CN102868267B - 多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统，包括转轴、带有绕组的定子铁心A、带有绕组的定子铁心B、实心永磁转子和叠片永磁转子；实心永磁转子与叠片永磁转子轴向串接固定在所述转轴上；定子铁心A与实心永磁转子匹配对应组成电机M1；带定子铁心B与叠片永磁转子匹配对应组成电机M2；实心永磁转子轴向铁心长度大于所述叠片永磁转子轴向铁心长度。本发明利用同轴的两不同功率不同铁心结构的永磁同步电机，满足不同运行工况的要求；且本发明有效的解决了油田游梁式抽油机、螺杆泵、以及电动汽车负载等重负载起动低负荷运行工况需要匹配使用的驱动电机功率较大、系统效率较低、电能利用率差等问题。

Description

多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统

技术领域

本发明涉及一种同步电机，特别涉及一种多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统。

背景技术

在工农业生产中，存在采油厂、电动汽车等各种要求拖动装置需要高起动性能的场合，在这种场合运行的拖动装置中电机的选取主要以工作时所需的最高功率为标准，通常最大功率发生在拖动装置起动的瞬间，而正常运行时所需的功率很低，这种选取方式造成能源的巨大浪费。

目前，为解决该问题，两台电机同轴串联运行的工作方式被提出，并在某些场合得到应用。该技术最早的应用是为了实现运行调速目的，此时，串联的两台电机极数不同，通过变换运行的电机实现输出转速的变化。后期又出现了不同的衍变结构和工作方式，包括两台电机一起起动然后单机运行、有的采用在两转子间增加短路环来提高起动转矩、有的依靠实心转子电机起动叠片转子电机运行来提高系统性能。但上述相关设计均采用感应电机，电机效率和功率因数均较低，技术上对整体拖动系统效率的改进有限。

发明内容

本发明的目的在于改进现有技术的缺陷，而提供一种多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统。该永磁同步电机系统改变了常规采用大功率电机满足重负荷起动要求的动力匹配方式，利用同轴的两不同功率不同铁心结构的永磁同步电机，满足不同运行工况的要求；且本发明有效的解决了油田游梁式抽油机、螺杆泵、以及电动汽车负载等重负载起动低负荷运行工况需要匹配使用的驱动电机功率较大、系统效率较低、电能利用率差等问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统，所述系统包括转轴、带有绕组的定子铁心A、带有绕组的定子铁心B、实心永磁转子和叠片永磁转子；

所述的实心永磁转子与叠片永磁转子轴向串接固定在所述转轴上；

所述带有绕组的定子铁心A与实心永磁转子匹配对应组成电机M1；

所述带有绕组的定子铁心B与叠片永磁转子匹配对应组成电机M2；

所述实心永磁转子轴向铁心长度大于所述叠片永磁转子轴向铁心长度；实心永磁电机及叠片永磁电机的定、转子铁心长度均分别是匹配对应的，铁心越长功率越大。

进一步的，所述实心永磁转子轴向铁心两端设有端环；

所述实心永磁转子的轴向铁心上开设有燕尾槽口，该燕尾槽口处嵌设有与所述燕尾槽口相匹配的槽楔。

所述槽楔的两端延伸至实心永磁转子轴向铁心外，该槽楔的两端分别焊接固定在所述端环上。该设计的目的在于：由槽楔和端环所组成的起动笼，由于永磁电机本身不具备自起动能力，实心转子永磁电机可以提高起动能力但作用有限，这里增加起动笼可以有效改善电机的起动性能。

进一步的，所述实心永磁转子远离叠片永磁转子的一端的端环上设有凸起；该凸起为轴流式风扇叶状，且所述凸起沿实心永磁转子远离叠片永磁转子的一端的端环圆周均匀分布。在电机旋转时，呈轴流式风扇叶状的凸起产生轴向风压，因而该凸起起到冷却作用。

进一步的，所述叠片永磁转子远离实心永磁转子的一端的端板上设有凸起；该凸起为轴流式风扇叶状，且所述叠片永磁转子远离实心永磁转子的一端的端板上所设的凸起沿叠片永磁转子远离实心永磁转子的一端的端板圆周均匀分布。在电机旋转时，呈轴流式风扇叶状的凸起产生轴向风压，因而该凸起起到冷却作用。

进一步的，所述实心永磁转子的铁心上设有轴向通风孔A，且该轴向通风孔A沿实心永磁转子的铁心圆周均匀分布；所述叠片永磁转子的铁心上设有轴向通风孔B，且该轴向通风孔B沿叠片永磁转子的铁心圆周均匀分布。

所述轴向通风孔A与轴向通风孔B径向高度相等，且轴向位置匹配对应。所述的轴向通风孔A与轴向通风孔B使得轴向冷却风贯穿两个电机转子，为冷却风的轴向流动提供通道。在实心永磁转子21和叠片永磁转子22端部上所设的呈风扇叶状的凸起61、62产生轴向风压作用下，电机端部空气通过轴向通风孔A71与轴向通风孔B72产生轴向运动，一方面直接带走转子铁心热量，另一方面与远离实心永磁转子21的叠片永磁转子22一端的端部空气混合后将热量通过机壳和端盖散失掉，进而形成冷却系统，即内部自冷系统。

进一步的，所述电机M1的转换功率比所述电机M2的转换功率大1-2个功率级。功率等级：参考国标GB/T 4772.1-1999第11页所给出旋转电机优先输出的额定功率。

进一步的，所述实心永磁转子上匹配地固装有切入式永磁磁钢或瓦片状永磁磁钢；所述的叠片永磁转子上匹配地固装有切入式永磁磁钢或瓦片状永磁磁钢。

进一步的，所述定子铁心A入线端子上和定子铁心B的入线端子上均分别装有用于实时监测叠片永磁转子电机或实心永磁转子电机输出功率的电流检测元件。所述的电流检测元件通过监测流向电枢绕组的电流，判断两台子电机M1、M2的输出功率。

进一步的，所述定子铁心A的电源前端和定子铁心B的电源前端均分别装有用于进行电源切换的接触器。

进一步的，所述电机M1和电机M2共用同一基座。

本发明的工作原理如下：

1.起动时，控制器D控制中间继电器K1线圈电源，触点K1闭合，接触器KM1线圈通电，KM1触点闭合，进而实心永磁转子电机M1电源导通；起动过程中只有实心永磁电机M1起动，而叠片永磁电机M2不接电源，这是由于叠片永磁转子表面贴磁无起动能力，如果采用切入式叠片结构电机和实心电机同时起，由于切入式叠片结构电机起动电流大，会对整个电机产生冲击，故不能同时起动。由于实心永磁电机M1起动转矩大，起动电流小，故起动时优势明显。

2.起动过程，控制器D通过电流检测元件监测实心永磁电机M1电枢电流信号a1，a2，a3；当起动电流降低至正常功率水平时，判断起动过程结束；控制器D控制中间继电器K2线圈电源，触点K2闭合，接触器KM2线圈通电，KM2触点闭合，叠片永磁电机M2电源导通开始工作；然后通过中间继电器K1切断接触器KM1电源，KM1触点打开，实心永磁电机M1脱离电源停止工作。

3.起动完成后，实心永磁电机M1停止工作，叠片永磁电机M2拖动实心永磁电机M1同时工作，实心永磁电机M1作空载运行。在低负荷时，即只有叠片永磁电机M2的30％-50％。由于叠片永磁电机功率比较小，可运行在最佳工作区域内。

4.控制器D通过电流检测元件监测叠片永磁电机M2电枢电流信号b1，b2，b3，进而计算分析出M2实际输出功率；当检测功率达到叠片永磁电机M2额定功率70％-80％时，通过控制器D将实心永磁电机M1电源接通，然后将叠片永磁电机M2电源断开，进而M1开始工作M2停止工作。这时负载只相当于实心永磁电机M1功率的30％-40％，电机可安全工作，系统并处于较佳节能状态。

5.控制器D通过电流检测元件监测实心永磁电机M1电枢电流信号a1，a2，a3和实际输出功率；当检测负载功率达到实心永磁电机M1功率的70％-80％时，控制器D同时导通K1和K2线圈，进而接触器KM1和KM2触点同时闭合，使实心永磁电机M1和叠片永磁电机M2同时工作。这时，负载仅相当于两台永磁电机负载的50％-60％，节能效果显著。同理，当通过电流检测元件得到电枢绕组电流确定实际输出功率小于实心永磁电机M1功率的30％时，控制器将工作电机切换为叠片永磁电机M2，使得系统始终处在最佳节能运行状态。

本发明与现有产品相比，具有如下积极有益的效果：

1、本发明所提出的多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统，改变了常规采用大功率电机满足重负荷起动要求的动力匹配方式，利用同轴的两不同功率不同铁心结构的永磁同步电机，满足不同运行工况的要求。

2、由于两电机均为同步电机运行时输出转速稳定，提高了系统可靠性。

3、本发明所提出的永磁电机使得本永磁同步电机系统具有较高的效率和功率因数，不仅节能而且改善了供电网的电能质量。

4、内部自冷系统使得电机运行时能够相互提供冷却风，使得转子永磁体的工作温度降低，不仅提高电机运行稳定性，而且延长了永磁体的使用寿命。

5、智能控制系统跟踪检测负载变化，根据负载不同决策最佳电机功率匹配，并自动完成投运功率的无缝变换，实现系统的最优状态运行。

附图说明

图1为本发明第一实施例的内部整体结构示意图之一。

图2为本发明第一实施例的内部整体结构示意图之二。

图3为本发明第一实施例的整体结构示意图之一。

图4为本发明第一实施例的整体结构示意图之二。

图5为本发明第一实施例的立体结构示意图。

图6为图4的左视图。

图7为图4的A-A剖视图。

图8为图4的B-B剖视图。

图9为图4的C-C剖视图。

图10为图4的右视图。

图11为本发明接触器控制绕组的线路示意图。

图12为本发明中信号采集、数据分析和指令发出控制器D芯板示意图。

图13为本发明第二实施例的内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

如图1至10所示，一种多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统，所述系统包括转轴8、带有绕组31的定子铁心A11、带有绕组32的定子铁心B12、实心永磁转子21和叠片永磁转子22；所述的实心永磁转子21与叠片永磁转子22轴向串接固定在所述转轴8上；所述带有绕组31的定子铁心A11与实心永磁转子21匹配对应组成电机M1；所述带有绕组32的定子铁心B12与叠片永磁转子22匹配对应组成电机M2；所述实心永磁转子21轴向铁心长度大于所述叠片永磁转子22轴向铁心长度；实心永磁转子21同与其对应的带有绕组31的定子铁心A11匹配对应，叠片永磁转子22同其对应的带有绕组32的定子铁心B12匹配对应，铁心越长功率越大。

所述叠片永磁转子22轴向铁心两端设有端板101；所述实心永磁转子21轴向铁心两端设有端环42；所述实心永磁转子21的轴向铁心上开设有燕尾槽口211，该燕尾槽口211处嵌设有与所述燕尾槽口211相匹配的槽楔41；所述槽楔41的两端延伸至实心永磁转子21轴向铁心外，该槽楔41的两端分别焊接固定在所述端环42上。该设计的目的在于：由槽楔41和端环42所组成的起动笼，由于永磁电机本身不具备自起动能力，实心转子永磁电机可以提高起动能力但作用有限，这里增加起动笼可以有效改善电机的起动性能。

所述实心永磁转子21远离叠片永磁转子22的一端的端环42上设有凸起61；该凸起61为轴流式风扇叶状，且所述凸起61沿实心永磁转子21远离叠片永磁转子22的一端的端环42圆周均匀分布。在电机旋转时，呈轴流式风扇叶状的凸起61产生轴向风压，所述凸起61起到冷却作用。

所述实心永磁转子21的铁心上设有轴向通风孔A71，且该轴向通风孔A71沿实心永磁转子21的铁心圆周均匀分布；所述叠片永磁转子22的铁心上设有轴向通风孔B72，且该轴向通风孔B72沿叠片永磁转子22的铁心圆周均匀分布。

所述轴向通风孔A71与轴向通风孔B72径向高度相等，且轴向位置匹配对应。所述的轴向通风孔A71与轴向通风孔B72使得轴向冷却风贯穿两个电机转子21、22，为冷却风的轴向流动提供通道。在实心永磁转子21端环42上所设的呈风扇叶状的凸起61产生轴向风压作用下，电机端部空气通过轴向通风孔A71产生轴向运动，一方面直接带走实心转子铁心热量，另一方面与远离实心永磁转子21的叠片永磁转子22一端的端部空气混合后将热量通过机壳和端盖散失掉，进而形成冷却系统，即内部自冷系统。

所述电机M1的转换功率比所述电机M2的转换功率大1-2个功率级。功率等级：参考国标GB/T4772.1-1999第11页所给出旋转电机优先输出的额定功率。

所述实心永磁转子21上匹配地固装有切入式永磁磁钢51；所述的叠片永磁转子上匹配地固装有瓦片状永磁磁钢52。

所述定子铁心A11入线端子上和定子铁心B12的入线端子上均分别装有用于实时监测叠片永磁转子电机(M1)或实心永磁转子电机(M2)输出功率的电流检测元件IT1和IT2。所述的电流检测元件通过监测流向电枢绕组的电流，判断两台子电机M1、M2的输出功率。

所述定子铁心A11的电源前端和定子铁心B12的电源前端均分别装有用于进行电源切换的接触器KM1，KM2；所述电机M1和电机M2共用同一基座9。

本发明的工作原理如下：

1.起动时，如图11、12所示，控制器D控制中间继电器K1线圈电源，触点K1闭合，接触器KM1线圈通电，KM1触点闭合，进而实心永磁转子电机M1电源导通；起动过程中只有实心永磁电机M1起动，而叠片永磁电机M2不接电源，这是由于叠片永磁转子表面贴磁无起动能力，如果采用切入式叠片结构电机和实心电机同时起，由于切入式叠片结构电机起动电流大，会对整个电机产生冲击，故不能同时起动。由于实心永磁电机M1起动转矩大，起动电流小，故起动时优势明显。

2.起动过程，控制器D通过电流检测元件IT1监测实心永磁电机M1电枢电流信号a1，a2，a3；当起动电流降低至正常功率水平时，判断起动过程结束；控制器D控制中间继电器K2线圈电源，触点K2闭合，接触器KM2线圈通电，KM2触点闭合，叠片永磁电机M2电源导通开始工作；然后通过中间继电器K1切断接触器KM1电源，KM1触点打开，实心永磁电机M1脱离电源停止工作。

3.起动完成后，实心永磁电机M1停止工作，叠片永磁电机M2拖动实心永磁电机M1同时工作，实心永磁电机M1作空载运行。在低负荷时，即只有叠片永磁电机M2的30％-50％。由于叠片永磁电机功率比较小，可运行在最佳工作区域内。

4.控制器D通过电流检测元件IT2监测叠片永磁电机M2电枢电流信号b1，b2，b3，进而计算分析出M2实际输出功率；当检测功率达到叠片永磁电机M2额定功率70％-80％时，通过控制器D将实心永磁电机M1电源接通，然后将叠片永磁电机M2电源断开，进而M1开始工作M2停止工作。这时负载只相当于实心永磁电机M1功率的30％-40％，电机可安全工作，系统并处于较佳节能状态。

5.控制器D通过电流检测元件IT1监测实心永磁电机M1电枢电流信号a1，a2，a3和实际输出功率；当检测负载功率达到实心永磁电机M1功率的70％-80％时，控制器D同时导通K1和K2线圈，进而接触器KM1和KM2触点同时闭合，使实心永磁电机M1和叠片永磁电机M2同时工作。这时，负载仅相当于两台永磁电机负载的50％-60％，节能效果显著。同理，当通过电流检测元件得到电枢绕组电流确定实际输出功率小于实心永磁电机M1功率的30％时，控制器将工作电机切换为叠片永磁电机M2，使得系统始终处在最佳节能运行状态。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于：所述叠片永磁转子22上匹配地固装有切入式永磁磁钢。

实施例3：

如图13所示，本实施例与实施例1或2的区别在于：所述叠片永磁转子22远离实心永磁转子21的一端的端板101上设有凸起62；该凸起62为轴流式风扇叶状，且所述凸起62沿叠片永磁转子22远离实心永磁转子21的一端的端板101圆周均匀分布。在电机旋转时，呈轴流式风扇叶状的凸起62产生轴向风压，所述凸起62起到冷却作用。

在实心永磁转子21和叠片永磁转子22端部上所设的呈风扇叶状的凸起61、62产生轴向风压作用下，电机端部空气通过轴向通风孔A71与轴向通风孔B72产生轴向运动，一方面直接带走转子铁心热量，另一方面与远离实心永磁转子21的叠片永磁转子22一端的端部空气混合后将热量通过机壳和端盖散失掉，进而形成冷却系统，即内部自冷系统。

本文中所采用的描述方位的词语“上”、“下”、“左”、“右”等均是为了说明的方便基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。

综上所述，本发明所述的实施方式仅提供一种最佳的实施方式，本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明所揭示的内容而作各种不背离本发明创作精神的替换及修饰；因此，本发明的保护范围不限于实施例所揭示的技术内容，故凡依本发明的形状、构造及原理所做的等效变化，均涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统，其特征在于：所述系统包括转轴、带有绕组的定子铁心A、带有绕组的定子铁心B、实心永磁转子和叠片永磁转子；

所述的实心永磁转子与叠片永磁转子轴向串接固定在所述转轴上；

所述带有绕组的定子铁心A与实心永磁转子匹配对应组成电机M1；

所述带有绕组的定子铁心B与叠片永磁转子匹配对应组成电机M2；

所述实心永磁转子轴向铁心长度大于所述叠片永磁转子轴向铁心长度；

所述定子铁心A入线端子上和定子铁心B的入线端子上均分别装有用于实时监测电机M2或电机M1输出功率的电流检测元件，根据负载不同决策最佳电机功率匹配。

2.根据权利要求1所述的多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统，其特征在于：所述实心永磁转子轴向铁心两端设有端环；

所述实心永磁转子的轴向铁心上开设有燕尾槽口，该燕尾槽口处嵌设有与所述燕尾槽口相匹配的槽楔；

所述槽楔的两端延伸至实心永磁转子轴向铁心外，该槽楔的两端分别焊接固定在所述端环上。

3.根据权利要求2所述的多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统，其特征在于：所述实心永磁转子远离叠片永磁转子的一端的端环上设有凸起；该凸起为轴流式风扇叶状，且所述凸起沿实心永磁转子远离叠片永磁转子的一端的端环圆周均匀分布。

4.根据权利要求3所述的多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统，其特征在于：所述叠片永磁转子远离实心永磁转子的一端的端板上设有凸起；该凸起为轴流式风扇叶状，且所述叠片永磁转子远离实心永磁转子的一端的端板上所设的凸起沿叠片永磁转子远离实心永磁转子的一端的端板圆周均匀分布。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统，其特征在于：所述实心永磁转子的铁心上设有轴向通风孔A，且该轴向通风孔A沿实心永磁转子的铁心圆周均匀分布；所述叠片永磁转子的铁心上设有轴向通风孔B，且该轴向通风孔B沿叠片永磁转子的铁心圆周均匀分布；所述轴向通风孔A与轴向通风孔B径向高度相等，且轴向位置匹配对应。

6.根据权利要求5所述的多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统，其特征在于：所述电机M1的转换功率比所述电机M2的转换功率大1-2个功率级。

7.根据权利要求6所述的多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统，其特征在于：所述实心永磁转子上匹配地固装有切入式永磁磁钢或瓦片状永磁磁钢；所述的叠片永磁转子上匹配地固装有切入式永磁磁钢或瓦片状永磁磁钢。

8.根据权利要求7所述的多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统，其特征在于：所述定子铁心A的电源前端和定子铁心B的电源前端均分别装有用于进行电源切换的接触器。

9.根据权利要求8所述的多功率实心转子与叠片转子串联式永磁同步电机系统，其特征在于：所述电机M1和电机M2共用同一基座。