高效同步电动机及其应用.pdf

本发明是一种节电效果显著的节能型高效同步电动机，定子电枢采用单层绕组或双层整距绕组或双层短距绕组或同相并列双绕组；转子采用圆筒形永磁转子或插瓦形永磁转子或隐极式励磁转子；用做电动机可节电25～65％，输出的机械功率约为输入电功率的1.2～2.4倍。两台功率相匹配的高效同步电机组成一台磁力联动电能机；若干台功率逐级累积递增的电能机组成大功率的移动式或固定式磁能联合电站，小功率的电能或机械能从首端输入，经过多级累积递增后从终端级输出大功率的电能。

1、  高效同步电动机由定子和转子两部分组成，其特征是：定转子磁极径向对称分布，气隙在0.5～5mm之间，极数2～9对，输出的机械功率约为输入电功率的1.2～2.4倍、与同功率的异步电动机相比可节电25～65％；定子铁芯用厚度≤0.5mm的高磁导率电工钢片制成，电枢采用单层绕组或双层整距绕组或双层短距绕组或同相并列双绕组；转子由中心有转轴，外圆表面有1～4条浅直沟槽的圆柱体转子铁芯与紧套在其外的圆筒形永磁体构成，磁筒内壁面有1～4条与铁芯沟槽相配的定位筋；两端有永磁体轴向定位非磁档圈、档圈固定在转子铁芯端部。

2、  如权利要求1所述的高效同步电机，其特征是：转子由中心有转轴、外圆表面有2～9对双向燕尾槽的圆柱体铁芯与插入其槽内的插瓦形永磁体构成，永磁瓦两侧有定位双向斜边。

3、  如权利要求1所述的高效同步电机，其特征是：转了由中心有转轴，外圆面有2～9对磁极和线槽、槽内并列嵌有励磁绕组或双层绕组的圆柱体铁芯构成。

4、  如权利要求1或2所述的高效同步电机，其特征是：永磁转子装进机内进行传导充磁，将任意一相定子线圈组接到直流电源上，可对圆筒形永磁体充磁；将装机时确定的一相定子线圈组接到直流电源上，并且使转子永磁瓦的轴线与定子直流电磁极的轴线相重合，可对插瓦形永磁体充磁；充磁时输入绕组允许短时间通过的最大电流，使永磁体得到充分磁化。

5、  如权利要求1、2或3所述的高效同步电机，其特征是：转子铁芯由整块铁磁材料制成或由导磁冲片叠成，铁芯两端面围绕转轴对称分布若干个轴向通孔。

6、  磁力联动电能机，其特征是：由高效永磁或励磁同步电动机带动功率相匹配的永磁或励磁同步发电机，组成磁力联动电能机；当发电机的额定效率在90～98％，同步电动机的功率因数为1时，电能机输出的电能约为其电动机消耗电能的1.1～2.2倍。

7、  如权利要求6所述的磁力联动电能机，其特征是；同轴联体结构，电动机和发电机的转子共用一根转轴，定子采用加长型整体机座或对接式组合机座。

8、  磁能联合电站，其特征是：由若干台如权利要求6或7所述的额定功率逐级递增的磁力联动电能机，组成大功率的移动式或固定式磁能联合电站；小功率的电能或机械能从首端输入，以1.1～2.2的递增倍率经过若干级的逐级累积递增，最后从终端级输出大功率的电能。

9、  如权利要求8所述的磁能联合电站，其特征是：首端电能机的发电机在转轴两端通过离合器各自连接一台动力机，其中一台是接力用的高效永磁或励磁同步电动机，另一台是起动用的异步电动机或直流电动机或内燃机，起动机依靠外能起动后拖动首端发电机运转发电，首端电能经多级累积递增后，在输出端分取小功率的电能回馈供给接力电动机，接力运转正常后，脱开并关闭起动机，电站联合机组自行维持运转。

10、  如权利要求8所述的磁能联合电站，其特征是：首端电能机的发电机由氢气发动机带动，起动时发动机消耗储备氢气工作，带动首端发电机发电，首端电能经多级累积递增，在输出端分取小功率的电能、经整流后用以电解水生产氢气和氧气，供给首端发动机工作消耗，电站机组依靠自能维持运转。

高效同步电动机及其应用
本发明涉及一种节能型的同步电动机及其应用。
本发明是在异步电机和同步电机的基础上改造而成的。异步电动机在接通两相或三相交流电的瞬间，转子是静止的，定子旋转磁场以同步速切割转子绕组，转子中感应出很大的感应电流，而感应电流的磁场总是与原磁场的方向相反，起去磁作用，定子磁通减弱导致电枢绕组中的感应反电动势降低，在电源电压不变的情况下，定子绕组立即增大一个与转子感应电流大小相等、方向相反的负载电流分量，以平衡转子的去磁作用，并推斥转子同向旋转，当转差率降低到额定水平，转子绕组切割磁场的相对速度大降，转子感应电动势及其感应电流大减，电枢电流相应地减少相同的分量，电动机由起动进入正常运转。可见，定子的负载电流分量恰恰是与转子感应电流相对的等量电流或者说电动机的负载电流分量是由与定子磁场相斥或反向的转子磁通引起的。
本发明的目的是提供一种节电效果显著的高效同步电动机。
本发明的另一个目的是提供一种能够将小功率的电能或机械能通过逐级累积递增的方法变成大功率电能的磁能联合电站。
高效同步电动机由定子和转子两部分构成，定子铁芯采用厚度≤0.5mm的高磁导率电工钢片制成，电枢采用单层绕组或双层整距绕组或双层短距绕组或同相并列双绕组；定转子磁极径向对称分布、极数2～9对；转子由中心有转轴，外圆表面有1～4条浅直沟槽的圆柱体转子铁芯与紧套在其外的圆筒形永磁体构成，磁筒内壁面有1～4条与铁芯沟槽相配的定位筋；转子也可以由中心有转轴、外圆表面有2～9对双向燕尾槽的圆柱体铁芯与插入其槽内的插瓦形永磁体构成，永磁瓦两侧有定位双向斜边；永磁转子的两端有永磁体轴向定位非磁档圈，档圈固定在转子铁芯端部。转子还可以由中心有转轴，外圆面有2～9对磁极和线槽，槽内并列嵌有励磁双绕组或双层绕组的圆柱体铁芯以及滑环、风扇等构成。转子铁芯可以由整块的铁磁材料制成，也可以由导磁冲片叠成，铁芯两端面围绕转轴对称分布若干个轴向通孔，以利通风散热及减轻转子的重量。
永磁转子可以装进机内进行传导充磁，方法是将任意一相定子线圈组接到直流电源上，即可对圆筒形永磁体充磁；将装机时确定的一相定子线圈组接到直流电源上，并且使转子永磁瓦的轴线与定子直流电磁极的轴线相重合，可对插瓦形永磁体充磁；充磁时输入绕组允许短时间通过的最大电流，使永磁体得到充分磁化。
高效同步电动机的工作原理：永磁同步电动机停止运行时，转子恒定磁场的磁通路径为：转子N极→气隙→定子铁芯→气隙→转子S极→转子N极；同步电动机空载运行时，定子绕组中流过的空载励磁电流I₀→产生的旋转磁通φ₀→与转子永磁极相互吸引，把转子牵入同步，使转子与旋转磁场一起以同步转速旋转，定转子磁通基本上构成旋转的闭合磁路，其路径为：定子N极→气隙→转子S极→转子N极→气隙→定子S极→定子N极；同步电动机负载运行时，由于负载力矩的制动作用，定转子磁极的轴线不再重合，定子磁极超前，转子磁极相对滞后，形成的功率角随负载的增大而增大，定子绕组中的电流I₁产生的磁通φ₁与转子上恒定的磁通φ₂部分相吸，部分相斥，保持同速、同向旋转，处于相对静止的状态。φ₁与φ₂的合磁通平衡方程式：φ₁+φ₂＝φ_m或φ₀+φ_1L+φ₂＝φ_m、φ₁＝φ₀+φ_1L
可见，在负载运行时，定子的旋转磁通φ₁包含两个分量：一个是空载分量φ₀，用来产生旋转磁场；另一个是负载分量φ_1L用来平衡反向的转子磁通。
高效同步电动机的节电原理：高效永磁或励磁同步电动机由转子提供恒定或可调的转子磁通φ₂，并通过两段较短的气隙与定子铁芯构成闭合磁路，因此与输出相同功率的异步电动机相比，建立同样的空载磁通所需的励磁电流较小，一般约为异步电动机空载电流的10～50％。高效同步电动机负载运行时，由于负载力矩的制动作用，使转子磁极滞后于定子磁极，形成一个功率角，又由于定转子磁极的气隙较短，异性定转子磁极相互吸引产生的牵引力矩较强，使转子吸斥合力转矩中的吸引力矩与推斥力矩的分量大致相等或相近，则有约φ₂/2的转子磁极与定子磁极相斥，因此，定子磁通地负载分量φ_1L≈φ₂/2。定转磁极的相斥作用使转子获得推斥转矩的同时也使对应的定子磁通遭到削弱，导致电枢绕组中的感应反电动势降低，在电源电压不变的前提下，流过定子的电流增加，用来产生更大的磁通，以平衡转子反向磁通的去磁作用。由于高效同步电动机的永磁或励磁转子产生的转子磁通φ₂约等于同功率异步电动机的感应转子在额定负载时产生的感应磁通φ′₂，因此，定子磁通的负载分量φ_1L≈φ₂/2≈φ′₂/2，在负载转矩不变的前提下，其负载电流约为异步电动机负载电流的50％左右。与输出功率相同的异步电动机相比，高效同步电动机的节电率按下式计算：
节电率＝1-高效同步电动机的I′_N/对比异步电动机的I_N
I′_N＝对比异步电动机的空载电流×10～50％+负载电流×50～85％。
高效同步电动机的额定电流约为同功率的异步电动机额定电流的35～75％，节电率约在65～25％之间，输出的机械功率约为输入电功率的1.2～2.4倍。并可通过合理设计或并联电容器的方法将其功率因数提高到1。
交流电动机定子腔内的旋转磁场，其实质是由通过定子绕组的两相或三相交变电流以同步速定向连续变换定子磁极的位置而产生的；定子磁极换位在先，转子磁极紧随其后，在空间位置上，定子磁极的轴线始终超前于转子磁极的轴线，这样就形成了同步电动机的转子磁极与超前的异性定子磁极相吸，与次后的同性定子磁极相斥的情形；定转子磁极相吸时，穿过电枢绕组的磁通得到增强，绕组的感应反电动势升高，流过定子的电流减小；由此可见，同步电动机定转子磁极的相吸能减小定子绕组的电流，即能达到节电的目的。同步电动机定转子磁极吸斥的分量，取决于气隙和负载，当负载一定时，就取决于气隙的大小；因此使定转子磁极保持最大分量的相吸，有效的解决办法就是适当缩短气隙，使之接近或等于异步电动机的气隙；因为距离靠近，异性磁极的相互吸引力矩增强，另外，增加磁极对数、有利于缩短气隙，提高电磁转矩；高效同步电动机的气隙在0.3～5mm之间，磁极数在2～9对之间。
磁极无论相吸或相斥，都能使磁体发生相对运动，对于同步电动机来说，不论定转子磁极相吸，还是相斥，都能使转子获得转矩，相吸与相斥的结果一样，但其性质却大不相同，因为相斥虽然能使转子获得转矩，但定子电流却随着转矩的增大而相应地增大；相吸同样也能使转子获得转矩，但定子电流不会增大而是维持空载电流。因此，定转子磁极保持一定分量的相吸是同步电动机在不减小输出功率的前提下大幅度节省电能的坚实基础和唯一途径。只要设计合理，高效同步电动机与同功率的异步电动机相比，小型机最高可节电65％，大中型机最高可节电58％。
与输出功率相同的异步电动机相比，同步电动机在接通交流电的一瞬间，当定转子磁极全部相斥时，起动电流高于异步电动机；当定转子磁极一半相吸，一半相斥时，起动电流相当于异步电动机的一半，当定转子磁极全部相吸时，起动电流小于异步电动机的额定电流。高效同步电动机如果采用自控式变频调速方法，就能调控变频器输出电流的频率和相位，起动瞬间可使定转子磁极处于半吸半斥或全部相吸的低频起动状态，使起动电流不超过异步电动机的一半。
鉴于高效同步电动机的节电效果显著，起动电流较小，变频起动时转矩较大，不仅可以将其作为一种节能型的牵引电动机使用，还可以使其发挥更加独特的作用，那就是用高效永磁或励磁同步电动机带动功率相匹配的高效永磁或励磁同步发电机，组成磁力联动电能机，将高效同步电动机节省的电能转变成新的电能对外输出。当发电机的额定效率在90～98％，同步电动机的功率因数为1时，电能机输出的电能约为消耗电能的1.1～2.2倍。为了更进一步发挥电能机的独特作用，可以将若干台额定功率逐级递增的磁力联动电能机联合起来，组成大功率的移动式或固定式磁能联合电站；小功率的电能或机械能从首端输入，以1.1～2.2的递增倍率经过若干级的逐级累积递增，最后从终端级输出大功率的电能。多级联合电能机成套机组从首端到终端，由小到大按顺序一级推动一级，组成一整套独立的电能生产线，其级数和功率可以按需要设计。高效同步电动机可以通过皮带或齿轮或联轴器带动高效同步发电机，也可以做成同轴联体结构，电动机和发电机共用一根转轴、定子采用加长型整体机座或对接式组合机座。
磁能联合电站首端级电能机的发电机在转轴两端通过离合器各自连接一台动力机，其中一台是接力用的高效永磁或励磁同步电动机，另一台是起动用的异步电动机或直流电动机或内燃机，起动机依靠外能起动后拖动首端发电机运转发电，首端电能经多级累积递增后，在输出端分取小功率的电能回馈供给接力电动机，接力运转正常后，脱开并关闭起动机，电站联合机组自行维持运转。
磁能联合电站首端级电能机的发电机也可以用氢气发动机带动，起动时发动机消耗储备氢气工作，带动首端发电机发电，首端电能经多级累积递增，在输出端分取小功率的电能经整流后，用以电解水生产氢气和氧气，供给首端发动机工作消耗，电站机组依靠自能维持运转。
磁能联合电站每一级电能机的高效同步电动机都在空载状态下起动，待进入正常运转后，再将发电机产生的电能供给下一级电能机的电动机，因此，上一级电能机产生的电能完全能够满足下一级电能机空载起动的需要。
高效永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、维护方便、功率因数高、无励磁消耗、效率大于1的优点，缺点是造价较高，转子磁通和功率因数不可调，用作发电机时，输出电压调节性能差；高效励磁同步电机造价相对较低，效率大于1，转子磁通及功率因数可以根据需要在一定范围内调节是其最突出的优点，缺点是转子结构复杂，励磁消耗不断，需通过电刷和滑环供给励磁电流，磨损件需定期维护更换：既使无刷励磁的同步发电机也需要持续获得励磁电流，根据转子铁芯磁导率的不同，励磁消耗的功率约占输出功率的1/50～1/250。
本发明与现有技术相比，具有下列优点：
1、高效同步电动机起动电流小，起动转矩大；
2、高效同步电动机节电效果好，效率大于1；
3、磁能联合电站在依靠小功率的外力起动以后，就能产生源源不断的大功率电能，且不再消耗机外其它能，也不污染环境。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1是圆筒形永磁转子横截示意图；
图2是插瓦形永磁转子横截示意图；
图3是隐极式励磁转子横截示意图；
实施例1：如图1所示的8极高效永磁同步电机由定子和转子两部分构成，定子的结构与异步电动机相同，转子由中心有转轴(1)、外圆表面有4条对称浅沟槽(6)的圆柱体转子铁芯(2)与紧套在其外的圆筒形永磁体(5)构成，磁筒内壁面有4条与铁芯沟槽相配的定位筋(6)，转子铁芯端面分布8个轴向通孔(3)，(4)为转轴与铁芯的定位键。
实施例2：如图2所示的8极高效永磁同步电机，其定子结构与异步电动机相同；转子由中心有转轴(1)、外圆表面有8个双向燕尾槽的圆柱体转子铁芯(2)与紧插入其槽内的8块插瓦形永磁体(5)构成，铁芯双向燕尾键(6)将永磁瓦紧固在燕尾槽内，转子铁芯端面分布8个轴向通孔(3)，(4)为转轴与铁芯的定位键。
实施例3：如图3所示的6极高效励磁同步电机，其定子结构与异步电动机相同；转子由中心有转轴(1)、外圆面有3对磁极(7)和6个线槽，槽内并列嵌有励磁双绕组(6)，槽口用非磁槽楔或磁性槽楔(5)封闭，转子铁芯端面分布6个轴向通孔(3)，(4)为转轴与铁芯的定位键。
定子铁芯采用高磁导率的优质电工钢片，转子铁芯采用高磁导率的铁磁材料；转子永磁采用高剩磁和大矫顽力的稀土永磁材料，永磁转子机内充磁，可使永磁同步电机向大中型发展。磁能联合电站与火电、水电、核电三大主流电站相比，是最理想的绿色环保电站，可在需要电能的地方就近建站发电，免去远距离输电，满足用电需求。