CN108173402A - 双偏心圆弧磁极结构的凸极同步电机 - Google Patents

双偏心圆弧磁极结构的凸极同步电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双偏心圆弧磁极结构的凸极同步电机，它包括电机轴、转子和定子，转子设置在定子内，转子绕电机轴转动；转子的各极面为圆弧面；所述极面圆弧由中间的大半径圆弧和两端的小半径圆弧组成，大半径圆弧和小半径圆弧的圆心均在第一射线L1上，小半径圆弧的圆心在电机轴轴心和极面圆弧顶点之间，大半径圆弧的圆心在电机轴轴心和小半径圆弧的圆心之间。通过双偏心圆弧磁极结构优化凸极同步电机的转子，不仅能减小凸极同步电机励磁磁场和电枢反应磁场的谐波，而且能有效解决合成磁场的不对称问题。

Description

双偏心圆弧磁极结构的凸极同步电机
技术领域
本发明涉及电机，特别是凸极同步电机。
背景技术
传统凸极同步电机(包括发电机和电动机)已经广泛应用于国民经济及国防各个领域。近年来，随着永磁材料、电力电子、电机优化设计等技术的发展，永磁电机具有的高功率密度、高效率、高功率因数、低转矩脉动和低振动噪声等优点越来越凸显，在农业、工业、军工以及航空航天等产品中得到很好的推广应用。永磁电机的发展应用有利于我国实现节能减排的目标、更好的研发高精尖产品。
目前，凸极同步电机由定子、转子、轴承和机座等组成，公知的凸极电机转子磁极结构通常有不偏心、单偏心圆弧、单偏心圆弧+直线以及正弦削极等。不同的转子磁极结构将影响电机的气隙磁场分布，气隙磁场分布直接影响到电机的性能。上述几种转子磁极结构的凸极同步电机励磁磁场和电枢反应磁场谐波较大，开槽效应利用用卡式系数等效后，优化后的空载气隙磁场总谐波畸变率大于5％，甚至10％以上，同时电机负载合成磁场还存在不对称的问题，因此给电机带来电压和电流谐波高、振动与噪声高、齿槽转矩和转矩脉动大、效率以及功率密度低等缺点，直接影响仪器设备的正常运行和使用寿命。
为了降低永磁同步电机的气隙磁场和运行电流的谐波成分，以充分挖掘永磁电机的效率潜力，最大限度提高电机的运行性能，近些年来，行业专家做了大量工作并取得很好的研究成果。如发明专利“一种正弦波电流自起动三相稀土永磁同步电动机(ZL200910063832.7)”，该专利所描述的电机转子磁极截面形状是单偏心圆弧+直线的结构形式，实践证明，采用该结构的电机获得了良好的正弦波电流，较大幅度提高了电机的效率。但是，这种结构形式仍然具有较大的提升空间，本发明就是针对这个问题进行了改进，并取得了很好的效果。
发明内容
本发明提供一种双偏心圆弧磁极结构的凸极同步电机，通过双偏心圆弧磁极结构优化凸极同步电机的转子，不仅能减小凸极同步电机励磁磁场和电枢反应磁场的谐波，而且能有效解决合成磁场的不对称问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双偏心圆弧磁极结构的凸极同步电机，它包括电机轴、转子和定子，转子设置在定子内，转子绕电机轴转动；转子的各极面为圆弧面；
在电机轴向投影上，各极面圆弧面的极面圆弧以该极面圆弧的第一射线L1为对称轴对称；所述第一射线L1为由电机轴轴心引出并通过该极面圆弧顶点的射线；
所述极面圆弧由中间的大半径圆弧和两端的小半径圆弧组成，大半径圆弧和小半径圆弧的圆心均在第一射线L1上，小半径圆弧的圆心在电机轴轴心和极面圆弧顶点之间，大半径圆弧的圆心在电机轴轴心和小半径圆弧的圆心之间。
上述方案中，所述第一射线L1与第二射线L2的夹角θm为
所述第二射线L2为由电机轴轴心引出并通过大半径圆弧和小半径圆弧交点的射线；
Rs为定子的内径；
OO1为电机轴轴心至大半径圆心的距离；
δmin为极面圆弧顶点至定子的最短距离；
δmid为大半径圆弧和小半径圆弧交点至定子的最短距离。
上述方案中，所述大半径圆弧的半径R1和小半径圆弧的半径R2比值为：
Rs为定子的内径；
OO1为电机轴轴心至大半径圆心的距离；
δmin为极面圆弧顶点至定子的最短距离；
δmid为大半径圆弧和小半径圆弧交点至定子的最短距离。
本发明凸极同步电机，它的转子磁极外表面采用三段圆弧结构(中间的大半径偏心圆弧和两端共心对称的小半径偏心圆弧)。
本发明通过改变最小气隙距离、圆弧圆心的位置和圆弧对应的弧度等参数来优化双偏心圆弧磁极结构的转子，使电机的励磁磁场和电枢反应磁场谐波最小，同时有效解决合成磁场的不对称问题，最终达到提升凸极同步电机性能指标的目的。
附图说明
图1为本发明实施例局部结构示意图
图2、3为现有单偏心圆弧+直线磁极电机的径向气隙磁密及其谐波分析图
图4、5为本发明实施例径向气隙磁密及其谐波分析图
图中：1-电机轴，2-转子，3-定子；4-励磁绕组。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1所示的本发明一种双偏心圆弧磁极结构的凸极同步电机，它包括电机轴1、转子2和定子3，转子2设置在定子3内，转子2绕电机轴1转动；转子2的各极面为圆弧面，各极面之间为励磁绕组4。
在电机轴向投影上，各极面圆弧面的极面圆弧以该极面圆弧的第一射线L1为对称轴对称；所述第一射线L1为由电机轴轴心O点引出并通过该极面圆弧顶点的射线；
所述极面圆弧由中间的大半径圆弧和两端的小半径圆弧组成，大半径圆弧的圆心O1和小半径圆弧的圆心O2均在第一射线L1上，小半径圆弧的圆心O2在电机轴轴心和极面圆弧顶点之间，大半径圆弧的圆心O1在电机轴轴心和小半径圆弧的圆心O2之间。
所述第一射线L1与第二射线L2的夹角θm为本实施例的夹角θm为24.2°。
所述第二射线L2为由电机轴轴心O点引出并通过大半径圆弧和小半径圆弧交点(B点或C点)的射线；
Rs为定子的内径；
OO1为电机轴轴心至大半径圆心的距离；
δmin为极面圆弧顶点至定子的最短距离；
δmid为大半径圆弧和小半径圆弧交点(B点或C点)至定子的最短距离。
所述大半径圆弧的半径R1和小半径圆弧的半径R2比值为：本发明的R1、R2分别为：95.2mm、84.2mm。
转子磁极内的绕组为有阻尼绕组或无阻尼绕组。
现有单偏心圆弧+直线磁极的凸极同步电机的气隙磁密和谐波分析如图2和图3所示，本发明实施例的气隙磁密和谐波分析如图4和图5所示，从图中看出：本发明双偏心圆弧磁极结构的凸极同步电机可以使电机的电压和电流谐波小、齿槽转矩和转矩脉动小、振动与噪声低、效率和功率密度高。在电磁以及机械性能方面,双偏心圆弧磁极结构的凸极电机将明显优于其他转子磁极结构的凸极同步电机。径向气隙磁密的总谐波畸变率(THD)可优化在1％以内。

Claims (4)

1.双偏心圆弧磁极结构的凸极同步电机，它包括电机轴、转子和定子，转子设置在定子内，转子绕电机轴转动；转子的各极面为圆弧面；其特征在于：
在电机轴向投影上，各极面圆弧面的极面圆弧以该极面圆弧的第一射线L1为对称轴对称；所述第一射线L1为由电机轴轴心引出并通过该极面圆弧顶点的射线；
所述极面圆弧由中间的大半径圆弧和两端的小半径圆弧组成，大半径圆弧和小半径圆弧的圆心均在第一射线L1上，小半径圆弧的圆心在电机轴轴心和极面圆弧顶点之间，大半径圆弧的圆心在电机轴轴心和小半径圆弧的圆心之间。
2.如权利要求1所述的凸极同步电机，其特征在于：所述第一射线L1与第二射线L2的夹角θm为
所述第二射线L2为由电机轴轴心引出并通过大半径圆弧和小半径圆弧交点的射线；
Rs为定子的内径；
OO1为电机轴轴心至大半径圆心的距离；
δmin为极面圆弧顶点至定子的最短距离；
δmid为大半径圆弧和小半径圆弧交点至定子的最短距离。
3.如权利要求1所述的凸极同步电机，其特征在于：大半径圆弧的半径R1和小半径圆弧的半径R2比值为：
Rs为定子的内径；
OO1为电机轴轴心至大半径圆心的距离；
δmin为极面圆弧顶点至定子的最短距离；
δmid为大半径圆弧和小半径圆弧交点至定子的最短距离。
4.如权利要求1或2所述的凸极同步电机，其特征在于：转子磁极内包括有阻尼绕组和无阻尼绕组。
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