[其他]实心转子低损耗异步电机

说明书

本发明涉及利用涡流生成电磁转矩，具有低损耗特性的各种类型的实心转子异步电机。

传统的电机学理论认为，由于旋转磁场在异步电机转子铁心中感应出的涡流会造成转子里的铁损耗，因此是一种有害的电流，为了尽可能消除这一电流，转子的铁心必须和定子一样由互相绝缘的硅钢薄片迭成。实际上这是一种片面的错误的看法，在转子铁心中的感应涡流和在转子绕组中的感应电流一样，都会在转子上产生电磁转矩，同样都是有用的电流，不同的仅仅是在不同的材料中流动而已。当转子的铁心采用实心的软磁材料制成时，等效于在转子等值电路的绕组电阻上并连了一个铁心的分布电阻（如图1所示），使得转子的总电阻减小了，转子中由电流产生的总损耗（即转子的铜损加涡流损耗）I²_or_o，也就随着降低了。由此可见，实心转子铁心材料的电阻愈小，涡流愈大，产生相同电磁转矩所需电流在转子中的总损耗就愈小，采用实心转子等于起到了将转子绕组线径加粗的作用。

因此，转子的总电导-即将转子视为一个整体时的总电阻r_o，（它可以通过电机的空载试验和短路试验测出）是决定异步电机运行性能的一个重要指标，如果总电导偏小，为了获得额定的电磁转矩，滑差就会增大，电机的转速就会降低，于是转子损耗、功率因数等一系列运行参数都会迅速恶化，甚至使电机根本运转不起来。转子的另一个重要指标是它的总磁导，如果总磁导偏小，就会使得定子绕组中的励磁电流增大，功率因数降低，损耗增加。只要转子的这两个基本指标能够满足要求，就可以制造出具有基本运行性能的异步电机，至于转子中的电流和磁流到底是在绕组中还是铁心中流动，那是根本无关紧要的。

采用实心转子的异步电机除了可以降低转子中的损耗外，还有如下明显的优点。

一、具有显著的经济效益

异步电机转子的铁损耗是由涡流和磁滞两部分构成。如上所述，由于涡流不仅不会增加，反而还会降低转子中电流的总损耗;另一方面在电机正常运行时转子和旋转磁场的相对转速几乎接近于同步，由磁滞产生的铁损耗也非常小。因此实心转子对材料的电阻率的要求是越小越好（刚好和软磁材料的指标要求相反），对另一个重要指标矫顽力的要求也不高，完全可以选用廉价的仅具有高导磁性能的软磁材料（如软铁或其他的新材料），以取代目前还需大量进口的昂贵的硅钢片。考虑到目前仅鼠笼电机就几乎占全部电机总产量的60%，因此推广采用实心转子的异步电机无疑会给国家节约一笔相当可观的资金和外汇。

二、可以简化转子的结构和生产工艺，提高电机的性能：

1    易于提高启动转矩。鼠笼电机的一个主要缺点是启动转矩小，启动电流大。为了解决这个矛盾，传统的方法是转子采取了双鼠笼等结构（如图2所示）。上鼠笼电阻大，为启动笼;下鼠笼电阻小，为运行笼。启动时由于转子频率等于电源频率，集肤效应增强而引起电流集中于上鼠笼，造成转子的电阻增大，从而使得启动转矩增大，启动电流减小。当采用实心转子时，由于转子铁心本身的分布电阻一般都较大，在启动时完全可以起到上鼠笼的作用（即利用转子铁心中的涡流作为主要的启动电流），因此在实心转子中只需要保留一个下鼠笼，就可以具有和双鼠笼电机一样的高启动转矩特性。

2.通过在实心转子园柱表面上喷镀一层具有高导电性能的金属或非金属材料，提高转子的总电导，就可以制成一种导电层式实心转子（如图3所示）。与鼠笼式和绕线式转子相比，由于其构造简单也就简化了它的生产工艺。而且这种导电层式转子电机通过控制其导电层的厚薄还可以改变它的性能，当导电层较薄，转子的总电导较小时，虽然在正常运行时其性能较差，但起动转矩很大，可以适合某些特殊用途，这就是在某些工业领域中目前已经得到使用的所谓“大力矩电机”;当导电层加厚，使转子的总电导能够达到指标要求时，这种电机就可以获得正常的运行性能。

具有导电层式实心转子的电机，由于转子和定子铁磁部分之间的间隙较大-除了气隙外还又夹了一个导电镀层，因此功率因数比较低。如果能找到一种既具有高导磁又具有高导电性能的新材料作为导电层，就可以提它的功率因数，遗憾的是迄今为止对于软磁材料的研究一直是在相反方向上-即提高电阻率上努力。

3.如果进一步在具有高导磁高导电层的转子上再喷镀一层高导磁低导电的材料，就可以制成图4所示的夹心式转子。这种转子的高电阻的外层可以起到外鼠笼的作用，而低电阻的内层则可以起到内鼠笼的作用。这样就可以用较简单的工艺制造出具有高启动转矩，高功率因数的异步电机。

4.如果能找到一种廉价的高导磁高导电材料，那么还可以制造出一种更简单的纯实心转子，这种转子仅仅是一个纯实心的铁心。由于材料的高导磁高导电特性，铁心本身既可以满足转子的导磁功能又可以满足转子的导电功能，因此就没有必要再在其上添加绕组、导电层，或任何其他的导电装置了。这不仅进一步简化了电机的生产工艺，而且因为整个铁心的导电面积要比绕组的截面大的多，这就有可能使这种转子的总电导数倍于目前的一般转子，因此就可以制造出性能极好的异步电机。当然如果再在这种纯实心转子上加一层高导磁低导电材料的导电层，还可以进一步提高这种电机的启动转矩。