CN102111051B - 一种具有复合材料起动导条的自起动永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于永磁电机技术领域的一种具有复合材料起动导条的自起动永磁电机。该永磁电机的转子为冲片式结构，永磁体在转子铁心内侧，N、S磁极交替布置，永磁转子采用U型、V型或混合型磁路的磁极结构，靠近转子铁心表面均匀分布复合材料鼠笼起动导条；复合材料鼠笼起动导条由黄铜和铜铁合金两种材料构成。黄铜位于转子槽底部和转子槽上部的中间部位，转子槽上部两侧部位为铜铁合金材料；或者转子槽的中间为黄铜而转子槽两侧为铜铁合金材料。各复合材料起动导条的两端在转子铁心外通过焊接的黄铜端环短路。通过调整黄铜与铜铁合金材料的结构尺寸，得到的永磁电机起动电流倍数小，抗退磁能力强，起动平稳，适合于长时间连续运行的工作场合。

Description

一种具有复合材料起动导条的自起动永磁电机

技术领域

本发明属于永磁电机技术，特别涉及一种具有复合材料起动导条的自起动永磁电机。

背景技术

在工业领域广泛使用交流异步电机，因为异步电机具有制造容易、坚固耐用以及价格低廉等优点。但是异步电机需要由定子绕组提供励磁电流，其功率因数不是很高，并且由于转子铜损耗的存在使电机的效率不高，对于中小型异步电机或电机轻载时尤为严重。相对于异步电机，永磁同步电机转子上带有永磁磁钢，不需要外部提供励磁，可以显著提高功率因数；在永磁电机稳态运行时转子没有基波铜损，效率比同规格的异步电机高；而且稀土永磁电机在25％～120％额定功率范围内都具有较高的效率和功率因数。因此自起动永磁电机在一些长时间运行或在多数工况为轻载运行的场合使用具有明显的节能优势。

自起动永磁电机的永磁体在转子中多采用内嵌式结构，永磁体的外面是鼠笼起动导条，起动时依靠起动导条中的感应电流产生力矩，实现永磁电机的异步起动，起动完成后进入同步运行状态，理想情况下转子上没有电流。

永磁电机在起动过程中的定子电流主要有两部分构成，一是由于外施电压所产生鼠笼异步电机效应的定子电流；二是永磁体磁场作用于定子绕组且定子绕组通过电网等效短路所产生的变频永磁发电机短路电流。这两方面的因素使得自起动永磁电机的起动电流要比普通异步电机大的多。

另外在永磁电机起动过程中，电机永磁体中的磁场主要有三部分构成：鼠笼异步电机效应磁场、变频发电机效应磁场以及永磁体本身的磁场。其中第一种磁场在转子某些位置可能是去磁磁场，变频发电机效应磁场始终是退磁性质的磁场，这样由于起动过程种较大的起动电流可能引起电机内永磁体的退磁或局部退磁，使电机性能下降，甚至不能正常运行。

有研究者采用转子闭口槽或闭口槽和开口槽相结合的办法来减小起动电流，但是转子闭口槽相当于增大了转子的漏电抗，虽然减小了起动电流，但是降低了电机的起动转矩和电机牵入同步的能力。

如果要减小电机的起动电流而获得较大的异步起动转矩，最有效的办法是增大转子电阻。然而较大的转子电阻又使带一定负载的电机异步稳态运行时的转差率较大，使牵入能力变小，对电机牵入同步不利，甚至使电机运行在异步工作状态而不能高效地同步运行。

在通常的感应电机设计中，通过深槽或双层鼠笼转子设计，利用电机起动过程中的挤流效应增大电机低速时的转子电阻，而在电机接近同步转速时转子等效电阻减小，提高电机的运行效率。然而在自起动永磁电机中，由于永磁体的存在，使转子不可能采用深槽或双层导条结构。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有永磁电机存在的起动电流大、容易退磁的技术不足，本发明提出了一种具有复合材料起动导条的自起动永磁电机，其特征在于：

所述自起动永磁电机的定子铁心冲压有定子槽；转子铁心由在外圆冲压有转子槽的圆形硅钢片叠压而成，在转子铁心内侧，冲压有永磁磁钢安装槽，永磁磁钢按N、S磁极交替布置在永磁磁钢安装槽中；永磁转子采用U型、V型或混合型磁路的磁极结构，在每一个磁极结构的两块磁钢顶部和底部分别设计有磁钢顶部空气隔磁槽、磁钢底部空气隔磁槽、磁钢顶部隔磁磁桥和磁钢底部隔磁磁桥，以保证整个转子的刚度，同时又不使永磁在转子内的漏磁过大；靠近转子铁心表面均匀分布由黄铜和铜铁合金两种材料复合构成的复合材料的鼠笼起动导条，各鼠笼起动导条的两端在转子铁心外短路，为永磁电机的异步起动提供起动力矩；为了放置更多的永磁体，提高永磁电机的功率，复合材料的鼠笼起动导条在转子径向的高度比传统鼠笼异步电机鼠笼导条的高度小；定子槽和转子槽之间的配合采用普通异步电机的槽配合，或采用增大起动力矩而在稳态运行时减小力矩波动的定子槽和转子槽之间的配合；在转子内部由转子转轴支撑转子并对外传递力矩。

所述由黄铜和铜铁合金两种材料复合构成复合材料的鼠笼起动导条，其中黄铜导条位于转子槽底部和转子槽上部的中间部位，转子槽上部两侧部位为铜铁合金材料，或者转子槽的中间为黄铜材料而转子槽两侧为铜铁合金材料，各复合材料鼠笼起动导条的两端在转子铁心外通过焊接的黄铜端环短路；通过调整黄铜材料与铜铁合金材料在转子槽中的结构尺寸，得到永磁电机具有较小的起动电流倍数和适中的起动转矩倍数，并且具有较强的抗退磁能力。

所述具有复合材料起动导条的自起动永磁电机，其定子采用和交流异步电机相同结构的铁心和绕组结构，定子三相绕组采用星型连接。

本发明的有益效果是与现有技术相比，具有以下特点：

1.复合材料起动导条永磁电机的转子导条由黄铜和铜铁合金两种材料复合而成。

2.复合材料起动导条永磁电机的起动电流明显小于传统永磁电机起动电流。

3.复合材料起动导条永磁电机的抗退磁能力优于传统永磁电机。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为复合材料起动导条永磁电机截面示意图。

图2为复合材料起动导条永磁电机转子一个磁极的放大示意图。

图3为传统自起动永磁电机截面示意图。

图4为传统永磁电机和复合材料起动导条永磁电机起动电流随时间变化曲线。

图5为传统永磁电机和复合材料起动导条永磁电机起动速度随时间变化曲线图。

图6为复合材料起动导条永磁电机与传统永磁电机起动过程中永磁体内磁密随时间变化对比图。

附图标记：

1-鼠笼起动导条，2-永磁磁钢，3-转轴，4-转子铁心，5-定子双层绕组，6-定子铁心，7-磁钢顶部隔磁磁桥，8-磁钢底部的空气隔磁槽，9-磁钢底部隔磁磁桥，10-磁钢顶部的空气隔磁槽，11-黄铜导条，12-铜铁合金材料导条，W1-黄铜导条宽度，H1-黄铜导条高度，H2-导条底部黄铜高度。

具体实施方式

本发明提出了一种具有复合材料起动导条的自起动永磁电机。由图1所示复合材料起动导条永磁电机截面示意图可知，所述复合材料起动导条的自起动永磁电机为均匀气隙结构，在定子铁心6上冲压有定子槽；转子铁心4由在外圆冲压有转子槽的圆形硅钢片叠压而成，在转子铁心内侧，冲压有永磁磁钢安装槽，永磁磁钢2按N、S磁极交替布置在永磁磁钢安装槽中；靠近转子铁心表面均匀分布由黄铜导条11和铜铁合金材料12复合构成的复合材料的鼠笼起动导条1，永磁转子采用U型、V型或混合型磁路的磁极结构，硅钢片上冲压有鼠笼起动导条槽和永磁槽，分别放置鼠笼起动导条1和永磁磁钢2；在每一个磁极结构的两块永磁磁钢2的顶部和底部分别设计有磁钢顶部空气隔磁槽10、磁钢底部空气隔磁槽8、磁钢顶部隔磁磁桥7和磁钢底部隔磁磁桥9，以保证整个转子的刚度，同时又不使永磁在转子内的漏磁过大；在转子内部由转子转轴3支撑转子并对外传递力矩。各鼠笼起动导条1的两端在转子铁心4外短路，为永磁电机的异步起动提供起动力矩；为了放置更多的永磁体，提高永磁电机的功率，复合材料的鼠笼起动导条在转子径向的高度比传统鼠笼异步电机鼠笼导条的高度小；定子槽和转子槽之间的配合采用普通异步电机的槽配合，或采用增大起动力矩而在稳态运行时减小力矩波动的定子槽和转子槽之间的配合；定子铁心6冲压有48槽，转子起动导条数为40。

如图1所示，所述具有复合材料起动导条的自起动永磁电机，定子采用和交流异步电机相同结构的铁心和绕组结构，定子采用双层短距分布绕组结构以削弱绕组中的谐波感应电动势，定子三相绕组5采用星型连接。

所述的复合材料转子起动导条永磁电机的工作原理如下：

当永磁电机起动时，转子从静止开始加速旋转，定子电流形成的磁场与转子之间最初以较高的相对运动速度运动，此时转子起动导条中感应电动势和感应电流的频率接近定子电流频率，转子铁心中磁场的交变频率也接近定子电流频率。由于转子的集肤效应，当频率较高时磁场在转子中的透入深度比较浅，也就是说从转子铁心表面开始往转子内部随着深度的增加，磁场逐渐变小。这样使得转子导条中的电流主要集中在鼠笼起动导条靠近转子铁心表面的区域，越往转子内部，鼠笼起动导条中电流密度越小，使转子的等效电阻变大，从而减小了电机起动时的定子电流。根据异步电机的工作原理，转子电阻在一定范围内增大时，使得电机的起动转矩得到提高。随着转子转速的不断增大，转子中磁场的交变频率逐渐降低，集肤效应越来越不明显，鼠笼起动导条中的电流密度逐渐趋于均匀分布，转子的等效电阻变小，使带一定负载的电机异步运行机械特性的斜率变小，更容易把电机牵入同步状态，提高了永磁电机牵入同步的能力。

转子起动导条两边的铜铁合金材料与纯铸铝导条或纯黄铜材料相比有较好的导磁性能，一方面使起动过程中磁场在导条中的透入深度减小，增大起动过程中转子的等效电阻，使电机起动电流减小，从而使电机内永磁体的退磁磁场变小；另一方面铜铁合金材料的存在相当于为定转子电流合成磁场提供了一个漏磁路，使穿过永磁体的退磁磁场变小。综合以上两方面的因素，使复合材料转子起动导条永磁电机的抗退磁能力得到了提高。

实施例1

如图2所示为复合材料起动导条永磁电机转子一个磁极的放大示意图，每个鼠笼起动导条1包括两种材料：黄铜材料和铜铁合金材料。其中黄铜导条11为凸形结构，位于转子槽的底部和上部的中间部位，铜铁合金材料12位于转子槽的上部两侧部位。各鼠笼起动导条1的两端在转子铁4心外通过焊接的黄铜端环短路；本实施例中，铜铁合金材料的电导率为6825.4726S，介于铜和铁之间。转子槽底部黄铜的高度为3mm，上部黄铜高度为16mm，宽度为2mm。

对比图1和3可以看出，本发明所述的复合材料起动导条永磁电机和传统结构的永磁电机的最大区别在于传统结构永磁电机的转子起动导条为一种材料，通常为铸铝，而本发明的复合材料导条永磁电机的起动导条由黄铜导条11和铜铁合金12两种材料复合而成。通过调整黄铜材料与铜铁合金材料在转子槽中的结构尺寸，得到永磁电机具有较小的起动电流倍数和适中的起动转矩倍数，并且具有较强的抗退磁能力。

图4所示为传统永磁电机和复合材料起动导条永磁电机起动电流随时间变化曲线。可以看出，由传统永磁电机起动电流随时间变化曲线得到起动电流倍数为12，远远大于同规格异步电机的起动电流倍数，而从复合材料起动导条永磁电机起动电流随时间变化曲线所得的电流起动倍数为7.72，起动转矩倍数为3.08，可见复合材料转子导条明显降低了永磁电机的起动电流。

图5所示为传统永磁电机和复合材料起动导条永磁电机起动速度随时间变化曲线图。可以看出由于传统电机的起动电流比较大，使得传统永磁电机起动过程中出现多次超过同步速，经过多次振荡，大约在0.3s左右才牵入同步，而复合材料起动导条永磁电机只超调一次，在0.20s左右已经完全进入同步速，起动时间比传统永磁电机短，并且起动过程比传统永磁电机更平稳。

图6所示为复合材料起动导条永磁电机与传统永磁电机起动过程中永磁体内磁密随时间变化对比图。由对比结果可以看出，由于复合材料起动导条永磁电机起动电流的减小以及导条中铜铁合金所提供的定转子电流合成磁场的漏磁通路，起动过程中永磁体最低点磁密为0.277T，明显大于传统结构永磁电机中永磁体的最小磁密0.205T，说明复合材料转子起动导条明显提高了永磁电机的抗退磁能力。

实施例2

实施例2的复合材料起动导条的永磁电机整体结构和实施例1相同，区别在于转子导条中黄铜的结构与实施例1不同，即在图2所示的复合材料起动导条永磁电机转子一个磁极的放大示意图中，鼠笼起动导条1的中间部分全是黄铜导条11，导条槽的两边是铜铁合金材料12，因此鼠笼起动导条1的加工也比实施例1简单。在实施例2中黄铜的宽度选为2mm。该实施例中的永磁电机的起动电流倍数为7.56，堵转转矩倍数为3.2，起动过程中永磁体某点最小磁密为0.277T，明显大于传统结构永磁电机中永磁体的最小磁密0.205T，说明复合材料转子起动导条明显降低了哟个词电机的起动电流，并且提高了永磁电机的抗退磁能力。

Claims (2)

1.一种具有复合材料起动导条的自起动永磁电机，其特征在于，所述自起动永磁电机的定子铁心冲压有定子槽；转子铁心由在外圆冲压有转子槽的圆形硅钢片叠压而成，在转子铁心内侧，冲压有永磁磁钢安装槽，永磁磁钢按N、S磁极交替布置在永磁磁钢安装槽中；永磁转子采用U型或V型的磁极结构，在每一个磁极的两块磁钢顶部和底部分别设计有磁钢顶部空气隔磁槽、磁钢底部空气隔磁槽、磁钢顶部隔磁磁桥和磁钢底部隔磁磁桥，以保证整个转子的刚度，同时又不使永磁在转子内的漏磁过大；靠近转子铁心表面均匀分布由黄铜和铜铁合金材料复合构成的复合材料鼠笼起动导条，各复合材料鼠笼起动导条的两端在转子铁心外短路，为永磁电机的异步起动提供起动力矩；为了放置更多的永磁体，提高永磁电机的功率，复合材料鼠笼起动导条在转子径向的高度比传统鼠笼异步电机鼠笼导条的高度小；定子槽和转子槽之间的配合采用普通异步电机的槽配合，在转子内部由转子转轴支撑转子并对外传递力矩；

所述由黄铜和铜铁合金材料复合构成的复合材料鼠笼起动导条，其中黄铜导条位于转子槽底部和转子槽上部的中间部位，转子槽上部两侧部位为铜铁合金材料，或者转子槽的中间为黄铜材料而转子槽两侧为铜铁合金材料，各复合材料鼠笼起动导条的两端在转子铁心外通过焊接的黄铜端环短路；通过调整黄铜材料与铜铁合金材料在转子槽中的结构尺寸，得到永磁电机具有较小的起动电流倍数和适中的起动转矩倍数，并且具有较强的抗退磁能力。

2.根据权利要求1所述一种具有复合材料起动导条的自起动永磁电机，其特征在于，所述具有复合材料起动导条的自起动永磁电机，其定子采用和交流异步电机相同结构的铁心和绕组结构，定子三相绕组采用星型连接。

Images