CN107346921A - 具有高抗退磁能力的永磁转子及异步起动永磁同步电动机 - Google Patents

具有高抗退磁能力的永磁转子及异步起动永磁同步电动机 Download PDF

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唐旭
秦臻
刘好胜
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Abstract

本发明公开了一种具有高抗退磁能力的永磁转子及异步起动永磁同步电动机。其中，一种具有高抗退磁能力的永磁转子，包括转子铁芯和永磁体，同一磁极下相邻两个永磁体上距离最近的两个边角均被削去而形成截面为直角三角形的永磁体端部。其能够在保持电动机性能的前提下，提高异步起动永磁同步电动机中永磁体的抗退磁能力。

Description

具有高抗退磁能力的永磁转子及异步起动永磁同步电动机
技术领域
本发明属于发动机领域，尤其涉及一种具有高抗退磁能力的永磁转子及异步起动永磁同步电动机。
背景技术
在工农业实际生产中，传统异步电机的应用依然十分广泛；异步电机的效率较低，特别是当电机负载偏离额定负载条件时，电机效率的下降十分明显，这造成了能源浪费。我国稀土资源丰富，这为我国发展永磁电机创造了良好的条件。异步起动永磁同步电动机在结构上可以看作是在传统异步电机的转子铁心内部放置了永磁体，与传统异步电机相比，该类电机具有效率高、功率因数高等优点，特别是当电机负载偏离额定负载条件时，电机的效率下降较小，经济运行范围宽，具有在多种应用场合替代传统异步电机的潜力。
但是，与其他类型的永磁电机相似，异步起动永磁同步电动机的推广应用也需要克服永磁体退磁这一基础问题。目前，关于异步起动永磁同步电动机中永磁体退磁的研究，主要集中在电机运行时的退磁特点的研究，对于如何降低电机失磁风险的研究较少。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种具有高抗退磁能力的永磁转子，其能够在保持电动机性能的前提下，提高异步起动永磁同步电动机中永磁体的抗退磁能力。
本发明的第一目的提供的一种具有高抗退磁能力的永磁转子，其包括转子铁芯和永磁体，同一磁极下相邻两个永磁体上距离最近的两个边角均被削去而形成截面为直角三角形的永磁体端部。
进一步的，永磁体端部的直角三角形截面的斜边等于倍的永磁体端部沿永磁体磁化方向宽度。
本发明同一磁极下相邻两个永磁体上距离最近的两个边角均被削去而形成截面为直角三角形的永磁体端部。这样削去了永磁体易发生退磁的边角，可以有效减小永磁体端部磁力线的畸变程度，提高永磁体端部区域的最小工作点，减小永磁体发生退磁的几率，提高永磁体的抗退磁能力。
进一步的，所述转子铁芯的外表面有多个转子槽。
进一步的，在所述转子铁芯的内部设置有至少一个永磁体槽，每个永磁体槽内设置有一个或多个永磁体。
进一步的，永磁体的尺寸与永磁体槽的尺寸相匹配。
进一步的，当在所述转子铁芯的内部设置有多个永磁体槽时，永磁体槽呈“W”形布置。
需要说明的是，当在所述转子铁芯的内部设置有多个永磁体槽时，还可以呈其他多种形式布置。
进一步的，所述转子铁芯呈现圆筒形，且由多个层叠放置的硅钢片加工而成。
进一步的，所述转子铁芯还包括设置在其中心处的转轴。
本发明的第二目的是提供一种异步起动永磁同步电动机。
本发明的第二目的提供的一种异步起动永磁同步电动机，包括：
定子，及
上述所述的永磁转子，所述永磁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。
进一步的，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、在所述多个定子齿之间分布的定子槽以及缠绕所述定子齿以产生旋转磁场的线圈。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)在异步起动永磁同步电动机中，永磁体位于转子铁芯内部，在强退磁磁场的作用下，如果永磁体的截面形状为传统的矩形，则永磁体的边角区域易发生不可逆退磁。并且，在强退磁磁场的作用下，该退磁区域将进一步扩大。本发明的同一磁极下相邻两个永磁体上距离最近的两个边角均被削去而形成截面为直角三角形的永磁体端部，有效降低了永磁体端部发生不可逆退磁的几率，提高了异步起动永磁同步电动机运行的稳定性。
(2)本发明通过改变异步起动永磁同步电动机转子铁芯内部永磁体的形状，有效提高了该类电机的抗退磁能力，有利于该类电机的稳定运行，本发明的该电机易于实现且效果显著；而且本发明仅改变永磁体端部的形状，电机的其他结构参数未发生变化，对电机性能产生的影响很小。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为具有传统矩形永磁体的转子结构示意图；
图2为具有传统矩形永磁体转子的电机内部的磁力线分布图；
图3为本发明的一种具有高抗退磁能力的永磁转子结构示意图；
图4为本发明的端部截面形状为直角三角形的永磁体示意图；
图5为传统矩形永磁体与本发明永磁体的最小工作点的变化曲线比较图。
其中，1-转子铁芯，2-永磁体，3-转子槽，4-永磁体槽。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1为具有传统矩形永磁体的转子结构示意图。
如图1所示，具有传统矩形永磁体的转子包括：转子铁芯1，转子铁芯1上开设有转子槽3和永磁体槽4，永磁体槽4内设置有永磁体2。其中，永磁体2的截面为矩形。
当异步起动永磁同步电动机的转速固定为接近同步速的恒定值时，采用传统矩形截面形状的永磁体时，在电机的最严重退磁工作点出现时，电机内部的磁力线分布图，如图2所示。
从图2中可以看出，永磁体的大部分区域(靠近永磁体中间的区域)的磁力线分布均匀，并且均与永磁体的磁化方向保持一致，说明在这个区域内永磁体各点的磁密大小和方向是一致的，并且发生退磁的几率很小；而在永磁体的端部，磁力线出现了畸变，方向不再与永磁体的磁化方向一致，特别是在永磁体端部的边角位置，磁力线的方向偏离永磁体的磁化方向较多，这些区域内各点的工作点较低，较易发生退磁。
综上所述，当采用传统的矩形截面永磁体时，在永磁体端部的边角区域内，永磁体各点的工作点较低，一旦低于永磁材料磁化曲线上的拐点磁密值时，就会发生不可逆退磁；
采用传统的矩形截面永磁体时，在强退磁磁场的作用下，永磁体的边角区域易发生不可逆退磁，并且在退磁磁场的作用下，不可逆退磁区域的面积将进一步扩大，导致电机的性能下降。
因此，为了提高异步起动永磁同步电动机抗退磁能力，本发明提供了一种具有高抗退磁能力的永磁转子。
如图3所示，本发明的一种具有高抗退磁能力的永磁转子，其包括转子铁芯1和永磁体2，同一磁极下相邻两个永磁体2上距离最近的两个边角均被削去而形成截面为直角三角形的永磁体端部。
其中，所述转子铁芯1的外表面有多个转子槽3。
在具体实施过程中，在所述转子铁芯1的内部设置有至少一个永磁体槽4，每个永磁体槽4内设置有一个或多个永磁体2。
在具体实施过程中，永磁体2的尺寸与永磁体槽4的尺寸相匹配。
当在所述转子铁芯的内部设置有多个永磁体槽时，永磁体槽呈“W”形布置。
需要说明的是，当在所述转子铁芯的内部设置有多个永磁体槽时，还可以呈其他多种形式布置。
其中，所述转子铁芯1呈现圆筒形，且由多个层叠放置的硅钢片加工而成。
其中，转子铁芯1还包括设置在其中心处的转轴。
如图4所示，hm-永磁体沿磁化方向的宽度，点a1～a6分别为第一个永磁体到第四个永磁体削去边角而形成的顶点。
l为图4中点a1～a6与对应永磁体端部之间的距离。其中，永磁体磁化方向的厚度相同，点a1～a6与对应永磁体端部之间的距离l＝hm/2。
也就是，永磁体端部的直角三角形截面的斜边等于倍的永磁体端部沿永磁体磁化方向宽度。这样一方面便于永磁体加工，另一方面削去了永磁体易发生退磁的边角，该截面的永磁体端部可以有效减小永磁体端部磁力线的畸变程度，提高永磁体端部区域的最小工作点，减小永磁体发生退磁的几率，提高永磁体的抗退磁能力。
需要说明的是，永磁体端部的直角三角形截面的斜边也可以设置为其他数值，可以根据电机的具体结构参数利用有限元法对l的取值进行优化计算分析，得到适用于特定电机的抗退磁能力最强的l的值。
本发明的该永磁体端部可以有效减小永磁体端部磁力线的畸变程度，提高永磁体端部区域的最小工作点，减小永磁体发生退磁的几率，提高永磁体的抗退磁能力。
图5为某台异步起动永磁同步电动机的转速固定为接近同步速的恒定值时，分别采用传统矩形永磁体与削去同一磁极下相邻两块永磁体上距离最近的两个边角时永磁体最小工作点的变化曲线，该曲线表示出了在各时刻全部永磁体上各点工作点的最小值。对于异步起动永磁同步电动机，当电机起动至转速接近同步速时，电机内的退磁磁场强度最大，因此利用该计算方法可以得到电机的最严重退磁工作点(在最强退磁磁场作用下时，全部永磁体上各点工作点的最小值)，即图中对应曲线的最小值。
从图5中可以看出，当采用矩形截面永磁体时电机的最严重退磁工作点为-1.18T，当采用端部截面形状为直角三角形的永磁体时电机的最严重退磁工作点为-0.41T；削去同一磁极下相邻两块永磁体上距离最近的两个边角时的最严重退磁工作点比采用矩形截面永磁体时高得多。因此，削去同一磁极下相邻两块永磁体上距离最近的两个边角的永磁体时，永磁体失磁的风险大大降低，电机运行的可靠性将得到有效提高。
本发明改变的仅仅是永磁体的端部形状而且对永磁体形状作更改时，是在垂直于电机轴向的截面上进行的。本申请所作更改的效果为：改变了永磁体垂直于电机轴向的截面形状，永磁体沿轴向的形状是一致的；并且仅改变了永磁体端部的形状，对电机性能的影响较小。
基于如图3所示的永磁转子，本发明还提供了一种异步起动永磁同步电动机。
本发明的一种异步起动永磁同步电动机，包括：
定子，及
如图3所示的永磁转子，所述永磁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。
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、在所述多个定子齿之间分布的定子槽以及缠绕所述定子齿以产生旋转磁场的线圈。
本发明的一种异步起动永磁同步电动机的工作原理为：
在异步起动永磁同步电动机中，永磁体位于转子铁芯内部，在强退磁磁场的作用下，如果永磁体的截面形状为传统的矩形，则永磁体的边角区域易发生不可逆退磁。并且，在强退磁磁场的作用下，该退磁区域将进一步扩大。本发明的同一磁极下相邻两个永磁体上距离最近的两个边角均被削去而形成截面为直角三角形的永磁体端部，有效降低了永磁体端部发生不可逆退磁的几率，提高了异步起动永磁同步电动机运行的稳定性。
本发明通过改变异步起动永磁同步电动机转子铁芯内部永磁体的形状，有效提高了该类电机的抗退磁能力，有利于该类电机的稳定运行，本发明的该电机易于实现且效果显著；而且本发明仅改变永磁体端部的形状，电机的其他结构参数未发生变化，对电机性能产生的影响很小。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种具有高抗退磁能力的永磁转子，其包括转子铁芯和永磁体，其特征在于，同一磁极下相邻两个永磁体上距离最近的两个边角均被削去而形成截面为直角三角形的永磁体端部。
2.如权利要求1所述的一种具有高抗退磁能力的永磁转子，其特征在于，永磁体端部的直角三角形截面的斜边等于倍的永磁体端部沿永磁体磁化方向宽度。
3.如权利要求1或2所述的一种具有高抗退磁能力的永磁转子，其特征在于，所述转子铁芯的外表面有多个转子槽。
4.如权利要求1或2所述的一种具有高抗退磁能力的永磁转子，其特征在于，在所述转子铁芯的内部设置有至少一个永磁体槽，每个永磁体槽内设置有一个或多个永磁体。
5.如权利要求4所述的一种具有高抗退磁能力的永磁转子，其特征在于，永磁体的尺寸与永磁体槽的尺寸相匹配。
6.如权利要求4所述的一种具有高抗退磁能力的永磁转子，其特征在于，当在所述转子铁芯的内部设置有多个永磁体槽时，永磁体槽呈“W”形布置。
7.如权利要求1所述的一种具有高抗退磁能力的永磁转子，其特征在于，所述转子铁芯呈现圆筒形，且由多个层叠放置的硅钢片加工而成。
8.如权利要求1所述的一种具有高抗退磁能力的永磁转子，其特征在于，所述转子铁芯还包括设置在其中心处的转轴。
9.一种异步起动永磁同步电动机，其特征在于，包括：
定子，及
如权利要求1-8中任一项所述的永磁转子，所述永磁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。
10.如权利要求9所述的异步起动永磁同步电动机，其特征在于，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、在所述多个定子齿之间分布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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