CN112865376A - 集成式阻尼绕组、转子及电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式阻尼绕组，它包括两个短路连接件和至少为两个的集成式阻尼条，所有集成式阻尼条用于分别安装于相邻的两个转子极之间，所有集成式阻尼条的两端分别与短路连接件连接，集成式阻尼条由导电软磁材料制成。本发明还提供了应用集成式阻尼绕组的一种转子以及电机，在变频工况下，设置在转子极之间的集成式阻尼条会有大量电流产生并发热，集成式阻尼条易于与冷却媒介接触，方便集成式阻尼条降温，降低其产生的热弯曲力。

Description

集成式阻尼绕组、转子及电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，更具体地说，涉及一种集成式阻尼绕组及其应用的转子和电机。

背景技术

现有凸极式同步励磁电机受限于转子凸极式的结构，气隙磁感应强度谐波数量通常较多，这提高了降低凸极式同步电励磁电机的端电压总谐波失真数的难度。同时，凸极式电机的转子外圆面处内嵌了阻尼条绕组结构。在变频工况下，阻尼条绕组中会产生大量电流产生并发热，内嵌于电机转子厄铁内的阻尼绕组不易与冷却媒介接触，这加剧了转子冷却的难度。

如在公开号为CN2765379Y的中国实用新型专利中，公开了一种小型二极单向发电机转子，其阻尼条采用铜或铝制成。在公开号为CN207234636U的中国实用新型专利中，公开了一种凸极式单向发电机的阻尼绕组，其明确指出阻尼条为紫铜圆柱条。

现有技术中，阻尼条嵌在转子铁芯中的磁槽内，阻尼条在启动过程中的挤流效应，使阻尼条上下温升不均匀，阻尼条产生向中心弯曲的应力；转子在运行过程中，阻尼条受电磁力、向心力的交替作用，产生受迫振动，结合阻尼条遭受的其他应力，当该种应力超过阻尼条所能承受的极限时，阻尼条容易出现断裂的现象。受限于现有技术中的若干条阻尼条沿极靴周向均布，导致单条阻尼条的受力能力较差。现有技术中阻尼条的设置方式限制了单条阻尼条结构强度，进而影响到阻尼条的使用寿命。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种集成式阻尼绕组，其将单组阻尼条集成一个整体结构，增加了集成式阻尼条的受力能力；在变频工况下，设置在转子极之间的集成式阻尼条会有大量电流产生并发热，集成式阻尼条易于与冷却媒介接触，方便集成式阻尼条降温，降低其产生的热弯曲力。

本发明所采取的技术方案是：提供一种集成式阻尼绕组，包括两个短路连接件和至少为两个的集成式阻尼条，所有集成式阻尼条用于分别安装于相邻的两个转子极之间，所有集成式阻尼条的两端分别与短路连接件连接，集成式阻尼条由导电软磁材料制成。

本发明中，短路连接件既可以与若干个集成式阻尼条组成形成鼠笼式结构的电路回路又可以套设在若干个集成式阻尼条的外周，对其进行固定。

作为优选，单个集成式阻尼条包括左右限位部、两个翼板和两个前后限位部，翼板分别设置在左右限位部两侧，前后限位部分别设置在翼板或左右限位部的前后端。

作为优选，翼板用于固定在转子极极靴与励磁绕组之间。

作为优选，左右限位部的上表面设有与转子极表面匹配的圆弧面。

作为优选，导电软磁材料包括马氏体不锈钢或电工钢。

一种转子，包括转子铁芯，还包括的集成式阻尼绕组，转子铁芯上设有偶数个转子极，每个转子极上均设有励磁绕组，若干集成式阻尼条分别设置在相邻的两个转子极之间，两个短路连接件分别设置在转子铁芯的前后端。

作为优选，集成式阻尼条的磁感应强度在任意磁场强度下都须小于转子铁芯在该磁场强度下的磁感应强度。

作为优选，在转子铁芯的BH线性区间内，集成式阻尼条的磁导率须小于转子铁芯的磁导率。

一种电机，包括定子，还包括的转子，集成式阻尼条用于转子安装在定子内。

作为优选，电机为变速变频同步电励磁电机，电机的转速区间在0-20000转每分钟；应用集成式阻尼绕组转子的电机在不同的转速区间内THD值波动小，适用于变速变频同步电励磁电机；相较于传统凸极式电机在不同的转速区间内THD值波动大，传统凸极式电机的定转速选取THD值最低的转速，如传统的四极凸极式电机的定转速1500转每分钟。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、应用了集成式阻尼绕组的发电机在负载变化时，其绕组内的电压电流会形成一个震荡的过程，同步电励磁电机在负载工况下其中一个极的极靴的饱和程度相对于转子铁磁材料的其他位置更高。主磁通中的部分磁场将会寻找一条相对于转子极靴外的一条新的低磁阻通道。由于集成式绕组的安装位置位于两个转子极之间，主磁通外溢的磁通将会从集成式阻尼体条的位置穿过极靴和气隙后抵达另一个转子极的位置。同时由于集成式阻尼条被安装在了靠近气隙的位置，气隙磁场中的高次谐波也出现在通过集成式阻尼条的磁场中。负载变化的过程当中，电机转子侧的磁场对应的发生了改变。根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场将会产生变化的电场。集成式组组阻尼条中的变化磁场将在轴向上产生电场。该变化的电场将会在导电的短接阻尼绕组中产生变化的电流。该变化的电流将会产生阻碍原磁场变化，因此由于负载变化产生的振荡将由集成式阻尼条中的电流中和，产生缓冲的作用。

2、集成式阻尼条将现有的单组阻尼条集成在一个整体结构上，增加了集成式阻尼条的受力能力；在变频工况下，设置在转子极之间的集成式阻尼条会有大量电流产生并发热，集成式阻尼条易于与冷却媒介接触，方便集成式阻尼条降温，降低其产生的热弯曲力；转子在运行的过程中，阻尼条受电磁力、向心力的交替作用，产生的受迫振动对集成式阻尼条影响小。

3、集成式阻尼条为导电软磁材料，导电软磁材料以马氏体不锈钢中的17-4PH为例，其经过H900热处理工艺处理后达到特定的BH特性，该BH特性详如图6中标号为Ⅱ的曲线。集成式阻尼条应用到同步励磁发电机上时，电机转子铁芯材料采用M235-35A矽钢片叠压而成，M235-35A矽钢片的BH特性如图6中标号为Ⅰ的曲线，可见集成式阻尼绕组的磁感应强度在该同步励磁发电机内的磁场强度下小于转子铁芯在该磁场强度下的磁感应强度。具有导磁性的集成式阻尼条将在同步励磁发电机内磁路结构中构建了一条低磁阻通道，从而使得凸极式同步电机两个极之间的漏磁被集成式阻尼条利用,让同步电励磁电机的气隙磁场比原有凸极式同步电机更加正弦。热处理后的集成式阻尼条绕组的BH特性可以使集成式阻尼绕组在利用现有漏磁的情况下不增加漏磁占总磁通的比例，进而使得电机的性能变差。集成式阻尼条的应用让同步电励磁发电机在变速工作条件下个转速点的电能质量显著提高。

4、集成式阻尼条应用到同步励磁电动机上时，装配了集成式阻尼条的凸极式电励磁电机气隙磁场比传统同步电励磁电机的气隙磁场更加正弦谐波更少。电机产生的扭矩正比于电机的电流与气隙磁场，再输入相同电流的前提下，气隙磁场更加正弦的电机在理论上将会有更小谐波转矩和更小的扭矩脉动。装配了集成式阻尼绕组的电励磁同步电机的扭矩脉动占比相较于传统结构在不同转速工况下都具有明显优势。

附图说明

图1为本发明中转子端面的结构示意图；

图2为本发明中集成式阻尼绕组的结构示意图；

图3为本发明中转子的立体图；

图4-5为本发明单个集成式阻尼绕组的结构示意图；

图6为本发明中不同材料的集成式阻尼绕组的B-H特性图；

图7为实施例2中转子在500转每分时输出电压的仿真值与实验测试数据对比图；

图8为实施例2在转子在1000转每分时输出电压的仿真值与实验测试数据对比图；

图9为实施例2中转子在1500转每分时输出电压的仿真值与实验测试数据对比图；

图10为实施例2中转子在3000转每分时输出电压的仿真值与实验测试数据对比图；

图11为对比例1中在0-1标幺值转每分钟的条件下仿真数据对比图。

图中标号说明：

1、转子铁芯；2、转子极；21、极身；22、极靴；3、励磁绕组；4、短路连接件；5、集成式阻尼条；51、左右限位部；52、翼板；53、前后限位部。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

如图2所示，本实施例提供一种集成式阻尼绕组，包括两个短路连接件4和至少为两个的集成式阻尼条5，两个短路连接件4间隔设置，所有集成式阻尼条5安装在短路连接件4之间，且集成式阻尼条5的两端分别与短路连接件4连接，实现集成式阻尼条5与短路连接件4的电连接。所有集成式阻尼条5用于分别安装于相邻的两个转子极2之间，集成式阻尼条5由导电软磁材料制成。

导电软磁材料为马氏体不锈钢或电工钢，马氏体不锈钢包括17-4PH型和410型，其中17-4PH型包括有17-4PH H900和17-4PH H1150，电工钢包括M235-35A。如图6所示，M235-35A的材料的BH特性对应于线性Ⅰ，17-4PH H900材料的BH特性对应于线性Ⅱ，17-4PH H1150材料的BH特性对应于线性Ⅲ。在本实施例中，集成式阻尼条5采用17-4PH H900。

在本实施例中，集成式阻尼条5的数量为六个，但不仅局限于六个，集成式阻尼条5的数量取决于其应用转子的转子极2极数。

如图4所示，在本实施例中，单个集成式阻尼条5包括左右限位部51、翼板52和前后限位部53，左右限位部51两侧均设有翼板52，翼板52的前后两端均设有前后限位部53。左右限位部51凸起于翼板52表面，左右限位部51凸起的两侧分别用于与转子极2上的极靴端部相抵。翼板52的前后端与左右限位部51的前后端齐平，前后限位部53分别突出于翼板52的前后端，短路连接件4与多个前后限位部53的外周过盈配合，实现对集成式阻尼条5的固定。

如图5所示，在另一本实施例中，单个集成式阻尼条5包括左右限位部51、翼板52和前后限位部53，左右限位部51两侧均设有翼板52，左右限位部51的前后两端均设有前后限位部53。左右限位部51凸起于翼板52表面，左右限位部51凸起的两侧分别用于与转子极2上的极靴22端部相抵。翼板52的前后端与左右限位部51的前后端齐平，前后限位部53分别突出于翼板52的前后端，短路连接件4与多个前后限位部53的外周过盈配合，实现对集成式阻尼条5的固定。

实施例2

如图1所示，本实施例公开了一种转子，包括转子铁芯1和实施例1中的一种集成式阻尼绕组，转子铁芯1上设有用于安装转轴的轴孔，转轴通过该轴孔安装在转子上；转子铁芯1上设有偶数个转子极2，每个转子极2上均设有励磁绕组3，集成式阻尼条5设置在转子极2之间，短路连接件4分别设置在转子铁芯1的前后端。

本实施例中，转子铁芯1的材料为M235-35A，集成式阻尼条5的材料为17-4PHH900。如图6所示，M235-35A的材料的BH特性对应于线性Ⅰ，17-4PH H900材料的BH特性对应于线性Ⅱ，集成式阻尼条5的磁感应强度在分别在2000安培每米、4000安培每米、6000安培每米、8000安培每米、10000安培每米、12000安培每米以及14000安培每米的磁场强度下都要小于转子铁芯1在该磁场强度下的磁感应强度。

在另一实施例中，转子铁芯1的材料为M235-35A，集成式阻尼条5的材料为17-4PHH1150。如图6所示，M235-35A的材料的BH特性对应于线性Ⅰ，17-4PH H1150材料的BH特性对应于线性Ⅲ，在转子铁芯1的BH线性区间内，集成式阻尼条5的磁导率要小于转子铁芯1的磁导率。

在本实施例中转子铁芯1上设有偶数个转子极2是指转子铁芯1上设有至少为两个的转子极2，如图1所示，转子铁芯1上设有六个转子极2，即转子为六极转子，单个转子极2包括极身21和极靴22，每个极身21上均绕设有励磁绕组；每对相邻的转子极2之间均设有一个集成式阻尼条5，六个集成式阻尼条5均采用导电导磁材料。两个短路连接件4分别套设在前后限位部53前后端的外周，构建成一个完整的鼠笼式阻尼绕组。沿极身21的径向方向，与该极身21一体成形的极靴22与绕设在该极身21上的励磁绕组3之间存在缝隙，单个集成式阻尼条5上的翼板52固定在该缝隙内。每个转子极2上的励磁绕组3在离心力的作用下向转轴外周方向移动，将集成式阻尼条5牢牢地固定在极靴22与励磁绕组3之间。

在另一实施例中，转子铁芯1上设有偶数个转子极2是指转子铁芯1上设有至少为两个的转子极2，如图1所示，转子铁芯1上设有六个转子极2，即转子为六极转子，单个转子极2包括极身21和极靴22，每个极身21上均绕设有励磁绕组3；每对相邻的转子极2之间均设有一个与集成式阻尼条5同等形状的阻尼条，该六个与集成式阻尼条5同等形状的阻尼条中有三个为集成式阻尼条5，余下三个由导电不导磁材料制成，两种由不同材料制成的阻尼条在圆周上呈交叉排列。两个短路连接件4分别套设在该六个阻尼条前后端的外周，构建成一个完整的鼠笼式阻尼绕组。沿极身21的径向方向，与该极身21一体成形的极靴22与绕设在该极身21上的励磁绕组3之间存在缝隙，单个集成式阻尼条5上的翼板52固定在该缝隙内。每个转子极2上的励磁绕组3在离心力的作用下向转轴外周方向移动，将集成式阻尼条5牢牢地固定在极靴22与励磁绕组3之间。

在另一实施例中，转子铁芯1上设有两个转子极2，即转子为两极转子，每个转子极2极身21上均绕设有励磁绕组3；每对相邻的转子极2之间设有一个集成式阻尼条5，两个短路连接件4分别套设在同侧的前后限位部53外周，构建成一个完整的鼠笼式阻尼绕组。单个集成式阻尼条5上两侧的翼板52固定在转子极2极靴22与励磁绕组3之间。

在另一实施例中，转子铁芯1上设有四个转子极2，即转子为四极转子，每个转子极2极身21上均绕设有励磁绕组3；每对相邻的转子极2之间设有一个集成式阻尼条5，两个短路连接件4分别套设在同侧的前后限位部53外周，构建成一个完整的鼠笼式阻尼绕组。单个集成式阻尼条5上两侧的翼板52固定在转子极2极靴与励磁绕组3之间。

在本实施例中，集成式阻尼条5的外弧面与转子极2的外弧面为同心圆；优选的，集成式阻尼条5外弧面半径与转子极2外弧面半径相等。传统低转速恒频凸极式电机外缘不规则，在旋转过程中会产生受到的风阻相较圆形转子更大，同时转子由于风阻产生的噪音也非常大。因此电励磁同步电机的效率也会收到负面影响。该劣势将在电励磁同步电机的高速工况的应用中变得更为明显。集成式阻尼条5补齐了凸极式电机外缘不规则的劣势，规整的圆面将会降低电机的风阻和噪音，同时对提高电机效率有所帮助。

实施例3

本实施例中公开了一种发电机，该发电机为250kVA的发电机，其包括有定子和实施例2中的应用集成式阻尼绕组的转子。转子铁芯1由材料为M235-35A制成，集成式阻尼条5的材料为17-4PH H900。在定子采用定子斜槽工艺的前提下，按照GBT1029-2005实验方法分别在500r/min、1000r/min、1500r/min和3000r/min进行实验，实验结果如图7-9所示。图7-9分别为集成式阻尼绕组转子分别在500r/min、1000r/min、1500r/min和3000r/min时输出电压的仿真值与实验测试数据对比图，图中标号a的实线为实验数据，标号b的虚线为仿真数据。由图可知，发电机在500-3000r/min的转速区间下，符合行业标准IEEE STD519-2014THD值须小于5％的规定。

实施例4

本实施例中公开了一种发电机，本实施例不同于实施例3之处在于，本实施例中的集成式阻尼条5的材料为17-4PH H1150。本实施例中，在定子没有采用定子斜槽工艺的前提下，按照GBT1029-2005实验方法分别在500r/min、1000r/min、1500r/min和3000r/min进行实验，结合实施例3中的集成式阻尼条5材料为17-4PH H900在同等试验条件下进行试验，实验结果如下表1所示：

	500r/min	1000r/min	1500r/min	3000r/min
					17-4PHH1150	2.42％	1.72％	2.51％	3.42％
17-4PHH900	1.52％	1.45％	1.33％	1.79％

表1：集成式阻尼条5材料分别选用17-4PH H900和17-4PH H1150在不同转速下的THD值

由表1可知，实施例4中发电机在分别在500r/min、1000r/min、1500r/min和3000r/min的转速区间下，THD值分别为2.42％、1.72％、2.51％和3.42％，实施例3中发电机在分别在500r/min、1000r/min、1500r/min和3000r/min的转速区间下，THD值分别为1.52％、1.45％、1.33％和1.79％。在转子材料为M235-35A的六极250kVA发电机中，集成式阻尼条5的材料选用17-4PH H900的电机性能优于选用17-4PH H1150的电机。

实施例5

本实施例中公开了一种电动机，该发电机为250kVA的变速变频同步电励磁电动机，电机的转速区间在0-20000转每分钟，其包括有定子和实施例2中的应用集成式阻尼绕组的转子。转子铁芯1由材料为M235-35A制成，集成式阻尼条5的材料为17-4PH H900。按照GBT1029-2005实验方法分别在1-20000转每分钟的条件下进行仿真。仿真得到如图11所示，图中标号d为配备了2-3短距和定子斜槽工艺的电励磁同步电机在不同转速工况下的扭矩脉动；标号c为装配了集成式阻尼绕组和2-3短距的电励磁同步电机在不同转速工况条件下的扭矩脉动，其中集成式阻尼条5的材料为17-4PH H900；标号e为装配了集成式阻尼绕组和2-3短距的电励磁同步电机在不同转速工况条件下的扭矩脉动，其中集成式阻尼条5的材料为C18150。采用定子斜槽工艺是降低电机在不同转速工况条件下的扭矩脉动的一种常见技术手段。由此推断出配备了2-3短距的电励磁同步电机在不同转速工况下的扭矩脉动大于标号d在不同转速工况下的扭矩脉动，更大于标号c在不同转速工况下的扭矩脉动。从图11中得出，装配了集成式阻尼条5的凸极式电励磁电机气隙磁场比传统同步电励磁电机的气隙磁场更加正弦谐波更少。电机产生的扭矩正比于电机的电流与气隙磁场，再输入相同电流的前提下，气隙磁场更加正弦的电机在理论上将会有更小谐波转矩和更小的扭矩脉动。

对比例1

本对比例中公开了一种发电机，该发电机为250kVA的发电机，其包括有定子和实施例2中的应用集成式阻尼绕组的转子。转子铁芯1由材料为M235-35A制成，本对比例不同于实施例3之处在于，本对比例中的集成式阻尼条5的材料为不具有导磁性的铜材料，铜材料选用C18150。本对比例和实施例3中，在定子均采用定子斜槽工艺的前提下，按照GBT1029-2005实验方法分别在500r/min、1000r/min、1500r/min和3000r/min进行仿真实验，实验结果结合实施例3如下表2所示：

	500r/min	1000r/min	1500r/min	3000r/min
					C18150	1.35％	1.79％	2.94％	3.58％
17-4PHH900	1.11％	0.97％	1.05％	0.99％

表2：集成式阻尼条5材料分别选用C18150和17-4PH H900在不同转速下的THD值

由表2可知，实施例3中发电机在分别在500r/min、1000r/min、1500r/min和3000r/min的转速区间下，THD值分别为1.11％、0.97％、1.05％和0.99％，对比例1中发电机在分别在500r/min、1000r/min、1500r/min和3000r/min的转速区间下，THD值分别为1.35％、1.79％、2.94％和3.58％。在转子材料为M235-35A的六极250kVA发电机中，集成式阻尼条5材料选用17-4PH H900的电机，其在不同转速区间下的THD值波动小于集成式阻尼条5材料选用不导磁的电机。

对比例2

本对比例中公开了一种应用集成式阻尼绕组转子的电动机，该发电机为250kVA的发电机，其包括有定子和实施例2中的应用集成式阻尼绕组的转子。转子铁芯1由材料为M235-35A制成，集成式阻尼条5的材料为C18150，按照GBT1029-2005实验方法分别在0-1标幺值转每分钟的条件下进行仿真。

如图11可知，装配了17-4PH H900集成式阻尼绕组的同步励磁电机的扭矩脉动要低于没有装配阻尼绕组的同步励磁电机，同时作为对比例2中装配了导电但不导磁材料的阻尼条电机的扭矩脉动大于17-4PH H900阻尼条电机的扭矩脉动。因此17-4PH H900的集成式阻尼条具有降低扭矩脉动的效果。

以上就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化，凡在本发明独立要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种集成式阻尼绕组，包括两个短路连接件(4)和至少为两个的集成式阻尼条(5)，其特征在于：所有所述集成式阻尼条(5)用于分别安装于相邻的两个转子极(2)之间，所有集成式阻尼条(5)的两端分别与所述短路连接件(4)连接，所述集成式阻尼条(5)由导电软磁材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种集成式阻尼绕组，其特征在于：单个所述集成式阻尼条(5)包括左右限位部(51)、两个翼板(52)和两个前后限位部(53)，所述翼板(52)分别设置在左右限位部(51)两侧，所述前后限位部(53)分别设置在翼板(52)或左右限位部(51)的前后端。

3.根据权利要求2所述的一种集成式阻尼绕组，其特征在于：所述翼板(52)用于固定在所述转子极(2)极靴(22)与励磁绕组(3)之间。

4.根据权利要求2所述的一种集成式阻尼绕组，其特征在于：所述左右限位部(51)的上表面设有与所述转子极(2)表面匹配的圆弧面。

5.根据权利要求1所述的一种集成式阻尼绕组，其特征在于：所述导电软磁材料为马氏体不锈钢或电工钢。

6.一种转子，包括转子铁芯(1)，其特征在于：还包括权利要求1-5任一所述的集成式阻尼绕组，转子铁芯(1)上设有偶数个转子极(2)，每个转子极(2)上均设有励磁绕组(3)，若干所述集成式阻尼条(5)分别设置在相邻的两个所述转子极(2)之间，两个所述短路连接件(4)分别设置在转子铁芯(1)的前后端。

7.根据权利要求6所述的一种转子，其特征在于：所述集成式阻尼条(5)的磁感应强度在任意磁场强度下都须小于所述转子铁芯(1)在该磁场强度下的磁感应强度。

8.根据权利要求6所述的一种转子，其特征在于：在所述转子铁芯(1)的BH线性区间内，所述集成式阻尼条(5)的磁导率须小于转子铁芯(1)的磁导率。

9.一种电机，包括有定子，其特征在于：还包括权利要求6-8任一所述的转子，所述转子安装在定子内。

10.根据权利要求9所述的一种应用集成式阻尼绕组转子的电机，其特征在于：所述电机为变速变频同步电励磁电机，电机的转速区间在0-20000转每分钟。

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