CN104377878A - 交流自调速电动机 - Google Patents

Abstract

一种转子本身能够直接高效率向定子绕组回馈过剩转差功率、节能调速运行的交流自调速电动机。它是在交流感应电动机转子一头设置了能直接向定子绕组回馈过剩转差功率的电磁构造，并通过转子铁心相对定子铁心位移，实现调控交流感应转子产生拖动负载转矩的一头所链绕定子每极磁通￠M与向定子绕组回馈过剩转差功率一头链绕定子每极磁通￠M的比值，从而直接调控定子转矩电流分量，使交流感应电动机具有高效率自调速的新功能。交流自调速电动机用于大功率风机和泵类的调速节能改造时，比现有的各种交流调速系统的造价都低很多倍，由于电动机本身具有高效率无极调速和软起动的新功能，能大幅度减少系统设备数量和配电容量。

Description

交流自调速电动机

技术领域

本发明涉及一种交流电气传动技术，尤其涉及三相交流异步电动机转子能直接高效率向定子边回馈过剩转差功率，节能调速运行的交流自调速电动机。

背景技术

三相交流异步电动机与直流电动机相比，具有容易制造、价格低廉、维护简单、运行可靠、以及电压等级、转速、功率上限等都远远高于直流电动机，所以90％的机械设备都是用交流电动机拖动。但是，现有交流异步电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，它自身难以像直流电动机那样拖动负载无极调速运行。由于受到其固有特性的制约，也难以克服在电机拖动系统中存在大量浪费电能的“大马拉小车”问题。

现有的交流调速传动系统，都需在被调速电动机外部附加各种结构复杂的调速装置，如串联在电动机输出轴上的液力耦合器、油膜离合器、电磁滑差离合器、永磁滑差离合器等，或是在交流绕线转子回路中串联多级电阻器，都是用消耗过剩转差功率的方式实现电动机下调转速拖动生产机械运行的目的。

交流异步电动机在定子回路中串联由大功率电力电子器件组成的变频调压装置，使电动机实现下调转速运行。这种由大功率电力电子器件组成的电子调速装置，尤其是高压变频调速装置，其技术非常复杂，体积、重量大，价格昂贵，而且都存在着多种较严重的负效应，如污染电网、使电机绕组快速老化、定子绕组被尖峰电压击穿、以及使供电系统母线电压过高造成公害等问题。特别突出的问题是交流变频调速装置用于风机、水泵、油泵等调速节能改造工程时，风机的转速下调21％其轴功率已下降到50％，运行时应节电50％，然而在多种产业多年来大量的实践是：在电动机与电网之间串联变频调速装置，下调转速小于20％运行时实际并不节电，在转速下调小于13％时比耗能调速装置用电还多，这早已成为业界人们的共识，所以20多年来一直未能在风机、水泵等量大面广的通用设备节能改造项目中成功推广和应用。

发明内容

为了彻底克服在交流异步电动机外部串联大功率电力电子调速装置如串级调速装置，给电动机造成的多种负效应和谐波污染电网等问题，本发明提供一种适用于现有大功率风机、水泵电机系统调速节能改造的经济型、高效率交流自调速电动机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：由交流电动机壳体、定子铁心、三相定子绕组、前后端盖、轴承盒、前后轴承、转子轴、转子铁心、转子绕组、转速传感器、转子转速调节系统、限位开关、接线盒及冷却风扇组成，其特征在于：转子轴由固定在前轴承内环孔中的空心前轴伸和前段有轴向滑动配合伸进空心前轴伸方孔中4至6个方的半轴组成，转子铁心由固定在半轴中段的导条槽顺时针方向歪、长度接近定子铁心长的长叠片和导条槽逆时针方向歪、长度是0.25至0.45定子铁心长的短叠片组成，转子绕组由穿嵌在长、短叠片歪槽中的转子导条、电联接长、短叠片歪槽中链绕定子不同极性磁通导条的电联接板和转子铁心两端的导条短路端环构成，在半轴的后段有2至6个内环固定在半轴后段外圆上的径向止推深沟球轴承，在深沟球轴承外环上固定有多轴承共用的轴承盒，共用轴承盒外圆上有一个轴向连体的内螺纹套管，共用轴承盒与端盖之间，有与轴承盒外圆及连体内螺纹套管外表面轴向滑动配合的异形导套，内螺纹套管的螺孔与转子转速调节系统中轴向拖动内螺纹套管的螺杆螺旋滑动配合。

通过人工给定或编程器输出的运行转速指令信号与智能转速表“962”测得的电动机瞬时转速比较，如果实际转速高于给定转速时智能转速表输出指令，使转子转速调节系统的伺服电机轴齿轮(15)转动，拖动减速齿轮(20)和轴向拖动内螺纹套管的螺杆(21)旋转，使内螺纹套管(22)、多轴承共用的轴承盒(25)、前段有六方的半轴(2)和转子铁心轴向位移，将转子铁心处于定子铁心外部的0.45定子铁心长的短叠片向定子内测移进，使处于定子内侧的0.95定子铁心长的长叠片从定子另一头移出定子铁心内侧，因为转子导条同一回路在长、短叠片槽内是链绕两种不同极性的磁通、感生相反方向的电势，所以转子铁心相对定子铁心的位移使短叠片槽中导条的反向电势上升、长叠片槽中导条的正向电势下降，每个转子导条回路中的和电势及转子电流都随着转子轴向位移而下降，致使电动机的输出转矩及转速下降，在降到给定的运行转速时，智能转速表“962”指令伺服电机停转，使交流自调速电动机转速稳定运行在给定转速下。

在转子铁心轴向位移到使铁心长、短叠片处于定子内侧的的长度接近时，因每个导条回路两头的电势幅值相等、方向相反，产生转子电流的和电势接近于零，交流自调速电动机的转子无转矩电流，也无转矩输出。在电动机接线盒处并联三相交流电容器后，定子绕组只从电网中吸收很小的交流自调速电动机空载损耗电流，将转子铁心的短叠片逐渐被移出定子铁心内侧时，转子的转矩电流也随着逐渐增大，待短叠片全部移出、长叠片全部进入定子铁心内侧时，交流自调速电动机的输出转矩和输出功率都达到额定值。

用交流自调速电动机拖动风机、水泵等机械设备，在需要调节系统流量时，由于设备的流量与转速成正比，能用调节设备转速的节能方式调节系统流量来取代用浪费电能的阻流方式调节流量。从而达到使拖动大功率风机，水泵的电机系统能实现大量节约电能的目的。

其从属特征在于：

1、转子转速调节系统是由伺服电机(13)、轴齿轮(15)、减速齿轮(20)、轴向拖动内螺纹套管的螺杆(21)、使传动螺杆定位在异形导套(23)上的2至5个深沟球轴承(14)、及轴承外环卡圈或压盖组成。

2、多轴承共用的轴承盒(25)和与轴承盒连体内螺纹套管(22)用自润滑的含油轴承材料制成。

3、空心前轴伸(1)后段的内孔和半轴外径上都有多条轴向滚道槽，在滚道槽中有轴向滚动的滚珠。

4、空心前轴伸(1)的后段内孔与半轴之间，有固定在前轴伸(1)后段内孔中2条以上的圆柱形传动扭矩的含油键，含油键在半轴前段的键槽中轴向滑动配合。

5、转速传感器采用接近开关和智能转速表。

6、转子绕组由串联嵌绕在长、短叠片链绕定子不同极性磁通槽中的漆包电磁线构成。

7、多轴承共用的轴承盒(25)的后端与装在后端盖(12)外侧的两个限位开关之间有轴向传动杆。

8、电动机的外装冷却风扇采用单项220V的轴流式冷却风扇。

有益效果

1、交流自调速电动机的转子回路和定子回路中都没有大功率电力电子器件组成的调速设备，三相交流定子绕组经开关直接接入三相交流电网中运行，彻底克服了串级调速、变频调速装置产生污染电网的高次谐波问题。

2、交流自调速电动机自身具有软起动和软停机的新功能，能在小于运行电流下启动风机、水泵等机械设备，由于没有大起动电流可使供电设备容量大幅下降，节约投资。

3、由于没有大起动电流、起动时不冲击电网，也没有起动时对电机绕组的热冲击，能延长绕组的使用寿命。

4、使用交流自调速电动机，能彻底消除风机、水泵、压缩机等电机系统中普遍存在着浪费电能的“大马拉小车”问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的380V三相交流自调速电动机的纵剖面构造图和外形图。

图2是图1的异形导套(23)、多轴承共用轴承盒(25)、内螺纹套管(22)A-A剖视图。

图3是6至10KV的高压箱式交流自调速电动机的纵剖面构造图和外形图。

图中1.后段有内六方孔的空心前轴伸，2.前段有6个方的半轴，3.前轴承的外防尘盖，4.接近开关，5.前端盖，6.前滚珠轴承，7.嵌线式转子绕组，8.定子绕组，9.定子铁心，10.转子铁心的长叠片，11.交流电动机壳体，12.后端盖，13.伺服电机，14.深沟球轴承，15.轴齿轮，16.冷却风扇，17.风罩，18.冷却风扇电机，19.风扇电机轴，20.减速齿轮，21.轴向拖动内螺纹套管的螺杆，22.与轴承盒连体的内螺纹套管，23.内孔与轴承盒滑动配合的异形导套，24.内油封盖，25.多轴承共用的轴承盒，26.转子轴后轴承，27.转子铁心的短叠片，28.接线盒，29.前轴承内防尘盖，30.前轴承盒，31.内冷却风轮，32.管式空气热交换器，33.打弯的转子导条端头，34.斜放的长、短铁心导条电联接铜板，35.装含润滑油的油蕊孔，36.长、短铁心之间的垫环，37.转子导条短路端环。

具体实施方式

在图1所示实施例中，空心前轴伸(1)压入前端盖滚珠轴承(6)的内环孔中并用轴卡圈轴向定位，滚珠轴承(6)的外环装入前端盖(5)内孔的外环卡圈位置；定子绕组(8)嵌入定子铁心(9)的绕组槽中，浸漆后将整体定子压入交流电动机壳体(11)内孔偏前位置；转子铁心的长叠片(10)固定在前段有外六方的半轴(2)中段的后端盖一头，套上长、短叠片之间的垫环(36)后，将转子铁心的短叠片(27)压装固定在半轴(2)中段前端盖一头，并在转子铁心前后两端用轴卡圈轴向定位，在转子铁心的外层槽或内层槽中装上槽绝缘后，再将用漆包电磁线制成的多组绝缘线圈顺序嵌绕在长短叠片有槽绝缘的槽中，经过整形并用无纬带加固后的转子绕组(7)再进行浸绝缘漆处理；把内油封盖(24)穿到半轴(2)的后段，两个转子轴后轴承(26)压装在半轴(2)的后段轴头外圆上，转子轴后轴承(26)的外环装上多轴承共用的轴承盒(25)和外环卡圈，以及在半轴(2)后轴头套上垫环和轴卡圈；内孔与轴承盒(25)轴向滑动配合的异形导套(23)压装并在法兰盘处用螺钉固定在后端盖中心孔中，内油封盖(24)用螺钉固定在异形导套(23)的内侧面，把轴向拖动内螺纹套管的螺杆(21)旋进内螺纹套管(22)螺孔中，以及两个深沟球轴承(14)装进异形导套上偏心的轴承孔中，并用外环卡圈轴向定位在异形导套上；把带有绕组和后端盖的转子铁心穿进机座内定子铁心(9)的孔中；把装有前滚珠轴承(6)和空心前轴伸(1)的前端盖(5)套装在半轴(2)最前端的圆柱形轴头上后，再用螺钉把前后端盖固定在电动机壳体(11)前后的侧面上，把检测转速的接近开关(4)固定在前端盖(5)外侧接近开关安装槽内，使接近开关的检测头对准空心前轴伸外圆上的开口处，把前滚珠轴承的外防尘盖(3)用螺钉固定在前端盖(5)的外侧；减速齿轮(20)用平键和螺母固定在螺杆(21)的后端头上，使螺杆(21)轴向定位在深沟球轴承(14)内环上，伺服电机(13)装配在后端盖(12)侧面的专用孔中，使轴齿轮(15)与减速齿轮(20)传动灵活；把冷却风扇(16)固定在风扇电机轴(19)上、外圆有安装法兰盘的冷却风扇电机(18)固定在风罩(17)后侧面有径向加强筋的侧面中心孔中，最后把风罩(17)固定在后端盖(12)上。

在图3所示的6KV高压箱式交流自调速电动机实施例中，空心前轴伸(1)压入前端盖滚珠轴承(6)内环孔中，并用轴卡圈轴向定位，滚珠轴承(6)的外环，装入前端盖轴承盒(30)并用螺钉固定前轴承内防尘盖(29)后再将内冷却风轮(31)用平键和螺丝固定在空心前轴伸(1)的后段外圆上，前轴承盒(30)用螺钉固定在前端盖(5)的内侧；定子绕组(8)嵌入定子铁心(9)的槽中，浸漆后将整体定子用热套法安装在箱式高压电动机壳体内的定子支撑骨架中心孔中；将导条槽向顺时针方向歪、长度接近定子铁心长的转子铁心长叠片(10)固定在前段有六方的半轴(2)中端后端盖一头，将中间焊接有电联接长、短叠片歪槽中链绕定子不同极性磁通导条联接铜板的长导条一头全部穿嵌在有槽绝缘的导条槽顺时针方向歪的长叠片槽中，套上长短叠片中间的垫环后，再将导条槽逆时针方向歪的短叠片(27)穿嵌在半轴(2)和全部短导条上，最后用低温焊料将转子铁心两端的导条短路端环(37)电联接焊接在转子铁心的前后侧面后进行绝缘和加固浸漆处理；把内油封盖(24)穿到半轴(2)的后段，两个转子轴后轴承(26)压装在半轴(2)的后段轴头外圆上，转子轴后轴承(26)的外环装上多轴承共用的轴承盒(25)并用外环卡圈轴向限位，以及半轴(2)的后轴头套上垫环和轴卡圈；后端盖(12)的中心孔和连体内螺纹套管的孔穿在共用轴承盒外圆上，并将内油封盖(24)用螺钉固定在后端盖(12)的中心孔内侧面上；把后段装有3个径向止推深沟球轴承(14)的螺杆(21)旋进内螺纹套管(22)螺孔和端盖上的轴承孔中，并用外环卡圈将3个深沟球轴承(14)轴向定位在后端盖(12)上；把装配有后端盖(12)的笼型感应转子穿进定子铁心(9)的内孔中；把装配有滚珠轴承(6)、前轴承盒(30)和前端盖(5)的空心前轴伸(1)套装在半轴(2)最前端的圆柱形轴头上后，再用螺钉把前后端盖固定在箱式交流自调速电动机的壳体上，把检测转速的接近开关(4)固定在前轴承盒(30)外侧面上，使接近开关的检测头对准空心前轴伸(1)外圆的开口处，把前滚珠轴承的外防尘盖(3)用螺钉固定在前端盖(5)的外侧面上；减速齿轮(20)用平键和轴卡圈固定在螺杆(21)的后端，伺服电机(13)固定在后端盖(12)侧面，使轴齿轮(15)和减速齿轮(20)传动灵活；两台轴流风机(16)平行装配在风罩(17)侧面上方有通风孔位置的内侧，管式空气热交换器(32)固定在箱式交流自调速电动机的上方，风罩(17)固定在箱式交流自调速电动机壳体后侧；最后装上接线盒及各种连接导线和高压线。

Claims (9)

1.一种交流自调速电动机，由交流电动机壳体、定子铁心、三相定子绕组、前后端盖、轴承盒、前后轴承、转子轴、转子铁心、转子绕组、转速传感器、转子转速调节系统、限位开关、接线盒及冷却风扇组成，其特征在于：转子轴由固定在前轴承内环孔中的空心前轴伸和前段有轴向滑动配合伸进空心前轴伸方孔中4至6个方的半轴组成，转子铁心由固定在半轴中段的导条槽顺时针方向歪、长度接近定子铁心长的长叠片和导条槽逆时针方向歪、长度是0.25至0.45定子铁心长的短叠片组成，转子绕组由穿嵌在长、短叠片歪槽中的转子导条、电联接长、短叠片歪槽中链绕定子不同极性磁通导条的电联接板和转子铁心两端的导条短路端环构成，在半轴的后段有2至6个内环固定在半轴后段外圆上的径向止推深沟球轴承，在深沟球轴承外环上固定有多轴承共用的轴承盒，共用轴承盒外圆上有一个轴向连体的内螺纹套管，共用轴承盒与端盖之间，有与轴承盒外圆及连体内螺纹套管外表面轴向滑动配合的异形导套，内螺纹套管的螺孔与转子转速调节系统中轴向拖动内螺纹套管的螺杆螺旋滑动配合。 

2.根据权利要求1所述的交流自调速电动机，其特征在于：转子转速调节系统是由伺服电机(13)、轴齿轮(15)、减速齿轮(20)、轴向拖动内螺纹套管的螺杆(21)、使传动螺杆定位在异形导套(23)上的2至5个深沟球轴承(14)、及轴承外环卡圈或压盖组成。 

3.根据权利要求1所述的交流自调速电动机，其特征在于：多轴承共用的轴承盒(25)和与轴承盒连体内螺纹套管(22)用自润滑的含油轴承材料制成。 

4.根据权利要求1所述的交流自调速电动机，其特征在于：、空心前轴伸(1)后段的内孔和半轴外径上都有多条轴向滚道槽，在滚道槽中有轴向滚动的滚珠。 

5.根据权利要求1所述的交流自调速电动机，其特征在于：空心前轴伸(1)的后段内孔与半轴之间，有固定在前轴伸(1)后段内孔中2条以上的圆柱形传动扭矩的含油键，含油键在半轴前段的键槽中轴向滑动配合。 

6.根据权利要求1所述的交流自调速电动机，其特征在于：转速传感器采用接近开关和智能转速表。 

7.根据权利要求1所述的交流自调速电动机，其特征在于：转子绕组由串联嵌绕在长、短叠片链绕定子不同极性磁通槽中的漆包电磁线构成。 

8.根据权利要求1所述的交流自调速电动机，其特征在于：多轴承共用的轴承盒(25)的后端与装在后端盖(12)外侧的两个限位开关之间有轴向传动杆。 

9.根据权利要求1所述的交流自调速电动机，其特征在于：电动机的外装冷却风扇采用单项220V的轴流式冷却风扇。