CN106059237B - 一种可变极自起动的游标永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变极自起动的游标永磁电机，其包括定子铁芯，其内环表面沿周向开有作为定子槽的开口槽；转子铁芯，其相对定子铁芯内环表面的外表面沿周向开有作为转子槽的闭口槽；以及设置在转子铁芯内的多个永磁体；定子绕组为一套双极数的变极单绕组，转子绕组为短接的三相绕线式绕组；定子绕组起动时的极对数与转子绕组连接的极对数相等，正常运行时的极对数等于永磁体极对数减去定子齿数，定子绕组起动时的极对数与正常运行时的极对数之和或之差不为定子齿数的整数倍。本发明的游标永磁电机可以实现电机异步自起动，并在接近同步速时牵入同步运行，具有起动转矩大，稳态运行输出转矩高，起动时振动噪声小的特点。

Description

一种可变极自起动的游标永磁电机

技术领域

本发明属于自起动永磁电机领域，具体涉及一种利用变极方法实现自起动的游标永磁电机。

背景技术：

无论是在工业生产、资源传输还是日常生活，都会大量利用风机或者水泵，它们使用叶片推动流体，使其定向流动。这些叶片往往利用电动机作为动力来源，在中国电机消耗工业用电70％的基础上，用于风机与水泵的电机占据了所有电机的60％以上，可见国内风机与水泵的驱动电机数目极大，耗能极多。

风机和水泵的叶片具有三个共同特点，首先，它们的运行转速较低，输出转矩较大，电机往往通过齿轮箱与之相连；其次，它们动态性能要求不高，只需保证稳态转速的调节，有时只需给定几个固定的档位，因此驱动电机不需要外接控制器，可以采用外接电阻控制档位，电机直接挂网运行，家用风扇就是最常见的例子；最后，由于电机在起动时会受到空气或水的阻力，需要电机自带一定的起动转矩，即电机具备一定的自起动能力。

异步电机由于具有结构简单、制造成本低、运行可靠性高以及自起动特性好的特点，被广泛应用于风机以及水泵中。然而，近年来永磁电机由于转矩密度高，转速波动小，易于多台并列运行的特点，正在逐步取代异步电机，尤其是随着自起动永磁同步电机研究的逐渐成熟，永磁电机的起动问题被解决，可以取代异步电机应用于风机以及水泵中。

然而，异步起动永磁电机应用在风机或水泵中时，由于低速大转矩的运行要求，需要机械变速齿轮箱调节转速与转矩。机械齿轮不仅需要消耗额外的材料，增加制造成本，还存在振动、噪声、润滑维护与过载保护的问题。因此取消机械齿轮的使用，将系统变为直接驱动可以降低成本，减少维护，增加系统运行可靠性。

游标电机是一类定、转子极数不相等的永磁电机，它依靠磁场调制原理运行，具有运行速度低、输出转矩高的特点。如图1，典型的游标电机由定子、转子以及调制部分三部分组成，其中电机定子由定子铁心1与绕组2构成，在定子铁心内表面有槽，槽内放置定子绕组，绕组连接为少极数；转子由转子铁心3与永磁体4构成，永磁体放置在铁心表面，永磁体极数较多。调制部分可以是定子齿也可以是单独的调制环，其目的是将定子绕组产生的少极磁场调制为与转子永磁体极数相同的多极磁场，从而与永磁体作用产生稳定的电磁转矩。

但是，与普通的永磁电机一样，游标永磁电机不具备自起动能力，要发挥游标电机在这些领域中的优势，使其能够替代异步电机与自起动永磁电机用于风机与水泵中，需要让游标电机具有自起动能力。

在常规永磁同步电机中，已经有多种在转子上放置鼠笼进行起动的电机方案，例如在专利CN204361875U中，其在传统永磁电机的基础上，增加一套用于起动的鼠笼绕组放置于转子侧，赋予电机自起动能力，且在电机稳态运行时，由于气隙内磁场与转子鼠笼同步旋转，不会在鼠笼上感应电流，因此鼠笼对电机运行无影响。该方案既保留了永磁电机的一切优点，又使电机增加了自起动能力，因此极大扩展了永磁电机的应用领域。然而，电机的起动性能仍不够强，使用时容易发生“大马拉小车”的状况。

CN 102111052A中提出了一种利用定子绕组“变极”进行起动的方案，该方案中将电机定子绕组替换为双极数的变极单绕组，使电机起动时定子绕组连接为少极数，与永磁体无耦合，因此永磁体不会在定子中感应电流，从而避免起动时制动转矩的产生，增加了电机起动能力；在电机运行时，定子绕组切换为多极数接法，与永磁体极数匹配，从而产生稳态电磁转矩。

然而，上述技术方案无法直接应用于游标电机中，原因如下：(1)为了增大输出转矩，现有游标电机均采用表贴磁钢的结构，而这种结构导致即使增加起动单元，起动转矩也相当低，几乎不具备自起动能力；(2)现有技术中采用的鼠笼绕组不能应用于游标电机中，其会在电机稳态运行时会产生极大的感应电流，产生极大的制动转矩，因此输出转矩与效率会急剧下降，完全丧失游标电机的优势；(3)若采用现有技术中的变极起动方案，会带来与使用鼠笼绕组相同的问题，电机的起动性能仍不够强，使用时容易发生“大马拉小车”的状况。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可变极自起动的游标永磁电机，其通过对游标永磁电机的机构进行改进，采用优化的绕组设计并利用变极方式，从而使得电机能带动一定的负载起动，从而实现在稳态运行时输出超过普通永磁电机的电磁转矩，可代替现有的风机与泵类驱动电机，省去机械传动装置，具有成本低、效率高、起动转矩大、可靠性高的优点。

为实现上述目的，按照本发明，提供一种可变极自起动的游标永磁电机，其包括：

呈环状的定子铁芯，其内环表面沿周向开有作为定子槽的多个开口槽，用以容纳定子绕组；

同轴套设在定子铁芯内的转子铁芯，其相对定子铁芯内环表面的外表面沿周向开有作为转子槽的多个开口槽，用以容纳转子绕组；以及

设置在转子铁芯内的多个永磁体；

其特征在于，每个所述定子槽中的定子绕组为一套双极数的变极单绕组，每个转子槽中的所述转子绕组为短接的三相绕线式绕组；

所述定子绕组起动时的极对数与转子绕组连接的极对数相等，所述定子绕组正常运行时的极对数等于永磁体极对数减去定子齿数，所述定子绕组起动时的极对数与定子绕组正常运行时的极对数之和或之差不为定子齿数的整数倍。

通过上述方案，可以使得电机能带动一定的负载起动，从而实现在稳态运行时输出超过普通永磁电机的电磁转矩。

作为本发明的进一步优选，定子绕组起动时的极对数小于永磁体极对数。通过该极数的选取，可使电机更容易牵入同步，从而增强起动能力。

作为本发明的进一步优选，所述定子绕组起动时的极对数多于正常运行时的极对数，即起动时定子绕组为多极数接法，而正常运行时为少极数接法。通过该优选方案，使本身极数较少，如两极的电机也可通过变极方式起动，此外，多极起动方案可有效降低起动电流。

作为本发明的进一步优选，所述定子绕组起动时的极对数少于正常运行时的极对数，即起动时定子绕组为少极数接法，而正常运行时为多极数接法。

作为本发明的进一步优选，所述定子槽为多个，沿定子铁芯内环面周向上均匀分布。

作为本发明的进一步优选，所述转子槽为多个，沿转子铁芯外环面周向上均匀分布。

作为本发明的进一步优选，所述设置在转子铁芯内的永磁体为V形。该方案可有效增强电机励磁磁场，增加电机输出转矩。

作为本发明的进一步优选，所述转子通过在径向上开设一定深度的槽以容置所述永磁体，其中所述槽的底部与转子转轴之间间隔一定距离。通过该方案，避免永磁体磁路被其它永磁体阻断，提高励磁磁场，增加电机输出转矩。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明中，首先对游标永磁电机的转子结构进行改进，为了兼顾电机的起动与运行性能，将永磁体放置于转子铁心内部，降低了等效气隙；永磁体的形状为“V”形，在永磁体下方保留磁场回路，确保永磁体磁场穿过的永磁体数较少；

(2)本发明中，根据游标永磁电机的特点，改进了自起动绕组结构，在转子外表面开有槽，为了避免鼠笼对电机稳态运行造成影响，槽内放置了用于起动的自短接三相绕线式绕组，代替了鼠笼；

(3)本发明中，深入研究经过研究自起动游标永磁电机在起动与运行时的磁场耦合关系，发现转子绕组连接的极对数(等于定子绕组起动时的极对数)必须不等于电机稳态运行时定子绕组的齿谐波极对数，即定子绕组起动与运行时两个极对数的和或差不等于定子齿数(或定子槽数)的整数倍，且定子绕组较大的极对数最好低于永磁体极对数。

附图说明

图1为现有技术中的一种游标电机的结构示意图；

图2为本发明实施例的自起动游标电机的结构示意图；

图3为本发明实施例的自起动游标电机在额定转速下空载时的磁力线分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

按照本发明一个实施例的自起动游标电机，如图2所示，其包括定子铁芯1、同轴套在定子铁芯内的转子铁芯3，其中定子铁芯1和转子铁芯3优选均呈环形体，定子铁芯1的内环表面开有开口槽以作为定子槽，转子铁心3的外环表面上开有半闭口槽以作为转子槽。优选地，定子槽为多个，沿定子铁芯1内环面周向上均匀分布；转子槽为多个，沿转子铁芯3外环面周向上均匀分布。

如图2，各定子槽内设置有一套双极数的变极单绕组2，各转子槽内均设置有三相绕线式绕组5，作为转子绕组，三相绕线式绕组5短接。

转子铁心内部设置多个永磁体4，永磁体4在转子铁芯内部的布置方式在业内存在多种方式，不属于本发明的重点，作为示例，如图2，本实施例中永磁体4为V形，转子通过在径向上开设一定深度的槽以容置永磁体4，其中槽的底部与转子转轴之间间隔一定距离。通过间隔的距离，可以给磁场提供通路，使得电机正常运行时输出更大转矩。

在一个实施例中，设置定子绕组起动时的极对数多于正常运行时的极对数，即起动时定子绕组为多极数接法，而正常运行时为少极数接法，以实现变极起动。但是，本发明并不限于这种起动，也可以是定子绕组起动时的极对数少于正常运行时的极对数，即起动时定子绕组为少极数接法，而正常运行时为多极数接法。

另外，设置定子绕组起动时的极对数小于永磁体极对数，且其与正常运行时的定子绕组极对数之和或之差不为定子槽数的整数倍。经过研究发现具有自起动游标永磁电机在起动与运行时的磁场耦合关系发现，转子绕组连接的极对数必须不等于电机稳态运行时定子绕组的齿谐波极对数，即定子绕组起动与运行时两个极对数的和或差不等于定子槽数的整数倍，才可避免稳态运行时转子绕组产生涡流，从而降低输出转矩。而且，定子绕组较大的极对数最好低于永磁体极对数。

另外，定子侧变极单绕组的正常运行时的极对数等于永磁体极对数减去定子齿数，而起动时的极对数等于转子绕组极对数。

具体来说，该实施例中，优选定子绕组2的正常运行时的极对数Ps1等于转子中永磁体4的极对数Pr与调制单元凸极数即定子铁心齿数Pm的差，定子绕组起动时的极对数Ps2等于转子绕组5的极对数，其数值大于极对数Ps1但小于极对数Pr，且极对数Ps2与极对数Ps1的和与差均不等于Pm的倍数。

本发明中，为了使电机具有自起动能力，在转子铁心外表面开槽，槽内放置起动绕组，由于鼠笼绕组会在电机运行时产生制动转矩，因此选用短接的三相绕线式绕组，且据研究其极对数不与定子绕组运行极对数的和或差不等于定子槽数；其次，将游标永磁电机改为内置式结构，极大减小了电机等效气隙，可以大幅增加起动转矩；第三，引入变极策略，完全消除电机起动时由于永磁体造成的制动转矩，大幅提高电机起动能力。

本发明中，首先在定子绕组起动极数的选取上，让其低于永磁体极数，使电机起动时直接加速到同步速后切换，无需牵入同步的过程；其次在转子设计时，在永磁体与转子轴间留有一定间隔，确保磁路的通畅，可极大增强永磁体励磁磁场，提高输出转矩。

实际工作中，首先将电机挂网接入工频交流电，此时电机处于起动时的异步运行状态，电机定子绕组连接为起动时极数(多极数接法)，通电的定子绕组产生极对数为Ps2的旋转磁场，该磁场极对数与转子绕组相同但转速高于转子转速，故在转子绕组内感应出电动势，产生转子电流。转子电流产生的磁场与定子旋转磁场的转速与极对数均相同，因此定、转子磁场相互作用产生单方向的电磁转矩，实现电机异步自起动。

当电机转速升高至其额定转速时，利用离心开关、定时器计时切换或人工操作等方式将定子绕组切换至电机运行时极数(少极数接法)。此时定子绕组产生极对数为Ps1的旋转磁场，与极对数为Pm的气隙磁导作用产生极对数为Pr的旋转磁场，该磁场转速与转子转速相同，因此与永磁体产生的转子磁场作用产生恒定的电磁转矩，电机进入稳态运行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可变极自起动的游标永磁电机，其包括：

呈环状的定子铁芯，其内环表面沿周向开有作为定子槽的多个开口槽，用以容纳定子绕组；

同轴套设在定子铁芯内的转子铁芯，其相对定子铁芯内环表面的外表面沿周向开有作为转子槽的多个闭口槽，用以容纳转子绕组；以及

设置在转子铁芯内的多个永磁体；

其特征在于，所述定子槽中的定子绕组为双极数的变极单绕组，转子槽中的所述转子绕组为短接的三相绕线式绕组；

所述定子绕组起动时的极对数与转子绕组连接的极对数相等，所述定子绕组正常运行时的极对数等于永磁体极对数减去定子齿数，所述定子绕组起动时的极对数与定子绕组正常运行时的极对数之和或之差不为定子齿数的整数倍；定子绕组起动时的极对数小于永磁体极对数。

2.根据权利要求1所述的一种可变极自起动的游标永磁电机，其中，所述定子绕组起动时的极对数多于正常运行时的极对数，即起动时定子绕组为多极数接法，而正常运行时为少极数接法。

3.根据权利要求1所述的一种可变极自起动的游标永磁电机，其中，所述定子绕组起动时的极对数少于正常运行时的极对数，即起动时定子绕组为少极数接法，而正常运行时为多极数接法。

4.根据权利要求1所述的一种可变极自起动的游标永磁电机，其中，所述定子槽为多个，沿定子铁芯内环面周向上均匀分布。

5.根据权利要求1所述的一种可变极自起动的游标永磁电机，其中，所述转子槽为多个，沿转子铁芯外环面周向上均匀分布。

6.根据权利要求1所述的一种可变极自起动的游标永磁电机，其中，所述设置在转子铁芯内的永磁体为V形。

7.根据权利要求1所述的一种可变极自起动的游标永磁电机，其中，所述转子通过在径向上开设一定深度的槽以容置所述永磁体，其中所述槽的底部与转子转轴之间间隔一定距离。