CN1068450A

CN1068450A - 环形转子稀土同步电机

Info

Publication number: CN1068450A
Application number: CN 91104415
Authority: CN
Inventors: 石行
Original assignee: Xicheng Xinkai General Testing Factory Beijing City
Current assignee: Xicheng Xinkai General Testing Factory Beijing City
Priority date: 1991-07-04
Filing date: 1991-07-04
Publication date: 1993-01-27

Abstract

一种环形转子稀土同步电机，由转子和定子两部分组成。位于电机中间的定子上装有单机或三相绕组，其电磁结构与绕线式电机转子相同，通过两侧的固定法兰引出接线端。外侧的转子由非磁性钢材制作的外壳及其内壁上粘结的稀土永磁材料制成的环状磁极两部分构成，通过高速轴承支承在定子上作自由旋转。可与数控电源和计算机配套应用，可作数控装置的执行机构——电动机，或作高速发电机与燃气轮机直接配套应用。

Description

本发明涉及一种新型结构的电机，确切地说，涉及一种采用稀土永磁材料作磁体的高速同步电机，它可以作为数控执行装置的动力而制成各种功率的高速电动机，也可作为与燃气轮机直接配套的高速发电机。

近年来，电子信息技术的发展已对许多传统产业部门产生深远影响：可以用数字技术直接进行生产过程自动控制。当代以微型计算机为代表的数字控制技术已经渗透到传统产业的许多领域中，并日益向更加高级层次的深度和广度开拓。而这种进展已经或即将对许多按传统概念设计的机电装置提出了更新改型设计的要求。例如：目前的许多工业机械、泵类产品都有很宽的工作范围，可以调节其工况进行优化生产的。但是，目前按照传统常规设计的普遍应用的交流电动机都是不能改变转速的。在采用变频供电技术后，交流电动机可以调速运行了。但是，原先设计制造这些电动机时，尚未考虑到今天出现的数控技术对它提出的新要求，而且，由于受电网频率的限制，常规工业用交流电动机的转速最高只能达到3000转/分（50周）或3600转/分（60周）。因此，对于一些高速运行的电动机或与燃气轮机配套的高速发电机都必须配装齿轮增速箱，这样既造成了能源的浪费，又降低了机械效率，尤其对于航空机械系统，笨重庞杂的齿轮增速箱更是令人讨嫌的。国外有些公司（如英国罗斯顿公司、美国罗斯海尔公司等）正在联合研制高速逆变式非恒速燃气轮发电机组，也是因高速发电机而遇阻，暂时搞不下去了。

应用同步电机可改善电网功率因素，节约电能，而且，同步电机的机械特性特别硬，扭距大，效率高。但是，传统的同步电机结构比异步电机复杂，还需要一套复杂的辅助装置，所以，除了一些大型装备外，普通用户还是选用售价便宜、使用方便的异步电动机而宁可承受平时较多的电力消耗。近年来，稀土永磁材料在电机制造技术领域中的开发应用，已取得许多令人瞩目的成就。稀土材料的出现使电机的结构设计与制造技术都会带来一场巨大的变革。

本发明的目的利用稀土永磁材料设计一种结构新颖的高速同步电机以填补当前电机制造领域中的一种空白。

传统电机都是转子与电机轴相连，装在内部中间，定子则包围在转子的外侧。而本发明都逆其道而行之：是转子在外侧，而定子在内部。定子是用具有良好刚性和导磁性能的钢材制作的，位于电机中间，其上嵌装有单相或三相绕组，绕组的电磁结构与普通绕线式电机转子相同。定子由其一侧或两侧的安装法兰固定，并由此引出绕组接线;位于定子外周的转子则由用非磁性钢材制成的外壳，及其内侧由稀土永磁材料制成的环状磁极两部分构成，转子通过高速轴承支撑在定子外围并可自由高速转动。

本发明的优点是可以与数控变频电源配套使用，并与之完全匹配。只要控制对其供电的电源频率，就能对本发明电机的工作状态进行调节控制。本发明无论作为电动机使用，还是作为发电机使用，其工作原理也是由线圈绕组在磁场中旋转而切割磁力线产生电磁力矩的，与普通同步电机毫无二致，只是其是由嵌镶稀土磁极的转子在装有电磁绕组的定子外侧旋转这点结构变化而已，但是，因此带来的好处是巨大的：首先结构特别简单，只要在额定范围内工作，除了高速轴承以外，几乎没有别的易损零件了，因此寿命长，可靠性高。再者，其工作转速为：电源频率×120/极数。如果是电源频率为400赫的2极电极，其转速可达24000转/分。并且，如果提高电源频率，其转速还可增加。这样，就为与高速燃气轮机直接配套而省却庞杂的齿轮增速箱提供了比较理想的、结构简单又性能可靠的高速发电机，而且，这种可随电源频率改变其转速的燃气轮发电机组的技术性能要比传统的60或50赫固定频率的机组要先进。另外，本发明如果配备差速减速器（专利申请号CN91209250.5），因这种减速器具有相当高的减速比，并因此可输出足够大的扭矩，并且结构紧凑、体积小、重量轻，再辅以可以随机控制的PWM型逆变电源，就可以由计算机控制本发明电动机的转速和扭矩，这种配置，作为航空机载系统的数控执行装置是尤为适宜的。总之，本发明作为数控执行装置的驱动力和各种功率的高速电动机也是一种很理想的机型。

下面结合附图，具体介绍本发明。

图1是本结构示意图。

图2是本发明横截面结构示意图。

图1中1是定子，位于电机中央，它是用良好刚性和导磁性能的钢材制作的，定子表面上嵌装有单相或三相线圈绕组2，绕组结构与普通绕线式电机的转子相同，不同的地方是定子的一侧或两侧有其的固定安装法兰4（图示为右侧一侧），并由此引出绕组接线3，在固定安装法兰4上还装有定子绕组的接线端子盒5。转子位于定子的外围，由用非磁性钢材制成的转子外壳6和外壳6内侧嵌装的用稀土永磁材料制成的磁环6两部分构成。受目前烧结制造工艺的限制，磁环的厚度不能太大，整个磁环是由许多个磁体叠合而成的，沿外壳内壁粘合形成环状筒体再充磁形成磁极的。稀土磁环充磁时在顺磁极方向的磁体7A（即平行磁极方向）是径向充磁，而在垂直磁极方向的磁体7B则是切向充磁（参见图2-这是2极转子磁极分布图）。稀土磁环的材料可以作钕铁硼稀土材料，或钐钴稀土材料，前者成本低，磁能积高，但适宜在常温下工作，后者则可在高温（80℃）下工作。磁体粘合成整体以后，要对其内径进行一次精细加工，以保证转子中各部位的质量均匀对称，可确保稀土磁环在高速旋转时的巨大离心力作用下仍完好无损。对内径作精加工工序应在充磁以前进行。充磁后的转子用高速轴承8支承在定子1的外围，可以自由旋转。在转子园筒形结构的两则装有端盖9，电机转轴10则通过端盖9引出，端盖9的另一作用是把稀土磁极的磁体全部封闭在其内部空间里。在转子的一侧或外缘可以装上齿轮、滑杆或其他传动零件，对于一些空间尺寸要求紧凑的应用场合，如航空航天机载领域，则也可以把转子外壳直接制成传动机械另件的外缘，获得很高转速又体积很小巧。

本发明的转子是稀土永磁体，其中没有导电的元器件，既充分利用国内盛产的稀土材料、又节约了国内匮乏的有色金属，且转子中没有电力消耗不会因此发热，可以不必专门设计转子冷却问题（定子绕组的冷却仍由风扇通风解决之）。其机械效率和电能利用率都比传统结构的电机要高得多。在发明还可与数控电源配套应用，免去任何启动辅动设备就能实现无冲击平滑启动，且启动电流小于电机的额定电流，还可节省供配电装备的投资。总之本发明既可作为数控执行装置的高速电动机，也可与燃气轮机直接配套用作高速发电机具有广阔的应用领域。

Claims

1、一种环形转子稀土同步电机，包括有定子和转子两部分，其特征在于：用具有良好刚性和导磁性能的钢材制作的定子位于电机中间，在定子中嵌有其电磁结构如同普通绕线式电机转子的单相或三相绕组，在定子的一侧或两侧有固定定子的安装法兰，并由此引出绕组接线；位于定子外侧的转子则由用非磁性钢材制成的外壳、及其内侧有由稀土永磁材料制成的磁环形成的磁极两部分所组成，转子通过高速轴承支撑在定子外侧并可以自由旋转。

2、根据权利要求1所述的环形转子稀土同步电机，其特征在于：稀土磁环在顺磁极方向部分是径向充磁，在垂直磁极方向部分则为切向充磁。

3、根据权利要求1所述的环形转子稀土同步电机，其特征在于：转子的一侧或外缘可以装齿轮、涡杆等传动零件。

4、根据权利要求1所述的环形转子稀土同步电机，其特征在于：稀土磁环的原料可以用钕铁硼稀土材料或用钐钴稀土材料。