CN105048745A - 一种异步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种异步电动机，包括定子、转子铁芯和导体环；导体环设置在转子铁芯上，且导体环设置于定子与转子铁芯之间；导体环与定子之间设置磁隙。本发明供电电源通过线圈绕组在电机定子铁轭上产生的有效旋转磁场在任意时刻作用在转子中的导体环上；定子铁轭与磁隙和转子之间闭合的磁力线的路径更短，使铁损减少；导体的材料的利用率提高；在中大规格的电机中，转子的矽钢片用量可以明显减少；由于导体环均匀地布局在转子上，与鼠笼式电机相比，可以明显地减少脉动转矩，使电机的电磁振动因素减少，电磁噪声降低，有利于制作出更高转速的异步电机。

Description

一种异步电动机

【技术领域】

本发明属于动力传动领域，具体涉及一种异步电动机。

【背景技术】

异步电动机是一种交流电动机，带负载时的转速与所接电网频率之比不是恒定值。感应电动机(Inductionmotor)是一种仅有一套绕组连接电源的异步电动机。在不致引起误解和混淆的情况下，一般可称感应电动机为异步电动机。IEC标准中指出：“感应电动机”一词，在许多国家中实际上是作为“异步电动机”的同义词使用，而其他一些国家则只使用“异步电动机”一词来表示这两种概念。我国对电动机的一种方式分类是，异步电动机分为鼠笼式电动机和线绕式电动机，而鼠笼式异步电动机是使用最广泛的异步电动机，通常所说的异步电机，多指鼠笼式异步电动机。

异步电动机，其功率范围从几瓦到上万千瓦，是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电动机，为多种机械设备和家用电器提供动力。例如机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等，大都采用三相异步电动机(asynchronousmotor)拖动。

现有的异步电动机在1885年由意大利物理学家和电气工程师费拉里斯发明。1888年，提出实验报告，对旋转磁场作了严格的科学描述，为以后开发异步电动机、自起动电动机奠定了基础。同年，尼古拉·特斯拉在美国取得了感应电动机的专利。一年之后，MikhailDolivo-Dobrovolsky发明鼠笼型异步电动机。

鼠笼型异步电动机问世至今，历经超过百年历史，各种技术改进不计其数，但是均属于工艺改进或性能参数优化，中国专利公开号为CN101213728A，公开日为2008年7月2日的专利申请，就是对异步电机的鼠笼型转子的端环制造工艺进行改进；中国专利公开号为CN104167879A，公开日为2014年11月26日的专利申请，也是对异步电机的鼠笼型转子的端环制造工艺提出了电子束焊接端盖的制造方法。迄今为止，万变不离其宗，原理架构仍未超越原创。

涉及异步电机的教学和应用的技术人员周知，鼠笼电动机的转子的主体是由导条、导体端环和叠层矽钢片组成，由导体材料(常见是铜或铝为主要成分的材料)制作的若干个导条和两侧的导体端环固结为一体，构成被形象描述的所谓鼠笼，若干个导条嵌装在叠层矽钢片上设置的若干个导条槽中。

现有的转子可分为类为铸铝转子、铸铜转子和导条与端环焊接的转子。包括经典的教科书和现有的公开的分析模型均基于原创年代的传统认知，认为因导条切割磁力线而在转子上产生扭矩。经过先驱者们的努力，现今的鼠笼电机已经比1970年代的电机性能有了长足进步，但是科技发展至今，依然通过优化设计参数继续提高鼠笼电机的效率及其它相关性能，可挖掘潜力的空间已经极小了。

本发明人认为，我们有理由对如上所述的因导条切割磁力线而在转子上产生扭矩的教学和分析模型表示质疑。理由是，分析实际的鼠笼式电机转子，除了可见的斜槽缝隙，所述的导条几乎被构建导条槽的矽钢片埋没，穿过导条的磁力线其实是非常有限的，何况导条之间还是有间隔的，电机运行时大多数磁力线其实并不穿过导条。试验表明，导条切割穿过自身的那些磁力线并不足以产生电机实际运行时的切向力(所有的导条上的切向力合成为产生电机扭矩的力，或者，产生电机实际扭矩的力可以分解为每个导条上产生的切向力)，所以，其机理应当另有解释和解析。至少，包括磁链反馈效应、磁场与磁场的推挽作用现象、以及磁电转换效应，等等。鼠笼式异步电机的动态模型研究是一门相对复杂的学科，涉及的电磁参量以及性能参数和品质参数，可谓繁多。普通的专业人士未必能描述清楚，这一点需要学科前沿的专家去透过现象深入研究其物理本征，在此不论。

现有技术的鼠笼式异步电机的效率一般在72％到94％之间，减少铜损和铁损是提高异步电机效能的有效途径。特殊用途的高端电机的效率高于常规电机，但制作成本高，价格更高。那么，设计和生产出一种成本较低，效率有所提高并适合普及应用的异步电机，退一步讲，哪怕是一个参数的超越或一项性能的提高，都会具有很大的市场前景，产生巨大的经济效益和社会效益。对于历经百年，经过无数人研究、优化、验证的技术，如果有所突破，必须有另辟蹊径的设计思路。

【发明内容】

本发明目的是提供一种异步电动机，以解决上述鼠笼式异步电机所存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种异步电动机，包括定子铁芯、转子铁芯和导体环；导体环设置在转子铁芯上，且导体环设置于定子与转子铁芯之间；导体环与定子铁芯之间设置磁隙。

进一步的，定子铁芯由若干矽钢片叠层构成，定子铁芯朝向导体环一侧设置有若干线槽；线槽中的绕线为串联或者并联方式，每相至少设置一组包含两个相邻的对称线圈，该两个线圈的绕向相反，形成两个相邻的对偶磁极；所述对偶磁极是说当一个磁极呈现N极时，另一个呈现S极；各相的线圈沿圆周依次对称设置。

进一步的，所述导体环为单个导体环或者并列的导体环组；所述导体环的材质为电流的良导体。

进一步的，所述异步电动机为内转子电机；转子铁芯由若干矽钢片叠层构成；所述导体环固定在转子铁芯的外壁上。

进一步的，导体环为圆环柱体，包覆固定于转子铁芯外壁。

进一步的，转子铁芯上设置或者不设置节料通风孔。

进一步的，转子铁芯内壁固定在设置于转子铁芯内部的转子骨架上，转子骨架的材料为轻质的刚性材料或成本低于矽钢片的钢铁材料，所述转子骨架上设有节料通风孔。

进一步的，所述异步电动机为外转子电机；定子铁芯由若干矽钢片叠层构成；所述导体环为圆环柱体，固定嵌装于转子铁芯内壁；转子铁芯由若干矽钢片叠层构成；定子铁芯上设置或不设置节料通风孔。

进一步的，定子铁芯和转子铁芯由低涡流损耗的软磁材料构成。

进一步的，本发明异步电动机适用于通用交流电源供电以及特殊用途的多相交流电源供电。

进一步的，每相的线圈在接通交流电后，在同一瞬间，形成两个相邻的对偶磁极，该对偶磁极的极性在线圈中的交流电流过零时，从N到S或从S到N转换。

本发明异步电动机的工作机理是：供电电源通过线圈绕组在电机定子铁轭上产生旋转磁场，置身于该旋转磁场中的导体在该磁场的作用下感生出涡电流，该涡电流的感应磁场与源电磁场之间的作用力在转子上产生扭矩，使得转子随旋转磁场转动。转子的转动速度略低于旋转磁场的转速。这一点与鼠笼式异步电机的工作状态类同，可以用转差率的概念理解或描述。这也是异步电机的共性。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明供电电源通过线圈绕组在电机定子铁轭上产生的有效旋转磁场在任意时刻作用在转子中的导体环上；定子铁轭与磁隙和转子之间闭合的磁力线的路径更短，使铁损减少；导体的材料的利用率提高；在中大规格的电机中，转子的矽钢片用量可以明显减少；由于导体环均匀地布局在转子上，与鼠笼式电机相比，可以明显地减少脉动转矩，使电机的电磁振动因素减少，电磁噪声降低，有利于制作出更高转速的异步电机。

【附图说明】

图1是本发明内转子电机实施例的轴向剖视图；

图1-1是图1的局剖放大图；

图2是本发明中型内转子电机实施例的立体视图；

图3是本发明内转子电机实施例的单体式导体环立体示意图；

图4是本发明内转子电机实施例的转子(配置单体式导体环)示意图；

图5是本发明内转子电机实施例的转子(配置组合式导体环)示意图；

图6是本发明大型内转子电机实施例的立体示意图；

图7是图6的轴向剖视图；

图8是本发明内转子电机实施例定子串联绕线及磁力线主路径示意图；

图8-1是本发明内转子电机实施例定子串联绕线的示意原理图；

图9是本发明内转子电机实施例定子并联绕线及磁力线主路径示意图；

图9-1是本发明内转子电机实施例定子并联绕线的示意原理图；

图10是本发明外转子电机实施例的轴向剖视示意图。

图中：1：定子铁芯，1-1：线槽，1-3：内定子异形节材通风孔，2：转子铁芯，2-1：转子轴孔，2-2：花键凹槽；2-3：异形节料通风孔，20：导体环，201：花键凸棱，12：磁隙，21：转子骨架；20-W：内定子空心轴，U1、V1、W1：三相电接入端，U2、V2、W2：三相电接出端，U-U、V-V、W-W：串联线圈换向节点，S/N-A、N/S-A：定子U相轭齿磁极，S/N-B、N/S-B：定子V相轭齿磁极，S/N-C、N/S-C：定子W相轭齿磁极。

【具体实施方式】

请参阅图1至图10所示，本发明一种异步电动机，包括定子铁芯1、转子铁芯2和导体环20。

导体环20为圆环柱体，包覆固定于转子铁芯2外壁；导体环20外周设置有定子铁芯1，定子铁芯1与导体环20之间设置磁隙12。转子铁芯2外周设有若干花键凹槽2-2，导体环20内周设有若干花键凸棱201，花键凸棱201卡入对应的花键凹槽2-2中，使转子铁芯2与导体环20固定连接。转子铁芯2由若干矽钢片叠层构成，导体环20为单个环体或者导体环组。导体环20的材质为铜、铝、铜合金、铝合金材料或其它导体。

请参阅图1至图7所示，出于降低生产成本考虑，中型电机在内转子叠层矽钢片上设置异形节料通风孔2-3，小微型电机可以不设置内转子异形节料通风孔2-3；大型电机可增设大型电机转子骨架21，转子铁芯2固定在大型电机转子骨架21上；骨架上设置异形节料通风孔2-3，并且根据使用要求，骨架可以采用刚性轻质材料或比矽钢片廉价的其他刚性材料，如常见的黑色金属材料。

请参阅图8至图9-1所示，本发明的线槽1-1中的绕线可以是串联或者并联方式，每相至少设置一组包含两个相邻的线圈，该两个线圈的绕向相反(左旋或右旋)，使得每相的线圈在接通交流电后，在同一瞬间，形成两个相邻的对偶磁极(N/S或S/N)，该对偶磁极的极性在线圈中的交流电流过零时，从N到S或从S到N转换。本发明可以作为三相异步电动机或者单相异步电动机，作为单相异步电动机时，对主、副线圈分别设置对偶磁极；作为特殊用途的多相异步电机，逐相设置对偶磁极。

请参阅图10所示，本发明还可以将转子铁芯2设置于定子铁芯1外周，导体环20为圆环柱体，固定嵌装于转子铁芯2内壁，使导体环20与定子铁芯1之间形成磁隙12；对于大型电机可以在定子铁芯1上开设内定子异形节材通风孔1-3；定子铁芯1安装于内定子空心轴20-W上。

本发明所有图示未含机壳和轴承，未含导体环端部的固定附件。本发明中，定子铁芯1和转子铁芯2均由若干矽钢片叠层构成。在某些场合，定子铁芯1和转子铁芯2可以由低涡流损耗的软磁材料构成。

尽管以上对本发明的实施方案进行了详细的描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (9)

1.一种异步电动机，其特征在于，包括定子铁芯(1)、转子铁芯(2)和导体环(20)；

导体环(20)设置在转子铁芯(2)上，且导体环(20)设置于定子(1)与转子铁芯(2)之间；

在导体环(20)与定子铁芯(1)之间设置磁隙(12)。

2.根据权利要求1所述的一种异步电动机，其特征在于，定子铁芯(1)由若干矽钢片叠层构成，定子铁芯(1)朝向导体环(20)一侧设置有若干线槽(1-1)；线槽(1-1)中的绕线为串联或者并联方式，每相至少设置一组包含两个相邻的对称线圈，该两个线圈的绕向相反，形成两个相邻的对偶磁极；所述对偶磁极是说当一个磁极呈现N极时，另一个呈现S极；各相的线圈沿圆周依次对称设置。

3.根据权利要求1所述的一种异步电动机，其特征在于，所述导体环(20)为单个导体环或者并列的导体环组；所述导体环的材质为电流的良导体。

4.根据权利要求1所述的一种异步电动机，其特征在于，所述异步电动机为内转子电机；定子铁芯(1)和转子铁芯(2)均由若干矽钢片叠层构成；所述导体环(20)固定在转子铁芯(2)的外壁上。

5.根据权利要求4所述的一种异步电动机，其特征在于，导体环(20)为圆环柱体，包覆固定于转子铁芯(2)外壁。

6.根据权利要求4所述的一种异步电动机，其特征在于，转子铁芯(2)上设置或者不设置节料通风孔。

7.根据权利要求4所述的一种异步电动机，其特征在于，转子铁芯(2)内壁固定在设置于转子铁芯(2)内部的转子骨架(21)上，转子骨架的材料为轻质的刚性材料或成本低于矽钢片的钢铁材料，所述转子骨架上设有节料通风孔。

8.根据权利要求1所述的一种异步电动机，其特征在于，所述异步电动机为外转子电机；定子铁芯(1)和转子铁芯(2)均由若干矽钢片叠层构成；所述导体环(20)为圆环柱体，固定嵌装于转子铁芯(2)内壁；定子铁芯(1)上设置或不设置节料通风孔。

9.根据权利要求1所述的一种异步电动机，其特征在于，定子铁芯(1)和转子铁芯(2)由低涡流损耗的软磁材料构成。