CN1249862A - 高速电动机的改进 - Google Patents

Abstract

一种高速无刷直流电动机具有一个包括在直径方向磁化的固态稀土族磁心(17)的转子(10)。转子(10)包括环绕磁心(17)的套管(18),在其高速旋转期间在径向上限制磁心。套管(18)从磁心轴向的两个方向上延伸,形成转子(16)的空心轴。套管(18)是由非磁性的低电导率的材料制成的。设置控制电路(14),它包括预定额定值的电子变流器。控制电路包括在基本转速到最大转速的电动机转速范围内维持功率基本恒定同时维持功率因数接近于1的装置。

Description

高速电动机的改进

发明的领域

本发明涉及高速电动机的改进，尤其涉及高速无刷直流电动机。

本发明将具体参考其作为冷却剂、空气或气体压缩机的电动机的应用进行描述，尽管如此，应当明白本发明的原理可以应用于其它应用中所使用的电动机上。

发明背景

用作压缩机电动机的高速无刷直流电动机的设计和构造存在许多问题。

这种电动机必须产生在负载范围内对作为压缩机电动机是有效的足够的功率。为了使电动机和压缩机的组合体积减至最小，需要设计一种高速、低转矩、高效率的电动机。

高速无刷直流电动机是众所周知的。在这方面，可以参考教科书“直流机器”，Say和Taylor著，第二版(Pitman International)，尤其是4.8、5.10和11.4节。这种电动机产生的功率输出通常比冷却剂压缩机电动机所需的要低。这种电动机的一种型式采用一种稀土族磁性材料(具体说是钕铁硼[NdFeB]类)。然而，这种材料和其它的稀土族材料通常具有低抗张强度且有些脆。这使其局限用于相对较低功率的高速电动机，它们不适合于作压缩机电动机。

在采用目前可供使用的被认为是有利于环保的诸如R134A和CFC冷却剂的新型冷却剂的致冷压缩机应用中，不可以使用与冷却剂化学不兼容的润滑剂。这可能排斥在压缩机中使用一般的轴承，因此需要能够使用象磁性或箔轴承的非接触轴承。因此，在驱动电动机中也使用这种轴承。

本发明的目的是设计一种具有相对较高的功率输出和甚高的功率容积比的高速电动机。

本发明的再一个目的是设计一种能够被用作冷却剂压缩机的电动机，转子较佳地是由诸如磁性轴承、箔轴承的无油或非接触轴承支承的，但是在不同的应用中也能够与标准轴承一起使用。

还需要提供一种作为压缩机电动机使用的电动机，电动机的控制能够采用成本相对较低的控制电路来实现。

还需要提供一种在其转子结构中加入了提供所需机械强度的稀土族磁性材料的电动机。

发明概要

根据本发明的一个方面，提供一种高速无刷直流电动机，它具有包括在直径方向磁化的固态稀土族磁心的转子，所述转子包括环绕所述磁心的套管，在转子高速旋转期间在径向上限制磁心，该套管从磁心轴向的两个方向上延伸，形成转子的空心轴，套管由非磁性的低电导率的材料制成。

利用转子套管形成空心的电动机轴，使转子的重量最轻，因此减轻了对轴承的负载，同时仍然提供所需的轴刚度和提供一种经济有效的构造方法。

为了达到最大效率和最低成本，本发明的电动机在转子上采用固体稀土族磁心。电动机较佳地设计成在20,000rpm至50,000rpm的工作转速下运转，这可缩小电动机和压缩机的体积。然而，这样的高旋转转速对电动机提出苛刻的机械要求，电动机必须承受旋转产生的高的离心力。电动机还必须具有足够的刚性以致于其共振弯曲频率超过最大旋转频率。转子还必须尽可能地轻，以使转子轴承上的负载减至最小。

在供冷却剂压缩机一起使用的本发明的较佳实施例中，转子支承在活性磁性轴承上，磁性轴承使转子既在轴向又在径向上定位。然而，在不同的环境中可以将其它形式的常用机械轴承或其它类型的非接触轴承与本发明的电动机一起使用。

转子套管较佳地是由非磁性的高强度金属，如铬镍铁合金(Inconel)形成，它具有相对较高的杨氏模量并能够提供转子轴所需的必要弯曲稳定性。

在本发明的较佳形式中，使稀土族磁心维持在低于通过对套管预加应力压缩负载(静止时)。这种预应力可以通过使组装的磁心和套管具有明显的热差，例如通过对套管加热来产生。形成的磁心的外径和套管的内径提供精密幅度的压配合。当套管收缩在磁心上时，相对尺寸变化在径向和轴向两个方向上引起磁心的轴向和径向压缩。在转子旋转时，产生的离心力被套管中的张力所抵消，所以在最大旋转转速下，在磁心中产生最小张力(如果有的话)。因此，由套管施加在磁心上的压缩力保证具有低抗张强度的磁心材料不会因转子上的旋转力产生开裂、移动、变形等。

根据本发明的另一个方面，提供一种高速无刷直流电动机，它包括转子和控制电路，转子包括由限制套管环绕的固态稀土族磁心，控制电路包括预定额定值的电子变流器，控制电路包括通过改变所提供电枢电流相对于反电动势的超前角，由此引起在整个恒定功率转速范围上通量削弱，在基本转速到最大转速的电动机转速范围内维持功率基本恒定同时维持功率因数接近于1的装置。在这一范围的两端上的电流和功率因数设计为相等，在基本转速下电流滞后于电压，在最大转速下，电流超前于电压。

在给定转速和转矩下电流的最佳超前角将取决于相对的电动机材料成本和变流器成本(或者对于给定的变流器额定值，所增加输出的值)以及铁和铜损耗的相对热显著性。如果将基本转速下的电流超前设定为等于或近似等于在基本转速下的功率因数角，那么，产生的功率因数(和变流器利用率)超过在基本转速下未采用通量削弱所能获得的值。

这一控制方法通过使用成本较低的元件使电动机在磁通量与电枢通量之比的设计上达到最佳化而使电子控制电路的成本减至最小。因此，通过设计在基本转速至最大转速下通量削弱的电动机，可实现较低的变流器额定值和铁损耗，虽然这是以增加铜损耗为代价的。

在本发明的电动机的一种特定形式中，在最大功率下，电流超前在设计的基本转速，即约32000rpm下必须为15°-20°，在设计的最大转速，即约为48000rpm下必须为50°-55°。将电动机设计成具有所需的峰值功率下电枢通量与磁通量的比率，采用不含有铁的转子可以使电感减至最小和使所需通量比的电动机尺寸减至最小。

为了更好地理解本发明，现在将参考附图描述一个特定的实施例。

附图简述

图1是本发明的电动机的部分截面图。

图2是在基本转速和最大转速下各种通量的相位图。

图3是电动机控制器的示意图。

实现本发明的最佳方式

参考图1，图中所示的电动机10是为驱动冷却剂离心压缩机(未示出)而专门设计的高速、无刷、开槽的直流电动机。电动机10设计成尽可能地紧凑以便尽可能地减小组合的电动机/压缩机的总尺寸。然而，电动机10必须给压缩机提供与可供使用的交流电源11和控制电路14中的电子变流器12的额定值相当的足够的功率。在示出的实施例中，为了使电子变流器12的成本减至最小，其额定值限制为200A峰值。那么，这决定输出功率在70至85kW之间，三相电源额定电压为415Vrms。

转子16包括钕铁硼(NdFeB)磁心17，这是一种具有高磁能密度和低抗张强度的烧结磁性材料。磁心17被包含在由络镍铁合金718形成的套管18中，这是一种非磁性、低电导率的金属合金。套管限制磁心17在转子高速旋转期间产生力。在本发明的较佳形式中，对套管18预加应力以便当转子在静止时维持对磁心的压缩压力。这种预张力是通过使磁心外径和套管内径的尺寸引起压配合，然后通过加热使套管膨胀使得磁心能够被插入其中而产生的。对套管18进行冷却导致在径向和轴向上的收缩，由此在径向上压缩磁心，还施加一定的轴向压缩。理论上，套管18的预应力是这样的，即在转子的高速旋转转速下在磁心17中不存在张力。实际上，存在一定张力是可以容许的。轴向压缩有助于降低高速旋转时磁心中的张力。

套管18除了限制磁心17外，还在轴向的两个方向上向外延伸，起转子16的空心轴的作用。空心轴延伸到支承转子16的磁性轴承19附近，空心轴给转子提供必要的弯曲稳定性，以便在电动机工作期间维持气隙21。

磁性短轴22和23被啮合在套管18的外端24和26。磁性短轴22和23提供磁性轴承19所需的反作用轴部分。

在实现最小电子变流器额定值的电动机的设计中，需要以尽可能小的峰值相位电流乘以相线对中线峰值电压的乘积在给定转速范围内获得恒定的功率操作。因此，不仅功率因数在该转速范围内应当接近于1，而且电流和电压各自的变化应当尽可能小。在永磁铁电动机的最常见控制方法中，对于最小铜损耗，来自定子电流的通量与来自磁铁的通量间存在90°，在恒定功率范围上，最大电流出现在最小(或基本)转速下，最大电压出现在最高转速下，它们的乘积大于任何转速下的乘积。为了对此作出改进，对于达到电压极限时直至基本转速的转速，电流通常与磁铁反电动势相对准(在各向同性电感的情况中)，然后通过利用通量削弱维持恒定功率直至最大转速。在通量削弱中，磁通量与来自定子电流的通量相抵消，定子电流与附加非转矩产生电流分量有关，该电流使最大转矩对准的总电流矢量超前90°。

根据本发明，首先，将恒定功率范围的两个极端转速下的电流和功率因数设计为相等，在基本转速下电流滞后于电压，在最大转速下电流超前于电压。如图2所示。其次，不只是对于超过基本转速的转速引起通量逐步削弱，在基本转速下也采用明显的通量削弱。所采用的通量削弱的量是可变的，事实上，如果明显很高的电流是可以允许的，可以实现任意接近于1的功率因数。由于这会引起电动机的冷却问题，折衷方案是在基本转速下电流超前约等于功率因数角，正如图2所示。

如图2所示，如果基本转速除以最大转速的比率是s，那么，对于恒定功率s也是电枢通量垂直于磁通量的分量的比率。从图2中可以看出，在基本转速下的电流超前和功率因数角是相等，它们必须都是相等的。 ${\cos }^{-1}\left(\sqrt{\frac{3+s}{4}}\right)$

在图2中：

δ＝负载角

α₁＝在基本转速下的电流超前角

α₂＝在最大转速下的电流超前角

θ₁＝在基本转速下的功率因数角

θ₂＝在最大转速下的功率因数角

直线v₁代表在基本转速下的总通量(正比于电压)

直线v₂代表在最大转速下的总通量(正比于电压)

直线i₁代表在基本转速下的电枢通量(正比于电流)

直线i₂代表在最大转速下的电枢通量(正比于电流)

在例举的实施例中，所需的恒定功率范围在约32,000rpm基本转速至约48,000rpm之间，即它在1至1.5的范围。对于这一转速范围，如果电流超前角α₁和功率因数角θ₁二者都是17°(最靠近度数)，那么它们在基本转速32000rpm下是相等的。这对应于非常好的功率因数，pf＝0.96。在最大转速48000rpm下的电流超前角α₂应当为50°。所需的负载角δ，即磁铁反电动势的电压超前是34°并且在基本和最大转速下是相同的。电流超前意味着电流在最小值上恰好增加4％，对于假设在基本转速下没有通量削弱的这种电动机，可能在基本转速下提供转矩。采用更大的电流，可以实现略高的功率因数(和输出功率)，但是，这是以电动机更大或更热为代价的。

由于已经使功率因数、电流和输出功率在恒定功率区的两个端值处相等，因此，电压v必须也是相等的。然而，对于中间的转速，功率因数增大，穿过1，那么功率因数角从正变为负。如果与恒定输出功率一起维持恒定电流，那么，在这些中间转速下电压v必须略有下降。另一方面，可以将v维持在常量上，电流i在中间转速下下降，或者通过将v和i维持在常量上可实现略高的功率。

电动机控制器如图3所示意的。控制器包括微控制器30、功率级32、电动机10和传感器33。传感器33包括三个以120°围绕转子定位的传感器，将信号提供给计算器34。计算器确定转子的转速及其位置，该速度与比较器36中命令转速ω相比较。比较器36包括使信号能够提供给控制器/变流器37的切换开关，功率级32采用控制器/变流器37的输出以合适的相位角给电动机提供功率，以维持功率因数接近于1。通过监测电动机转速和根据是否需要增大或减小而改变电压矢量，维持功率在电动机转速范围上基本恒定不变。

虽然本发明的电动机是为现代冷却剂，如冷却剂R134A专门设计的，但是，它也可以构造驱动采用氨水作为冷却剂的系统中压缩机的电动机。为此，电动机绕组和与其相关的其它任何接线则由含有金属，较佳地为银或铝的非铜材料形成。转子的磁性较佳地是密封的，以致于不与氨水冷却剂接触。

本发明的电动机在用于致冷系统中时将使冷却剂循环通过电动机而致冷。

Claims (12)

1.一种高速无刷直流电动机，其特征在于：所述电动机的转子包括在直径方向上磁化的固态稀土族磁心，所述转子包括环绕所述磁心的套管，以便在转子高速旋转期间在径向上限制磁心，所述套管从磁心轴向的两个方向上延伸，从而形成转子的空心轴，所述套管由非磁性、低电导率的材料制成。

2.如权利要求1所述的电动机，其特征在于：所述磁心由钕铁硼形成。

3.如权利要求1或2所述的电动机，其特征在于：所述磁心被压缩夹持在所述套管内。

4.如权利要求1、2或3所述的电动机，其特征在于：所述转子的共振弯曲频率超过最大旋转频率。

5.如权利要求1所述的电动机，其特征在于：所述转子支承在活性磁性轴承上，所述轴承使转子既在轴向上又在径向上定位。

6.如权利要求1所述的电动机，其特征在于：所述转子套管由铬镍铁合金(Inconel)形成。

7.如权利要求3所述的电动机，其特征在于：所述磁心保持在低于通过使所述套管预加应力引起的压缩负载(静止时)。

8.如权利要求7所述的电动机，其特征在于：所述的预应力是通过使组装的磁心和套管具有明显的热差产生的，所述套管收缩在所述磁心上。

9.一种高速无刷直流电动机，其特征在于：所述电动机包括转子和控制电路，所述转子包括被限制套管所环绕的固态稀土族磁心，所述控制电路包括具有预定额定值的电子变流器，控制电路包括通过改变所提供电枢电流相对于反电动势的超前角，由此引起在整个恒定功率转速范围上的通量削弱，在基本转速到最大转速的电动机转速范围内维持功率基本恒定同时维持功率因数接近于1的装置。

10.如权利要求9所述的电动机，其特征在于：将在功率转速范围的两个端值上的电流和功率因数设计为相等，在基本转速下电流滞后于电压，在最大转速下电流超前于电压。

11.如权利要求9或10所述的电动机，其特征在于：设计的基本转速约为3200rpm，设计的最大转速约为48000rpm，在设计的基本转速下在最大功率下的电流超前约在15°至20°之间。

12.如权利要求9、10或11所述的电动机，其特征在于：在基本转速下电流滞后于电压，在最大转速下电流超前于电压。

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