CN102044946B - 一种单相自起动永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相自起动永磁同步电机，包括转子轭、永磁体和定子，永磁体贴在转子轭内表面，N极和S极间隔分布，永磁体内侧是定子，定子包括定子铁芯和单相定子绕组，定子铁芯的齿部表面为由第一段圆弧和第二段圆弧连接而成的曲面，该曲面与永磁体内表面之间为气隙。第一段圆弧和第二段圆弧的圆心不在电机旋转中心，气隙是不均匀的二段式气隙。本发明不同于气隙从最小处渐变至最大处的一段式气隙结构，其气隙从最小处渐变至最大处，然后再渐变至最小处，可以改善单相自起动永磁同步电机的起动性能，削弱其转矩脉动，降低其振动和噪声水平，提高其运行平稳性。

Description

一种单相自起动永磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种维特电机，具体涉一种单相自起动永磁同步电机，其可以改善起动性能、削弱转矩脉动、降低其振动和噪声水平、提高其运行平稳性。

背景技术

传统自起动单相永磁电机常采用一种20世纪70年代提出的拓扑结构。这种拓扑结构的电机又称为振荡起动单相永磁同步电机，常采用U形铁芯、不均匀或者阶梯气隙、两极结构。定子绕组线圈为集中式，单独绕制后再套装在定子铁芯上。永磁转子通常选择铁氧体磁环，因为铁氧体具有良好的抗腐蚀性能，可在水等液体中长期稳定工作。应用于泵机时，可将永磁转子也设置在泵壳内，通过共轴结构直接驱动泵的叶轮，省去了泵轴的动密封，这极大地简化了泵机结构，降低了制造成本。

该种电机直接接入单相交流电源后即可实现自启动运行，而不像通常的永磁无刷直流电机那样需要由位置传感器确定转子位置后由电力电子元件驱动。这进一步地提高了电机的运行稳定性，降低了电机制造成本。该种电机可自启动运行的原理在于：U形铁芯端部的圆弧与永磁体间形成非均匀或者阶梯状的气隙。这种气隙可使初始状态下转子永磁体的磁极中心线与定子磁极中心线成一定夹角，从而使转子在通电瞬间合成转矩不为零。

由于具有上文所述结构简单、运行稳定、制造成本低等优点，在微特电机领域，该种电机已经逐渐取代传统的电容裂相或罩极单相异步电机，广泛应用于散热、排水或上水场合。但该种结构电机也存在起动转矩不够大，进入同步过慢，易失步、效率低的问题。为解决这一问题，同时保持其成本低、无需复杂控制器、加电即可运行等优点，有人提出了另一种结构的自启动永磁同步电机。其特征为：转子为N-S交替分布的多对极结构，定子齿数与磁极数一致。其自起动原理与前述U型电机一致：定子齿面圆弧加工为使气隙逐渐变大的一段式或阶梯状结构，以获得自起动所必须的非均匀气隙。由于具有较高的起动质量和效率，这种结构的电机，尤其是采用外转子、叶轮直接安装在转子轭部结构的该种电机，适合用作空调、冷却系统的风机。

非对称气隙是上述两种单相永磁同步电机实现自起动的关键，但非对称气隙也带来了很大的转矩脉动。对于后一种多对极的单相自起动永磁同步电机而言，已有很多学者进行了很多关于降低其转矩脉动的研究。早期研究发现，采用逐渐变大的一段式气隙结构能够从一定程度上减小该种电机的转矩脉动，因此传统上，此种气隙结构得到了最广泛的应用。也有人尝试通过相邻齿部采用不同形式气隙的方法减小其转矩脉动，也收到了一定成效。但这两种方法都会从一定程度上减小电机的起动转矩。最有效的方法是通过有限元分析，预测转矩脉动最小时对应的定子电流波形，然后采用位置传感器和控制器对电流波形进行控制。这种方法从理论上可以完全消除转矩脉动，但由于需使用复杂的控制器和传感器，极大地增加了制造成本。

综上所述，从改善电机结构入手，在不增加制造成本的前提下，降低上述多对极单相自起动永磁同步电机的转矩脉动，同时提高其起动转矩，将具有重大意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有新型气隙结构的单相自起动永磁同步电机。该种电机通过采用特殊的气隙结构，可提高起动转矩，降低稳态运行时的转矩脉动，改善运行平稳性。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种单相自起动永磁同步电机，包括转子轭、永磁体和定子，所述的永磁体贴在转子轭内表面，N极和S极间隔分布，永磁体内侧是定子，所述的定子包括定子铁芯和单相定子绕组，定子铁芯的齿部表面为由第一段圆弧和第二段圆弧连接而成的曲面，该曲面与永磁体内表面之间为气隙。所述的气隙是不均匀的二段式气隙。

所述的第一段圆弧的始端为气隙最小处，第一段圆弧的末端与第二段圆弧的始端连接，并且该连接处为气隙最大处。第二段圆弧的末端为另一气隙最小处。即气隙从最小气隙逐渐变到最大气隙，然后再逐渐变小到最小气隙。设永磁体内表面半径为R，气隙最小处距离永磁体内表面的距离为c，最大处与永磁体内表明距离为d，则两段圆弧的半径长度均为R-(c+d)/2。两段圆弧的圆心均不在电机的中心，其各自圆心的具体位置由定子齿两段的气隙最小处，中间的气隙最大处，以及前述圆弧的半径长度唯一地确定。

所述气隙最大处与定子铁芯齿部边缘的夹角为α，2°≤α≤10°；夹角α的具体大小要根据具体电机和使用场合确定。所述的定子齿数和转子磁极数相同。所述转子轭的结构为外转子结构，永磁体可以是圆环形磁环，也可以是瓦片形的磁体。所述的永磁体的贴装的顺序为N极S极相互交替，永磁体可采用粘结、烧结或者注塑等工艺制成。

所述的单相定子绕组为集中式绕组，定子铁芯的齿上覆有绝缘层，线圈直接绕制在绝缘层上，并且相邻的两个齿上绕向相反，所有齿上的线圈连接起来构成单相绕组。所述的定子铁芯为采用硅钢片或低碳钢板叠压制成的定子铁芯，或采用铁粉等粉末型软磁材料压铸制造成的定子铁芯。所述的整个定子铁芯关于电机中心对称，也即电机的其余定子铁芯齿部表面可由其中一个旋转复制而得。

本发明的一种单相自起动永磁同步电机加单相交流电即可自起动，其原理如下：本发明的一种单相自起动永磁同步电机中存在两种转矩：齿槽转矩和电磁转矩。齿槽转矩在定子绕组不通电时即已存在，是由于永磁体与定子齿之间存在相互作用力，使永磁体轴线有趋向使磁路磁阻最小方向的趋势引起的。电磁转矩是定子绕组通电后，产生脉动磁场，该磁场与永磁体相互作用引起的。绕组不加电时，转子受齿槽转矩的影响，总是停留在齿槽转矩为零，也即磁路磁阻最小的位置(称此位置为转子停靠位置)。由于气隙不均匀，这一位置就和电磁转矩为零时的转子位置错开一定角度，从而使加电后转子受到的合成转矩不为零，实现自起动运行。

本发明的一种单相自起动永磁同步电机与现有技术相比，具有以下优点：

1、相对于传统上逐渐变大的气隙结构，本发明所采用的二段式气隙结构能够使电磁转矩为零时的转子位置与转子停靠位置的夹角(称这一夹角为起动角)变大；而这一夹角越大，初始时电磁转矩就越大，起动转矩就越大。而起动角越大，起动转矩越大，转子获得的初始速度就越大，电机的起动性能就越好。根据有限元分析，本发明采用的二段式气隙结构最多可将起动转矩提高70％。

2、本发明采用二段式气隙结构不同于气隙从最小处渐变至最大处的一段式气隙结构，其气隙从最小处渐变至最大处，然后再渐变至最小处。这样可以削弱齿槽转矩的1-4次谐波幅值，从而削弱合成转矩的脉动。降低转矩脉动可使电机振动和噪声减小，运行平稳性得到改善。

综上所述，本发明通过采用二段式气隙结构，能够产生如下有益效果：可以改善单相自起动永磁同步电机的起动性能，削弱其转矩脉动，降低其振动和噪声水平，提高其运行平稳性。

附图说明

附图本发明的结构示意图。

图中：1转子轭、2永磁体、3定子铁芯、4单相定子绕组、5定子轴孔、6最大气隙处、7第一段圆弧、8第二段圆弧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图所示，本发明一种单相自起动永磁同步电机，包括转子轭1、永磁体2、定子轴孔5和定子3，转子轭1为外转子结构，转子轭1使用导磁钢材加工而成，永磁体2贴在转子轭1内表面，N极和S极间隔分布。永磁体内径为R。永磁体2内侧是定子，定子包括定子铁芯3和单相定子绕组4，定子齿数和转子磁极数相同(均为六)。定子铁芯3的齿部表面为由第一段圆弧7和第二段圆弧8连接而成的曲面，该曲面与永磁体2内表面之间为气隙。气隙是不均匀的二段式气隙，气隙从最小处渐变至最大处，然后再渐变至最小处。最小气隙长度为c，最大气隙长度为d。两段圆弧的半径均为R-(c+d)/2，其各自圆心由其各自端点以及半径确定，均不与电机中心重合。为减小系统体积，风机叶轮(未画出)可直接安装在转子轭1的外表面。

具体来说，第一段圆弧7的始端为气隙最小处，第一段圆弧7的末端与第二段圆弧8的始端连接并且该连接处为气隙最大处6，第二段圆弧8的末端为另一气隙最小处。即气隙从最小气隙逐渐变到最大气隙，然后再逐渐变小到最小气隙。最大气隙处6与定子铁芯3齿部边缘的夹角为α，2°≤α≤10°，夹角α的具体大小要根据具体电机和使用场合确定。本实施例中，α的角度为4°。

具体实施例中，定子铁芯3采用牌号为50DW800的硅钢板叠压而成。当然，定子铁芯3还可以为低碳钢板叠压制成的定子铁芯，或采用粉末型软磁材料压铸制造成的定子铁芯。整个定子铁芯3关于电机中心对称，也即电机的其余定子铁芯齿部表面可由其中一个旋转复制而得。本实施例中，永磁体2共有六块，为烧结而成的铁氧体磁瓦，按照磁极N-S相间的顺序贴装在转子轭1的内表面。永磁体还可以是圆环形磁环，永磁体还可采用粘结或者注塑等工艺制成。单相定子绕组4全部为集中式绕组；即定子铁芯3齿外覆有绝缘层，然后线圈直接绕制在定子齿的绝缘层上，并且相邻的两个齿上绕向相反，最后将所有齿上的线圈连接起来构成单相定子绕组4。本实施例采用单相交流市电供电，无需采用电力电子换流技术。此外应该注意的是，加工时，考虑到铁芯叠片冲压工艺的限制，第一段圆弧7与第二段圆弧8之间应采用圆滑过渡。

本实施例的分析与实验结果如下：在气隙最大处的气隙长度d为1.5mm、α的角度为4°时，相较于传统单段渐变式气隙结构的单相自起动永磁同步电机，本发明可将起动转矩提高至原来的70％，齿槽转矩也得到了明显的削弱，稳态运行时的振动和噪声也明显减小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种单相自起动永磁同步电机，包括转子轭（1）、永磁体（2）和定子，其特征在于：所述的永磁体（2）贴在转子轭（1）内表面，N极和S极间隔分布，永磁体（2）内侧是定子，所述的定子包括定子铁芯（3）和单相定子绕组（4），定子铁芯（3）的齿部表面为由第一段圆弧（7）和第二段圆弧（8）连接而成的曲面，该曲面与永磁体（2）内表面之间为气隙；所述的第一段圆弧（7）的始端为气隙最小处，第一段圆弧（7）的末端与第二段圆弧（8）的始端连接并且该连接处为气隙最大处（6），第二段圆弧（8）的末端为另一气隙最小处，气隙从最小气隙逐渐变到最大气隙，然后再逐渐变小到最小气隙。

2.根据权利要求1所述的一种单相自起动永磁同步电机，其特征在于：所述的定子齿数和转子磁极数相同。

3.根据权利要求1所述的一种单相自起动永磁同步电机，其特征在于：所述转子轭（1）的结构为外转子结构，永磁体（2）为圆环形磁环或瓦片形的磁体。

4.根据权利要求3所述的一种单相自起动永磁同步电机，其特征在于：所述永磁体（2）的贴装的顺序为N极S极相互交替，永磁体（2）可采用粘结、烧结或者注塑工艺制成。

5.根据权利要求1至3任一项所述的一种单相自起动永磁同步电机，其特征在于：所述的单相定子绕组（4）为集中式绕组，定子铁芯（3）的齿上覆有绝缘层，线圈直接绕制在绝缘层上，并且相邻的两个齿上绕向相反，所有齿上的线圈连接起来构成单相绕组。

6.根据权利要求5所述的一种单相自起动永磁同步电机，其特征在于：所述的定子铁芯（3）为采用硅钢片或低碳钢板叠压制成的定子铁芯，或采用粉末型软磁材料压铸制造成的定子铁芯。

7.根据权利要求6所述的一种单相自起动永磁同步电机，其特征在于：所述的定子铁芯（3）关于电机中心对称。

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