CN107769504A - 一种异步起动的无轴承永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种异步起动的无轴承永磁同步电机，转子是由转子铁心、永磁体、鼠笼条和转轴构成的复合结构，转子铁心在靠近其外边缘处沿圆周方向均匀开有32个封闭的转子槽，每个转子槽内固定嵌有一个与转子槽结构相同的鼠笼条，在鼠笼条内侧的转子铁心上沿圆周方向均匀开有4个相同的封闭的矩形槽，每个矩形槽中固定嵌有一个矩形的永磁体，4个永磁体尺寸相同且成四个顶角不接触的正方体排布，相互面对面的其中两个永磁体由内而外径向充磁，另外两个永磁体由外而内径向充磁；由于在转子上嵌入了鼠笼条，在起动过程中鼠笼条内会产生感应电流，从而产生异步转矩，使电机具有异步起动能力，同时保留了无轴承永磁同步电机的优点。

Description

一种异步起动的无轴承永磁同步电机

技术领域

本发明属于无轴承电机，尤其是具有异步起动能力的无轴承永磁同步电机。

背景技术

无轴承电机将电机和磁轴承的功能集成在一起，可以使电机在产生转矩的同时也能产生径向悬浮力，使转子在旋转的同时也能悬浮于电机的中心，避免了转子与定子之间的摩擦，并可省去用于支撑载荷的轴承，简化了磁悬浮轴承支承的电机结构。

无轴承电机通常可分为无轴承永磁同步电机、无轴承异步电机和无轴承磁阻电机等类型。无轴承异步电机具有结构简单、可靠性高和悬浮力大的优点，同时也具有起动方便的优点，然而用于产生悬浮力的磁场在鼠笼条中产生感应磁场，会引起悬浮力矢量的误差，又由于悬浮力磁场也会产生转矩，所以悬浮力和转矩之间难以精确地解耦控制。无轴承永磁同步电机具有高功率因数、高效率、无需励磁等优点，根据永磁体在转子上的安装方式的不同，转子结构可分为表面贴装式、表面插入式、深埋式等，其中内置式无轴承永磁电机在水平轴与垂直轴方向上的耦合较小，这种结构又不需要碳纤维套筒固定永磁体，气隙长度可以减小，磁路的磁阻较小，可以更有效地产生悬浮力，但是无轴承永磁同步电机的起动过程复杂，需要通过精密的传感器或者无传感技术实时检测转子的角位置，这造成了无轴承永磁同步电机的起动困难。因此，无轴承异步电机悬浮力大、起动方便，但是难以实现精确地解耦控制，无轴承永磁同步电机效率高、耦合小、解耦简单，但是起动过程复杂，起动困难。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有无轴承异步电机存在的解耦控制复杂和无轴承永磁同步电机存在的起动困难的问题，提出一种具有异步起动能力的无轴承永磁同步电机，

本发明提出的一种异步起动的无轴承永磁同步电机采用的技术方案是：包括内部的转子和外部的定子铁心，转子是由转子铁心、永磁体、鼠笼条和转轴构成的复合结构，正中间是转轴，转轴外同轴固定套有转子铁心，转子铁心在靠近其外边缘处沿圆周方向均匀开有32个封闭的转子槽，每个转子槽内固定嵌有一个与转子槽结构相同的鼠笼条，在鼠笼条内侧的转子铁心上沿圆周方向均匀开有4个相同的封闭的矩形槽，每个矩形槽中固定嵌有一个矩形的永磁体，4个永磁体尺寸相同且成四个顶角不接触的正方体排布，相互面对面的其中两个永磁体由内而外径向充磁，另外两个永磁体由外而内径向充磁。

进一步地，定子铁心上沿圆周方向均匀开有24个定子槽，每定子槽内放置的是内层的悬浮力绕组和外层的转矩绕组。

本发明的优点在于：

1. 本发明由于在内置式永磁转子上嵌入了鼠笼条，在起动过程中鼠笼条内会产生感应电流，从而产生异步转矩，使电机具有异步起动能力，同时保留了无轴承永磁同步电机结构紧凑、高功率因数、无需励磁等优点。

2. 本发明采用的极对数配合方案为：悬浮力绕组4的极对数为1，转矩绕组5的极对数为2，这样的极对数配合方案可以使电机在悬浮力绕组与鼠笼条相互作用产生异步转矩，有助于无轴承永磁同步电机的起动。

3. 传统永磁同步电机依靠端部的机械轴承传递载荷，机械轴承通过润滑剂降低接触面之间的摩擦，当电机高速运行时，机械轴承存在摩擦力矩非线性增加、润滑剂粘度增加的缺点，有轴承失效的隐患，本发明可以省去用于传递载荷的机械轴承。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明一种异步起动的无轴承永磁同步电机的轴向剖面示意图；

图2为图1的径向剖面放大图；

图3为图2中仅显示单个永磁体的转子铁心的局部放大图以及局部尺寸标注示意图；

图4为图2中仅显示单个鼠笼条的转子铁心的局部放大图以及局部尺寸标注示意图；

图5为图2中悬浮力绕组4中的A相绕组展开示意图；

图6为图2中转矩绕组5中的A相绕组展开示意图；

图7为图2所示本发明空间磁场分布示意图；

图中：1-光电编码器；2-调心轴承；3-电机外壳；4-悬浮力绕组；5-转矩绕组；6-位移传感器；7-基准盘； 8-辅助轴承；9-转轴；10-定子铁心；11-转子铁心；12-鼠笼条；13-永磁体；14-悬浮力磁场；15-转矩磁场；16-上方气隙；17-下方气隙；18-三角楔体；19-扇形体。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明外部是包括内部的转子和外部的定子，转子和定子均套在电机外壳3内部中间，定子同轴套在转子外且两者之间具有径向气隙。

转子是由转子铁心11、永磁体13、鼠笼条12和转轴9构成的复合结构，转子的正中间是转轴9，转轴9外同轴固定套有转子铁心11。定子即定子铁心10，定子铁心10由硅钢片叠压而成，定子铁心10上沿圆周方向均匀开有24个定子槽，用于安放定子绕组，24个定子槽的每槽内叠压放置安放了内外两层定子绕组，分别是内层的悬浮力绕组4和外层的转矩绕组5，悬浮力绕组4用于产生悬浮力，转矩绕组5用于产生转矩。

转轴9的轴向非承载端安装光电编码器1，用于检测转子的角位置。转轴9的轴向非承载端外圈经调心轴承2套接电机外壳3一端，转轴9的承载端外圈经辅助轴承8套接电机外壳3另一端，辅助轴承8能在转子悬浮失败或者电机不工作时为转子提供支撑。在电机外壳3内部且靠近转轴9承载端处设有一对位移传感器6，一对位移传感器6在径向上对称布置，用于差动检测转子在径向上的位移，在电机转轴9的承载端的轴向也安装有一对位移传感器6，用于差动检测转子在轴向上的位移。一对位移传感器6的径向内端正对着基准盘7，基准盘7套在转轴9外，基准盘7为位移传感器6的探头提供基准的检测距离。

转子铁心11由硅钢片叠压而成，转子铁心11在靠近其外边缘处沿圆周方向均匀开有32个转子槽，每个转子槽均是封闭槽，在每个转子槽内固定嵌有一个鼠笼条12，共32个沿圆周方向均匀布置的鼠笼条12，鼠笼条12的长度方向是沿转轴9的轴向，鼠笼条12的尺寸与转子槽的尺寸相同。

在鼠笼条12的内侧的转子铁心11上，沿圆周方向均匀开有4个相同的封闭的矩形槽，每个矩形槽中紧密固定嵌有一个矩形的永磁体13，4个永磁体13在径向上位于转轴9和鼠笼条12之间并且与鼠笼条12不接触。4个永磁体13尺寸相同，并且4个永磁体13成四个顶角不接触留有间隙的正方体排布，该正方体的中心线与转轴9的轴心线重合。相互面对面的其中两个永磁体13的充磁方向是由轴心线指向径向气隙，也就是在径向上由内而外充磁，相互面对面的其中另外两个永磁体13的充磁方向是由径向气隙指向轴心线，也就是在径向上由外而内充磁，即第一块和第三块永磁体13的充磁方向由径向气隙指向轴心线，而第二块和第四块永磁体13的充磁方向则轴心线由指向径向气隙，因此，使4个永磁体13的磁场形成2对磁极。

参见图3，在同一个径向截面上，每个永磁体13内边缘距离转轴9中心距离r为21mm，永磁体13的径向厚度h为2m，每个永磁体13的宽度w为33mm，每个永磁体13的轴向长度与转子铁心11轴向长度相同。

参见图4，鼠笼条12由外段的三角楔体18和内段的扇形体19组成，三角楔体18和扇形体19连为一个整体。三角楔体18的外端是尖端，其与转子铁心11外边缘的径向距离H0为0.4mm，也称为封闭桥的高度。三角楔体18本身的径向高度H1为0.8mm。扇形体19本身的径向高度H2为4.6mm，三角楔体18的内端宽度与扇形体19的外端宽度相同，也是整个鼠笼条12的最大宽度，均是B1，B1为3.5mm。扇形体19最内端是有端角的圆弧状，扇形体19内端最大宽度B2为2.8mm，内端的端角半径R为1mm。鼠笼条12紧密镶嵌在转子槽中，转子槽的结构与鼠笼条12相同。

参见图2和图5，悬浮力绕组4的极对数为1，每极每相槽数为4。以悬浮力绕组4的A相为例，绕组展开图如图5所示，悬浮力绕组4采用同心绕组，沿逆时针方向按A、Z、B、X、C、Y相排列，相邻的4个槽为一相的进线端或出线端，悬浮力绕组4连接一个三相逆变器，电流由三相逆变电路提供，悬浮力绕组4的A相的接线是从A进线，从X出线，B相和C相的接线原理和A相相同。悬浮力绕组4的A、B、C相分别连接至三相逆变器的三个桥臂，悬浮力绕组4的X、Y、Z相短接在一起作为中性点；这种绕组方式中每个线圈的节距均小于12，但整个绕组的节距为12，是一个整距绕组，这样缩短了端部连接，减少了端部用铜，降低了制造成本。

参见图2和图6，转矩绕组5的极对数为2，每极每相槽数为2。以转矩绕组5的A相为例，绕组展开图如图6所示，转矩绕组5沿逆时针方向按A1、Z1、B1、X1、C1、Y1、A2、Z2、B2、X2、C2、Y2相排列，相邻的2个槽为一相的进线端或出线端，转矩绕组5连接另一个三相逆变器，转矩绕组5的电流由这个三相逆变器提供，转矩绕组5的A相的接线是从A1进线，从X1出线，再连接到A2，从A2进线，从X2出线，形成单层链式绕组，转矩绕组5的B相和C相的接线原理与转矩绕组5的A相的接线原理相同。将转矩绕组5的X2、Y2、Z2相短接在一起作为中性点，将转矩绕组5的A1、B1、C1相分别连接至另一个三相逆变器的三个桥臂。这种绕组方式的整体节距为6，是整距绕组，但是每个线圈的节距为5，这样可以节约端部用铜，降低了电机的制造成本。

本发明电机工作时，将转矩绕组5和悬浮力绕组4通入电流，转矩绕组5和悬浮力绕组4产生的磁场互相作用，将会产生不平衡磁场，并产生可控悬浮力。

参见图7，当电机转速未达到同步转速时，转矩磁场15主要有三部分组成：第一部分为永磁体13产生的磁场，电机中转矩磁场15主要就是由永磁体13产生的；第二部分为转矩绕组5产生的磁场，转矩绕组5通入电流后，转矩绕组5中的电流会产生极对数为2的磁场，这一部分的磁场称为电枢磁场；第三部分为转子鼠笼条12产生的磁场，由于电机转速未达到同步转速，转子铁心11上的鼠笼条12和电枢磁场之间存在相对运动，鼠笼条12内会产生感应电流，鼠笼条12内的感应电流又会产生磁场。

当电机转速未达到同步转速时，电机起动过程中的平均转矩主要包括异步转矩、磁阻转矩、制动转矩和附加转矩。其中异步转矩是转矩磁场15在鼠笼条12中产生的感应电流引起的，当转矩电流频率为f，转子转差率为s时，鼠笼条12内产生频率为sf的电流，其感应磁场和定子磁场的频率相同，从而产生异步转矩。磁阻转矩是由于转子磁路不对称，交直轴磁阻不同而产生的，当电机的凸极率较小时磁阻转矩较小可以忽略不计。永磁体13在定子中产生感应磁场，相当于一台永磁同步发电机，会产生制动转矩。

因本发明除了含转矩绕组5外还含有悬浮力绕组4，所以在转子转速未达到悬浮力磁场14的同步转速时，鼠笼条12中会产生悬浮力磁场14的感应电流。由于转矩绕组5极对数为2，悬浮力绕组4极对数为1，从而悬浮力磁场14的同步转速高于转矩磁场15的同步转速，在电机达到同步转速前，悬浮力磁场14会提供驱动性质的附加转矩，增大平均转矩，提高电机的起动性能。当电机工作于同步状态时，电枢磁场和鼠笼条12之间没有相对运动，鼠笼条12内不会产生感应电流，也不会产生感应磁场。

由图7中可以看出，悬浮力磁场14的极对数为1，主要由两部分组成，分别为定子上悬浮力绕组电流产生的磁场，和转子中鼠笼条12产生的极对数为1的感应磁场。悬浮力磁场14在上方气隙16处的磁通方向为由转子指向定子，在对面的下方气隙17处的磁通方向为由定子指向转子。转矩磁场15在上方气隙16处的磁通方向为由转子指向定子，在下方气隙17处的磁通方向也为由转子指向定子。悬浮力磁场14和转矩磁场15在上方气隙16处的磁通方向是相同的，两个磁场相互叠加，上方气隙16处的磁通密度得到增强；悬浮力磁场14和转矩磁场15在下方气隙17处的磁通方向是相反的，两个磁场相互削弱，下方气隙17处的磁通密度被减弱。这样就形成了不平衡磁场，上方气隙16处的磁通密度大于下方气隙17处的磁通密度，转子在不平衡磁场的作用下将会受到一个合力F的作用，这个合力由气隙磁通密度小的方向指向气隙磁通密度大的方向，其大小和气隙磁场的不平衡程度成正比，通过控制悬浮力磁场14的强弱，就能调节这个合力的大小，通过调节悬浮力磁场14的相位，就能调节这个合力的方向，这个合力就是悬浮力。通过控制悬浮力的大小和方向，就可以使转子悬浮于中心位置。

Claims (7)

1.一种异步起动的无轴承永磁同步电机，包括内部的转子和外部的定子铁心（10），其特征是：转子是由转子铁心（11）、永磁体（13）、鼠笼条（12）和转轴（9）构成的复合结构，正中间是转轴（9），转轴（9）外同轴固定套有转子铁心（11），转子铁心（11）在靠近其外边缘处沿圆周方向均匀开有32个封闭的转子槽，每个转子槽内固定嵌有一个与转子槽结构相同的鼠笼条（12），在鼠笼条（12）内侧的转子铁心（11）上沿圆周方向均匀开有4个相同的封闭的矩形槽，每个矩形槽中固定嵌有一个矩形的永磁体（13），4个永磁体（13）尺寸相同且成四个顶角不接触的正方体排布，相互面对面的其中两个永磁体（13）由内而外径向充磁，另外两个永磁体（13）由外而内径向充磁。

2.根据权利要求1所述的一种异步起动的无轴承永磁同步电机，其特征是：定子铁心（10）上沿圆周方向均匀开有24个定子槽，每定子槽内放置的是内层的悬浮力绕组（4）和外层的转矩绕组（5）。

3.根据权利要求1所述的一种异步起动的无轴承永磁同步电机，其特征是：

每个永磁体（13）的径向厚度为2m、宽度为33mm、轴向长度与转子铁心（11）轴向长度相同，在同一个径向截面上的每个永磁体（13）内边缘距离转轴（9）中心距离为21mm。

4.根据权利要求1所述的一种异步起动的无轴承永磁同步电机，其特征是：

鼠笼条（12）由外段的三角楔体（18）和内段的扇形体（19）连为一体组成，三角楔体（18）的外端尖端与转子铁心（11）外边缘的径向距离为0.4mm，三角楔体（18）的径向高度为0.8mm，三角楔体（18）的内端宽度与扇形体（19）的外端宽度相同，均是3.5mm，扇形体19的径向高度为4.6mm，扇形体（19）内端的最大宽度为2.8mm。

5.根据权利要求1所述的一种异步起动的无轴承永磁同步电机，其特征是：

悬浮力绕组（4）的极对数为1，每极每相槽数为4；转矩绕组（5）的极对数为2，每极每相槽数为2。

6.根据权利要求5所述的一种异步起动的无轴承永磁同步电机，其特征是：

悬浮力绕组（4）沿逆时针方向按A、Z、B、X、C、Y相排列，A相的接线是从A进线，从X出线，B相和C相的接线原理和A相相同， X、Y、Z相短接作为中性点，A、B、C相分别连接至一个三相逆变器的三个桥臂。

7.根据权利要求5所述的一种异步起动的无轴承永磁同步电机，其特征是：

转矩绕组（5）沿逆时针方向按A1、Z1、B1、X1、C1、Y1、A2、Z2、B2、X2、C2、Y2相排列，A相的接线从A1进线，从X1出线，再连接到A2，从A2进线，从X2出线， B相和C相的接线原理与A相的接线原理相同，X2、Y2、Z2相短接作为中性点，A1、B1、C1相分别连接至另一个三相逆变器的三个桥臂。