專利名稱：異步電機及其使用的轉(zhuǎn)子和定子的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種異步電機及其使用的轉(zhuǎn)子和定子。
關于可獲得的現(xiàn)有技術(shù)，可參考出版物GB-1427818，GB-1429826，DE-2502455和DE-3641142，這些文獻公開的異步電機設計集中在所謂的鼠籠式繞組設計上，特別是集中在提高其機械強度的解決辦法上。已做出許多努力，通過傳統(tǒng)的優(yōu)化方法、主要是通過集中減少渦流損失來提高電氣值。應注意到，上述出版物集中在這樣一些解決方案上，即轉(zhuǎn)速被限制在長期用于異步電機的相對低的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。
在常規(guī)傳統(tǒng)的異步電機設計中，目的主要是對電流熱和磁化損失、磁滯損失和渦流損失進行優(yōu)化。稱之為氣體摩擦損失的重要性在常規(guī)的異步電機設計中被忽略。
可注意到，一般簡單地來說，電機中產(chǎn)生的損失，也是異步電機產(chǎn)生的損失是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，其表達式如下Ph(n)＝P0+P1n+P2n2+P3n3，(1)其中n＝轉(zhuǎn)速，Ph＝總損失，P0＝一個標準分量，包括電流熱和磁化損失，P1＝說明磁滯損失的常數(shù)，P2＝說明渦流損失和其它與轉(zhuǎn)速的二次方有關的損失的常數(shù)，
P3＝說明氣體摩擦損失的常數(shù)。
在這里，應注意到，至少公式(1)中所示的所有指數(shù)實際上都不是整數(shù)，而是接近于這些數(shù)字的分數(shù)。的確，公式(1)主要是用來說明各種損失和轉(zhuǎn)速之間的相互關系。也應注意到，常數(shù)P0，P1，P2和P3采用一些隨對它們有影響的相關的、主要的物理因素而變的變化值。換言之，所述的常數(shù)P0，P1，P2，P3僅僅是在一給定的電機結(jié)構(gòu)中與轉(zhuǎn)速有關的常數(shù)。
另一方面，電機設計的目的是要將總損失Ph(n)與軸輸出的比率減至最小，其軸輸出為Paks(n)＝k＊n，(2)其中K＝機器常數(shù)，一個主要與轉(zhuǎn)子和/或電機的體積有關的常數(shù)。
因此(Ph(n))/(Paks(n)) = 1/(k) *( (P0)/(n) +P1+P2n+P3n2)。(3)公式(3)說明轉(zhuǎn)速的增加對軸輸出損失的相關部分的影響。轉(zhuǎn)速的增加減少了電流熱和磁化損失(常數(shù)P0)的影響。磁滯損失部分基本上保持恒定。另一方面，渦流損失(常數(shù)P2)的影響大體上與轉(zhuǎn)速的增加成正比增加，而且，氣體摩擦損失(常數(shù)P3)的影響大體上與轉(zhuǎn)速的二次方成比例地增加。
因此，從設計具有高轉(zhuǎn)速的電機來看，可利用公式(3)得出一個結(jié)論通過在設計中采取減少渦流損失和與傳統(tǒng)的解決辦法相比至少不使氣體摩擦損失增加的方法來減少與渦流損失和氣體摩擦損失有關的常數(shù)(P2和P3)的影響。另一方面，與電流熱和磁化損失有關的常數(shù)P0的大小可能恰恰被增加，因為轉(zhuǎn)速增加的影響反比于上述損失之間的比率。
本發(fā)明涉及應用稱為高速技術(shù)的高轉(zhuǎn)速異步電機，特別是涉及轉(zhuǎn)速大大超過傳統(tǒng)的異步電機工作速度的高轉(zhuǎn)速異步電機。作為一個例子，可以說，本發(fā)明的異步電機的轉(zhuǎn)速范圍超過每分鐘105轉(zhuǎn)的數(shù)量級，而傳統(tǒng)的異步電機典型的圓周速度范圍小于50米/秒，轉(zhuǎn)速范圍介于103～3×103轉(zhuǎn)/分之間。因此，在本發(fā)明中，所謂高速是指轉(zhuǎn)動件，特別是異步電機中轉(zhuǎn)子的圓周速度超過100米/秒，甚至高達1000～2000米/秒。雖然對于轉(zhuǎn)動件的尺寸，特別是轉(zhuǎn)子直徑最普遍采用的尺寸來說，典型的圓周速度為200-500米/秒，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速則在104-105轉(zhuǎn)/分的數(shù)量級，一般為2×104～2×105轉(zhuǎn)/分，甚至高達106轉(zhuǎn)/分。
從上可得出結(jié)論，損失優(yōu)化的現(xiàn)有技術(shù)概念不會在高速技術(shù)的應用方面得到滿意的結(jié)果。
因此，本發(fā)明的目的是提出一種用于高速用途的異步電機及用于該電機中的定子和轉(zhuǎn)子。
在本發(fā)明中，已令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子和定子之間氣隙的大小，對異步電機的高速技術(shù)應用，特別是效率方面有著決定性的意義。在本發(fā)明中，還可驚奇地發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙反比于常數(shù)P2和P3的大小。換言之，在高速應用中，對渦流和氣體摩擦損失有影響的常數(shù)，從物理尺寸和設計來看，是與氣隙有關的變量，可用一個簡化的公式來表示Pi≈ 1/(δx) ,(4)
其中Pi＝P2或P3δ＝氣隙X＝冪的次數(shù)≥0因此可得出結(jié)論，公式(1)中的常數(shù)P0與氣隙δ的修正關系如下P0≈δy，(5)其中P0＝電流熱和磁化損失，δ＝氣隙Y＝冪的次數(shù)≥0因此，本發(fā)明的意外發(fā)現(xiàn)可概述如下為獲得最佳效率，在異步電機的高速應用中，轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙是可以并應該增加的，因為與公式(1)有關的渦流和氣體磨擦損失的常數(shù)P2和P3是反比于(公式4)所述氣隙的大小的，而常數(shù)P2和P3又與轉(zhuǎn)速的二次方或三次方成比例，因此在高速應用中，對于這些特定的損失有一較大的影響。另一方面，對電流熱和磁化損失有影響的常數(shù)P0值，甚至可以在沒有總損失增加的情況下被增加，即允許更強大的磁化電流，因為在高速應用中，常數(shù)P0的重要性從總損失來看可被忽略。實際上，上面所述的意義是，在高速應用中，目的是利用技術(shù)設計盡可能將渦流損失減至最少，但其采用的方式與傳統(tǒng)的設計技術(shù)相比，在任何情況下至少空氣磨擦損失不能增加。
為了達到上述目的并盡可能地消除現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出的異步電機的主要特點是，轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙基本符合下式δ＝ (Ds-Dr)/2 ＞A + (Dr)/(B) + (u)/(C) (6)公式(6)中Dr＝轉(zhuǎn)子外徑(毫米)，Ds＝定子內(nèi)徑(毫米)U＝圓周速度(米/秒)，δ＝氣隙(毫米)A＝常數(shù)，≥0.3，最好為0.7-1.5，適合的值為1，單位為毫米，B＝常數(shù)，≤150，，最好為50-100，適合的值為70，C＝常數(shù)，≤1200，最好為300-600，適合的值為400，單位為米/秒/毫米，轉(zhuǎn)子的圓周速度大于100米/秒。
如上述設計的異步電機能達到高效率，轉(zhuǎn)子在高速范圍內(nèi)以高速旋轉(zhuǎn)。
特別是從氣體摩擦損失來看，可得出P3與轉(zhuǎn)子的直徑和轉(zhuǎn)速的關系如下P3≈n3*D4rδ0. 2(7)]]>消除空氣摩擦損失需要對氣隙采取有效的軸向冷卻吹風。當按照本發(fā)明在高速應用中增加氣隙時，可以高效率獲得一股冷卻氣體，比如空氣流。
按電機的傳統(tǒng)定尺寸原則，氣隙留得很小，實際上，小電機的最大氣隙是轉(zhuǎn)子直徑的1%，中型電機的最大氣隙是轉(zhuǎn)子直徑的0.5%。根據(jù)資料“能源技術(shù)治金手冊第一卷機器”(HuetteTaschenbuecherder.Technik，Energietechnik，Bend1Maschinen)對于小電機δ≈0.2+ (Dr)/1000 ［mm］(8a)中型電機δ≈ (Dr)/1200 *(1+ 9/(2p) ) ［mm］(8b)其中P＝偶極數(shù)根據(jù)另一份資料“電機，旋轉(zhuǎn)電機的計算”(Vogt.K，1972，ElektrischeMaschinen，BerechnungerotierenderelektrischerMaschinen，)δ≈(0.25-0.4)＊P1/4mck，(8c)
其中δ＝氣隙(毫米)，Pmek＝電功率(千瓦)在傳統(tǒng)的辦法中主要從渦流損失來看，可以注意到，流過定子、轉(zhuǎn)子和定子與轉(zhuǎn)子上的槽的電流導致氣隙感應密度沿氣隙的不連續(xù)分布(換言之，氣隙感應密度的正弦形分布包括有諧波成份和感應或磁通的密度分布是階躍式的)。轉(zhuǎn)子以不同于氣隙磁通的速度轉(zhuǎn)動和磁通分布的不連續(xù)性一起在轉(zhuǎn)子和定子中增加渦流損失。
當氣隙增加時，不連續(xù)通量密度的諧波分量減少，因而渦流損失也減少。利用傳統(tǒng)電機定尺寸原則獲得的氣隙值計算的渦流損失甚至高幾十倍。
正如上面指出的那樣，按照本發(fā)明的氣隙大小確定便于對在高速應用的困難條件下的總損失實現(xiàn)很好的控制。
本發(fā)明也涉及用在上述異步電機中的轉(zhuǎn)子。這種轉(zhuǎn)子的軸體或類似部分上設有導電涂層。
至于已知的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，請參考在上述參考文獻中已作說明的現(xiàn)有技術(shù)，這些文獻旨在發(fā)展稱之為鼠籠繞組的方法。在高速應用中如果只采用目前流行的結(jié)構(gòu)設計，而氣隙又根據(jù)本發(fā)明異步電機的特點來設計，這種鼠籠式繞組法是沒有優(yōu)點的。
本發(fā)明的意外發(fā)現(xiàn)是在高速應用中，由高導電材料制成的轉(zhuǎn)子涂層必須連續(xù)地將轉(zhuǎn)子的整個工作表面面積覆蓋，這是這種轉(zhuǎn)子的主要特征。最好是，至少在轉(zhuǎn)子的一部分周面尺寸上涂層的徑向厚度大于0.2毫米。
人們早就知道，定子和轉(zhuǎn)子的每個截面面積都流過相同量的工作電流。為使電流熱損失盡可能地小，在轉(zhuǎn)子中流動的電流應基本上分布在高導涂層上。因此，高導涂層的橫截面面積應該最大限度地增加，其方式是使涂層具有盡可能大的平均半徑，換言之，該涂層應最大范圍地涂在軸體的外圓周上，并具有均勻一致的分布。
在本發(fā)明的轉(zhuǎn)子中，產(chǎn)生負荷轉(zhuǎn)子扭矩的電流與涂層的橫截面積之比基本上符合下式J= (Qs*Nu*I1*cosδ1)/(Ar) ＜k*(40+ 500/(Dr) )(9)其中J＝電流密度(安/毫米2)，Qs＝定子槽數(shù)，Nu＝在定子槽中延伸的導體數(shù)，I＝定子電流中直達波(A)的均方根值，δ1＝定子電流和電壓直達波之間的角度，Ar＝轉(zhuǎn)子涂層的平均橫截面面積，毫米2(

圖1中的Ⅱ-Ⅱ剖面)，K＝載荷系數(shù)(A/毫米2)，波動范圍1-2.5Dr＝轉(zhuǎn)子直徑的數(shù)值(毫米)轉(zhuǎn)子載荷系數(shù)有一個不大于1的瞬時平均值。此外，轉(zhuǎn)子載荷系數(shù)瞬態(tài)不大于2.5。
至于制造技術(shù)，涂層最好和最普遍的涂覆方法相同，利用基于線性動量快速變化的制造技術(shù)，即所謂的噴涂技術(shù)，將其做在導磁軸體的外層。這種噴涂可使軸體和涂層之間產(chǎn)生足夠堅固的粘附力，同時也提供了足夠的涂層厚度。在本發(fā)明中的一個發(fā)現(xiàn)是，粘附力可定義如下δp＞50Mpa，最好超過100MPa。(10)
這樣，導電涂層的最大可能的厚度h(毫米)可按下式計算h≈ (δp*1.8*1014)/(n2*Dr*δpt) ,(11)其中δp＝附著力(MPa)，n＝電機的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)，Dr＝轉(zhuǎn)子外徑(毫米)，δpt＝涂層材料的密度(公斤/米3)。
對于轉(zhuǎn)子而言，軸體材料的屈服點一般為Re＞400MPa根據(jù)制造技術(shù)，達到上述標準的材料能夠作為一足夠厚度的涂層為轉(zhuǎn)子在軸體上提供一層保持固體形狀的涂層。而且，正如在本領域中眾所周知的那樣，諸如銅之類的高導材料很軟，并具有低的破壞強度。當本發(fā)明的轉(zhuǎn)子制造時，例如采用基于線性動量快速變換的制造技術(shù)制造時，這樣一種其本身抗應力差、機械性能軟的導電涂層材料可被粘附并固化形成到軸體的外表面上，以便獲得穩(wěn)定耐久的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
按照本發(fā)明，軸體上可提供槽，槽內(nèi)充以涂料。槽數(shù)可按下式確定Qr＞ (Dr)/3,2 ，最好為 (Dr)/(1-2) (13)
其中Qr＝轉(zhuǎn)子的槽數(shù)，Dr＝轉(zhuǎn)子的外徑(毫米)。
轉(zhuǎn)子的涂層可以是一層均勻厚度的材料層，或可包括一由均勻厚度的材料層成份和鋪設在軸體槽內(nèi)的涂層材料成份組成的復合層。采用什么類型的涂層結(jié)構(gòu)取決于幾個因素，這些因素在具體異步電機的設計階段必須進行組合優(yōu)化。軸體上的槽給氣隙磁通密度帶來不連續(xù)性，進一步增加了定子上產(chǎn)生的損失。由槽引起的這些損失可通過增加槽數(shù)來減少。由槽感應的渦流損失可通過采用相當均勻厚度的固體涂層而大部分被忽略，對應于這種情況Qr值無窮大。固體或連續(xù)的涂層導致增加定子繞組中磁化電流的消耗，增加了在定子槽內(nèi)產(chǎn)生的銅損失。因此，一種可供選擇的辦法是采用在軸體上加工出槽并在槽上提供一層涂料和一種連續(xù)涂層的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
然而，對各種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)計算出的損失之間的差別是小的，主要的特點在于氣隙的大小和與此使用的涂層的整體性。因此，轉(zhuǎn)子涂層結(jié)構(gòu)的最終選擇很大程度上也取決于制造的可能性。
與轉(zhuǎn)子有關的從屬權(quán)到要求針對轉(zhuǎn)子的一些優(yōu)選實施例。
而且，本發(fā)明涉及一種用在上述異步電機中的定子。該定子上設有放置繞組的槽。
主要涉及傳統(tǒng)式電機的現(xiàn)有技術(shù)可參考資料“電機、旋轉(zhuǎn)電機的計算”(VogtK，1972ElektrischeMaschinen，BerechnungrotierenderelektrischerMaschinen)。根據(jù)這份資料，異步電機上的槽距一般為10-45毫米(小電機上的最小讀數(shù))，最后得到的槽數(shù)為Qs≤ (Ds)/3.2 (14a)
定子的槽引起氣隙磁通密度的不連續(xù)性，由此增加了渦流損失。因此，本發(fā)明的一個意外發(fā)現(xiàn)是，在高速應用中，其中氣隙是根據(jù)本發(fā)明異步電機的特征建立起來的，與電機設計的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，通過增加定子槽數(shù)，有可能減少槽感應的損失，因為開槽對氣隙磁通密度不連續(xù)性的影響被減少了。
按照這種定子的一個主要特征，定子槽數(shù)必須按下式?jīng)Q定Qs＞ (Ds)/3.2 ，最好為 (Ds)/2 (14b)其中Qs＝定子槽數(shù)，Ds＝定子的內(nèi)徑(毫米)而且，轉(zhuǎn)子的槽數(shù)最好滿足條件Qr≥Qs(15)與定子上含有的槽數(shù)有關。
交變電流在定子槽內(nèi)的導體中產(chǎn)生一種所謂的電流放大，這種電流放大增加了所謂交流電阻，因而增加了定子損失。
電流放大對交流電阻所增加的影響與頻率的二次方和包含在導體中導線直徑的二次方成比例(資料VogtK，1972.ElektrischeMaschinen，BerechnungrotiereiderelektrischerMaschinen)。因此，本發(fā)明的另一意外發(fā)現(xiàn)是，在高速應用中，其中氣隙是以本發(fā)明異步電機特征為基礎建立的，為了不明顯地增加電流放大的影響，與傳統(tǒng)的方法相比，導線的直徑必須減小。
而且，按照本發(fā)明定子的一個主要特征，用在槽內(nèi)的各個導線的直徑必須滿足下列條件ds≤ 15000/(n＊p) ，(16)其中P＝電機的極對數(shù)，n＝電機的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)，ds＝導線直徑(毫米)。
顯然，為了獲得轉(zhuǎn)動的電機，最少的相數(shù)是2。當相數(shù)增加時，由流過定子槽的電流引起的氣隙磁通的不連續(xù)性開始被拉平，由此產(chǎn)生的損失開始減少。
高速異步電機的相數(shù)m應為m≥2(17)下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行更具體的敘述。圖中圖1顯示本發(fā)明提出的異步電機的一個實施例的縱剖面圖;
圖2顯示圖1中沿Ⅱ-Ⅱ線的剖面;
圖3顯示圖1中沿Ⅲ-Ⅲ線靠近轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的剖面;
圖4顯示圖1中的一個剖面(類似于圖2的位置)，說明設計轉(zhuǎn)子的另外一種可能性。
圖中的標號1表示一管狀體，管狀體內(nèi)放置有一個帶有繞組3的定子2。定子2的內(nèi)表面上含有按公式(14)設計的槽4。另一方面，就導線的直徑而言，置于槽4中的繞組是按照上式(15)設計的。
按照一個較佳實施例，定子繞組3是采用所謂L1TZ線設計的，其中各導線的直徑小于0.4毫米，最好是小于或等于0.1毫米。定子的槽數(shù)最好可被偶數(shù)除盡，在三相異步電機中，槽數(shù)被12除盡是適當?shù)?。至少在一些用途中，從減少損失的觀點來看，將定子繞組耦合適合于控制至少兩個相互移相(圖中未顯示)的三相變換器(頻率變換器)。
定子2含有一個內(nèi)孔5，其內(nèi)裝有轉(zhuǎn)子6，轉(zhuǎn)子繞其縱軸P旋轉(zhuǎn)并被支承到管狀體上(未示出)。轉(zhuǎn)子6是由軸體7和其外表面上的涂層8組成的組合體。涂層8沿轉(zhuǎn)子6的縱向分布，至少覆蓋著與定子2和繞組3相對的區(qū)域。軸體7至少是導磁的或者也是導電的。在圖示的實施例中，所述軸體7是一實心結(jié)構(gòu)體，但也可以是空心的。軸體7的材料最好是適當?shù)匿?，其徑向的屈服點至少大于400MPa，特別是當軸體7是實心結(jié)構(gòu)時更應如此。在軸體7設計成空心結(jié)構(gòu)的情況，軸體7的材料必須是一種具有更好的拉伸強度的材料，其徑向的適當屈服點至少為800MPa。詳細地參考圖2，可注意到，軸體7沿轉(zhuǎn)子的縱向方向上開有槽，槽7a的數(shù)目對應于公式(13)。圖4示出了一種可供選擇的情況，其中軸體7具有光滑的表面，即理論上，槽數(shù)為無窮多。
轉(zhuǎn)子6上載有由一些高導電材料制成的涂層8，如銅，特別是強化形狀的銅(shape-reinforced)。涂層8的用途顯然是用作流過異步電機的總電流的導體，由此使產(chǎn)生轉(zhuǎn)子6的扭矩的電流(安培)與涂層8的橫截面面積之比[根據(jù)公式(9)計算]一般小于40A/m2。將所述涂層8加到軸體7的外表面上的一種特別好的方法是所謂的噴涂技術(shù)。也可以采用基于敷涂的其它類似的方法，其中待敷涂的材料粘附到一種基體上，在這里是粘附到軸體7上，例如，利用線性動量方面的大的變化，使涂層材料在形成涂層期間受到形狀強化。顯然，除了銅之外，涂層8的材料也可以是其它高導電材料，例如鋁，適當?shù)暮辖鸹蚝铣晌?。涂?可以厚些，特別是在涂層8的區(qū)域8a上，該部分區(qū)域位于定子2兩端的外側(cè)沿轉(zhuǎn)子的縱向方向在涂層8的兩端，在常規(guī)的辦法中，通常提供一個短路區(qū)，稱為短路環(huán)。8a部分的長度可沿轉(zhuǎn)子6的縱方向變化，可以在繞組3的區(qū)域內(nèi)延伸或超出該區(qū)域，但在大多數(shù)情況下，所述8a部分基本上在繞組3的端部終止。這方面可參考圖3。特別是在與定子2和繞組3相對的部分上，涂層8的厚度在轉(zhuǎn)子6的徑向大體上至少為0.2毫米，最好是0.5-5毫米，甚至達到1-10毫米。特別情況下是，涂層8的端部8a可以是徑向涂層最厚的部分。圖2說明了涂層的組成，它不像圖4所示的等厚材料層，而是例如包括一種具有等厚或變厚度的材料層部分8b和置于軸體7的槽7a內(nèi)的涂層材料部分8c的組合層。當然，很明顯，在大多數(shù)情況下，涂層按上述方式粘附到軸體7的外表面上之后要對它的外表面進行機械加工，軸體7也要機加工，這種加工包括加工對應于涂層8c的凹槽，例如圖2所示的槽7a，換言之，已加工好的轉(zhuǎn)子的涂層8的外表面基本上與軸體7的涂層8外面的表面齊平。
上述方法可用來生產(chǎn)一種涂層8，這種涂層可以經(jīng)得起在高速應用中的轉(zhuǎn)動和圓周速度，尤其對圓周速度來說可超過100米/秒，甚至200-500米/秒，對于轉(zhuǎn)速來說可以超過2×104-2×105轉(zhuǎn)/分，甚至到106，高達1000米/秒。在這些想在特別高的圓周速度工作的方案中，軸體7需要采用屈服強度大于1000MPa的材料。
按照本發(fā)明的基本概念，按照公式(6)設計的氣隙δ在定子2的內(nèi)孔表面和涂層8的外表面之間形成，即根據(jù)圖2中的標示，氣隙為(Ds-Dr)/2。
涂層8至少可部分地包括一些區(qū)域或部分，其徑向涂層厚度的變化不大于1∶10，最好是1∶4-6的比率。而且，涂層可以有一變化的表面結(jié)構(gòu)，即包括一些有凹入和凸起的部分或區(qū)域。涂層8的徑向厚度至少在一些涂層區(qū)域大于轉(zhuǎn)子外徑Dr的0.5%，最好為0.7%，甚至大于1%，但不超過20%(小直徑轉(zhuǎn)子)。
為了進一步說明本發(fā)明的優(yōu)點，進行了如下系列試驗，所有各種試驗結(jié)構(gòu)其目的均是在電氣方面使異步電機達到高的質(zhì)量標準。
試驗電機A這臺試驗電機是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)知識設計的，特別是轉(zhuǎn)子使用了具有下面主要尺寸，由銅材料(例如見GB-1427818)制成的所謂鼠籠式方案。所有試驗電機中定子的長度均為140毫米。
n＝1.5＊105轉(zhuǎn)/分，Dr＝70mm，δ＝0.70mm(δ≈0，2+Dr/1000≈0.3;公式8a)，Qs＝24(Dr/3.2;公式13)，Qr＝26在這臺試驗電機中，軸體槽深的最大值是2毫米，試驗電機Bn＝1.5＊105轉(zhuǎn)/分，Dr＝70mm，δ＝3mm(公式6)，Qs1＝24 or Qs2＝36(公式14)Qr1＝26 or Qr2＝40(公式15)涂層厚度為1-2毫米，換言之，轉(zhuǎn)子槽的最大深度約1.0毫米(因此，轉(zhuǎn)子與圖2中所示的一樣)試驗電機Cn＝1.5＊105Dr＝70mm，δ1＝2mm，δ2＝3mm or δ3＝4mm(公式6)Qs1＝24 or Qs2＝36(公式14)，Qr＝∞.
該轉(zhuǎn)子與圖4中所示的一樣，涂層厚度約為1毫米。
下面以表格的形式說明實驗結(jié)果，表示了在每種可供選擇的試驗電機中與軸輸出有關的電氣損失。
試驗結(jié)果
試驗結(jié)果的一個主要特點是，當提供一臺具有本發(fā)明的基本概念的氣隙和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的異步電機時，與用傳統(tǒng)技術(shù)制造并工作在高速范圍的異步電機相比，減少的電氣損失至少為15%以上。氣隙的重要性是關鍵的，而且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及定子和轉(zhuǎn)子的槽數(shù)也對損失有影響。上述試驗數(shù)據(jù)為熟悉本領域的人員在各個設計工作中，至少對于用試驗方法進行優(yōu)化設計提供了必要的初步資料。
權(quán)利要求
1.一種異步電動機，它包括一可相對于定子轉(zhuǎn)動的導電轉(zhuǎn)子和氣隙或其兩者之間的類似部分，其特征在于，轉(zhuǎn)子(6)和定子(3)之間的氣隙(δ)大體符合下式δ＝ (Ds-Dr)/2 ＞A + (Dr)/(B) + (u)/(C)式中Dr=轉(zhuǎn)子外徑(毫米)，Ds=定子內(nèi)徑(毫米)，μ=圓周速度(米/秒)，δ=氣隙(毫米)，A=常數(shù)，其值≥0.3，最好為0.7～1.5，適合的值是1，B=常數(shù)，其值≤1500，最好為50-100，適合的值是70，C=常數(shù)，其值≤1200，最好為300-600，適合的值是400，單位為米/秒/毫米轉(zhuǎn)子(6)的圓周速度大于100米/秒。
2.如權(quán)利要求1所述的異步電機，其特征在于，異步電機中轉(zhuǎn)子(6)的圓周速度一般為200-500米/秒，轉(zhuǎn)子(6)的轉(zhuǎn)速一般為2×104-2×105轉(zhuǎn)/分，最高達到106轉(zhuǎn)/分。
3.一種用在權(quán)利要求1所述的異步電機中的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子(6)設有與軸體7或類似部分相關的導電涂層，其特征在于，所述涂層是連續(xù)的，并覆蓋著整個轉(zhuǎn)子(6)的工作表面面積上。
4.如權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述涂層(8)的厚度是以下述方式變化的，即轉(zhuǎn)子(6)徑向上的最小和最大涂層厚度之比不大于1∶10，至少在涂層的一些區(qū)域上，涂層(8)的徑向厚度大于轉(zhuǎn)子外徑Dr的0.5%，最好為0.7%，甚至大于1%，但不超過20%。
5.如權(quán)利要求3或4所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述涂層(8)至少在定子(2)上沿轉(zhuǎn)子(6)的縱向包含一層大致等厚的涂層。
6.如權(quán)利要求3或4所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，至少與定子(2)相對的區(qū)域，所述涂層(8)是一組合層，該組合層包括一均勻材料層部分(8b)和置于軸體(7)或含在轉(zhuǎn)子(6)上的類似部分上形成的槽(7a)內(nèi)的涂層材料部分(8c)。
7.如權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述均勻材料層部分(8b)至少在與所述定子(2)相對的區(qū)域沿轉(zhuǎn)子(6)的縱向是一層等厚度的涂層。
8.如權(quán)利要求3、4或6所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于至少在它的一些工作表面面積上，所述涂層(8)包括一些區(qū)域和/或部分，其上涂具有變化的表面結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，涂層(8)的所述表面結(jié)構(gòu)包括一些交替的凹槽和凸起部。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述涂層(8)包括兩個端部(8a)，其徑向厚度超過與定子(2)對齊處的涂層厚度。
11.如權(quán)利要求1-9中任何一項所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，涂層(8)的最大厚度符合下式h≈ (δp*1.8*1014)/(n2*Dr*δpt)其中，δp＝粘附力(MPa)，n＝電機的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)，Dr＝轉(zhuǎn)子外徑(毫米)，δpe＝涂層密度(公斤/米3)，因此，覆蓋在轉(zhuǎn)子(6)的至少一些工作表面面積的上的所述涂層(8)具有超過0.2毫米的徑向厚度，最好為0.5-5毫米，甚至高達1-10毫米。
12.如權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述的槽(7a)大致沿軸體(7)或類似部分的縱向延伸，包括在槽(7a)中的槽沿轉(zhuǎn)子的圓周方向最好以固定的間隔延伸。
13.如權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述的槽(7a)包括相互交叉的槽組成的組合槽，其中至少一些槽的縱向不同于軸體(7)或類似部分的縱向。
14.如權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述涂層最好利用基于線性動量變化的粘附技術(shù)，特別是噴涂法施加到軸體(7)或類似部分的表面上，特別是要設法產(chǎn)生一層形狀強化的涂層(8)，該涂層粘附在軸體(7)或類似部分上并具有大于50MPa，最好大于100MPa的粘附力(δp)。
15.如權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，轉(zhuǎn)子(6)的所述軸體(7)或類似部分至少在徑向具有超過400MPa的屈服點，特別是采用實心軸體結(jié)構(gòu)(7)或類似結(jié)構(gòu)的情況下更應如此。
16.如權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，轉(zhuǎn)子(6)的所述軸體(7)或類似部分至少在徑向具有大于800MPa的屈服點，特別是采用空心軸體結(jié)構(gòu)(7)或類似結(jié)構(gòu)的情況下更應如此。
17.如權(quán)利要求3，6，12或13所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，設在軸體(7)或類似部分上并大致沿軸體(7)的縱向延伸的槽(7a)或相關部分的槽數(shù)符合下式Qr＞ (Dr)/3.2 ,最好為 (Dr)/(1-2)其中Qr＝槽數(shù)，Dr＝轉(zhuǎn)子的外徑(毫米)。
18.如權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，轉(zhuǎn)子(6)的圓周速度大于100米/秒，一般為200-500米/秒。
19.如權(quán)利要求3，6，12或13所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，大致沿轉(zhuǎn)子(6)上的軸體(7)的縱向延伸的槽(7a)的槽數(shù)，或槽(7a)的相關部分上的槽數(shù)滿足下列條件Qr≥Qs其中Qr＝轉(zhuǎn)子上的槽數(shù)。
20.如權(quán)利要求3，4或11所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，產(chǎn)生載荷轉(zhuǎn)子扭矩的電流對涂層(8)的橫截面積之比基本符合下式J= (Qs*Nu*I1*cosδ1)/(Ar) ＜k*(40+ 500/(Dr) )其中J＝電流密度(A/毫米2)Qs＝定子槽數(shù)，Nu＝在一個定子槽內(nèi)延伸的導體數(shù)，Il＝定子電流直達波的均方根值，δl＝定子電流和電壓直達波之間的角度，Ar＝轉(zhuǎn)子涂層的平均橫截面積，毫米2(圖1中的Ⅱ-Ⅱ剖面)，K＝載荷系數(shù)，A/毫米2(波動范圍1-2.5)，Dr＝轉(zhuǎn)子直徑的數(shù)值(毫米)。
21.如權(quán)利要求20所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，轉(zhuǎn)子負荷系數(shù)(K)的瞬時平均值不大于1。
22.如權(quán)利要求20和21所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述的負荷系數(shù)(K)瞬態(tài)不大于2.5。
23.一種用在權(quán)利要求1所述的異步電機中的定子，所述定子(2)上設有安置繞組(3)的槽(4)并與所述轉(zhuǎn)子(16)相連地安裝在異步電機內(nèi)，其特征在于，定子上的槽(4)的槽數(shù)滿足下列條件Qs＞ (Ds)/3.2 ，最好為 (Ds)/2其中Qs＝定子上的槽數(shù)，Ds＝定子的內(nèi)徑(毫米)。
24.如權(quán)利要求23所述的定子，其特征在于，與之配合使用的轉(zhuǎn)子(6)上的槽(7a)的槽數(shù)，或開槽設在軸體(7)上的縱向延伸部分上，或包含在在轉(zhuǎn)子(6)上的類似部分上的槽數(shù)，滿足下列條件Qr≥Qs其中Qr＝轉(zhuǎn)子上的槽數(shù)，Qs＝定子上的槽數(shù)。
25.如權(quán)利要求23所述的定子，其特征在于，定子(2)上的槽數(shù)可被槽數(shù)的偶數(shù)值除盡。
26.如權(quán)利要求25所述的定子，其特征在于，在三相異步電機中，定子(2)的繞組(3)至少與兩個相互移相的三相變換器相耦合。
27.如權(quán)利要求23所述的定子，其特征在于，所述定子繞組(3)耦合到一個單獨的兩相變換器上
28.一種用在權(quán)利要求1所述的異步電機中并與權(quán)利要求3所述的轉(zhuǎn)子相連的定子，其特征在于，就直徑而言，用在定子(2)中的繞組(3)的各個導線的直徑滿足下列條件ds≤ 15000/(n＊p) ，其中P＝電機的極對數(shù)，n＝電機的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)，ds＝導線的直徑(毫米)。
29.如權(quán)利要求28所述的定子，其特征在于，所述繞組(3)是用所謂的LITZ線繞成的，因此導線的直徑小于0.4毫米，最好小于0.1毫米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種異步電機，其轉(zhuǎn)子設有導電涂層。轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙(δ)大體上符合下式
文檔編號H02K17/12GK1083278SQ9310796
公開日1994年3月2日 申請日期1993年7月7日 優(yōu)先權(quán)日1992年7月7日
發(fā)明者A·阿基奧 申請人:高速科技有限公司