CN102710044B - 自适应无源弱磁永磁同步电机转子 - Google Patents

Abstract

自适应无源弱磁永磁同步电机转子，属于电机技术领域。它解决了现有永磁同步电机的弱磁调速技术中，永磁电机由于励磁不可调节导致的弱磁调速存在困难的问题。它沿转子铁心的轴向开有2n个通槽，2n个通槽沿转子铁心的圆周方向均匀分布，每个通槽中嵌入一个形状相匹配的主永磁体，转子铁心上沿圆周方向每相邻两个通槽之间设置有滑轨槽，每个滑轨槽沿径向设置，每个滑轨槽的槽底均固定一个弹簧，弹簧的自由端与一块辅助永磁体固定连接，所述滑轨槽的槽底为位于转子铁心外圆周方向的底面，辅助永磁体与弹簧静止时的长度之和短于滑轨槽的径向长度。本发明适用于永磁同步电机。

Description

自适应无源弱磁永磁同步电机转子

技术领域

本发明涉及一种自适应无源弱磁永磁同步电机转子，属于电机技术领域。

背景技术

永磁同步电机的励磁不可调节，在基速以上运行时，必须进行弱磁控制。传统方法中通过增加负的直轴去磁电流，利用电枢反应的去磁作用使电机气隙磁场减弱，来等价于直接减弱励磁磁场达到弱磁增速的目的。这种弱磁增速的方法会致使电机的电流增加，使得系统效率降低，这限制了永磁同步电机的应用范围。此外，在永磁同步电机中，去磁效果与直轴电感值有关，直轴电感越大，电枢反应的去磁作用越强，弱磁效果越好。但在传统结构的永磁电机中，永磁体串联在直轴磁路中，永磁体磁导小，直轴电感较小，因此在永磁同步电机中，采用上述弱磁方法弱磁效果并不理想。传统结构的永磁同步电机转子如图5所示，其永磁体直接嵌入转子铁心槽中，永磁体采用径向充磁，设置于永磁体之间的隔磁槽能用来防止极间漏磁。

发明内容

本发明是为了解决现有永磁同步电机的弱磁调速技术中，永磁电机由于励磁不可调节导致的弱磁调速存在困难的问题，提供一种自适应无源弱磁永磁同步电机转子。

本发明所述自适应无源弱磁永磁同步电机转子，它包括转子铁心，它还包括2n个主永磁体、2n个辅助永磁体和2n个弹簧，n为正整数，

沿转子铁心的轴向开有2n个通槽，2n个通槽沿转子铁心的圆周方向均匀分布，每个通槽中嵌入一个形状相匹配的主永磁体，

转子铁心上沿圆周方向每相邻两个通槽之间设置有滑轨槽，每个滑轨槽沿径向设置，每个滑轨槽的槽底均固定一个弹簧，弹簧的自由端与一块辅助永磁体固定连接，所述滑轨槽的槽底为位于转子铁心外圆周方向的底面，辅助永磁体与弹簧静止时的长度之和短于滑轨槽的径向长度，

主永磁体采用径向充磁，辅助永磁体采用切向充磁。

当转子铁心在基速及基速以下运行时，气隙磁通由主永磁体和辅助永磁体发出的磁通之和构成；当转子铁心在基速以上运行时，气隙磁通由主永磁体发出的磁通抵消掉辅助永磁体发出的反向的磁通构成。

辅助永磁体在径向位置的最高点不超过相邻永磁体时，与相邻的主永磁体的磁极相同，辅助永磁体在径向位置的最高点超过相邻永磁体时，与相邻的主永磁体的磁极相反。

所述通槽为V字形通槽，该V字形通槽的开口朝向转子铁心的转轴方向。

所述通槽为瓦片形通槽，该瓦片形通槽的弧度向转子铁心的转轴方向延伸。

所述通槽为平板形通槽。

所述平板形通槽内的主永磁体沿圆周方向均分成多段，相邻两段之间设有磁桥。

所述弹簧为固体弹簧或气体弹簧。

所述辅助永磁体与弹簧之间通过永磁体壳体或永磁体支架固定。

本发明的优点是：本发明通过辅助永磁体在两种电机运行状态下，与主永磁体发出的磁通的方向的相应关系，来调节永磁电机的励磁，解决了永磁电机由于励磁不可调节导致的弱磁调速存在困难的问题。它能提高永磁电机在低速时的转矩以及高速时的效率，拓宽电机的调速范围。

本发明所述转子在基速以下运行时，气隙磁通由主永磁体和辅助永磁体发出的磁通之和构成，因此可提高低速的输出转矩；基速以上运行时，气隙磁通由主永磁体磁通发出的磁通抵消掉辅助永磁体发出的反向的磁通构成，因此可实现弱磁，提高电机的转速范围。这种实现弱磁的方式并非采用增加负的直轴电流，因此降低了铜损耗，且高速运行时电机低磁密，降低了铁损耗，故提高了电机基速以上运行时的效率。本发明气隙磁场的强弱与辅助永磁体在滑轨槽中的位置有关。辅助永磁体在滑轨槽中越靠近转子外周，气隙磁场就越弱，从而可以使电机跟随转速实现自动弱磁，获得了高效率以及宽广的弱磁调速范围。本发明可用于永磁电动机，亦可用于永磁发电机。

附图说明

图1为本发明实施方式二的结构示意图；

图2为本发明实施方式三的结构示意图；

图3为本发明实施方式四的结构示意图；

图4为本发明实施方式五的结构示意图；

图5为传统结构的永磁同步电机转子结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述自适应无源弱磁永磁同步电机转子，它包括转子铁心1，它还包括2n个主永磁体2、2n个辅助永磁体3和2n个弹簧4，n为正整数，

沿转子铁心1的轴向开有2n个通槽，2n个通槽沿转子铁心1的圆周方向均匀分布，每个通槽中嵌入一个形状相匹配的主永磁体2，

转子铁心1上沿圆周方向每相邻两个通槽之间设置有滑轨槽1-1，每个滑轨槽1-1沿径向设置，每个滑轨槽1-1的槽底均固定一个弹簧4，弹簧4的自由端与一块辅助永磁体3固定连接，所述滑轨槽1-1的槽底为位于转子铁心1外圆周方向的底面，辅助永磁体3与弹簧4静止时的长度之和短于滑轨槽1-1的径向长度，

主永磁体2采用径向充磁，辅助永磁体3采用切向充磁。

本实施方式中放置主永磁体2的通槽在转子铁心1径向的位置，需要根据不同电机需要的永磁体用量，即所设计的磁密值决定。

滑轨槽1-1沿转子铁心1径向长度的设置：当转子铁心1在基速及以下运行，需要主永磁体2和辅助永磁体3共同激励，减小辅助永磁体3的漏磁对提高气隙磁通有利。滑轨槽1-1径向位置和转子转轴尺寸相配合会更有效的减少基速及以下的漏磁通。即转子铁心1的内径与滑轨槽1-1径向靠近圆心的一侧之间的距离小一点可以减小漏磁通。可通过加大转子铁心1内径尺寸，或者把滑轨槽1-1径向向靠近转子转轴方向伸长，同时辅助永磁体3也加长来实现。

滑轨槽1-1与通槽的位置关系，只要保证滑轨槽1-1在转子铁心1上径向放置，且位于两个相邻放置主永磁体2的通槽之间即可。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，当转子铁心1在基速及基速以下运行时，气隙磁通由主永磁体2和辅助永磁体3发出的磁通之和构成；当转子铁心1在基速以上运行时，气隙磁通由主永磁体2发出的磁通抵消掉辅助永磁体3发出的反向的磁通构成。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，辅助永磁体3在径向位置的最高点不超过相邻永磁体2时，与相邻的主永磁体2的磁极相同，辅助永磁体3在径向位置的最高点超过相邻永磁体2时，与相邻的主永磁体2的磁极相反。

所述转子铁心1为圆筒形，辅助永磁体3在磁场力和弹簧力的作用下可在滑轨槽1-1中沿径向移动，当电机在基速以下运行时，辅助永磁体3受力达到静平衡时，在滑轨槽1-1中以转子铁心1的圆心为参考点的径向位置不高于主永磁体2，辅助永磁体3和相邻的主永磁体2磁极相同，即辅助永磁体3和相邻的主永磁体2发出的磁通同向；电机在基速以上运行时，辅助永磁体3受力达到静平衡时，在滑轨槽1-1中以圆心为参考点径向位置高于主永磁体2，辅助永磁体3和相邻的主永磁体2的磁极相反，即辅助永磁体3和相邻的主永磁体2发出的磁通反向。

具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，所述通槽为V字形通槽，该V字形通槽的开口朝向转子铁心1的转轴方向。

具体实施方式五：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，所述通槽为瓦片形通槽，该瓦片形通槽的弧度向转子铁心1的转轴方向延伸。

当通槽为瓦片形通槽时，其内嵌入的主永磁体2也为瓦片形，瓦片形主永磁体2可采用一整块永磁体，亦可采用几段小瓦片形永磁体拼接而成。

具体实施方式六：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，所述通槽为平板形通槽。

当通槽为平板形通槽时，其内嵌入的主永磁体2为平板型分布，可呈矩形或梯形。矩形或梯形的主永磁体结构，工艺简单和充磁方便。平板型的主永磁体2可采用一整块永磁体，亦可采用几段矩形或梯形永磁体拼接而成。

具体实施方式七：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式为对实施方式六的进一步说明，所述平板形通槽内的主永磁体2沿圆周方向均分成多段，相邻两段之间设有磁桥。

具有磁桥结构的转子铁心1，其直轴电感较大，会使电机系统具有更高的理想最高转速。

具体实施方式八：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步说明，所述弹簧4为固体弹簧或气体弹簧。

具体实施方式九：本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六、七或八的进一步说明，所述辅助永磁体3与弹簧4之间通过永磁体壳体或永磁体支架固定。

辅助永磁体3的外表面可以固定永磁体壳体或永磁体支架，以用于与弹簧4的固定。滑轨槽1-1与辅助永磁体3之间可以有润滑体或导向机构。

采用本发明转子结构的电机系统中，定子与转子的气隙磁场的强弱与辅助永磁体3在滑轨槽1-1中的位置有关，辅助永磁体3在滑轨槽1-1中越靠近转子铁心1外圆，其气隙磁场就越弱。

本发明实现自动弱磁的作用原理为：当电机基速及基速以下运行时，作用在辅助永磁体3上的磁场力大于离心力，此时辅助永磁体3固定在位于图1中所示位置运行。以转子铁心1圆心为参考点，辅助永磁体3在滑轨槽1-1中径向高度不高于主永磁体2的径向高度。辅助永磁体3和相邻的主永磁体2的极性相同，每极主磁通由主永磁体2和辅助永磁体3共同提供，电机气隙磁密高，电机的输出转矩大、功率密度高。随着速度的增加，作用在辅助永磁体3上的离心力增大，辅助永磁体3在离心力的作用下通过弹簧4使辅助永磁体3在滑轨槽1-1中径向往靠近转子铁心1外周的方向运动。电机速度越高，离心力越大，辅助永磁体在滑轨槽中移动的距离越大，以转子铁心1圆心为参考点，辅助永磁体3在滑轨槽1-1中径向高度越高。辅助永磁体3的径向高度一旦超过主永磁体2，使得辅助永磁体3的磁极方向与相邻主永磁体2的磁极方向相反。主永磁体2发出的磁通经由辅助永磁体3在转子铁心1内部闭合，气隙磁通减少，因此实现了弱磁。转子铁心速度越高，离心力越大，辅助永磁体3在滑轨槽1-1中径向高度超过相邻主永磁体2的距离越大，主永磁体2发出的磁通经由辅助永磁体3在转子铁心内部闭合的磁通越多，气隙磁通越小，弱磁效果越好。

本发明所述转子结构可作为内转子结构、外转子结构，还可以为轴向磁场结构以及直线电机结构，可用于永磁电动机，也可用于永磁发电机。

Claims (7)

1.一种自适应无源弱磁永磁同步电机转子，它包括转子铁心（1），其特征在于：它还包括2n个主永磁体（2）、2n个辅助永磁体（3）和2n个弹簧（4），n为正整数，

沿转子铁心（1）的轴向开有2n个通槽，2n个通槽沿转子铁心（1）的圆周方向均匀分布，每个通槽中嵌入一个形状相匹配的主永磁体（2），

转子铁心（1）上沿圆周方向每相邻两个通槽之间设置有滑轨槽（1-1），每个滑轨槽（1-1）沿径向设置，每个滑轨槽（1-1）的槽底均固定一个弹簧（4），弹簧（4）的自由端与一块辅助永磁体（3）固定连接，所述滑轨槽（1-1）的槽底为位于转子铁心（1）外圆周方向的底面，辅助永磁体（3）与弹簧（4）静止时的长度之和短于滑轨槽（1-1）的径向长度，

主永磁体（2）采用径向充磁，辅助永磁体（3）采用切向充磁；

当转子铁心（1）在基速及基速以下运行时，气隙磁通由主永磁体（2）和辅助永磁体（3）发出的磁通之和构成；当转子铁心（1）在基速以上运行时，气隙磁通由主永磁体（2）发出的磁通抵消掉辅助永磁体（3）发出的反向的磁通构成；

辅助永磁体（3）在径向位置的最高点不超过相邻永磁体（2）时，与相邻的主永磁体（2）的磁极相同，辅助永磁体（3）在径向位置的最高点超过相邻永磁体（2）时，与相邻的主永磁体（2）的磁极相反。

2.根据权利要求1所述的自适应无源弱磁永磁同步电机转子，其特征在于：所述通槽为V字形通槽，该V字形通槽的开口朝向转子铁心（1）的转轴方向。

3.根据权利要求1所述的自适应无源弱磁永磁同步电机转子，其特征在于：所述通槽为瓦片形通槽，该瓦片形通槽的弧度向转子铁心（1）的转轴方向延伸。

4.根据权利要求1所述的自适应无源弱磁永磁同步电机转子，其特征在于：所述通槽为平板形通槽。

5.根据权利要求4所述的自适应无源弱磁永磁同步电机转子，其特征在于：所述平板形通槽内的主永磁体（2）沿圆周方向均分成多段，相邻两段之间设有磁桥。

6.根据权利要求1或5所述的自适应无源弱磁永磁同步电机转子，其特征在于：所述弹簧（4）为固体弹簧或气体弹簧。

7.根据权利要求1或5所述的自适应无源弱磁永磁同步电机转子，其特征在于：所述辅助永磁体（3）与弹簧（4）之间通过永磁体壳体或永磁体支架固定。

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