專利名稱:電磁合一的帶鋼電機(雙層端部)的制作方法
本發(fā)明屬電機領(lǐng)域。
傳統(tǒng)電機從發(fā)明到現(xiàn)在已有近百年歷史，直至本發(fā)明作出之前，不論是電動機還是發(fā)電機，其共同特點是導(dǎo)電繞組與導(dǎo)磁鐵芯分屬兩體，結(jié)果是定子內(nèi)圓必須開槽以放置繞組，且端部繞組也屬無效(不能參加做工)部分，致使整個定子內(nèi)圓面積(包括端部繞組長度在內(nèi))能用以產(chǎn)生有效氣隙磁場(參加做工)的部分，一般不超過四分之一。這就大大限制了傳統(tǒng)電機功能的發(fā)揮，而且效率也偏低。
本發(fā)明的目的，是針對并克服傳統(tǒng)電機上述重大缺陷，根據(jù)電路與磁路合一的帶鋼電機機理，制造一種使其定、轉(zhuǎn)子整個內(nèi)外圓表面無槽，而且包括端部繞組長度在內(nèi)的整個氣隙面積均能產(chǎn)生有效氣隙磁場的小體積、大容量、高效率的帶鋼電機。
當(dāng)帶鋼電機是電動機(屬感應(yīng)電動機范疇)時，本發(fā)明的要點在于其定子和轉(zhuǎn)子采用一種表面帶絕緣漆的電工純鐵帶繞成，它既是電機的導(dǎo)電繞組、又是電機的導(dǎo)磁鐵芯。實現(xiàn)此要點的具體方法，現(xiàn)按帶鋼定子繞組與帶鋼轉(zhuǎn)子兩大部分?jǐn)⑹鋈缦聨т撾姍C(包括電動機和發(fā)電機)定子是若干形狀及尺寸基本一致的半匝帶鋼線圈，其片底緊貼在一圓柱面依次排列迭裝好并裝上定位箍環(huán)，再由環(huán)氧樹脂澆鑄固化而成的內(nèi)表面光滑無槽的空心圓筒。附圖1為相距約為一極距的定子繞組兩個半匝雙層帶鋼線圈的結(jié)構(gòu)及串聯(lián)(焊接)示意圖。附圖4為定子繞組實際組裝示意圖。每半匝帶鋼線圈的直線部分〔1〕為單層，而端部為雙層(各呈橢圓弧線在圓柱面彎曲)，端部的上層〔2〕、下層〔3〕的最頭部還帶有一個三角形片〔4〕，此三角形片彎向沿與轉(zhuǎn)軸半徑方向的直線部分相重合。此頭部三角形片的中部帶有一窄純鐵焊接薄片〔5〕，它將相距約為一極距的各半匝帶鋼線圈的上、下層端部依次互相串聯(lián)焊接(最好是用超聲波迭焊)以組成整個帶鋼定子的三相繞組，其接線圖如附圖2所示。各半匝帶鋼片的直線部分中間頂部開有一凹槽，用以安裝保證直線部分緊貼在圓柱表面進行環(huán)氧澆鑄成圓筒的定位箍環(huán)，并兼作三相引線的引出位置。另外，在兩端部的上、下層之間還各套有一個薄絕緣套筒，它一方面起上、下層端部繞組之間的隔離絕緣作用，更重要的一方面也是用以保證下層端部緊貼在圓柱表面進行環(huán)氧澆鑄成圓筒的定位箍環(huán)。這些定位箍環(huán)是保證帶鋼電機主氣隙，從而也是保證其整個運行性能良好的關(guān)鍵。定位箍環(huán)和絕緣套筒均用絕緣材料(最好是塑料筒)制成。帶鋼定子片組裝成圓筒應(yīng)有盡可能高的迭壓系數(shù)(包括漆層)。
半匝帶鋼線圈各部分橫截面都必須根據(jù)各自組成定子圓筒的部位所要求的橫截面形狀模壓成型，呈梯形截面，各部分鐵磁路截面面積也必須經(jīng)過驗算，以確保主磁通能順利通過。半匝帶鋼線圈在上述組裝之前，應(yīng)進行一次磁性退火(真空或保護氣體)處理，然后進行電泳鍍漆。
整個帶鋼電機定子三相繞組的電路連接如附圖2所示，它可大致視為傳統(tǒng)電機定子的雙層桿式繞組的連接方法，唯一的區(qū)別在于其直線部分為一整體(而桿式雙層繞組直線部分卻是分離為互相絕緣的上、下兩層，并各與自己相對應(yīng)的上、下層端部相連接)。剖析傳統(tǒng)電機與帶鋼電機三相中任一相等效電路可看出其區(qū)別在于，前者上、下層繞組各形成兩個互不關(guān)連的獨立支路，而后者形成的兩個支路之間相當(dāng)于有許多等電位連接線(即每半匝帶鋼線圈形成的上、下層兩電路之間均由直線部分相連通)。
電工純鐵的電阻率雖然比銅大7～8倍，但由于其導(dǎo)電橫截面積大大增加，其工頻相電阻值與銅線相比，相差并不大。但應(yīng)注意的一點是由于其工頻集膚效應(yīng)遠(yuǎn)比銅線為大，故其有效電阻系數(shù)必須重新考慮。從模擬帶鋼樣機實測獲得的數(shù)據(jù)為1.8左右。盡管如此，由于帶鋼電機容量大大提高是靠提高氣隙磁場(實質(zhì)上相當(dāng)于提高電壓)而得，故相對而言，其定子總銅損仍遠(yuǎn)比同容量的傳統(tǒng)電機為低。
帶鋼電機的核心部分在于磁路設(shè)計，其定子磁路示意圖如附圖3所示。剖析由相距約為一個極距的三個半匝互相串聯(lián)而組成的帶鋼線圈主磁路來看，由于其上層端部繞組下面均有相鄰的其它載流帶鋼線圈的下層端部繞組穿過，故根據(jù)右手定則中間半匝帶鋼線圈主磁路應(yīng)該是以直線部分中線為分界的前半部分與后半部分(以下均按此前、后定名)相對稱的一對并聯(lián)磁路，故只以其前半部分的分析為例即可。中間半匝直線前半部分主磁通穿過主氣隙進入帶鋼轉(zhuǎn)子后分左、右兩路跨過一個極距再穿過主氣隙，分別進入定子的左半匝與右半匝直線的前半部分。其中左路再從左半匝直線的前半部分穿過其上層端部線圈，繼續(xù)通過中間半匝前半部分的下層端部線圈，最后回到中間半匝直線的前半部分而形成一個閉合主磁路。其中右路再從右半匝直線的前半部分穿過其下層端部線圈，繼續(xù)通過中間半匝前半部分的上層端部線圈，最后回到中間半匝直線的前半部分而形成一個閉合主磁路。中間半匝前半部分下層端部主磁通穿過主氣隙進入帶鋼轉(zhuǎn)子后，也分為左、右兩路跨過一個極距再穿過主氣隙分別進入定子左半匝與右半匝前半部分的下層端部繞組。其中左路再從左半匝前半部分下層端部穿過其上層端部線圈，最后回到中間半匝前半部分的下層端部而形成一個閉合主磁路。其中右路再從右半匝前半部分的下層端部穿過中間半匝前半部分的上層端部線圈，最后回到中間半匝前半部分的下層端部而形成一個閉合主磁路。
當(dāng)帶鋼電機是電動機時，其帶鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖如附圖5所示。轉(zhuǎn)子的磁軛部分〔9〕是由沖成圓環(huán)形(中心有轉(zhuǎn)軸孔)的薄純鐵片穿入轉(zhuǎn)軸中迭壓而成，圓筒環(huán)外圓再與一定高度、橫截面呈梯形的長條純鐵片〔10〕順軸向排列并沿圓周方向迭裝(應(yīng)有盡可能高的迭壓系數(shù))而成的空心圓筒內(nèi)圓相焊接(采用釬焊，但焊接口材料的導(dǎo)磁性應(yīng)與原純鐵片相近)，梯形長條片迭成的圓筒的兩端部，再用銅熔焊將其共同熔焊為兩端環(huán)〔8〕，然后將帶鋼轉(zhuǎn)子整體進行真空環(huán)氧澆鑄固化處理，經(jīng)車床將其外圓精車成所要求的尺寸后，外圓表面再進行一次電泳鍍漆處理即成。帶鋼電動機轉(zhuǎn)子軸向有效部分總長與其定子繞組總長(包括端部繞組在內(nèi))相一致，且沿此總長范圍內(nèi)的定、轉(zhuǎn)子間主氣隙長也相等。
轉(zhuǎn)子的長條梯形片及磁軛片等各部分截面面積也必須經(jīng)過驗算，以確保其具有足夠的導(dǎo)電與導(dǎo)磁性能。另外，轉(zhuǎn)子電工純鐵片在進行以上組裝之前，也必須進行一次磁性光亮退火處理。
當(dāng)帶鋼電機是發(fā)電機時，其轉(zhuǎn)子采用新型稀土鈷磁極(永久磁極)轉(zhuǎn)子即成，稀土鈷磁極轉(zhuǎn)子軸向長度總長，也與其定子繞組(包括端部繞組在內(nèi))的總長相一致，且沿此總長范圍內(nèi)定子、轉(zhuǎn)子間整個主氣隙的分布情況也相同。
與傳統(tǒng)電機相比，電磁合一的帶鋼電機除具有上述小體積、大容量(包括端部繞組長度在內(nèi)的兩者相同鐵芯體型比較，帶鋼電機容量提高一般可達三倍以上)、高效率的重大特點之外，還由于其定子的內(nèi)圓表面以及轉(zhuǎn)子的外圓表面近乎光滑面，因而消除了傳統(tǒng)電機中由于齒諧波而形成的附加力矩、噪音、氣隙卡氏系數(shù)、特別是雜散銅、鐵損(這是形成本發(fā)明具有高效率的重大因素之一)等一系列弊病。帶鋼電機還具有不消耗銅材的優(yōu)點。而且，由于定子帶鋼片線圈散熱面遠(yuǎn)比傳統(tǒng)電機定子銅線線圈散熱面大，故其短時過載能力遠(yuǎn)比傳統(tǒng)電機強，其使用壽命也遠(yuǎn)比傳統(tǒng)電機長。
發(fā)明人曾制造了一臺模擬帶鋼樣機，對上述帶鋼樣機的機理的正確性進行試驗驗證，由于當(dāng)時工藝條件的限制，此帶鋼電機的定子半匝線圈為單層(指端部)帶鋼繞組，因而其整個定子的半匝線圈系由兩種形狀構(gòu)成，其中一半為只有上層端部(沒有下層端部)。另一半則只有下層端部(沒有上層端部)。定子接線示意圖如附圖6所示。此模擬帶鋼樣機的定子半匝線圈雖然是采用單層帶鋼繞組，但就其產(chǎn)生主磁通的實質(zhì)而論，則與本發(fā)明的正式帶鋼樣機是大同小異的，只不過正式樣機產(chǎn)生有效氣隙磁場的范圍是比前者大為擴大了而已(指端部繞組也能產(chǎn)生有效氣隙磁場以及整個繞組產(chǎn)生有效氣隙磁場的磁鏈效應(yīng)大為改善等兩方面。而這一點只需根據(jù)眾所周知的右手定則即可確定，不須用試驗來證明)。
試驗時，做了一個普通的鑄鋁鼠籠式轉(zhuǎn)子，另外還做了一個不鑄鋁(只提供作為定子主磁路的鐵磁回路之用)的轉(zhuǎn)子。兩個轉(zhuǎn)子的軸向長度都與傳統(tǒng)電動機一樣。
此模擬帶鋼樣機基本參考傳統(tǒng)的JO2-41-4型電動機設(shè)計，每個線圈元件由44匝帶鋼線圈繞成，每相由6個線圈元件組成。定子鐵芯內(nèi)徑為φ146.08mm，外徑為φ233mm。整個定子的軸向長度為300mm，而轉(zhuǎn)子及有效部分的長度為102mm。
對此模擬帶鋼樣機進行測試，為便于比較，測試參數(shù)統(tǒng)一用標(biāo)么值表示出，在采用不鑄鋁的鐵芯轉(zhuǎn)子(僅提供轉(zhuǎn)子方面的鐵磁路徑)對附圖6中所示的接線示意圖每相分別輸入220V相電壓，測得激磁電流
I0＝0.27左右，查標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為
I0＝0.47，實測值偏高的原因是由于該模擬帶鋼樣機的主氣隙(平均約為0.5mm)比標(biāo)準(zhǔn)氣隙(應(yīng)為0.35mm)偏大的緣故。傳統(tǒng)中小型感應(yīng)電動機試驗的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明，實際氣隙比標(biāo)準(zhǔn)值偏高30%，則激磁電流
I0提高約1倍左右，據(jù)此，可以確信正式帶鋼樣機的主磁路是通暢的。
其次，對此模擬帶鋼樣機的定子標(biāo)么漏抗
x1的數(shù)值測試的結(jié)果是通過其單支空心帶鋼線圈測試值再折合到其一相的
x1＝0.05，另外，通過抽出轉(zhuǎn)子法(定子空心)直接測得其一相的
X1＝0.053，查標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為
X1＝0.062，從而證實正式帶鋼樣機主磁通與傳統(tǒng)電機一樣地穿過主氣隙而進入到了轉(zhuǎn)子。
另外，實測得模擬帶鋼樣機的工頻有效電阻系數(shù)值約為1.7～1.8左右，這與正式帶鋼樣機的帶鋼線圈對同容量傳統(tǒng)電機銅導(dǎo)線導(dǎo)電截面積增大的倍數(shù)相比，其對正式帶鋼樣機的高效率以及良好的溫升散熱性能等方面的影響還是不足以形成大礙的。
經(jīng)過以上對模擬帶鋼樣機的實際測試，使得表達正式帶鋼樣機的T型等值電路圖中各參數(shù)
r1、
x1、
rm、
xm、
r2’、
x2’等，除
x2’尚無實測值外(根據(jù)帶鋼轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)，可肯定
x2’不會與
x1有出乎意外的相差。另外
x2’對電機遠(yuǎn)沒有
x1那樣的重要性)，其余都是建立在事實的基礎(chǔ)上，從而可確信其機理是正確可靠的。
在進行了上述試驗驗證的基礎(chǔ)上，發(fā)明人按本發(fā)明如下的具體技術(shù)方案設(shè)計制造一臺正式帶鋼樣機。此機的定子為三相四極，4△(并聯(lián)支路數(shù)a＝4)接法繞組，整個定子圓周共有36個雙層帶鋼線圈元件邊，每個線圈元件邊共有44根半匝雙層帶鋼線圈組成，線圈組裝迭壓系數(shù)約0.8左右(包括漆層)，半匝雙層帶鋼線圈的直線部分每片梯形橫截面的尺寸為上底寬0.476mm，下底寬0.216mm，片高82mm，兩端部上、下層之間各套有一個約厚2mm左右的塑料絕緣筒，上層端部每片梯形橫截面尺寸為上底寬0.337mm，下底寬0.247mm，片高40mm;下層端部每片梯形橫截面積尺寸為上底寬0.243mm，下底寬0.153mm，片高40mm。
帶鋼轉(zhuǎn)子的長條梯形片部分每片橫截面尺寸為上底寬為1mm，下底寬為0.578mm，片高28.6mm，軛片部分尺寸為外徑φ78mm，內(nèi)徑為φ48mm，片厚1mm。帶鋼轉(zhuǎn)子片組裝迭壓系數(shù)約0.9左右。
定子與轉(zhuǎn)子之間空氣隙長(單邊)為0.4mm。
此正式帶鋼樣機的額定容量為32～35KW，定子額定線電壓U1＝380V，額定電流I1＝60.3～64.9A。其體型尺寸與傳統(tǒng)的J02-61-4型電動機體型尺寸對比列表如下
此正式帶鋼樣機與同容量的傳統(tǒng)電動機(J02-72-4型)各種損耗值對比列表如下
經(jīng)委托中國專利局上海分局對1964年至1973年的美國專利以及1974年至1983年的世界專利索引(WPI)中有關(guān)主要國家的專利進行檢索，未發(fā)現(xiàn)有與本發(fā)明相同的記載。
對本說明如下附圖1為相距約為一極距的定子繞組兩個半匝雙層帶鋼線圈的結(jié)構(gòu)及串聯(lián)(焊接)示意圖。圖中〔1〕為半匝雙層帶鋼線圈的直線部分?！?〕為半匝雙層帶鋼線圈的上層端部。〔3〕為半匝雙層帶鋼線圈的下層端部?！?〕為半匝雙層帶鋼線圈的頭部三角形片。〔5〕為半匝雙層帶鋼線圈頭部三角形片中部的窄條焊接片。
附圖2為正式帶鋼樣機定子雙層帶鋼線圈的三相、四極電路接線圖。
附圖3為電磁合一的正式帶鋼樣機定子主磁通(穿過主氣隙進入帶鋼轉(zhuǎn)子)的路徑示意圖。圖中〔6〕為帶鋼定子雙層線圈的電流回路。〔7〕為帶鋼定子雙層線圈的主磁通路徑。
附圖4為正式帶鋼樣機定子繞組實際組裝示意圖。
附圖5為正式帶鋼樣機帶鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。圖中〔8〕為帶鋼轉(zhuǎn)子兩端端環(huán)(銅熔焊而成)?！?〕為帶鋼轉(zhuǎn)子的磁軛薄純鐵片?！?0〕為帶鋼轉(zhuǎn)子的梯形長條純鐵片。
附圖6為模擬帶鋼樣機定子接線示意圖。
權(quán)利要求
1.一種由定子、轉(zhuǎn)子構(gòu)成的電磁合一帶鋼電機(包括電動機和發(fā)電機)，其特征在于用表面帶絕緣漆的電工純鐵帶片繞成既是電機的導(dǎo)電繞組。又是電機的導(dǎo)磁鐵芯(即電磁合一)的電路結(jié)構(gòu)與磁路結(jié)構(gòu)，及以此為機理而構(gòu)成帶鋼電機的整機結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求
1所述的電磁合一帶鋼電機，其特征在于其定子是由若干形狀及尺寸基本一致的半匝帶鋼線圈，片底緊貼在一圓柱面順序排列迭裝好，并裝上定位箍環(huán)，再用環(huán)氧樹脂澆鑄固化而成的空心圓筒;半匝帶鋼片各部分截面都必須根據(jù)各自組成定子圓筒的部位所要求的截面形狀模壓成型;每半匝帶鋼線圈，直線部份為單層，而端部為雙層(各呈橢圓弧線在圓柱面彎曲)，端部的上、下層最頭部有一三角形片，再彎向沿與轉(zhuǎn)軸半徑方向的直線部分相重合，此三角形片的中部帶有一窄純鐵焊接薄片，它將相距約為一極距的各半匝帶鋼線圈的上、下層端部依次互相串聯(lián)焊接(超聲波迭焊)以組成整個帶鋼定子三相繞組;各片直線部分中間的頂部開有一個用于安裝定位箍環(huán)及引出三相引出線的凹槽，在兩端部的上、下層之間各套一個對上、下層端部繞組起隔離絕緣作用并兼作定位箍環(huán)的薄塑料絕緣筒;迭裝定子帶鋼片，應(yīng)有盡可能高的迭壓系數(shù)。
3.權(quán)利要求
1所述的電磁合一帶鋼電機，當(dāng)其是電動機(屬感應(yīng)電動機范疇)時，其特征在于轉(zhuǎn)子的磁軛部分由沖成中心有轉(zhuǎn)軸孔的圓環(huán)形電工純鐵薄片穿入轉(zhuǎn)軸中迭壓而成，圓筒環(huán)的外圓再與一定高度、截面呈梯形的長條純鐵片順軸向排列并沿圓周方向迭裝(應(yīng)有盡可能高的迭壓系數(shù))而成的空心圓筒內(nèi)圓相焊接，(采用釬焊，但焊接口材料的導(dǎo)磁性應(yīng)與原純鐵片相近);梯形純鐵片迭成的圓筒的兩端部，用銅熔焊將其共同熔焊為兩端環(huán)，然后將帶鋼轉(zhuǎn)子整體進行真空環(huán)氧澆鑄固化處理，經(jīng)車床將其外圓精車成所要求的尺寸后，外圓表面再進行一次電泳鍍漆處理而成;轉(zhuǎn)子軸向有效部分總長與其定子繞組總長(包括端部繞組在內(nèi))相一致，且沿此總長范圍內(nèi)的定子、轉(zhuǎn)子間主氣隙長也相等。
4.權(quán)利要求
1所述的電磁合一帶鋼電機，其特征在于制成整個定子(如是電動機，則還包括轉(zhuǎn)子)的電工純鐵帶鋼片在組裝前，進行(真空或保護氣體)磁性退火處理，然后再進行電泳鍍漆處理。
5.權(quán)利要求
1所述的帶鋼電機，當(dāng)其是發(fā)電機時，其特征在于按權(quán)利要求
1、2、4所述而制成的帶鋼定子，再配以新型稀土鈷磁極(永久磁極)轉(zhuǎn)子而成，稀土鈷磁極轉(zhuǎn)子軸向總長也與其定子繞組(包括端部繞組在內(nèi))總長相一致，且沿此總長范圍內(nèi)的定子、轉(zhuǎn)子間主氣隙的分布情況也相同。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種電磁合一的帶鋼電機(包括電動機和發(fā)電機)。本發(fā)明的要點在于電機的定子(如為電動機則包括轉(zhuǎn)子)系采用一種帶絕緣漆的電工純鐵片繞成，它既是電機的導(dǎo)電繞組，又是電機的導(dǎo)磁鐵芯，與傳統(tǒng)電機相比，本發(fā)明除具有小體積、大容量、高效率、短時過載能力特強，壽命大大增長等特點外，還消除了傳統(tǒng)電機中由于齒諧波而形成的附加力矩、噪音、氣隙卡氏系數(shù)，特別是雜散銅鐵損等一系列弊病，并且不消耗銅材。
文檔編號H02K1/00GK86100239SQ86100239
公開日1986年7月30日 申請日期1986年1月8日
發(fā)明者陳端寶 申請人:華南工學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan