高转子的冷却效果，在电动机轴上安装用于冷却的转子轴轴流风扇(3-2)、在图1中冷却风的方向是由左到右。

4转子铁心(4-1)、转子铜环(4-2)相邻布置；转子铜环(4-2)安装在与转子铁心(4-1)相同材料的转子上(内芯)，转子铜环(4-2)厚度为1～3cm；为了提高冷却效果，转子组件(4)安装有转子通风孔(4-3)、转子铜环通风孔(4-5)及转子轴流风扇(4-6)，转子轴流风扇(4-6)是主要用来冷却定子线圈(2-5)和定子铁心(2-1)；转子组件(4)与电动机轴(3-1)通过轴向轴承部件(3-4)连接，转子组件(4)中的转子驱动耦合件(4-7)与调速组件(5)中的调速驱动组件(5-1)采用滑动模块或轴承相连接。

5调速驱动组件(5-1)安装在中间传动机构(5-2)的涡丝上；中间传动机构(5-2)的蜗杆与控制电动机(5-3)相连接，蜗杆的死点在电动机的非驱动端(图1的右侧)电动机端盖(1-2)上；传感(5-4)的位移监测杆与调速驱动组件(5-1)相接触，准确的反应转子位移情况；中间传动机构(5-2)机构和控制电动机(5-3)安装在电动机端盖(1-2)上；这些部件的组合，驱动了转子组件(4)在电动机轴(3-1)平稳移动的目的。

6为实现稳定调速的目的，转子铁心(4-1)加转子铜环(4-2)的宽度与定子铁心(2-1)加定子通风部件(2-2)的宽度相等，即A1+A2=B1+B2，B1=A2+1(cm)，B2=A1-1(cm)，见图3。

7转子铁心(4-1)与转子铜环(4-2)和定子铁心(2-1)与定子通风部件(2-2)相邻布置是本发明的基础。电动机调速机理陈述如下：

根据调速要求给控制电动机(5-3)或反转指令，从而驱动转子组件(4)在电动机轴(3-1)轴向移动，改变了转子铁心(4-1)、转子铜环(4-2)与定子铁心(2-1)相对位置；当定子铁心(2-1)与转子铜环(4-2)对中时，由于定子磁通全部在转子铜环(4-2)中产生感应电流，其感应电流与定子旋转磁场相互作用，驱动电动机转子旋转，见图1(a)，此时电动机转速最高；当定子铁心(2-1)与转子铁心(4-1)对中时，定子磁通大部分通过转子铁心(4-1)，由于转子铁心(4-1)采用高电阻高导磁材料，故基本没有感应电流，也基本没有旋转驱动力，故电动机转速最低或为零，见图1(b)；当定子铁心(2-1)与转子铜环(4-2)部分对齐时，由于定子部分磁通在转子铜环(4-2)中产生部分感应电流，转子铜环(4-2)部分感应电流与定子旋转磁场相互作用，其电磁驱动力小于定子铁心(2-1)与转子铜环(4-2)对中状态，电动机转子以小于最高转速的速度运行；定子铁心(2-1)与转子铜环(4-2)对齐越多转子转速越高，反之转子转速越低。

转子铁心(4-1)的目的是保证转子在不同轴向位置时，保证定子励磁阻抗不发生大的变化，从而防止定子超电流，同时也实现了电动机软启动运行。

传感器(5-4)将转子位置变化送控制系统，满足闭环转速控制的要求。当然根据工程要求可以直接测量电动机转子转速。

8定子旋转磁场与转子之间的磁耦合是通过定转子磁隙(6)实现。

9各轴承、滑动部件加油装置是通用技术，在此不在叙述。

10本发明的电动机适合不同形式(如卧式、立式等)、不同容量的电动机。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims

1.一种通过改变转子磁场分布的交流调速电动机，包括电动机外壳组件、电动机定子组件、电动机轴组件、转子组件、调速组件、定转子磁隙，其特征是：

电动机壳体组件包括电动机外壳、电动机端盖、轴承端盖、转子轴承、固定螺栓；电动机外壳上固定着定子铁心和定子通风部件，电动机外壳两端固定着电动机端盖，电动机端盖固定着转子轴承和轴承端盖，两侧电动机端盖用固定螺栓固定在电动机外壳上；电动机轴固定在转子轴承上，电动机转子组件通过轴向轴承部件与电动机轴耦合并在电动机轴轴向移动；转子组件中的转子驱动耦合件通过调速驱动组件、中间传动机构与控制电动机相连接，调速驱动组件与转子驱动耦合件通过滑动模块或轴承连接，中间传动机构与控制电动机固定在电动机端盖；传感器与调速驱动组件连接并固定在电动机端盖上；转子铁心、转子铜环与定子铁心之间通过定转子磁隙实现了磁耦合。

定子铁心(导磁材料)与定子通风部件(非导磁材料)相邻布置，转子铁心、(导磁材料)转子铜环(铜环内部是导磁材料)相邻布置，通过移动转子组件改变转子铜环与定子铁心的耦合面积，实现电动机调速。

2.根据权利1所述的通过改变转子磁场分布的交流调速电动机，其中，电动机定子组件包括定子铁心、定子通风部件、定子通风孔、铁心固定螺栓、定子线圈，定子铁心与定子通风部件相邻布置，由于定子通风部件不导磁，故定子线圈产生的旋转磁场主要集中在定子铁心中，定子铁心采用高质量的硅钢片或其他优质导磁材料。

3.根据权利1所述的通过改变转子磁场分布的交流调速电动机，其中，电动机轴组件包括电动机轴、转子轴轴流风扇、转子滑道、轴向轴承部件，电动机轴中的转子滑道与转子组件是通过轴向轴承部件相连接，实现转子组件在电动机轴轴向灵活移动(在允许的范围内)；同时电动机轴上安装用于冷却的转子轴轴流风扇。

4.根据权利1所述的通过改变转子磁场分布的交流调速电动机，其中，转子组件包括转子铁心、转子铜环、转子通风孔、转子铁心固定螺栓、转子铜环通风孔、转子轴流风扇、转子驱动耦合件，转子铁心、转子铜环相邻布置；转子铜环安装在与转子铁心相同材料的转子上；为了提高冷却效果，转子组件安装有转子通风孔、转子铜环通风孔及转子轴流风扇，转子铁心采用高质量的硅钢片或其他优质导磁材料。

5.根据权利1所述的通过改变转子磁场分布的交流调速电动机，其中，调速组件包括调速驱动组件、中间传动机构、控制电动机、传感器，这些部件的组合，驱动转子组件在电动机轴上平稳移动。

6.根据权利1所述的改变转子磁场分布的交流调速电动机，其中，为实现稳定调速的目的，转子铁心加转子铜环的宽度与定子铁心加定子通风部件的宽度相等，转子铜环宽度比定子铁心宽度多1(cm)。

7.根据权利1～6所述的通过改变转子磁场分布的交流调速电动机，其中，调速机理是根据调速要求给控制电动机正或反转指令，从而驱动转子组件在电动机轴轴向移动，从而改变了转子铁心、转子铜环与定子铁心的相对位置，使通过转子铜环的磁场发生变化，从而改变了定子旋转磁场对转子的电磁驱动力，实现了转子变速的目的；传感器将转子位置变化送控制系统，以实现了闭环转速控制。

8.根据权利1～6所述的通过改变转子磁场分布的交流调速电动机，其中，定子旋转磁场与转子之间的磁耦合是通过定转子磁隙实现的。

9.根据权利1～6所述的通过改变转子磁场分布的交流调速电动机，其中，本发明的调速组件采用的是一种机械原理进行变速驱动的，根据不同容量的电动机，调速组件还可以是机械的、气动的、液动的、电磁的等，在基于改变转子磁场分布的交流调速电动机机理上应用均属于本发明所保护的。

10.根据权利1～6所述的通过改变转子磁场分布的交流调速电动机，其中，本发明的轴向轴承部件是为大功率电动机变速驱动设计的，小容量电动机，可采用滑齿、滑条或滑动轴套等，在基于改变转子磁场分布的交流调速电动机机理上应用均属于本发明所保护的。