一种智能自启动永磁电机的制作方法

本发明涉及电机的技术领域，尤其涉及一种自启动永磁电机。

背景技术：

电动机作为各种设备的动力，被广泛应用于钢铁、油田、煤炭、家电、机械设备等各种行业。在我们国家工业耗电量占总耗电量的70％，而电机系统的耗电量又占工业总耗电量的60％～70％。随着能源的日益匮乏，节能降耗成为目前国际社会发展所面临的一项极为紧迫的任务，而实现电机行业的节能降耗在整个节能降耗工作中又具有举足轻重的地位。

电动机问世以来已有上百年的历史，科学家发明创造了各种高低压、高低转速、高低频率、直流交流，且品种规格繁多的各类电机。在电动机各种性能指标中。效率指标最为重要。与发达国家相比，在我国市场上现行使用的电机平均效率仅为87％，该效率水平相当于国际电工委员会(IEC)能效标准的最低一级。即IEC效率等级。由此可见，我国在高效节能电机的研制及推广应用方面远远落后于发达国家。从节约能源和保护环境角度考虑，开展高效、超高效电机的研制工作是一项刻不容缓的任务。

电动机的基本原理是将电能化为机械能来驱动设备旋转。效能等级是电机的一项重要技术性能指标。理论上将，电机的输入功率到输出功率应该是接近的。实际情况是，电机在工作状态下，自身会产生消耗功率，所以电机的实际功率只能达到额定功率的87％。

长期以来，工程技术人员的首要任务是对电机损耗特性进行细致分析，进而采取能够计及多种非线性及复杂结构影响因素的损耗计标方法。研究电机定转子不同结构参数、材料性能以及其影响因素对电机损耗的具体影响程度，然后在对电机各项损耗进行系统分析的基础上，对电机的结构进行改进设计，最终得出最佳设计方案，达到降耗的目的。

又电机在国民经济中起着十分重要的作用，电气、机械、冶金、建筑、煤炭、石油、化工、汽车、飞机以及造船工业等现代化生产及产业部门以至我们的日常生活，几乎离不开各种各样的电机，他们已是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置。它们数量之多，应用范围之广，地位之重要，几乎没有其他设备所能与之比拟的。因此，由于电机的故障、损坏所造成的事故以及导致工厂停产所造成的间接经济损失非常巨大。故而，对电机运行状态进行监测是非常必要的。

电机状态是指电机运行的工况，有电机运行过程中的各种性能参数以及产生的二次效应参数和产品质量指标参数来描述。电机运行转台监测是通过各种参数，并进行分析处理，根据分析处理结果来判定电机的状态。对电机进行定期或连续监测，包括采用各种测试、分析判别方法，结合电机的历史状况和运行条件，弄清电机的客观状态，获取电机性能的趋势规律，为电机的性能评价、合理使用、安全运行、故障诊断及对电机的自动控制打下基础。

状态监测需要解决的问题包括：

(1)机理研究：研究电机异常或故障在状态信号中的反映。状态信号包括各种物理和化学量，如电气量(电流、电压或者其组合)、机械量(振动等)、热工量(温度、压力、流量)、化学成分等；

(2)信号采集与处理：通过适当的传感器采集选定的状态信号，并传输至信号处理单元；

(3)特征提取：利用机理研究的成果，从状态信号中提取与设备状态有关的特征信号。

电机状态监测是指连续或间断地监测电机的状态。如果监测的参数发生突变或异常，就意味着电机状态发生了重大变化。状态监测可作为故障监测的诊断工具和制定维修计划的依据。状态监测有利于更好地制定维修计划，这样可在最恰当的时候停机和维修，减少或者避免突然鼓掌带来的损失。

为了完成对电机状态监测，电机测试是其中最重要的环节。我国电机测试技术发展大体经历了以下历程：早期国内各生产厂家进行电机测试时都采用常规电工仪表测量，人工读书、人工记录、人工判断是否合格。其缺点是：为了能比较准确读书某一瞬间各项被测参数，往往需要几个人同时读表，工作效率低，玩玩得到的是同一状态下数据。不仅如此，由于读表的不同时性以及读书、记录、计算中各种人为误差还使测试数据分散性较大，测试结果准确度低，重复性差，现在这种测试方法基本被淘汰。

随着计算机技术的发展，大规模集成电路和微处理器的出现，电机测试技术进入了微机测试阶段，目前国内电机测试系统基本上是以PC机为中心，控制电量仪、测试仪等进行电机参数监测。计算机电机测试系统具有速度快、实时性好、数据量大、功能全等特点。

技术实现要素：

针对上述产生的问题，本发明的目的在于提供一种智能自启动永磁电机。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种智能自启动永磁电机，其中，包括：

三相电动机，所述三相电动机采用Y-Δ型启动，所述三相电动机包括外壳、与所述外壳的前端连接的前端盖、与所述外壳的后端连接的后端盖、设置在所述外壳内部的定子、设置在所述外壳内部的转子、与所述后端盖可转动连接的风扇和用于罩住所述风扇的风罩；

主接线盒，所述主接线盒与所述外壳的侧面固定连接，所述主接线盒用于所述三相电动机的电路接线，所述主接线盒的内部设置有一辅助接线盒；

测试系统，所述测试系统设置在所述辅助接线盒的内部，所述测试系统包括单片机、温度监测模块、振动监测模块、噪声监测模块和无线收发模块，所述温度监测模块、所述振动监测模块和所述噪声监测模块分别与所述单片机连接，所述无线收发模块与所述单片机连接，所述无线收发模块与上位机或控制柜信号连接；

所述温度监测模块包括铂电阻，所述铂电阻用于采集所述三相电动机的温度，包括所述三相电动机的轴瓦的温度和定子绕组的温度；

所述振动监测模块包括若干加速度传感器，若干压电加速度传感器设置在所述外壳的外表面，若干所述压电加速度传感器用于采集所述三相电动机的振动的加速度、速度和位移；

所述噪声监测模块包括噪声传感器，所述噪声传感器设置在所述三相电动机的一侧，所述噪声传感器用于采集所述三相电动机工作时的噪声强弱；

所述温度监测模块、所述振动监测模块和所述噪声监测模块将采集到的模拟量输入所述单片机，经过所述单片机进行AD模数转换将所述模拟量转化为数字量，通过所述无线收发模块将所述数字量发送至所述上位机或所述控制柜，通过所述上位机或所述控制柜对所述数字量进行进一步的数据处理、显示并形成报表。

上述的智能自启动永磁电机，其中，所述定子包括定子铁芯和定子绕组，所述定子铁芯的内圆周上开设有若干绕组槽，若干所述定子绕组镶嵌于所述绕组槽的内部。

上述的智能自启动永磁电机，其中，所述转子包括转子铁芯、转轴、铸铝鼠笼绕组和磁钢，所述转子铁芯由若干转子冲片叠加而成，每一所述转子冲片上开设有若干用于镶嵌所述铸铝鼠笼绕组的绕组通孔，若干所述绕组通孔沿所述转子冲片的外缘呈圆周阵列设置，每一所述转子冲片上还开设有若干用于镶嵌所述磁钢的磁钢孔，若干所述磁钢孔位于若干所述绕组通孔的内侧，若干所述磁钢孔呈圆周阵列设置。

上述的智能自启动永磁电机，其中，若干所述磁钢与若干所述磁钢孔的内壁之间均填充有磁钢胶或环氧树脂，所述磁钢的两端分别与环氧夹板固定连接，若干所述磁钢孔的数量为大于等于4的偶数。

上述的智能自启动永磁电机，其中，所述转轴上还套设有骨架油封，所述骨架油封的外缘与所述后端盖的中心孔的孔口部分固定连接。

上述的智能自启动永磁电机，其中，所述铸铝鼠笼绕组的端环的外侧面上设置有若干平衡柱，若干所述平衡柱呈圆周阵列设置，每两相邻的所述平衡柱之间形成用于容纳平衡片的间隙，若干所述平衡片可拆卸地夹持在两相邻的所述平衡柱之间，通过在所述端环的外侧面上设置不同位置和不同数量的所述平衡片以实现所述转子的在工作过程中的平衡。

上述的智能自启动永磁电机，其中，所述温度监测模块采用两惠斯顿电桥结构，每一所述惠斯顿电桥结构包括三恒定电阻和一所述铂电阻，两所述铂电阻分别测量所述轴瓦的温度和所述定子绕组的温度，两所述铂电阻的电阻随温度变化而变化，通过温度监测电路将两所述铂电阻的温度变化分别转化为电压变化，从而计算出所述轴瓦的温度变化和所述定子绕组的温度变化。

上述的智能自启动永磁电机，其中，所述振动监测模块的电路包括电荷放大器和电压调整放大器，所述振动监测模块的电路的第一级为所述电荷放大器，所述电荷放大器的低频响应由反馈电容和反馈电阻决定，所述震动模块的电路的第二级为所述电压调整放大器，所述电压调整放大器通过运算放大器进行放大。

上述的智能自启动永磁电机，其中，所述噪声监测模块以串口输出的方式进行输送。

上述的智能自启动永磁电机，其中，所述温度监测模块的信号、所述振动监测模块的信号和所述噪声监测模块的信号均通过433M无线方式传输至所述上位机或所述控制柜，或所述温度监测模块的信号、所述振动监测模块的信号和所述噪声监测模块的信号均通过RS485通信方式传输至所述控制柜。

本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：

(1)本发明的转子同时设有异步启动的铸铝鼠笼绕组和同步运行用的磁钢，从而能够以三相异步电动机启动的方式进行启动，同时又能够以永磁同步电动机的工作方式运行，其启动方式采用Y-Δ启动方式，比现有的永磁同步电动机更加简单，而工作效率又比现有的三相异步电动机的86％提高到95％，定子热负荷为现有三相异步电动机的70％，节能效果显著。

(2)本发明通过在磁钢与相对应的磁钢孔的孔壁之间填充瓷钢胶或环氧树脂，以及环氧夹板方式固定磁钢，使连接更加牢固。

(3)本发明的风罩由灰铸铁铸造而成，与现有的采用薄钢板或铁片拉伸而成的风罩相比，提高了风罩的机械强度，同时，隔音性能也更佳，因而增加了机械强度和降低了自动扶梯用三相异步电动机在使用时的噪声。

(4)本发明的定子绕组的漆包线采用F级的漆包线，提高了电动机的绝缘性能。

(5)本发明在后端盖的中心孔孔口内壁设置一骨架油封，在不影响转轴正常运转的前提下，进一步提高了电机的防护性能。

(6)本发明的平衡片设置在铸铝鼠笼绕组的端环外侧面上的平衡柱之间，用以进行加重平衡。其改变了传统的平衡块是加在平衡柱上的平衡方式。

(7)本发明的测试系统完全实现了实时、自动、准确的测试效果，相较原有的人工测试、人工读书、人工记录而造成的测试结果准确度低，重复性差与操作繁琐而具有速度快、实时性好、数据量大功能全等特点。

(8)本发明的测试系统完全实现了可按日期检索某一天的主轴和电动机本体加速度(高频/低频)、速度、位移的趋势图以及轴瓦温度数字和波形的显示，可测试、记录、保存巨大的数据量，实现了用单片机研究和设计电机监测系统。

(9)本发明的测试系统选用STM32系列单片机，实现了高速、低功耗的功效，并运用无线收发模块将监测的数据发送至上位机或控制柜，大大提高了效率，增加了准确性，免去了繁琐的工作。

附图说明

图1是本发明的智能自启动永磁电机的整体结构部分剖视示意图。

图2是本发明的智能自启动永磁电机的转子冲片的示意图。

图3是本发明的智能自启动永磁电机的铸铝鼠笼绕组的端环的示意图。

图4是本发明的智能自启动永磁电机的转子平衡片的示意图。

图5是本发明的智能自启动永磁电机的框架示意图。

附图中：1、三相电动机；11、外壳；12、前端盖；13、后端盖；14、定子；141、定子铁芯；15、转子；151、转子铁芯；152、转轴；1521、骨架油封；153、铸铝鼠笼绕组；1531、平衡柱；1532、平衡片；153、绕组通孔；155、磁钢孔；1551、宽孔部；1552、窄孔部；16、风扇；17、风罩；2、主接线盒；21、辅助接线盒；3、单片机；4、温度监测模块；5、振动监测模块；6、噪声监测模块；7、无线收发模块；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

图1是本发明的智能自启动永磁电机的整体结构部分剖视示意图，图2是本发明的智能自启动永磁电机的转子冲片的示意图，图5是本发明的智能自启动永磁电机的框架示意图，请参见图1、图2和图5所示，示出了一种较佳实施例的智能自启动永磁电机，包括：三相电动机1，三相电动机采用Y-Δ型启动，三相电动机1包括外壳11、与外壳1的前端连接的前端盖12、与外壳1的后端连接的后端盖13、设置在外壳1内部的定子14、设置在外壳1内部的转子15、与后端盖13可转动连接的风扇16和用于罩住风扇16的风罩17。

此外，作为一种较佳的实施例，智能自启动永磁电机还包括：主接线盒2，主接线盒2与外壳11的侧面固定连接，主接线盒2用于三相电动机1的电路接线，主接线盒2的内部设置有一辅助接线盒21。

此外，作为一种较佳的实施例，智能自启动永磁电机还包括：测试系统，测试系统设置在辅助接线盒21的内部，测试系统包括单片机3、温度监测模块4、振动监测模块5、噪声监测模块6和无线收发模块7，温度监测模块4、振动监测模块5和噪声监测模块6分别与单片机3连接，无线收发模块7与单片机3连接，无线收发模块7与上位机或控制柜信号连接。

此外，作为一种较佳的实施例，温度监测模块4包括铂电阻，铂电阻用于采集三相电动机的温度，包括三相电动机1的轴瓦的温度和定子绕组的温度。

此外，作为一种较佳的实施例，振动监测模块5包括若干加速度传感器，若干压电加速度传感器设置在外壳11的外表面，若干压电加速度传感器用于采集三相电动机的振动的加速度、速度和位移。

此外，作为一种较佳的实施例，噪声监测模块6包括噪声传感器，噪声传感器6设置在三相电动机1的一侧，噪声传感器用于采集三相电动机1工作时的噪声强弱；

此外，作为一种较佳的实施例，温度监测模块4、振动监测模块5和噪声监测模块6将采集到的模拟量输入单片机，经过单片机3进行AD模数转换将模拟量转化为数字量，通过无线收发模块7将数字量发送至上位机或控制柜，通过上位机或控制柜对数字量进行进一步的数据处理、显示并形成报表。

此外，作为一种较佳的实施例，定子14包括定子铁芯141和定子绕组，定子铁芯141的内圆周上开设有若干绕组槽，若干定子绕组镶嵌于绕组槽的内部。

图3是本发明的智能自启动永磁电机的铸铝鼠笼绕组的端环的示意图，图4是本发明的智能自启动永磁电机的转子平衡片的示意图，请继续参见图1至图4所示。

此外，作为一种较佳的实施例，转子15包括转子铁芯151、转轴152、铸铝鼠笼绕组153和磁钢，转子铁芯151由若干转子冲片叠加而成，每一转子冲片上开设有若干用于镶嵌铸铝鼠笼绕组153的绕组通孔154，若干绕组通孔154沿转子冲片的外缘呈圆周阵列设置，每一转子冲片上还开设有若干用于镶嵌磁钢的磁钢孔155，若干磁钢孔155位于若干绕组通孔的内侧，若干磁钢孔155呈圆周阵列设置。

此外，作为一种较佳的实施例，若干磁钢与若干磁钢孔155的内壁之间均填充有磁钢胶或环氧树脂，磁钢的两端分别与环氧夹板固定连接，若干磁钢孔155的数量为大于等于4的偶数，同时也构成N、S极对数。

此外，作为一种较佳的实施例，转轴152上还套设有骨架油封1521，骨架油封1521的外缘与后端盖13的中心孔的孔口部分固定连接。

此外，作为一种较佳的实施例，铸铝鼠笼绕组153的端环的外侧面上设置有若干平衡柱1531，若干平衡柱1531呈圆周阵列设置，每两相邻的平衡柱1531之间形成用于容纳平衡片1532的间隙，若干平衡片1532可拆卸地夹持在两相邻的平衡柱1531之间，通过在端环的外侧面上设置不同位置和不同数量的平衡片1531以实现转子15的在工作过程中的平衡。

此外，作为一种较佳的实施例，请继续参见图1至图5所示，温度监测模块4采用两惠斯顿电桥结构，每一惠斯顿电桥结构包括三恒定电阻和一铂电阻，即铂电阻41和铂电阻42，铂电阻41和铂电阻42分别测量轴瓦的温度和定子绕组的温度，铂电阻41和铂电阻42的电阻随温度变化而变化，通过温度监测电路将铂电阻41和铂电阻42的温度变化分别转化为电压变化，从而计算出轴瓦的温度变化和定子绕组的温度变化。

此外，作为一种较佳的实施例，振动监测模块5的电路包括电荷放大器和电压调整放大器，振动监测模块5的电路的第一级为电荷放大器，电荷放大器的低频响应由反馈电容和反馈电阻决定，震动模块的电路的第二级为电压调整放大器，电压调整放大器通过运算放大器进行放大。

此外，作为一种较佳的实施例，噪声监测模块6以串口输出的方式进行输送。

此外，作为一种较佳的实施例，温度监测模块4的信号、振动监测模块5的信号和噪声监测模块6的信号均通过433M无线方式传输至上位机或控制柜，或温度监测模块4的信号、振动监测模块5的信号和噪声监测模块6的信号均通过RS485通信方式传输至控制柜。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。

本发明在上述基础上还具有如下实施方式：

本发明的进一步实施例中，请继续参见图1至图5所示，若干磁钢孔155的横截面均为阶梯型，若干磁钢孔155的横截面包括宽孔部1551和窄孔部1552，若干磁钢孔115的窄孔部1552均朝向定子冲片的圆心，若干磁钢孔155的宽孔部1551均位于窄孔部1552的外侧。

本发明的进一步实施例中，定子绕组的漆包线采用F级漆包线。

本发明的进一步实施例中，风罩17采用型号为HT200的灰铸铁铸造而成，风罩17的侧面开设有若干进风孔。与现有的采用薄钢板或铁片拉伸而成的风罩相比，风罩17的机械强度以及隔音性能都获得了提升。

本发明的进一步实施例中，温度监测模块4、振动监测模块5和噪声监测模块6均通过接线将数据传送至辅助接线盒21内的单片机3进行处理以及传送。

本发明的进一步实施例中，单片机3选用STM32F103VBT6单片机，STM32F103xB系列单片机有2个12位模数转换器，1μs转换时间(16通道)，7通道DMA控制器，多达80个快速I/O端口，多达7个定时器，有3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较PWM或脉冲计数的通道，是新一代的高速/低功耗的单片机。

本发明的进一步实施例中，温度监测模块4中的铂电阻41和波点组42均为热电阻，当Pt1000电阻值变化时，测试段产生一个电势差，由此电势差换算出温度。后经过信号放大电路，其中包括滤波电路，对Pt1000上产生的压降进行放大方便读取。后使用AD620对模拟信号进行转换，AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000，且具有体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点。所得的数字量可直接输至单片机3，从而得到电动机温度的数据，进一步的数据处理、显示和形成报表。

本发明的进一步实施例中，振动监测模块5采用压电加速度传感器，属于惯性式传感器。电路由电荷放大器和电压调整放大器组成，第一级是电荷放大器，其低频响应由反馈电容和反馈电阻决定。第二级为输出调整放大器，由运算放大器进行放大，调整得所需大小后的模拟量输入STM32经过处理可得需要的数字量，从而得到电动机振动的数据，进一步的数据处理、显示和形成报表。

本发明的进一步实施例中，无线收发模块模块6选用SV610小体积嵌入式无线透传模块，这是一款高集成的无线数据传输模块，它提供了标准的TTL电平串口供客户设备对接，在配置模式下用户可以通过PC软件来配置模块的相关参数，内部集成了高性能的射频芯片。其极低的接收灵敏度以及100mW的输出功率得以保证模块通讯性能，空旷传输距离可达1400米。模块体积小、功耗低、通讯距离远、抗干扰能力强、稳定可靠。

本发明的进一步实施例中，为提高电动机的性能，自启动永磁电机的启动方式省掉了昂贵的变频器，采用Y—Δ型启动，大大方便了用户使用。在电动机设计时充分考虑性价比，对电机的定子、铁芯、机座、端盖、轴承等主要零部件采用企业现有方案，通过分析计算对比，将5.5KW、7.5KW、11KW、15KW、18.5KW、22KW、27KW、30KW、37KW的异步启动永磁电机铁芯长度和线圈采用有限元法进行优化设计。该方法可以方便处理任意结构、任意边界条件以及电机内部的饱和以及非线性等复杂问题，在电机设计方面具有独特优势。为此，针对超高效电机损耗进行有限元仿真分析研究，对于从观角度揭示电机内部损耗特征性具有重要理论价值。转子采用异步启动同步运行。转子的永磁体采用NdFe35材料，由于转子损耗低、同步速度无滑差，因此效率可以由原来采用异步电机的86％，提高到93.7％以上，达到IE4标准，即7级国际能效等级标准。功率因素由原来的0.73提高到0.95以上，堵转转矩倍数由2倍达到了3倍以上，矢步转矩可达3倍以上。为了完善对电动机状态的实时监测，优化电动机的测试，将为电动机配有实时运行测试系统，使其监测具有速度快、实时性好、数据量大功能全等特点。本系统采用ARM处理芯片SM32为核心，采用PT1000铂电阻来采集电动机轴瓦温度，并由其检测电路转化模拟量为数字量输入STM32中。采用在电机表面安防多个点来测量电动机本体的振动状况，传感器采用加速度传感器，振动的加速度、速度、位移的相对变化反映了电机长期工作的状况变化。电动机的噪声监测是由安装在电机旁边的噪声传感器拾取而得。本采集系统采集得到的各种数据与外部信号的交流可以通过无线通信的方式将数据发送至上位机或控制柜做进一步的数据处理、显示和形成报表。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。