CN2150665Y - 数控孪生型稀土永磁电机 - Google Patents

Abstract

一种数控孪生型稀土永磁电机，是在转轴上分别 装有用稀土永磁材料制成的同步永磁转子和用高导 磁材料制造并镶嵌有鼠笼线圈的异步感应转子，在定 子槽里对应每个转子的外侧装有各自的定子线圈，从 两个定子线圈分别引出各自的接触开关，并由计算机 通过标准工业控制介面中所插的各个传感器的敏感 模块和执行机构的控制模块，对该电机进行实时数控 操作和入网自动切换，起动方便迅速，功耗小和驱动 能力强，特别适宜于重力负荷的工作机械。

Description

本实用新型涉及一种新型结构的电机，确切地说，涉及一种把稀土永磁同步电机和鼠笼感应异步电机复合于一体的孪生型电机。

在抽油机、电梯、卷扬机等机械装置里，驱动电机所带的负载是一种重力负荷。在负荷被提升时，电机对负荷作功，这时，它不仅作功，使机器完成特定功能，而且还有一部分能量（有时是很大一部分能量）被负荷以自身的位能形式存储吸收。在负荷下降时，该负荷所存储的位能就被释放出来。但是由于普通电机不具备电动机与发电机的双重功能，这种负载不均衡的机器运行时所释放的能量不能被吸收而白白浪费了，且不利于电机的均衡运行。以抽油机的驱动电机为例，通常状态其功率因素只有0.3～0.7，驴头上升时电机耗能剧烈，其中有相当一部分能量转化为驴头的位能。而当驴头下降时，其存储的位能既没有得到很好的吸收利用，还因负荷的不均衡，使电机的负载呈剧烈变化的冲击型，相关另部件也受到冲击载荷，影响其使用寿命，检修周期短而频繁。

为了能吸收负荷下降时释放的位能，可以使用两种电机：一种是直流电机，在其转子转速超过定子线圈里产生平衡感应电动势所需的额定转速时，转子转动的机械能被转换成电能反馈送回直流电网，具有很好的能量利用率。但直流电机必须使用直流电网供电，吸收的电能也必须由直流电网承受。而直流电网的应用范围比较狭窄，一般工矿企业大都使用普通工频交流电，使用直流电机的机会是极少的。另一种是交流电机，当交流同步电机转子的转速有超过电网频率的同步转速的趋势时，转子磁场在定子线圈中产生的电动势会反向施动电网，把转子旋转的机械能转换成电能。如果电网有足够的容量，就可以在不改变电网周波参数的条件下把转换的电能吸收。但是，交流同步电机起动困难，起动周期长，还要求操作人员有较高的技术水平和操作技巧，实际应用相当困难。

本实用新型的目的是提供一种结构新型的电动机，它尤其适用于重力负荷的工作机械，能够最大限度地利用电能，且起动简便迅速，由计算机执行数字控制，是一种机电一体化的基础装备。

本实用新型是这样实现的：它包括有壳体、定子、定子线圈、转子、转轴，其特征在于：在转轴上轴向分别装有用稀土永磁材料制成的同步稀土永磁转子和用高导磁材料制造、并镶嵌有鼠笼线圈的异步感应转子，在定子槽里，对应每个转子的外侧装有各自的定子线圈；在两个定子线圈的端口分别引出交流感应电机接触器和同步电机接触器，在交流接触器的输入端接有交流供电电网，同步电机接触器的输入端接有可变频电源变换器，这两个回路中分别装有各自的电流传感器，在电机近旁安设的标准工业控制介面中，插有与两个接触器相连并对其监测的敏感模块以及与检测工作机极限位置的传感器相连的敏感模块，标准工业控制介面通过串行通讯接口与可以和其他装置共用的计算机相连接。

本实用新型把起动特性优良的异步鼠笼交流电机和具有电动机／发电机双重功能的稀土永磁同步电机汇集于同一转轴上和同一壳体内，使其特性互补，既充分利用鼠笼电机起动方便、迅速、功耗小的优点，又兼具稀土永磁电机转速范围广、驱动能力强、能在适当时候自动切换成发电机状态工作，以便回收能量。总之，本实用新型是申请人的融交流鼠笼电机和稀土永磁电机特性于一体的新创造。起动时，使用本实用新型的异步感应鼠笼电机部分，使起动迅速、方便，工作时，则由稀土永磁同步电机承担驱动，不仅具有驱动刚性好，可以工作在大负荷状态，且在负载呈交变状态时，能吸收由于负载变化所产生的能量反向传输，从而大大提高设备的能量利用率，实现大幅度节能。还因各部分机械零件的冲击负荷大大减少，使其使用寿命得到延长，乃至抽油机的容积效率也会明显改善，延长抽油泵的使用寿命。而利用计算机进行测控，可以很好地完成电机起动的入网自动切换，无须操作人员的参与，使该项设备和技术有可能得到普及推广。

下面结合附图具体介绍本实用新型的结构和工作原理。

图1是本实用新型的结构示意图。

图中1是电机壳体，2是定子，定子2中分别嵌装有异步鼠笼定子线圈3和同步稀土永磁电机的定子线圈5，在转轴7的轴向，每个定子线圈所对应的位置上也分别装有用稀土永磁材料制成的同步稀土永磁转子6和用高导磁材料制造的、镶嵌有鼠笼线圈的异步感应转子4、8是电机的冷却风扇，在两个定子线圈的端口分别引出交流感应电机接触器9和同步电机接触器10。这就是在同一壳体里安装有两组不同类型定子绕组和转子绕组而构成的复合型孪生电机的结构特点。此外，本实用新型还配有数控装置：在同步电机接触器10的输入端接有可变频电源变换器13，可变频电源变换器13和交流电机接触器9的输入端都接入交流供电电网14。在上述两个供电线路中分别装有各自的电流传感器11和12，在电机近旁安设的标准工业控制介面15中，插有与上述两个接触器9、10相连并对其实行控制的控制模块19、20，插有与两个电流传感器11、12相连并对其监测的敏感模块16、17，以及与检测工作机械极限的两个传感器21、22相连的敏感模块18，标准工业控制介面15则通过串行通讯接口与可以和其他装置共用的计算机23相连接。

实质上，本实用新型是申请人的发明专利申请“一种异步感应起动的稀土同步电机”（申请号：CN92104740.1）的改进。

本实用新型在起动时，首先由计算机发出指令，通过标准工业控制介面选通交流接触器9的控制模块17，使其吸合动作接通电源。由交流电机接触器9把市电馈入异步电机的定子线圈3，电网的交流电在定子线圈3中产生旋转磁场，此旋转磁场与转轴7上的鼠笼转子4作用产生感应电流，该感应电流产生的磁场又与定子的旋转磁场作用而使转子4旋转，其起动原理与普通鼠笼电机的工作原理一样。因感应电机主要用于承担起动功能（需要时也可拖动设备运转），故它的磁极数可以与同步电机的磁极数目一样，也可以较后者大许多。另外，它在壳体中只占很小的体积，所以实际上本实用新型只比原稀土同步电机稍长而已，与同功率的感应电机的体积大小基本一样。一旦以感应异步方式起动后，通过两个电流传感器11、12，以及接口介面15上的监测模块17、16的传递，把起动状态的信息传给计算机23，计算机可以按照预先设定的起动要求，当电机转子由异步起动后转速接近同步转速时，切断交流接触器9的馈电和接通同步电机的接触器10和可变频电源变换器13的供电，同时可以根据需要改变可变频电源变换器的输出频率，使本实用新型的电机以同步电机方式工作。上述工作都是由计算机23通过其检测敏感器件进行定时扫描方式，不断选通各传感器敏感数值进行采样比较，达到并网条件后才能使同步电机切入并网的。而一旦转入正常运转后，计算机23又在工作机械处在重力负荷上升或下降的两个不同行程状态运行时，实时控制本实用新型电机在电动机和发电机两个状态下运行，并将该电机在重力负荷（位能）释放时产生的电能经可变频逆变器的电子开关切换后馈回交流电网，这样就实现了在交流电网供电条件下吸收由于负荷周期变化而产生的能量反向传输，大大提高了整个工作装置的能量利用。

由于稀土永磁转子的磁能积高，磁矫顽力强，剩余磁场强度大，有很好的同步电机性能，可以在大负荷负载情况下工作。而可变频逆变器的变频方便，起动迅速，起动力矩大，又使用计算机实行数字测控情况下的入网切换和转换，可以无须人工干预，实现自动化。总之，本实用新型在油田的采油机，电梯等工作机械上有良好的应用前景。

本实用新型中的稀土永磁结构同步电机可以选用专利号为CN91203427的稀土永磁电机，其转子可以使用专利号为92202811.5的“用于电机转子的稀土永磁体部件”。

电网电流传感器11、12可以是普通电流互感器，也可采用如中国专利申请号为CN90100002或CN90100006的专利申请产品。

可变频电源变换器可以使用日本富士公司的G5或G7系列逆变器，也可使用如专利号CN89209067的“一种大功率数控调压与交流装置”。

标准工业控制介面15可以选用美国ME公司（MECHATRONIC  EQUIPMENTINC.）的I／O  32或美国OPTO  22公司的PB16AH产品。计算机可以选用普通PC计算机，但以美国ME公司的PCS－1工业过程控制工作站为宜。

Claims (2)

1、一种数控孪生型稀土永磁电机，包括有壳体、定子、定子线圈、转子、转轴，其特征在于：在转轴上轴向分别装有用稀土永磁材料制成的同步稀土永磁转子和用高导磁材料制造、并镶嵌有鼠笼线圈的异步感应转子，在定子槽里，对应每个转子的外侧装有各自的定子线圈；在两个定子线圈的端口分别引出交流感应电机接触器和同步电机接触器，在交流接触器的输入端接有交流供电电网，同步电机接触器的输入端接有可变频电源变换器，这两个回路中分别装有各自的电流传感器，在电机近旁安设的标准工业控制介面中，插有与两个接触器相连并对其监测的敏感模块以及与检测工作机极限位置的传感器相连的敏感模块，标准工业控制介面通过串行通讯接口与可以和其他装置共用的计算机相连接。

2、如权利要求1所述的数控孪生型稀土永磁电机，其特征在于：鼠笼感应电机的磁极数目可以与稀土同步永磁电机的磁极数相同，也可以比稀土同步永磁电机的磁极数多。

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