專利名稱：高速電動機的改進的制作方法
發明的領域本發明涉及高速電動機的改進，尤其涉及高速無刷直流電動機。
本發明將具體參考其作為冷卻劑、空氣或氣體壓縮機的電動機的應用進行描述，盡管如此，應當明白本發明的原理可以應用于其它應用中所使用的電動機上。
背景技術：
用作壓縮機電動機的高速無刷直流電動機的設計和構造存在許多問題。
這種電動機必須產生在負載范圍內對作為壓縮機電動機是有效的足夠的功率。為了使電動機和壓縮機的組合體積減至最小，需要設計一種高速、低轉矩、高效率的電動機。
高速無刷直流電動機是眾所周知的。在這方面，可以參考教科書“直流機器”，Say和Taylor著，第二版(Pitman International)，尤其是4.8、5.10和11.4節。這種電動機產生的功率輸出通常比冷卻劑壓縮機電動機所需的要低。這種電動機的一種型式采用一種稀土族磁性材料(具體說是釹鐵硼[NdFeB]類)。然而，這種材料和其它的稀土族材料通常具有低抗張強度且有些脆。這使其局限用于相對較低功率的高速電動機，它們不適合于作壓縮機電動機。
在采用目前可供使用的被認為是有利于環保的諸如R134A和CFC冷卻劑的新型冷卻劑的致冷壓縮機應用中，不可以使用與冷卻劑化學不兼容的潤滑劑。這可能排斥在壓縮機中使用一般的軸承，因此需要能夠使用象磁性或箔軸承的非接觸軸承。因此，在驅動電動機中也使用這種軸承。
本發明的目的是設計一種具有相對較高的功率輸出和甚高的功率容積比的高速電動機。
本發明的再一個目的是設計一種能夠被用作冷卻劑壓縮機的電動機，轉子較佳地是由諸如磁性軸承、箔軸承的無油或非接觸軸承支承的，但是在不同的應用中也能夠與標準軸承一起使用。
還需要提供一種作為壓縮機電動機使用的電動機，電動機的控制能夠采用成本相對較低的控制電路來實現。
還需要提供一種在其轉子結構中加入了提供所需機械強度的稀土族磁性材料的電動機。
發明概要根據本發明的一個方面，提供一種高速無刷直流電動機，它具有包括在直徑方向磁化的固態稀土族磁心的轉子，所述轉子包括環繞所述磁心的套管，在轉子高速旋轉期間在徑向上限制磁心，該套管從磁心軸向的兩個方向上延伸，形成轉子的空心軸，套管由非磁性的低電導率的材料制成。
利用轉子套管形成空心的電動機軸，使轉子的重量最輕，因此減輕了對軸承的負載，同時仍然提供所需的軸剛度和提供一種經濟有效的構造方法。
為了達到最大效率和最低成本，本發明的電動機在轉子上采用固體稀土族磁心。電動機較佳地設計成在20,000rpm至50,000rpm的工作轉速下運轉，這可縮小電動機和壓縮機的體積。然而，這樣的高旋轉轉速對電動機提出苛刻的機械要求，電動機必須承受旋轉產生的高的離心力。電動機還必須具有足夠的剛性以致于其共振彎曲頻率超過最大旋轉頻率。轉子還必須盡可能地輕，以使轉子軸承上的負載減至最小。
在供冷卻劑壓縮機一起使用的本發明的較佳實施例中，轉子支承在活性磁性軸承上，磁性軸承使轉子既在軸向又在徑向上定位。然而，在不同的環境中可以將其它形式的常用機械軸承或其它類型的非接觸軸承與本發明的電動機一起使用。
轉子套管較佳地是由非磁性的高強度金屬，如鉻鎳鐵合金(Inconel)形成，它具有相對較高的楊氏模量并能夠提供轉子軸所需的必要彎曲穩定性。
在本發明的較佳形式中，使稀土族磁心維持在低于通過對套管預加應力壓縮負載(靜止時)。這種預應力可以通過使組裝的磁心和套管具有明顯的熱差，例如通過對套管加熱來產生。形成的磁心的外徑和套管的內徑提供精密幅度的壓配合。當套管收縮在磁心上時，相對尺寸變化在徑向和軸向兩個方向上引起磁心的軸向和徑向壓縮。在轉子旋轉時，產生的離心力被套管中的張力所抵消，所以在最大旋轉轉速下，在磁心中產生最小張力(如果有的話)。因此，由套管施加在磁心上的壓縮力保證具有低抗張強度的磁心材料不會因轉子上的旋轉力產生開裂、移動、變形等。
根據本發明的另一個方面，提供一種高速無刷直流電動機，它包括轉子和控制電路，轉子包括由限制套管環繞的固態稀土族磁心，控制電路包括預定額定值的電子變流器，控制電路包括通過改變所提供電樞電流相對于反電動勢的超前角，由此引起在整個恒定功率轉速范圍上通量削弱，在基本轉速到最大轉速的電動機轉速范圍內維持功率基本恒定同時維持功率因數接近于1的裝置。在這一范圍的兩端上的電流和功率因數設計為相等，在基本轉速下電流滯后于電壓，在最大轉速下，電流超前于電壓。
在給定轉速和轉矩下電流的最佳超前角將取決于相對的電動機材料成本和變流器成本(或者對于給定的變流器額定值，所增加輸出的值)以及鐵和銅損耗的相對熱顯著性。如果將基本轉速下的電流超前設定為等于或近似等于在基本轉速下的功率因數角，那么，產生的功率因數(和變流器利用率)超過在基本轉速下未采用通量削弱所能獲得的值。
這一控制方法通過使用成本較低的元件使電動機在磁通量與電樞通量之比的設計上達到最佳化而使電子控制電路的成本減至最小。因此，通過設計在基本轉速至最大轉速下通量削弱的電動機，可實現較低的變流器額定值和鐵損耗，雖然這是以增加銅損耗為代價的。
在本發明的電動機的一種特定形式中，在最大功率下，電流超前在設計的基本轉速，即約32000rpm下必須為15°-20°，在設計的最大轉速，即約為48000rpm下必須為50°-55°。將電動機設計成具有所需的峰值功率下電樞通量與磁通量的比率，采用不含有鐵的轉子可以使電感減至最小和使所需通量比的電動機尺寸減至最小。
為了更好地理解本發明，現在將參考附圖描述一個特定的實施例。
附圖簡述

圖1是本發明的電動機的部分截面圖。
圖2是在基本轉速和最大轉速下各種通量的相位圖。
圖3是電動機控制器的示意圖。
實現本發明的最佳方式參考圖1，圖中所示的電動機10是為驅動冷卻劑離心壓縮機(未示出)而專門設計的高速、無刷、開槽的直流電動機。電動機10設計成盡可能地緊湊以便盡可能地減小組合的電動機/壓縮機的總尺寸。然而，電動機10必須給壓縮機提供與可供使用的交流電源11和控制電路14中的電子變流器12的額定值相當的足夠的功率。在示出的實施例中，為了使電子變流器12的成本減至最小，其額定值限制為200A峰值。那么，這決定輸出功率在70至85kW之間，三相電源額定電壓為415Vrms。
轉子16包括釹鐵硼(NdFeB)磁心17，這是一種具有高磁能密度和低抗張強度的燒結磁性材料。磁心17被包含在由絡鎳鐵合金718形成的套管18中，這是一種非磁性、低電導率的金屬合金。套管限制磁心17在轉子高速旋轉期間產生力。在本發明的較佳形式中，對套管18預加應力以便當轉子在靜止時維持對磁心的壓縮壓力。這種預張力是通過使磁心外徑和套管內徑的尺寸引起壓配合，然后通過加熱使套管膨脹使得磁心能夠被插入其中而產生的。對套管18進行冷卻導致在徑向和軸向上的收縮，由此在徑向上壓縮磁心，還施加一定的軸向壓縮。理論上，套管18的預應力是這樣的，即在轉子的高速旋轉轉速下在磁心17中不存在張力。實際上，存在一定張力是可以容許的。軸向壓縮有助于降低高速旋轉時磁心中的張力。
套管18除了限制磁心17外，還在軸向的兩個方向上向外延伸，起轉子16的空心軸的作用。空心軸延伸到支承轉子16的磁性軸承19附近，空心軸給轉子提供必要的彎曲穩定性，以便在電動機工作期間維持氣隙21。
磁性短軸22和23被嚙合在套管18的外端24和26。磁性短軸22和23提供磁性軸承19所需的反作用軸部分。
在實現最小電子變流器額定值的電動機的設計中，需要以盡可能小的峰值相位電流乘以相線對中線峰值電壓的乘積在給定轉速范圍內獲得恒定的功率操作。因此，不僅功率因數在該轉速范圍內應當接近于1，而且電流和電壓各自的變化應當盡可能小。在永磁鐵電動機的最常見控制方法中，對于最小銅損耗，來自定子電流的通量與來自磁鐵的通量間存在90°，在恒定功率范圍上，最大電流出現在最小(或基本)轉速下，最大電壓出現在最高轉速下，它們的乘積大于任何轉速下的乘積。為了對此作出改進，對于達到電壓極限時直至基本轉速的轉速，電流通常與磁鐵反電動勢相對準(在各向同性電感的情況中)，然后通過利用通量削弱維持恒定功率直至最大轉速。在通量削弱中，磁通量與來自定子電流的通量相抵消，定子電流與附加非轉矩產生電流分量有關，該電流使最大轉矩對準的總電流矢量超前90°。
根據本發明，首先，將恒定功率范圍的兩個極端轉速下的電流和功率因數設計為相等，在基本轉速下電流滯后于電壓，在最大轉速下電流超前于電壓。如圖2所示。其次，不只是對于超過基本轉速的轉速引起通量逐步削弱，在基本轉速下也采用明顯的通量削弱。所采用的通量削弱的量是可變的，事實上，如果明顯很高的電流是可以允許的，可以實現任意接近于1的功率因數。由于這會引起電動機的冷卻問題，折衷方案是在基本轉速下電流超前約等于功率因數角，正如圖2所示。
如圖2所示，如果基本轉速除以最大轉速的比率是s，那么，對于恒定功率s也是電樞通量垂直于磁通量的分量的比率。從圖2中可以看出，在基本轉速下的電流超前和功率因數角是相等，它們必須都是相等的。cos-1(3+s4)]]>在圖2中δ＝負載角α1＝在基本轉速下的電流超前角α2＝在最大轉速下的電流超前角θ1＝在基本轉速下的功率因數角θ2＝在最大轉速下的功率因數角直線v1代表在基本轉速下的總通量(正比于電壓)直線v2代表在最大轉速下的總通量(正比于電壓)直線i1代表在基本轉速下的電樞通量(正比于電流)直線i2代表在最大轉速下的電樞通量(正比于電流)在例舉的實施例中，所需的恒定功率范圍在約32,000rpm基本轉速至約48,000rpm之間，即它在1至1.5的范圍。對于這一轉速范圍，如果電流超前角α1和功率因數角θ1二者都是17°(最靠近度數)，那么它們在基本轉速32000rpm下是相等的。這對應于非常好的功率因數，pf＝0.96。在最大轉速48000rpm下的電流超前角α2應當為50°。所需的負載角δ，即磁鐵反電動勢的電壓超前是34°并且在基本和最大轉速下是相同的。電流超前意味著電流在最小值上恰好增加4％，對于假設在基本轉速下沒有通量削弱的這種電動機，可能在基本轉速下提供轉矩。采用更大的電流，可以實現略高的功率因數(和輸出功率)，但是，這是以電動機更大或更熱為代價的。
由于已經使功率因數、電流和輸出功率在恒定功率區的兩個端值處相等，因此，電壓v必須也是相等的。然而，對于中間的轉速，功率因數增大，穿過1，那么功率因數角從正變為負。如果與恒定輸出功率一起維持恒定電流，那么，在這些中間轉速下電壓v必須略有下降。另一方面，可以將v維持在常量上，電流i在中間轉速下下降，或者通過將v和i維持在常量上可實現略高的功率。
電動機控制器如圖3所示意的。控制器包括微控制器30、功率級32、電動機10和傳感器33。傳感器33包括三個以120°圍繞轉子定位的傳感器，將信號提供給計算器34。計算器確定轉子的轉速及其位置，該速度與比較器36中命令轉速ω相比較。比較器36包括使信號能夠提供給控制器/變流器37的切換開關，功率級32采用控制器/變流器37的輸出以合適的相位角給電動機提供功率，以維持功率因數接近于1。通過監測電動機轉速和根據是否需要增大或減小而改變電壓矢量，維持功率在電動機轉速范圍上基本恒定不變。
雖然本發明的電動機是為現代冷卻劑，如冷卻劑R134A專門設計的，但是，它也可以構造驅動采用氨水作為冷卻劑的系統中壓縮機的電動機。為此，電動機繞組和與其相關的其它任何接線則由含有金屬，較佳地為銀或鋁的非銅材料形成。轉子的磁性較佳地是密封的，以致于不與氨水冷卻劑接觸。
本發明的電動機在用于致冷系統中時將使冷卻劑循環通過電動機而致冷。
權利要求
1.一種高速無刷直流電動機，其特征在于所述電動機的轉子包括在直徑方向上磁化的固態稀土族磁心，所述轉子包括環繞所述磁心的套管，以便在轉子高速旋轉期間在徑向上限制磁心，所述套管從磁心軸向的兩個方向上延伸，從而形成轉子的空心軸，所述套管由非磁性、低電導率的材料制成。
2.如權利要求1所述的電動機，其特征在于所述磁心由釹鐵硼形成。
3.如權利要求1或2所述的電動機，其特征在于所述磁心被壓縮夾持在所述套管內。
4.如權利要求1、2或3所述的電動機，其特征在于所述轉子的共振彎曲頻率超過最大旋轉頻率。
5.如權利要求1所述的電動機，其特征在于所述轉子支承在活性磁性軸承上，所述軸承使轉子既在軸向上又在徑向上定位。
6.如權利要求1所述的電動機，其特征在于所述轉子套管由鉻鎳鐵合金(Inconel)形成。
7.如權利要求3所述的電動機，其特征在于所述磁心保持在低于通過使所述套管預加應力引起的壓縮負載(靜止時)。
8.如權利要求7所述的電動機，其特征在于所述的預應力是通過使組裝的磁心和套管具有明顯的熱差產生的，所述套管收縮在所述磁心上。
9.一種高速無刷直流電動機，其特征在于所述電動機包括轉子和控制電路，所述轉子包括被限制套管所環繞的固態稀土族磁心，所述控制電路包括具有預定額定值的電子變流器，控制電路包括通過改變所提供電樞電流相對于反電動勢的超前角，由此引起在整個恒定功率轉速范圍上的通量削弱，在基本轉速到最大轉速的電動機轉速范圍內維持功率基本恒定同時維持功率因數接近于1的裝置。
10.如權利要求9所述的電動機，其特征在于將在功率轉速范圍的兩個端值上的電流和功率因數設計為相等，在基本轉速下電流滯后于電壓，在最大轉速下電流超前于電壓。
11.如權利要求9或10所述的電動機，其特征在于設計的基本轉速約為3200rpm，設計的最大轉速約為48000rpm，在設計的基本轉速下在最大功率下的電流超前約在15°至20°之間。
12.如權利要求9、10或11所述的電動機，其特征在于在基本轉速下電流滯后于電壓，在最大轉速下電流超前于電壓。
全文摘要
一種高速無刷直流電動機具有一個包括在直徑方向磁化的固態稀土族磁心(17)的轉子(10)。轉子(10)包括環繞磁心(17)的套管(18),在其高速旋轉期間在徑向上限制磁心。套管(18)從磁心軸向的兩個方向上延伸,形成轉子(16)的空心軸。套管(18)是由非磁性的低電導率的材料制成的。設置控制電路(14),它包括預定額定值的電子變流器。控制電路包括在基本轉速到最大轉速的電動機轉速范圍內維持功率基本恒定同時維持功率因數接近于1的裝置。
文檔編號H02K1/27GK1249862SQ98802972
公開日2000年4月5日 申請日期1998年1月23日 優先權日1997年1月24日
發明者H·C·洛瓦特, P·A·沃特森 申請人:聯邦科學與工業研究組織, 悉尼技術大學