专利名称：变频永磁同步电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动机，具体为一种高效率、高功率因数、宽调速范围的变频 永磁同步电动机。
背景技术：
在一些特定领域，如铁路机车、动车、电动汽车等，牵引电传动系统需要 实现高效率化。由于牵引电机的负载是一个较宽范围的可变负载，在这种可变 负载场合下，要求在満负载及轻负载的各种工况下都能输出高效率和高功率因 数。现有交流异步变频牵引电机在额定点时的效率和功率因数呈最大值，当负 载降低时，效率和功率因数随之很快下降，无法实现电传动系统更高效率化。
而永磁同步电动机在从20%~120%额定负载范围内均具有较高效率和功率因 数，特别适合牵引领域驱动的使用要求。
变频永磁同步电动机转子不流过电流，因此电机损耗小，效率明显提高。 转子不流过电流发热少，需要的冷却风量少，可省去冷却机器或做成封闭机壳， 使传动系统体积更小，减少装车空间使机车实现轻量化和低噪音化，并使电机 功率密度明显提高。车辆轻量化，还可使现在的线路上走行更高的速度，与变 频异步电动机相比，外形安装尺寸完全相同，功率可提高20%以上，功率密度 增大，为机车的高速、重载奠定基础，经济效益显著。
目前，国内涉及机车传动系统用变频永磁同步电机结构方面的文献报道几 乎没有，而在铁路机车、动车及电动汽车等牵引领域没有成熟合理的结构设计，尚处于研究试验阶段。公知，转子磁路结构是永磁电机的关键技术所在，转子 磁路结构不同，电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也不相同， 现有转子磁路结构设计不能满足机车特有特性的要求，也不能完全照搬于牵引 电机上，因为牵引领域不仅要求永磁同步电动机必须体积小、重量轻、力能指 标高，功率密度高，同时要满足牵引特有的工作特性，具有宽的恒功调速范围， 并保证所需的过载能力；而且现有变频永磁同步电动机转子结构大多为螺杆式 结构，靠拉螺杆拉紧转子铁心冲片，转子整体性差，在运行过程中，由于磁通 的影响螺杆会发热，同时加上冲片自身的重量以及强振动的影响，螺杆会有挠 度，造成铁芯的变形，而且冲片上的磁钢易飞散或易碎，所以该结构形式的转 子不适应高速运转及振动较大的运行工况。
发明内容
本发明为了解决现有变频永磁同步电动机转子磁路设计无法满足牵引领域 工作特性要求以及该类型电动机转子采用螺杆式结构，存在整体性差、磁钢易 碎，不适应高速运转及振动较大的运行工况的问题，提供一种变频永磁同步电 动机。
本发明是采用如下技术方案实现的变频永磁同步电动机，包括含有机座、 定子铁芯、定子绕组的定子装配和含有转轴、在转轴上由转子冲片叠压而成的 转子铁芯、转子绕组的转子装配，转子冲片上均开有轴孔及通风孔，转子冲片 上还设有磁钢槽，磁钢槽内放置有磁钢，本发明的创新点在于转子铁芯两端分 别设有前端板和后端板，两端板外侧分别设有前压圈和后压圈，其中前端板和 后端板分别与转轴之间为过盈配合，前压圈和后压圈分别与转轴之间为过盈配 合；磁钢槽两两成组对称均布在转子冲片周圈，每组磁钢槽呈内置径向式分布，每组中的两个磁钢槽之间的圆心角a为60° 180°，该电机的纵横轴电感Lq与 Ld的比值为3 4。采用上述转子结构，前端板和后端板的作用是用来防止磁钢 在高速旋转时飞散，前压圈和后压圈的作用是依靠与转轴的过盈配合摩擦力将 内侧的端板压紧，提高了转子的整体性能，使转子的机械强度提高，更适于高 速运转、抗震动的牵引工况；而上述转子冲片的结构设计，充分利用转子磁路 结构不对称所造成的磁阻转矩，增大电机的"弱磁"扩速能力，有利于恒功率 运行速度范围的扩展。变频永磁同步电动机输出转矩中含有两个分量，其中一 个是永磁转矩分量，由定子电流磁场与永磁磁场相互作用形成。另一个是磁阻 转矩分量，由转子磁路结构不对称形成。磁阻转矩大小与电机纵横轴电感Ld、 Lq的差值成正比。对于现有表面贴装式转子磁路结构，Ld=Lq，其大小与转子 位置无关；对内置式转子磁路结构，由于转子纵轴磁路中永磁体的磁导率很小， 使得电机的纵轴电枢反应电感一般小于横轴电枢反应电感，即Ld<Lq，其值大 小与转子位置有很大关系。所以合理设计转子磁钢圆心角，可调整Ld、 Lq的 差值大小，从而控制电机的磁阻转矩的大小。对变频永磁同步电动机电磁转矩 的控制，最终归结为对横轴电流Lq和纵轴电流Ld的控制。当Ld-Lq时，通 过调节Lq，相当于调节永磁直流电动机的电枢电流，实现对转矩和转速的控制。 当Ld^Lq时，调节Ld、 Lq，不但可以利用磁阻转矩加大转矩输出能力，还可 以改变纵轴磁链大小，实现对变频永磁同步电动机的弱磁调速控制。本发明在 上述理论基础上通过多次试验和经验总结，得到转子上磁钢槽或磁钢的位置分 布及两两磁钢槽或磁钢之间的圆心角，同时确定Lq/Ld比值为3 4，最佳为 3.5倍，满足永磁同步电动机体积小、重量轻、力能指标高，功率密度高特点， 同时满足牵引电机特有的工作特性，具有宽的恒功调速范围，并保证所需的过载能力。
为了进一步提高性能，增加运行可靠性，所述前端板和后端板是采用不锈 钢材料制成的，采用非导磁材料制成，可减少端部漏磁；所述磁钢与磁钢槽两 端的缝隙充填有高强度层压玻璃布板，将磁钢紧固在槽内，
所述每个磁钢槽的形状为梯形，与呈矩形的磁钢相互配合形成位于磁钢槽 两端的空气槽，每组中两个磁钢槽端头以及磁钢槽与转子冲片边缘之间设有隔 磁桥。隔磁桥及空气槽的设计有效改善了转子轭部磁路局部过饱和，限制漏磁 通。通过静态磁场仿真分析得出结论不带隔磁桥，转子轭部局部过饱和，最 高磁密达3.06T;在磁钢两端增加本发明所述的隔磁桥，过饱和之处得到了改善， 最高磁密降为2.14T。
所述机座侧上方设有定子绕组温度传感器，转轴输出端装有用于测量转子 位置和速度的旋转变压器。利用定子绕组温度传感器对定子绕组温度进行实时 监控，防止过高温升运行，提高整机运行可靠性，逆变器部分同时采用矢量控 制技术；同时利用高精度磁场定向矢量控制，采用高可靠性旋转变压器，结合 电驱动系统特点，进行转子速度及位置检测，防止转子位置信号失效造成电机 发生失步，轻则电机过热、退磁，重则电机绕组烧毁、驱动器功率模块损坏的 现象发生。上述定子绕组温度传感器及旋转变压器均为现有公知产品，其结构 及工作原理是本领域的普通技术人员熟知的。
本发明所述磁钢槽和隔磁桥的特殊结构，决定了变频永磁同步电动机的转 子磁路结构，合理选择了永磁体的磁极宽度，有效地抑止了由齿磁导谐波引起 的定位力矩，有效地减少电动机低速脉动转矩，解决现有铁路机车、动车、电 动汽车牵引用变频永磁同步电动机宽调速范围要求，通过样机试验证明，此转子磁路结构完全满足牵引特性要求。同时将转子冲片置于两块端板之间，依靠 前、后压圈的过盈配合摩擦力压紧，而且采用磁钢嵌入式结构，大大提高了转 子的整体性能，使转子的机械强度提高，更适于高速运转、抗震动的牵引工况，
满足了电机最高转速2100r/min要求，改变以前螺杆拉紧式结构不适用于高转速 的缺点，具有结构紧固、简单、制作容易的特点。该变频永磁同步电动机完全 能满足铁路机车、动车及电动汽车等牵引领域的宽调速范围的牵引特性要求。
图l为本发明的结构示意图
图2为图1的侧视图
图3为图1中转子装配结构示意图
图4为图3中转子的铁芯部位横截面示意图
图5为图3中转子冲片的结构示意图
图中l-定子装配，2-转子装配，3-转子冲片，4-轴孔，5-通风孔，6-磁 钢槽，7-磁钢，8-前端板，9-后端板，10-前压圈，ll-后压圈，12-高强度层压 玻璃布板，13-空气槽，14-定子绕组温度传感器，15-旋转变压器，16-外封环， 17-后外轴承盖，18-轴承，19-后内封环，20-前内封环，21-前外轴承盖，22-隔磁桥。
具体实施例方式
.变频永磁同步电动机，如图1所示，包括含有机座、定子铁芯、定子绕组 的定子装配1和含有转轴、在转轴上由转子冲片3叠压而成的转子铁芯、转子 绕组的转子装配2，构成转子铁芯的每个转子冲片3上均开有轴孔4及通风孔5， 转子冲片3上还设有磁钢槽6，磁钢槽6内放置有磁钢7，磁钢7与磁钢槽6两端的缝隙充填有高强度层压玻璃布板12，如图3所示，转子铁芯两端分别设有
前端板8和后端板9，前端板8和后端板9是采用不锈钢材料制成的，两端板 外侧分别设有前压圈10和后压圈11，其中前端板8和后端板9分别与转轴之 间为过盈配合，前压圈IO和后压圈ll分别与转轴之间为过盈配合；如图4、 5 所示，磁钢槽6两两成组对称均布在转子冲片3周圈，每组磁钢槽6呈内置径 向式分布，每组中的两个磁钢槽之间的圆心角a为60。 180。，该圆心角的具体 数值可根据电机极数及电机的具体设计参数确定，例如对于四极电机，角度选 取60°，对于六极电机，角度选取160°;每个磁钢槽6的形状为梯形，与呈矩 形的磁钢7相互配合形成位于磁钢槽6两端的空气槽13，每组中两个磁钢槽端 头以及磁钢槽6与转子冲片3边缘之间设有隔磁桥22。如图2所示，定子装配 1侧上方设有定子绕组温度传感器14，转轴输出端装有用于测量转子位置和速 度的旋转变压器15。
为了进一步优化该电机结构，采用与原有电机相似的结构，比如定子机座 采用钢板焊接结构，机座上设有进风口和出风口，非传动端为小端盖结构，电 机机座的内壁设有通风道。定子铁心采用耐高温涂层的冷轧电工钢片叠压而成， 两端设有端板冲片以限制齿涨，并采用焊接的方式与两端的压板固定为坚固的 整体。定子绕组为三相双层成型绕组，定子铁心线圈装配进行真空压力浸漆和 旋转烘焙，浸漆后绝缘层不存在任何形式的空穴，绝缘性能好。定子铁心嵌线 完成后，定子铁心线圈装配压入定子机座内，用螺栓紧固机座与铁心线圈装配。 轴承的密封采用回宫式密封，可保证在运行中润滑脂减少挥发，并且电机两端 均设有加油嘴。电机采用自通风冷却方式，在传动端装有铸铝离心式风扇，电 机的进风口与出风口处加装网罩，冷却空气经转子通风道、气隙、定子通风道后排出电机。
该变频永磁同步电动机首次应用于车辆牵引领域，电机主要参数如下:
额定功率 额定电压
额定电流 功率因数
额定效率
额定转速
最大工作转速
额定频率
恒功范围
冷却方式
120kW
274V
298A
0.91
93%
720r/min
2100r/min
24Hz
720 1500r/min
自通风
H
Lq/Ld3.
权利要求
1、一种变频永磁同步电动机，包括含有机座、定子铁芯、定子绕组的定子装配(1)和含有转轴、在转轴上由转子冲片(3)叠压而成的转子铁芯、转子绕组的转子装配(2)，转子冲片(3)上均开有轴孔(4)及通风孔(5)，转子冲片(3)上还设有磁钢槽(6)，磁钢槽(6)内放置有磁钢(7)，其特征是转子铁芯两端分别设有前端板(8)和后端板(9)，两端板外侧分别设有前压圈(10)和后压圈(11)，其中前端板(8)和后端板(9)分别与转轴之间为过盈配合，前压圈(10)和后压圈(11)分别与转轴之间为过盈配合；磁钢槽(6)两两成组对称均布在转子冲片(3)周圈，每组磁钢槽(6)呈内置径向式分布，每组中的两个磁钢槽之间的圆心角α为60°～180°，该电机的纵横轴电感Lq与Ld的比值为3～4。
2、权利要求1所述的变频永磁同步电动机，其特征是前端板(8)和后端 板(9)是采用不锈钢材料制成的。
3、 根据权利要求1或2所述的变频永磁同步电动机，其特征是磁钢(7) 与磁钢槽(6)两端的缝隙充填有高强度层压玻璃布板(12)。
4、 根据权利要求1或2所述的变频永磁同步电动机，其特征是每个磁钢槽 (6)的形状为梯形，与呈矩形的磁钢(7)相互配合形成位于磁钢槽(6)两端的空气槽(13);每组中两个磁钢槽端头以及磁钢槽(6)与转子冲片(3)边缘 之间设有隔磁桥(22)。
5、 根据权利要求1或2所述的变频永磁同步电动机，其特征是定子装配(l) 侧上方设有定子绕组温度传感器(14)，转轴输出端装有用于测量转子位置和速 度的旋转变压器(15)。
全文摘要
本发明涉及电动机，具体为一种变频永磁同步电动机，解决现有转子磁路设计无法满足牵引领域工作特性要求以及转子整体性差、不适应高速运转等工况的问题，包括含有转轴、转子铁芯的转子装配，转子冲片设有磁钢槽，磁钢槽内放置磁钢，转子铁芯两端设有与转轴之间为过盈配合的前端板和后端板，两端板外侧设有与转轴之间为过盈配合的前压圈和后压圈；磁钢槽两两成组对称均布在冲片周圈，每组磁钢槽呈内置径向式分布，每组中的两个磁钢槽之间圆心角α为60°～180°。具有高效率、高功率密度、宽调速范围的特点，可满足铁路机车、动车及电动汽车牵引领域的宽调速范围的牵引特性要求，而且大大提高了转子的整体性能，更适于高速运转、抗震动的牵引工况。
文档编号H02K21/02GK101431282SQ20081008013
公开日2009年5月13日 申请日期2008年12月13日 优先权日2008年12月13日
发明者刘荣强, 周国聘, 姬春霞, 贾喜勤 申请人:永济新时速电机电器有限责任公司