CN107769414A - 高功率密度的超高效永磁同步电动机 - Google Patents

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黄真真
任攀元
吉修涛
张海刚
赵立辉
张伯泽
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马向华
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Abstract

本发明属于电机技术领域，更具体地说，涉及一款额定功率为22kW的高功率密度的超高效永磁同步电动机。一种高功率密度的超高效永磁同步电动机，它包括定子、转子、磁钢，所述转子与定子之间设有气隙，转子上设置有均匀分布的矩形磁钢槽，磁钢放置于矩形磁钢槽内，转子两端用不导磁端板封装磁钢,所述矩形磁钢槽和空气槽之间设有隔磁磁桥，所述隔磁磁桥用于连接矩形磁钢槽和空气槽。采用改进型的转子结构和不均匀气隙，有效改善了永磁磁密波形的正弦性。本发明在转子的结构上采取相应的措施，能消除部分对电机有害的谐波，有效减小电机的损耗、温升和噪声。

Description

高功率密度的超高效永磁同步电动机
技术领域
本发明属于电机技术领域，更具体地说，涉及一款额定功率为22kW的超高效永磁同步电动机。
背景技术
随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电机与普通异步速电机相比，具有如下优势：1、效率高，不仅仅指额定功率点的效率高于普通三相异步电机，而且其在整个调速范围内的平均效率。永磁同步电机的励磁磁场由永磁体提供，转子不需要励磁电流，电机效率提高，与异步电机相比，任意转速点均节约电能，尤其在转速较低的时候这种优势尤其明显。2.启动转矩，永磁同步电机一般也采用异步起动方式，由于永磁同步电机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起倍1.8倍上升到2.5倍，甚至更大。3.对电网运行的影响，因异步电机的功率因数低，电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网翰变电设备及发电设备中有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重了电网及枪变电设备及发电设备的负荷，同时无功电流在电网、翰变电设备及发电设备中均要消耗部分电能，造成电力电网效率变低，影晌了电能的有效利用。在永磁电机转子中无感应电流励班，电机的功率因数高，提高了电网的品质因数使电网中不再需安装补偿器。同时，因永磁电机的高效率，也节约了电能。4、体积小，重量轻，由于使用了高性能的永磁材料提供磁场，使得永磁电机的气隙磁场较感应电机大先增强，永磁电机的体积和重最较感应电机可以大大的缩小。
永磁同步电机具有高效节能、高功率密度等显著特点而得到了广泛应用。虽然永磁同步电机的定子结构和制造工艺与异步交流电机相似，但两者的转子结构不相同，永磁同步电机的转子内嵌有磁钢(稀土磁性材料)，并且通过磁钢构成磁极。由于现有永磁同步电机的气隙与异步电机气隙相似，永磁磁密波形正弦性畸变率高达百分之二十以上，工作时产生大量影响电机性能的谐波，这些谐波不但增加了电机的功率损耗，而且加大了电机的振动和噪声。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明提出了一种超高效永磁同步电动机，采用改进型的转子结构和不均匀气隙，有效改善了永磁磁密波形的正弦性。本发明在转子的结构上采取相应的措施，能消除部分对电机有害的谐波，有效减小电机的损耗、温升和噪声。同时参考异步电动机定子内外径，为充分利用材料，提升效率，重新调整优化了定子内径尺寸。
本发明采用如下技术方案：
一种高功率密度的超高效永磁同步电动机，它包括定子、转子、磁钢，所述转子与定子之间设有气隙，转子上设置有均匀分布的矩形磁钢槽，磁钢放置于矩形磁钢槽内，转子两端用不导磁端板封装磁钢,所述矩形磁钢槽和空气槽之间设有隔磁磁桥，所述隔磁磁桥用于连接矩形磁钢槽和空气槽。
本技术方案进一步的优化，气隙为不均匀气隙，矩形磁钢槽的中心位置所对应的气隙长度δ1是最小气隙长度，空气槽的中心位置所对应的气隙长度δ2为最大气隙长度，最大气隙长度与最小气隙长度比为1.1-1.9。本技术方案进一步的优化，
本技术方案更进一步的优化，最大气隙长度与最小气隙长度比为1.5。
本技术方案更进一步的优化，最小气隙长度δ1为0.55-0.75mm，最大气隙长度δ2为0.75-0.95mm。
本技术方案更进一步的优化，最小气隙长度δ1为0.6mm，最大气隙长度δ2为0.8mm。
本技术方案更进一步的优化，最小气隙长度δ1为0.7mm，最大气隙长度δ2为0.9mm。
本技术方案进一步的优化，磁钢为矩形。
本技术方案更进一步的优化，磁钢为分段结构，分段结构的磁钢由多段磁钢粘结而成。
本技术方案进一步的优化，空气槽以一段同心圆弧段和两条直线段为边界，直线段夹角为60度，彼此以圆角连接。
本技术方案进一步的优化，磁钢所用材料为钕铁硼永磁体38UH，或38SH。
本发明具有优点如下：
1.由于定子内外径的合理优化，既减小了转子体积，降低了其转动惯量，改善了电机的动态性能；同时大幅度降低了电机体积，提高了电机的功率密度以及电机的效率。
2.由于转子上设置了由磁性材料构成的矩形磁钢槽，矩形磁钢槽内有磁钢。电机的气隙长度不均匀，可在永磁同步电机的气隙中形成接近正弦的磁密波，降低了磁密中的谐波含量。因此，本发明可明显减小电机的附加损耗，降低电机的温升和噪声，提高电机的效率。
3.磁钢为矩形。采用了矩形磁钢槽后，可以方便地使用现有技术中的矩形磁钢，能进一步降低本发明的实施成本；当矩形磁钢采用分段结构时，有利于大型永磁同步电机安装磁钢。
附图说明
图1是超高效永磁同步电动机的结构示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
参阅图1所示，为超高效永磁同步电动机的结构示意图，它包括定子8、转子1、磁钢3，所述转子1与定子8之间设有气隙9，转子1上设置有均匀分布的矩形磁钢槽2，磁钢3放置于矩形磁钢槽2内，转子1两端用不导磁端板封装磁钢3,所述矩形磁钢槽2和空气槽5之间设有隔磁磁桥4，所述隔磁磁桥4用于连接矩形磁钢槽2和空气槽5。
实施例一
一种高功率密度的超高效永磁同步电动机，其额定功率为22kW，额定转速为5800rpm。对于普通异步电动机，这个功率的电机其中心高为180mm。以Y2系列电机为例，额定功率22kW、额定转速3000rpm的规格为Y2-180M-2。该实施例的电机极数为6极，效率高达96.1％。其定子外径为175mm，与Y2-112机座号的定子8外径相同，定子8内径为101mm，铁心长度为120mm。铁心材料为DW310-35，采用0.35mm厚的硅钢片叠压而成。定子8绕组线规为8-0.85并绕，匝数为7匝/圈，采用双层叠式绕组型式，2路并联；定子8上设置36个均布的槽，转子1上设置6个均布的矩形磁钢槽2，矩形磁钢槽2内放置磁钢3，磁钢3材料为钕铁硼永磁体38UH，或38SH。磁钢3宽度为40mm，厚度为4.8mm，矩形磁钢槽2之间设置有隔磁磁桥4和空气槽5；转轴为导磁性轴。
定子8的外径为175mm，定子8内径为101mm，铁芯长度为120mm。定子8上设置均匀分布的36个槽，绕组线规为8-0.85并绕、7匝/圈，采用双层叠式绕组、2路并联，绕组跨距为1-6槽。转子1与定子8之间的气隙9为不均匀气隙，矩形磁钢槽2的中心位置所对应的气隙长度δ1是最小气隙长度，空气槽5的中心位置所对应的气隙长度δ2为最大气隙长度，其余位置的气隙长度在二者之间平滑过渡，最大气隙长度与最小气隙长度比称作该永磁同步电机的气隙比，所述的气隙比在1.1—1.9之间，气隙比在1.5附近效果更好。本该实施例的最小气隙长度δ1为0.55-0.65mm，优选0.6mm，最大气隙长度δ2为0.75-0.85mm，优选0.8mm。
该实施例的转子1包括磁钢3和转子的附件。转子1上放置磁钢3的槽是矩形磁钢槽2；转子1上设置6个均匀分布的矩形磁钢槽2，磁钢置于矩形磁钢槽2内，转子1两端用不导磁端板封装磁钢3。
转子1上的矩形磁钢槽2和空气槽5彼此相间对称分布，矩形磁钢槽2和空气槽5之间连接的部分称为隔磁磁桥4，隔磁磁桥4沿圆周方向的距离称为隔磁磁桥的宽度，隔磁磁桥4沿径向的距离称为隔磁磁桥的长度。空气槽5以一段同心圆弧段6和两条直线段7为边界，直线段夹角为60度，彼此以半径为1的圆角连接。
所述的磁钢3为矩形，矩形磁钢3即普通永磁电机使用的磁钢。所述的磁钢3为分段结构，分段结构的磁钢3由多段磁钢粘结而成。
实施例二
一款22kW的高功率密度的超高效永磁同步电动机，该实施例的额定功率为22kW，额定转速为3000rpm。对于普通异步电动机，这个功率和转速的电机其中心高为180mm。以Y2系列电机为例，额定功率22kW、额定转速3000rpm的规格为Y2-180M-2。本发明电机极数为6极，效率高达96.2％。其定子8外径为260mm，与Y2-160机座号的定子8外径相同，定子8内径为152mm，铁心长度为90mm。铁心材料为DW310-35，采用0.35mm厚的硅钢片叠压而成。定子8绕组线规为3-0.85并绕，匝数为33匝/圈，采用双层叠式绕组型式，6路并联；定子8上设置36个均布的槽，转子1上设置6个均布的矩形磁钢槽2，矩形磁钢槽2内放置磁钢3，磁钢3材料为钕铁硼永磁体38UH，或38SH。磁钢3宽度为63mm，厚度为6mm，矩形磁钢槽2之间设置有隔磁磁桥4和空气槽5；转轴为导磁性轴。
定子8的外径为260mm，定子8内径为152mm，铁芯长度为90mm。定子8上设置均匀分布的36个槽，绕组线规为3-0.85并绕、33匝/圈，采用双层叠式绕组、6路并联，绕组跨距为1-6槽。转子1与定子8之间的气隙9为不均匀气隙，矩形磁钢槽2的中心位置所对应的气隙长度δ1是最小气隙长度，空气槽5的中心位置所对应的气隙长度δ2为最大气隙长度，其余位置的气隙长度在二者之间平滑过渡，最大气隙长度与最小气隙长度比称作该永磁同步电机的气隙比，所述的气隙比在1.1—1.9之间，气隙比在1.5附近效果更好。该实施例最小气隙长度δ1为0.65-0.75mm，优选0.7mm，最大气隙长度δ2为0.85-0.95mm，优选0.9mm。
该实施例的转子1包括磁钢和转子的附件。转子1上放置磁钢3的槽是矩形磁钢槽2；转子1上设置6个均匀分布的矩形磁钢槽2，磁钢3置于矩形磁钢槽2内，转子1两端用不导磁端板封装磁钢3。
转子1上的矩形磁钢槽2和空气槽5彼此相间对称分布，矩形磁钢槽2和空气槽5之间连接的部分称为隔磁磁桥4，隔磁磁桥4沿圆周方向的距离称为隔磁磁桥的宽度，隔磁磁桥4沿径向的距离称为隔磁磁桥的长度。空气槽以一段同心圆弧段6和两条直线段7为边界，直线段夹角为60度，彼此以半径为1的圆角连接。
所述的磁钢为矩形，矩形磁钢即普通永磁电机使用的磁钢。所述的磁钢为分段结构，分段结构的磁钢由多段磁钢粘结而成。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高功率密度的超高效永磁同步电动机，其特征在于：它包括定子(8)、转子(1)、磁钢(3)，所述转子(1)与定子(8)之间设有气隙(9)，转子(1)上设置有均匀分布的矩形磁钢槽(2)，磁钢(3)放置于矩形磁钢槽(2)内，转子(1)两端用不导磁端板封装磁钢(3),所述矩形磁钢槽(2)和空气槽(5)之间设有隔磁磁桥(4)，所述隔磁磁桥(4)用于连接矩形磁钢槽(2)和空气槽(5)。
2.如权利要求1所述的超高效永磁同步电机，其特征在于：所述气隙(9)为不均匀气隙，矩形磁钢槽(2)的中心位置所对应的气隙长度δ1是最小气隙长度，空气槽(5)的中心位置所对应的气隙长度δ2为最大气隙长度，最大气隙长度与最小气隙长度比为1.1-1.9。
3.如权利要求2所述的高功率密度的超高效永磁同步电动机，其特征在于：所述最大气隙长度与最小气隙长度比为1.5。
4.如权利要求2所述的高功率密度的超高效永磁同步电动机，其特征在于：所述最小气隙长度δ1为0.55-0.75mm，最大气隙长度δ2为0.75-0.95mm。
5.如权利要求4所述的高功率密度的超高效永磁同步电动机，其特征在于：所述最小气隙长度δ1为0.6mm，最大气隙长度δ2为0.8mm。
6.如权利要求4所述的高功率密度的超高效永磁同步电动机，其特征在于：所述最小气隙长度δ1为0.7mm，最大气隙长度δ2为0.9mm。
7.如权利要求1所述的高功率密度的超高效永磁同步电动机，其特征在于：所述磁钢(3)为矩形。
8.如权利要求7所述的高功率密度的超高效永磁同步电动机，其特征在于：所述磁钢(3)为分段结构，分段结构的磁钢(3)由多段磁钢粘结而成。
9.如权利要求1所述的高功率密度的超高效永磁同步电动机，其特征在于：所述空气槽(5)以一段同心圆弧段(6)和两条直线段(7)为边界，直线段夹角为60度，彼此以圆角连接。
10.如权利要求1所述的高功率密度的超高效永磁同步电动机，其特征在于：所述磁钢(3)所用材料为钕铁硼永磁体38UH，或38SH。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20140145539A1 (en) * 2011-08-05 2014-05-29 Gree Green Refrigeration Technology Center Co., Ltd. Of Zhuhai Permanent magnet synchronous electric machine
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