感应电动机
阅读说明：本技术 感应电动机 (Induction motor ) 是由 亨里克·格罗普 霍尔格·佩尔松 于 2020-03-19 设计创作，主要内容包括：描述了一种用于电机(1)的转子(3)。该转子(3)包括：转子轴线(4),该转子(3)被配置为围绕转子轴线(4)旋转；以及至少一个传导元件,被配置为沿转子轴线(4)的方向传导电流。转子的特征在于传导元件内的电阻率随着与转子轴线(4)相距的距离减小而减小。(A rotor (3) for an electrical machine (1) is described. The rotor (3) comprises: a rotor axis (4), the rotor (3) being configured to rotate around the rotor axis (4); and at least one conducting element configured to conduct an electric current in the direction of the rotor axis (4). The rotor is characterized in that the electrical resistivity in the conductive element decreases with decreasing distance from the rotor axis (4).)
技术领域
本公开涉及实心凸极同步电动机和鼠笼式感应电动机类型的电动机。本公开还涉及用于生产这种电动机的方法。
背景技术
自大约120年来，鼠笼式感应电动机一直是该行业的主力军。它们是稳固耐用且经济高效的电动机。鼠笼式感应电动机包括承载三相绕组的定子和带有鼠笼的转子，该鼠笼包括压铸短路转子导条或机加工短路转子导条。使用压铸转子导条在低功率的小型机器应用中更为常见，而机加工导条在高功率的大型机器应用中更为常见。其原因主要是由于冷却熔融材料而难以压铸长转子导条。转子导条通常由铜或铝制成。通过改变转子导条的材料，感应电动机获得不同的启动特性。与高电阻率材料(例如，铝)相比，低电阻率材料(例如，铜)将具有在更高转子速度下发生的击穿转矩(break-down torque)。高电阻率材料(例如，铝)的启动转矩高于低电阻率材料(例如，铜)。今天，可以通过在导条中使用高电阻率材料来启动高负载转矩，但由于整个导条由单一材料制成，所以这些电动机的效率低下。与铝转子感应电动机相比，铜转子感应电动机具有更高的效率。US 2014/0091668A1描述了混合转子导条组件、包括混合转子导条组件的电动机及其组装方法。混合转子导条组件包括铜转子导条以及衬在转子导条上的铝垫片。铝垫片的作用是收紧鼠笼中的铜转子导条，以免软铜转子在膨胀或收缩时刮伤或磨损。铝垫片还用作辅助转子导条，其提高了电动机的启动转矩。
然而，与根据现有技术的感应电动电动机相比较，仍然需要改进具有转子导条的感应电动机，该感应电动机与传统高电阻率转子相比具有改进的效率以及改进的启动转矩。同步电动机也需要改进启动转矩特性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于感应电机和/或实心凸极型同步机器的转子，该转子至少缓解了现有技术的问题中的一个问题。
本发明的另一目的是提供一种用于鼠笼式感应电动机和/或实心凸极型同步机器的转子，该转子使得与根据现有技术的电机相比较，感应电动机和/或实心凸极型同步机器能够在作为电动机运行时具有高效率和良好的启动转矩特性。
这些目的中的至少一个目的设有根据独立权利要求所述的转子。
从属权利要求的特征提供了其他优点。
根据本发明的第一方面，一种用于电机的转子，该转子包括：转子轴线，该转子被配置为围绕该转子轴线旋转；以及至少一个传导元件，被配置为沿转子轴线的方向传导电流。转子的特征在于传导元件内的电阻率随着与转子轴线的距离减小而减小。
当转子受到来自例如定子的磁场时，在传导元件中感应出电流并且在转子上产生转矩。
由于电流分布由趋肤效应确定，所以传导元件的与转子轴线相距最大距离处的部分将决定高转差下的启动特性。随着转子速度增加，由于趋肤效应，所以传导元件中的电流将连续深入到传导元件中。
传导元件中的电阻率可以随着与转子轴线相距的距离减小而连续减小。通过使电阻率连续减小，可以优化转子被布置在其中的电机的启动特性和稳态时的效率。
作为使电阻率连续减小的备选方案，传导元件中的电阻率可以随着与转子轴线相距的距离减小而逐级减小。其中电阻率逐级减小的传导元件比电阻率连续减小的传导元件更易于制造。
传导元件的电阻率在与转子轴线相距特定距离处可以是恒定的，即，垂直于传导元件的长度轴线的电阻率分布(profile)沿着整个传导元件是相同的。
转子可以是实心凸极型的。这种类型的转子具有由固体金属制成的传导元件，例如，极靴。
作为第二备选方案，转子可以用于鼠笼式感应电动机，并且传导元件可以用于转子导条。鼠笼式感应电动机通常包括若干个转子导条，这些转子导条插入转子笼中的槽中，该转子笼由层压钢板组成。
转子导条可以至少包括由具有第一电阻率的材料构成的第一层、以及由具有低于第一电阻率的第二电阻率的材料构成的第二层，其中第二层被布置为比第一层更靠近转子轴线。这是用于鼠笼式感应电动机的转子的转子导条的最简单实施例，并且提供了启动转矩特性和稳态下的效率的更好组合。
第一层可以由铜和锌的合金构成，并且第二层可以由铜构成。这种材料组合提供了期望电阻率差异。
转子导条可以具有随着与转子轴线相距的距离减小而连续减小的电阻率。通过使电阻率连续减小，可以优化感应电动机的特性。
转子导条可以由铜和锌的合金构成，其中合金中锌的比率随着与转子轴线相距的距离减小而减小。这是转子导条的有利实施例。
转子导条可以通过增材制造来制造。这为转子导条中电阻率如何变化提供了很大的自由度。
下文参考附图对本发明的优选实施例进行描述。附图未按比例绘制。不同附图中的相似特征由相同的附图标记表示。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的实施例的具有转子的鼠笼式感应电动机类型的感应电动机。
图2示意性地示出了图1的感应电动机1的纵向截面视图。
图3a至图3c示出了图1和图2的电动机的转子导条的三个不同实施例。
图4示出了根据本发明的另一实施例的具有转子的实心凸极同步电动机的截面视图。
图5示出了由不同材料制成的导条之间的启动特性的比较。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的实施例的具有转子的鼠笼式感应电动机类型的感应电动机1。电动机1包括定子2和具有转子轴线4的转子3，转子3与定子2之间布置有空气间隙5。转子3包括传导材料，并且在电动机1的操作期间，定子2被布置为提供主磁场，该主磁场在转子3上产生相对于定子2的转矩。转子3包括转子轴13，转子轴线4延伸穿过该转子轴13。转子包括大量槽10，转子导条布置在这些槽10中。
图2示意性地示出了图1的感应电动机1的纵向截面视图。示出了槽10中的两个槽。转子3中的传导材料包括呈转子导条6形式的由固体传导材料制成的若干个传导元件，图2中仅示出了其中一个传导元件。转子导条6被示为部分插入对应槽6中。每个转子导条6内的电阻率随着与转子轴线4相距的距离减小而减小。转子导条6包括长度轴线8，并且以其基本平行于转子轴线4的长度轴线8沿着在操作期间由定子2提供的主磁场的至少一半延伸。然而，在图2中，转子导条6沿着转子中的整个铁延伸。如边界9所示，定子2的主磁场受到定子2和转子3中的铁的约束。定子2的主磁场利用虚线9指示。转子3包括其中形成槽10的层叠钢板。转子导条6布置在槽10中。
转子导条6可以通过增材制造(AM)来制造。通过本技术，可以3D打印由几种材料或甚至混合材料组成的转子导条6，以在垂直于转子导条6的长度轴线8的整个高度上在不同材料之间具有连续过渡。这样，与根据现有技术的单材料转子导条设计相比较，可以以对效率更小的影响在电动机1的整个启动操作期间优化电动机1的启动特性。这是由于转子导条6的更靠近转子轴线4的部分中的低电阻率。理论上讲，转子导条6可以被设计为使得电动机1可以在整个启动操作中依靠击穿转矩。这可能会导致极高的每电流性能转矩(torque percurrent performance)。实际上，这不太可能，因为这在转子导条6的顶部部分处需要非常高的电阻。不过，将预期启动特性的极大改进以及效率比在转子导条6中使用单个均质材料的电动机1更高。
由于在转子3中感应的频率随着转子3的速度而减小，因此随着电动机1加速，转子导条6的趋肤深度将增加并且转子导条6中的电流将越来越深地穿透到转子导条6中。因此，出于启动的目的，期望转子导条6的与转子轴线4相距最大距离的部分具有高电阻率，并且转子导条6的更靠近转子轴线4的部分具有较低的电阻率，以便稳态操作。因此，沿着垂直于长度轴线8的高度具有变化电阻率的转子导条6将提供电动机的良好启动特性，同时在稳态操作下维持高效率。这种多材料转子导条6设计可以通过增材制造或其他方式制造。
图3a至图3c示出了转子导条6的三个不同实施例。图3a中所示的转子导条具有两个层11'和11”。图3a中的最上层11'要布置在与转子轴线4相距最大距离处并且具有比最下层11”更高的电阻率。最上层11'可以由铜和锌的合金组成，而最内层可以由纯铜制成。适用于与转子轴线4相距最大距离处的层的合金是以名称CuZn37出售的合金。图3b中所示的转子导条6具有随着与转子轴线相距的距离减小而连续减小的电阻率。图3c中所示的转子导条具有布置在槽10中的8个不同层11。图3a至图3c中的转子导条6以矩形形状图示。然而，转子导条6可以具有任何形状。层的形状不必是矩形，并且层11的厚度不必是恒定的。不同层11中的材料优选地包括铜和锌的合金，其中层中锌的比率朝向转子轴线4减小。最靠近转子轴线4的层可以是基本上纯铜的。图3a至图3c中所示的转子导条优选地使用增材制造技术制造。这对于图3b和图3c中所示的实施例尤其重要，其可能特别难以使用其他方法制造。
图4示出了根据本发明的另一实施例的形式为具有转子的实心凸极同步电动机的电动机1的轴向视图。电动机1包括定子2以及具有转子轴线4的转子3，转子3与定子2之间布置有空气间隙5。转子3包括传导材料，并且在电动机1的操作期间，定子2被布置为提供主磁场，该主磁场在转子3上产生相对于定子2的转矩。转子3包括形式为极靴12的传导元件。极靴12包括变化电阻率，其中电阻率随着与转子轴线4相距的距离减小而减小。出于强度考虑和磁性能的考虑，实心凸极同步机器中的极靴通常由钢制成。
图5示出了图3中所示的由不同材料制成的转子导条6之间的启动特性的比较。曲线21在左轴线上示出了电流，该电流作为由铜制成的转子导条6的转子3中的感应磁场的旋转速度的函数。曲线22示出了由铝制成的转子导条6的电流，而曲线23示出了由CuZn37制成的转子导条6的电流。曲线31在右轴线上示出了转矩，该转矩作为由铜制成的转子导条的转子3中的磁场速度的函数。曲线32示出了由铝制成的转子导条6的转矩，而曲线33示出了由CuZn37制成的转子导条6的转矩。左侧上的刻度以千安(kA)为单位。右侧上的刻度以千牛顿米(kNm)为单位。x轴线上的速度示出了以每分钟转数(rpm)为单位的转子的旋转速度。当转子以同步速度运行时，旋转速度为1500rpm。当转子静止时，旋转速度为零。从图5中可以清楚地看出，1500rpm时的转矩对于CuZn37最高，其次是铝和铜。此外，还表明零速时的电流对于铜最高，其次是铝和CuZn37。击穿转矩的高速度相当于低转子电阻损耗。
在没有背离本发明的范围的情况下，可以以许多方式修改上文所描述的实施例，本发明的范围仅由所附权利要求限定。
包括电阻率减小的传导元件的想法还可以应用于异步启动的其他机器类型，诸如直接启动(line started)的永磁电动机。更进一步地，相同的概念可以应用于线性机器。在线性机器的情况下，相对于定子移动的对应运动元件应被视为构成转子，其转子轴线应被视为远离运动元件无限远。
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