CN102185449A

CN102185449A - 三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机

Info

Publication number: CN102185449A
Application number: CN 201110044038
Authority: CN
Inventors: 刘明基; 陈超; 罗应立
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明公开了属于电动机技术领域的一种转子磁极为三段圆弧结构的自起动永磁电机。它由定子和转子构成；所述转子中的永磁体采用内嵌式结构，N、S磁极交替布置；转子每个磁极表面由三段圆弧构成，其中，磁极中间段圆弧半径和转子外圆半径相同，以保证永磁电机的最小气隙，其圆心和定子内圆圆心相同，每个磁极两边圆弧半径小于转子外圆半径，并且两边圆弧的圆心比中间段圆弧圆心要靠近转子表面，形成不均匀气隙结构的永磁电机。通过调整磁极中间圆弧角度和两边圆弧圆心的偏心距使空载气隙磁场中谐波含量较小得到合理的磁极形状。本发明永磁电机的谐波磁场和谐波电流对电机效率和力矩波动的影响都明显改善，适合于长时间连续运行的工作场合。

Description

三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机

技术领域

本发明属于电动机技术领域，特别涉及一种转子磁极为三段圆弧结构的自起动永磁电机。

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导条，起动时依靠鼠笼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。

目前的自起动永磁电机大多采用均匀气隙结构，气隙磁场中含有大量谐波，当永磁体在转子内的布置不合理时气隙磁密中的谐波会更加严重，使得永磁电机电动势中谐波含量较大，增加了电机定子中的谐波电流、谐波铜损耗以及定子铁心中的谐波铁损，同时在转子中也存在谐波铁损、谐波电流及谐波铜损，影响了永磁电机效率的进一步提高；另外谐波磁场和谐波电流也会产生额外的力矩波动，引起电机的振动和噪声。

目前，为了减小空载气隙磁场中的谐波磁场对电机性能的影响，自起动永磁电机主要通过永磁磁钢在转子中的布置方式以及极弧宽度的合理设计，来达到削弱气隙中谐波磁场以及减小力矩波动的目的，但是该方法对气隙磁场中谐波的削弱作用有限。

西南交通大学的徐英雷等提出了磁极形状为单段圆弧的偏心气隙结构自起动永磁电机，通过选择单段圆弧合理的偏心距使自起动永磁电机的空载气隙磁密和空载电动势波形尽可能接近理想的正弦波。但是在永磁电机基本磁路结构及主要尺寸确定后，转子磁极形状只有通过偏心距大小这一个变量的调整来改善气隙磁密波形，虽然设计上简单一些，也得到了比均匀气隙永磁电机更接近正弦的气隙磁场波形，但按这种设计方法得到的永磁电机空载气隙磁场中的谐波含量还是相对较高，谐波磁场对永磁电机性能的影响还是比较大。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机，定子部分由定子铁心和定子绕组构成，转子部分由转子铁心、永磁磁钢、鼠笼式转子起动导条和转轴构成；其特征在于，所述转子部分中的永磁体采用内嵌式结构，N、S磁极交替布置成U型、V型或混合型结构；转子每一个磁极表面由三段圆弧构成，其中，磁极中间段圆弧的半径和转子外圆半径相同，以保证永磁电机最小的气隙，其圆心和定子内圆圆心相同，每一磁极两边的圆弧半径小于转子外圆半径，并且两边圆弧的圆心比中间段圆弧的圆心要靠近转子表面，形成不均匀气隙结构的自起动永磁电机。

所述转子是冲片式结构，永磁体在转子铁心内侧布置，靠近转子铁心表面均匀分布由铸铝制成的鼠笼式转子起动导条，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，鼠笼式转子起动导条的高度比传统鼠笼异步电机鼠笼导条的高度要小；定子槽和转子槽的配合采用普通异步电机式的槽配合，或采用增大起动力矩而在稳态运行时减小力矩波动的配合方式。

所述每个磁极包含的转子槽个数相等；所述磁极中间段圆弧是指在转子表面每个U型或V型布置的两条永磁体中间对称于磁极中心线的圆弧段。

所述三段圆弧磁极的永磁电机，转子每个磁极通过适当调整中间圆弧张开的角度和两边圆弧圆心的偏心距构成不同组合结构，即可得到不同形状的三段圆弧磁极结构，两边圆弧和中间圆弧平滑过渡连接，可以通过电磁场的时步有限元算法计算不同磁极中间圆弧张开角度和两边圆弧的偏心距对应的空载气隙磁场，并对气隙磁密波形进行谐波分解，把不同磁极结构参数组合的气隙磁场谐波达到比较小作为选择磁极中间圆弧张开角度和两边圆弧的偏心距的依据。

所述的三段圆弧磁极结构自起动永磁电机，定子采用和交流异步电机相同结构的铁心和绕组结构，定子三相绕组采用星型连接。

本发明有益效果是与现有技术相比，具有以下特点：

1.永磁电机的转子不再是圆柱体，每个磁极有三段圆弧构成，因此电机的气隙为不均匀气隙。

2.通过电磁场的数值计算优化三段圆弧磁极的结构参数，使永磁电机空载气隙磁场中谐波含量明显减小，空载气隙磁密波形更接近于正弦。

3.由于空载气隙磁密波形接近于正弦，永磁磁钢感应的电动势以及永磁电机工作时的电流更接近正弦，从而使谐波磁场和谐波电流对电机效率以及力矩波动的影响都得到明显改善。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机截面示意图。

图2为三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机转子一个磁极的放大示意图。

图3为传统均匀气隙的自起动永磁电机截面示意图。

图4为传统均匀气隙的自起动永磁电机一个磁极下的气隙磁密波形。

图5为传统均匀气隙和三段圆弧磁极结构的永磁电机一个磁极下气隙磁密的谐波分解对比。

图6为传统均匀气隙永磁电机和三段圆弧磁极结构永磁电机的空载电动势波形图。

图7为传统均匀气隙和三段圆弧磁极结构永磁电机空载电动势的谐波分解对比图。

附图标记：

1-鼠笼式转子起动导条，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，7-三段圆弧磁极永磁电机的不均匀气隙，8-永磁磁钢底部的空气隔磁槽，9-永磁底部隔磁磁桥，10-永磁顶部隔磁磁桥，11-永磁磁钢顶部的空气隔磁槽，12-传统永磁电机的均匀气隙；O-永磁电机定子圆心，O₂-磁极两边圆弧的圆心，AB-转子磁极中间圆弧；AC和BD-转子磁极两边圆弧，Rr-转子磁极中间圆弧半径，α-转子磁极中间圆弧张开的角度，r2-转子磁极两边圆弧半径，AC1和BD1-传统均匀气隙永磁电机磁极圆弧。

具体实施方式

本发明提出一种三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机，定子由定子铁心6和定子绕组5构成，由硅钢片叠压而成转子铁心4，转子硅钢片上冲压有安置起动导条的鼠笼槽和永磁槽，分别放置铸铝制成的鼠笼式转子起动导条1和永磁磁钢2。永磁磁钢的N、S磁极交替布置，每一个极的永磁磁钢两端分别设置底部空气隔磁槽8、顶部空气隔磁槽11、永磁底部隔磁磁桥9和永磁顶部隔磁磁桥10(如图2所示)，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。

由图1、图2可知，永磁体2采用V型布置的内嵌式结构，N、S磁极交替布置；所述三段圆弧磁极结构永磁电机转子内的永磁磁钢方式，永磁磁钢2在转子铁心4内侧布置，靠近转子铁心4表面均匀分布鼠笼式转子起动导条1，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磁钢2，提高永磁电机的功率，鼠笼式转子起动导条1的高度比传统鼠笼异步电机转子导条的高度要小；定转子槽配合采用普通异步电机的槽配合，定子铁心6冲压有48槽，鼠笼式转子起动导条的鼠笼槽数为40，并将转子鼠笼槽槽数分为相等的8份，每份为一个磁极。

转子每一个磁极表面由三段圆弧构成，其中，磁极中间段圆弧是指在转子表面每个V型布置的两条永磁体中间的3个转子鼠笼槽之间对称于磁极中心线的圆弧段AB，其中磁极中间段圆弧AB的半径Rr和转子外圆半径相同，以保证永磁电机最小的气隙，其圆心和定子内圆圆心相同即圆心O和定子内圆圆心相同；每一磁极两边的圆弧AC与BD的半径r2小于转子外圆半径Rr，并且两边圆弧AC与BD的圆心O₂比转子外圆圆心O要靠近转子表面，形成不均匀气隙7，由此得到三段圆弧不均匀气隙的自起动永磁电机。

如图2所示，转子每个磁极通过适当调整中间圆弧AB张开的角度α和两边圆弧圆心的偏心距OO₂构成不同组合结构，即可得到不同形状的三段圆弧磁极结构，两边圆弧AC、BD和中间圆弧AB平滑过渡连接。本实施例中，转子4中间圆弧AB的半径Rr为258.7mm，中间圆弧AB张开的角度α为12.22°，磁极两边圆弧AC、BD的偏心距OO₂为31.13mm。

如图1所示，所述三段圆弧磁极的永磁电机，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进一步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。

对比图1和图3可以看出，本发明所述的三段圆弧磁极结构的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4为均匀圆柱体表面，定子6和转子4之间为均匀气隙12，而本发明的三段圆弧磁极结构电机的转子4为非均匀圆柱体表面，定子6和转子4之间为不均匀气隙7。

图4为传统均匀气隙结构永磁电机一个极下空载磁密波形；图5为传统均匀气隙和三段圆弧磁极结构的永磁电机一个磁极下气隙磁密的谐波分解对比，由图5中谐波分解的对比结果可以看出，三段圆弧磁极结构的永磁电机空载气隙磁场中谐波明显降低。图6为传统均匀气隙自起动永磁电机和三段圆弧磁极结构自起动永磁电机的空载电动势波形，对比结果可以看出，三段圆弧磁极结构永磁电机的空载电动势波形明显比传统均匀气隙结构永磁电机的电动势更接近正弦。图7为传统均匀气隙永磁电机和三段圆弧磁极结构永磁电机空载电动势的谐波分解对比，可以看出除了5磁谐波外，其他各次谐波的电动势明显比传统均匀气隙永磁电机的小，从而本实施例永磁电机工作时电流中的谐波含量由原来均匀气隙永磁电机的19.3％降低为14.9％，相应谐波损耗也比传统均匀气隙的永磁电机小，力矩波动也比传统均匀气隙的永磁电机小，由原来均匀气隙电机的在额定转矩附近以95N·m幅值范围内波动减小为57N·m，力矩波动明显减小。

Claims

1.一种三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机，定子部分由定子铁心和定子绕组构成，转子部分由转子铁心、永磁磁钢、鼠笼式转子起动导条和转轴构成；其特征在于，所述转子部分中的永磁体采用内嵌式结构，N、S磁极交替布置成U型、V型或混合型结构；转子每一个磁极表面由三段圆弧构成，其中，磁极中间段圆弧的半径和转子外圆半径相同，以保证永磁电机最小的气隙，其圆心和定子内圆圆心相同，每一磁极两边的圆弧半径小于转子外圆半径，并且两边圆弧的圆心比中间段圆弧的圆心要靠近转子表面，形成不均匀气隙结构的自起动永磁电机。

2.根据权利要求1所述三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机，其特征在于，所述转子是冲片式结构，永磁体采用U型、V型或混合型布置方式，永磁体在转子铁心内侧布置，靠近转子铁心表面均匀分布由铸铝制成的鼠笼式转子起动导条，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，鼠笼式转子起动导条的高度比传统鼠笼异步电机鼠笼导条的高度要小；定子槽和转子槽的配合采用普通异步电机式的槽配合，或采用增大起动力矩而在稳态运行时减小力矩波动的配合方式。

3.根据权利要求1所述三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机，其特征在于，所述磁极中间段圆弧是指在转子表面每个U型或V型布置的两条永磁体中间对称于磁极中心线的圆弧段。

4.根据权利要求1所述三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机，其特征在于，所述三段圆弧磁极的永磁电机，转子每个磁极通过适当调整中间段圆弧张开的角度和两边圆弧圆心的偏心距构成不同组合结构，即可得到不同形状的三段圆弧磁极结构，两边圆弧和中间圆弧平滑过渡连接，可以通过电磁场的时步有限元算法计算不同磁极中间段圆弧张开角度和两边圆弧的偏心距对应的空载气隙磁场，并对气隙磁密波形进行谐波分解，把不同磁极结构参数组合的气隙磁场谐波达到比较小作为选择磁极中间段圆弧张开角度和两边圆弧圆心偏心距的依据。

5.根据权利要求1所述三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机，其特征在于，所述的三段圆弧磁极结构自起动永磁电机，定子采用和交流异步电机相同结构的铁心和绕组结构，定子三相绕组采用星型连接。