CN113241919A - 一种无轴承复合转子笼型异步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开电机制造领域中的一种无轴承复合转子笼型异步电机，定子内同轴心地套有复合转子本体，复合转子本体由两个端环、一个鼠笼转子、一个绝缘云母和一个实心层组成，鼠笼转子、绝缘云母和实心层沿径向由内而外固定嵌套，实心层和鼠笼转子两者的轴向两端分别各固定连接一个端环，鼠笼转子由转子铁芯和转子导条组成，转子铁芯外侧壁沿圆周方向均匀开有多个转子槽，每个转子槽中固定嵌有一个转子导条，绝缘云母为圆筒形，实心层为由坡莫合金材料制成的圆筒形，电机起动时，由于复合转子本体中实心层的存在，利用集肤效应，在启动瞬间集肤效应大，增大起动转矩；鼠笼转子与实心层分别产生麦克斯韦力，二者同向相加可有效提升电机的悬浮力。

Description

一种无轴承复合转子笼型异步电机
技术领域
本发明涉及电机制造技术领域，具体涉及一种无轴承异步电机的结构，在航空航天、涡轮分子泵、飞轮储能、密封泵、高速电主轴等领域应用广泛。
背景技术
无轴承异步电机具有无摩擦、无磨损、无需润滑和密封，易于实现更高转速和更大功率运行的特点。传统的无轴承异步电机因为在启动瞬间，转子不动，定子旋转磁场切割转子导体的速度很大，在转子里产生很大感应电势，启动电流很大，转子感应电流频率与电源频率相同，转子感抗大于转子阻抗，转子回路的功率因数很小，存在启动转矩小的问题，同时在额定功率条件下，存在悬浮力小的问题。针对无轴承异步电机启动转矩小的问题，中国专利公开号为CN206759187U、名称为“一种起动转矩为最大转矩的异步电机”的文献中提出了能增大启动转矩的异步电机，其转子采用刀型转子槽，刀型转子槽上端较窄进而利用集肤效应增大转子电阻，进而提高了转矩，但其存在的问题是：转子开槽部漏磁通增加，漏抗增大，效率会降低。
发明内容
本发明的目的是为解决现有无轴承异步电机存在的启动转矩小、悬浮力小问题，提出一种启动转矩大，在额定功率下悬浮力增大的无轴承复合转子笼型异步电机。
为实现上述目的，本发明所述的一种无轴承复合转子笼型异步电机采用的技术方案是：其外部是定子，定子内同轴心地套有复合转子本体，复合转子本体由两个端环、一个鼠笼转子、一个绝缘云母和一个实心层组成，所述的鼠笼转子、绝缘云母和实心层沿径向由内而外固定嵌套，实心层和鼠笼转子两者的轴向两端分别各固定连接一个端环。
进一步地，所述的鼠笼转子由转子铁芯和转子导条组成，转子铁芯外侧壁沿圆周方向均匀开有多个转子槽，每个转子槽中固定嵌有一个转子导条，转子导条为由铜材制成的圆柱形，沿轴向固定放置在转子槽中。
进一步地，转子铁芯由多个环形的转子硅钢片叠压而成，转子硅钢片的轴向厚度为0.35-0.5mm，转子硅钢片的叠压系数为0.97。
进一步地，在转子硅钢片的外缘，沿圆周方向均匀开了转子硅钢片槽，所有的转子硅钢片叠压后形成沿轴向的转子槽。
进一步地，转子导条的轴向长度大于转子铁芯的轴向长度，转子导条的轴向两端分别超出转子铁芯104的轴向两端0.1-1mm且各固定连接所述的端环111。
进一步地，所述的绝缘云母为圆筒形，径向壁厚为0.01-0.025mm，绝缘云母的轴向长度与转子铁芯轴向长度相等，两者的轴向两端平齐。
进一步地，所述的实心层为由坡莫合金材料制成的圆筒形，实心层的径向壁厚为0.8-1.5mm，轴向长度等于转子导条的轴向长度。
本发明采用上述技术方案后的有益之处在于：
1、当电机起动的时候，由于复合转子本体中实心层的存在，利用集肤效应，在启动瞬间集肤效应大，增大转子电阻，从而增大起动转矩。
2、复合转子本体中的鼠笼转子与实心层分别产生麦克斯韦力，二者同向相加可以有效地提升电机的悬浮力。换言之，在需要同样悬浮力的条件下，可以减小功率输入，降低电机损耗，提升效率。
3、本发明通过转矩绕组、悬浮绕组与复合转子本体的配合，使复合转子本体旋转和悬浮，具有悬浮、驱动、启动转矩大、悬浮力强的优点，从而拓展了无轴承电机的种类。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。附图中：
图1为本发明不包含端环的径向剖面结构以及绕组布置示意图；
图2为本发明的轴向剖面结构图；
图3为图1中定子201的轴测图；
图4为图3中组成定子铁芯202的单个定子硅钢片203的轴测图；
图5为图2中转子导条108和端环111的连接结构轴测图；
图6是图2中复合转子本体101和端环111的爆炸示意图；
图7是图6中组成转子铁芯104的单个转子硅钢片105的轴测图；
图8是图1中转矩绕组206的连接图；
图9图1中悬浮绕组207的连接图；
图10为本发明工作时的磁场分布图；
图11为本发明与同尺寸传统无轴承异步电机的转矩启动对比图；
图12为本发明与同尺寸传统无轴承异步电机的悬浮力对比图；
图中：101.复合转子本体；102.转轴；103.鼠笼转子；104.转子铁芯；105.转子硅钢片；106.转子硅钢片槽；107.转子槽；108.转子导条；109.绝缘云母；110.实心层；111.端环；201.定子；202.定子铁芯；203.定子硅钢片；204.绕组槽；205.定子槽；206.转矩绕组；207.悬浮绕组；301.径向气隙。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，本发明省略了已知功能和已知部件的详细说明。
参见图1和图2，本发明是外定子、内转子的结构，外部是定子201，定子201内同轴心地套有复合转子本体101，复合转子本体101和定子201之间留有径向气隙301，气隙301大小为0.35-1.2mm。复合转子本体101的中心固定套有转轴102，复合转子本体101和转轴102同轴固定，复合转子本体101的轴向两端分别是一个端环111，复合转子本体101和转轴102两者共同旋转。
定子201由定子铁芯202和绕组组成，绕组由悬浮绕组207和转矩绕组206组成。结合图3和图4，定子铁芯202内壁沿圆周方向均匀布置多个定子槽205，槽数为24个，定子槽205中放置悬浮绕组207和转矩绕组206，悬浮绕组207在转矩绕组206内侧。
定子铁芯202由若干个定子硅钢片203沿轴向叠压而成，定子硅钢片203的轴向壁厚为0.35-0.5mm，每个定子硅钢片203的中心开圆孔，每个定子硅钢片203内圆周沿圆周方向均匀开有多个绕组槽204，所有的绕组槽204在定子硅钢片203叠压后形成沿轴向的定子槽205，定子槽205沿径向由内向外分别放置悬浮绕组207和转矩绕组206。
转矩绕组206的极对数P1与悬浮绕组207的极对数P2关系为P1＝P2±1。图中仅示出转矩绕组206极对数为2,悬浮绕组207极对数为1。
结合图5和图6，复合转子本体101由两个端环111、一个鼠笼转子103、一个绝缘云母109和一个实心层110组成，其中，鼠笼转子103、绝缘云母109和实心层110沿径向由内向外固定嵌套一起。
鼠笼转子103由转子铁芯104和转子导条108组成。转子铁芯104外侧壁沿圆周方向均匀开有多个转子槽107，转子槽107的槽数为20个，每个转子槽107中固定嵌有一个转子导条108，转子导条108的个数和转子槽107的个数相等，也为20个。转子导条108为圆柱形，由铜材制成，沿轴向固定放置在转子槽107中，与转轴102平行。
结合图6和图7，转子铁芯104由多个环形的转子硅钢片105叠压而成，转子硅钢片105的轴向厚度为0.35-0.5mm，转子硅钢片105的叠压系数为0.97，转子硅钢片105中心开圆孔，多个转子硅钢片105叠压后会产生沿轴向的中心通孔，通过该中心通孔紧密套在转轴102外并与转轴102固定为一体。
在转子硅钢片105的外缘，沿圆周方向均匀开了转子硅钢片槽106，所有的转子硅钢片105叠压后形成沿轴向的转子槽107。每个转子槽107中固定嵌有一个转子导条108。
转子导条108以铸铝浇铸固定在转子槽107中。转子导条108的轴向长度大于转子铁芯104的轴向长度，转子导条108的轴向两端分别超出转子铁芯104轴向两端0.1-1mm。
转子铁芯104外同轴固定套接绝缘云母109，绝缘云母109为圆筒形，绝缘云母109的径向壁厚为0.01-0.025mm。绝缘云母109的轴向长度与转子铁芯104轴向长度相等，并且两者轴向两端平齐。
绝缘云母109外同轴固定套接实心层110，实心层110为圆筒形，实心层110由坡莫合金材料制成。实心层110的径向壁厚为0.8-1.5mm。
实心层110的轴向长度等于转子导条108的轴向长度，也就是实心层110的轴向长度大于转子铁芯104的轴向长度，且两端分别超出转子铁芯104轴向两端0.1-1mm。
实心层110和鼠笼转子103中的转子导条108这两者的轴向两端分别各固定连接一个端环111，同时，端环111固定套在转轴102上。
参见图8，转矩绕组206沿转轴102顺时针方向按绕组线圈A1+、C1-、B1+、A1-、C1+、B1-、A2+、C2-、B2+、A2-、C2+、B2-排列。以A相为例，转矩绕组206的线路绕制路径为：电源A相正极(A+)接线头以A1+第一绕线起始，A1+第一绕线的尾端连接A1-第一绕线的首端，A1-第一绕线的尾端连接A1+第二绕线的首端，A1+第二绕线的尾端连接连接A1-第二绕线的首端，A1-第二绕线的尾端连接A2+第一绕线的首端，A2+第一绕线的尾端连接A2-第一绕线的首端，A2-第一绕线的尾端连接A2+第二绕线的首端，A2+第二绕线的尾端连接连接A2-第二绕线的首端，A2-第二绕线的尾端引出线即为电源A相负极(A-)接线头，转矩绕组206的A相绕线的绕制完成。依此规律，可以完成B相、C相绕线的绕制。进而形成极对数P1＝2的转矩绕组206。
参见图9，悬浮绕组207沿转轴102顺时针方向按绕组线圈a+、b-、c+、a-、b+、c-相排列。悬浮绕组207的线路绕制路径为：电源a相正极(a+)接线头以a+第一绕线起始，a+第一绕线的尾端连接a-第一绕线的首端，a-第一绕线的尾端连接a+第二绕线的首端，a+第二绕线的尾端连接a-第二绕线的首端，a-第二绕线的尾端连接a+第三绕线的首端，a+第三绕线的尾端连接a-第三绕线的首端，a-第三绕线的尾端连接a+第四绕线的首端，所述a+第四绕线的尾端连接a-第四绕线的首端，所述a-第四绕线的尾端引出线即为电源a相负极(a-)接线头，，所述悬浮绕组207的a相绕线绕制即可完成。依此规律，可以完成b相、c相绕线的绕制。进而形成极对数P2＝1的悬浮绕组207。
其中在上述描述中，绕线的“首端”，“尾端”分别指：绕线电流流入端为“首端”，绕线电流流出端为“尾端”。
参见图10，本发明工作时，转矩绕组206产生磁场d1，悬浮绕组207产生磁场d2，两个磁场相互叠加，在复合转子本体101上半部产生磁场增强区域，在复合转子本体101下半部分产生磁场减弱区域，根据麦克斯韦力方程式可知上半部分增强，下半部分减弱，它们的差值即产生一定方向的稳定悬浮力。由于实心层110和鼠笼转子103的存在，实心层110和鼠笼转子103均会产生麦克斯韦力，所以两者麦克斯韦力相加，悬浮力将会进一步变大。
参见图11所示的相同尺寸的无轴承复合转子笼型异步电机与传统未改进的无轴承异步电机进行的空载转矩启动情况仿真实验结果图，横坐标为数据采样时间，竖坐标为转矩，在0-50ms的启动时间段，本发明无轴承复合转子笼型异步电机启动转矩最大值为23.8Nm，传统无轴承异步电机启动转矩为17.3Nm，由此可知，本发明无轴承复合转子笼型异步电机启动转矩变大，由于实心层110的存在，在启动瞬间集肤效应增强，启动转矩增大，验证了理论与实验的一致性。
参见图12所示的相同尺寸的本发明无轴承复合转子笼型异步电机与传统未改进的无轴承异步电机进行的悬浮力仿真实验结果。在0-50ms的启动时间段，本发明无轴承复合转子笼型异步电机悬浮力上升更快，在100ms后达到稳定悬浮力值，本发明无轴承复合转子笼型异步电机悬浮力为43.6N，而传统未改进的无轴承异步电机悬浮力为38.7N。由于实心层110和鼠笼转子103结构，结合图11分析，验证了理论与实验的一致性。

Claims (10)

1.一种无轴承复合转子笼型异步电机，外部是定子(201)，定子(201)内同轴心地套有复合转子本体(101)，其特征是：复合转子本体(101)由两个端环(111)、一个鼠笼转子(103)、一个绝缘云母(109)和一个实心层(110)组成，所述的鼠笼转子(103)、绝缘云母(109)和实心层(110)沿径向由内而外固定嵌套，实心层(110)和鼠笼转子(103)两者的轴向两端分别各固定连接一个端环(111)。
2.根据权利要求1所述的一种无轴承复合转子笼型异步电机，其特征是：所述的鼠笼转子(103)由转子铁芯(104)和转子导条(108)组成，转子铁芯(104)外侧壁沿圆周方向均匀开有多个转子槽(107)，每个转子槽(107)中固定嵌有一个转子导条(108)，转子导条(108)为由铜材制成的圆柱形，沿轴向固定放置在转子槽(107)中。
3.根据权利要求2所述的一种无轴承复合转子笼型异步电机，其特征是：转子铁芯(104)由多个环形的转子硅钢片(105)叠压而成，转子硅钢片(105)的轴向厚度为0.35-0.5mm，转子硅钢片(105)的叠压系数为0.97。
4.根据权利要求3所述的一种无轴承复合转子笼型异步电机，其特征是：在转子硅钢片(105)的外缘，沿圆周方向均匀开了转子硅钢片槽(106)，所有的转子硅钢片(105)叠压后形成沿轴向的转子槽(107)。
5.根据权利要求2所述的一种无轴承复合转子笼型异步电机，其特征是：转子导条(108)的轴向长度大于转子铁芯(104)的轴向长度，转子导条(108)的轴向两端分别超出转子铁芯(104)的轴向两端0.1-1mm且各固定连接所述的端环(111)。
6.根据权利要求2所述的一种无轴承复合转子笼型异步电机，其特征是：所述的绝缘云母(109)为圆筒形，径向壁厚为0.01-0.025mm，绝缘云母(109)的轴向长度与转子铁芯(104)轴向长度相等，两者的轴向两端平齐。
7.根据权利要求2所述的一种无轴承复合转子笼型异步电机，其特征是：所述的实心层(110)为由坡莫合金材料制成的圆筒形，实心层(110)的径向壁厚为0.8-1.5mm，轴向长度等于转子导条(108)的轴向长度。
8.根据权利要求1所述的一种无轴承复合转子笼型异步电机，其特征是：所述的定子(201)由定子铁芯(202)、悬浮绕组(207)和转矩绕组(206)组成，定子铁芯(202)内壁沿圆周方向均匀布置多个定子槽(205)，定子槽(205)中放置悬浮绕组(207)和转矩绕组(206)，悬浮绕组(207)在转矩绕组(206)内侧。
9.根据权利要求8所述的一种无轴承复合转子笼型异步电机，其特征是：定子铁芯(202)由若干个定子硅钢片(203)沿轴向叠压而成，定子硅钢片(203)的轴向壁厚为0.35-0.5mm，每个定子硅钢片(203)内圆周沿圆周方向均匀开有多个绕组槽(204)，所有的绕组槽(204)在定子硅钢片(203)叠压后形成沿轴向的定子槽(205)。
10.根据权利要求8所述的一种无轴承复合转子笼型异步电机，其特征是：转矩绕组(206)沿顺时针方向按线圈A1+、C1-、B1+、A1-、C1+、B1-、A2+、C2-、B2+、A2-、C2+、B2-排列，悬浮绕组(207)沿顺时针方向按线圈a+、b-、c+、a-、b+、c-相排列，转矩绕组(206)的极对数为P1，悬浮绕组(207)的极对数为P2，P1＝P2±1。
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