CN108173403B - 一种变极扩速永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变极扩速永磁同步电机，包括定子及转子，定子包括定子铁芯和定子绕组，定子绕组用于提供多个极对数的磁场，转子包括转子铁芯和设置于转子铁芯上宽度不相等的磁极，磁极极性分为N极和S极，磁极极性间隔设置；转子用于提供极多个极对数的磁场，转子提供的每个磁场的磁势不同，且转子的极对数与定子的极对数一一对应；在变极扩速永磁同步电机工作时，定子绕组仅提供的一个极对数的磁场，定子绕组提供的磁场与转子提供的相同极对数的磁场耦合，且变极扩速永磁同步电机的额定转速越高，参与耦合的磁场谐波含量越低，使得在高速范围转子磁场减弱，降低反电动势，进而减小了弱磁电流，实现扩速的同时不降低电机性能。

Description

一种变极扩速永磁同步电机
技术领域
本发明属于永磁同步电机技术领域，更具体地，涉及一种变极扩速永磁同步电机。
背景技术
我国稀土资源丰富，稀土矿的储量为世界其他各国综合的4倍左右，稀土矿石和稀土永磁的产量都位居世界前列。同时，我国的稀土材料研究和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，充分发挥稀土资源的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机对我国有重要理论意义和实用价值。永磁电机和传统电机相比，结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；应用十分广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。在调速范围较宽的应用中如电动汽车电机、飞机起动发电机、电主轴机床电机等，要求电机能够在额定转速以上运行，而当电机达到某一转速时逆变器的输出电压达到了最大,这时要继续提高电机转速就需要减小电机气隙磁通,也就是需要弱磁运行。保持电压不变，控制磁通的减弱，以达到控制同步电机在基速以上运行的目的。然而在弱磁区间，随着转速的上升，效率逐渐减小；同时转速增大，反电势相应增大，为保持电压不变，弱磁电流也相应增大，使得电流甚至超过额定点电流，从而导致很大的温升。此外，电机的调速区间还受到逆变器的制约，想要增大调速区间往往需要增大逆变器的容量。这一系列因素导致在弱磁区间电机的性能大大降低，因此提高永磁电机在高速区间的效率有重要意义。
现有的多额定工作点稀土永磁电机，通过改变并联支路数的方法降低高速区间反电势，从而达到“不弱磁”的目的。如图1、2、3所示绕组连接方式，电机分为低速、中速、高速额定点。第一额定工作点绕组接线端1、2、3为外接三相引出线接线端，接线端1为A相，接线端2为B相，接线端3为C相，接线端4、5、6并接为星形中点，第二额定工作点绕组接线方法为：接线端1、8相并为A相，接线端2、10相并为B相，接线端3、12相并为C相，接线端7、4、9、5、11、6相并为星形中点，第三额定工作点绕组接线方法为：接线端1、8、14、16相并为A相，接线端2、10、18、20相并为B相，接线端24、22、12、3相并为C相，接线端13、15、7、4、17、19、9、5、21、23、11、6相并为星形中点。第一额定点的并联支路数为1，第二额定点的并联支路数为2，第三额定点的并联支路数为4.同一转速下三种不同连接方式对应的反电势分别是E，E/2，E/4，因此在“低速”，区间采用第一额定点连接方式，“中速”区间采用第二额定点连接方式，“高速”区间采用第三连接点连接方式可以有效降低反电势，从而达到“不弱磁”的目的。然而，现有的多额定工作点稀土永磁电机存在如下缺点：定工作点的个数受极槽配合的现在，几个额定转速跨度大；绕组连接复杂；所需开关多，可靠性低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于变极扩速的永磁同步电机，其目的在于解决解决现有调速永磁同步电机运行于高速时存在明显弱磁效应导致电机性能下降技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于变极扩速的永磁同步电机，包括：
定子及转子，定子包括定子铁芯和定子绕组，定子绕组用于提供多个极对数的磁场，转子包括转子铁芯和设置于转子铁芯上宽度不相等的磁极，磁极极性分为N极和S极，磁极极性间隔设置；转子用于提供极多个极对数的磁场，转子提供的每个磁场的磁势不同，且转子的极对数与定子的极对数一一对应；
在变极扩速永磁同步电机工作时，定子绕组仅提供的一个极对数的磁场，定子绕组提供的磁场与转子提供的相同极对数的磁场耦合，且变极扩速永磁同步电机的额定转速越高，参与耦合的磁场谐波含量越低。
优选地，转子提供的磁场的谐波含量越大，所述磁场对应的极对数越大。
优选地，定子绕组提供的极对数数量根据永磁同步电机额定工作点数量确定。
优选地，绕组节距根据不同极对数下定子绕组系数确定。
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：
1、本发明提供的变极扩速永磁同步电机，定子能够提供多个极对数的磁场，转子上设置有宽度不同的磁极，使得转子能够提供多个极对数的磁场，当电机运行时，定子仅提供一个极对数的磁场，多个转子磁场波单独工作，即仅存在一个由转子提供的磁场同定子提供的磁场耦合，且额定转速越高，参与耦合的转子磁场磁势越低，使得在高速范围转子磁场减弱，降低反电动势，进而减小了弱磁电流，实现扩速的同时不降低电机性能。
2、由转子提供的磁场磁势越低，其极对数越小，降低了电频率，逆变器的开关损耗减少，逆变器的效率提高。
附图说明
图1为现有的多额定工作点稀土永磁电机工作于第一额定点的绕组连接示意图；
图2为现有的多额定工作点稀土永磁电机工作于第二额定点的绕组连接示意图；
图3为现有的多额定工作点稀土永磁电机工作于第三额定点的绕组连接示意图；
图4为本发明提供的变极扩速永磁同步电机的转子结构示意图；
图5为本发明提供的变极扩速永磁同步电机的绕组结构示意图。
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。
针对现有的永磁电机在弱磁后性能下降的缺陷，本发明提出了一种变极扩速永磁电机，包括转子和定子，转子上布置有不等宽磁极，磁极分为N极和S极，N极和S极间隔布置在转子上，可以使得产生的磁场含有多个幅值较高的谐波磁场。通过设置各个磁极的宽度，使得转子永磁体同时产生多个极对数不同的磁场且不同极对数磁场的磁势不同。定子绕组为动态变极绕组，即在不同转速范围内定子绕组提供极对数不同。
通过定子绕组动态变极，使得定子绕组在不同转速范围内分别与不同极对数的转子磁场耦合，由于转子不同极对数磁势不同，在转速高的范围内选择磁势较低的转子磁场与定子绕组耦合，即最高额定转速下，参与耦合的转子磁场磁势最低，最低额定转速下，参与耦合的转子磁场磁势最高，从而降低绕组磁动势，减小弱磁电流，扩大运行范围。
本发明提出的特殊绕组连接的变极扩速永磁电机的结构主要由转轴、机壳、端盖等常规结构件，以及转子和定子组成。
转子结构如图4所示，包括转子铁芯1、N极永磁体2、S极永磁体3。转子铁芯1内部有中心轴孔4，N极永磁体2和S极永磁体3沿圆周交替分布在转子铁芯1外表面。且每个N极永磁体的宽度不相等，每个S极永磁体的宽度不相等，N极永磁体的宽度和S极永磁体的宽度不相等，通过改变永磁体宽度，产生多磁场谐波。
定子包括定子铁芯和定子绕组，其中，定子铁心可以为开口槽、闭口槽、半开口槽。定子绕组为变极绕组，即绕组引出多个出线端，出线端用接触器或者电力电子开关连接，在电机运行过程中切换开关动态改变绕组连接从而改变极对数。
以定子36槽2/4极绕组，2/4极谐波转子为例，可通过改变磁钢的宽度和个数使得转子磁场同时具有2极磁场和4极磁场，并使得4极磁场谐波含量是2极磁场谐波含量的2倍。定子绕组连接如图5所示，绕组上方的数字代表线圈号，当开关S1闭合S2断开时，绕组极数为4，当S1断开，S2闭合时，绕组极数为2。
通过开关变换使得永磁同步电机具有两个额定点，因转子2极谐波含量是4极谐波含量的一半，因此，在同一转速下分别接两套绕组，2极绕组的反电势约是4极绕组反电势的一半。把反电势较高的4极绕组定为第一额定点绕组连接方式，把反电势较小的2极绕组定为第二额定点绕组连接方式，转子转速由0逐渐增大时，此时开关状态为S1闭合S2断开，绕组提供极对数为4的磁场同转子4极谐波含量耦合。当逆变器一定时，所能提供的电机端电压一定，当速度逐渐增大直至超过第一额定点额定转速时开始弱磁，随着转速进一步升高，弱磁电流逐渐增大，效率逐渐减小，当转速升至2倍的第一额定转速时，切换开关S1断开，S2闭合，切换为2极绕组，由于同一转速下两极绕组的反电势约是4极绕组的一半，因此此时不需要弱磁，从而提高效率。由于在第二额定点转速为第一额定点的2倍，极数为第一额定点的1/2，因此两额定点的频率几乎相等，有效解决了普通电机弱磁运行随转速增加电频率上升，开关损耗和铁耗增加的问题。
由于本申请中定子为变极对数绕组，因此，在绕制定子绕组时，选择绕组节距时保证在不同极对数下绕定子绕组的绕组系数都达到较大值，进而实现电机转矩输出变大。
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 (4)

1.一种变极扩速永磁同步电机，其特征在于，包括：定子及转子，定子包括定子铁芯和定子绕组，定子绕组用于提供多个极对数的磁场，转子包括转子铁芯和设置于转子铁芯上宽度不相等的磁极，磁极极性分为N极和S极，磁极极性间隔设置；转子用于提供多个极对数的磁场，转子提供的每个磁场的磁势不同，且转子的极对数与定子的极对数一一对应；
在变极扩速永磁同步电机工作时，定子绕组仅提供的一个极对数的磁场，定子绕组提供的磁场与转子提供的相同极对数的磁场耦合，且变极扩速永磁同步电机的额定转速越高，参与耦合的磁场谐波含量越低。
2.如权利要求1所述的变极扩速永磁同步电机，其特征在于，转子提供的磁场的谐波含量越大，所述磁场对应的极对数越大。
3.如权利要求1或2所述的变极扩速永磁同步电机，其特征在于，定子绕组提供的极对数数量根据永磁同步电机额定工作点数量确定。
4.如权利要求1或2任一项所述的变极扩速永磁同步电机，其特征在于，绕组节距根据不同极对数下定子绕组系数确定。
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