CN103580428B - 半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机，涉及一种能够异步起动的外转子式永磁同步电动机。在转子鼠笼部件中，安装有相同极性的永磁体作为磁极。转子鼠笼部件的一对磁极中，只使用一个永磁体作为一个磁极，并利用转子铁芯的转子凸极作为另外一个磁极。鼠笼绕组内侧边缘均布若干个鼠笼导条，每组鼠笼导条的外侧有一个鼠笼换向板。在电动机起动时，鼠笼换向板使鼠笼导条产生的感应电流构成闭合回路，鼠笼导条产生异步起动转矩，把转子鼠笼部件牵入同步转速。

Description

半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机

技术领域

本发明是一种半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机，其涉及一种应用于驱动机械设备的电动机，特别是涉及一种能够异步起动的外转子式永磁同步电动机。

背景技术

电动机按照转子的安装位置划分为内转子电动机和外转子电动机。外转子电动机的定子铁芯线槽开口朝外，适合采用机器绕制定子绕组，提高加工效率。外转子电动机的转动惯量大，其应用范围局限于小型电动机。外转子电动机适用于仪表、纺织业线锭和摩擦辊、风机及类似用途的设备。由于外转子电动机的风扇叶片等负载零件可以直接嵌在外转子上，使其具备结构紧凑的优点。外转子电动机也常用于换气扇、抽油烟机、空调风机等家用电器上。

行业标准《JB/T8658-1997外转子低噪音三相异步电动机》规定了一种适用于风机及类似用途设备用的异步电动机。

行业标准《FZ/T99002-1991 FTW型外转子三相永磁式同步电动机》规定了一种适用于纺织业设备用的变频调速的永磁同步电动机。

异步电动机的效率较低，小型异步电动机的效率极低，在50％左右。与异步电动机相比，永磁同步电动机的功率因数高，节能效果显著，所以永磁同步电动机正逐渐取代异步电动机，成为主流电动机。普通永磁同步电动机无法自起动，需要配置变频器，成本较高。异步起动永磁同步电动机能在节能的前提下降低设备成本。目前市场上还没有能够异步起动的外转子式永磁同步电动机。

发明内容

本发明的目的是克服传统外转子式永磁同步电动机无法自起动的缺陷，提供一种能够异步起动的外转子式永磁同步电动机。本发明的实施方案如下：

本发明总的特征是半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机由转子部件和定子部件组成。转子部件通过转轴安装在定子部件外侧，定子部件通过机座法兰安装在设备上，由转子部件的转子外壳连接并带动负载零件。半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机作为风机电动机，风扇叶片可以直接嵌在转子外壳上。

定子部件由定子机座、定子铁芯、定子绕组和轴承组成。定子机座中间是机座筒体，定子机座一端是机座法兰。机座筒体呈圆筒形，机座筒体内侧中间的凸台是轴承腔，机座筒体外表面有机座键条。机座法兰呈圆盘形，机座法兰周围均布若干个螺栓孔。机座法兰中间有一个通孔，在该通孔处与机座筒体外表面的一端联接在一起。一至二个轴承安装在定子机座的轴承腔内，轴承采用滑动轴承或滚动轴承。

定子铁芯由若干个定子铁芯冲片叠压而成，定子铁芯冲片材质是以硅钢片为代表的导磁材料，定子铁芯中间有一个轴孔，轴孔边缘有键槽，定子铁芯外缘有若干个定子铁芯线槽，定子铁芯线槽开口朝外。定子绕组安装在定子铁芯线槽内。定子铁芯通过轴孔安装在定子机座的机座筒体上，通过定子铁芯的键槽与定子机座的机座键条啮合定位，确保定子铁芯、定子绕组及电源引线与定子机座保持位置固定。

转子部件由转子外壳、转轴、挡圈和转子鼠笼部件组成。转子外壳呈一端封闭的圆筒形，转子外壳内侧中间有一个联接凹槽。转轴呈圆柱形，转轴的一端表面有环形凹槽，环形凹槽处安装有挡圈，转轴的另一端固定在转子外壳的联接凹槽内。转子鼠笼部件固定在转子外壳的内表面。转子鼠笼部件由转子铁芯、鼠笼绕组和永磁体组成。

转子铁芯由若干个转子铁芯冲片叠压而成，转子铁芯冲片材质是以硅钢片为代表的导磁材料。转子铁芯呈圆环形，转子铁芯内侧边缘均布若干个转子铁芯内槽，转子铁芯内槽的数量是电动机磁极极数的一半。转子铁芯内槽之间是转子凸极，转子凸极位置对应的转子铁芯外侧边缘有转子铁芯外槽。每个转子凸极内侧边缘均布若干个转子铁芯线槽，转子铁芯线槽是开口槽或闭口槽。每个转子铁芯内槽均粘贴永磁体。

鼠笼绕组用铝材浇铸制成，或用铜材焊接制成。鼠笼绕组内侧边缘均布若干个鼠笼导条，每个鼠笼导条的位置均与一个转子铁芯线槽的位置相对应，全部的鼠笼导条分为若干组，每组鼠笼导条的外侧有一个鼠笼换向板，鼠笼换向板呈弧形，每个鼠笼换向板的位置均与一个转子铁芯外槽的位置相对应，每组鼠笼导条和鼠笼换向板的两端各有一个鼠笼端环，鼠笼端环呈不完整的环形。

永磁体呈瓦片形，同一个转子鼠笼部件中，永磁体的磁极极性相同，即每个永磁体的圆弧内表面都是N极，或者都是S极。为了减少永磁同步电动机定子旋转磁场在永磁体中产生的涡流损耗，永磁体可以由若干小块磁片拼接而成。

以铸铝鼠笼转子为例，转子鼠笼部件的加工过程是：转子铁芯冲片冲载，把转子铁芯冲片叠压成转子铁芯，把转子铁芯套在假轴上，在转子铁芯上浇铸鼠笼绕组，在转子铁芯的转子铁芯内槽中粘贴永磁体。

转子鼠笼部件的一对磁极中，只使用一个永磁体作为一个磁极，并利用转子铁芯的转子凸极作为另外一个磁极，在转子鼠笼部件中，安装有相同极性的永磁体作为磁极。在半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机起动时，鼠笼导条产生异步起动转矩，把转子鼠笼部件牵入同步转速。半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机结构简单，永磁体用量少，适宜做中小规格永磁同步电动机。异步起动降低了电动机控制设备成本，同步运行提高了电动机运行效率。

转子鼠笼部件的磁力线路径是：以四极转子为例，转子铁芯上的两个永磁体的圆弧内表面都是N极，转子铁芯上的两个转子凸极都是S极。磁力线路径由永磁体的N极出发，穿过转子铁芯与定子铁芯之间的气隙，进入定子铁芯中，磁力线再从永磁体两侧的转子凸极对应的定子铁芯表面处，分别穿过定子铁芯与转子铁芯之间的气隙，进入转子铁芯中，磁力线从鼠笼导条外侧绕过，从转子铁芯内槽处回到永磁体的圆弧外表面，形成闭合回路。

半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机起动的某一时刻，转子鼠笼部件的N极与定子旋转磁场的S极空间角度对齐，转子鼠笼部件的S极与定子旋转磁场的N极空间角度对齐，定子旋转磁场按照定子磁场旋转方向旋转，定子旋转磁场与转子鼠笼部件之间有转速差，鼠笼导条切割定子旋转磁场的磁力线，产生感应电流，垂直向内的感应电流在鼠笼导条一端的鼠笼端环汇合在一起流入鼠笼换向板，从鼠笼换向板流出的垂直向外的感应电流穿过鼠笼导条另一端的鼠笼端环，感应电流最终回到鼠笼导条构成闭合回路。感应电流产生异步起动转矩使转子鼠笼部件按照转子旋转方向旋转。

当定子旋转磁场与转子鼠笼部件之间转过45°角时，定子旋转磁场的N极一半以上的磁通穿过气隙，途经磁阻较小的转子凸极，再穿过气隙回到定子旋转磁场的S极，转子凸极逆时针方向前侧的鼠笼导条切割定子旋转磁场的磁力线，产生的感应电流方向变成垂直向外的感应电流，转子凸极逆时针方向后侧的鼠笼导条切割定子旋转磁场的磁力线，产生的感应电流方向仍然为垂直向内的感应电流，两组的感应电流大小相等方向相反，分别穿过鼠笼导条两端的鼠笼端环汇合在一起，并构成闭合回路。感应电流产生异步起动转矩使转子鼠笼部件继续按照转子旋转方向旋转。

当定子旋转磁场与转子鼠笼部件之间转过65°角时，转子凸极逆时针方向前侧的鼠笼导条产生的垂直向外的感应电流，大于转子凸极逆时针方向后侧的鼠笼导条产生的垂直向内的感应电流，一部分垂直向外的感应电流和全部的垂直向内的感应电流，分别穿过鼠笼导条两端的鼠笼端环汇合在一起，并构成闭合回路。剩余的垂直向外的感应电流在鼠笼导条一端的鼠笼端环汇合在一起流入鼠笼换向板，从鼠笼换向板流出的垂直向内的感应电流穿过鼠笼导条另一端的鼠笼端环，剩余的感应电流最终回到鼠笼导条构成闭合回路。感应电流产生异步起动转矩使转子鼠笼部件继续按照转子旋转方向旋转。

随着定子旋转磁场与转子鼠笼部件之间的转速差降低，在鼠笼导条上产生的异步起动转矩变小，直至定子旋转磁场与转子鼠笼部件之间的转速相等，转子鼠笼部件被牵入同步转速，在鼠笼导条上产生的异步起动转矩为零，永磁同步电动机进入同步运转状态。

半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机的二极、六极、八极或更多极数的转子鼠笼部件与四极转子鼠笼部件相比，结构相似，区别仅在于磁极数量的差别。

附图说明

说明书附图是半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机的示意图和结构图。其中图1是半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机轴测剖视图。图2是定子部件轴测图。图3是定子机座轴测剖视图。图4是定子铁芯轴测图。图5是定子绕组轴测图。图6是转子部件轴测剖视图。图7是转子鼠笼部件轴测图。图8是转子铁芯轴测图。图9是鼠笼绕组轴测图。图10是永磁体轴测图。图11是半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机的示意图，转子及定子磁极为4极。图12是半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机转子鼠笼部件的磁力线路径示意图。图13是半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机起动时，某一时刻鼠笼导条的感应电流方向示意图。图14是半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机起动时，从某一时刻转过45°角时鼠笼导条的感应电流方向示意图。图15是半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机起动时，从某一时刻转过65°角时鼠笼导条的感应电流方向示意图。图11至图15中N和S代表磁极极性。

图中标注有转子部件1、电源引线2、定子部件3、风扇叶片4、转轴5、定子铁芯6、定子绕组7、永磁体8、转子铁芯9、鼠笼绕组10、轴承11、轴承腔12、机座键条13、键槽14、转子外壳15、挡圈16、鼠笼导条17、鼠笼端环18、鼠笼换向板19、转子铁芯外槽20、转子铁芯线槽21、转子铁芯内槽22、转子磁场方向23、磁力线路径24、垂直向外的感应电流25、垂直向内的感应电流26、转子旋转方向27、定子磁场旋转方向28、定子机座29、机座筒体30、机座法兰31、轴孔32。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步叙述。

参照图1、图2、图3、图4和图5，半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机由转子部件1和定子部件3组成。转子部件1通过转轴5安装在定子部件3外侧，定子部件3通过机座法兰31安装在设备上，由转子部件1的转子外壳15连接并带动负载零件。半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机作为风机电动机，风扇叶片4可以直接嵌在转子外壳15上。

定子部件3由定子机座29、定子铁芯6、定子绕组7和轴承11组成。定子机座29中间是机座筒体30，定子机座29一端是机座法兰31。机座筒体30呈圆筒形，机座筒体30内侧中间的凸台是轴承腔12，机座筒体30外表面有机座键条13。机座法兰31呈圆盘形，机座法兰31周围均布若干个螺栓孔。机座法兰31中间有一个通孔，在该通孔处与机座筒体30外表面的一端联接在一起。一至二个轴承11安装在定子机座29的轴承腔12内，轴承11采用滑动轴承或滚动轴承。

定子铁芯6由若干个定子铁芯冲片叠压而成，定子铁芯冲片材质是以硅钢片为代表的导磁材料，定子铁芯6中间有一个轴孔32，轴孔32边缘有键槽14，定子铁芯6外缘有若干个定子铁芯线槽，定子铁芯线槽开口朝外。定子绕组7安装在定子铁芯线槽内。定子铁芯6通过轴孔32安装在定子机座29的机座筒体30上，通过定子铁芯6的键槽14与定子机座29的机座键条13啮合定位，确保定子铁芯6、定子绕组7及电源引线2与定子机座29保持位置固定。

 参照图6、图7、图8、图9和图10，转子部件1由转子外壳15、转轴5、挡圈16和转子鼠笼部件组成。转子外壳15呈一端封闭的圆筒形，转子外壳15内侧中间有一个联接凹槽。转轴5呈圆柱形，转轴5的一端表面有环形凹槽，环形凹槽处安装有挡圈16，转轴5的另一端固定在转子外壳15的联接凹槽内。转子鼠笼部件固定在转子外壳15的内表面。转子鼠笼部件由转子铁芯9、鼠笼绕组10和永磁体8组成。

转子铁芯9由若干个转子铁芯冲片叠压而成，转子铁芯冲片材质是以硅钢片为代表的导磁材料。转子铁芯9呈圆环形，转子铁芯9内侧边缘均布若干个转子铁芯内槽22，转子铁芯内槽22的数量是电动机磁极极数的一半。转子铁芯内槽22之间是转子凸极，转子凸极位置对应的转子铁芯9外侧边缘有转子铁芯外槽20。每个转子凸极内侧边缘均布若干个转子铁芯线槽21，转子铁芯线槽21是开口槽或闭口槽。每个转子铁芯内槽22均粘贴永磁体8。

鼠笼绕组10用铝材浇铸制成，或用铜材焊接制成。鼠笼绕组10内侧边缘均布若干个鼠笼导条17，每个鼠笼导条17的位置均与一个转子铁芯线槽21的位置相对应，全部的鼠笼导条17分为若干组，每组鼠笼导条17的外侧有一个鼠笼换向板19，鼠笼换向板19呈弧形，每个鼠笼换向板19的位置均与一个转子铁芯外槽20的位置相对应，每组鼠笼导条17和鼠笼换向板19的两端各有一个鼠笼端环18，鼠笼端环18呈不完整的环形。

永磁体8呈瓦片形，同一个转子鼠笼部件中，永磁体8的磁极极性相同，即每个永磁体8的圆弧内表面都是N极，或者都是S极。为了减少永磁同步电动机定子旋转磁场在永磁体8中产生的涡流损耗，永磁体8可以由若干小块磁片拼接而成。

以铸铝鼠笼转子为例，转子鼠笼部件的加工过程是：转子铁芯冲片冲载，把转子铁芯冲片叠压成转子铁芯9，把转子铁芯9套在假轴上，在转子铁芯9上浇铸鼠笼绕组10，在转子铁芯9的转子铁芯内槽22中粘贴永磁体8。

参照图11、图12、图13、图14和图15，转子鼠笼部件的一对磁极中，只使用一个永磁体8作为一个磁极，并利用转子铁芯9的转子凸极作为另外一个磁极，在转子鼠笼部件中，安装有相同极性的永磁体8作为磁极。在半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机起动时，鼠笼导条17产生异步起动转矩，把转子鼠笼部件牵入同步转速。半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机结构简单，永磁体用量少，适宜做中小规格永磁同步电动机。异步起动降低了电动机控制设备成本，同步运行提高了电动机运行效率。

转子鼠笼部件的磁力线路径是：以四极转子为例，转子铁芯9上的两个永磁体8的圆弧内表面都是N极，转子铁芯9上的两个转子凸极都是S极。磁力线路径由永磁体8的N极出发，穿过转子铁芯9与定子铁芯6之间的气隙，进入定子铁芯6中，磁力线再从永磁体8两侧的转子凸极对应的定子铁芯6表面处，分别穿过定子铁芯6与转子铁芯9之间的气隙，进入转子铁芯9中，磁力线从鼠笼导条17外侧绕过，从转子铁芯内槽22处回到永磁体8的圆弧外表面，形成闭合回路。

半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机起动的某一时刻，转子鼠笼部件的N极与定子旋转磁场的S极空间角度对齐，转子鼠笼部件的S极与定子旋转磁场的N极空间角度对齐，定子旋转磁场按照定子磁场旋转方向28旋转，定子旋转磁场与转子鼠笼部件之间有转速差，鼠笼导条17切割定子旋转磁场的磁力线，产生感应电流，垂直向内的感应电流26在鼠笼导条17一端的鼠笼端环18汇合在一起流入鼠笼换向板19，从鼠笼换向板19流出的垂直向外的感应电流25穿过鼠笼导条17另一端的鼠笼端环18，感应电流最终回到鼠笼导条17构成闭合回路。感应电流产生异步起动转矩使转子鼠笼部件按照转子旋转方向27旋转。

当定子旋转磁场与转子鼠笼部件之间转过45°角时，定子旋转磁场的N极一半以上的磁通穿过气隙，途经磁阻较小的转子凸极，再穿过气隙回到定子旋转磁场的S极，转子凸极逆时针方向前侧的鼠笼导条17切割定子旋转磁场的磁力线，产生的感应电流方向变成垂直向外的感应电流25，转子凸极逆时针方向后侧的鼠笼导条17切割定子旋转磁场的磁力线，产生的感应电流方向仍然为垂直向内的感应电流26，两组的感应电流大小相等方向相反，分别穿过鼠笼导条17两端的鼠笼端环18汇合在一起，并构成闭合回路。感应电流产生异步起动转矩使转子鼠笼部件继续按照转子旋转方向27旋转。

当定子旋转磁场与转子鼠笼部件之间转过65°角时，转子凸极逆时针方向前侧的鼠笼导条17产生的垂直向外的感应电流25，大于转子凸极逆时针方向后侧的鼠笼导条17产生的垂直向内的感应电流26，一部分垂直向外的感应电流25和全部的垂直向内的感应电流26，分别穿过鼠笼导条17两端的鼠笼端环18汇合在一起，并构成闭合回路。剩余的垂直向外的感应电流25在鼠笼导条17一端的鼠笼端环18汇合在一起流入鼠笼换向板19，从鼠笼换向板19流出的垂直向内的感应电流26穿过鼠笼导条17另一端的鼠笼端环18，剩余的感应电流最终回到鼠笼导条17构成闭合回路。感应电流产生异步起动转矩使转子鼠笼部件继续按照转子旋转方向27旋转。

随着定子旋转磁场与转子鼠笼部件之间的转速差降低，在鼠笼导条17上产生的异步起动转矩变小，直至定子旋转磁场与转子鼠笼部件之间的转速相等，转子鼠笼部件被牵入同步转速，在鼠笼导条17上产生的异步起动转矩为零，永磁同步电动机进入同步运转状态。

半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机的二极、六极、八极或更多极数的转子鼠笼部件与四极转子鼠笼部件相比，结构相似，区别仅在于磁极数量的差别。

Claims (1)

1.一种半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机，其特征在于由转子部件（1）和定子部件（3）组成；转子部件（1）通过转轴（5）安装在定子部件（3）外侧，定子部件（3）通过机座法兰（31）安装在设备上，由转子部件（1）的转子外壳（15）连接并带动负载零件；半磁片外转子式异步起动永磁同步电动机作为风机电动机，风扇叶片（4）可以直接嵌在转子外壳（15）上；

定子部件（3）由定子机座（29）、定子铁芯（6）、定子绕组（7）和轴承（11）组成；定子机座（29）中间是机座筒体（30），定子机座（29）一端是机座法兰（31）；机座筒体（30）呈圆筒形，机座筒体（30）内侧中间的凸台是轴承腔（12），机座筒体（30）外表面有机座键条（13）；机座法兰（31）呈圆盘形，机座法兰（31）周围均布若干个螺栓孔；机座法兰（31）中间有一个通孔，在该通孔处与机座筒体（30）外表面的一端联接在一起；一至二个轴承（11）安装在定子机座（29）的轴承腔（12）内，轴承（11）采用滑动轴承或滚动轴承；

定子铁芯（6）由若干个定子铁芯冲片叠压而成，定子铁芯冲片材质是以硅钢片为代表的导磁材料，定子铁芯（6）中间有一个轴孔（32），轴孔（32）边缘有键槽（14），定子铁芯（6）外缘有若干个定子铁芯线槽，定子铁芯线槽开口朝外；定子绕组（7）安装在定子铁芯线槽内；定子铁芯（6）通过轴孔（32）安装在定子机座（29）的机座筒体（30）上，通过定子铁芯（6）的键槽（14）与定子机座（29）的机座键条（13）啮合定位，确保定子铁芯（6）、定子绕组（7）及电源引线（2）与定子机座（29）保持位置固定；

转子部件（1）由转子外壳（15）、转轴（5）、挡圈（16）和转子鼠笼部件组成；转子外壳（15）呈一端封闭的圆筒形，转子外壳（15）内侧中间有一个联接凹槽；转轴（5）呈圆柱形，转轴（5）的一端表面有环形凹槽，环形凹槽处安装有挡圈（16），转轴（5）的另一端固定在转子外壳（15）的联接凹槽内；转子鼠笼部件固定在转子外壳（15）的内表面；转子鼠笼部件由转子铁芯（9）、鼠笼绕组（10）和永磁体（8）组成；

转子铁芯（9）由若干个转子铁芯冲片叠压而成，转子铁芯冲片材质是以硅钢片为代表的导磁材料；转子铁芯（9）呈圆环形，转子铁芯（9）内侧边缘均布若干个转子铁芯内槽（22），转子铁芯内槽（22）的数量是电动机磁极极数的一半；转子铁芯内槽（22）之间是转子凸极，转子凸极位置对应的转子铁芯（9）外侧边缘有转子铁芯外槽（20）；每个转子凸极内侧边缘均布若干个转子铁芯线槽（21），转子铁芯线槽（21）是开口槽或闭口槽；每个转子铁芯内槽（22）均粘贴永磁体（8）；

鼠笼绕组（10）用铝材浇铸制成，或用铜材焊接制成；鼠笼绕组（10）内侧边缘均布若干个鼠笼导条（17），每个鼠笼导条（17）的位置均与一个转子铁芯线槽（21）的位置相对应，全部的鼠笼导条（17）分为若干组，每组鼠笼导条（17）的外侧有一个鼠笼换向板（19），鼠笼换向板（19）呈弧形，每个鼠笼换向板（19）的位置均与一个转子铁芯外槽（20）的位置相对应，每组鼠笼导条（17）和鼠笼换向板（19）的两端各有一个鼠笼端环（18），鼠笼端环（18）呈不完整的环形；

永磁体（8）呈瓦片形，同一个转子鼠笼部件中，永磁体（8）的磁极极性相同，即每个永磁体（8）的圆弧内表面都是N极，或者都是S极；为了减少永磁同步电动机定子旋转磁场在永磁体（8）中产生的涡流损耗，永磁体（8）可以由若干小块磁片拼接而成。