CN101783561A - 高效节能永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电动机，包括定子、与定子可转动设置的转子、分布在转子上的至少一对用于产生磁源的永磁体，所述的相邻两个永磁体之间设置有隔磁块，它还包括设置在转子上且位于隔磁块与永磁体之间的保护磁路，所述的保护磁路磁阻远小于永磁体的内部磁阻，所述的电动机在启动或关闭瞬间或运行过程中永磁体所受电网瞬态突变形成的冲击磁通经过所述的保护磁路释放，从而确保永磁体始终能工作在退磁曲线的安全区，有效地保护了电机上的永磁体，解决了永磁电动机运行不可靠、工作特性不稳定的问题，保证了电动机的使用寿命。

Description

高效节能永磁同步电动机

技术领域

本发明涉及一种同步电机。

背景技术

永磁同步电动机可以节能，因为它能很大程度提高交流感应电动机的功率因数。它不需要励磁，转子旋转与磁场同步，故无二次回路的损耗。由于上述两种原因，永磁同步电动机比相同功率的异步电动机节能10-15％以上。

随着人们对节能环保意识的提高，将永磁同步电动机作为高效节能的通用动力源，从而较大范围取代异步电动机，已成为电机界业内人士普遍共识。虽然如此，但是永磁同步电动机的量产普及较缓慢，这是因为永磁同步电动机结构工艺复杂，稀土永磁材料用量较大、成本偏高、产品品质稳定及耐久性尚待提高。

我们知道，当前内转子永磁同步电动机，其转子上有类似异步电动机的短路条作为起动绕组。永磁体分布在转子上用于提供同步电机磁极的磁源。按电机结构类型永磁体可以有多种布置方式，但必须按电机极数形成正确合理的磁路，并与定子绕组磁路相匹配。多数永磁同步电动机产品，转子采用低碳钢或电工纯铁作为导磁材料，不锈钢或铝作为隔磁材料，纯铜或铝材作为短路条。基于转子与定子磁场同步旋转，往往将转子导磁回路与隔磁块为整体结构设计。从单纯同步电动机运转原理看是可行的，但是却疏漏了永磁电动机在实际工作中的特殊性。因为，作为设备动力源的永磁电动机，其在工作过程中不可避免的要被频繁的起动与关闭，同时，电机配套或周边设备及电网回路中的各种随机扰动电压影响，都会形成对永磁体的各种干扰冲击磁势，一旦干扰冲击磁势超越永磁体的退磁曲线，会使永磁体局部缓慢退磁，从而进一步导致电机的损毁，这也是现有永磁同步电动机的工作不可靠的关键因素。上述干扰冲击磁势的产生是一个暂态过程，下面将对该暂态过程干扰磁势对永磁体的影响进行详细的分析：

图1所示的为无永磁体的铁心线圈，铁心环经气隙2δ构成闭合磁路，线圈N施加交流电压，开关K闭合是随机的，这时线圈的电感量为：

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_{s}S{N}^2}{l+2{\mathrm{\μ}}_s\∂}---\left(1\right)$

式中，S-铁心截面积；N-线圈匝数；l-铁心磁路的平均长度；u₀-空气导磁率，u_s-铁心相对导磁率。

开关K随机闭合瞬间，线圈中的电流为：

$i=\frac{1}{L}\∫\mathrm{edt}---\left(2\right)$

由上述(1)、(2)式可见，铁心线圈电流与电感量成反比，而电感量与铁心截面积成正比。因此，对设计参数比较饱和的现代电机，绕组有较大电感量，它限制了线圈上的电流。异步电机开关接通投入运行，就相当于上述情况。

当铁心环的一端置入永磁体，如图2所示，假如永磁体磁动势足够大，以至所产生磁通Φ₀几乎使铁心磁路饱和，磁饱和时的铁心对线圈可认为没有作用了，相当于上述(1)式中铁心截面积S趋于0，线圈电感量L近乎空心线圈值。从(2)式可见，极小线圈电感量L，使电流i骤然上升，因绕组电流仅受极小的铜电阻限制，形成很大瞬时冲击磁势F_i＝iN，其量值大小与开关K闭合时间和e的相位角有关，其中相位角为正弦波峰值时，为最大冲击电流点。若瞬态磁动势的方向与永磁体磁动势同向，则为助磁方向，永磁体不受影响；当瞬态磁动势与永磁体磁动势反向，使永磁体进入永磁体退磁可逆区，如图3所示，如果反向冲击磁势大到所形成场强超过临界矫顽力H_k，永磁体进入不可逆退磁区，若反向冲击磁势场强到达内禀矫顽力H_ci，则永磁体被完全退磁，从而对永磁电动机的稳定性和耐久性产生影响。

其实上述瞬态反向磁势的一次冲击只会在绕组对应部位局部消磁，永磁体剩磁B_r(Φ)水平只是下降一点，但是当若干次局部不可逆消磁累积，对永磁同步电机一般会在数十次消磁磁势冲击后，永磁体剩磁B_r(Φ)累积下降，当Φ_m下降到不足以支撑同步力矩，电动机将跌入失步运转，转子与定子磁场出现转差，这时整体结构磁极体与隔磁块因切割磁力线而产生短路涡流，使转子迅速温升，温度积聚直至形成永磁材料的热退磁，永磁体功能完全丧失导致电机损毁。以上分析可见：永磁同步电动机只能允许工作在图3所示的退磁曲线B_kH_c范围内，即便开关引起随机瞬态冲击磁势，其工作点也不允许超越永磁体退磁曲线。以往为提高永磁电机运行的可靠性，往往采取增大气隙以加大磁路磁阻，加厚永磁体增大磁能积以抵抗干扰冲击的被动方法，既牺牲了永磁同步电动机性能指标，又增加了材料成本，效果并不理想，冲击磁势对永磁体退磁影响未从根源上解决。

从而可以推想出另一情况，如果永磁同步电动机因过载失步持续较长时间运行，上述结构形成的永磁同步电动机，也同样会产生短路涡流发热，如果热量积聚超过热退磁温度，也同样会导致电机损坏，只是前者起因是干扰冲击磁势，后者起因是过载失步。为此，应尽可能提高失步转距的设计值，提高短时抗超载能力，同时应考虑有长时间失步运行能力。这是永磁同步电动机既节能，又能在应用实践中能达到长期稳可靠的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效避免在运行中所产生的冲击磁动势对永磁体的消磁作用从而提高其可靠性的永磁同步电动机。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种高效节能永磁同步电动机，包括定子、与所述的定子可转动设置的转子、分布在所述的转子上的至少一对用于产生磁源的永磁体，所述的相邻两个永磁体之间设置有隔磁块，它还包括设置在所述转子上且位于所述的隔磁块与永磁体之间的保护磁路，所述的保护磁路磁阻远小于永磁体的内部磁阻，所述的电动机在启动或关闭瞬间或运行过程中永磁体所受电网瞬态突变形成的冲击磁通经过所述的保护磁路释放。

由于上述技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有以下优点：由于在永磁体旁设置有保护磁路，且保护磁路的内阻远小于永磁体内阻，当永磁电动机在频繁开关，或变频器斩波电路产生强大dv/dt或周边设备及电网干扰而产生冲击磁势，根据磁路欧姆定律，冲击磁势主要从磁阻较小的保护磁路通过，即干扰冲击磁动势流经保护磁路泄放掉，避免干扰冲击磁势直接经永磁体而导致永磁体退磁，榷保永磁体始终能工作在退磁曲线的安全区，有效地保护了电机上的永磁体，解决了永磁电动机运行不可靠、工作特性不稳定的问题，保证了电动机的使用寿命，避免了现有技术中采用模糊概念去增厚永磁材料、气隙等措施，从而减少稀土永磁材料的使用，较大幅度地降低了材料成本。

附图说明

附图1为无永磁体的铁心线圈开关磁场示意图；

附图2为置入永磁体的铁心线圈开关磁场示意图；

附图3为永磁体磁曲线图；

附图4为本发明永磁同步电动机实现原理图；

附图5为根据本发明技术方案实施的永磁同步电动机部分剖视总成图；

附图6为图5所示A-A方向部分剖视图；

附图7为本发明转子采用硅钢片叠压和铝压铸成型结构图；

其中：1、永磁体；2、转子；21、转子铁心；23、转子端部挡板；24、转轴；25、隔磁块；3、定子；31、定子绕组；32、定子铁心；4、保护磁路；6、壳体；7、风扇；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

本发明的永磁同步电动机，包括定子、与定子可转动设置的转子、分布在转子上的至少一对用于产生磁源使得转子与定子之间构成磁回路的永磁体，定子包括线圈绕组、与线圈绕组相连接用于起动或关闭电机的开关或变频器，图4所示的为本发明永磁电动机一相定子绕组和对应转子磁极原理图，其包括定子3、转子2、安置在转子2上的一对永磁体1，其中，定子3包括绕设在定子铁心上的线圈N、与线圈N相连接的开关K，一对永磁体1安置在转子2铁心里，且该一对永磁体1的磁路为串连连接从而形成磁回路，图中，对永磁体的极性分别用N、S进行了表示，同时，在每个永磁体1的短路侧分别设置有两条保护磁路4，保护磁路4采用磁阻远小于永磁体内磁阻的材料制成，如电工纯铁、硅钢等，其磁阻大约是永磁体磁阻的10^-3～10^-4倍，由于保护磁路4的设置，当有瞬态冲击磁动势产生时，冲击磁势经保护磁路形成泄放回路，通过该泄放回路将冲击磁势旁路，从而可有效减少冲击磁势对永磁体的消磁作用，保证永磁体能够始终工作在安全区，下面对其作用原理详细进行说明：

如图4所示，当永磁体1安置在转子铁心里后，其会提供Φ_n的磁通源，由于保护磁路4的设置，在永磁体1的两侧分别建立Φ₁、Φ₂对称通路，由于磁通旁路4设置在永磁体的短路侧，其将短路少量磁通源Φ_n-2Φ₁。根据磁路安培环路定律：

∫HdL＝∑I                 (3)

HL-NI＝F                   (4)

由(4)式可推导出Φ₁：

${\mathrm{\Φ}}_1=\frac{{\mathrm{\Φ}}_0{R}_{m1}{R}_{\mathrm{\δ}}-H_1{l}_1{R}_{\mathrm{\δ}}-2H_0\mathrm{\δ}{R}_{m1}}{2R_{m1}{R}_{\mathrm{\δ}}}---\left(5\right)$

式中：Φ₀为永磁体源的磁通量，R_m1为保护磁路磁阻，R_δ为气隙磁阻，H₁为保护磁路磁场强度，l₁为磁磁通旁路平均长度。

由开关K瞬态冲击磁势所形成的瞬时磁通Φ_i，由经永磁体分量Φm_i和磁通旁路磁分量Φ_1i组成：

Φ_f＝2Φ_1i+Φ_mi              (6)

${\mathrm{\Φ}}_{1i}=\mathrm{\μ}\frac{F_i{S}_1}{l_1}---\left(7\right)$

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{mi}}=\mathrm{\μ}{\mathrm{\μ}}_g\frac{F_{i}S}{{\mathrm{\μ}}_{g}l+{\mathrm{\μl}}_g}---\left(8\right)$

式中：μ为保护磁路介质磁导率，μ_g为永磁体磁导率，F_i为绕组开关瞬态冲击磁势，S₁为保护磁路截面积，l为电机导磁回路平均长度，S为永磁体有效面积。在这里，设定选择硅钢作为保护磁路介质，由于硅钢相对于磁导率约7000，而永磁体所采用的钕铁硼材料相对磁导率近乎为1，由(7)、(8)二式比较，这说明即使S₁比S小几十倍，但还是保护磁路磁分量还是远大于永磁体分量，即Φ_1i＞＞Φm_i。因此，保护磁路4的设置可有效地泄放掉因开关、变频器或外界干扰所产生的冲击磁势，尤其泄放掉导致永磁体消磁的与永磁体磁回路方向相反的冲击磁势，从而保证电机上的永磁体始终工作在安全区，延长了电机的使用寿命，同步电机的可靠性得到较大的提高。

图5、6为本发明具体实施的带有保护磁路的永磁电动机结构示意图，其中，图5示出了电机的主要构成，包括定子部分、转子部分、壳体6、风扇7，定子部分进一步包括定子绕组31、定子铁心32，转子部分包括转子铁心21、转子端部挡板23、转轴24等，图6所示的该电动机的转子截面图，本实施例中，永磁体1为两对，即本实施例的永磁电动机为四极电动机，图中，永磁体1沿转子圆周分布，相邻两永磁体1的磁性分布方式按照磁路串连的方式，每相邻两永磁体1之间设置有隔磁块25，且在隔磁块25与每个永磁体1之间还设置有一旁路，该旁路为保护磁路4，保护磁路4处的磁阻是永磁体1的内磁阻10^-3～10^-4倍，因此，由上述分析可知，在电动机开启、关闭或工作过程中，永磁体受到的干扰磁势将从保护磁路4通过，而不直接从永磁体上穿过，从而释放掉可致使永磁体退磁的干扰磁势，保护了永磁体。

保护磁路4可单独通过硅钢片或电工纯铁等磁阻远小于永磁体磁阻的材料设置在转子上，也可直接将转子本身用上述材料制成，在本实施例中，转子采用硅钢片叠压成型，从而使得转子与保护磁路成为一体，成型工艺如图7所示，转子成型工艺可直接沿用现有异步电机的转子生产工艺，也就是说，利用现有通用的工艺方法就可实现本发明永磁电动机的转子生产，因此，不仅降低了制造成本，而且有利于量产。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，如本发明永磁电动机永磁体并不限于四极，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高效节能永磁同步电动机，包括定子、与所述的定子可转动设置的转子、分布在所述的转子上的至少一对用于产生磁源的永磁体，所述的相邻两个永磁体之间设置有隔磁块，其特征在于：它还包括设置在所述转子上且位于所述的隔磁块与永磁体之间的保护磁路，所述的保护磁路磁阻远小于永磁体的内部磁阻，所述的电动机在启动或关闭瞬间或运行过程中永磁体所受电网瞬态突变形成的冲击磁通经过所述的保护磁路释放。

2.根据权利要求1所述的高效节能永磁同步电动机，其特征在于：每个所述的隔磁块与永磁体之间都设置有保护磁路。

3.根据权利要求1所述的高效节能永磁同步电动机，其特征在于：所述的保护磁路由设置在转子上的电工纯铁或硅钢材料制成。

4.根据权利要求1或3所述的高效节能永磁同步电动机，其特征在于：所述的保护磁路与转子采用硅钢片一体叠压成型。

5.根据权利要求1所述的高效节能永磁同步电动机，其特征在于：所述的保护磁路的磁阻为永磁体内部磁阻的10^-3～10^-4倍。

Images