CN1960123A - 异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机 - Google Patents

Abstract

本发明为一种异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机，属电磁应用新领域。该机由异型定、转子，大小齿短磁路系统，传感及控制器组成。采用通电相定、转子等齿距，而非通电相定、转子不等齿距的短磁路结构，适时控制导通相时间或电流大小产生磁阻转矩，使电机按设定的转速、转矩、转向、制动或电动或发电状态运行。该机具有结构简单、控制方便、大幅度节电降耗的优点，适用于油田管式泵机械采油、水轮发电机和适于低速大扭矩的技术领域。

Description

异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机

技术领域：

本发明为一种异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机，是对油田管式泵机械采油拖动装置的重大技术突破，是本专利权人《低速大扭矩异型电机拖动高效低耗智能抽油机》(ZL O2 2 57259.7)的核心部件，属电磁应用新领域。

背景技术：

自十八世纪四十年代电磁理论应用于电机实践以后，近二百年以来，电力拖动装置的发展不断推陈出新，交流同步、交流异步、直流并励、串励、复励等各类电机异彩纷呈，单相、两相、三相五花八门。电机的应用极大地提高了生产率和产品质量，极大的方便了自动控制和远程操纵，极大地减轻了繁重的体力劳动，各式各样的电机已成为工农业、科技、国防和人们日常生活赖以生存和发展的动力之源。结构简单，能量转换方便，运行经济可靠是电机长盛不衰的根本原因。二十世纪八十年代中后期，又成功地开发出一种启动扭矩大、启动电流小、适用于频繁正、反转的开关磁阻电机，在纺织、印染、风机、水泵、电气机车及油田抽油机调速拖动方面取得了良好的节电降耗效果。近年来，可以实现低速大扭矩的滚切式电机也引起了电机行业的高度关注。但在许多情况下，如油田管式泵机械采油系统，换向麻烦、调速困难、能耗高，普通电机和通常适用于高速运行的开关磁阻电机不借助其它机械传动装置，难以适应此种工况的运行要求，亟待开发一种全新的电机类型。多年来，本专利权人跟踪电机技术发展的前沿，对低速大扭矩电机作了深入研究，开发出解决诸如低转速、大扭矩、频繁换向、节能降耗的电力拖动装置。本发明就是在本专利权人ZL 0O 2 46414.4、ZL 00 2 59694.6、ZL 02 2 57259.7专利技术的基础上创新改进，使之更趋完善的新一代机型。

发明内容：

本发明的目的是探索一种调速简单、换向方便、大扭矩、低转速的电磁方法，巧妙地设计一种全新的电机，以取代笨重昂贵的减速机构和复杂的换向系统，为诸如管式泵机械采油等矿场开发一种机电一体化的高效低耗拖动设备，开创电磁应用新领域，实现油田管式泵机械采油等行业节能降耗的革命性突破。

为实现上述目的，本发明突破了传统电机的设计模式，采用相极独立磁路、不等齿距、异型转子、大小齿短磁路结构设计的调速电机，克服了普通电机低转速、大扭矩不易实现的难题，辅之以电力电子控制电路可实现对转速、转向、转矩的控制，四象限运行，实现了诸如油田管式泵机械采油等领域拖动装置的革命性突破。

本发明的技术解决方案是：

1.整机结构

整机由通过支座(1)、主轴(2)、键(3)、轴承(4)固定在爬犁式底座上的异型定子(6)、异型转子(7)及角度齿盘(16)和传感器(17)等控制、保护元件组成。异型定子(6)分别由支座(1)、接线盒(18)、锁定销(15)、散热片(14)、定子铁芯(9)、励磁绕组(21)组成；异型转子(7)分别由悬绳槽或悬带槽(10)、刹车盘(11)、保险绳槽和保险绳孔(12)、密封环(13)、转子铁芯(8)组成。异型定子(6)、异型转子(7)为双凸极、大小齿(19)短磁路特殊结构。整机润滑部位由轴承端盖(5)密封。

2.转子滚筒设计

异型转子(7)的外观型式为对称轮轴式双端驱动内转子变矩滚筒(图1)；或者为对称轮轴式双端驱动硅钢片铁芯外转子变矩滚筒(图3)；或者为对称轮轴式双端驱动高导磁率型钢铁芯外转子变矩滚筒(图5)；或者为筒状异型外转子滚筒(图6)；或者为单端驱动外(内)转子变矩滚筒(图7)。异型转子(7)的构造为中空轮辐式结构，其径向对称中心开轴孔，各受力部位用加强筋加固；其轴向对称中心设悬绳槽或悬带槽(10)，槽外表面为铸造糙面，或固定或硫化耐磨橡胶，悬绳槽或悬带槽(10)两侧为刹车盘(11)，刹车盘(11)外侧为保险绳槽和保险绳孔(12)，保险绳槽和保险绳孔(12)用刹车盘(11)和密封环(13)遮挡，密封环(13)外端对称设置转子铁芯(8)，该铁芯为硅钢片叠片成型或者为高导磁率的钢材成型。异型转子(7)的支撑方式为定子与支座连体式(图1)；或者为定子与支座分体式(图3)；或者为支座与主轴独立支撑式(图5)。轴承(4)装配于转子轴孔内；或者装配于定子轴孔内。

3.定子设计

异型定子(6)与异型转子(7)对应为不同的外、内轮辐式结构，两轴端对称设置，各受力部位用加强筋加固，轮辐开孔部位设置散热片。异型定子(6)装配图外侧下部设接线盒(18)，上部设锁定销(15)；装配图内侧上部小于180度的外圆弧面外加厚，钻螺孔，用弧形盖板固定两端定子外壳，内侧下部小于180度的外圆弧面外加厚，钻螺孔，与底座紧固。异型定子(6)外(内)轮缘设散热片(14)，内(外)轮缘固定定子铁芯(9)，定子铁芯(9)齿间装有集中励磁绕组(21)。异型定子(6)轴孔开键槽。

4.磁路设计

本发明定、转子为双凸极、大小齿或定、转子等齿距或转子等齿距，定子不等齿距短磁路特殊结构，即定子与转子等齿距处磁路闭合，采用通电相定、转子齿距相等，利用齿宽不等保证一定的重叠系数，而非通电相的定、转子齿距不等，适时控制导通相时间产生磁阻转矩使电机或电动或发电状态运行。定(转)子大齿上开设两齿、三齿或更多小齿。转子铁芯(8)的各转子等齿距齿极(20)由紧固条、定位槽、端面台阶、外挡圈固定在转子本体上；定子铁芯(9)的大小齿(19)或定子不等距齿极由紧固条、定位槽、端面台阶和挡圈轴向固定在定子内(外)轮缘。定子铁芯(9)冲片极间不连续(仅一个相极间连续即可)，且定子相邻齿距不等，定子齿间装有按一定相序构成的集中励磁绕组(21)，励磁绕组(21)引出线由接线板固定，并通过接线盒(18)外接到控制柜的控制电路。

5.控制系统设计

异型定子(6)绕组槽内埋设热敏传感元件，采集温度信号；异型转子(7)一侧设置与转子齿形相同的角度齿盘(16)，与其对应的定子部位装设高性能红外光电管元件传感器(17)，采集角位移和转速信号；工况模拟器采集负载信号。上述信号通过电缆反馈到控制电路，实现自动控制，或者以触摸屏或遥控方式实现智能控制，达到电机保护、适时控制转速、转向和定量分析示功图的目的。

6.定、转子散热设计

定子铁芯(9)、励磁绕组(21)的散热由异型定子(6)外(内)轮缘设置的散热片(14)通过大气自然对流散热；异型转子(7)为无导条和绕组的冷转子，主轴(2)为轴向中部密封的空心轴，轴两端开一至数个进、排气孔，电机内腔的余热既可通过异型定子(6)轮辐孔上设置的散热片大气自然对流散热，又可使自然风由主轴(2)一端的进气孔进入电机内腔，携带内腔余热通过中空轮辐式异型转子(7)进入电机另一内腔，并同时携带另一腔余热经排气孔排出机外，或者外接无动力排风扇或有动力排风扇强制排出机外。

7.驱动类型设计

按上述结构形式和机理，装配不同的转子铁芯和定子绕组，可扩展为多种驱动类型的异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机。按图1的结构形式装配图2的转子铁芯和定子绕组，其驱动类型为异型内转子超低速大扭矩短磁路开关磁阻调速电机；或者按图3的结构形式装配图4的转子铁芯和定子绕组，其驱动类型为异型外转子超低速大扭矩短磁路开关磁阻调速电机；或者按上述结构形式将转子各齿极与转子本体间用非导磁材料(如非导磁不锈钢)屏蔽，在转子各齿极间按N、S极性依次嵌入图6的磁钢，并配置与其对应的定子绕组，其驱动类型为异型转子超低速大扭矩交流永磁同步调速电机；或者按上述结构形式装配对应的转子鼠笼和定子绕组，其驱动类型为异型转子超低速大扭矩交流异步调速电机；或者按上述结构形式装配对应的转子绕组、定子绕组和碳刷、滑环等，其驱动类型为异型转子超低速大扭矩直流电机；或者按上述结构形式装配对应的转子永磁体、定子绕组、无刷、无滑环，其驱动类型为异型转子超低速大扭矩直流无刷调速电机；或者按上述结构形式装配对应的转子主绕组、调节绕组、定子副绕组，其驱动类型为异型转子超低速大扭矩交流整流子电机；或者按上述结构形式配置电磁滑差离合器，其驱动类型为异型转子超低速大扭矩电磁调速电机；或者按上述结构形式扩展为更多驱动方式。按上述结构形式装配的不同驱动类型的电机，其励磁绕组(21)根据不同工况对转速、转矩的要求，或者为单相绕组；或者为两相绕组；或者为三相绕组；或者为四相绕组；或者为更多相绕组，其配电方式或者为交流供电；或者为直流供电。

8.技术参数设计

异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机的主要技术参数依据下列经验公式确定：

$D_a=\sqrt[3]{\frac{W_{M1}{P}_{\mathrm{em}}}{B_{\mathrm{\δ}}\mathrm{An\λ}}}$

Nr＝W_M2f/n

Lcm(Ns，Nr)＝qNr(＞Ns＞Nr)

式中：Da-电机转子铁芯外径；Pem-电机电磁功率；B_δ-电机计算磁密；A-电机计算线负荷；n-电机转速；λ-硅钢片直径与叠厚之比；Nr-转子齿数；Ns-定子齿数；q-电机相数；f-供电频率；Lcm-最小公倍数；W_M1-经验修正系数；W_M2-齿极优化系数。

优化后的技术参数为：Mn＞15KNm；n＝0-50r/s；Da≥800mm；

定、转子齿极优化的“W_M黄金组合”为四相绕组3×16/90或3×32/180，三相绕组3×18/120。

本发明的工作原理如图6所示，采用通电相定、转子齿距相等，即定子与转子等齿距处磁路闭合(采用不等齿宽保证一定的重叠系数)，而非通电相的定、转子齿距不等，从而实现随机启动运行。适时控制导通相时间(电角度)产生磁阻转矩使电机或电动或发电状态运行。改变通电相序，可改变电机转向，控制通电电流的大小和通断电时刻，可以改变转矩、转速，还可以实现制动运行。为了检测电机的瞬时位置和转速，在电机轴端部装有高性能红外光电管元件传感器。此传感器采集角位移信号和转速信号，将其反馈到控制电路。控制电路由一个单片机及数字、模拟电路组成，其作用是根据外部操作控制要求和电机实际运行情况连续调节输出信号，以通过驱动电路和功率电路改变电机的通电，使之达到规定的运行要求，如转向、转矩、转速、电动与制动等，并处于最佳工作状态。此外，控制电路还可实现多种保护和自诊断功能。由于单片机程序的可修改性，还可以较方便地满足在电动机性能方面的各种要求。操作显示电路用以接收手动、遥控或电气操作信号，如启动、停止、转向、转速信号等，并将操作情况、电机实际运行情况和故障情况用数码管和发光管显示出来，实现高度智能的机电一体化。

本发明异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机与普通电动机和常规开关磁阻电机比较，在以下八个方面具有明显的技术优势。

1.超低转速、大扭矩，可取代笨重昂贵的减速机构；

2.启动转矩大、启动电流小，具有常规电机难以比拟的启动特性；

3.适于频繁正、反转，可取代复杂的换向机构；

4.转速、转向、制动等机电一体化高度可控，可实现高度智能化；

5.极间采用短磁路结构，可大大减少磁阻损耗；

6.定子铁芯冲片为大小齿或极间不连续，可节省材料，降低铜损；

7.转子无绕组或导条，可节省铁芯有色金属材料，减少转子I²R损耗；

8.结构简单、维修方便、控制灵活、节能降耗，运行经济可靠。

该机是总结了近代二百多年来电机运行经验，创新设计的新一代机型。

附图说明：

图1为异型内转子连体式支撑超低速大扭矩短磁路调速电机结构示意图，其中：1.支座；2.主轴；3.键；4.轴承；5.轴承端盖；6.异型定子(外)；7.异型转子(内)；8.转子铁芯；9.定子铁芯；10.悬绳槽或悬带槽；11.刹车盘；12.保险绳槽和保险绳孔；13.密封环；14.散热片；15.锁定销；16.角度齿盘；17.传感器；18.接线盒。

图2为异型内转子超低速大扭矩短磁路调速电机大小齿短磁路结构示意图，其中：19.定子不等距齿极(大小齿)；20.转子等齿距齿极；21.励磁绕组；22.通电相闭合磁路。

图3为异型外转子分体式支撑超低速大扭矩短磁路调速电机结构示意图，其中：1.支座；2.主轴；3.键；4.轴承；5.轴承端盖；6.异型定子(内)；7.异型转子(外)；8.转子铁芯；9.定子铁芯；10.悬绳槽或悬带槽；11.刹车盘；12.保险绳槽和保险绳孔；13.密封环；14.散热片；15.锁定销；16.角度齿盘；17.传感器；18.接线盒。

图4为异型外转子超低速大扭矩短磁路调速电机短磁路结构示意图，其中：19.定子不等距齿极；20.转子等齿距齿极；21.励磁绕组；22.通电相闭合磁路。

图5为异型外转子独立式支撑超低速大扭矩短磁路调速电机结构示意图，其中：1.支座；2.主轴；3.键；4.轴承；5.轴承端盖；6.异型定子(内)；7.异型转子(外)；8.转子铁芯；9.定子铁芯；10.悬绳槽或悬带槽；11.刹车盘；12.保险绳槽和保险绳孔；13.密封环；14.散热片；15.锁定销；16.角度齿盘；17.传感器；18.接线盒。

图6为筒状异型外转子超低速大扭矩永磁调速电机结构示意图，其中：1.支座；2.主轴；3.键；4.轴承；5.轴承端盖；6.异型定子(内)；7.异型转子(外)；8.转子铁芯(磁钢)；9.定子铁芯(绕组)；10.悬绳槽或悬带槽；11.刹车盘(毂)；23.外端盖。

图7为异型外转子分体式支撑单端驱动超低速大扭矩短磁路调速电机结构示意图，其中：1.支座；2.主轴；3.键；4.轴承；5.轴承端盖；6.异型定子(内)；7.异型转子(外)；8.转子铁芯；9.定子铁芯(绕组)；10.悬绳槽或悬带槽；11.刹车盘(毂)；23.外端盖。

实施例1：

本发明异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机是为《低速大扭矩异型电机拖动高效低耗智能抽油机》而设计的拖动装置。结构为异型内转子超低速大扭矩短磁路开关磁阻调速电机，异型内转子、异型外定子用铸钢一次浇铸成型，外定子最大外径∮1600，内转子最大外径∮1380，主轴用空心轴，外定子铁芯采用一大齿三小齿结构，定、转子齿极采用“W_M黄金组合”，即四相绕组3×16/90或3×32/180，三相绕组3×18/120。样机额定转速0-20转/分，额定扭矩大于20kNm，最大输出功率37kW，适于拖动12型抽油机。

实施例2：

本发明异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机也是为油田管式泵机械采油而设计的拖动装置。其样机为异型外转子结构的超低速大扭矩永磁调速电机，异型外转子、异型内定子壳体用铸钢一次浇铸成型，其外转子壳体与齿极间用非导磁不锈钢屏蔽，外转子最大直径∮1412，内定子最大外径∮1210，主轴用空心轴。样机额定转速0-50转/分，额定扭矩大于16kNm，最大输出功率22kW，适于拖动10型抽油机。

Claims (8)

1.一种异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机，其特征在于：整机由通过支座(1)、主轴(2)、键(3)、轴承(4)固定在爬犁式底座上的异型定子(6)、异型转子(7)及角度齿盘(16)和传感器(17)等控制、保护元件组成。异型定子(6)分别由支座(1)、接线盒(18)、锁定销(15)、散热片(14)、定子铁芯(9)、励磁绕组(21)组成；异型转子(7)分别由悬绳槽或悬带槽(10)、刹车盘(11)、保险绳槽和保险绳孔(12)、密封环(13)、转子铁芯(8)组成。异型定子(6)、异型转子(7)为双凸极、大小齿(19)短磁路特殊结构。整机润滑部位由轴承端盖(5)密封。

2.根据权利要求1所述的异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机，其特征在于：异型转子(7)的外观型式为对称轮轴式双端驱动内转子变矩滚筒(图1)；或者为对称轮轴式双端驱动硅钢片铁芯外转子变矩滚筒(图3)；或者为对称轮轴式双端驱动高导磁型钢铁芯外转子变矩滚筒(图5)；或者为筒状异型外转子滚筒(图6)；或者为单端驱动外(内)转子变矩滚筒(图7)。异型转子(7)的构造为中空轮辐式结构，其径向对称中心开轴孔，各受力部位用加强筋加固；其轴向对称中心设悬绳槽或悬带槽(10)，槽外表面为铸造糙面，或固定或硫化耐磨橡胶，悬绳槽或悬带槽(10)两侧为刹车盘(11)，刹车盘(11)外侧为保险绳槽和保险绳孔(12)，保险绳槽和保险绳孔(12)用刹车盘(11)和密封环(13)遮挡，密封环(13)外端对称设置转子铁芯(8)，该铁芯为硅钢片叠片成型或者为高导磁率的钢材成型。异型转子(7)的支撑方式为定子与支座连体式(图1)；或者为定子与支座分体式(图3)；或者为支座与主轴独立支撑式(图5)。轴承(4)装配于转子轴孔内；或者装配于定子轴孔内。

3.根据权利要求1和权利要求2所述的异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机，其特征在于：异型定子(6)与异型转子(7)对应为不同的外、内轮辐式结构，两轴端对称设置，各受力部位用加强筋加固，轮辐开孔部位设置散热片。异型定子(6)装配图外侧下部设接线盒(18)，上部设锁定销(15)；装配图内侧上部小于180度的外圆弧面外加厚，钻螺孔，用弧形盖板固定两端定子外壳，内侧下部小于180度的外圆弧面外加厚，钻螺孔，与底座紧固。异型定子(6)外(内)轮缘设散热片(14)，内(外)轮缘固定定子铁芯(9)，定子铁芯(9)齿间装有集中励磁绕组(21)。异型定子(6)轴孔开键槽。

4.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3所述的异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机，其特征在于：定、转子为双凸极、大小齿或定、转子等齿距或转子等齿距，定子不等齿距短磁路特殊结构，即定子与转子等齿距处磁路闭合，采用通电相定、转子齿距相等，利用齿宽不等保证一定的重叠系数，而非通电相的定、转子齿距不等，适时控制导通相时间产生磁阻转矩使电机或电动或发电状态运行。定(转)子大齿上开设两齿、三齿或更多小齿。转子铁芯(8)的各转子等齿距齿极(20)由紧固条、定位槽、端面台阶、外挡圈固定在转子本体上；定子铁芯(9)的大小齿(19)或定子不等距齿极由紧固条、定位槽、端面台阶和挡圈轴向固定在定子内(外)轮缘。定子铁芯(9)冲片极间不连续(仅一个相极间连续即可)，且定子相邻齿距不等，定子齿间装有按一定相序构成的集中励磁绕组(21)，励磁绕组(21)引出线由接线板固定，并通过接线盒(18)外接到控制柜的控制电路。

5.根据权利要求1所述的异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机，其特征在于：异型定子(6)绕组槽内埋设热敏传感元件，采集温度信号；异型转子(7)一侧设置与转子齿形相同的角度齿盘(16)，与其对应的定子部位装设高性能红外光电管元件传感器(17)，采集角位移和转速信号；工况模拟器采集负载信号。上述信号通过电缆反馈到控制电路，实现自动控制，或者以触摸屏或遥控方式实现智能控制，达到电机保护、适时控制转速、转向和定量分析示功图的目的。

6.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3所述的异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机，其特征在于：定子铁芯(9)、励磁绕组(21)的散热由异型定子(6)外(内)轮缘设置的散热片(14)通过大气自然对流散热；异型转子(7)为无导条和绕组的冷转子，主轴(2)为轴向中部密封的空心轴，轴两端开一至数个进、排气孔，电机内腔的余热既可通过异型定子(6)轮辐孔上设置的散热片大气自然对流散热，又可使自然风由主轴(2)一端的进气孔进入电机内腔，携带内腔余热通过中空轮辐式异型转子(7)进入电机另一内腔，并同时携带另一腔余热经排气孔排出机外，或者外接无动力排风扇或有动力排风扇强制排出机外。

7.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4、权利要求5和权利要求6所述的异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机，其特征在于：按上述结构形式和机理，装配不同的转子铁芯和定子绕组，可扩展为多种驱动类型的异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机。按图1的结构形式装配图2的转子铁芯和定子绕组，其驱动类型为异型内转子超低速大扭矩短磁路开关磁阻调速电机；或者按图3的结构形式装配图4的转子铁芯和定子绕组，其驱动类型为异型外转子超低速大扭矩短磁路开关磁阻调速电机；或者按上述结构形式将转子各齿极与转子本体间用非导磁材料(如非导磁不锈钢)屏蔽，在转子各齿极间按N、S极性依次嵌入图6的磁钢，并配置与其对应的定子绕组，其驱动类型为异型转子超低速大扭矩交流永磁同步调速电机；或者按上述结构形式装配对应的转子鼠笼和定子绕组，其驱动类型为异型转子超低速大扭矩交流异步调速电机；或者按上述结构形式装配对应的转子绕组、定子绕组和碳刷、滑环等，其驱动类型为异型转子超低速大扭矩直流电机；或者按上述结构形式装配对应的转子永磁体、定子绕组、无刷、无滑环，其驱动类型为异型转子超低速大扭矩直流无刷调速电机；或者按上述结构形式装配对应的转子主绕组、调节绕组、定子副绕组，其驱动类型为异型转子超低速大扭矩交流整流子电机；或者按上述结构形式配置电磁滑差离合器，其驱动类型为异型转子超低速大扭矩电磁调速电机；或者按上述结构形式扩展为更多驱动方式。按上述结构形式装配的不同驱动类型的电机，其励磁绕组(21)根据不同工况对转速、转矩的要求，或者为单相绕组；或者为两相绕组；或者为三相绕组；或者为四相绕组；或者为更多相绕组，其配电方式或者为交流供电；或者为直流供电。

8.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4、权利要求5、权利要求6、权利要求7所述的异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机，其特征在于：异型转子超低速大扭矩短磁路调速电机的主要技术参数依据下列经验公式确定：

$\mathrm{Da}=\sqrt[3]{\frac{W_{M1}{P}_{\mathrm{em}}}{B_{\mathrm{\δ}}\mathrm{An\λ}}}$

Nr＝W_M2f/n

L_Cm(Ns，Nr)＝qNr(＞Ns＞Nr)

优化后的技术参数为：Mn＞15kNm，；n＝0-50r/s；Da≥800mm；定、转子齿极“W_M黄金组合”为四相绕组3×16/90或3×32/180，三相绕组3×18/120。

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