CN106026576A - 一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，其包括第一转子槽，第一转子转轴通过第一转子轴承固定设置在定子机座内，第一转子铁心固定设置在第一转子转轴上，第一转子铁心的外圆上开有第一转子槽，第一转子槽内布置有第一转子异步起动绕组；第二转子铁心上开设有第二转子布置永磁体的槽，该槽内布置有第二转子永磁体；第二转子铁心通过第二转子支架与第二转子单向轴承相连；第二转子单向轴承通过第二转子支架把第二转子铁心安装在第一转子转轴上。本发明能消除异步起动永磁同步电机在起动过程中的反转和剧烈抖动的问题，可以广泛应用于电机驱动系统中。

Description

一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种永磁电机，特别是关于一种能够平滑自起动的异步起动永磁同步电机。

背景技术

现代社会已无法离开电机，电机的应用遍及交通运输、工农业生产、信息处理，以及日常生活的各个领域。电机的种类繁多，结构也各有不同，有异步电机、永磁电机、电励磁电机等，各类电机各具特点和优势。近些年，由于永磁材料的性能提高，永磁电机得到了更高的重视，永磁电机具有高效率、高功率密度、高转矩密度、转子结构简单的优点，特别适合于高效率的场合。

永磁电机由于永磁极性是固定的，无法进行磁场调节，因此永磁电机在起动的时候需要用变频器供电才能够起动，无法实现自起动。但是变频器的使用增加了系统的复杂性和成本。针对这一问题，借鉴电励磁同步电机的异步起动思想，前人提出并研究了异步起动永磁同步电机，在永磁电机的转子上布置类似异步电机鼠笼的起动绕组。在电机起动阶段，由起动绕组与定子磁场作用产生起动转矩，该作用与异步电机原理一样。当电机转速达到或接近同步转速时，此时永磁产生的转矩使电机迁入同步，使电机保持同步转速，作为同步电机运行。同步运行时，异步起动绕组也与转子一道保持同步转速旋转，与定子磁场无相对运动，即起动绕组中此时没有电流，不产生损耗。因此异步起动同步永磁电机在起动的时候，利用了异步起动绕组作为异步电机运行实现起动，正常运行时作为永磁电机运行，异步起动绕组不起作用，保持了正常运行时永磁电机高效率的优点，克服了永磁电机无法自起动的缺点，异步起动永磁同步电机是高效电机的重要选择。

实际上在异步起动永磁同步电机的起动开始阶段，一方面，起作用的是异步起动绕组与定子同步旋转磁场之间相互作用产生异步转矩，该转矩使电机转子加速；另一方面，转子上的永磁体会产生固定极性的磁场，该磁场与定子同步旋转的磁场之间在起动阶段存在相对运动，将产生方向变化的交变电磁转矩，该转矩对转子的起动加速不起作用，相反反而是增加了转子转矩的波动，使电机转速波动，出现抖动，特别是在起动的最开始阶段产生剧烈的来回抖动，甚至会产生剧烈的短时反方向转动。这一现象对一些要求严格的负载是不允许的，因此也就限制了异步起动永磁同步电机的应用。

如图1、图2所示，现有普通异步起动永磁同步电机包括定子机座1、定子铁芯2、定子槽和绕组3、定子齿4、转子异步起动绕组和槽5、转子铁心6、转子永磁体7、布置永磁体的槽8、转轴9和轴承10。其中，定子机座1可采用常规电机的安装方式固定，定子铁芯2固定设置在定子机座1内，定子铁芯2是电机磁路的一部分。定子铁芯2内圆上开有定子槽，定子槽内布置定子绕组3，定子槽两边为定子齿4。转轴9通过轴承10固定设置在定子机座1内，转子铁芯6固定设置在转轴9上。转子铁芯6上开设有布置起动绕组的槽5和布置永磁体用的槽8，槽5内布置鼠笼起动绕组，鼠笼起动绕组为两端短路的绕组；槽8内布置有永磁体7，永磁体7充磁方向为径向，永磁体7的极性交替布置，转轴9能够带动转子铁芯6、起动绕组5和永磁体7绕轴心旋转。

该普通异步起动永磁同步电机的转子上有起动绕组5和永磁体7，起动绕组5和永磁体7均固定在转子上，起动绕组5和永磁体7受到的转矩都会作用在转子上。在电机从静止开始起动时，假设定子绕组3合闸通电后产生的磁场逆时针方向以同步转速旋转，但此时永磁体7为静止，因此永磁体7与定子绕组3的磁场存在很高的转差，即永磁体7与定子绕组3的磁场一会同极性相斥，一会异极性相吸，从而使转子受到方向来回快速变化的转矩，使转子来回摆动。这使得转子在起动过程中剧烈抖动，影响转子起动的平滑性，影响该类电机在特殊负载场合的使用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，其能消除异步起动永磁同步电机在起动过程中的反转和剧烈抖动的问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，该电机包括定子机座、定子铁芯、定子绕组和定子齿，其特征在于：还包括第一转子槽、第一转子异步起动绕组、第一转子铁心、第一转子支架、第二转子铁心、第二转子永磁体、第二转子布置永磁体的槽、第一转子轴承、第二转子单向轴承、第二转子支架和第一转子转轴；所述第一转子异步起动绕组、第一转子槽、第一转子铁心、第一转子支架和第一转子转轴构成第一转子；所述第二转子铁心、第二转子永磁体、第二转子支架和第二转子布置永磁体的槽构成第二转子；所述第一转子转轴通过所述第一转子轴承固定设置在所述定子机座内，所述第一转子铁心通过所述第一转子支架固定设置在所述第一转子转轴上，所述第一转子铁心的外圆上开有第一转子槽，所述第一转子槽内布置有所述第一转子异步起动绕组；所述第二转子铁心上开设有所述第二转子布置永磁体的槽，该槽内布置有所述第二转子永磁体；所述第二转子铁心通过所述第二转子支架与所述第二转子单向轴承相连；所述第二转子单向轴承通过所述第二转子支架把所述第二转子铁心安装在所述第一转子转轴上。

优选地，所述定子铁芯固定设置在所述定子机座内，所述定子铁芯内圆上开有定子槽，所述定子槽内布置所述定子绕组，所述定子槽两边为所述定子齿。

优选地，所述第一转子异步起动绕组为一两端短路的鼠笼绕组。

优选地，所述第一转子与所述定子铁芯的内圆之间具有第一气隙。

优选地，所述第二转子与所述第一转子和第一转子铁心的内圆之间具有第二气隙。

优选地，所述第一转子轴承为能双方向转动的普通轴承，所述第二转子单向轴承为单向轴承。

优选地，所述第一转子和第二转子的内外布置位置能进行互换，即所述第一转子布置在所述第二转子的内部。

优选地，所述第二转子的永磁体布置方式采用表贴或者切向式布置方式。

优选地，所述定子铁芯采用不开槽结构，所述定子绕组采用无槽绕组的结构。

优选地，在所述第二转子铁心上布置导电材料，或在所述第二转子布置永磁体的槽内布置导电材料，构成帮助第二转子起动的额外鼠笼绕组。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明既保持了永磁电机高效率的优点，同时克服了其在起动过程中的不足，可以广泛应用于风机、泵等要求高效率的负载场合，适用于家用电器、医疗仪器、工业生产、制造业和民用领域的电机系统、航空航天电机电器设备领域、舰船辅助机械和舰船推进等系统领域以及可移动电气系统领域。

附图说明

图1是现有的普通异步起动永磁同步电机截面示意图，是图2的A-A切面图；

图2是现有的普通异步起动永磁同步电机轴向横截面示意图，是图1的B-B切面图；

图3是本发明的异步起动永磁同步电机截面示意图，是图4的A-A切面图；

图4是本发明的异步起动永磁同步电机轴向横截面示意图，是图3的B-B切面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图3、图4所示，本发明提供一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，其包括定子机座21、定子铁芯22、定子绕组23、定子齿24、第一转子转轴25、第一转子轴承26、第一转子铁心27、第一转子支架28、第一转子异步起动绕组29、第二转子铁心30、第二转子布置永磁体的槽31、第二转子永磁体32、第二转子支架33和第二转子单向轴承34。第一转子异步起动绕组29、第一转子铁心27、第一转子支架28和第一转子转轴25构成第一转子；第二转子铁心30、第二转子永磁体32、第二转子支架33和第二转子布置永磁体的槽31构成第二转子。

其中，定子机座21可采用常规电机的安装方式固定，定子铁芯22固定设置在定子机座21内，定子铁芯22是电机磁路的一部分，定子铁芯22内圆上开有定子槽，定子槽内布置定子绕组23，定子槽两边为定子齿24。

第一转子转轴25通过第一转子轴承26固定设置在定子机座21内，第一转子铁心27通过第一转子支架28固定设置在第一转子转轴25上，第一转子铁心27的外圆上开有第一转子槽，第一转子槽内布置有第一转子异步起动绕组29；第一转子异步起动绕组29为一两端短路的鼠笼绕组。第一转子与定子铁芯22的内圆之间具有第一气隙35，第一转子转轴25能够带动第一转子铁心27和第一转子异步起动绕组29绕轴心旋转，可以进行双方向旋转。

第二转子铁心30上开设有第二转子布置永磁体的槽31，槽31内布置有第二转子永磁体32。第二转子铁心30通过第二转子支架33与第二转子单向轴承34相连；第二转子与第一转子和第一转子铁心27的内圆之间具有第二气隙36，第二转子单向轴承34通过第二转子支架33把第二转子铁心30安装在第一转子转轴25上。第二转子单向轴承34与第一转子轴承26不同，第一转子轴承26为普通轴承，可以双方向转动，而第二转子单向轴承34为单向轴承，只能朝一个方向转动，而朝另一方向则第二转子单向轴承34的内圈和外圈之间不能相对运动。即比如，第二转子铁心30相对第一转轴33以顺时针方向可以旋转，但逆时针方向上，第二转子铁心30不能相对第一转轴33旋转，而只能与第一转轴33一起旋转。

以本发明的异步起动永磁同步电机转子朝逆时针方向起动旋转为例说明本发明的特点。第一转轴33在第一转子轴承26内可以顺时针方向，也可以逆时针方向旋转，第二转子铁心30在第二转子单向轴承34内只能相对于第一转子顺时针方向旋转，而不能相对于第一转子逆时针方向旋转。定子绕组23通电后产生的磁场朝逆时针方向旋转，起动时，第一转子异步起动绕组29与定子磁场的相互作用与异步电机相同，第一转子异步起动绕组29中感应电动势，产生电流，产生电磁转矩，拖动第一转子铁心27、第一转子异步起动绕组29和第一转轴33一起逆时针方向旋转，即实现起动。由于第二转子铁心30通过第二转子单向轴承34与第一转轴33相联，因此第二转子铁心30和第二转子单向轴承34都会随着第一转轴33一起逆时针方向旋转，此时不考虑其他转矩和力的作用，第二转子铁心30和第一转轴33无相对运动。

实际上定子绕组23通电后产生的朝逆时针方向旋转的磁场不仅与第一转子异步起动绕组29作用，而且还会和第二转子永磁体32相互作用产生转矩。起动时，定子绕组23通电后产生的磁场朝逆时针方向旋转，第二转子永磁体32的极性固定，且第二转子永磁体32起动开始时转速很低，因此第二转子永磁体32受到的是一会为逆时针方向，一会为顺时针方向的转矩。当该转矩为顺时针方向时，转矩带动第二转子永磁体32和第二转子铁心30顺时针方向旋转，对第一转轴33不产生作用，第一转轴33不会感受到该转矩的作用；当该转矩为逆时针方向时，由于第二转子单向轴承34的单方向性，轴承内圈与外圈之间不存在相对运动，该转矩将驱动第二转子永磁体32、第二转子铁心30、第二转子单向轴承34和第一转轴33一道逆时针方向旋转，这样的转矩恰恰起到了起动转矩的作用，使电机得到更大的加速转矩，缩短起动时间。可见，本发明在去除了以往普通异步起动永磁同步电机起动时永磁体受到的反向转矩对转子的不良作用的同时，却能够利用永磁体受到的正向转矩，即克服了缺点，利用了优点。

当本发明的异步起动永磁同步电机起动结束后，第二转子永磁体32与定子绕组23通电后产生的朝逆时针方向旋转的磁场保持同步旋转，带动第二转子铁心30、第二转子单向轴承34和第一转轴33、第一转子一道逆时针方向旋转，作为永磁同步电机运行，此时第一转子异步起动绕组29不起作用，不产生损耗。

实际上，本发明的第二转子单向轴承34起到了一个方向自由转动，另一个方向锁住的作用。该例中的第二转子单向轴承34可以采用普通轴承和其他装置配合的方式实现，如，普通轴承与棘轮、棘爪机构配合，棘轮棘爪机构实现一个方向自由、另一个方向锁住的作用。可以采用其他类似功能的机构进行等同变换和改进，这些均不应排除在本发明的保护范围之外。

在一个优选的实施例中，作为本发明的一种变形，在第二转子铁心30上布置导电材料，或在第二转子布置永磁体的槽31内布置导电材料，进而构成额外的鼠笼绕组，帮助第二转子的起动。但是，在正常运行时该鼠笼不起作用。

在一个优选的实施例中，第一转子和第二转子的内外布置位置可以进行互换，即第一转子布置在第二转子的内部，第二转子更靠近定子铁心。

在一个优选的实施例中，以内置式永磁体布置进行说明，第二转子的永磁体布置方式也可以采用表贴或者切向式等布置方式。

在一个优选的实施例中，定子铁芯可以不开槽，定子绕组采用无槽绕组的结构。

综上所述，本发明将普通异步起动永磁同步电机的转子起动绕组与永磁体分别布置在两个可以单方向相对运动的转子上，布置异步起动绕组的第一转子与外部机械负载相联，布置永磁体的第二转子通过单向轴承安装在布置异步起动绕组的第一转子上，实现第二转子可以在一个方向上相对第一转子自由旋转，而在另一个方向第二转子不能相对第一转子运动，从而使永磁体在电机起动过程中受到的交变电磁转矩中的与第一转子转动方向相反的分量不对外体现，而与第一转子转动方向相同的分量对第一转子起作用，加速转子起动。从而消除了普通异步起动永磁同步电机在起动时剧烈抖动，甚至反转的缺点。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，该电机包括定子机座、定子铁芯、定子绕组和定子齿，其特征在于：还包括第一转子槽、第一转子异步起动绕组、第一转子铁心、第一转子支架、第二转子铁心、第二转子永磁体、第二转子布置永磁体的槽、第一转子轴承、第二转子单向轴承、第二转子支架和第一转子转轴；所述第一转子异步起动绕组、第一转子槽、第一转子铁心、第一转子支架和第一转子转轴构成第一转子；所述第二转子铁心、第二转子永磁体、第二转子支架和第二转子布置永磁体的槽构成第二转子；

所述第一转子转轴通过所述第一转子轴承固定设置在所述定子机座内，所述第一转子铁心通过所述第一转子支架固定设置在所述第一转子转轴上，所述第一转子铁心的外圆上开有第一转子槽，所述第一转子槽内布置有所述第一转子异步起动绕组；

所述第二转子铁心上开设有所述第二转子布置永磁体的槽，该槽内布置有所述第二转子永磁体；所述第二转子铁心通过所述第二转子支架与所述第二转子单向轴承相连；所述第二转子单向轴承通过所述第二转子支架把所述第二转子铁心安装在所述第一转子转轴上。

2.如权利要求1所述的一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，其特征在于：所述定子铁芯固定设置在所述定子机座内，所述定子铁芯内圆上开有定子槽，所述定子槽内布置所述定子绕组，所述定子槽两边为所述定子齿。

3.如权利要求1所述的一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，其特征在于：所述第一转子异步起动绕组为一两端短路的鼠笼绕组。

4.如权利要求1所述的一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，其特征在于：所述第一转子与所述定子铁芯的内圆之间具有第一气隙。

5.如权利要求1所述的一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，其特征在于：所述第二转子与所述第一转子和第一转子铁心的内圆之间具有第二气隙。

6.如权利要求1所述的一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，其特征在于：所述第一转子轴承为能双方向转动的普通轴承，所述第二转子单向轴承为单向轴承。

7.如权利要求1至6任一项所述的一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，其特征在于：所述第一转子和第二转子的内外布置位置能进行互换，即所述第一转子布置在所述第二转子的内部。

8.如权利要求1至6任一项所述的一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，其特征在于：所述第二转子的永磁体布置方式采用表贴或者切向式布置方式。

9.如权利要求1至6任一项所述的一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，其特征在于：所述定子铁芯采用不开槽结构，所述定子绕组采用无槽绕组的结构。

10.如权利要求1所述的一种能平滑自起动的异步起动永磁同步电机，其特征在于：在所述第二转子铁心上布置导电材料，或在所述第二转子布置永磁体的槽内布置导电材料，构成帮助第二转子起动的额外鼠笼绕组。