CN1255254A - 给磁通定型的方法及仪器 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的电机包括一个转子装置(10)以及一个包围转子装置(10)的定子装置(20),定子装置(20)带有一些径向延伸的槽(21)。至少有一些槽内装有槽锁元件(14)。槽锁在槽内基本伸至定子装置的转子孔周围。槽锁装置的相对磁导率(μr)及饱和磁通密度都比较高。利用上述槽锁元件,本发明的方法可使作用于转子装置表面的磁通密度变得更加均匀。

Description

给磁通定型的方法及仪器
发明领域
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种用于电机的方法，尤其的，该方法在定子槽内安装了一种槽锁装置。此外，根据权利要求5的前序部分，本发明还涉及一种带有专用槽锁装置的电机。按照权利要求13的前序部分，本发明同时也涉及一种用于电机的槽锁。
发明背景
在电机内，尤其是在被称为实心转子电机的内部，转子的表面都存在一种损耗，该损耗是由转子与定子间产生的磁通谐波引起的。损耗使得电机的效率降低，并产生过热问题。附图1a简要地示出了现有技术电机的磁通密度形状及其非均匀的分布情况。
参照简图1b，在实心转子电机的定子片上加上一种特殊的定子齿，由此可解决上述问题。该方法均匀了转子表面的磁通，从而降低了损耗级别及磁导谐波作用。在附图1c所示图表中，通过比较附图1a与1b的定子方案，较详细地阐述了定子齿的作用。在刊物“高速实心转子感应电机的财产”，Juha pyhoren，Panu Kurronen，研究报告EN A-19，Lappeenranta技术大学，能量技术系，1993中曾公布过这种定子齿，本文将它引作参考。
专利申请PCT/FI 97/00338(＝WO97/45942)在提交其申请时为非公众性的，它公开了一种较先进的实施方案，其中，实心转子电机定子片的啮合是同实心转子装置内转子条的作用结合在一起的。这对磁通密度分布很有益处，由此也减少了转子表面的损耗。该PCT申请在本文中也被引为参考。
上述参考方案所公布的定子齿均有利于电机工作，且有助于降低实心转子电机的损耗。但是，这些定子齿也有一些缺点。它们的尺寸非常小，因而将其做到定子片上非常困难，而且代价较高。在制作过程中会产生一些问题，例如选择工具时要适当，对其耐久性也要有一定要求等。齿与齿之间的间距很小，这就使得线圈装入定子时变得更为困难。转子与齿尖之间的气隙也极小。另外，已经发现，这种方法对于大量的气体摩擦也有不良的影响。因此，由于该方法制作难度大，总造价高，对于不同的电机它们也不一定适用，所以这种方法并不是最优的选择。
上述参考研究报告EN A-19还公布了一种所谓槽锁的用途。该方法的基本原理不同于定子齿，它是在定子片的槽内装入一种分离的槽锁，此槽锁通常由合适的玻璃纤维压层制成(如一种铁粉玻璃纤维压层，它为Isovolta所卖，商品名称为“MAGNOVAL”)。现有技术槽锁的外形基本呈扁状或带状，在电机的径向上，其厚度约为2.5mm，宽度约为9.5mm。现有技术的扁状槽锁在槽内的“线圈空间”中延伸，也就是说，扁状槽锁只占有槽的一部分。换句话讲，槽锁从线圈伸至转子的长度非常之小，因而定子槽与转子之间还是基本断开的。为此，该参考刊物表明，这种方法不可能象上述参考定子齿一样获得较均匀的磁通和满意的效率。然而，该刊物公布的这种扁状槽锁价格低廉且很容易实现。因此，在有些情况下，如果需要考虑整个造价，就可采取这种较经济的方法，而不采用定子齿去获得较均匀的磁通。但是问题在于，同其它方法相比，它的电气特性较弱，而且缺乏合适的制造工艺及连接工艺。
在EP刊物No.0398376A3中也公布过一种方法，其原理与上文相似，因而也会出现类似的问题。
发明概述
本发明的目的就是克服现有技术的各种缺点，提供一种新型方法，使得电机内的磁通更加均匀，由此以提高电机的效率。
发明的另一个目的为提供一种使用槽锁的方法及仪器，该槽锁的材料及特性都经过了改善，且赋予了一种新型基本思想。
发明还有一个目的，就是提供一种方法及仪器，利用该方法与仪器，电机的制作将变得更容易而且又很经济，同时电机的效率也会得到提高。
发明另外还有一个目的，即提供一种方法和一种实现该方法的装置，这样，利用目前商用普通型定子片就能够制造出性能较好的定子装置。
发明还有一个目的，就是提供一种方法和一种实现该方法的装置，由此对定子槽内的分布电感产生作用。
发明所依据的思想是令人惊奇的，它通过采用一些材料来实现一定的条件，这些材料是可用作定子锁定材料的，于是用该材料对定子槽进行填充，一直填至转子孔的周围，这样，尽管采用的是普通型定子槽，但还是能够基本改善电机的特性，由此获得一个较大的优点，即制造容易，成本低廉。
准确地讲，本发明方法其特征主要由所附的权利要求1-4公开，并尤其在于权利要求1的特征部分。本发明的仪器的特征主要由所附的权利要求5-12公开，并尤其在于权利要求5的特征部分。本发明的槽锁其特征主要由所附的权利要求13-18公开，并尤其在于权利要求13的特征部分。
根据本发明的一种优选实施方案，电机包括一个转子装置和一个包围转子装置的定子装置，而且定子装置带有许多径向延伸的槽。至少有一些槽内装有槽锁元件，这些槽锁元件的特征在于，它们在槽内延伸至定子装置的转子孔周围，且槽锁元件的相对磁导率(μr)比较好，μr大于5，此外，其饱和磁通密度至少为0.2T。
优选地，材料的电阻率要尽可能大，最好是其电阻率基本符合绝缘体的电阻率。此外，该材料应具备足够的耐热强度。
根据本发明的方法，在电机的定子槽内装设一种定子锁。这种定子锁在槽内延伸至定子装置的转子孔周围，并且它所选用的材料相对磁导率(μr)都比较好，μr大于5，此外，饱和磁通密度至少也有0.2T，通过这种方法，转子装置的表面作用磁通将变得更为均匀。
根据本发明，电机内使用的单个槽锁在制造时其材料的相对磁导率(μr)都比较好，该μr永远大于5，且饱和磁通密度至少为0.2T。
采用本发明可获得许多优点。譬如，与现有技术的方法相比，它大大提高了实心转子电机的效率，同时也减少了电机的发热问题。在与现有技术电机性能相同的情况下，采用本发明便能够减小电机的尺寸和重量。本发明电机可在一个很宽的旋转速度范围内进行工作。同时又可留出一个较大的气隙。发明的结构很容易实现，也很容易制造，并且还有一个很大的优点，即减少了制造成本。
参照附图，下面通过举例的方式来讲述本发明的其它目的及各种优点，其中，各附图内的相同参考符号表示为相似的特性。应当理解，下文的举例叙述并不意味发明只局限于此处的特定形式，依照所附的权利要求，发明还包括所有属于发明精神及范围内的修改、近似特性、选择办法等。
附图简述
附图1a及1b示出了两种不同现有技术的方案的简图，且采用局部剖图的形式展示了磁通的分布情况，附图1c为附图1a与1b所示方案的磁通密度相对分布图。
附图2示出了本发明槽锁的一种实施方案。
附图3示出了本发明槽锁的另一种实施方案。
附图4为现有技术装置与本发明装置的模拟结果比较图。
附图5a-5c阐明了槽锁对电机分布电感及漏感的影响。
附图详述
附图1a示出了一种用于现有技术的定子槽21′，图中对定子槽21′的形状进行了局部放大。电气气隙Is中分布的磁通密度用线26′表示。附属1b示出了一种齿22，它从定子槽21两边的定子片20处伸至转子孔24内。齿对磁通密度分布的有利作用可从磁通线26看出来。
由附图1c所示图表可以看出，齿形定子齿22提供的磁通分布(b)要比常规方法(a)均匀得多。定子装置20带有一些槽，其形状如附图1b所示，由于磁导谐波的影响减小了，所以磁导谐波对转子10的加热作用也不会太大。但是，该方法还是具有上文讲述的一些缺点。
附图2公布了发明的一种方法，用以取代附图1a与b所示的方法，采用该方法后至少可以获得与附图1b一样的均匀分布磁通，但是它的方法较为简单且容易实现。
如附图2所示，在转子10与定子片20之间有一个普通的气隙8。线圈6以一种已知的方式装在定子槽21之内。
本发明的槽锁14也被置于槽21内，它基本伸至转子孔的周围11，且与周围11基本保持平行。制造槽锁14的材料其相对磁导率μr非常好，任何时候都必须大于5。优选地，该磁导率μr的值为8-17，但也可比它大。此外，材料的饱和磁通密度也应足够好，其优选值至少为0.2T，在特殊情况下，该优选值要大于约0.4T，甚至更大，如0.8T。
有一种典型的合适材料，它是Premix Oy所生产的PREMAG产品类材料。在此，将其中的PREMAG TP 2803引作例子，它的特征由Premix Oy的“INFO”，1995年1月进行详细分布。该材料是以PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)为基础的，它被设计为一种特殊的铁粉末，通过大家熟悉的标准铸模工艺，该铁粉被机器加工成最后形状。对于本发明，这种材料可提供很好的磁特性。在f＝1-100kHz的频率范围内，该材料的相对磁导率约为17-16.5，在f＝1000kHz的频率范围内，它还可保持为10，材料的饱和磁通密度为0.93T。电阻率的数量级小于1Ωcm。在任何情况下，如果材料的磁导率都大于8，且其特性还符合上文讲述的要求，那么就被认为是尤其有利的，因此它便特别适用于本发明。
能达到上述条件的槽锁可通过下述方法得以实现，例如，采用一种著名的粉末工艺或粉末冶金学，由它们提供所谓的气体或水喷金属粉末，该工艺在杂志金属技术的第32-34页中有更详尽的叙述，其题目为“通过粉末冶金的良好的产品”(作者J.Liimatainen)。这篇文章阐述了一种可用于本发明的工艺，在此也被引为本文参考。
制造槽锁还有其它一些方法，如，利用挤压法将石英混合物压成模型，或采取铸造或烧结等办法。
选择合适制造工艺的首要条件为，该工艺所提供和定型的槽锁元件可使电机的磁特性、电气特性、机械特性均能达到希望的要求。
此外，槽隔离体16将线圈6同槽锁14及定子片隔离开来。这种隔离体可采用技术人员都比较熟悉的绝缘材料，如纸或塑料带等，或一种合适的绝缘膜。在有些情况下，槽锁14与定子槽壁的表面之间也可适当地放入一种合适的隔离体16。倘若所选槽锁材料的电阻率较小，如数量级为1Ωcm，那么就需要该种隔离体。
定子片可采用标准的片子，这比附图1b所示的片子和一些较好的片子都要便宜得多。
附图3示出了一种与附图2相似的装置。但此处的槽锁有一个象圆顶状的部分伸至转子10，也就是说，该圆顶在定子20的孔周围表面11上有一个轻微的向外突出。通过模拟实验发现，这种形状对均匀磁通还有其它一些优点。
附图4示出了一种500kW实心转子电机的几种模拟曲线图，它们分别对应于附图1a、1b、2和3所示的四种不同定子装置。图1a及1b对应于现有技术的方法，而图2与3则为本发明带有槽锁元件的情形。图中的横轴代表转子平面10，长度为一个槽距，纵轴则表示转子平面的相对磁通变化(磁通密度分布)。
曲线1a代表附图1a所示定子装置的情形，也就是普通定子槽的情形。曲线1b代表的是附图1b所示的定子装置情形。也即定子片带有0.75mm高的齿的情形。可以看出，即使这些结果是在一个较小的试验电机上测取的，如12kW，但它们还是非常符合于附图1c所示的结果。
曲线2代表附图2所示装置的磁通密度分布情况。曲线3则代表附图3的情形。可以发现，如果该装置包括一种由本发明材料制成的圆顶状槽锁，那么相对磁通密度将变得更加均匀。
从附图4的图形可以看出，由于本发明槽锁的磁特性可以均匀转子表面上跨越槽处的磁通形状，所以发明便起到了均匀磁通的作用。在槽的开口内放入定型好的半导体材料，以此将主磁通导向转子表面及槽开口以下的地方。其它参数，如电机的气隙长度等，它们也得根据使用槽锁的材料及形状进行合适选择。
本发明的槽锁还有一个优选的特性，即利用槽锁可以调整定子的分布电感。这在实心转子电机中是一个非常大的优点，因为在变频器电源的定子电流中会产生一种脉动，而该脉动在穿过电机时又将引发一个频率相应的调幅脉动，这便会带来电机损耗。由于定子槽内的分布电感增加了，电机的瞬态电感也便随之增加，因而可以减小电流脉动。在附图5a-5c所示的典型形状中，附属5a所具有的分布电感最大，而附图5b及c具有的分布电感要小一些。
为此，本发明提供了一种仪器与方法，用以均匀作用于转子表面的磁通，该方法比较先进且又容易实现。目前已经发现，对于带有实心转子及片定子的电机，尤其是定子孔为φ100-1000mm的大电机，发明能够大大提高它们的效率。当然，发明并不局限于以上这些。
应该注意，发明的上述实施范例并不能限制发明的精神与范围，它们将由权利要求进行定义。显然，根据上文的叙述及附图，技术人员可采用一种槽锁形状与本文不相同的方法与仪器，但仍然属于本发明范围之内。在本发明中，尽管槽锁形状对磁通的均匀度及分布电感的大小都有其它一些有利作用，但是槽锁的材料特性还是要比其形状重要得多。

Claims (18)

1.用于电机的一种方法，其特征在于，在定子装置的槽内装入一种槽锁，该槽锁在槽内基本伸至定子装置的转子孔周围，选择槽锁的材料时，其相对磁导率(μr)要非常好，它大于5，而且饱和磁通密度至少要有0.2T，通过这种方法，作用于转子装置表面的磁通将变得更加均匀。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，选择槽锁材料以使相对磁导率(μr)为8-17的范围之内，且饱和磁通密度至少为0.4T，优选地，采用0.8T。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，槽锁通过一种粉末冶金，挤压，铸造或烧结方法制成。
4.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，利用槽锁的形状，它还可以调整定子槽的分布电感。
5.一种电机，包括转子装置(10)以及包围转子装置(10)的定子装置(20)，该定子装置带有一种径向延伸的槽(21)以及一些槽锁元件(14)，至少有一些槽内带有这种槽锁元件(14)，且每个槽锁元件(14)均在所述的槽内基本伸至定子装置(20)的转子孔周围(11)，其特征在于，槽锁元件材料的相对磁导率(μr)比较好，它大于5，且其饱和磁通密度至少为0.2T。
6.根据权利要求5的电机，其特征在于，槽锁材料的相对磁导率(μr)在8-17的范围之内，且槽锁材料的饱和磁通密度至少为0.4T，优选地，采用0.8T。
7.根据权利要求5的电机，其特征在于，槽锁元件(14)的材料为一种具有合适磁特性的金属粉末，且槽锁元件通过一种粉末冶金技术制成。
8.根据权利要求5-7之一的电机，其特征在于，槽锁元件(14)基本填满位于槽内的线圈(6)、定子壁及定子孔周围(11)之间的整个定子槽区(21)。
9.根据权利要求5-8之一的电机，其特征在于，槽锁元件(14)在其朝向转子装置(10)的表面上有一个突起，该突起从定子孔(11)的周围伸向转子装置，优选地，该突起为一类似的冠状。
10.根据权利要求5-9之一的电机，其特征在于，所述的定子装置(20)为一种带有标准形状片子的标准组件，所述的转子装置(10)为一种实心转子。
11.根据权利要求5-10之一的电机，其特征在于，槽锁元件材料的电阻率非常高，优选地，该电阻率同绝缘体的电阻率相符。
12.根据权利要求5-11之一的电机，其特征在于，在槽锁元件(14)和定子装置(20)的线圈(6)及/或定子装置(20)的槽(21)之间装有一种隔离体(16)，优选地，该隔离体为一种塑料或纸带，或为一种绝缘膜。
13.一种用于槽内的槽锁(14)，定子装置(20)内的定子槽围绕电机的转子装置(10)径向地延伸，而该槽锁在槽内基本伸至定子装置(20)的转子孔周围(11)，其特征在于，槽锁元件材料的相对磁导率(μr)比较好，它大于5，且其饱和磁通密度至少为0.2T。
14.根据权利要求13的槽锁，其特征在于，槽锁材料的相对磁导率(μr)在8-17的范围之内，且槽锁材料的饱和磁通密度至少为0.4T，优选地，至少采用0.8T。
15.根据权利要求13或14的槽锁，其特征在于，槽锁(14)的材料为一种具有合适的磁特性的金属粉末，且槽锁元件通过一种粉末冶金技术制成。
16.根据权利要求13-15之一的槽锁，其特征在于，槽锁元件(14)基本填满位于槽内线圈(6)、定子壁以及定子孔周围(11)之间的定子槽(21)的区域。
17.根据权利要求13-16之一的槽锁，其特征在于，槽锁(14)在其朝向转子装置(10)的表面上有一个突起，该突起从定子孔(11)的周围伸向转子装置，优选地，该突起为一类似的冠状。
18.根据权利要求13-17之一的槽锁，其特征在于，槽锁元件材料的电阻率非常高，优选地，该电阻率与绝缘体的电阻率相符。
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