變頻永磁同步電動機的製作方法
2023-05-23 17:23:31
專利名稱：變頻永磁同步電動機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電動機，具體為一種高效率、高功率因數、寬調速範圍的 變頻永磁同步電動機。
背景技術：
在一些特定領域，如鐵路機車、動車、電動汽車等，牽引電傳動系統需要 實現高效率化。由於牽引電機的負載是一個較寬範圍的可變負載，在這種可變 負載場合下，要求在満負載及輕負載的各種工況下都能輸出高效率和高功率因 數。現有交流異步變頻牽引電機在額定點時的效率和功率因數呈最大值，當負 載降低時，效率和功率因數隨之很快下降，無法實現電傳動系統更高效率化。
而永磁同步電動機在從20% 120%額定負載範圍內均具有較高效率和功率因 數，特別適合牽引領域驅動的使用要求。
變頻永磁同步電動機轉子不流過電流，因此電機損耗小，效率明顯提高。 轉子不流過電流發熱少，需要的冷卻風量少，可省去冷卻機器或做成封閉機殼， 使傳動系統體積更小，減少裝車空間使機車實現輕量化和低噪音化，並使電機 功率密度明顯提高。車輛輕量化，還可使現在的線路上走行更高的速度，與變 頻異步電動機相比，外形安裝尺寸完全相同，功率可提高20%以上，功率密度 增大，為機車的高速、重載奠定基礎，經濟效益顯著。
目前，國內涉及機車傳動系統用變頻永磁同步電機結構方面的文獻報導幾 乎沒有，而在鐵路機車、動車及電動汽車等牽引領域沒有成熟合理的結構設計，尚處於研究試驗階段。公知，轉子磁路結構是永磁電機的關鍵技術所在，轉子 磁路結構不同，電動機的運行性能、控制系統、製造工藝和適用場合也不相同， 現有轉子磁路結構設計不能滿足機車特有特性的要求，也不能完全照搬於牽引 電機上，因為牽引領域不僅要求永磁同步電動機必須體積小、重量輕、力能指 標高，功率密度高，同時要滿足牽引特有的工作特性，具有寬的恆功調速範圍， 並保證所需的過載能力；而且現有變頻永磁同步電動機轉子結構大多為螺杆式
結構，靠拉螺杆拉緊轉子鐵心衝片，轉子整體性差，在運行過程中，由於磁通 的影響螺杆會發熱，同時加上衝片自身的重量以及強振動的影響，螺杆會有撓 度，造成鐵芯的變形，而且衝片上的磁鋼易飛散或易碎，所以該結構形式的轉 子不適應高速運轉及振動較大的運行工況。 發明內容
本實用新型為了解決現有變頻永磁同步電動機轉子磁路設計無法滿足牽引 領域工作特性要求以及該類型電動機轉子採用螺杆式結構，存在整體性差、磁 鋼易碎，不適應高速運轉及振動較大的運行工況的問題，提供一種變頻永磁同 步電動機。
本實用新型是採用如下技術方案實現的變頻永磁同步電動機，包括含有 機座、定子鐵芯、定子繞組的定子裝配和含有轉軸、在轉軸上由轉子衝片疊壓 而成的轉子鐵芯、轉子繞組的轉子裝配，轉子衝片上均開有軸孔及通風孔，轉 子衝片上還設有磁鋼槽，磁鋼槽內放置有磁鋼，本實用新型的創新點在於轉子 鐵芯兩端分別設有前端板和後端板，兩端板外側分別設有前壓圈和後壓圈，其 中前端板和後端板分別與轉軸之間為過盈配合，前壓圈和後壓圈分別與轉軸之 間為過盈配合；磁鋼槽兩兩成組對稱均布在轉子衝片周圈，每組磁鋼槽呈內置徑向式分布，每組中的兩個磁鋼槽之間的圓心角a為60。 180。，該電動機的縱 橫軸電感L q與Ld的比值為3 4。採用上述轉子結構，前端板和後端板的作 用是用來防止磁鋼在高速旋轉時飛散，前壓圈和後壓圈的作用是依靠與轉軸的 過盈配合摩擦力將內側的端板壓緊，提高了轉子的整體性能，使轉子的機械強 度提高，更適於高速運轉、抗震動的牽引工況；而上述轉子衝片的結構設計， 充分利用轉子磁路結構不對稱所造成的磁阻轉矩，增大電機的"弱磁"擴速能 力，有利於恆功率運行速度範圍的擴展。變頻永磁同步電動機輸出轉矩中含有 兩個分量，其中一個是永磁轉矩分量，由定子電流磁場與永磁磁場相互作用形 成。另一個是磁阻轉矩分量，由轉子磁路結構不對稱形成。磁阻轉矩大小與電 機縱橫軸電感Ld、 Lq的差值成正比。對於現有表面貼裝式轉子磁路結構，Ld =Lq，其大小與轉子位置無關；對內置式轉子磁路結構，由於轉子縱軸磁路中 永磁體的磁導率很小，使得電機的縱軸電樞反應電感一般小於橫軸電樞反應電 感，即Ld<Lq，其值大小與轉子位置有很大關係。所以合理設計轉子磁鋼圓心 角，可調整Ld、 Lq的差值大小，從而控制電機的磁阻轉矩的大小。對變頻永 磁同步電動機電磁轉矩的控制，最終歸結為對橫軸電流Lq和縱軸電流Ld的控 制。當Ld二Lq時，通過調節Lq，相當於調節永磁直流電動機的電樞電流，實 現對轉矩和轉速的控制。當Ld^Lq時，調節Ld、 Lq,不但可以利用磁阻轉矩 加大轉矩輸出能力，還可以改變縱軸磁鏈大小，實現對變頻永磁同步電動機的 弱磁調速控制。本實用新型在上述理論基礎上通過多次試驗和經驗總結，得到 轉子上磁鋼槽或磁鋼的位置分布及兩兩磁鋼槽或磁鋼之間的圓心角，同時確定 Lq/Ld比值為3 4，最佳為3.5倍，滿足永磁同步電動機體積小、重量輕、力 能指標高，功率密度高特點，同時滿足牽引電機特有的工作特性，具有寬的恆功調速範圍，並保證所需的過載能力。
為了進一步提高性能，增加運行可靠性，所述前端板和後端板是採用不鏽
鋼材料製成的，採用非導磁材料製成，可減少端部漏磁；所述磁鋼與磁鋼槽兩 端的縫隙充填有高強度層壓玻璃布板，將磁鋼緊固在槽內，
所述每個磁鋼槽的形狀為梯形，與呈矩形的磁鋼相互配合形成位於磁鋼槽 兩端的空氣槽，每組中兩個磁鋼槽端頭以及磁鋼槽與轉子衝片邊緣之間設有隔 磁橋。隔磁橋及空氣槽的設計有效改善了轉子軛部磁路局部過飽和，限制漏磁 通。通過靜態磁場仿真分析得出結論不帶隔磁橋，轉子軛部局部過飽和，最 高磁密達3.06T;在磁鋼兩端增加本實用新型所述的隔磁橋，過飽和之處得到了 改善，最高磁密降為2.14T。
所述機座側上方設有定子繞組溫度傳感器，轉軸輸出端裝有用於測量轉子 位置和速度的旋轉變壓器。利用定子繞組溫度傳感器對定子繞組溫度進行實時 監控，防止過高溫升運行，提高整機運行可靠性，逆變器部分同時採用矢量控 制技術；同時利用高精度磁場定向矢量控制，採用高可靠性旋轉變壓器，結合 電驅動系統特點，進行轉子速度及位置檢測，防止轉子位置信號失效造成電機 發生失步，輕則電機過熱、退磁，重則電機繞組燒毀、驅動器功率模塊損壞的 現象發生。上述定子繞組溫度傳感器及旋轉變壓器均為現有公知產品，其結構 及工作原理是本領域的普通技術人員熟知的。
本實用新型所述磁鋼槽和隔磁橋的特殊結構，決定了變頻永磁同步電動機 的轉子磁路結構，合理選擇了永磁體的磁極寬度，有效地抑止了由齒磁導諧波 引起的定位力矩，有效地減少電動機低速脈動轉矩，解決現有鐵路機車、動車、 電動汽車牽引用變頻永磁同步電動機寬調速範圍要求，通過樣機試驗證明，此轉子磁路結構完全滿足牽引特性要求。同時將轉子衝片置於兩塊端板之間，依 靠前、後壓圈的過盈配合摩擦力壓緊，而且採用磁鋼嵌入式結構，大大提高了 轉子的整體性能，使轉子的機械強度提高，更適於高速運轉、抗震動的牽引工
況，滿足了電機最高轉速2100r/min要求，改變以前螺杆拉緊式結構不適用於高 轉速的缺點，具有結構緊固、簡單、製作容易的特點。該變頻永磁同步電動機 完全能滿足鐵路機車、動車及電動汽車等牽引領域的寬調速範圍的牽引特性要 求。
圖1為本實用新型的結構示意圖
圖2為圖1的側視圖
圖3為圖1中轉子裝配結構示意圖
圖4為圖3中轉子的鐵芯部位橫截面示意圖
圖5為圖3中轉子衝片的結構示意圖
圖中l-定子裝配，2-轉子裝配，3-轉子衝片，4-軸孔，5-通風孔，6-磁 鋼槽，7-磁鋼，8-前端板，9-後端板，10-前壓圈，11-後壓圈，12-高強度層壓 玻璃布板，13-空氣槽，14-定子繞組溫度傳感器，15-旋轉變壓器，16-外封環， 17-後外軸承蓋，18-軸承，19-後內封環，20-前內封環，21-前外軸承蓋，22-隔磁橋。
具體實施方式
變頻永磁同步電動機，如圖1所示，包括含有機座、定子鐵芯、定子繞組 的定子裝配1和含有轉軸、在轉軸上由轉子衝片3疊壓而成的轉子鐵芯、轉子 繞組的轉子裝配2，構成轉子鐵芯的每個轉子衝片3上均開有軸孔4及通風孔5，轉子衝片3上還設有磁鋼槽6，磁鋼槽6內放置有磁鋼7,磁鋼7與磁鋼槽6兩 端的縫隙充填有高強度層壓玻璃布板12，如圖3所示，轉子鐵芯兩端分別設有 前端板8和後端板9，前端板8和後端板9是採用不鏽鋼材料製成的，兩端板 外側分別設有前壓圈10和後壓圈11，其中前端板8和後端板9分別與轉軸之 間為過盈配合，前壓圈10和後壓圈11分別與轉軸之間為過盈配合；如圖4、 5 所示，磁鋼槽6兩兩成組對稱均布在轉子衝片3周圈，每組磁鋼槽6呈內置徑 向式分布，每組中的兩個磁鋼槽之間的圓心角a為60。 180。，該圓心角的具體 數值可根據電機極數及電機的具體設計參數確定，例如對於四極電機，角度選 取60°，對於六極電機，角度選取160°;每個磁鋼槽6的形狀為梯形，與呈矩 形的磁鋼7相互配合形成位於磁鋼槽6兩端的空氣槽13，每組中兩個磁鋼槽端 頭以及磁鋼槽6與轉子衝片3邊緣之間設有隔磁橋22。如圖2所示，定子裝配 1側上方設有定子繞組溫度傳感器14，轉軸輸出端裝有用於測量轉子位置和速 度的旋轉變壓器15。
為了進一步優化該電機結構，採用與原有電機相似的結構，比如定子機座 採用鋼板焊接結構，機座上設有進風口和出風口，非傳動端為小端蓋結構，電 機機座的內壁設有通風道。定子鐵心採用耐高溫塗層的冷軋電工鋼片疊壓而成， 兩端設有端板衝片以限制齒漲，並採用焊接的方式與兩端的壓板固定為堅固的 整體。定子繞組為三相雙層成型繞組，定子鐵心線圈裝配進行真空壓力浸漆和 旋轉烘焙，浸漆後絕緣層不存在任何形式的空穴，絕緣性能好。定子鐵心嵌線 完成後，定子鐵心線圈裝配壓入定子機座內，用螺栓緊固機座與鐵心線圈裝配。 軸承的密封採用回宮式密封，可保證在運行中潤滑脂減少揮發，並且電機兩端 均設有加油嘴。電機採用自通風冷卻方式，在傳動端裝有鑄鋁離心式風扇，電機的進風口與出風口處加裝網罩，冷卻空氣經轉子通風道、氣隙、定子通風道
後排出電機。
該變頻永磁同步電動機首次應用於車輛牽引領域，電機主要參數如下:
額定功率
額定電壓
額定電流
功率因數
額定效率
額定轉速
最大工作轉速
額定頻率
恆功範圍
冷卻方式
120kW
274V
298A
0.91
93%
720r/min
2100r/min
24Hz
720 1500r/min
自通風 H
Lq/Ld
權利要求1、一種變頻永磁同步電動機，包括含有機座、定子鐵芯、定子繞組的定子裝配(1)和含有轉軸、在轉軸上由轉子衝片(3)疊壓而成的轉子鐵芯、轉子繞組的轉子裝配(2)，轉子衝片(3)上均開有軸孔(4)及通風孔(5)，轉子衝片(3)上還設有磁鋼槽(6)，磁鋼槽(6)內放置有磁鋼(7)，其特徵是轉子鐵芯兩端分別設有前端板(8)和後端板(9)，兩端板外側分別設有前壓圈(10)和後壓圈(11)，其中前端板(8)和後端板(9)分別與轉軸之間為過盈配合，前壓圈(10)和後壓圈(11)分別與轉軸之間為過盈配合；磁鋼槽(6)兩兩成組對稱均布在轉子衝片(3)周圈，每組磁鋼槽(6)呈內置徑向式分布，每組中的兩個磁鋼槽之間的圓心角(α)為60°～180°，該電動機的縱橫軸電感Lq與Ld的比值為3～4。
2、 權利要求1所述的變頻永磁同步電動機，其特徵是前端板(8)和後端 板(9)是採用不鏽鋼材料製成的。
3、 根據權利要求1或2所述的變頻永磁同步電動機，其特徵是磁鋼(7) 與磁鋼槽(6)兩端的縫隙充填有高強度層壓玻璃布板(12)。
4、 根據權利要求1或2所述的變頻永磁同步電動機，其特徵是每個磁鋼槽 (6)的形狀為梯形，與呈矩形的磁鋼(7)相互配合形成位於磁鋼槽(6)兩端的空氣槽(13);每組中兩個磁鋼槽端頭以及磁鋼槽(6)與轉子衝片(3)邊緣 之間設有隔磁橋(22)。
5、 根據權利要求1或2所述的變頻永磁同步電動機，其特徵是定子裝配(1) 側上方設有定子繞組溫度傳感器(14)，轉軸輸出端裝有用於測量轉子位置和速 度的旋轉變壓器(15)。
專利摘要本實用新型涉及電動機，具體為一種變頻永磁同步電動機，解決轉子磁路設計無法滿足牽引領域工作特性要求以及轉子整體性能差等問題，包括含有機座、定子鐵芯、定子繞組的定子裝配和含有轉軸、轉子鐵芯、轉子繞組的轉子裝配，轉子衝片上開有磁鋼槽，轉子鐵芯兩端設有與轉軸之間為過盈配合的前、後端板，端板外側設有與轉軸之間為過盈配合的前、後壓圈；磁鋼槽兩兩成組對稱均布在轉子衝片周圈，每組磁鋼槽呈內置徑向式分布，每組中的兩個磁鋼槽圓心角為60°～180°，電動機縱橫軸電感Lq、Ld比值為3～4。具有高效率、高功率密度、寬調速範圍的特點，可滿足鐵路機車等牽引領域寬調速範圍的要求，提高了轉子整體性能，適於高速運轉、抗震動的牽引工況。
文檔編號H02K21/12GK201369658SQ20082022818
公開日2009年12月23日 申請日期2008年12月13日 優先權日2008年12月13日
發明者劉榮強, 周國聘, 姬春霞, 賈喜勤 申請人:永濟新時速電機電器有限責任公司