CN103138517A - 异步起动永磁电机的转子和使用其的异步起动永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种异步起动永磁电机的转子和使用其的异步起动永磁电机。所述用于异步起动永磁电机的转子，包括：转子铁芯；多个永磁体，所述多个永磁体被沿着相对于所述转子中心的圆周间隔地设置在所述转子铁芯的内部；至少一个磁通开关，设置在所述相邻永磁体之间且靠近所述转子铁芯的外圆周处，所述磁通开关能够改变所述相邻永磁体之间的磁通回路。

Description

异步起动永磁电机的转子和使用其的异步起动永磁电机

技术领域

本发明涉及永磁电机领域，尤其涉及，异步起动永磁电机的转子和使用其的异步起动永磁电机。

背景技术

通常，诸如无刷DC电机的永磁电机具有安装在转子芯部上的永磁体以产生旋转驱动力。典型地，永磁电机包括定子和转子以及端盖等部件。定子是永磁电机的固定部分，用于产生旋转磁场，主要由定子铁芯、定子绕组等部件组成。转子是永磁电机的转动部分，由转子铁芯、转子绕组和转轴等部件组成，其作用是在旋转磁场作用下获得转动力矩。

基于转子结构中绕组的设置方式，永磁电机被分为鼠笼式永磁电机和绕线式永磁电机。鼠笼式永磁电机的转子用铜条等安装在转子铁芯槽内，两端用端环焊接。

在现有的异步起动永磁电机中存在下述问题：为了提高起动转矩，就会在一定程度上降低永磁电机牵入同步的能力和稳定运行时的性能(例如效率、功率因数)；反之，要提高牵入同步的能力和稳定运行时的性能，就会降低起动转矩。目前的解决上述问题的方法之一是平衡永磁电机的起动转矩、牵入同步的能力和稳定运行的性能，且选用适当的永磁体用量。

鉴于上述的永磁电机的起动转矩、牵入同步的能力和稳定运行能力之间的相互约束或相互制衡的关系。确有需要提供一种新型的异步起动永磁电机的转子，其既能够提高异步起动永磁电机的起动转矩，又可以提高异步起动永磁电机的牵入同步能力和稳定运行能力。

发明内容

本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。

相应地，本发明的目的之一是提供一种新型的异步起动永磁电机的转子，其既能够提高异步起动永磁电机的起动转矩，又可以提高异步起动永磁电机的牵入同步能力和稳定运行能力。

本发明的另一目的是提供一种使用上述的转子的异步起动永磁电机。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于异步起动永磁电机的转子，包括：转子铁芯；多个永磁体，所述多个永磁体被沿着相对于所述转子中心的圆周间隔地设置在所述转子铁芯的内部；至少一个磁通开关，设置在所述相邻永磁体之间且靠近所述转子铁芯的外圆周，所述磁通开关能够改变所述相邻永磁体之间的磁通回路。

进一步地，所述磁通开关包括衔铁、一部分转子铁芯、缠绕到所述一部分转子铁芯上的转子绕组、和连接所述衔铁和所述一部分转子铁芯的弹簧件。

进一步地，所述衔铁是圆弧形，所述每个永磁体是圆弧形，所述衔铁对应地沿所述永磁体的圆周设置在所述永磁体之间但与对应的永磁体间隔开一距离，以与所述多个永磁体形成一个圆筒结构。

进一步地，所述衔铁是圆弧形，所述每个永磁体是长方体形，所述衔铁对应地设置在所述永磁体之间但与对应的永磁体间隔开一距离，以与所述多个永磁体形成一个圆环结构。

进一步地，所述衔铁能够在处于与所述永磁体在同一圆周上的第一位置和比第一位置更靠近所述转子铁芯的外圆周的第二位置之间移动。

进一步地，所述一部分转子铁芯沿着所述转子的外圆周设置且在其与弹簧件连接的一侧设置成凹槽，所述弹簧件被容纳在所述凹槽中。

进一步地，所述凹槽具有两个臂，每个臂上缠绕有转子绕组。

进一步地，所述第二位置为所述弧形衔铁的两端与所述转子铁芯的凹槽的两个臂的顶部接触所处的位置。

进一步地，在对所述转子绕组通电且在衔铁与所述一部分转子铁芯之间产生相应的磁力时，所述衔铁通过所述磁力克服弹簧件的反作用力以使所述衔铁离开所述第一位置到达所述第二位置，实现所述磁通开关的闭合。

进一步地，在所述转子绕组断电时，弹簧件的反作用力能够将所述衔铁从所述第二位置推动至所述第一位置，实现所述磁通开关的断开。

进一步地，所述转子绕组通过设置在所述转子中心处的转轴上的滑环实现通电或断电。

进一步地，所述转子还包括沿着所述转子外圆周间隔地设置在所述转子铁芯内部的多个转子笼，用于产生异步起动转矩。

进一步地，所述多个永磁体为四个永磁体，所述至少一个磁通开关为四个磁通开关，且所述四个永磁体与所述四个磁通开关中的衔铁处于相对于转子中心的同一圆周上且构成圆筒形结构。

根据本发明的另一方面，提供了一种异步起动永磁电机，所述异步起动永磁电机包括：定子，和根据上述的转子，所述转子可旋转地设置在所述定子中，且与所述定子间隔开一距离。

进一步地，所述定子包括圆筒形的定子铁芯、多个沿所述定子的径向方向向内延伸的定子齿、在所述多个定子齿分布之间的定子槽以及缠绕所述定子齿以产生旋转磁场的线圈。

在本发明中异步起动永磁电机的起动时的气隙磁密相对于牵入同步时的气隙磁密下降了20％。本发明的异步起动永磁电机能够实现上述显著优点的原理是：起动时，闭合磁通开关，减小永磁体对起动转矩的削弱作用，提高了起动转矩；牵入同步时，断开磁通开关，永磁体可提供更多的能量，使所述异步起动永磁电机很容易牵入同步，并实现稳定运行。相比原有平衡永磁电机的起动性能和稳定运行性能的方法，可获得高的起动转矩、高牵入同步能力、高的稳定运行能力，诸如高的效率和高功率因数等性能。

因此，本发明的独特之处在于：抛弃了本领域中在设计异步起动永磁电机时尽量减小漏磁以尽可能提高永磁体的利用效率的惯常做法，而本发明采用与之相反的做法：增大漏磁来提高异步起动永磁电机的起动性能。即，在本发明中，通过在转子上增设一个磁通开关，削弱了异步起动永磁电机的起动性能、牵入同步能力和稳定运行性能之间的权衡关系或相互制约/约束的关系，实现了同时提高电机的起动转矩、牵入同步能力和稳定运行性能。

附图说明

现在参照随附的示意性附图，仅以举例的方式，描述本发明的实施例，其中，在附图中相应的附图标记表示相应的部件。

图1是根据本发明的第一实施例的异步起动永磁电机的横截面示意图；

图2是图1中显示的移除了转子的异步起动永磁电机中的定子的横截面示意图；

图3是图1中显示的移除了定子的异步起动永磁电机中的转子的横截面示意图；

图4是示出图1中显示的异步起动永磁电机中的磁通开关闭合时的永磁体的磁通的流通情况的仿真示意图；

图5是示出图1中显示的异步起动永磁电机中的磁通开关断开时的永磁体的磁通的流通情况的仿真示意图；

图6是分别示出图1中显示的异步起动永磁电机中的磁通开关闭合和断开时的气隙磁密在180°电角度内的曲线图；和

图7是根据本发明的第二实施例的异步起动永磁电机中的转子的横截面示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图1-7，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

下面参考附图对根据本发明的实施例的异步起动永磁电机进行说明。

第一实施例

参考图1，示出了根据本发明的第一实施例的异步起动永磁电机20。该异步起动永磁电机20包括定子21和转子24，所述转子24可旋转地设置在所述定子21中，且与所述定子21间隔开一距离。具体地，所述转子24设置在所述定子21内的圆柱形腔体中。优选地，所述转子24同心地设置在所述圆柱形腔体中。所述定子21与所述转子24间隔开一距离d1设置。

参见图2，所述定子21包括圆筒形的定子铁芯22、多个沿所述定子21的径向方向向内延伸的定子齿29、在所述多个定子齿29之间分布的定子槽23以及缠绕所述定子齿29以产生旋转磁场的线圈(未示出)。鉴于所述定子21为圆筒形，所以定子21具有外圆周211和内圆周212。所述定子槽23为开口槽且槽口朝向转子24。优选地，所述定子槽23均匀地间隔地沿着定子21的内圆周212分布。

所述定子21的内圆周212和所述转子24的外圆周241(之后描述)之间的气隙为均匀宽度的环形气隙或为径向长度为d1的环形气隙。

如图1和3所见，转子24包括转子铁芯25；多个永磁体27，所述多个永磁体27被间隔地设置在所述转子铁芯25的内部；和至少一个磁通开关10，设置在所述相邻永磁体27之间且靠近所述转子铁芯25的外圆周241，所述磁通开关10能够改变所述相邻永磁体27之间的磁通回路。

在本发明中，所述转子24为规则圆柱形且所述转子铁芯25为圆筒形。转子24具有外圆周241，转子铁芯25具有内圆周242。所述转子的外圆周241与定子的内圆周212之间的间隔开距离或间隙d1。另外，所述转子24还包括在其中心处设置的转轴28，所述转子铁芯25的内圆周242与所述转轴28紧密贴合在一起，且通过转轴28上的轴键(未示出)配合在转子铁芯25的轴键孔(未示出)中。通常，由多个层叠放置的硅钢片制造呈现圆筒形的转子铁芯25。应当注意，本领域技术人员可以明白转子24与转轴28的连接除了用轴键的方式之外，也可以用热套和冷压的方式进行连接。

在图3中示出，转子24还包括设置在转子铁芯25内且沿着转子铁芯25的圆周设置的多个永磁体槽(未示出)，所述永磁体27被嵌入或插入到所述永磁体槽内。在本实施例中，所述永磁体27为四个具有相等尺寸的长方体形的永磁体，且相应地也设置了四个永磁体槽。由于永磁体槽与永磁体27紧密贴合，因此，没有示出永磁体槽。然而，如本领域技术人员已知的，可以根据需要在转子24内设置任意数量的永磁体或永磁体槽，且永磁体27不一定必须与永磁体槽的体积完全相等。

另外，所述转子24还包括沿着所述转子外周周241间隔地设置在所述转子铁芯25中的多个转子笼26，用于产生异步起动转矩。

所述磁通开关10包括衔铁11、一部分转子铁芯12、缠绕到所述一部分转子铁芯上12的转子绕组13、和连接所述衔铁11和所述一部分转子铁芯12的弹簧件14。在本实施例中，所述弹簧件14为一复位弹簧。

具体地，所述衔铁11是圆弧形，所述多个永磁体27也是圆弧形，所述衔铁11对应地沿相对于转子中心243的同一圆周设置在所述永磁体27之间但与对应的永磁体27间隔开一距离d2，以与所述多个永磁体27形成一个圆筒结构。可以理解，所形成的圆筒结构之间具有间隙，以便于所述衔铁11能够在第一位置和第二位置之间移动(之后详细说明)。

应当理解，具体参见图3所示，所述多个永磁体27为四个永磁体，所述至少一个磁通开关10为四个磁通开关10，且所述四个永磁体27与所述四个磁通开关10中的衔铁11处于相对于转子中心243的同一圆周上且构成圆筒形结构。

所述衔铁11能够在处于与所述永磁体27在同一圆周上的第一位置P1和比第一位置P1更靠近所述转子铁芯25的外圆周241的第二位置P2之间移动(如图3中的箭头所示)。应当注意，为了使得衔铁11能够从上述第一位置P1与第二位置P2之间移动，所述衔铁11应当与相邻的永磁体27间隔开一距离d2。本领域技术人员可以根据实际需要选择所述距离d2的尺寸。

衔铁11与相邻的永磁体27之间的沿圆周方向上的间隔被称作为隔磁桥(即在标记为d2的间隔位置处)，其的宽度可以根据需要进行选择。

此外，所述一部分转子铁芯12沿着所述转子24的外圆周241设置且在其与弹簧件14连接的一侧设置有凹槽121，所述弹簧件14被容纳在所述凹槽121中。所述凹槽121具有两个臂122，每个臂122上缠绕有转子绕组13。

可以理解，本发明中所述第二位置P2为所述弧形衔铁11的两端与所述转子铁芯的凹槽121的两个臂122的顶部接触所处的位置。显然，可以根据需要选择所述第二位置P2。当然可以选择比本实施例中的第二位置P2更靠近第一位置P1的位置作为第二位置。

在本实施例中，所述转子24的中心处243设置有转轴28，所述转子绕组13通过设置在转轴28上的滑环(未示出)实现通电或断电。

在对所述转子绕组13通电且在衔铁11与所述一部分转子铁芯12之间产生相应的磁力时，所述衔铁11通过所述磁力克服弹簧件14的反作用力以使所述衔铁11离开所述第一位置P1到达所述第二位置P2，实现所述磁通开关10的闭合。反之，在所述转子绕组13断电时，所述弹簧件14的反作用力能够将所述衔铁11从所述第二位置P2推动至所述第一位置P1，实现所述磁通开关10的断开。

在上述详细描述中，主要描述了异步起动永磁电机20的定子21和转子24等主要部件的设计，可以理解异步起动永磁电机20还可以包括包含定子21和转子24的壳体(未示出)和基座以及其它通常具有的附件。在此，为了不混淆本发明的主要发明方面，不再对壳体或壳体与定子等的连接结构进行详细描述。

参见图4和5，具体地说明本发明的磁通开关10闭合和断开时的永磁体27的磁通的流通情况。具体地，如图4所示，在所述异步起动永磁电机20起动时，转子绕组13通电，衔铁11被吸合到所述一部分转子铁芯12的臂122上(即磁通开关10闭合)。此时，相邻永磁体27之间的磁路被联通，磁通可以不经过定子绕组而构成回路，从而降低了起动时所述永磁体27产生的制动转矩。

如图5所示，在所述异步起动永磁电机20需要牵入同步时，切断转子绕组13的电流，所述弹簧件14将推动所述衔铁11离开臂122，且到达所述第一位置P1，相邻永磁体27的磁通需要经过定子绕组才能构成回路，此时所述永磁体可以提供足够的能量使所述异步起动永磁电机20牵入同步。稳定运行后，可以获得更高的运行性能。

由图4和图5可知，在磁通开关10闭合时，衔铁11中有磁通流过，而在磁通开关10断开时，衔铁11中没有磁通流过。

如图6所示，分别示出图4中显示的异步起动永磁电机20中的磁通开关10闭合时的气隙磁密在180°电角度内的曲线a和图5中显示的异步起动永磁电机20中的磁通开关10断开时的气隙磁密在180°电角度内的曲线b。通过比较曲线a和b可知，在本发明中异步起动永磁电机20的起动时的气隙磁密相对于牵入同步时的气隙磁密下降了20％。

第二实施例

在本发明的第二实施例中所述异步起动永磁电机与本发明的第一实施例中的异步起动永磁电机的结构大部分是相同，除了永磁体和永磁体槽的设置形式不同之外。因此，在所述第二实施例中，相同的部件被采用相同的标号来表示，且它们具有相同或相等同的功能。为了避免混淆本发明的第二实施例的主要方面，不再对上述的相同的部件或结构进行描述。

具体地参见图7，其仅示出了所述异步起动永磁电机的转子，其的定子与所述第一实施例中的定子相同。与在第一实施例中将永磁体27和永磁体槽设置成圆弧形相比，第二实施例中永磁体37和永磁体槽38被设置成直线形，如图所示。在实际应用中，所述永磁体37为长方体形，所述永磁体槽38能够容纳所述永磁体37即可。在第二实施例中，在图7的横截面视图中，所述永磁体槽38被设置成梯形，在容纳了永磁体37之后，还在其两端具有三角形的空隙39，用于防止漏磁。在永磁体37填充了永磁体槽38之后，通过在永磁体槽38的两端设置了两个三角形空隙39，来使得与本发明的第一实施例的异步起动的永磁电机20相比，具有相同宽度的隔磁桥(在图3中标记为d2的间隔位置处)。

在本发明的第二实施例中，所述衔铁11是圆弧形，所述每个永磁体37是长方体形，所述衔铁11对应地设置在所述永磁体37之间但与对应的永磁体37间隔开一距离，以与所述多个永磁体37形成一个圆环结构。可以理解，所形成的圆环结构之间具有间隙，以便于所述衔铁11能够在第一位置和第二位置之间移动(如之前详细说明的)。

另外，所述第二实施例的异步起动永磁电机与第一实施例的异步起动永磁电机20的功能基本相同，在此不再进行详细说明。

可以理解，本发明中衔铁的形状可以是长方体形，也可以是圆弧形或任何其它的形状。只要能实现本发明所述的磁通开关10的功能或优点，可以任意设置永磁体和衔铁的形状。

本发明的异步起动永磁电机20能够实现上述显著优点的原理是：起动时，闭合磁通开关10，减小永磁体27或37对起动转矩的削弱作用，提高了起动转矩；牵入同步时，断开磁通开关10，永磁体27或37可提供更多的能量，使所述异步起动永磁电机20很容易牵入同步，并实现稳定运行。相比原有平衡电机的起动性能和稳定运行性能的方法，可获得高的起动转矩、高牵入同步能力、例如高的效率和高功率因数等稳定运行性能。

因此，本发明的独特之处在于：抛弃了本领域中在设计异步起动永磁电机时的尽量减小漏磁以尽可能提高永磁体的利用效率惯常做法，而本发明采用与之相反的做法：增大漏磁来提高异步起动永磁电机20的起动转矩。即，在本发明中，通过在转子24上增设一个磁通开关10，削弱了异步起动永磁电机20的起动转矩、牵入同步能力和稳定运行性能之间的权衡关系或相互制约/约束的关系，实现了同时提高异步起动永磁电机的起动转矩、牵入同步能力和稳定运行性能。

虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本实用新型的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (15)

1.一种用于异步起动永磁电机的转子，包括：

转子铁芯；

多个永磁体，所述多个永磁体被沿着相对于所述转子中心的圆周间隔地设置在所述转子铁芯的内部；

至少一个磁通开关，设置在所述相邻永磁体之间且靠近所述转子铁芯的外圆周，所述磁通开关能够改变所述相邻永磁体之间的磁通回路。

2.根据权利要求1所述的用于异步起动永磁电机的转子，其中，

所述磁通开关包括衔铁、一部分转子铁芯、缠绕到所述一部分转子铁芯上的转子绕组、和连接所述衔铁和所述一部分转子铁芯的弹簧件。

3.根据权利要求2所述的用于异步起动永磁电机的转子，其中，

所述衔铁是圆弧形，所述每个永磁体是圆弧形，所述衔铁对应地沿所述永磁体的圆周设置在所述永磁体之间但与对应的永磁体间隔开一距离，以与所述多个永磁体形成一个圆筒结构。

4.根据权利要求2所述的用于异步起动永磁电机的转子，其中，

所述衔铁是圆弧形，所述每个永磁体是长方体形，所述衔铁对应地设置在所述永磁体之间但与对应的永磁体间隔开一距离，以与所述多个永磁体形成一个圆环结构。

5.根据权利要求3或4所述的用于异步起动永磁电机的转子，其中，

所述衔铁能够在处于与所述永磁体在同一圆周上的第一位置和与第一位置相比更靠近所述转子铁芯的外圆周的第二位置之间移动。

6.根据权利要求5所述的用于异步起动永磁电机的转子，其中，

所述一部分转子铁芯沿着所述转子的外圆周设置且在其与弹簧件连接的一侧设置成凹槽，所述弹簧件被容纳在所述凹槽中。

7.根据权利要求6所述的用于异步起动永磁电机的转子，其中，

所述凹槽具有两个臂，每个臂上缠绕有转子绕组。

8.根据权利要求7所述的用于异步起动永磁电机的转子，其中，

所述第二位置为所述弧形衔铁的两端与所述转子铁芯的凹槽的两个臂的顶部接触所处的位置。

9.根据权利要求8所述的用于异步起动永磁电机的转子，其中，

在对所述转子绕组通电且在衔铁与所述一部分转子铁芯之间产生相应的磁力时，所述衔铁通过所述磁力克服弹簧件的反作用力以使所述衔铁离开所述第一位置到达所述第二位置，实现所述磁通开关的闭合。

10.根据权利要求8所述的用于异步起动永磁电机的转子，其中，

在所述转子绕组断电时，弹簧件的反作用力能够将所述衔铁从所述第二位置推动至所述第一位置，实现所述磁通开关的断开。

11.根据权利要求8或9所述的用于异步起动永磁电机的转子，其中，

所述转子绕组通过设置在所述转子中心处的转轴上的滑环实现通电或断电。

12.根据权利要求1所述的用于异步起动永磁电机的转子，其中，

所述转子还包括沿着所述转子外圆周间隔地设置在所述转子铁芯内部的多个转子笼，用于产生异步起动转矩。

13.根据权利要求3或4所述的异步起动永磁电机的转子，其中，

所述多个永磁体为四个永磁体，所述至少一个磁通开关为四个磁通开关，且所述四个永磁体与所述四个磁通开关中的衔铁处于相对于转子中心的同一圆周上且构成圆筒形结构。

14.一种异步起动永磁电机，所述异步起动永磁电机包括：

定子，和

根据权利要求1-13中任一项所述的转子，所述转子可旋转地设置在所述定子中，且与所述定子间隔开一距离。

15.根据权利要求14所述的异步起动永磁电机，其中

所述定子包括圆筒形的定子铁芯、多个沿所述定子的径向方向向内延伸的定子齿、在所述多个定子齿分布之间的定子槽以及缠绕所述定子齿以产生旋转磁场的线圈。

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