[发明专利]DC电动机

说明书

发明领域

本发明涉及一种变速直流(DC)电动机。

技术背景

目前在各行业中最受欢迎的电动机是鼠笼式感应电动机(SQIM)和无刷永磁电动机(BLPMM)，其中在使用中SQIM占所有工业电动机的90％以上。现代SQIM和BLPMM具有类似的定子设计，其中围绕电工钢层压板所分布的铜绕组用于产生旋转磁场。然而，它们的转子设计是不同的。SQIM具有圆柱形转子轴，其在电工钢层压板上具有压铸铝或铜鼠笼结构。相比之下，BLPMM具有永磁体，永磁体或靠近表面安装，形成圆柱形转子或埋置在电工钢层压板内，用于形成凸极转子。虽然BLPMM通常实现更好的效率和功率密度，但由于SQIM的高可靠性、相当好的效率和低生产成本，SQIM在半个多世纪以来一直支配该行业。

据估计，全球所产生的电能的几乎三分之一由工业电动机消耗。电费可以占到拥有和运行这些电动机的寿命周期成本的95％。因此，电动机的效率是用于使行业优化的明显的关键参数。当在工业应用中需要具有高工作效率的变速电动机时，通常使用称为变频驱动(VFD)的电气系统来对所连接的电动机进行供电和控制。现代VFD的电力电子系统的基本架构包括三个不同的级。第一，整流器级，其使用无源功率二极管或用于再生功能和功率因数校正功能的有源绝缘栅双极晶体管(IGBT)，以及任选的输入滤波器来构建。第二，直流链路级，其使用高压电容器组、线路滤波扼流圈、制动斩波器和任选的制动电阻来构建。最后是倒相级，其使用IGBT和任选的输出滤波器来构建。

随着时间的推移，已经付出了很多努力来改善接线技术和电工钢的性能以便提高电动机的整体效率。为了进一步提高驱动效率，还付出了许多努力来提高VFD中的IGBT、高压电容器和滤波器的性能和降低VFD中的IGBT、高压电容器和滤波器的损耗。然而，由于这些技术已经成熟，提高效率的潜力逐渐减少。随着对变速电动机应用的效率和性能要求的提高，有必要超越当前开始展望未来。

为了加强对当前电动机构造中涉及的问题的理解，下面将对SQIM和BLPMM的设计细节进行说明。对于现有技术的SQIM和BLPMM，其大部分的电动机损耗源于定子处的定子绕组导体电阻损耗的形式和定子电工钢铁损耗的形式。影响这两个主要损耗源的设计将在以下部分中描述。

对于定子绕组电阻损耗，由于这些电动机被设计成在具有高定子绕组电感的交流公用电压下工作，所以它们通常使用多匝分布式随机缠绕的定子绕组1，定子绕组1由圆形漆包铜线2制成，与最流行的设计方式，例如图1A至图1D中所示的示例性定子绕组一样。图1C示出了电工钢狭槽开口3中的这种绕组1的示意性横截面图。除了其高复杂性和与制造和装配相关的成本之外，这种多匝分布式随机缠绕的绕组1具有数个缺点。首先，作为绕组的铜4的总截面积与狭槽开口3的总横截面积的比率的电工钢狭槽填充系数低，通常仅在0.4和0.65之间。这既是因为在单独的导线之间以及导线和电工钢的狭槽壁之间需要占用空间的电绝缘体5和6，也是因为随机缠绕的圆形导线在它们之间留下然后填充有清漆7的很多空间。由于这些绝缘材料和清漆通常具有低导热性，因此低狭槽填充系数导致较高的电流密度、较差的散热和对铜线的较高工作温度，其然后全都转化为更高的绕组电阻损耗。其次，例如如图1D中所示，在定子的两端部处从电工钢狭槽伸出的分布式定子绕组的端部绕组部分8较大。这些端部布线部分8带来了总的铜使用和总的定子长度以及电阻损耗，而不利于电动机的有效转矩和功率。这是因为定子周围的绕组分布需要大量的绝缘导线以穿过狭槽并相互交叉多次以便连接整个绕组。这进而导致端部绕组部分占用大量空间，并且对总定子绕组电阻损耗也有很大贡献。