CN106787561A - 一种大容量双馈起动低速大扭矩永磁同步电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电动机领域，并公开了一种大容量双馈起动低速大扭矩永磁同步电动机，包括定子及设置在定子内的转子，并且所述转子内设置有永磁体组，该永磁体组为切向充磁；转子具有多个转子槽并且这些转子槽沿转子外表面圆周布置，转子槽内设置有绕线式起动绕组和辅助绕组，并且绕线式起动绕组和所述辅助绕组沿所述转子的径向设置；所述绕线式起动绕组上串接有起动电阻；所述辅助绕组在所述永磁同步电动机的任意一对极范围内均具有两组绕组。本发明提出一种对永磁体切向充磁并在转子增加辅助绕组与起动绕组的方法，在定子电源作用下实现电机的双馈异步起动，有效解决了大容量永磁同步电动机工频自起动困难的问题，省却了成本高的大功率变频器。

Description

一种大容量双馈起动低速大扭矩永磁同步电动机
技术领域
本发明属于电动机领域，更具体地，涉及一种充磁低速大扭矩永磁同步电动机。
背景技术
近年来，随着永磁材料的突破与电机行业的发展，用功率密度高，效率高的低速大扭矩永磁同步电动机替代笨重、效率较低的异步电动机与减速机传动系统已成为行业发展趋势。现有低速大扭矩永磁同步电动机多采用变频起动，然而低速大扭矩电机对调速性能要求不高，并且功率较大，所选用的大功率变频器多需从国外品牌购买，价格昂贵，性价比不高，故需考虑工频自起动。在额定参数要求一定的情况下，即转速、功率一定，要实现工频50Hz自起动必须增加电机的极对数。但大功率异步起动永磁同步电动机体积大，转动惯量大，再加上极对数增多后起动阶段永磁制动转矩非常大，即便转子起动绕组串接起动电阻，电机仍然难以实现自起动。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大容量双馈起动低速大扭矩永磁同步电动机，其成本低并且能实现大容量双馈起动。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种大容量双馈起动低速大扭矩永磁同步电动机，其特征在于，包括定子及设置在定子内的转子，并且所述转子上设置有永磁体组，该永磁体组为切向充磁；所述转子具有多个转子槽并且这些槽沿转子外表面圆周布置，其中，
所述转子槽内设置有绕线式起动绕组和辅助绕组，并且所述绕线式起动绕组和所述辅助绕组沿所述转子的径向设置，所述绕线式起动绕组与所述永磁体组的间距大于所述辅助绕组与所述永磁体组的间距；
所述绕线式起动绕组放置于转子槽上层，所述辅助绕组放置于转子槽下层，两者采用绝缘层隔离；
所述绕线式起动绕组上串接有起动电阻，以用于产生起动转矩；
所述辅助绕组在所述永磁同步电动机的任意一对极范围内均具有两组绕组，其中，每组所述绕组均包括多个同心且串联在一起的导线圈并且这些导线圈的匝数根据永磁体组的磁势进行选择，以用于在所述永磁同步电动机起动时削减永磁体组产生的永磁磁势，并且使永磁磁势削减后空载气隙磁密仍然具有相应的正弦性。
优选地，每组所述绕组由同一根导线绕制而成，并且采用直流励磁。
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，能够取得下列有益效果：
本发明提出一种对永磁体切向充磁并在转子增加辅助绕组与起动绕组的方法，在定子电源作用下实现电机的双馈异步起动，有效解决了大容量永磁同步电动机工频自起动困难的问题，省却了成本高的大功率变频器，并且电机效率高，功率因数高，满足对大容量低速大扭矩电机需求行业的要求，节约成本，提高经济效益。
附图说明
图1是本发明中电机转子冲片在一对极范围内的示意图；
图2是图1所示的一对极上的两组绕组的示意图；
图3是辅助绕组作用下空载气隙磁密的曲线图；
图4是转速随时间变化示意图；
图5是电磁转矩随时间变化示意图。
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。
参照图1～图5，一种大容量双馈起动低速大扭矩永磁同步电动机，包括定子及设置在定子内的转子，并且所述转子内设置有永磁体组，该永磁体组为切向充磁；所述转子具有多个转子槽并且这些转子槽沿转子外表面圆周布置，其中，
所述转子槽内设置有绕线式起动绕组1和辅助绕组2，并且所述绕线式起动绕组1和所述辅助绕组2沿所述转子的径向设置，所述绕线式起动绕组1与所述永磁体组的间距大于所述辅助绕组2与所述永磁体组的间距；
所述绕线式起动绕组1放置于转子槽上层，所述辅助绕组2放置于转子槽下层，两者采用绝缘层隔离；
所述绕线式起动绕组1上串接有起动电阻，以用于产生起动转矩；
所述辅助绕组2在所述切向式永磁同步电动机的任意一对极范围内均具有两组绕组，其中，每组所述绕组均包括多个同心且串联在一起的导线圈并且这些导线圈的匝数根据永磁体组的磁势进行选择，以用于在所述永磁同步电动机起动时削减永磁体组产生的永磁磁势，并且使永磁磁势削减后空载气隙磁密仍然具有相应的正弦性。
进一步，每组所述绕组由同一根导线绕制而成，并且采用直流励磁。
参照图1，其共示出了转子槽A～转子槽L共12道槽，参照图2，共有两组线圈绕组，分别是第一绕组3和第二绕组4，第一绕组3中，转子槽A和转子槽G中是空槽，即没有导线绕过，而有一个导线圈从转子槽B和转子槽L绕过，类似地，转子槽C和转子槽K有导线圈绕过……，绕组穿过这些转子槽后，通过端子M、端子X、端子N和端子Y来接线，并且第一绕组3和第二绕组4中这两个线圈绕组中通入的电流反向。
本发明通过在转子槽内设置上下两层绕组，上层为正常绕线式起动绕组1并且其上串接合适起动电阻产生起动转矩；下层为辅助绕组2，辅助绕组2采用不等匝同心式绕组结构分布，以保障磁势削减后空载气隙磁密仍然具有相应的正弦性；根据电机转子永磁体所产生的磁场轴线d轴和q轴，辅助绕组2所产生磁场应该与之同轴线反向，起动阶段通合适电流产生补偿磁势削减永磁制动转矩。牵入同步速后将辅助绕组2断电，实现自起动。
具体实施时，转子需经过精密地计算与分析，采用场路耦合的方法初步计算内置切向式永磁体大小，转子槽大小。既需保障电机额定参数则空载气隙磁密不可设计的太小，即转子槽不能太大；又需要保障转子槽有合适的空间安放起动绕组与辅助绕组2。此环节需初步计算后在有限元软件中不断仿真校验，得出优化方案。对于辅助绕组2的设计，既要考虑绕组电密不至于过大，又要产生足够的磁势抵消起动阶段永磁磁势，则需优化选择通入直流电流大小与绕组匝数及绕组截面积，同样需采用场路耦合方法计算仿真，不断校验。本发明辅助绕组2设计为保障磁势削减后空载气隙磁密仍然具有相应的正弦性及工艺问题，采用不等匝同心式绕组分布。
本发明电动机设计算例如下所示：
设计要求指标为：
额定功率：2000kW
额定电压：6kV
额定转速：33.333rpm
电机设计尺寸如表1.1所示：
表1.1电机主要尺寸
转子、定子、定子绕组和转子绕组设计参数见表1.2所示，其中，定子绕组星形连接，转子绕组同样星形连接。
表1.2定子和转子参数
采用异步启动的永磁同步电动机，为了兼顾转子槽和气隙磁密的要求，普通磁路结构难以提供足够大的扭矩。因此，本设计采用内置并联式磁路结构，具体的永磁体组中每个永磁体的设计如表1.3，永磁体结构示意图如图1。
表1.3永磁体设计尺寸
通过下述仿真可验证本发明：
1)当辅助绕组中通入100A直流电流，在空载条件下，与永磁磁场综合作用得到的气隙磁密分布如图4所示，气隙磁密有效值为0.4046T，是额定空载气隙磁密0.76T的53.24％，参照图3；
2)启动过程中，为了获得较大的异步转矩，在转子三相起动绕组中需要每相串联1ohm的电阻。经仿真，在辅助绕组工作的条件下，电机空载启动时间约为5s，启动过程中，定子绕组启动电流有效值510A，转子启动电流有效值290A，转子辅助绕组中直流电流100A。则此时转子绕组中电流密度13.81A/mm2，辅助绕组中电流密度为32.61A/mm2，均在5A/mm2的7倍以内。启动过程仿真示意图如图4所示。
待电机稳定运行于额定转速33.33rpm之后，直流辅助绕组的激励可以在4s的时刻去掉，则此时电机稳定运行于同步转速。
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 (2)

1.一种大容量双馈起动低速大扭矩永磁同步电动机，其特征在于，包括定子及设置在定子内的转子，并且所述转子上设置有永磁体组，该永磁体组为切向充磁；所述转子具有多个转子槽并且这些槽沿转子外表面圆周布置，其中，
所述转子槽内设置有绕线式起动绕组和辅助绕组，并且所述绕线式起动绕组和所述辅助绕组沿所述转子的径向设置，所述绕线式起动绕组与所述永磁体组的间距大于所述辅助绕组与所述永磁体组的间距；
所述绕线式起动绕组放置于转子槽上层，所述辅助绕组放置于转子槽下层，两者采用绝缘层隔离；
所述绕线式起动绕组上串接有起动电阻，以用于产生起动转矩；
所述辅助绕组在所述永磁同步电动机的任意一对极范围内均具有两组绕组，其中，每组所述绕组均包括多个同心且串联在一起的导线圈并且这些导线圈的匝数根据永磁体组的磁势进行选择，以用于在所述永磁同步电动机起动时削减永磁体组产生的永磁磁势，并且使永磁磁势削减后空载气隙磁密仍然具有相应的正弦性。
2.根据权利要求1所述的一种大容量双馈起动低速大扭矩永磁同步电动机，其特征在于，每组所述绕组由同一根导线绕制而成，并且采用直流励磁。
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