專利名稱：敞開式定子軸向磁通電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動機，具體地，本發(fā)明涉及一種敞開式定子軸向磁通(OSAF)的電動機。
對本發(fā)明將通過例子的方式借助電動機的優(yōu)選應用或使用來描述。該優(yōu)選的應用或使用是利用本發(fā)明的電動機作為牽引電動機用來驅(qū)動鐵道動車轉(zhuǎn)向架。應該理解，這僅是以例子的方式，而本發(fā)明的電動機還可具有另外的應用及用于另外的目的。
本發(fā)明的背景現(xiàn)時用于鐵道動車轉(zhuǎn)向架的牽引電動機典型地為三相異步電動機，根據(jù)具體使用的牽引系統(tǒng)，它由供給約750至2000VAC三相AC電壓的可控逆變器橋供電。
這種牽引電動機具有一個定子及一個轉(zhuǎn)子且轉(zhuǎn)子工作在相當高的速度上。
電子變流器/逆變器(例如脈寬調(diào)制的)被用于產(chǎn)生可調(diào)頻的電子牽引三相電源，以對電動機供電及控制。該電動機是典型的鼠籠式電動機。為了利用在傳統(tǒng)三相電機高轉(zhuǎn)速時的高轉(zhuǎn)矩特性，必需使用高速。
對于重型工作、造船及牽引應用，超過4000rpm及高至6500rpm的高電動機速度需要用專門的軸承設(shè)計及潤滑維護。現(xiàn)實的情況是短的軸承壽命及軸承潤滑的短維護周期。
高的電動機速度需要有昂貴的傳動系統(tǒng)及齒輪箱結(jié)構(gòu)。更換傳動系統(tǒng)的一個部件，例如輪子或軌道牽引系統(tǒng)中的電動機是非常耗時及費力的。
牽引電動機的結(jié)構(gòu)是這樣的，即沒有定子外殼或殼體，而定子的疊片形成了電動機殼體。一次嚴重的轉(zhuǎn)子事故或定子繞組故障將需要完全更換電動機。
本發(fā)明的概述本發(fā)明的目的是提供一種改進的用于傳動系統(tǒng)的電動機，例如用于鐵道動車轉(zhuǎn)向架的牽引電機。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面提供了一種敞開式定子軸向磁通的電動機，它包括一個敞開或定子，包括兩個隔開的絕緣支板，各支板具有一個從每支板的一周邊延伸到其內(nèi)部位置的槽，具有磁極構(gòu)件的多個極延伸在支板之間并固定在支板上，磁極構(gòu)件是由導磁材料制作的并沿支板上的圓形路徑布置，定子相應于至少某些磁極構(gòu)件或具有分布繞組或具有顯相極繞組并在支板的槽區(qū)域中的相鄰磁極之間敞口；一個轉(zhuǎn)子，具有一個可放置在槽中并伸出槽及相對支板直角地延伸的軸，兩個在軸上隔開的盤，所述各盤位于所述軸上及定子每側(cè)上，每個盤由導磁材料構(gòu)成并或具有導電材料的內(nèi)表面或具有提供轉(zhuǎn)子繞組的導電路徑的內(nèi)表面，軸被支承著以便相對定子轉(zhuǎn)動。
構(gòu)成轉(zhuǎn)子一部分的軸最好由非導磁材料作成。以此方式可使從一個轉(zhuǎn)子盤到另一轉(zhuǎn)子盤的漏磁通路徑減至最少，并使磁路保持在盤及定子極的范圍內(nèi)。利用這種軸材料的選擇可減小邊緣磁通散射及損耗。在一個實施例中，軸是由奧氏體不銹鋼制成的-盡管也可使用另外的非導磁材料-例如特別優(yōu)選的是相對介電常數(shù)約為1.03的奧氏體不銹鋼。
如已述的，轉(zhuǎn)子盤可具有內(nèi)導電層或具有能提供導電通路以形成轉(zhuǎn)子繞組的內(nèi)表面。一種特別優(yōu)選的導電層可以通過在導磁材料的每個盤上設(shè)置位于盤內(nèi)表面上的銅片形成。這些盤可由鑄鋼作成及銅層具有的厚度在1至6mm之間-雖然也不排除另外合適的厚度。銅層可用任何合適方式固定到位，例如用銀焊或T.I.G焊(鎢極惰性氣體保護焊)，或事實上該層本身可使用螺線式的連續(xù)T.I.G焊接并隨后對焊層機加工形成平表面來制造。
雖然上述的導電層被指定為銅，但也可使用另外的導電材料，例如鋁。
作為在轉(zhuǎn)子盤內(nèi)表面上設(shè)置導電材料層來形成轉(zhuǎn)子繞組的一種替換，可采用以下的結(jié)構(gòu)。盤的內(nèi)表面上可設(shè)置導電材料作的徑向內(nèi)導電短路環(huán)及徑向外導電短路環(huán)，并具有基本上徑向地延伸在兩短路環(huán)之間的導電條。這樣一種構(gòu)型可被看作在功能與用途上類似于在典型的鼠籠式感應電機中使用的鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。如果需要，徑向延伸的導電條可嚴格地在盤的徑向上延伸或與徑向成斜交以便在使用中減小轉(zhuǎn)矩的波動。
如前所述，敞開式定子具有設(shè)置了具有分布繞組或顯極繞組的磁極構(gòu)件的磁極。本發(fā)明的電動機可具有作為最小數(shù)目的三個極相組-雖然更多數(shù)目也在優(yōu)選之列。所采用的極相組的數(shù)目可以是偶數(shù)或奇數(shù)?！俺ㄩ_式定子”的措詞是指在極布置所繞的圓形路徑的一個扇區(qū)中沒有磁極。這一事實與在每個磁極支板中設(shè)置槽結(jié)構(gòu)一起，可使轉(zhuǎn)子軸被接收并位于設(shè)在支板中的槽內(nèi)及在電動機工作期間位于敞開的扇區(qū)中。類似地，轉(zhuǎn)子易于和定子相分離并當需要時可容易地從定子中取出。
最好設(shè)有多于三極相組。在一個實施例中，優(yōu)選了一個六極電動機-雖然七極電動機是特別有利的。
一個相組的每個單獨的繞線磁極包括一個導磁材料作的磁極構(gòu)件。最好該磁極構(gòu)件基本上為楔形并由多個疊片被此疊成。但是疊成的矩形磁極可以用于復雜分布的繞組。由于設(shè)有疊片作的磁極就可以降低渦流損耗。磁極最好由層疊的硅銅片或楔塊構(gòu)成。
并不需要所有的極均被激磁。因此，緊靠著空扇區(qū)的極不需要被激磁。如已述的，繞組可以是分布繞組或顯極繞組并帶有位于定子敞開端附近的一些非激磁的極。最好繞組的數(shù)目為三的倍數(shù)。例如，繞組數(shù)目可包括具有四相組的一個六極定子，具有五相組的一個七極定子或任何合適的另外構(gòu)型。特別有利的是使用奇數(shù)極及在敞開的扇區(qū)附近的磁極構(gòu)件不被激磁。
磁極構(gòu)件最好比繞組的高度長。這能使磁極構(gòu)件更容易地被固定在支板上。一種將磁極構(gòu)件固定在支板上的方式是在支板上開設(shè)楔形孔并使磁極構(gòu)件的端部伸到孔中，由此使磁極構(gòu)件可被夾持在兩支板之間。
附圖簡要說明現(xiàn)在將參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，附圖為

圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施例的磁極構(gòu)件的透視圖；圖2是具有顯極繞組的圖1中磁極構(gòu)件的透視圖；圖3是表示具有三相七極組(五個有效極)的敞開式定子軸向磁通電動機所取構(gòu)型的多個磁極構(gòu)件的透視圖4是安裝在支板上的圖3中磁極構(gòu)件的透視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的轉(zhuǎn)子的透視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的轉(zhuǎn)子的透視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明一實施例的顯極OSAF電動機的繞組布置圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明一實施例的分布極OSAF電動機的繞組布置圖；圖9是包括根據(jù)本發(fā)明一實施例的電動機的鐵道動車轉(zhuǎn)向架的正視圖；及圖10是圖9中所示轉(zhuǎn)向架的一個平面圖。
本發(fā)明的詳細說明圖1表示一個楔形磁極構(gòu)件10的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。該磁極構(gòu)件是由疊片11至18組成的，并作為一種折衷，這些疊片是在構(gòu)型上相似的板狀并提供出近似于楔形的形狀。
圖2表示是帶有圍繞著它的顯極繞組19的磁極構(gòu)件10。磁極構(gòu)件10伸出繞組19兩端各一個短距離，其原因?qū)⒃谙旅娼忉尅?br> 圖3表示布置方式，其中多個磁極構(gòu)件20至36繞一圓形路徑布置并具有一敞開的扇區(qū)37，以提供具有五個有效繞組相組的一個七極電動機。位于敞開扇區(qū)37附近的磁極構(gòu)件20及36不被激磁，而顯極繞組38至52分別與磁極構(gòu)件21至35相對應。因此顯極繞組的數(shù)目是三的倍數(shù)。顯極繞組使用三相驅(qū)動電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。
對一個六極OSAF電動機(即四有效繞組相組)及一個七極OSAF電動機(即五有效繞組相組)的預期主(有效)磁通及漏磁通路徑進行了研究以確定是應該使用奇數(shù)還是偶數(shù)的相繞組并確定了由于敞開式定子構(gòu)型引起的損耗。該研究如所期望地揭示了由于在六極OSAF電動機中敞開定子的每端相繞組極性相反，漏磁通路徑的損耗大。類似地，當轉(zhuǎn)子軸由鐵磁材料制作時，由轉(zhuǎn)子軸形成的磁橋引起了損耗。通常的邊緣損耗產(chǎn)生在盤的外邊緣及相線圈之間。
在對于敞開式定子使用奇數(shù)個極時，在定子中敞口附近的繞組相組是同極性的，故這減少了敞開端磁通路徑的損耗。為了使漏磁轉(zhuǎn)變到端部繞組周圍，使用了在定子中敞口每側(cè)附近的非激磁疊片磁極構(gòu)件。這使得磁通通過轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)變到有效通路中。為了進一步減少損耗，如前所述，轉(zhuǎn)子軸應由非鐵磁材料制作，例如用具有相對介電常數(shù)為1.03的奧氏不銹鋼制作。
圖4表示安裝在對置的定子支板60、61上的磁板構(gòu)件20至36。每個支板60、61具有伸入磁極構(gòu)件的孔。兩支板一起夾壓在顯極繞組上。支板由絕緣材料作成，每個支板在非激磁的磁極構(gòu)件20、36之間的敞口附近位置上設(shè)有槽62、63。
圖5表示一個轉(zhuǎn)子64的透視圖。該轉(zhuǎn)子具有兩個由導磁鑄鋼作為的轉(zhuǎn)子盤65、66。每個盤具有一個面對圓形銅片67、68的內(nèi)表面及一個延伸到盤外表面外的軸69。在使用時，如圖4所示的定子被接收在兩盤之間并使軸69穿過槽62、63。
圖6中的轉(zhuǎn)子70具有一個軸71及兩個隔開的轉(zhuǎn)子盤72、73。在該實施例中，除了設(shè)有如圖5所描述的帶導電層的盤72、73之外，這兩個盤還設(shè)有由內(nèi)、外短路環(huán)74、75構(gòu)成的轉(zhuǎn)子繞組。在環(huán)74、75之間伸展著導電條76。雖然導電條76可在盤徑向上延伸，但在此實施例中導電條如圖所示是傾斜的，以便在使用中減小轉(zhuǎn)矩的波動。當轉(zhuǎn)子以此方式構(gòu)成時，導電條及環(huán)可被埋置在盤中而不一定要被看見。
圖7表示一種本發(fā)明的定子被繞上繞組的方式。在該圖中，定子具有兩個非激磁的極80、81。其余的極82至96分別以圖示的方式分別用相電流A，B或C的一相電流激磁。
圖8表示本發(fā)明的定子被繞上繞組的另一方式。在該圖中，定子具有兩個非激磁的極100，101。其余的極102至116被從相A、B及C供給電流的分布繞組激磁。
圖9及圖10有助于理解本發(fā)明的電動機如何應用于鐵道動車的轉(zhuǎn)向架中。圖9是一個轉(zhuǎn)向架側(cè)面的正視圖，在其橫向相隔的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架件之間安裝有電動機120，電動機用點劃輪廓線表示出來，用于指示它相對于轉(zhuǎn)向架的位置。通常電動機被一個橫向構(gòu)架件擋住不能被看見。
電動機120被這樣定位，即定子中的槽及接近槽的極之間的間隙被置于最上方。電動機120被支承架121及支承梁122支承及安裝在轉(zhuǎn)向架上。為了明了起見已將架121的一部分移走。該部分通常延伸在電動機的上方并具有一個固定在定子中槽附近的定子部分上的保持件。
在圖10可看清楚地看到轉(zhuǎn)子軸123及轉(zhuǎn)子盤。軸123的兩對置端被支承在軸承124中。兩齒輪箱125被固定在轉(zhuǎn)向架的兩對置側(cè)上，并包括裝在轉(zhuǎn)子軸上的主傳動齒輪126、被齒輪箱支承的中間傳動齒輪127及末級齒輪/彈性套軸(cardon quill shaft)128。
如果需要從轉(zhuǎn)向架中取出定子，則需要用以下的步驟。從下方支承住定子并使橫向支承梁122、支承架121及保持件129與定子分離。然后可使該電動機降下并被取出。轉(zhuǎn)子仍保持在相對于轉(zhuǎn)向架的位置上，而不需要與齒輪箱或軸承分開。
如果必需取出轉(zhuǎn)子，則需要使轉(zhuǎn)子與軸承及齒輪箱分開并與轉(zhuǎn)向架相分離。定子能夠仍保持與轉(zhuǎn)向架固定地連接而無需受到擾動。
轉(zhuǎn)子盤的直徑最好選擇得大于定子極布置所圍繞的直徑。以此方式盤延伸超出定子極的范圍。這使得轉(zhuǎn)子的感應環(huán)路電流返回到主定子磁通的外側(cè)。因此采用這種構(gòu)型減小了轉(zhuǎn)子及定子之間反向動力的發(fā)生。
當盤不是具有導電表面，而是被設(shè)置有導電短路環(huán)并在環(huán)之間延伸有導電條時，也可以起到類似的作用。采用這種結(jié)構(gòu)，環(huán)必須設(shè)在極的范圍以外。
該OSAF電動機具有相當簡單的結(jié)構(gòu)。在其鐵道動車轉(zhuǎn)向架的應用例中轉(zhuǎn)子及定子可以單獨地被更換及處理。如果定子發(fā)生故障，當定子更換或定子單個繞組更換時不需要使轉(zhuǎn)子及相關(guān)的傳動齒輪系統(tǒng)受到擾動。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的電動機比具有相似體積的多極式電動機具有更低的運動速度。該電動機具有的磁場轉(zhuǎn)速(rpm)為 式中N＝在假想完整的定子環(huán)(即假設(shè)電動機有一完整的軸向磁通定子)中的定子三相繞組數(shù)目/極組。
由本發(fā)明的電動機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩發(fā)生在大的力半徑上，就對低的運行速度作出了補償。該低運行速度減小了作用在軸承及傳動齒輪系統(tǒng)上的應力，這使得對軸承及齒輪系統(tǒng)可較簡單地設(shè)計。因為不需要在定子中使用固定的襯鋼，故幾乎不可能發(fā)生相接地故障，并由于在電動機結(jié)構(gòu)中使用了很少的材料，故可節(jié)省重量。對于顯極定子繞組結(jié)構(gòu)(與分布繞組相反)幾乎不可能出現(xiàn)相到相的故障，因為每個相是分離的。
根據(jù)本發(fā)明的定子不需要固定的襯鋼，這就減少了損耗。
權(quán)利要求
1.一種敞開式定子軸向磁通電動機，它包括一個敞開式定子，包括兩個隔開的絕緣支板，各支板具有一個從每支板的一周邊延伸到其內(nèi)部位置的槽，具有磁極構(gòu)件的多個極延伸在支板之間并固定在支板上，磁極構(gòu)件是由導磁材料制作的并沿支板上的圓形路徑布置，定子相應于至少一部分磁極構(gòu)件或具有分繞組或具有顯極繞組，且在支板的槽區(qū)域中的相鄰磁極之間具有敞口；一個轉(zhuǎn)子，具有一個可放置在槽中并伸出槽及相對支板直角地延伸的軸，兩個在軸上隔開的盤，所述各盤位于所述軸上及定子每側(cè)上，每個盤由導磁材料構(gòu)成并或具有導電材料的內(nèi)表面或具有提供轉(zhuǎn)子繞組的導電路徑的內(nèi)表面，軸被支承著以便相對定子轉(zhuǎn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，轉(zhuǎn)子是由非導磁材料作成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，軸是由奧氏不銹鋼制作的。
4.根據(jù)權(quán)利要權(quán)利1所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，每個盤的內(nèi)表面具有固定其上的銅層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，銅層的厚度在1至6mm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，通過徑向內(nèi)部及徑向外部的導電短路環(huán)及在及兩短路環(huán)之間徑向延伸的導電條形成導電路徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，在盤上徑向延伸的導電條相對徑向稍微地傾斜，由此當轉(zhuǎn)子工作時減小轉(zhuǎn)矩的波動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，具有奇數(shù)個極相組。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，具有至少三個極相組。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，至少具有由導磁材料制作的六個所述的極。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，磁極構(gòu)件是楔形的并由多片疊片彼此疊成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，磁極是由硅鋼疊片做成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，在定子中緊靠敞口的磁極是非激磁的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的敞開式定子軸向磁通電動機，具有其數(shù)目為三的倍數(shù)的用于激磁磁極的繞組。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，定子具有六極及四個相組。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，定子具有七極及五個相組。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，具有奇數(shù)個磁極，而且與定子槽相鄰的磁極不被激磁。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的敞開式定子軸向磁通電動機，其中，磁極構(gòu)件比繞組的高度長，由此磁極構(gòu)件延伸出繞組。
全文摘要
公開了一種敞開式定子軸向磁通電動機。該電動機具有一個敞開式定子，它包括兩個隔開的絕緣支板(60，61)，各支板具有一個從每支板(60，61)的一周邊延伸到其內(nèi)部位置的槽(62，63)。多個磁極(20-36)延伸在兩支板(60，61)之間并固定在支板上，定子相應于至少某些磁極具有分布繞組或具有顯相極繞組并且在支板(60，61)的槽(62，63)區(qū)域中的相鄰磁極之間具有敞口。兩個隔開的轉(zhuǎn)子盤設(shè)置在軸上并位于定子的每側(cè)上。每個盤(65，66)由導磁材料作成，并具有導電材料的內(nèi)表面(67，68)或具有作為轉(zhuǎn)子繞組的導電路徑(74，75，76)的內(nèi)表面。
文檔編號H02K1/12GK1135810SQ95190921
公開日1996年11月13日 申請日期1995年9月7日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月20日
發(fā)明者安德瑞斯·海爾威格 申請人:昆士蘭鐵路公司