具有形成磁場幹擾特點的異步電動機的製作方法

2023-05-30 00:29:11

專利名稱：具有形成磁場幹擾特點的異步電動機的製作方法
技術領域：
本發明的實施例大體而言涉及電氣電動機(electric motor)，且更特定而言涉及異步電動機(asynchronous motor)，其包括用於通過更改電動機的磁阻而將幹擾引入到電動機的磁場內的構件。
背景技術：
在各種工業中使用電力機器(electrical machine)隨著時間在許多工業、商業和運輸行業中變得更加流行。由於這些電動機在行業中的流行，電氣電動機可靠且高效操作是至關重要的。電動機管理系統常常需要電動機設計參數和性能參數來優化電氣電動機的控制和操作。同樣，電動機狀態監視使得電氣電動機可靠地操作。許多電動機狀態監視技術也尋求某些電動機設計參數和性能參數。有助於優化電氣電動機的控制和操作的一種這樣的電動機性能參數是轉子或電動機速度。但是，在無某種形式的物理檢測傳感器的情況下，典型感應電動機(induction motor)設計並不能測量轉子速度。在許多應用中，傳感器位置、對準、大小和環境條件使得傳感器選擇極難整合於設計內同時仍維持高水平的可靠性和穩定性。舉例而言，在X射線管環境中，物理檢測傳感器的實施是很有挑戰性的，這是由於在傳感器(其將在介電油中操作)與目標材料(在真空中)之間增加的空氣間隙。此外， X-射線管套管(其通常由諸如不鏽鋼的不含鐵材料形成)定位於定子與轉子之間的空間間隙中比空氣或真空更多地衰減磁場。而且，傳感器目標材料溫度梯度是關鍵的，如果目標是永久磁體(例如，由釤鈷形成的磁體僅額定為最大350°c)。最後，傳感器本身的大小限制是一種挑戰，因為其位於X射線管的套管與插入外殼之間。雖然在過去提供了用於轉子速度的無傳感器測量的某些系統和技術，但這些技術通常在其實施方面受限制。舉例而言，轉子可被設計為不對稱的或者其中具有凸極性 (saliencies)，其導致阻抗變化，如在定子繞組處看到的那樣，從而基於此阻抗變化的電動機電流頻譜分析而提供轉子速度的估計。但是，這些信號具有較差的信噪比(SNR)，其限制有效地測量這些信號的能力。而且，如上文所述，這些信號的生成依靠設計於電動機內的缺陷，就電動機性能(例如，效率、扭矩能力等)而言，這是非常不合需要的。因此，需要設計一種異步電動機，其提供轉子速度的檢測，這種檢測並不依靠經由物理檢測傳感器所獲得的測量，從而能改進異步電動機的電動機管理和電動機狀態監視。 還需要這種異步電動機提供具有高SNR的信號，且生成這些信號而無需經由向其引入缺陷而改變電動機的阻抗。

發明內容
本發明提供異步電動機的實施例，其包括用於通過更改電動機的磁阻而將幹擾引入到電動機的磁場內的構件。該構件是與定子和轉子分開的構件且定位於由定子生成的旋轉磁場內。
根據本發明的一方面，一種異步電動機包括定子，定子具有多個繞組，其被配置成當向多個繞組提供電流時生成旋轉磁場。異步電動機還包括定位於定子內的轉子和與定子和轉子分開的構件，轉子被配置成響應於旋轉磁場而相對於定子旋轉，該構件定位於旋轉磁場內，且該構件被配置成更改轉子的磁阻以便在旋轉磁場中形成幹擾。根據本發明的另一方面，一種異步電動機包括定子，定子具有多個繞組且被配置成當向多個繞組提供電流時生成旋轉磁場。異步電動機還包括定位於定子內的轉子，轉子具有轉子芯和多個轉子條導體(rotor bar conductor)，且轉子被配置成響應於旋轉磁場而相對於定子旋轉。異步電動機還包括鄰近轉子定位的構件且被配置成更改異步電動機的磁阻以便在旋轉磁場中生成幹擾，且由構件生成的旋轉磁場中的幹擾向定子的定子相電流頻譜內引入電流信號。根據本發明的又一方面，一種X-射線管包括外殼，其封閉真空腔室；陰極，其定位於真空腔室內且被配置成發出電子；以及，陽極，其定位於真空腔室內以接收從陰極發出的電子且被配置成由電子生成X射線束。X射線管還包括感應電動機，感應電動機被配置成旋轉陽極，且該感應電動機還包括定子，定子具有多個繞組以在向多個繞組提供電流時生成旋轉磁場；轉子，其定位於定子內且被配置成響應於旋轉磁場相對於定子旋轉以便使陽極旋轉；以及，構件，其定位於所述轉子的一端且被配置成更改所述轉子的磁阻，從而在旋轉磁場中形成幹擾。通過下文的詳細描述和附圖，各種其它特點和優點將變得明顯。


附圖示出目前所設想的用於執行本發明的優選實施例。在附圖中圖1是根據本發明實施例的AC感應電動機的圖示。圖2是根據本發明實施例的AC感應電動機的圖示。圖3和圖4是根據本發明實施例的AC感應電動機的圖示。圖5是根據本發明的實施例的合併了圖1至圖4中任一個的AC感應電動機的電動機組件的示意圖。圖6示出定子相電流頻譜的時域與頻域的曲線圖。圖7是根據本發明的實施例的合併了圖1至圖4中任一個的AC感應電動機的χ 射線管的截面圖。
具體實施例方式本發明的實施例針對於異步電動機，其包括與電動機的轉子和定子相鄰定位的構件。將構件定位於通過向定子供應電流而生成的磁場內改變了轉子磁阻和磁通勢(MMF)磁導率，其在磁場中生成擾亂，從而在定子相電流頻譜中造成可測量的變化。然後可分析在定子相電流頻譜內測量的頻率(包括由構件造成的幹擾)，以測量轉子的旋轉速度。參看圖1，示出根據本發明實施例的AC感應電動機10(8卩，異步電動機)。異步電動機10包括定子12和轉子組件14(即，「轉子」)。定子12還包括定子芯16和纏繞於定子芯16上的繞組18。定子芯16具有芯主體20和絕緣體(未圖示)，芯主體20(例如)通過堆疊大量由電磁鋼製成的環形薄板(未圖示)而形成，絕緣體設於芯主體的軸向端表面上。定子芯16設有沿著其周向處於預定間距的多個齒22。根據示範性實施例，繞組18纏繞於相應齒22上，具有沿著周向形成於相鄰齒22之間的槽M。如在圖1中進一步示出的那樣，轉子組件14包括帶有端環27的轉子芯沈和連結到轉子芯沈的多個轉子條觀。根據圖1的實施例，轉子軸杆30機械地連結到轉子芯26。但是，根據本發明的額外實施例，諸如當電動機10合併於χ射線管中時，認識到可提供上面並不附有轉子軸杆30的電動機10 和轉子組件14。在操作中，向定子12提供激發電流，使得電流通過定子繞組18流動。通過繞組18 的電流流動在定子12與轉子14之間的空氣間隙(未圖示)中形成旋轉磁場，旋轉磁場感應通過轉子條觀的電流流動。這些電流與定子12形成的旋轉磁場相互作用且實際上，造成轉子14旋轉運動。根據本發明的實施例，異步電動機10可呈3相電動機的形式，但應認識到電動機10也可呈單相電動機或另一多相電動機的形式。在異步電動機10中還包括與定子12和轉子組件14分開的構件或質量體32。根據本發明的一實施例，構件32在轉子14的一端附連到轉子軸杆30上，諸如經由栓接焊接或者釺焊。或者且根據本發明的另一實施例，構件32經由栓接焊接或釺焊直接附連到轉子芯洸上，如圖2所示。再次參看圖1，根據該實施例的一實施例，構件32被構造為齒輪型構件，齒輪型構件具有開槽設計，其包括主體；34和從主體34向外延伸出來的多個突出部36，且突出部36 間隔開使得在突出部36之間形成多個槽38。或者，應認識到構件32也可構造為各種其它形式，包括其它均勻或非均勻構造且具有或不具有槽或齒，諸如圖3中所示的圓柱形的形狀或者如圖4所示的橢圓形的形狀。因此，在圖1中示出的構件32的實施例並不意味限制。根據本發明的實施例，構件32被配置成在定子12生成的磁場(即，在定子12與轉子組件14之間的磁通量)中生成擾亂，從而提供轉子14的旋轉頻率或「轉子速度」的準確測量，如在下文中詳細地解釋的那樣。為了生成這種擾亂，構件32形成為鐵磁或順磁構件，其更改轉子組件14的磁阻和磁通勢(MMF)磁導率。即，由構件32造成的轉子14的磁阻的更改影響了電動機10的等效電路，使得在電動機操作期間產生的MMF磁導率造成定子電流中可識別的擾亂。根據示範性實施例，構件32由鐵磁材料(即，含鐵材料，諸如電磁鋼) 形成，且因此根據本發明的優選實施例，在下文中構件32大體上被描述為「含鐵構件」。出於測量轉子速度的目的，應認識到由含鐵構件32造成的異步電動機10中的磁阻的變化生成磁場(即，在定子12與轉子14之間的空氣間隙中的磁通量)幹擾，從而造成可測量的定子相電流頻譜的微小但可測量的變化。即，磁場幹擾在某些識別頻率在定子相電流頻譜中形成諧波。由含鐵構件32引入的定子電流頻譜分量處在以下頻率Zcomp = Zi 1 士 (1 - J)主[方程式 1]，
L P」其中k = 1，2，3，. . .，fs 是電源頻率(supply frequency)，s 是每單位滑移(per unit slip)且 ρ 是對極(pair poles)的數量。應認識到由含鐵構件32引入的定子電流頻譜分量的振幅f。。mp部分地由含鐵構件的大小和質量決定。即，含鐵構件32更改轉子組件14的磁阻的量基於構件32的大小/質量，使得由含鐵構件32引入的定子電流頻譜分量的振幅也部分地由含鐵構件的大小和質量決定。舉例而言，設想到含鐵構件32可具有低至轉子組件14質量3%的質量或更大質量，諸如轉子組件14質量的10%。對於質量為轉子組件14質量10%的含鐵構件32，由含鐵構件32引入到定子相電流頻譜內的定子電流頻譜分量的振幅將增加到100倍。根據本發明的實施例，可(例如)由連接到異步電動機10的處理器測量定子相電流頻譜的變化。在圖5中示出電動機組件40，其中此種處理器42在電動機驅動44 (motor drive)中實施，電動機驅動44用於驅動異步電動機10。如圖5所示，電動機驅動44可被配置為(例如)可調整或可變速驅動，其被設計成接收三相AC電力輸入，電力輸入46a-46c ； 但是，應認識到還設想到單相或其它多相布置。根據電動機組件40的一實施例，驅動控制單元48整合於電動機驅動44內且充當驅動44的內部邏輯的部分。電動機驅動44還包括驅動電力區塊單元50，其可(例如)包含整流單元，濾波感應器、DC總線電容器或電池，和脈衝寬度調製(PWM)逆變器(DC至控制的AC)。驅動44接收三相AC輸入46a-46c，其被饋送到驅動電力區塊單元50。驅動電力區塊單元50將AC電力輸入轉換成DC電力，逆變並調節DC電力為受控制的AC電力用於傳輸到異步電動機10。電動機組件40還包括驅動的用戶界面52或者驅動的控制面板，被配置成使得使用者能輸入電動機參數和驅動操作參數和驅動操作所必需的其它參數。如上文所陳述，處理器42設有電動機驅動44且被配置成測量來自異步電動機10 的定子相電流。根據一實施例，處理器42整合於驅動44內且充當驅動44的內部邏輯的部分。或者，處理器42可實施於不同於驅動44的外部模塊中且從其接收數據(例如，電流和 /或電壓信號)。在操作中，處理器42用於接收/測量來自定子14 (圖1)的電流信號用於分析定子相電流頻譜。處理器42通過使用快速傅立葉變換(FFT)將測量的定子相電流頻譜從時域轉變為頻域。在應用FFT後，然後分析定子相電流頻譜內測量的頻率(包括由含鐵構件造成的幹擾)，以測量轉子的旋轉速度。即，處理器42使從變換的定子相電流頻譜觀察的頻率與電動機的實際速度相關。根據本發明的示範性實施例，處理器42根據下式執行計算以確定異步電動機10的轉子速度ω = fs-fsc [方程式 2]，其中是ω轉子速度，fs是所施加的定子頻率，且fs。是定子電流頻譜峰值。在圖6中示出自定子相電流頻譜的頻域識別「所施加的定子頻率」和「定子電流頻譜峰值」，用於在方程式2中確定其值。即，所施加的定子頻率M和定子電流頻譜峰值頻率 56可在定子相電流頻譜58中識別以用於計算定子速度。可在圖6中看出含鐵構件32對測量的定子電流頻譜峰值頻率56的振幅的影響(即，增加該振幅)，這與其中不包括含鐵構件32的電動機10中測量的定子電流頻譜峰值頻率59的振幅比較。雖然具體地陳述了方程式2用於從含鐵構件32造成的定子相電流頻譜中的擾亂計算轉子速度，但應認識到其它方程式或算法也可在定子相電流頻譜的分析中實施用於確定轉子速度，且因此本發明的實施例並不意味著僅限於本文所描述的電流分析技術(current analysis technique)。在分析定子相電流頻譜中，認識到需要增加所接收的電流信號的信噪比(SNR)，以增加信號處理和測量的穩定性(robustness)。因此，需要採用方法增加在所需頻率的定子電流頻譜分量的振幅。根據本發明的一實施例，這種定子電流頻譜分量的增加可通過採用負載變化和偏心變化技術來實現。負載和/或偏心的變化生成空氣間隙磁通量的幹擾，而這隨後會在電流中形成諧波作為電動機內的振動。負載和/或偏心的變化因此可由故意地弓I入以增加定子電流頻譜信號以便提供確定轉子速度的增加的穩定性。關於引入負載變化，定子電流頻譜分量處在以下頻率
權利要求
1.一種異步電動機(10)，包括:定子(12)，其包括多個繞組(18)且被配置成當向所述多個繞組(18)提供電流時生成旋轉磁場；轉子(14)，其定位於所述定子(12)內且被配置成響應於所述旋轉磁場而相對於所述定子旋轉；以及構件(32)，其與所述定子(12)和所述轉子(14)分開且定位於所述旋轉磁場內，所述構件(3 被配置成更改所述轉子(14)的磁阻以便在所述旋轉磁場中形成幹擾。
2.根據權利要求1所述的異步電動機(10)，其特徵在於，所述構件(32)包括具有鐵磁性質的含鐵構件。
3.根據權利要求1所述的異步電動機(10)，其特徵在於，所述轉子(14)包括轉子芯06)；以及鼠籠式轉子07二8)，其機械地連結到所述轉子芯06)且定位於所述轉子芯的周圍；其中，所述構件(32)機械地連結到所述轉子芯06)且與所述鼠籠07二8)的一端相鄰定位。
4.根據權利要求1所述的異步電動機(10)，其特徵在於還包括電動機驅動04)來控制提供給所述定子(1 的電流和電壓，所述電動機驅動G4)包括處理器(42)，所述處理器 (42)被編程成用以測量所述定子(1 的定子相電流頻譜；向所述定子相電流頻譜應用快速傅立葉變換以將所述定子相電流頻譜從時域轉變為頻域；基於在所述定子相電流頻譜內觀察的頻率來確定所述轉子(14)的速度。
5.根據權利要求4所述的異步電動機(10)，其特徵在於，所述處理器0 還被編程成用以基於在所述定子相電流頻譜中施加的定子頻率和定子相電流頻譜峰值來確定所述轉子(14)的速度。
6.根據權利要求5所述的異步電動機(10)，其特徵在於，由所述構件(32)形成的所述旋轉磁場中的幹擾向所述定子相電流頻譜內引入定子電流頻譜分量，且由所述構件(32) 引入的所述定子電流頻譜分量包括用於確定所述轉子(14)速度的定子相電流頻譜峰值。
7.根據權利要求6所述的異步電動機(10)，其特徵在於，所述處理器0 還被編程成用以將可變負載和可變偏心中的至少一種引入到所述異步電動機(10)，以將定子電流頻譜分量引入於所述定子相電流頻譜內，且由所述可變負載和可變偏心中的至少一種引入到所述定子相電流頻譜內的定子電流頻譜分量與由所述構件(3 引入的定子電流頻譜分量處在相同的頻率。
8.根據權利要求7所述的異步電動機(10)，其特徵在於，所述處理器0 還被編程成用以組合從所述可變負載和可變偏心中至少一種引入的所述定子電流頻譜分量與由所述構件(3 引入的所述定子電流頻譜分量，以形成具有增加振幅的組合定子電流頻譜分量。
9.根據權利要求1所述的異步電動機(10)，其特徵在於還包括電動機驅動04)來控制提供給所述定子(1 的電流和電壓，所述電動機驅動G4)包括處理器(42)，所述處理器 (42)被配置成測量所述定子(1 的定子相電壓頻譜；向所述定子相電壓頻譜應用快速傅立葉變換以將所述定子相電壓頻譜從時域轉變為頻域；基於在所述定子相電壓頻譜中施加的定子頻率和定子相電壓頻譜峰值來確定所述轉子(14)的速度。
10.根據權利要求1所述的異步電動機(10)，其特徵在於，所述構件(32)包括 主體(34)；以及從所述主體(34)向外延伸的多個突出部(36)，所述多個突出部(36)間隔開使得多個槽(38)形成於所述多個突出部(36)之間。
全文摘要
本申請涉及具有形成磁場幹擾特點的異步電動機。其中，公開了一種構件(32)，其用於通過更改電動機的磁阻而向異步電動機(10)的磁場內引入幹擾。提供一種異步電動機(10)，其包括定子(12)，該定子(12)具有多個繞組(18)，其被配置成當向該多個繞組(18)提供電流時生成旋轉磁場。該異步電動機(10)還包括定位於定子(12)內的轉子(14)和與定子(12)和轉子(14)分開的構件(32)，該轉子(14)被配置成響應於旋轉磁場而相對於定子旋轉，該構件(32)定位於旋轉磁場內，且該構件(32)被配置成更改轉子(14)的磁阻以便在旋轉磁場中造成幹擾。
文檔編號H02K17/30GK102412685SQ20111004305
公開日2012年4月11日 申請日期2011年2月15日 優先權日2010年9月23日
發明者E·B·比爾, I·S·亨特, R·J·萊明格 申請人:通用電氣公司