專利名稱：變頻永磁同步電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動機，具體為一種高效率、高功率因數(shù)、寬調(diào)速范圍的變頻 永磁同步電動機。
背景技術(shù)：
在一些特定領(lǐng)域，如鐵路機車、動車、電動汽車等，牽引電傳動系統(tǒng)需要 實現(xiàn)高效率化。由于牽引電機的負載是一個較寬范圍的可變負載，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(shù)?，F(xiàn)有交流異步變頻牽引電機在額定點時的效率和功率因數(shù)呈最大值，當(dāng)負 載降低時，效率和功率因數(shù)隨之很快下降，無法實現(xiàn)電傳動系統(tǒng)更高效率化。
而永磁同步電動機在從20%~120%額定負載范圍內(nèi)均具有較高效率和功率因 數(shù)，特別適合牽引領(lǐng)域驅(qū)動的使用要求。
變頻永磁同步電動機轉(zhuǎn)子不流過電流，因此電機損耗小，效率明顯提高。 轉(zhuǎn)子不流過電流發(fā)熱少，需要的冷卻風(fēng)量少，可省去冷卻機器或做成封閉機殼， 使傳動系統(tǒng)體積更小，減少裝車空間使機車實現(xiàn)輕量化和低噪音化，并使電機 功率密度明顯提高。車輛輕量化，還可使現(xiàn)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(chǔ)，經(jīng)濟效益顯著。
目前，國內(nèi)涉及機車傳動系統(tǒng)用變頻永磁同步電機結(jié)構(gòu)方面的文獻報道幾 乎沒有，而在鐵路機車、動車及電動汽車等牽引領(lǐng)域沒有成熟合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，尚處于研究試驗階段。公知，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)是永磁電機的關(guān)鍵技術(shù)所在，轉(zhuǎn)子 磁路結(jié)構(gòu)不同，電動機的運行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場合也不相同， 現(xiàn)有轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計不能滿足機車特有特性的要求，也不能完全照搬于牽引 電機上，因為牽引領(lǐng)域不僅要求永磁同步電動機必須體積小、重量輕、力能指 標(biāo)高，功率密度高，同時要滿足牽引特有的工作特性，具有寬的恒功調(diào)速范圍， 并保證所需的過載能力；而且現(xiàn)有變頻永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大多為螺桿式 結(jié)構(gòu)，靠拉螺桿拉緊轉(zhuǎn)子鐵心沖片，轉(zhuǎn)子整體性差，在運行過程中，由于磁通 的影響螺桿會發(fā)熱，同時加上沖片自身的重量以及強振動的影響，螺桿會有撓 度，造成鐵芯的變形，而且沖片上的磁鋼易飛散或易碎，所以該結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn) 子不適應(yīng)高速運轉(zhuǎn)及振動較大的運行工況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有變頻永磁同步電動機轉(zhuǎn)子磁路設(shè)計無法滿足牽引領(lǐng)域 工作特性要求以及該類型電動機轉(zhuǎn)子采用螺桿式結(jié)構(gòu)，存在整體性差、磁鋼易 碎，不適應(yīng)高速運轉(zhuǎn)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。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)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(zhuǎn)軸、在轉(zhuǎn)軸上由轉(zhuǎn)子沖片疊壓而成的 轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)子裝配，轉(zhuǎn)子沖片上均開有軸孔及通風(fēng)孔，轉(zhuǎn)子沖片 上還設(shè)有磁鋼槽，磁鋼槽內(nèi)放置有磁鋼，本發(fā)明的創(chuàng)新點在于轉(zhuǎn)子鐵芯兩端分 別設(shè)有前端板和后端板，兩端板外側(cè)分別設(shè)有前壓圈和后壓圈，其中前端板和 后端板分別與轉(zhuǎn)軸之間為過盈配合，前壓圈和后壓圈分別與轉(zhuǎn)軸之間為過盈配 合；磁鋼槽兩兩成組對稱均布在轉(zhuǎn)子沖片周圈，每組磁鋼槽呈內(nèi)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°，該電機的縱橫軸電感Lq與 Ld的比值為3 4。采用上述轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，前端板和后端板的作用是用來防止磁鋼 在高速旋轉(zhuǎn)時飛散，前壓圈和后壓圈的作用是依靠與轉(zhuǎn)軸的過盈配合摩擦力將 內(nèi)側(cè)的端板壓緊，提高了轉(zhuǎn)子的整體性能，使轉(zhuǎn)子的機械強度提高，更適于高 速運轉(zhuǎn)、抗震動的牽引工況；而上述轉(zhuǎn)子沖片的結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分利用轉(zhuǎn)子磁路 結(jié)構(gòu)不對稱所造成的磁阻轉(zhuǎn)矩，增大電機的"弱磁"擴速能力，有利于恒功率 運行速度范圍的擴展。變頻永磁同步電動機輸出轉(zhuǎn)矩中含有兩個分量，其中一 個是永磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩分量，由轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不對稱形成。磁阻轉(zhuǎn)矩大小與電機縱橫軸電感Ld、 Lq的差值成正比。對于現(xiàn)有表面貼裝式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，Ld=Lq，其大小與轉(zhuǎn)子 位置無關(guān)；對內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，由于轉(zhuǎn)子縱軸磁路中永磁體的磁導(dǎo)率很小， 使得電機的縱軸電樞反應(yīng)電感一般小于橫軸電樞反應(yīng)電感，即Ld<Lq，其值大 小與轉(zhuǎn)子位置有很大關(guān)系。所以合理設(shè)計轉(zhuǎn)子磁鋼圓心角，可調(diào)整Ld、 Lq的 差值大小，從而控制電機的磁阻轉(zhuǎn)矩的大小。對變頻永磁同步電動機電磁轉(zhuǎn)矩 的控制，最終歸結(jié)為對橫軸電流Lq和縱軸電流Ld的控制。當(dāng)Ld-Lq時，通 過調(diào)節(jié)Lq，相當(dāng)于調(diào)節(jié)永磁直流電動機的電樞電流，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。 當(dāng)Ld^Lq時，調(diào)節(jié)Ld、 Lq，不但可以利用磁阻轉(zhuǎn)矩加大轉(zhuǎn)矩輸出能力，還可 以改變縱軸磁鏈大小，實現(xiàn)對變頻永磁同步電動機的弱磁調(diào)速控制。本發(fā)明在 上述理論基礎(chǔ)上通過多次試驗和經(jīng)驗總結(jié)，得到轉(zhuǎn)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(biāo)高，功率密度高特點， 同時滿足牽引電機特有的工作特性，具有寬的恒功調(diào)速范圍，并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，所述前端板和后端板是采用不銹 鋼材料制成的，采用非導(dǎo)磁材料制成，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(nèi)，
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于磁鋼槽 兩端的空氣槽，每組中兩個磁鋼槽端頭以及磁鋼槽與轉(zhuǎn)子沖片邊緣之間設(shè)有隔 磁橋。隔磁橋及空氣槽的設(shè)計有效改善了轉(zhuǎn)子軛部磁路局部過飽和，限制漏磁 通。通過靜態(tài)磁場仿真分析得出結(jié)論不帶隔磁橋，轉(zhuǎn)子軛部局部過飽和，最 高磁密達3.06T;在磁鋼兩端增加本發(fā)明所述的隔磁橋，過飽和之處得到了改善， 最高磁密降為2.14T。
所述機座側(cè)上方設(shè)有定子繞組溫度傳感器，轉(zhuǎn)軸輸出端裝有用于測量轉(zhuǎn)子 位置和速度的旋轉(zhuǎn)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(jiān)控，防止過高溫升運行，提高整機運行可靠性，逆變器部分同時采用矢量控 制技術(shù)；同時利用高精度磁場定向矢量控制，采用高可靠性旋轉(zhuǎn)變壓器，結(jié)合 電驅(qū)動系統(tǒng)特點，進行轉(zhuǎn)子速度及位置檢測，防止轉(zhuǎn)子位置信號失效造成電機 發(fā)生失步，輕則電機過熱、退磁，重則電機繞組燒毀、驅(qū)動器功率模塊損壞的 現(xiàn)象發(fā)生。上述定子繞組溫度傳感器及旋轉(zhuǎn)變壓器均為現(xiàn)有公知產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu) 及工作原理是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員熟知的。
本發(fā)明所述磁鋼槽和隔磁橋的特殊結(jié)構(gòu)，決定了變頻永磁同步電動機的轉(zhuǎn) 子磁路結(jié)構(gòu)，合理選擇了永磁體的磁極寬度，有效地抑止了由齒磁導(dǎo)諧波引起 的定位力矩，有效地減少電動機低速脈動轉(zhuǎn)矩，解決現(xiàn)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(diào)速范圍要求，通過樣機試驗證明，此轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)完全滿足牽引特性要求。同時將轉(zhuǎn)子沖片置于兩塊端板之間，依靠 前、后壓圈的過盈配合摩擦力壓緊，而且采用磁鋼嵌入式結(jié)構(gòu)，大大提高了轉(zhuǎn) 子的整體性能，使轉(zhuǎn)子的機械強度提高，更適于高速運轉(zhuǎn)、抗震動的牽引工況，
滿足了電機最高轉(zhuǎn)速2100r/min要求，改變以前螺桿拉緊式結(jié)構(gòu)不適用于高轉(zhuǎn)速 的缺點，具有結(jié)構(gòu)緊固、簡單、制作容易的特點。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(lǐng)域的寬調(diào)速范圍的牽引特性要求。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為圖1的側(cè)視圖
圖3為圖1中轉(zhuǎn)子裝配結(jié)構(gòu)示意圖
圖4為圖3中轉(zhuǎn)子的鐵芯部位橫截面示意圖
圖5為圖3中轉(zhuǎn)子沖片的結(jié)構(gòu)示意圖
圖中l(wèi)-定子裝配，2-轉(zhuǎn)子裝配，3-轉(zhuǎn)子沖片，4-軸孔，5-通風(fēng)孔，6-磁 鋼槽，7-磁鋼，8-前端板，9-后端板，10-前壓圈，ll-后壓圈，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(zhuǎn)變壓器，16-外封環(huán)， 17-后外軸承蓋，18-軸承，19-后內(nèi)封環(huán)，20-前內(nèi)封環(huán)，21-前外軸承蓋，22-隔磁橋。
具體實施例方式
.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(zhuǎn)軸、在轉(zhuǎn)軸上由轉(zhuǎn)子沖片3疊壓而成的轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子 繞組的轉(zhuǎn)子裝配2，構(gòu)成轉(zhuǎn)子鐵芯的每個轉(zhuǎn)子沖片3上均開有軸孔4及通風(fēng)孔5， 轉(zhuǎn)子沖片3上還設(shè)有磁鋼槽6，磁鋼槽6內(nèi)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(zhuǎn)子鐵芯兩端分別設(shè)有
前端板8和后端板9，前端板8和后端板9是采用不銹鋼材料制成的，兩端板 外側(cè)分別設(shè)有前壓圈10和后壓圈11，其中前端板8和后端板9分別與轉(zhuǎn)軸之 間為過盈配合，前壓圈IO和后壓圈ll分別與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子沖片3周圈，每組磁鋼槽6呈內(nèi)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(shù)值可根據(jù)電機極數(shù)及電機的具體設(shè)計參數(shù)確定，例如對于四極電機，角度選 取60°，對于六極電機，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相互配合形成位于磁鋼槽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(zhuǎn)子沖片3邊緣之間設(shè)有隔磁橋22。如圖2所示，定子裝配 1側(cè)上方設(shè)有定子繞組溫度傳感器14，轉(zhuǎn)軸輸出端裝有用于測量轉(zhuǎn)子位置和速 度的旋轉(zhuǎn)變壓器15。
為了進一步優(yōu)化該電機結(jié)構(gòu)，采用與原有電機相似的結(jié)構(gòu)，比如定子機座 采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，機座上設(shè)有進風(fēng)口和出風(fēng)口，非傳動端為小端蓋結(jié)構(gòu)，電 機機座的內(nèi)壁設(shè)有通風(fēng)道。定子鐵心采用耐高溫涂層的冷軋電工鋼片疊壓而成， 兩端設(shè)有端板沖片以限制齒漲，并采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(zhuǎn)烘焙，浸漆后絕緣層不存在任何形式的空穴，絕緣性能好。定子鐵心嵌線 完成后，定子鐵心線圈裝配壓入定子機座內(nèi)，用螺栓緊固機座與鐵心線圈裝配。 軸承的密封采用回宮式密封，可保證在運行中潤滑脂減少揮發(fā)，并且電機兩端 均設(shè)有加油嘴。電機采用自通風(fēng)冷卻方式，在傳動端裝有鑄鋁離心式風(fēng)扇，電 機的進風(fēng)口與出風(fēng)口處加裝網(wǎng)罩，冷卻空氣經(jīng)轉(zhuǎn)子通風(fēng)道、氣隙、定子通風(fēng)道后排出電機。
該變頻永磁同步電動機首次應(yīng)用于車輛牽引領(lǐng)域，電機主要參數(shù)如下:
額定功率 額定電壓
額定電流 功率因數(shù)
額定效率
額定轉(zhuǎn)速
最大工作轉(zhuǎn)速
額定頻率
恒功范圍
冷卻方式
120kW
274V
298A
0.91
93%
720r/min
2100r/min
24Hz
720 1500r/min
自通風(fēng)
H
Lq/Ld3.
權(quán)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(zhuǎn)軸、在轉(zhuǎn)軸上由轉(zhuǎn)子沖片(3)疊壓而成的轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)子裝配(2)，轉(zhuǎn)子沖片(3)上均開有軸孔(4)及通風(fēng)孔(5)，轉(zhuǎn)子沖片(3)上還設(shè)有磁鋼槽(6)，磁鋼槽(6)內(nèi)放置有磁鋼(7)，其特征是轉(zhuǎn)子鐵芯兩端分別設(shè)有前端板(8)和后端板(9)，兩端板外側(cè)分別設(shè)有前壓圈(10)和后壓圈(11)，其中前端板(8)和后端板(9)分別與轉(zhuǎn)軸之間為過盈配合，前壓圈(10)和后壓圈(11)分別與轉(zhuǎn)軸之間為過盈配合；磁鋼槽(6)兩兩成組對稱均布在轉(zhuǎn)子沖片(3)周圈，每組磁鋼槽(6)呈內(nèi)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°，該電機的縱橫軸電感Lq與Ld的比值為3～4。
2、權(quán)利要求1所述的變頻永磁同步電動機，其特征是前端板(8)和后端 板(9)是采用不銹鋼材料制成的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變頻永磁同步電動機，其特征是磁鋼(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(jù)權(quán)利要求1或2所述的變頻永磁同步電動機，其特征是每個磁鋼槽 (6)的形狀為梯形，與呈矩形的磁鋼(7)相互配合形成位于磁鋼槽(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(zhuǎn)子沖片(3)邊緣 之間設(shè)有隔磁橋(22)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的變頻永磁同步電動機，其特征是定子裝配(l) 側(cè)上方設(shè)有定子繞組溫度傳感器(14)，轉(zhuǎn)軸輸出端裝有用于測量轉(zhuǎn)子位置和速 度的旋轉(zhuǎn)變壓器(15)。
全文摘要
本發(fā)明涉及電動機，具體為一種變頻永磁同步電動機，解決現(xiàn)有轉(zhuǎn)子磁路設(shè)計無法滿足牽引領(lǐng)域工作特性要求以及轉(zhuǎn)子整體性差、不適應(yīng)高速運轉(zhuǎn)等工況的問題，包括含有轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯的轉(zhuǎn)子裝配，轉(zhuǎn)子沖片設(shè)有磁鋼槽，磁鋼槽內(nèi)放置磁鋼，轉(zhuǎn)子鐵芯兩端設(shè)有與轉(zhuǎn)軸之間為過盈配合的前端板和后端板，兩端板外側(cè)設(shè)有與轉(zhuǎn)軸之間為過盈配合的前壓圈和后壓圈；磁鋼槽兩兩成組對稱均布在沖片周圈，每組磁鋼槽呈內(nèi)置徑向式分布，每組中的兩個磁鋼槽之間圓心角α為60°～180°。具有高效率、高功率密度、寬調(diào)速范圍的特點，可滿足鐵路機車、動車及電動汽車牽引領(lǐng)域的寬調(diào)速范圍的牽引特性要求，而且大大提高了轉(zhuǎn)子的整體性能，更適于高速運轉(zhuǎn)、抗震動的牽引工況。
文檔編號H02K21/02GK101431282SQ20081008013
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月13日
發(fā)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(zé)任公司