[发明专利]高速电动机的改进

说明书

发明的领域

本发明涉及高速电动机的改进，尤其涉及高速无刷直流电动机。

本发明将具体参考其作为冷却剂、空气或气体压缩机的电动机的应用进行描述，尽管如此，应当明白本发明的原理可以应用于其它应用中所使用的电动机上。

发明背景

用作压缩机电动机的高速无刷直流电动机的设计和构造存在许多问题。

这种电动机必须产生在负载范围内对作为压缩机电动机是有效的足够的功率。为了使电动机和压缩机的组合体积减至最小，需要设计一种高速、低转矩、高效率的电动机。

高速无刷直流电动机是众所周知的。在这方面，可以参考教科书“直流机器”，Say和Taylor著，第二版(Pitman International)，尤其是4.8、5.10和11.4节。这种电动机产生的功率输出通常比冷却剂压缩机电动机所需的要低。这种电动机的一种型式采用一种稀土族磁性材料(具体说是钕铁硼[NdFeB]类)。然而，这种材料和其它的稀土族材料通常具有低抗张强度且有些脆。这使其局限用于相对较低功率的高速电动机，它们不适合于作压缩机电动机。

在采用目前可供使用的被认为是有利于环保的诸如R134A和CFC冷却剂的新型冷却剂的致冷压缩机应用中，不可以使用与冷却剂化学不兼容的润滑剂。这可能排斥在压缩机中使用一般的轴承，因此需要能够使用象磁性或箔轴承的非接触轴承。因此，在驱动电动机中也使用这种轴承。

本发明的目的是设计一种具有相对较高的功率输出和甚高的功率容积比的高速电动机。

本发明的再一个目的是设计一种能够被用作冷却剂压缩机的电动机，转子较佳地是由诸如磁性轴承、箔轴承的无油或非接触轴承支承的，但是在不同的应用中也能够与标准轴承一起使用。

还需要提供一种作为压缩机电动机使用的电动机，电动机的控制能够采用成本相对较低的控制电路来实现。

还需要提供一种在其转子结构中加入了提供所需机械强度的稀土族磁性材料的电动机。

发明概要

根据本发明的一个方面，提供一种高速无刷直流电动机，它具有包括在直径方向磁化的固态稀土族磁心的转子，所述转子包括环绕所述磁心的套管，在转子高速旋转期间在径向上限制磁心，该套管从磁心轴向的两个方向上延伸，形成转子的空心轴，套管由非磁性的低电导率的材料制成。

利用转子套管形成空心的电动机轴，使转子的重量最轻，因此减轻了对轴承的负载，同时仍然提供所需的轴刚度和提供一种经济有效的构造方法。

为了达到最大效率和最低成本，本发明的电动机在转子上采用固体稀土族磁心。电动机较佳地设计成在20,000rpm至50,000rpm的工作转速下运转，这可缩小电动机和压缩机的体积。然而，这样的高旋转转速对电动机提出苛刻的机械要求，电动机必须承受旋转产生的高的离心力。电动机还必须具有足够的刚性以致于其共振弯曲频率超过最大旋转频率。转子还必须尽可能地轻，以使转子轴承上的负载减至最小。

在供冷却剂压缩机一起使用的本发明的较佳实施例中，转子支承在活性磁性轴承上，磁性轴承使转子既在轴向又在径向上定位。然而，在不同的环境中可以将其它形式的常用机械轴承或其它类型的非接触轴承与本发明的电动机一起使用。

转子套管较佳地是由非磁性的高强度金属，如铬镍铁合金(Inconel)形成，它具有相对较高的杨氏模量并能够提供转子轴所需的必要弯曲稳定性。

在本发明的较佳形式中，使稀土族磁心维持在低于通过对套管预加应力压缩负载(静止时)。这种预应力可以通过使组装的磁心和套管具有明显的热差，例如通过对套管加热来产生。形成的磁心的外径和套管的内径提供精密幅度的压配合。当套管收缩在磁心上时，相对尺寸变化在径向和轴向两个方向上引起磁心的轴向和径向压缩。在转子旋转时，产生的离心力被套管中的张力所抵消，所以在最大旋转转速下，在磁心中产生最小张力(如果有的话)。因此，由套管施加在磁心上的压缩力保证具有低抗张强度的磁心材料不会因转子上的旋转力产生开裂、移动、变形等。

根据本发明的另一个方面，提供一种高速无刷直流电动机，它包括转子和控制电路，转子包括由限制套管环绕的固态稀土族磁心，控制电路包括预定额定值的电子变流器，控制电路包括通过改变所提供电枢电流相对于反电动势的超前角，由此引起在整个恒定功率转速范围上通量削弱，在基本转速到最大转速的电动机转速范围内维持功率基本恒定同时维持功率因数接近于1的装置。在这一范围的两端上的电流和功率因数设计为相等，在基本转速下电流滞后于电压，在最大转速下，电流超前于电压。