CN1135810A - 敞开式定子轴向磁通电动机 - Google Patents

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Abstract

公开了一种敞开式定子轴向磁通电动机。该电动机具有一个敞开式定子，它包括两个隔开的绝缘支板(60，61)，各支板具有一个从每支板(60，61)的一周边延伸到其内部位置的槽(62，63)。多个磁极(20-36)延伸在两支板(60，61)之间并固定在支板上，定子相应于至少某些磁极具有分布绕组或具有显相极绕组并且在支板(60，61)的槽(62，63)区域中的相邻磁极之间具有敞口。两个隔开的转子盘设置在轴上并位于定子的每侧上。每个盘(65，66)由导磁材料作成，并具有导电材料的内表面(67，68)或具有作为转子绕组的导电路径(74，75，76)的内表面。

Description

敞开式定子轴向磁通电动机
发明领域
本发明涉及一种电动机，具体地，本发明涉及一种敞开式定子轴向磁通(OSAF)的电动机。
对本发明将通过例子的方式借助电动机的优选应用或使用来描述。该优选的应用或使用是利用本发明的电动机作为牵引电动机用来驱动铁道动车转向架。应该理解，这仅是以例子的方式，而本发明的电动机还可具有另外的应用及用于另外的目的。
本发明的背景
现时用于铁道动车转向架的牵引电动机典型地为三相异步电动机，根据具体使用的牵引系统，它由供给约750至2000VAC三相AC电压的可控逆变器桥供电。
这种牵引电动机具有一个定子及一个转子且转子工作在相当高的速度上。
电子变流器/逆变器(例如脉宽调制的)被用于产生可调频的电子牵引三相电源，以对电动机供电及控制。该电动机是典型的鼠笼式电动机。为了利用在传统三相电机高转速时的高转矩特性，必需使用高速。
对于重型工作、造船及牵引应用，超过4000rpm及高至6500rpm的高电动机速度需要用专门的轴承设计及润滑维护。现实的情况是短的轴承寿命及轴承润滑的短维护周期。
高的电动机速度需要有昂贵的传动系统及齿轮箱结构。更换传动系统的一个部件，例如轮子或轨道牵引系统中的电动机是非常耗时及费力的。
牵引电动机的结构是这样的，即没有定子外壳或壳体，而定子的叠片形成了电动机壳体。一次严重的转子事故或定子绕组故障将需要完全更换电动机。
本发明的概述
本发明的目的是提供一种改进的用于传动系统的电动机，例如用于铁道动车转向架的牵引电机。
根据本发明的一个方面提供了一种敞开式定子轴向磁通的电动机，它包括：
一个敞开或定子，包括两个隔开的绝缘支板，各支板具有一个从每支板的一周边延伸到其内部位置的槽，具有磁极构件的多个极延伸在支板之间并固定在支板上，磁极构件是由导磁材料制作的并沿支板上的圆形路径布置，定子相应于至少某些磁极构件或具有分布绕组或具有显相极绕组并在支板的槽区域中的相邻磁极之间敞口；
一个转子，具有一个可放置在槽中并伸出槽及相对支板直角地延伸的轴，两个在轴上隔开的盘，所述各盘位于所述轴上及定子每侧上，每个盘由导磁材料构成并或具有导电材料的内表面或具有提供转子绕组的导电路径的内表面，轴被支承着以便相对定子转动。
构成转子一部分的轴最好由非导磁材料作成。以此方式可使从一个转子盘到另一转子盘的漏磁通路径减至最少，并使磁路保持在盘及定子极的范围内。利用这种轴材料的选择可减小边缘磁通散射及损耗。在一个实施例中，轴是由奥氏体不锈钢制成的-尽管也可使用另外的非导磁材料-例如特别优选的是相对介电常数约为1.03的奥氏体不锈钢。
如已述的，转子盘可具有内导电层或具有能提供导电通路以形成转子绕组的内表面。一种特别优选的导电层可以通过在导磁材料的每个盘上设置位于盘内表面上的铜片形成。这些盘可由铸钢作成及铜层具有的厚度在1至6mm之间-虽然也不排除另外合适的厚度。铜层可用任何合适方式固定到位，例如用银焊或T.I.G焊(钨极惰性气体保护焊)，或事实上该层本身可使用螺线式的连续T.I.G焊接并随后对焊层机加工形成平表面来制造。
虽然上述的导电层被指定为铜，但也可使用另外的导电材料，例如铝。
作为在转子盘内表面上设置导电材料层来形成转子绕组的一种替换，可采用以下的结构。盘的内表面上可设置导电材料作的径向内导电短路环及径向外导电短路环，并具有基本上径向地延伸在两短路环之间的导电条。这样一种构型可被看作在功能与用途上类似于在典型的鼠笼式感应电机中使用的鼠笼转子结构。如果需要，径向延伸的导电条可严格地在盘的径向上延伸或与径向成斜交以便在使用中减小转矩的波动。
如前所述，敞开式定子具有设置了具有分布绕组或显极绕组的磁极构件的磁极。本发明的电动机可具有作为最小数目的三个极相组-虽然更多数目也在优选之列。所采用的极相组的数目可以是偶数或奇数。“敞开式定子”的措词是指在极布置所绕的圆形路径的一个扇区中没有磁极。这一事实与在每个磁极支板中设置槽结构一起，可使转子轴被接收并位于设在支板中的槽内及在电动机工作期间位于敞开的扇区中。类似地，转子易于和定子相分离并当需要时可容易地从定子中取出。
最好设有多于三极相组。在一个实施例中，优选了一个六极电动机-虽然七极电动机是特别有利的。
一个相组的每个单独的绕线磁极包括一个导磁材料作的磁极构件。最好该磁极构件基本上为楔形并由多个叠片被此叠成。但是叠成的矩形磁极可以用于复杂分布的绕组。由于设有叠片作的磁极就可以降低涡流损耗。磁极最好由层叠的硅铜片或楔块构成。
并不需要所有的极均被激磁。因此，紧靠着空扇区的极不需要被激磁。如已述的，绕组可以是分布绕组或显极绕组并带有位于定子敞开端附近的一些非激磁的极。最好绕组的数目为三的倍数。例如，绕组数目可包括具有四相组的一个六极定子，具有五相组的一个七极定子或任何合适的另外构型。特别有利的是使用奇数极及在敞开的扇区附近的磁极构件不被激磁。
磁极构件最好比绕组的高度长。这能使磁极构件更容易地被固定在支板上。一种将磁极构件固定在支板上的方式是在支板上开设楔形孔并使磁极构件的端部伸到孔中，由此使磁极构件可被夹持在两支板之间。
附图简要说明
现在将参照附图来描述本发明的优选实施例，附图为：
图1是根据本发明一实施例的磁极构件的透视图；
图2是具有显极绕组的图1中磁极构件的透视图；
图3是表示具有三相七极组(五个有效极)的敞开式定子轴向磁通电动机所取构型的多个磁极构件的透视图；
图4是安装在支板上的图3中磁极构件的透视图；
图5是根据本发明一个优选实施例的转子的透视图；
图6是根据本发明另一实施例的转子的透视图；
图7是根据本发明一实施例的显极OSAF电动机的绕组布置图；
图8是根据本发明一实施例的分布极OSAF电动机的绕组布置图；
图9是包括根据本发明一实施例的电动机的铁道动车转向架的正视图；及
图10是图9中所示转向架的一个平面图。
本发明的详细说明
图1表示一个楔形磁极构件10的优选结构。该磁极构件是由叠片11至18组成的，并作为一种折衷，这些叠片是在构型上相似的板状并提供出近似于楔形的形状。
图2表示是带有围绕着它的显极绕组19的磁极构件10。磁极构件10伸出绕组19两端各一个短距离，其原因将在下面解释。
图3表示布置方式，其中多个磁极构件20至36绕一圆形路径布置并具有一敞开的扇区37，以提供具有五个有效绕组相组的一个七极电动机。位于敞开扇区37附近的磁极构件20及36不被激磁，而显极绕组38至52分别与磁极构件21至35相对应。因此显极绕组的数目是三的倍数。显极绕组使用三相驱动电流来产生旋转磁场。
对一个六极OSAF电动机(即四有效绕组相组)及一个七极OSAF电动机(即五有效绕组相组)的预期主(有效)磁通及漏磁通路径进行了研究以确定是应该使用奇数还是偶数的相绕组并确定了由于敞开式定子构型引起的损耗。该研究如所期望地揭示了：由于在六极OSAF电动机中敞开定子的每端相绕组极性相反，漏磁通路径的损耗大。类似地，当转子轴由铁磁材料制作时，由转子轴形成的磁桥引起了损耗。通常的边缘损耗产生在盘的外边缘及相线圈之间。
在对于敞开式定子使用奇数个极时，在定子中敞口附近的绕组相组是同极性的，故这减少了敞开端磁通路径的损耗。为了使漏磁转变到端部绕组周围，使用了在定子中敞口每侧附近的非激磁叠片磁极构件。这使得磁通通过转子盘转变到有效通路中。为了进一步减少损耗，如前所述，转子轴应由非铁磁材料制作，例如用具有相对介电常数为1.03的奥氏不锈钢制作。
图4表示安装在对置的定子支板60、61上的磁板构件20至36。每个支板60、61具有伸入磁极构件的孔。两支板一起夹压在显极绕组上。支板由绝缘材料作成，每个支板在非激磁的磁极构件20、36之间的敞口附近位置上设有槽62、63。
图5表示一个转子64的透视图。该转子具有两个由导磁铸钢作为的转子盘65、66。每个盘具有一个面对圆形铜片67、68的内表面及一个延伸到盘外表面外的轴69。在使用时，如图4所示的定子被接收在两盘之间并使轴69穿过槽62、63。
图6中的转子70具有一个轴71及两个隔开的转子盘72、73。在该实施例中，除了设有如图5所描述的带导电层的盘72、73之外，这两个盘还设有由内、外短路环74、75构成的转子绕组。在环74、75之间伸展着导电条76。虽然导电条76可在盘径向上延伸，但在此实施例中导电条如图所示是倾斜的，以便在使用中减小转矩的波动。当转子以此方式构成时，导电条及环可被埋置在盘中而不一定要被看见。
图7表示一种本发明的定子被绕上绕组的方式。在该图中，定子具有两个非激磁的极80、81。其余的极82至96分别以图示的方式分别用相电流A，B或C的一相电流激磁。
图8表示本发明的定子被绕上绕组的另一方式。在该图中，定子具有两个非激磁的极100，101。其余的极102至116被从相A、B及C供给电流的分布绕组激磁。
图9及图10有助于理解本发明的电动机如何应用于铁道动车的转向架中。图9是一个转向架侧面的正视图，在其横向相隔的转向架构架件之间安装有电动机120，电动机用点划轮廓线表示出来，用于指示它相对于转向架的位置。通常电动机被一个横向构架件挡住不能被看见。
电动机120被这样定位，即定子中的槽及接近槽的极之间的间隙被置于最上方。电动机120被支承架121及支承梁122支承及安装在转向架上。为了明了起见已将架121的一部分移走。该部分通常延伸在电动机的上方并具有一个固定在定子中槽附近的定子部分上的保持件。
在图10可看清楚地看到转子轴123及转子盘。轴123的两对置端被支承在轴承124中。两齿轮箱125被固定在转向架的两对置侧上，并包括装在转子轴上的主传动齿轮126、被齿轮箱支承的中间传动齿轮127及末级齿轮/弹性套轴(cardon quill shaft)128。
如果需要从转向架中取出定子，则需要用以下的步骤。从下方支承住定子并使横向支承梁122、支承架121及保持件129与定子分离。然后可使该电动机降下并被取出。转子仍保持在相对于转向架的位置上，而不需要与齿轮箱或轴承分开。
如果必需取出转子，则需要使转子与轴承及齿轮箱分开并与转向架相分离。定子能够仍保持与转向架固定地连接而无需受到扰动。
转子盘的直径最好选择得大于定子极布置所围绕的直径。以此方式盘延伸超出定子极的范围。这使得转子的感应环路电流返回到主定子磁通的外侧。因此采用这种构型减小了转子及定子之间反向动力的发生。
当盘不是具有导电表面，而是被设置有导电短路环并在环之间延伸有导电条时，也可以起到类似的作用。采用这种结构，环必须设在极的范围以外。
该OSAF电动机具有相当简单的结构。在其铁道动车转向架的应用例中转子及定子可以单独地被更换及处理。如果定子发生故障，当定子更换或定子单个绕组更换时不需要使转子及相关的传动齿轮系统受到扰动。根据本发明构成的电动机比具有相似体积的多极式电动机具有更低的运动速度。该电动机具有的磁场转速(rpm)为：
Figure A9519092100111
式中N＝在假想完整的定子环(即假设电动机有一完整的轴向磁通定子)中的定子三相绕组数目/极组。
由本发明的电动机发出的转矩发生在大的力半径上，就对低的运行速度作出了补偿。该低运行速度减小了作用在轴承及传动齿轮系统上的应力，这使得对轴承及齿轮系统可较简单地设计。因为不需要在定子中使用固定的衬钢，故几乎不可能发生相接地故障，并由于在电动机结构中使用了很少的材料，故可节省重量。对于显极定子绕组结构(与分布绕组相反)几乎不可能出现相到相的故障，因为每个相是分离的。
根据本发明的定子不需要固定的衬钢，这就减少了损耗。

Claims (18)

1、一种敞开式定子轴向磁通电动机，它包括：
一个敞开式定子，包括两个隔开的绝缘支板，各支板具有一个从每支板的一周边延伸到其内部位置的槽，具有磁极构件的多个极延伸在支板之间并固定在支板上，磁极构件是由导磁材料制作的并沿支板上的圆形路径布置，定子相应于至少一部分磁极构件或具有分绕组或具有显极绕组，且在支板的槽区域中的相邻磁极之间具有敞口；
一个转子，具有一个可放置在槽中并伸出槽及相对支板直角地延伸的轴，两个在轴上隔开的盘，所述各盘位于所述轴上及定子每侧上，每个盘由导磁材料构成并或具有导电材料的内表面或具有提供转子绕组的导电路径的内表面，轴被支承着以便相对定子转动。
2、根据权利要求1所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，转子是由非导磁材料作成的。
3、根据权利要求2所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，轴是由奥氏不锈钢制作的。
4、根据权利要权利1所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，每个盘的内表面具有固定其上的铜层。
5、根据权利要求4所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，铜层的厚度在1至6mm之间。
6、根据权利要求1所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，通过径向内部及径向外部的导电短路环及在及两短路环之间径向延伸的导电条形成导电路径。
7、根据权利要求6所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，在盘上径向延伸的导电条相对径向稍微地倾斜，由此当转子工作时减小转矩的波动。
8、根据权利要求1所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，具有奇数个极相组。
9、根据权利要求8所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，具有至少三个极相组。
10、根据权利要求1所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，至少具有由导磁材料制作的六个所述的极。
11、根据权利要求10所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，磁极构件是楔形的并由多片叠片彼此叠成。
12、根据权利要求11所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，磁极是由硅钢叠片做成的。
13、根据权利要求1所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，在定子中紧靠敞口的磁极是非激磁的。
14、根据权利要求13所述的敞开式定子轴向磁通电动机，具有其数目为三的倍数的用于激磁磁极的绕组。
15、根据权利要求1所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，定子具有六极及四个相组。
16、根据权利要求15所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，定子具有七极及五个相组。
17、根据权利要求1所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，具有奇数个磁极，而且与定子槽相邻的磁极不被激磁。
18、根据权利要求11所述的敞开式定子轴向磁通电动机，其中，磁极构件比绕组的高度长，由此磁极构件延伸出绕组。
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