CN1208987A - 交流转子调相无级变速电机 - Google Patents

Abstract

一种能高效率自行无级变速运行的交流电机,它是在交流感应电机转子导条内侧,设置一个调节感应转子磁通矢量和输出转矩的直流励磁调相转子,通过调控励磁电流实现交流感应电机在高效率下自行无级变速运行。交流转子调相无级变速电机与风机、泵类等设备配套使用能大量节约电能。比现有各种高效率电调系统的可靠性和效率都高,而且技术简单、成本低,使用方便、容易维护。由于没有附加的大功率电力电子设备,不产生污染电网的高次谐波。

Description

交流转子调相无级变速电机

本发明涉及一种无级变速电机，特别涉及一种交流转子调相无级变速电极。

目前，先进的高效率交流电机调速系统，都需在主回路串联各种附加的大功率电力电子调速装置，如由同步电机组成的高低高二重化无换向器电机调速系统，需在主回路串联两套全功率高压变压器，两套可控整流器、两个电抗器、两个逆变器，以及复杂的自动控制装置，电能经过多次转换使系统的效率降低、可靠性下降。由绕线转子异步电动机组成的各种串级调速系统，也都需要在转子回路中串联大功率整流器、电抗器、逆变器和逆变变压器等，致使绕线转子异步电动机的转矩损失17.4％以上，功率因数降到只有0.5左右。定子或转子变频调速装置，其技术复杂、价格昂贵、可靠性差、维修也困难，其直流侧的大功率整流器，产生污染电网的高次谐波，逆变器一侧也有大量高次谐波进入被调速电动机，使电动机的逆序转矩成倍增加，不仅使效率大幅度下降，还产生轴振、噪声以及温升超标等，使原来结构简单、价格便宜、运行稳定、可靠、效率高的三相鼠笼型电动机失去了很多优点。

本发明的目的之一是：提供一种既能无级变速运行，又具有三相异步感应电动机优点的交流转子调相无级变速电机。

本发明的目的之二是：提供一种，比上述三种高效率电调系统结构简单、容易制造，并能在效率、功率因数、可靠性及使用寿命方面都有显著提高的低造价交流转子调相无级变速电机；

本发明的目的之三是：提供一种能在各种有易燃气体，或其它恶劣环境中使用的防爆型交流转子调相无级变速电机；

本发明的最后一个目的是：提供一种造价可同现有绕线型异步电动机相比，并能适应各种行业不同用途的小型通用交流转子调相无级变速电机。

实现本发明的技术方案是：在交流电机壳体中，装有定子铁心、定子绕组、感应转子转子轴、前后轴承及两端的前后端盖，其特征之一是在定子铁心内侧，装有带转矩输出轴的环形感应转子，其中包含在转子导条之间有径向铁心的和在铜套内侧有薄形磁滞环的环形感应转子，特征之二是在环形感应转子内侧，又装有能在感应转子轴线上自由旋转的，带有轴承和直流励磁绕组的调相转子。

在调相转子无励磁或励磁电流很小时，它是一个有转轴的环形感应转子内磁轭，同环形感应转子一起构成一个“鼠笼转子”。当三相交流转子调相无级变速电机的定子绕组接通三相对称电源时，在定子铁心内侧，产生由三相合成具有N.S极性的旋转磁通势，在有滑差的环形感应转子导条或绕组中，感应出相位滞后于定子相位的滑差电流，该电流又形成转子自己的具有N.S极性的旋转磁通势，或称旋转磁场，与定子边不同极性的旋转磁场相吸并在滞后相位上同步旋转，短路转子绕组的滞后滑差电流，将电能转换为机械转矩，转子就在额定转速附近拖动负载稳定运行。这时的交流转子调相无级变速电机的功能和性能指标基本与交流异步电动机相同。给调相转子输入少量的励磁电流，环形感应转子内侧的气隙磁压降以及漏磁通所需磁势，都能由调相转子励磁电流提供，能使定子边功率因数得到改善。当需要调速时就增加励磁电流，使调相转子有N.S极性的磁通势提高，因为环形感应转子的铁心有纵向隔磁槽，不能使定子及调相转子的两个独立磁通势自成回路，都必须通过环形感应转子的导条，分别与环形转子转差电流形成的旋转磁通势进行藕合，并都以定子n1的转速同步旋转，这时定子磁通势在有转差率的环形感应转子导条或绕组中，感应出一个滞后于定子相位90°的转子电势，同时，有励磁电流而无外部负载的调相转子，又使环形感应转子的导条中感生出一个超前转子相位90°的电势，其幅值正比于励磁电流，增加励磁电流，使超前转子电流相位的电势增加，转子的合成电势 ${\mathrm{\Σ}}_{E_2}$ 减小，其结果是转子的转矩电流与滞后角都减小了。因此，通过控制调相转子的励磁电流就能控制环形感应转子的磁通矢量，以及定子的输入功率，因而能有效地控制环形感应转子电磁转矩T的大小。通过在环形感应转子轴上设置测速装置，并与调相转子励磁电流组成闭环控制系统，使转子输出的转矩T紧紧跟随配套设备在给定转速下，所需负载转矩T_L的变化，交流转子调相无级变速电机的转速，就随时被控制在所给定的转速下高效率稳态运行。

交流转子调相无级变速电机上的环形感应转子，是由外周开有多条纵向隔磁糟的软磁钢套、焊接在隔磁糟中的铜导条、焊接在钢套两端的铜端环构成，或者在隔磁槽的槽口处，再嵌有消除转子外表面齿谐波损耗的硅钢片镶件构成。由于环形感转子的铁心有多条纵向隔磁糟，磁通没有周向回路，只能径向通过，它相当于定子铁心槽口的加长，定子磁通和调相转子磁通都不能在该铁心上形成磁回路，电机的定子磁通势、环形感应转子磁通势和调相转子磁通势，三者通过强偶合共用调相转子铁心的内磁轭和定子铁心的外磁轭。

环形感应转子还可以由环形的，圆周有穿鼠笼导条孔的硅钢片、铜导条、铜端环以及接轴法兰盘焊接成整体环形结构，在焊接成整体形环结构的内孔，还有用电焊焊接成正螺旋与反螺旋的多条抗扭加强筋。

在中小功率电机中，由于交流转子调相无级变速电机的磁回路中，有永磁构件和直流励磁绕组，允许设计成较大的单边气隙长度，这就可以在较长的气隙中，设置由两端制成有低电阻端环和接轴法兰盘的整体硬铜环或硬铝环构成的环形感应转子。

环形感应转子还可以制成在硬铜套内侧有磁滞钢套的高强度环形感应转子。

直流励磁调相转子是由设置在转子N.S磁极间的永磁构件、设置在转子中心的环形直流励磁线圈和设置在两头并压装在转子轴上的罩极组成。

直流调相转子，还可以由一个被旋转支承在感应转子轴上的三相绕线转子部件构成，也可由交流同步电机的转子部件构成。

交流转子调相无级变相电机的直流励磁调相转子，还可以设置于环形感应转子外侧，其内侧设置交流电机内定子。为提高变速电机的使用寿命和减少维护，直流调相转子的馈电滑环、电刷，使用导电碳化硼制成无磨损的构件。

交流转子调相无级变速电机是一种技术简单、容易制造、成本低、使用方便的新型无级变速电机，其效率、功率因数、可靠性和使用寿命，都比现有高效电调系统高。另一方面的优点是，它不需要购置价格昂贵、维修和管理费用也都较高的大功率电子调速装置，因此既能节省投资和安装面积又没有污染电网的高次谐波和外加设备的电能消耗。

用交流转子调相无级变速电机拖动风机、水泵等机械设备，在90％以上的额定转速下调速运行时，也能大量节电。它还能根据负载的大小随时调节输入功率。因此在那些全速运行的系统中，能解决“大马拉小车”这个多年来一直未能解决的难题。

制造交流转子调相无级变速电机用的各种材料和设备等，都与制造三相交流电机基本相同，能在现有条件下制造大容量的高压交流转子调相无级变速电机。

交流转子调相无级变速电机的机壳部件、定子部件和电机的冷却通风系统部分，从社会效益出发和有利于新产品的推广，都基本上可以套用现有的标准技术和方法。区别于现有技术的部分主要是环形感应转子部件，其次是调相转子部件。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的交流转子调相无级变速电机第一个实施例的纵剖面构造图。

图2是交流转子调相无级变速电机第二个实施例的纵剖面构造图。

图3是交流转子调相无级变速电机第三个实施例的纵剖面构造图。

图中1．螺栓2．键3．档圈4．风罩5．风扇6．轴承盖7．前端盖8．带法兰盘的感应转子前轴9．带轴的调相转子10．有导条和端环的感应转子11．有三相绕组的定子12．电机壳体13．接线盒14．后端盖15．端盖螺栓16．电刷装置17．感应转子前轴承18．调相转子轴承19．有法兰盘的感应转子后轴20．感应转子后轴承21．导电滑环22．地脚螺栓23．定子绕组24．防爆接线盒25．定子铁心26．带有防爆滑环盒的风罩27．内循环风机28．热交换器29．冷却定子外周的通风道30．外循环风机31．进风窗口32．调相转子轭部轴向冷却风道。

图1是一种封闭型、滚动轴承、自扇冷却的交流转子调相无级变速电机，带轴的调相转子(9)由绕在磁极上的直流励磁线圈和压装在磁极轭部孔中的旋转轴组成，磁极可用磁性较好的软钢制成实心凸极转子，也能用软磁板料冲片叠成，旋转轴在装导电环的一端有穿励磁绕组引出线的孔，使励磁绕组与两个导电环电连接，调相转子轴承(18)是压装在磁极两端的两个径向止推滚珠轴承，带法兰盘的感应转子前轴(8)与感应转子(10)用多个高强度螺栓在圆周上固连，固定前在止口处加胶或固定后钎焊，把经过动平衡好的调相转子轴承，经加油后装入前轴法兰盘内侧中心的轴承孔中，把有法兰盘的感应转子后轴(19)套装在带轴的调相转子有引出线孔的一端轴上，并用螺栓固定在感应转子(10)的另一端。带轴的调相转子(9)能在环形感应转子(10)的空腔中自由旋转。环形感应转子部件的动平衡，可用在端环两端处的外径上打孔的方法来实现。

有三相绕组的定子(11)压装在电机壳体(12)的内侧，并用吊环螺栓顶住，把经过动平衡和装有前后轴承(17)和(20)的环形感应转子部件装入定子(11)的空腔中。前端盖(17)、端盖螺栓、轴承盖(6)、螺栓(1)、风扇(5)、档圈(3)、风罩(4)、后端盖(14)、端盖螺栓(15)、固定有导电滑环(21)的绝缘套、电刷装置(16)、接线盒(13)和键(2)顺序装配。

图2是一种防爆型、滚动轴承、自扇冷却的交流转子调相无级变速电机，环形感应转子(10)是由外周开有多条纵向隔磁槽的软磁钢套、焊接在隔磁槽中的铜导条、焊接在钢套两端的铜端环构成的一个焊接成整体的环形零件毛坏，经车加工后，将带法兰盘的前轴(8)和后轴(19)用螺栓装配成一个整体组件，然后再对有同心度要求各处进行精磨加工和转子动平衡调整。带轴的调相转子(9)使用现有同步电动机的转子部件。分解环形感应转子部件的后轴(19)，将经过动平衡的调相转子装入环形感应转子内侧空腔后，再装上后轴(19)，分别将前轴承(17)和后轴承(20)压装在轴上。在电机壳体(12)的内侧，压装带有定子绕组(23)的定子铁心(25)，并用吊环螺栓定位后将环形感应转子(10)伸进定子铁心内腔中。前端盖(7)、后端盖(14)、风扇(5)、导电滑环(21)的组合件、风罩(26)、防爆接线盒(24)和键(2)顺序安装。

图3是一种高电压、大容量、滚动轴承、轴向通风的交流转子调相无级变速电机，环形感应转子(10)、前轴(8)、调相转子(9)，调相转子轴承(18)、装有后轴承(20)的后轴、内循环风机(27)、前轴承(17)、前端盖(7)、后端盖(14)、外循环风机(30)，有进风窗口(31)的风罩顺序安装在装有定子(11)、热交换器(28)、接线盒(13)的电机壳体上。轴向通风内循环冷却的大中型高压无级变速电机，是通过在定子外周的通风道(29)、调相转子轭的轴向冷却风道(32)、调相转子两磁极之间的通风道，以及定子槽口、内外气隙进行通风冷却的。

Claims (9)

1．一种交流转子调相无级变速电机，包括电机壳体、定子铁心、定子绕组、感应转子、转子轴、前后轴承及前后端盖，其特征是：在定子铁心内侧，有带转矩输出轴的环形感应转子，环形感应转子内侧，有带旋转轴承的直流励磁调相转子。

2．根据权利要求1所述的交流转子调相无级变速电机，其特征是：环形感应转子，由外周开有多条纵向隔磁槽的软磁钢套、焊接在隔磁槽中的铜导条、焊接在钢套两端的铜端环构成，或者在隔磁槽的槽口处再嵌有消除转子外表面齿谐波损耗的硅钢片镶件构成。

3．根据权利要求1所述的交流转子调相无级变速电机，其特征是：环形感应转子由环形的，圆周有穿鼠笼导条孔的硅钢片、铜导条、铜端环以及接轴用的法兰盘焊接成整体环形结构，并在整体环形感应转子内孔用电焊焊接成正螺旋与反螺旋的多条抗扭加强筋。

4．根据权利要求1所述的交流转子调相无级变速电机，其特征是：环形感应转子由两端制成有低电阻端环和接轴法兰盘的整体铜环或铝环构成。

5．根据权利要求1所述的交流转子调相无级变速电机，其特征是：环形感应转子由两端制成有低电阻端环的整体铜套和固定在内侧的薄形磁滞环构成。

6．根据权利要求1至5所述的交流转子调相无级变速电机，其特征是：直流励磁调相转子由设置在转子N.S磁极间的永磁构件、设置在转子中心的环形直流励磁线圈和设置在两头并压装在转子轴上的罩极组成。

7．根据权利要求1至5所述的交流转子调相无级变速电机，其特征是：直流励磁调相转子是由被支承在感应转子轴线上，能自由旋转的三相绕线转子部件构成，或者是同步电机的转子部件构成。

8．根据权利要求1至5所述的交流转子调相无级变速电机，其特征是：直流励磁调相转子设置在内定子式交流感应电机的环形鼠笼转子导条的外侧。

9．根据权利要求1至8所述的交流转子调相无级变速电机，其特征是：直流励磁调相转子的馈电滑环、电刷，用导电碳化硼制成。

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