CN105281448B - 一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机 - Google Patents
一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机，其包括定子机座、定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、转子轴、轴承和转子鼠笼绕组；所述定子机座内固定设置有所述定子铁芯，所述定子绕组固定设置在所述定子铁芯上；所述转子铁芯固定设置在所述转子轴上，所述转子轴通过所述轴承固定设置在所述定子机座内，所述转子铁芯的外圆周上设置所述转子鼠笼绕组；其特征在于：将定子沿轴向分成两段以上，所述定子铁芯和定子绕组均设置为两段以上，每段中所述定子铁芯上的定子绕组按通电方式采用轴向相邻段同向通电线圈和轴向相邻段反向通电线圈，所述轴向相邻段同向通电线圈采用同向电流供电，所述轴向相邻段反向通电线圈采用反向电流供电。
Description
技术领域
本发明涉及一种异步电机，特别是关于一种定子轴向分段的具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机。
背景技术
现代社会已无法离开电机，电机的应用遍及交通运输、工农业生产、信息处理，以及日常生活的各个领域。电机的种类繁多，结构也各有不同，有异步电机、永磁电机、电励磁电机等。各类电机在旋转过程中都会产生振动和噪声，振动噪声是一种环境污染，会对人们健康、日常生活产生不良的影响；在军工领域振动噪声更为重要。因此，降低电机的振动和噪声具有非常重要的意义。
电机的气隙中存在着基波磁场和一系列的谐波磁场。在电机运行过程中，这些气隙磁场之间相互作用，将会产生作用于电机定子铁芯上的切向及径向的电磁力；其中，切向电磁力产生转矩，而径向电磁激振力引起定子铁芯变形。各种周期、各种转速的径向电磁激振力波都分别作用在定子、转子铁芯上，使定子铁芯和机座以及转子出现随时间周期性变化的径向形变，因此产生振动和噪声。
异步电机因其结构简单，坚固耐用，应用广泛，但是异步电机振动噪声更为复杂。引起异步电机振动噪声的径向电磁激振力中，除了存在普通电机中的频率与极频相关的，也就是频率为供电频率2倍的径向电磁激振力之外，更由于定、转子均开槽，会引起频率与定、转子槽数有关的径向电磁激振力，异步电机的径向电磁激振力的频率成分更为丰富，其减振降噪难度更大。到目前为止，还没有解决电机振动和噪声的较好的方案。其它的永磁同步电机、无刷直流电机、同步电机等也存在类似的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机，能有效减小定子电磁激振力和振动噪声。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机，其包括定子机座、定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、转子轴、轴承和转子鼠笼绕组；所述定子机座内固定设置有所述定子铁芯，所述定子绕组固定设置在所述定子铁芯上；所述转子铁芯固定设置在所述转子轴上，所述转子轴通过所述轴承固定设置在所述定子机座内，所述转子铁芯的外圆周上设置所述转子鼠笼绕组；其特征在于：将定子沿轴向分成两段以上，所述定子铁芯和定子绕组均设置为两段以上，每段中所述定子铁芯上的定子绕组按通电方式分为轴向相邻段同向通电线圈和轴向相邻段反向通电线圈，所述轴向相邻段同向通电线圈采用同向电流供电，所述轴向相邻段反向通电线圈采用反向电流供电。
每段所述定子铁芯上所述轴向相邻段同向通电线圈轴向不分段，仅每段所述定子铁芯上所述轴向相邻段反向通电线圈轴向分段；或每段所述定子铁芯上所述轴向相邻段同向通电线圈、轴向相邻段反向通电线圈均不分段。
所述转子铁芯和转子鼠笼绕组采用轴向分段式结构或不分段结构。
所述定子机座采用导磁材料。
所述定子铁芯上开设有若干槽，形成定子齿；在所述定子铁芯的定子齿对应的铁芯轭部开设有圆孔，在所述圆孔中紧密地***由导磁材料制成的棒。
所述定子铁芯采用无槽绕组结构。
所述转子铁芯采用多斜槽结构。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于定子铁芯和定子绕组轴向分为多段，定子绕组分为轴向相邻段同向通电绕组和轴向相邻段反向通电绕组。轴向相邻段反向通电绕组产生的磁场可以填补轴向相邻段同向通电绕组产生的磁场的缺口，减小电机圆周上磁场绝对值的变化，可以使定子铁芯受到的径向电磁激振力变化减小，从而减小定子铁芯的变形和振动。2、本发明采用导磁的定子机座，使轴向相邻段反向通电绕组产生的轴向磁通经过的磁路的磁阻大大减小，轴向磁场得到增强，轴向相邻段反向通电绕组利用效果提高。3、本发明在定子铁芯上开孔布置导磁棒，避免使用导磁机座，同时使轴向相邻段反向通电绕组产生的轴向磁通经过的磁路的磁阻大大减小，轴向磁场得到增强，轴向相邻段反向通电绕组利用效果提高，使电机结构更为紧凑。4、本发明转子可以采用多斜槽结构，消除转子开槽引起的电磁激振力，达到大大降低电机定子受到的极频和槽频径向电磁激振力的目的。5、本发明定子可采用无槽绕组结构，定子铁芯不开槽，彻底消除定子受到的槽频径向电磁激振力，与轴向相邻段反向通电绕组相配合，达到大大降低电机定子受到的极频和槽频径向电磁激振力的目的，实现完美结合。
基于以上优点，本发明可以广泛应用于家用电器、医疗仪器、工业生产、制造业和民用领域的电机***、航空航天电机电器设备领域、舰船辅助机械和舰船推进等***领域以及可移动电气***领域，对***的减振降噪具有重要意义。
附图说明
图1是已有的异步电机的横截面示意图，是图2的B-B切面图；
图2是已有的异步电机的轴向截面示意图，是图1的A-A切面图；
图3是图2电机展开为平面后磁场的示意图；
图4是图3的C-C截面上的磁密分布和径向电磁激振力密度波分布图；
图5是本发明的异步电机的轴向横截面示意图，也是图6的A-A切面图；
图6是本发明的异步电机的截面示意图，是图5的B-B和C-C切面图；
图7是本发明异步电机两段定子上绕组的布置和其通电产生磁场的磁力线图；
图8是图7的E-E截面上的磁密分布和径向电磁激振力密度波分布图；
图9是本发明异步电机两段定子上绕组的布置的另一种形式和其通电产生磁场的磁力线图；
图10是本发明定子铁芯开孔加轴向导磁棒的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，已有的异步电机包括定子机座1、定子铁芯2、定子绕组3、转子铁芯4、转子轴5、轴承6和转子鼠笼绕组7；其中，定子机座1可采用常规电机的安装方式固定，定子铁芯2是电机磁路的一部分。在定子机座1内固定设置有定子铁芯2，定子铁芯2内圆上开有槽，形成定子齿8；定子绕组3固定设置在定子铁芯2的定子齿8之间。转子铁芯4固定设置在转子轴5上，转子轴5能够带动转子铁芯4绕轴心旋转，转子轴5通过轴承6固定设置在定子机座1内，转子铁芯4的外圆周上均匀开设若干槽，槽分布在转子齿9之间，槽中设置转子鼠笼绕组7。
已有的异步电机定子铁芯2和转子铁芯4可以采用直槽或者斜槽工艺，斜槽具有一点减振降噪作用。就电机内部的径向电磁激振力而言，已有的异步电机与普通同步电机或者永磁电机一样，存在着频率与极数成正比的极频径向电磁激振力。此外异步电机还存在与定、转子齿槽数相关的槽频电磁激振力，情况复杂，减振降噪难度大。
如图3所示，异步电机内部的磁场由定子铁芯2的N极出发，经过定子与转子之间的气隙、转子齿9、转子铁芯4、转子齿9、定子与转子之间的气隙、定子铁芯2的S极、定子齿8，再沿圆周方向经过定子铁芯2，再经过定子齿8，最后回到定子铁芯N极，如磁力线10方向所示，由于图3是将定子切开展开成平面得到的，故磁力线以二维的形式表示。该电机的磁场只存在径向和圆周方向的磁场，不存在轴向的磁场。电机运行时，定子绕组3通三相交流电，形成旋转磁场，与转子鼠笼绕组7感应电流产生的磁场相互吸引产生转矩带动电机转子与旋转磁场方向一致旋转。如图4所示，此时电机气隙径向磁密波形如bδ1所示，该磁密波形为图3中的C-C截面上一对极下范围内的波形。该气隙磁密波bδ1为平顶波。该磁场作用在定子铁心内圆上，产生径向电磁激振力，该激振力是引起定子铁心振动的根源。磁密波产生的径向电磁激振力与磁密的平方成正比，径向电磁激振力以径向电磁激振力密度衡量，此时的径向电磁激振力密度波为σ1(如图4所示)。可见径向电磁激振力密度波σ1变化的次数为磁密波变化次数的两倍，其引起的振动的频率等于极数与转速的乘积，故称之为极频。正是这样变化的激振力在定子上引起振动。
由上面极频电磁激振力产生的原理可见，它是电机内固有的电磁激振力，电机产生转矩需要磁场，该磁场必然产生径向电磁激振力。前人对减小径向电磁激振力进行了很多研究，都没有很好的方法。有些方法只能是降低电机性能来实现减小径向电磁激振力，其中较为简单的方法就是减小气隙磁密，径向电磁激振力将平方倍的减小。但是这样做的直接后果就是电机的体积重量会增大，所以也不是很好的解决方案。故本发明提出一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的电机，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图5、图6所示，本发明的异步电机结构与现有技术中的异步电机结构类似，也包括定子机座1、定子铁芯2、定子绕组3、转子铁芯4、转子轴5、轴承6和转子鼠笼绕组7。本发明的特征是为了使轴向磁路磁阻小，定子机座1采用具有导磁性的材料制成，并将定子沿轴向分成两段以上。以定子轴向分成两段为例进行介绍，分为第一段电机和第二段电机两段式结构，其中，定子铁芯2和定子绕组3均设置为两段，两段式结构可以作为两台异步电机。两段电机中定子铁芯2上的定子绕组3按通电方式可以采用轴向相邻段同向通电线圈和轴向相邻段反向通电线圈，两段电机之间的区别在于绕组的供电方式不同，轴向相邻段同向通电线圈采用同向电流供电，轴向相邻段反向通电线圈采用反向电流供电。
如图7所示，本实施例中以4极电机为例对本发明作进一步说明。定子为12槽，即定子每极每相槽数为1。为说明方便，取定子绕组3的节距为1/3，即每个线圈11绕在一个齿上，跨距为60度电角度。第一段电机和第二段电机都是独立的电机，绕组布置也相同。仅取一对极的范围进行说明，对于第一段电机，A相的线圈为A1-X1，A2-X2；B相的线圈为B1-Y1，B2-Y2；C相线圈为C1-Z1，C2-Z2。对于第二段，A相的线圈为A3-X3，A4-X4；B相的线圈为B3-Y3，B4-Y4；C相线圈为C3-Z3，C4-Z4。如果将坐标系的原点设置在B1-Y1线圈的轴线上，则此时沿图5的第一段电机B-B截面上一对极下范围内的气隙径向磁密波形bδ1如图8所示。此时线圈A1-X1和C1-Z1通入负电流、线圈A2-X2和C2-Z2通入正电流，电流大小相同，B1-Y1和B2-Y2电流为零，则相应的径向磁密波形bδ1为近似120度电角度的平顶波，磁力线10如图7中的实线箭头所示，为圆周方向。该磁场作用在定子铁心内圆上，产生径向电磁激振力，该激振力是引起定子铁心振动的根源。磁密波产生的径向电磁激振力与磁密的平方成正比，径向电磁激振力以径向电磁激振力密度衡量，此时的径向电磁激振力密度波σ1如图8所示。可见径向电磁激振力密度波σ1变化的次数为磁密波变化次数的两倍，其引起的振动的频率等于极数与转速的乘积，故称之为极频。正是这样变化的激振力在定子上引起振动。
如图5所示，沿第二段电机C-C截面上一对极下范围内的气隙径向磁密波形与第一段电机B-B截面上一对极下范围内的气隙径向磁密波形相同，也如图8所示，其通电方式也和第一段一样，即线圈A3-X3和C3-Z3通入负电流、线圈A4-X4和C4-Z4通入正电流，电流大小相同，B3-Y3和B4-Y4电流为零。此时两段电机上产生的径向电磁激振力相同。
以上也是已有普通电机的正常工作状态，由上述分析可见，极频径向电磁激振力引起振动的原因是定子铁芯2受变化的力，而力的变化是由于磁场正负变化，在正负变化磁场中磁场反向的区间有一段为零或接近零的范围。本发明在磁场接近或为零的区域设置轴向相邻段反向通电绕组，该绕组通电产生的磁场介于轴向相邻段同向通电绕组通电产生的磁场接近零或为零的区域，将该范围内原来接近零的磁密变为与其他范围的磁密相同，从而使定子铁芯感受到的磁密的绝对值不变化，径向电磁激振力不变化以减小电机定子的振动。
本发明设置的两段电机、布置两段绕组的目的是增加供电的灵活性，本发明的线圈B1-Y1和B3-Y3、线圈B2-Y2和B4-Y4中的电流均不为零。具体如下：线圈A1-X1和C1-Z1、线圈A2-X2和C2-Z2、线圈A3-X3和C3-Z3、线圈A4-X4和C4-Z4仍与上面一样同时通电，但是本发明的线圈B1-Y1和B3-Y3、线圈B2-Y2和B4-Y4的电流此时并不为零，而是通入相反的电流，B1-Y1和B4-Y4通入正电流，B2-Y2和B3-Y3通入负电流，此时这四个线圈产生的磁场具有轴向分布的特点，其磁力线10如图7中的虚线箭头所示。这些电流会产生径向磁密波bδ2如图8所示，该磁密波位于径向磁密波形bδ1的两极之间，磁力线走向与径向磁密波形bδ1不同，为轴向。该径向磁密波bδ2将产生径向电磁激振力密度波σ2。此时在B-B截面上一对极下范围内的径向电磁激振力密度波σsum为σ1和σ2的叠加，径向电磁激振力密度波σsum基本不变。这样的效果是定子齿8受到的径向电磁激振力密度波σsum为大小基本不变的力，该大小不变化的力作用在定子铁芯2上将产生形变，但不产生振动。实际上径向电磁激振力密度波σsum并不是大小完全不变，但其波动已很小，与普通异步电机相比，定子受到的与极数有关的径向电磁激振力密度波将大幅减小，达到减小径向电磁激振力和减振的目的。
可见，此时的线圈A1-X1和A3-X3、线圈A2-X2和A4-X4、线圈C1-Z1和C3-Z3、线圈C2-Z2和C4-Z4，处于相邻的定子段上且两者电流的方向相同，成为轴向相邻段同向通电线圈，而线圈B1-Y1和B3-Y3、线圈B2-Y2和B4-Y4也处在相邻的定子段上，但是两者电流的方向相反，成为轴向相邻段反向通电线圈。但是，需要指出，同向通电线圈和反向通电线圈会随时间变化。通电线圈产生的磁场和定子受力情况在C-C截面上也将产生相同的效果。
实际上在异步电机中定子绕组的通电为三相轮流通电，三相交流电互差120度电角度，形成的磁场在空间中会移动。上述过程只是取了一个时刻说明，实际上，电流随时间变化，磁场也随时间变化，若经过60度电角度的时间，此时电机第一段改为线圈B1-Y1和C1-Z1通入负电流、线圈B2-Y2和C2-Z2通入正电流，电流大小相同，建立的磁场相对于之前的位置向右移动了60度电角度。此时第二段改为线圈B3-Y3和C3-Z3通入负电流、线圈B4-Y4和C4-Z4通入正电流，电流大小相同，建立的磁场也相对于之前的位置向右也移动了60度电角度。该部分产生的磁场和受力情况对于第一段和第二段的情况相同。但是此时，A1-X1和A4-X4通入正电流，A2-X2和A3-X3通入负电流。A1-X1和A3-X3产生的磁场方向相反，A2-X2和A4-X4产生的磁场方向相反，这两组线圈产生的磁场仍为轴向磁场性质，该磁场填平线圈B1-Y1和C1-Z1、线圈B2-Y2和C2-Z2、线圈B3-Y3和C3-Z3、线圈B4-Y4和C4-Z4产生的120度宽的圆周方向的磁场正负变化产生的磁场缺口，使电机铁芯感受到的磁场绝对值不发生变化。可见，此时的轴向相邻段同向通电线圈为线圈B1-Y1和B3-Y3、线圈B2-Y2和B4-Y4、线圈C1-Z1和C3-Z3、线圈C2-Z2和C4-Z4，轴向相邻段反向通电线圈为A1-X1和A3-X3、A2-X2和A4-X4。因此，轴向相邻段同向通电线圈和轴向相邻段反向通电线圈随时间变化。
上述实施例中，每段电机中定子铁芯2上轴向相邻段同向通电线圈轴向可以不分段，仅每段定子铁芯2上的轴向相邻段反向通电线圈轴向分段，或者两者都可以进行合成即同向、反向通电线圈都不分段。如图9所示，其中只画出了一相的绕组布置。此时A相线圈A1-X1和A2-X2的跨距为2/3，这两个线圈11的在定子第一段和第二段部分直接连接，不分为两个独立的线圈，这样制造简单。但是A相的线圈A3-X3和A4-X4跨距为1/3，且这两个线圈分为两段，两段之间反向连接，通入电流后产生与上述相同的轴向的磁场。此时定子铁芯2仍分为两段。轴向相邻段同向通电线圈合成为线圈A1-X1和A2-X2，轴向相邻段反向通电线圈合成为线圈A3-X3和A4-X4。B相和C相绕组的结构与A相相同，布置在空间上互差120度电角度，这里不再详细画出。
上述各实施例中，转子铁芯4和转子鼠笼绕组7也可以采用轴向分段式结构，或采用不分段式结构。
上述各实施例中，定子绕组3的跨距可根据需要进行设置，关键在于定子绕组3存在轴向相邻段反向通电线圈，该线圈通电产生磁场可填平轴向相邻段同向通电线圈产生的磁场的缺口。轴向相邻段反向通电绕组的节距设置以线圈通电产生磁场可填平轴向相邻段同向通电线圈产生的磁场的缺口为目标。
上述各实施例中，轴向相邻段反向通电绕组的节距设置应接近轴向相邻段同向通电绕组通电产生的磁场圆周方向接近零的区域的大小。
上述各实施例中，如图10所示，作为由导磁材料制成的定子机座1的替换结构，可以在定子铁芯2的定子齿8对应的铁芯轭部开设有圆孔12，在圆孔12中紧密地***由导磁材料制成的棒，用于对轴向相邻段反向通电线圈产生的轴向磁场进行导通，减小磁路磁阻。其中，圆孔12也可以采用其他形状，例如方形或其他多边形，而并不影响效果。
上述各实施例中，转子铁芯4可以采用多斜槽结构，消除转子开槽引起的电磁激振力，达到大大降低电机定子受到的极频和槽频径向电磁激振力的目的。
上述各实施例中，定子铁芯2可采用无槽绕组结构，彻底消除定子受到的槽频径向电磁激振力，与轴向相邻段反向通电绕组相配合，达到大大降低电机定子受到的极频和槽频径向电磁激振力的目的，实现完美结合。
综上所述，本发明不仅可以用于异步电机中，也可以应用于永磁同步电机、无刷直流电机、同步电机等。本发明的电机的相数不限于三相绕组，可以为多相绕组，如五相，九相，十二相或十五相等等。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (8)
1.一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机，其包括定子机座、定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、转子轴、轴承和转子鼠笼绕组；所述定子机座内固定设置有所述定子铁芯，所述定子绕组固定设置在所述定子铁芯上；所述转子铁芯固定设置在所述转子轴上，所述转子轴通过所述轴承固定设置在所述定子机座内，所述转子铁芯的外圆周上设置所述转子鼠笼绕组；其特征在于：将定子沿轴向分成两段以上，所述定子铁芯和定子绕组均设置为两段以上，每段中所述定子铁芯上的定子绕组按通电方式分为轴向相邻段同向通电线圈和轴向相邻段反向通电线圈，所述轴向相邻段同向通电线圈采用同向电流供电，所述轴向相邻段反向通电线圈采用反向电流供电。
2.如权利要求1所述的一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机，其特征在于：将轴向相邻的每段所述定子铁芯上所述轴向相邻段同向通电线圈进行合成，合成为一个线圈，从而轴向不分段，而每段所述定子铁芯上所述轴向相邻段反向通电线圈仍轴向分段；或者将轴向相邻的每段所述定子铁芯上所述轴向相邻段同向通电线圈进行合成，合成为一个线圈，从而轴向不分段，而每段所述定子铁芯上所述轴向相邻段反向通电线圈也进行合成，形成一个线圈。
3.如权利要求1所述的一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机，其特征在于：所述转子铁芯和转子鼠笼绕组采用轴向分段式结构或不分段结构。
4.如权利要求2所述的一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机，其特征在于：所述转子铁芯和转子鼠笼绕组采用轴向分段式结构或不分段结构。
5.如权利要求1至4任一项所述的一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机，其特征在于：所述定子机座采用导磁材料。
6.如权利要求1至4任一项所述的一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机，其特征在于：所述定子铁芯上开设有若干槽，形成定子齿；在所述定子铁芯的定子齿对应的铁芯轭部开设有圆孔，在所述圆孔中紧密地***由导磁材料制成的棒。
7.如权利要求1至4任一项所述的一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机，其特征在于：所述定子铁芯采用无槽绕组结构。
8.如权利要求1至4任一项所述的一种具有轴向相邻段同向和反向通电绕组的异步电机，其特征在于：所述转子铁芯采用多斜槽结构。
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