CN101719698B - 永磁自启动同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转子永磁体结构简单、永磁体利用率高，而且在电机中形成的磁场变化最小的永磁自启动同步电机。该电机，包括转子，转子的圆周上设有转子齿和转子槽，以经过转子圆心的转子齿中心线，将转子平均化分为与转子极数相同数量的极区，每个极区中设有圆弧形永磁体，任意相邻的两极区中的永磁体以相邻极区边界的转子齿中心线对称设置。本发明靠圆弧形永磁体与转子槽底的转子铁心既可实现隔磁，不需要单独建立隔磁桥，再通过调整转子槽底到永磁体的距离来调整极间漏磁系数，转子槽在起到隔磁的作用的同时，也能起到启动并牵入同步的作用。

Description

永磁自启动同步电机

技术领域

本发明涉及永磁电机技术领域，具体地说，涉及一种永磁自启动同步电机。

背景技术

IEC60034-3指出：全世界工业用电动机消耗了总发电量的30～40％，其系统优化节能潜力可达到30～60％；国际能源署电动机工作组报告：电动机通过改善效率结合变频调速可以节约世界范围内7％的电能，其中1/4～1/3的节约可来自于改善电动机的效率。

据统计，2007年中国国内市场销售的高效电机占电动机总销量的1％左右。98％以上电机产品是普通效率电动机，比美国的高效电机效率低3％，比超高效电机效率低5％；风机、泵、压缩机产品效率比国外先进水平低3～5个百分点；电机传动调速及系统控制技术差距较大，系统效率比国外先进水平低20～30％，电机系统节能潜力巨大。

推广高效节能电动机、稀土永磁电动机，高效风机、泵、压缩机，高效传动系统等。更新淘汰低效电动机及高耗电设备；采用高效节能电机及系统相关节电设备新装电机系统。逐步限制并禁止落后低效产品的生产、销售和使用。对老旧设备更新改造，重点是高耗电中小型电机及风机、泵类系统的更新改造及定流量系统的合理匹配。

由于感应电动机在额定负载点效率最高，在低负载率下效率和功率因数降低较多，因此即使是高效感应电动机，在实际运行时的效率也是很低的。而高效高起动转矩永磁同步电动机可以替代大一个至两个功率等级的感应电动机，并可在整个运行过程中都保持高效率和高功率因数，节电率可达到20％左右。因此，在某些特殊场合，高效高起动转矩永磁同步电动机将以其优良的性能替代异步电动机。

目前而言，对于小功率马达，永磁自起动马达的效率可以很容易达到94％，而异步马达最高效仅仅92％。因此，目前替代55KW功率以下的马达，永磁自启动电机具有非常明显的优势。如图1至图4所示，一般的永磁自启动电机的转子通常采用一字型，V型，U型或者W型永磁体，采用何种永磁体结构完全依据马达设计中所需永磁体的用量来决定，上述各种结构都需处理好永磁体槽与转子槽之间的关系使其满足机械结构强度，同时一字型，V型，U型，W型中永磁体需要定位，对加工工艺的要求较高，否则，如果永磁体槽空间小，会导致永磁体不能方进去；如果永磁体槽过大，永磁体偏移导致磁路结构不对称，降低电机性能。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的缺陷，提供一种转子永磁体结构简单、永磁体利用率高，而且在电机中形成的磁场变化最小的永磁自启动同步电机。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

本发明第一种实施方式的永磁自启动同步电机，包括转子，转子的圆周上设有转子齿和转子槽，其特征在于：以经过转子圆心的转子齿中心线，将转子平均化分为与转子极数相同数量的极区，每个极区中设有圆弧形永磁体，任意相邻的两极区中的永磁体以相邻极区边界的转子齿中心线对称设置。

本发明中，每个极区中的永磁体的两端部均处于该永磁所在极区转子槽的下方，以使转子槽起到隔磁作用，为了使转子槽的隔磁效果最佳，永磁体的端部设置在转子槽远离极区边界一侧边缘的下方。

由于圆弧形永磁的对称性，每极区中心邻近转子转轴处的磁密低，即使开孔后转子轭部磁密的变化也不大，对马达性能的影响很小，因此可在此处开设定位孔，以便于转子的安装和定位。

本发明中，未了使永磁自启动电机的性能较佳，根据转子的极数P，转子槽数量Qs和定子槽数量Qr应同时满足以下条件：

1)考虑转子磁路对称性，转子槽数为极数的整数倍；

2)为避免起动过程中产生较强的异步附加转矩，应满足Qr≤1.25*(Qs+P)；

3)为避免产生同步附加转矩，应满足Qr≠Qs；Qr≠Qs±P；Qr≠Qs±2P；

4)为避免单向震动力，应满足Qr≠Qs±1；Qr≠Qs±P±1。

本发明第二种实施方式的永磁自启动同步电机，包括转子，转子的圆周上设有转子齿和转子槽，其特征在于：以经过转子圆心的转子槽中心线，将转子平均化分为与转子极数相同数量的极区，每个极区中设有圆弧形永磁体，任意相邻的两极区中的永磁体以相邻极区边界的转子槽中心线对称设置。

本发明中，每个极区中的永磁体的两端部均处于该永磁所在极区转子槽的下方，以使转子槽起到隔磁作用，为了使转子槽的隔磁效果最佳，永磁体的端部设置在转子槽远离极区边界一侧边缘的下方。

由于圆弧形永磁的对称性，每极区中心邻近转子转轴处的磁密低，即使开孔后转子轭部磁密的变化也不大，对马达性能的影响很小，因此可在此处开设定位孔，以便于矽钢片的安装和定位。

本发明中，为了使永磁自启动电机的性能较佳，根据转子的极数P，转子槽数量Qs和定子槽数量Qr应同时满足以下条件：

1)考虑转子磁路对称性，转子槽数为极数的整数倍；

2)为避免起动过程中产生较强的异步附加转矩，应满足Qr≤1.25*(Qs+P)；

3)为避免产生同步附加转矩，应满足Qr≠Qs；Qr≠Qs±P；Qr≠Qs±2P；

4)为避免单向震动力，应满足Qr≠Qs±1；Qr≠Qs±P±1。

本发明靠圆弧形永磁体与转子槽底的转子铁心既可实现隔磁，不需要单独建立隔磁桥，再通过调整转子槽底到永磁体的距离来调整极间漏磁系数，转子槽在起到隔磁的作用的同时，也能起到启动并牵入同步的作用。

永磁体各个位置到转子外表面的距离相等，即磁阻相等，所以在电机中形成的磁场变化最小，不会出现局部磁密过高的问题，并有效降低气隙磁密中的三次谐波含量，正弦性效果比较好。

相同尺寸永磁体的情况下，永磁体利用率高，永磁体提供的磁通量大，可以节省定子绕组铜线的用量，圆弧形永磁体结构简单，加工制作方便。由于对称性，永磁体轴线上还可以开设定位孔，便于矽钢片安装和定位。

附图说明

图1为现有永磁体为一字型的转子的结构示意图。

图2为现有永磁体为V型的转子的结构示意图。

图3为现有永磁体为U型的转子的结构示意图。

图4为现有永磁体为W型的转子的结构示意图。

图5为本发明实施例1转子的结构示意图。

图6为本发明实施例1电机一极定子和转子的磁力线分布示意图。

图7为本发明实施例2转子的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的主旨在于提供一种永磁自启动同步电机，该永磁自启动同步电机的转子永磁体要结构简单、永磁体利用率高，而且在电机中形成的磁场变化小。本发明中，定子与一般的永磁自启动同步电机的定子结构相同，定子结构不是本发明的主要部分，在此不进行累述。

实施例1

永磁自启动同步电机是指转子上具有起动绕组，能够在某一电压和频率下，自己起动并牵入同步运行的永磁电机，起动过程中，转子导体产生起动电磁力矩，同步运行时，转子导体不起作用。因此，转子的圆周上设有缠绕启动绕组的转子槽，相邻两转子槽之间的部分就构成了转子齿，转子槽和转子齿相隔设置。通常，小功率的永磁自启动同步电机转子采用铸铝制成，转子槽采用梯形槽结构，与转子梯形槽相对的是采用矩形齿结构的转子齿，这主要为了保证磁路的均匀化；大功率的永磁自启动同步电机转子则采用铜条制成，转子槽采用矩形槽结构，转子齿则采用梯形齿结构。

参见图5，本发明实施例1以4极的小功率的永磁自启动电机的转子进行说明，转子的圆周上设有梯形结构的转子齿1和矩形结构的转子槽2，转子被转子齿中心线11、12、13、14平均化分为4个极区，相邻的极区之间以转子齿中心线为边界，转子齿中心线是指经过转子圆心和任何一个转子齿1中心的连线。若转子为6极或者8极，则需要6条或者8条转子齿中心线对转子进行划分，极区的数量与转子的极数是完全相同的。

每个极区中设有圆弧形永磁体3，相同尺寸永磁体的情况下，圆弧形永磁体利用率最高，永磁体提供的磁通量大，可以节省定子绕组铜线的用量，圆弧形永磁体结构简单，加工制作方便。

任意相邻的两极区中的永磁体3以相邻极区边界的转子齿中心线对称设置，以图5中上端的极区的永磁体3为例，其与左端极区中的永磁体相对转子齿中心线11对称，其与右端极区中的永磁体相对转子齿中心线12对称。这样，所有极区中的永磁体位置到转子外表面的距离相等，即磁阻是相等的，所以在电机中形成的磁场变化最小，不会出现局部磁密过高的问题，并有效降低气隙磁密中的三次谐波含量，正弦性效果比较好。

每个极区中的圆弧形永磁体3的两端部均处于其所在极区转子槽2的下方，即以转子槽两边线向转子圆形方向引出两延长线，每个极区永磁体的两端部应处于两延长线的确定的区域内。以图5中上端极区内的永磁体3左侧端部为例，其左侧端部应当处于梯形转子槽2的腰21和腰22向转子方向的延长线(并未实际画出延长线)所确定的区域内。这样圆弧形永磁体与转子槽底的转子铁心既可实现隔磁，不需要再单独建立隔磁桥，转子结构变得更加简单。当圆弧形永磁的端部处于转子槽远离极区边界一侧边缘的下方时，转子槽底的隔磁效果最佳，同样以图5中永磁体3的左侧端部为例，当其左侧端部处于转子槽2腰22一侧下方时，隔磁的效果最佳，因为此时转子槽底可用于隔磁的范围最大。永磁体3的端部处于其所在极区哪个转子槽的下方，根据电机实际的需求进行选取。

参见图6，明显可以看出，永磁体3与转子槽2底的隔磁效果良好，且漏磁很少，极间漏磁系数还可以通过转子槽底到永磁体的距离来调整，从整体上看，磁场变化也很小。同时，由于圆弧形永磁的对称性，从图6中也可以看出，极区中心邻近转子转轴处的磁密低，即使开孔后转子轭部磁密的变化也不大，对马达性能的影响很小，因此可在此处可开设定位孔4(参见图5，图6中并未示意)，以便于矽钢片的安装和定位。

对于本发明自启动永磁电机主要有三个关键性能要求：启动性能，牵入同步性能，稳态运行性能。从启动性能和牵入同步性能考虑，要合理使用永磁体，使其具有足够的启动力矩和牵入同步力矩。而从稳态运行性能考虑，要尽可能多用永磁体来降低损耗，提高电机的效率。因此，对于自起动永磁电机，永磁体的用量要合适，同时满足三个性能。永磁体的厚度有永磁电机中永磁体的工作点决定，厚度越大，永磁体的工作点越高，越不易退磁，但是永磁体的利用率降低。

另外，转子的极数P、转子槽数量Qs和定子槽数量Qr之间的关系对永磁自启动电机的性能也相当大的影响。本发明中，为了使永磁自启动电机的性能较佳，转子的极数P，转子槽数量Qs和定子槽数量Qr应同时满足以下条件：

1)考虑转子磁路对称性，转子槽数为极数的整数倍；

2)为避免起动过程中产生较强的异步附加转矩，应满足Qr≤1.25*(Qs+P)；

3)为避免产生同步附加转矩，应满足Qr≠Qs；Qr≠Qs±P；Qr≠Qs±2P；

4)为避免单向震动力，应满足Qr≠Qs±1；Qr≠Qs±P±1。

以定子槽Qs＝48为例，对于4极电机，转子槽数的最优选择为40，对于6极电机，转子槽数的最优选择为42，对于8极电机，转子槽数的最优选择为32。

实施例2

参见图7，本实施例与实施例1的其他结构相同，区别在于：转子被转子槽中心线23、24、25、26平均化分为4个极区，相邻的极区之间以转子槽中心线为边界，转子槽中心线是指经过转子圆心和任何一个转子槽中心的连线。本实施例同样是仅仅以转子为4极作为示例，并非限制只能适用于转子为4极的情况，对于转子为6极或者8极的情形同样适用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.永磁自启动同步电机，包括转子，转子的圆周上设有转子齿和转子槽，其特征在于：以经过转子圆心的转子齿中心线，将转子平均化分为与转子极数相同数量的极区，每个极区中设有圆弧形永磁体，任意相邻的两极区中的永磁体以相邻极区边界的转子齿中心线对称设置，每个极区中的永磁体的两端部均处于该永磁体所在极区转子槽远离极区边界一侧边缘的下方。

2.如权利要求1所述的永磁自启动同步电机，其特征在于：每极区中心邻近转子转轴处设有定位孔。

3.如权利要求1所述的永磁自启动同步电机，其特征在于：根据转子的极数P，转子槽数量Qs和定子槽数量Qr应同时满足以下条件：

1)转子槽数为极数的整数倍；

2)Qr≤1.25*(Qs+P)；

3)Qr≠Qs；Qr≠Qs±P；Qr≠Qs±2P；

4)Qr≠Qs±1；Qr≠Qs±P±1。

4.永磁自启动同步电机，包括转子，转子的圆周上设有转子齿和转子槽，其特征在于：以经过转子圆心的转子槽中心线，将转子平均化分为与转子极数相同数量的极区，每个极区中设有圆弧形永磁体，任意相邻的两极区中的永磁体以相邻极区边界的转子槽中心线对称设置，每个极区中的永磁体的两端部均处于该永磁体所在极区转子槽远离极区边界一侧边缘的下方。

5.如权利要求4所述的永磁自启动同步电机，其特征在于：每极区中心邻近转子转轴处设有定位孔。

6.如权利要求4所述的永磁自启动同步电机，其特征在于：根据转子的极数P，转子槽数量Qs和定子槽数量Qr应同时满足以下条件：

1)转子槽数为极数的整数倍；

2)Qr≤1.25*(Qs+P)；

3)Qr≠Qs；Qr≠Qs±P；Qr≠Qs±2P；

4)Qr≠Qs±1；Qr≠Qs±P±1。

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