CN1225756A - 一种电机转子及其在电机中的一种制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电机的实心转子及其在一种转子装置中的制造方法。根据本发明,一个短路环(18)连接到转子装置(10)的端面(11)上,该短路环所使用的是如铜、铝、青铜、黄铜、合适的合金或导电性好的类似材料。
Description
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的电机的实心转子装置。本发明还涉及一种根据权利要求9前序部分所述的用于改进实心转子装置特性的方法。
根据感应电机原理运行的电动机通常是使用所说的层迭转子的电机。这种电机在较低转速下会出现振动问题，这是由转子结构造成的，特别是由于转子弯曲刚度差，部分地由于其扭转刚度差以及其平衡的改变或偏移。在相对的低转速下会碰到所说的层迭转子的临界频率问题，这种方式太低了，特别是当转速是从正常情况下加速时。层迭转子的制造还需要若干工序以及特殊的工具和机器，因此制造起来时间长，费用昂贵。
因此，已知的技术中，在高速电机中使用的实心转子是由钢制成的，例如用车床加工一块均匀的钢坯，以此来获得更为坚固的结构。实心转子能够实现良好准确的平衡，同时，在不同的转速下，也能保持转子平衡，这样就可以在转子轴承中使用滚珠轴承。
然而，实心转子也导致了转子阻抗的增加和电机功率比的减小，电机功率比通常约为0.6-0.7。这种转子的效率系数很低。实心转子是从一块材料制造出来的，在大多数情况下其外圆周是光滑的，然而，这种实心转子一般用于旋转速度高于普通电动机的短路电动机中，例如其转速可达到200000 l/min。然而即使在较低的转速下，例如在所说的速度低于20000 1/min的普通转速下，也仍然存在上面提到的有效系数低和过热这样的问题。
英国(GB)专利No.1427818公开了一种改进的实心转子的应用实例。其中所述的一种转子装置包括一个低碳素铁的圆柱形转轴，转轴上设有铜鼠笼用以减小转子阻抗。
尽管这种方法改善了转子的硬度并且减小了阻抗，但是仍然存在效率低的问题。除了低效率外，损耗还导致使用期间的严重过热。虽然为了解决过热问题提供了多种不同的冷却系统，但是冷却系统所需要的功率降低了电网的净效率。从制造的角度来说，一个重要的问题是：鼠笼的宽的半球形铜部分的连接及其在转子中的固定是很困难的，特别是在较高的转速下。另外，引用文件没有公开或建议任何在其他类型的电动机而不是在高速电动机中使用其所公开的转子装置的方式。由于上述原因，所公开的方法在电动机领域未能得到普遍应用。
芬兰专利FI92114公开了一种感应电机转子，为了解决上面提到的问题，在其圆周上涂了一层导电膜。但是这种导电膜很难制造，并且其固定也是有问题的。在很多涂层方法中，转子被高温加热的事实将导致额外的不利因素，高温加热会给转子的机械性能带来了负面的影响。因此，这种方法仍然不能以令人满意且经济的方式解决实心转子机械的问题。
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种全新的用以改善一种电机实心转子特性的方法。
本发明的另一个目的是提供一种感应电机的改进方法，与已有的方法相比，本方法从实质上改善了电机的效率及其他特性，同时不会出现已有技术中电机的严重过热问题。
本发明的另一个目的是提供一种低转子阻抗的转子装置。
本发明的另一个目的是提供一种使电机可以在宽转速范围内使用的结构和方法。
本发明的另一个目的是提供一种具有低磁场削弱点的实心转子电机结构。这使得例如在宽转速范围内以恒定功率带动电机负荷成为可能。
本发明的另一个目的是提供一种易于制造并且因此费用低的转子装置。
本发明的一个目的也是提供一种包括可以使用小气隙而没有任何不利影响的实心转子的电机结构，因而可提高效率系数。
本发明的目的是提供一种大小和重量都小于已知的感应电机而功率与其相当的电机结构。
本发明是基于以下惊人的发现：通过在实心转子装置的端面上设置由导电性好的材料制成的短路环，就可以改善已知的实心转子电机的特性。
更准确地说，根据本发明所述结构其主要特征是通过权利要求1-8中特别是权利要求1的特征部分所公开的内容来描述的。根据本发明所述方法其主要特征是通过权利要求9-11特别是权利要求9的特征部分所公开的内容来描述的。
根据本发明的一个最佳实施例，所述装置包括一个坚硬，由一块板材制成的实心转子装置，其端面上适宜地设置有短路环装置，该短路环装置最好使用铜或者导电性好的类似金属材料，如铝、青铜、黄铜、银、金等材料或者已知的合金。
根据一个最佳实施例，所述端面或短路环实质上是深的(高的)，通过这种方式就可以获得进一步减小转子阻抗的优点。根据另一个最佳实施例，转子装置的圆周形状是用一块合适的钢坯经车床加工而成，然后将双金属片(例如FeCu)制成的短路环最好通过电焊(EBwelding)、摩擦焊接、激光焊接或者通过钎焊固定在其上，这样相应的钢材就彼此连接在一起了。通过这种方法能够利用已知的方式简便快捷地制成一种能够承受如高转速所造成的应力的坚固结合点。一个更可取的方式是使用双金属片构成的转子导条装置。
通过本发明可获得的巨大优点是：与已有的解决方法相比，实心转子电机的转矩输出能力和效率得到了实质性的改善，而电机过热的问题被大大地减弱。与已知具有同样性能的电动机相比，本发明的电动机大小和重量都减小了。本发明所述电动机可以在一个相当宽的转速范围内提供同样的最大功率。由于具有尺寸小、重量轻、转速范围宽以及功率曲线平滑等良好特性，本发明的电机结构和方法可以用于不同的场合，同一台电动机也可以有几种不同的用途。本发明所述的转子装置虽然易于制造，但其结构仍然耐用而可靠，从所述短路环的紧固程度就可看出。
下面将参考附图通过一些实施例来描述本发明及其其它的目的和优点，所有附图中相同的附图标记指示相同的特征。应该理解的是，以下通过实施例的方式对本发明所作的描述并不是要将本发明限制在这种连接表现的某种特定形式中，相反，正如权利要求所限定的那样，本发明将覆盖包括在本发明意图和范围内的所有修饰、类似及替换。
图1是根据本发明所述的一种电机的实心转子装置的侧视简图。
图2公开了本发明转子装置的一个实施例的一个剖面侧视图。
图3公开了本发明转子装置的另一实施例的一个剖面图。
图4公开了为表5所做的测试配置。
图5公开了一个通过比较来显示测试结果的表。
图1公开了一种实心转子装置10，根据本发明，该装置是由一块均匀的钢坯制成的。图1还公开了连接在转子装置10端部(即在其表面11上)的铜短路环18。铜短路环18可以通过摩擦焊接、爆炸焊接或激光焊接连接到转子10的端部11上。根据本发明，构建了一组试验性的转子参数，这些给出的参数仅作为可能的一些转子参数的一个范例，参数如下：材料为Fe52，直径为98.5mm，长度为100mm，所使用的铜短路环的厚度为10mm。如图1所示，短路环可以实际延伸至自由端面11的整个区域，或者仅在其圆周的一小部分内。
短路环18显著地减小了实心转子10的转子阻抗，这就带来了提高电机效率的有益效果。通过这种解决方法，能够缩短转子长度，提供一种比现有技术中所述电机更为紧凑的电机结构。
一种优选的短路环材料是，例如铜。其他可能的材料是，如铝、青铜、黄铜、银、金以及由它们组成的各种复合材料，这些材料具有足够的特性来通过转子10的表面11提供充分的导电性从而减小所述的转子阻抗。
图2公开了一种从其制造方面来说更为可取的解决方法，在该方法中端环18是由FeCu片(钢-铜片)制成的。这种双金属结构18＇、18″也可以由其它复合材料如钢-铝、钢-黄铜等提供。这种预先制造好的由不同材料如铜和钢18＇和18″构成的双金属片彼此之间可以通过轧压、爆炸焊接或者通过基于冲击波技术的冲击压接合在一起，这是技术人员所知道的，而且不同种类的双成分片在市场上也有出售。
在图2所公开的方法中，端盘18的钢部分18″最好通过电焊(EBwelding)或者激光焊从箭头所示位置焊接到转子材料10上。由于能够从箭头指定位置仅从其钢部分一侧将双金属片焊接或附接到钢制的转子10上，因此图2中的转子装置10特别容易制造。换句话说，本来在工业环境中批量生产时要想将铜或与铜类似的短路环材料接合到钢或与钢类似的材料上是很困难的，但是利用这种方法就可以简单廉价地将实质上类似的材料的两个光滑接合面彼此附接在一起。实际上，例如从图1中铜铁的接合来看，考虑到接合面的对光滑性及其氧化程度，所需的准备不那么严格，因此可以进一步节省资金。
在图3的横截面图中公开了所述转子装置10的另一最佳实施例，其中转子10在其圆周表面设有凹槽14。根据该方案，凹槽装置14上还可以设有适当的双金属片导条，这种金属片最好是上面所提及的铁-铜片(FeCu)。设置在凹槽内的鼠笼装置的轴向延伸转子导条15可以仅从其一侧31连接到凹槽上。连接最好通过电焊(EB welding)或者激光焊接来完成。从所需的焊接量来看，这种解决方法能够获得有益效果。
另外，尽管并非总是必要的，但是在凹槽14和部件15之间留有均匀的小气隙是有好处的。气隙最好约为0.1-2mm。
收容转子导条15的凹槽14的形状设置得与其宽度相比较深。需要指出的是，尽管图3所公开的导条截面形状是矩形的，但如果必要的话，截面形状也可以不是矩形的，比如可以是楔形的，三角形的，桶形的，凹线形的和/或从其某些侧面倾斜，这些都不背离本发明的主题思想。
除改进了连接的容易程度，减少了焊接需要和制造起来更加快速等制造方面的优点以外，本发明还能通过仅从其另一侧连接的转子导条装置15防止产生切向电流，在这个意义上说，实心转子10的特性实际上和层迭转子是一样的，并且能够部分地将磁路和电路彼此分开。通常，当总的目标是让电流在转子10中沿着转子导条15的方向轴向流动时，通过本发明改进了这种转子配置，进而改善了转子的性能，特别是提高了转子的有效系数。
本发明能够容易地设置短路环装置18和凹槽以及导条装置14、15与转子装置10相连接，而不会给转子装置的平衡稳定性带来负面影响。由于本发明的转子装置能在不同的转速下保持良好的平衡，因此可以在转子装置的转动支撑中使用滚珠轴承这样的转动轴承。平衡性好的实心转子由于不会“活动”，所以它不会增加轴承负荷。
图4公开了一种测试配置，显示出对依照本发明所述的带短路环的一种实心转子电动机的测试结果。测试时，在电动机1和电源3之间配有频率转换器6，测试中使用的电源是普通电网。所述转换器装置是公知的，商业上可应用的。配置还包括一个发电机4，以及配在一个发电机4和电动机1之间的转矩计量传感器。另外，公开了连接在所述发电机和电网3之间的第二个频率转换器装置7。这种测试配置连接使得相当于驱动损耗的全部能量从电网3获得，电动机1的功率在发电机中被转化为电能，然后再返回到频率转换器共有的且并联在一起的中间电路中。
在另一项测试中，相应的配置用于检测本发明的配置在采用申请人在申请日未公开的芬兰专利申请No.962485中公开的滤波方法时所能得到的效果。所述芬兰申请在此引入作为参考文献。
图5的单线图表明了从比较中所得到的效率的测试结果，其中，使用140Hz电流源，在带有滤波与不带有滤波的情况下对本发明的实心转子结构进行研究，如下：
曲线1：根据本发明所述的一种带有铜短路环的转子，无滤波的情况。
曲线2：根据本发明所述的一种带有铜短路环的转子，有滤波的情况。
其中，纵轴表示测得的效率[％]，横轴表示功率Pmek[kw]。
从图中可以看出，利用短路环获得了很好的效率。和已有技术所能提供的性能相比，使用包括不具有芬兰(FI)申请No.962485所述滤波作用的本发明所述转子装置电动机1，能够使效率得到实质性的改善(曲线1)，特别是提高了功率。
如果将本发明的短路环和FI962485所述的滤波装置合起来使用，效率更好(曲线2)。根据曲线2可知，和已有技术方法相比，这种方法能获得更高的最大功率。
在其他的一些测试中，将基于短路环的本发明实心转子解决方法与涂有不同涂层的转子相比较(例如铝含量不同的AlFe+Cu涂层和AlFe涂层)。通过测试发现，带有本发明短路环的电机在转矩和功率方面的特性比在其转子圆周上涂有涂层的转子电机要好。需要指出的是，本发明短路环的制造和连接实现起来也比已知的涂层方法更为容易，更为经济，这样一来，和现有技术所使用的涂层方法相比，本发明具有明显的优点。
本发明提供了一种装置和一种方法，通过该装置和该方法，使得实心转子电机的特性得到了实质性的改善，使得电动机可以应用于要求起动转矩好、旋转速度高的情况。但是从结构方面来说，本发明的转子结构简单，易于制造，实施起来也很经济，运行可靠。根据本发明的实心转子结构，可以得到和层迭转子相同的效率，并且改善了电网运行中的起动转矩特性，在和逆变器一起使用时允许更高的旋转速度。这种结构使电机(电动机和发电机)可以在大多数的甚至达到1MW的普通功率范围内应用。
需要指出的是，前面所述的本发明实施例不限制本发明通过权利要求所要求保护的范围。
Claims (11)
1．一种电机的实心转子装置，其特征在于，一个短路环(18)被连接到转子装置(10)的端面(11)上，所述短路环是由如铜、铝、青铜、黄铜、合适的合金或类似的导电性好的材料制成。
2．根据权利要求1所述的一种转子装置，其特征在于，所述短路环(18)包括至少由不同材料构成的两个部分(18＇,18″)，其中所述短路环材料部分的一个部分(18＇)，即被连接到所述转子装置的那一部分(18＇)的材料与所述转子装置(10)的材料具有基本相似的特性，其第二部分(18″)材料的导电性更好。
3．根据权利要求1所述的一种转子装置，其特征在于，所述短路环(18)是由一种双金属片(18＇,18″)制成，如钢-铜片(FeCu)、钢-铝片(FeAl)或钢-黄铜片。
4．根据前述权利要求中任一项所述的一种转子装置，其特征在于，所述转子装置(10)还包括在其表面轴向延伸的凹槽(14)。
5．根据权利要求4的一种转子装置，其特征在于，在所述凹槽(14)内设有一种转子导条装置(15)，所述导条装置包括至少两个部分(15＇,15″)，其中一个部分(15＇)的材料比所述转子装置的导电性好，如铜或铝，另一个部分(15″)使用和所述转子装置相类似的材料。
6．根据前述权利要求中任一项所述的一种转子装置，其特征在于，通过电焊、激光焊接或低温焊接将所述短路环(18)或所述转子导条装置(15)连接到所述转子装置材料上。
7．根据前述权利要求中任一项所述的一种转子装置，其特征在于，电动机配置的一部分也包括了定子装置和对供给电动机的电流进行滤波的装置。
8．根据前述权利要求中任一项所述的一种转子装置，其特征在于，所述短路环装置(18)和所述转子装置(10)相连接，这样所述转子装置的平衡稳定性不会受到负面的影响，因而可以在所述转子装置的转动支撑中使用滚动轴承，如滚珠轴承。
9．一种电机的实心转子装置的制造方法，其特征在于，通过设置在所述转子装置的所述端面上的一个短路环装置引导所述转子装置的电流导向和/或影响其电阻率，所述短路环使用的材料比所述转子装置的材料的导电性好。
10．根据权利要求9所述的一种方法，其特征在于，所述短路环的设置是通过将由如钢-铜片、钢-铝片、钢-黄铜片的环形双金属片经过电焊、激光焊接、摩擦焊接或低温焊接从其所含材料与所述转子装置的材料实质相应的那部分连接到所述转子装置的所述端面上。
11．根据权利要求9或10所述的一种方法，其特征在于，该方法还包括对供给所述电动机的电流进行滤波。
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