CN101917076B - 太阳跟踪系统用永磁驱动电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳跟踪系统用永磁驱动电机，包括机壳和机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，定子铁芯包括定子磁轭、定子槽和定子齿，转子包括转轴和转子铁芯，转子铁芯内圆周方向均匀开有永磁槽，在永磁槽中镶有径向磁化矩形条状磁钢，径向磁化矩形条状磁钢与极靴构成永磁磁极，转子极靴外圆为同心或非同心弧形曲面，形成均匀或不均匀对称径向气隙；相邻两块径向磁化矩形条状磁钢中的一块径向磁化矩形条状磁钢所在的永磁槽的两端开半圆凹槽；径向磁化矩形条状磁钢为V型径向磁化矩形条状磁钢；V型径向磁化矩形条状磁钢所在的永磁槽内沿径向插有矩形撑条。该电机具有高效、高出力、高可靠性和低力矩波动等特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁驱动电机，尤其涉及一种太阳跟踪系统用高效、高出力、高功率密度、高可靠性和低力矩波动表面安装式或内置式永磁驱动电机，属于电机技术领域。
背景技术
太阳跟踪系统是针对太阳能光伏发电需要对太阳进行实时跟踪的应用设计。基本功能是使光伏阵列随着太阳而转动，实现高精度的太阳跟踪。太阳跟踪器的稳定性与可靠性一直是其没有被大规模应用的主要问题，驱动电机性能是关键之一。目前国内外太阳跟踪驱动电机基本上采用永磁直流电机，存在耗电大、效率低、电磁兼容性差、噪音大、力矩波动大、线性度差、过载能力低、换向器火花、电刷磨损和可靠性差等缺陷。系统可靠性差、跟踪误差大、成本过高。性能对太阳跟踪系统品质的提升至关重要，直接影响太阳能利用效率和可靠性。目前国内外正在研发的永磁直流无刷电机(PMBLM)其电枢励磁为“非圆形跳跃式”的旋转磁场，存在较大的力矩波动，精度低，调速范围也窄，影响电机高效、宽调速、平稳低噪运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效、高出力、高功率密度、高可靠性和低力矩波动的太阳跟踪系统用永磁驱动电机。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
太阳跟踪系统用永磁驱动电机，包括机壳和机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，定子铁芯包括定子磁轭、定子槽和定子齿，转子包括转轴和转子铁芯，特点是：所述转子铁芯内圆周方向均匀开有永磁槽，在永磁槽中镶有径向磁化矩形条状磁钢，径向磁化矩形条状磁钢与极靴构成永磁磁极，极靴外圆为同心或非同心弧形曲面，形成均匀或不均匀对称径向气隙。
进一步地，上述的太阳跟踪系统用永磁驱动电机，其中，所述相邻两块径向磁化矩形条状磁钢中的一块径向磁化矩形条状磁钢所在的永磁槽的两端开半圆凹槽。
更进一步地，上述的太阳跟踪系统用永磁驱动电机，其中，所述径向磁化矩形条状磁钢为V型径向磁化矩形条状磁钢。
再进一步地，上述的太阳跟踪系统用永磁驱动电机，其中，所述V型径向磁化矩形条状磁钢所在的永磁槽内沿径向插有矩形撑条。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①本发明内置式永磁转子铁芯的相邻磁极两端间隔开凹槽，使电机合成力矩波动大幅降低，与常规永磁驱动电机(不开半圆凹槽)比较，力矩波动减少40％，实现高精度平稳运行；
②电机定转子间的不均匀对称径向气隙，具有聚磁、改善气隙磁场波形、使气隙磁场接近正弦波，降低电机噪音、力矩波动，抑制静态和动态电枢反应、提高过载能力，提高太阳跟踪系统精度；
③在内置式V型磁钢间的永磁槽内，径向插入高强度树脂矩形撑条，抗机械强度，减小转子高速运行时的离心力，磁桥宽度可减小，提高气隙磁通密度，可转矩增加10％，使电机具有高效、高出力、高可靠性和低力矩波动等特性。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：带磁极两端间隔开凹槽的内置式永磁(IPM)电机剖面示意图；
图2.：图1结构电机的力矩与旋转角关系波形示意图；
图3：内置式V型径向磁化矩形条状磁钢的永磁驱动电机剖面示意图；
图4：V型磁钢间插入矩形撑条的内置式永磁结构的局部剖面示意图；
图5：V型磁钢间插入矩形撑条的内置式永磁电机的局部剖面示意图；
图6.：图5电机磁钢间带与不带矩形撑条的输出力矩与负载角关系示意图；
图7：带不均匀气隙的内置式永磁转子剖面示意图；
图8：永磁电机气隙磁通密度波形示意图。
图中各附图标记的含义见下表：
具体实施方式
针对太阳跟踪驱动电机存在耗电大、效率低、力矩波动大等缺陷，本发明提供太阳跟踪系统用永磁驱动电机，能有效跟踪太阳高度角与方位角转动，按照太阳运动轨迹方式运行，跟踪太阳由东向西和太阳赤纬角，解决太阳光始终垂直照射到物体表面，保证获得最大太阳辐射能量，保证太阳电池阵列在白天任何时刻都正对太阳，实现全天8小时自动对太阳的实时追踪。本发明太阳跟踪驱动电机的性能优化技术，可减少永磁涡流损耗50％，降低力矩波动40％，增加输出转矩10％，提高功率密度12％。
如图1所示，太阳跟踪系统用永磁驱动电机，包括机壳和机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，定子铁芯包括定子磁轭6、定子槽7和定子齿8，转子包括转轴9和转子铁芯，转子铁芯内圆周方向均匀开有永磁槽2，在永磁槽2中镶有径向磁化矩形条状磁钢1b，径向磁化矩形条状磁钢1b与极靴4构成永磁磁极，转子极靴4外圆为同心或非同心弧形曲面，形成均匀或不均匀对称径向气隙5。电机定转子间的不均匀对称径向气隙，具有聚磁、改善气隙磁场波形、使气隙磁场接近正弦波，降低电机噪音、力矩波动，抑制静态和动态电枢反应、提高过载能力。
相邻两块径向磁化矩形条状磁钢中的一块径向磁化矩形条状磁钢所在的永磁槽的两端开半圆凹槽3。即磁极两端间隔开凹槽，例如对于6极永磁电机，只在1、3、5的磁极两端开半圆凹槽，2、4、6磁极两端不开槽，由于相邻磁极极弧宽度(或极距)相隔近180°(电角度)，如图2所示，使电机磁极两端开槽与不开槽产生的力矩Tr与旋转角β的关系曲线：Tr＝f(β)，即力矩波形接近相反，曲线a为磁极两端不开凹槽的力矩波形，曲线b为磁极两端开凹槽的力矩波形，使叠加后的合成力矩(如曲线c)波动大幅降低，与常规永磁驱动电机(不开半圆凹槽)比较，力矩波动减少40％，实现电机高精度平稳运行。
如图3，转子铁芯内圆周方向均匀开有永磁槽2，V型径向磁化矩形条状磁钢1c镶在永磁槽2中，称为V型内置式永磁(IPM)。V型径向磁化矩形条状磁钢1c与极靴4构成永磁磁极。由于“内置式永磁”，导磁极靴漏磁会很大，因此，在磁极间设置隔磁磁桥(其宽度为h)，隔磁磁桥宽度h必须足够窄，保证隔磁磁桥截面处磁路高度饱和，导磁系数减小，减少磁桥处分流磁通，减少漏磁，增加有效磁通，提高出力。隔磁磁桥宽度越窄，磁路越饱和，漏磁越少，但太窄影响转子机械强度。
如图4、图5，在内置式V型径向磁化矩形条状磁钢1c中间的永磁槽2内径向插入高强度树脂矩形撑条10，抗机械强度，减小转子高速运行时的应力集中和离心力。证明：比较V型磁钢间的永磁槽内插入与不插入矩形撑条的电机，在相同转速下，为了保证隔磁磁桥截面处承受同样的应力和离心力，前者隔磁磁桥宽度h必须1.8mm(图3)，而后者(图4、图5)仅为0.9mm，从而显著减少漏磁，增加有效磁通，提高气隙磁通密度、磁钢利用率和电机的功率密度，图6为图5电机磁钢间带与不带矩形撑条的输出力矩T与负载角θ关系，实线d为带矩形撑条IPM电机输出力矩波形，虚线e为不带矩形撑条IPM电机输出力矩波形，由图6可知：采用矩形撑条的前者，增加转矩10％，使电机具有高效、高出力、高功率密度、高可靠性和低力矩波动等特性。
如图5、图7，转子极靴4外圆为非同心弧形曲面，形成不均匀对称径向气隙5，电机定转子间的不均匀对称径向气隙5具有聚磁、改善气隙磁场波形效果。图8示意了永磁电机气隙磁通密度波形，图8中Bg表示气隙磁通密度，π表示极距(磁极的距离)的电角度为180°，π/2为电角度90°，m为带均匀气隙的气隙磁密波形，为方波；n为带不均匀气隙的气隙磁密波形，接近正弦波，从而降低了电机噪音、力矩波动，抑制静态和动态电枢反应、提高过载能力，同时内置式永磁能产生磁阻转矩，利于高速运行和频繁启动，实现高效、高出力、高功率密度、宽调速、快响应的平稳运行，实现电机小型轻量化。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.太阳跟踪系统用永磁驱动电机，包括机壳和机壳内的定子和转子，定子包括固定在机壳内壁的定子铁芯和定子绕组，定子铁芯包括定子磁轭、定子槽和定子齿，转子包括转轴和转子铁芯，其特征在于：所述转子铁芯内圆周方向均匀开有永磁槽，在永磁槽中镶有径向磁化矩形条状磁钢，径向磁化矩形条状磁钢与极靴构成永磁磁极，极靴外圆为同心或非同心弧形曲面，形成均匀或不均匀对称径向气隙；相邻两块径向磁化矩形条状磁钢中的一块径向磁化矩形条状磁钢所在的永磁槽的两端开半圆凹槽；所述径向磁化矩形条状磁钢为V型径向磁化矩形条状磁钢；所述V型径向磁化矩形条状磁钢所在的永磁槽内沿径向插有矩形撑条。
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