CN108306473B - 一种异步起动永磁同步电机绕组的设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种异步起动永磁同步电机绕组的设置方法，包括：控制电机起动时定子绕组的匝数低于电机稳态运行时定子绕组的匝数，从而使电机在起动时，具有较大的电机起动转矩和牵入转矩，以及使电机达到稳态时，具有较高的反电势，保证电机的工作效率高，定子绕组的匝数可变。本发明提供的电机采用降匝数起动，异步转矩提高，提高起动转矩和牵入转矩。本发明电机采用变极起动，因此永磁制动转矩被消除，有助于提高起动性能。本发明可以兼顾异步起动永磁同步电机的起动与稳态性能。

Description

一种异步起动永磁同步电机绕组的设置方法

技术领域

本发明涉及异步起动电机技术领域，更具体地，涉及一种异步起动永磁同步电机绕组的设置方法。

背景技术

电动机广泛应用于工业领域，电机系统占工业用电量的比重达60％之多，提高电机系统的能效水平对于能源节约和环境保护具有重要意义。与传统的异步电机相比，异步起动永磁同步电机(也称为自启动永磁同步电机)具有体积小、重量轻、在较宽负载范围内效率高、功率因数高等优点。异步起动永磁电机工作状态可以分为两个状态：异步起动与同步稳态运行。

然而在异步起动永磁同步电机中，由于起动过程存在发电制动转矩，导致起动过程中转矩曲线下凹，降低了其起动能力；存在很大的波动转矩，降低了起动过程中的最大载荷，且对负载有较大冲击；这两者均会造成电机起动能力下降，限制了异步起动永磁同步电机的应用。异步起动永磁电机起动性能主要包括起动电流、起动转矩及牵入同步能力。在异步起动永磁电机的设计中，良好的起动性能和高效的稳态性能往往是矛盾的，因此，在保证稳态性能的同时提高起动转矩、降低起动电流是其面临的最主要的问题。

异步起动同步运行永磁电机工作时，先异步起动然后牵入同步运行，但是，这种工作状况实际上是两台电机的工作状况，起动时必须设计起动合成转矩大于实际从动机械的瞬间起动转矩，而当由异步起动牵入同步转速点时的牵入转矩应大于实际驱动转矩，牵入同步工作后应满足工作状况下的高效率，则稳态状况所要求的高效性能和起动性能所要求大扭矩对设计人员而言是相互矛盾的两个对立面，要保证起动性能的大扭矩须采用低匝数大线径用以增加起动牵入转矩，当进入稳态永磁同步工作后有需要绕组匝数大于相应于起动时满足大起动转矩和牵入转矩所对应要求的绕组匝数，这样可获得较高的反电动势，以达到运行时的单位转矩所对应的电流最小，进而，实现效率提升的目的。

而现有异步起动永磁电机，两个工作状态下绕组匝数固定，使得起动与稳态性能很难兼顾。这种问题制约着异步起动永磁同步电动机的发展和实际应用的推广，目前只能采用降低运行效率以提高牵入转矩的方法进行应用设计及实际使用。

现有专利CN02243836.X提供的一种异步起动永磁同步电机，在这个专利中，在永磁体之间增加了气隙，增大了d轴电感，减小了凸极比，从而减小了永磁制动转矩，提高了起动转矩，其中复合转子的使用，外铁心用硅钢片，内铁心用低碳钢，与实心转子相比，减小了高次谐波损耗，提高电机效率。其截面图如图1所示，其中1为转子外铁心，用硅钢片叠压而成、2外铝导条、3为转子内铁心，用低碳钢制成、4为无磁不锈钢换、5为机轴、6为闭口气隙槽、7为永磁体。但是这种电机的转子由两种材料复合而成工艺复杂；永磁制动转矩仍然很大；不能解决电网电压不稳定，电机不能正常工作的问题。

此外，若电网电压不稳定，尤其是电压降较大时，一方面起动转矩降低，起动性能变差；此外，也会造成因反电势与供电电压不匹配带来的稳态运行性能降低的问题。如何解决异步起动永磁同步电动机在工作过程中既能满足起动切换时的大转矩要求，又能达到运行工作中的高效目的且如何能保证电网电压降较大时异步起动永磁同步电动机能正常工作是目前该领域应要解决的一系列技术问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有异步起动永磁电机，两个工作状态下绕组匝数固定，很难兼顾起动与稳态性能的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种异步起动永磁同步电机绕组的设置方法，包括：控制电机起动时定子绕组的匝数低于电机稳态运行时定子绕组的匝数，从而使电机在起动时，具有较大的电机起动转矩和牵入转矩，以及使电机达到稳态时，具有较高的反电势，保证电机的工作效率高，所述定子绕组的匝数可变。

可选地，在电机起动阶段控制定子绕组的极对数为少极对数，以消除制动转矩提高电机起动性能，当电机在牵入同步阶段时所述定子绕组通过变极使其极对数变为稳态运行时的多极对数，所述定子绕组的极对数可变。

可选地，对于实际工况工作电压不稳定，电网电压较低的工况，则选用较小的定子绕组匝数起动以保证电机的正常运行；当电网电压较低时，电机牵入同步后也可以保持定子绕组少匝数运行从而和电网电压匹配，使电机能正常工作。

可选地，所述定子绕组包括第一定子绕组和第二定子绕组；所述第一定子绕组和第二定子绕组的匝数线圈的排布一样，但匝数不同，所述第一定子绕组的匝数小于第二定子绕组的匝数，第一定子绕组和第二定子绕组均包括多相绕组，第一定子绕组包括的多相绕组有一公共接点；所述第一定子绕组的一端接所述公共接点，另一端接第二定子绕组的一端；电机起动时，电机电源接第一定子绕组的另一端，使得第一定子绕组接入电机，第二定子绕组被断开；电机稳态运行时，电机电源接第二定子绕组的另一端，使得第一定子绕组和第二定子绕组串联接入电机。

可选地，当定子绕组的极对数可变时，在电机起动阶段第一定子绕组的极对数为起动时的少极对数，当电机在牵入同步阶段时第一定子绕组通过变极使其极对数变为稳态运行时的多极对数。

可选地，所述第一定子绕组中各相绕组与一个第一开关并联，且各相绕组接近电机电源的一端通过另一个第一开关连接所述公共接点；所述第一定子绕组中各相绕组的两端各接一个第二开关，通过两端的第二开关分别与第二定子绕组的一端和所述公共接点连接，与各相绕组并联的第一开关仅将接近电机电源的一端的第二开关一并并联；电机起动时，第一开关闭合，第二开关断开，第一定子绕组的极对数为1；电机在牵入同步时，第一开关断开，第二开关闭合，第一定子绕组的极对数为2。

可选地，转子铁心的形状可以为一字形、V字形、W形或spoke形转子。

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，具有以下有益效果：

本发明提供的电机定子绕组设置方法采用变极起动，因此永磁制动转矩被消除，有助于提高起动性能。

本发明提供的电机定子绕组设置方法采用降匝数起动，异步转矩提高，提高起动转矩和牵入转矩。

本发明提供的电机采用可变的定子绕组匝数，可兼顾起动与稳态性能，同时可以解决电压不稳定下电机不能正常工作的问题。

附图说明

图1为现有电机截面示意图；

图2为本发明提供电机的横截面示意图；

图3为本发明提供电机绕组连接示意图；

图4为本发明提供36槽定子4极电机绕组接线示意图；

图5为本发明提供36槽定子4极电机接线示意图。

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。

本发明提出了一种异步起动永磁电机定子绕组的设置方法，其目的在于通过改变起动时定子绕组的匝数，使其低于稳态运行时定子绕组匝数，从而增大起动转矩和牵入转矩；当电机达到稳态时，增加绕组匝数，使得其具有较高的反电势，这时电机的工作效率高。对于实际工况工作电压不稳定，电网电压变量较低的工况则选用较小的匝数起动以保证异步启动永磁同步电动机的正常运行。当电网电压较低时，电机牵入同步后也可以保持少匝数运行从而和电网电压匹配，使电机能正常工作。

本发明通过减小匝数来提高起动性能，解决电网波动下电机不能正常工作的问题，但会导致较大的起动电流。

针对这一问题，本发明提出了可以通过变极数也变匝数的方法来减小起动电流，变极数起动使起动时定转子极对数不相等，可以完全消除制动转矩，进而起到了提升起动转矩的功能，同时，定转子极数不等可以有效减弱起动过程中永磁体对励磁电感降低作用，进而进一步起动电流。

采用变极变匝数方案，两套绕组通过接触器连接，起动时，切除一部分绕组，使定子绕组的匝数减少，同时采用少极变极，消除制动转矩提高起动性能；当转子转速升至同步速附近时，切换开关，将极对数切换为稳态极对数，并将另一部分绕组接入，使得匝数增加，反电势增加，从而和稳态时相匹配。电机的转子铁心部分与现有异步起动永磁电机的结构一样，为普通一字形、V字形、W形、spoke形转子，其冲片无需特殊设计，可以采用现有的冲片。

图2为本发明提供电机的横截面示意图，如图2所示，该结构主要由转轴、机壳、端盖等常规结构件(未在图2中示出)，以及定子铁心21、转子铁心22、定子X绕组23、定子Y绕组24、转子鼠笼25以及转子永磁体26。

其中，定子铁心21、转子铁心22用于构成磁通路径并嵌放电枢绕组、鼠笼和永磁体。定子X绕组23、定子Y绕组24用于产生不同大小的反电势。转子鼠笼25用于与定子磁场作用，产生起动转矩。转子永磁体26用于稳态时和电枢磁场作用，产生稳定的转矩。转轴、机壳、端盖等结构件可以采用常规电机已有的结构，无需特殊设计，定子和转子冲片与普通异步起动永磁同步电机的冲片一样，无需重新设计模具，整个W形转子电机的横截面图如图2所示。整体结构非常简单，加工制造采用现有工艺就可完成，无需购买额外设备。

X绕组和Y绕组的连接方式如图3所示，a为X绕组A相头，O为X绕组A相尾；b为X绕组B相头，O为X绕组B相尾，c为X绕组C相头，O为X绕组C相尾，O为公共接点，e为Y绕组A相头，h为Y绕组A相尾，f为Y绕组B相头，i为Y绕组B相尾，g为Y绕组C相头，j为Y绕组C相尾，a、b、c、O组成X绕组，e、f、g、h、i、j组成Y绕组a、b、c为X绕组星形A、B、C三相出线头，e、f、g、h、i、j为Y绕组三相A、B、C出线头。X绕组的a、b、c分别与Y绕组的h、i、j相连；X和Y两套绕组线圈的排布完全一样，但匝数不同；起动时ABC三相电源分别接X绕组的a、b、c接线端，Y绕组被断开，当转速到达同步速附近时，ABC三相电源与a、b、c断开，分别接Y绕组的e、f、g接线端。

当同时采用变极变匝数起动时，在电机起动阶段X绕组的极对数为起动时的少极对数，当电机在牵入同步阶段时X绕组通过变极使其极对数变为稳态运行时的多极对数。

现以定子36槽，稳态运行时极对数为2，起动时极对数为1的变极变匝数异步起动永磁同步电机为例，详细说明起动和稳态时各阶段绕组的连接。本方案所提出的发明方案包括但不限于该情况，该情况仅用于详细说明绕组的连接方式。

如图4所示，1、2、3、4、5、6号线圈属于X绕组1’、2’、3’、4’、5’、6’号线圈属于绕组，线圈节距、连接方式完全相同，匝数不同，其余7～36号线圈命名方式与上述相同。起动时；S1闭合，S2断开，X绕组的极对数为1，ABC三相电源分别与1、25、13号线圈相连；迁入同步时，S1断开，S2闭合，X绕组的极对数为2，ABC三相电源与1、25、13号线圈断开，与1’、13’、25’号线圈相连。其接线图如图5所示。

另外，起动/稳态极数组合可以为2/4，4/6，4/8，6/8，6/10，8/10等，但不限于以上方案。

作为进一步优选地，定子槽中的X绕组和Y绕组之间应该用相间绝缘隔开。

作为进一步优选地，下线时，应先放置Y绕组，在放置X绕组。

作为进一步优选地，所述用于变匝数变极异步起动永磁电机的定转子冲片选用尽可能薄的硅钢片作为其材料，以减小铁耗。

作为进一步优选地，X绕组的匝数为Y绕组匝数的1.5～4倍。

本发明采用变极变匝数的起动方式，在起动时极数少匝数少，稳态运行时匝数多极数多；在起动过程中通过离心开关和接触器控制绕组的连接方式。

需要说明的是，基于本发明的原理通过变匝数起动，以及变极数起动的绕组连接方式均应属于本发明的保护范围。

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 (6)

1.一种异步起动永磁同步电机绕组的设置方法，其特征在于，包括：

控制电机起动时定子绕组的匝数低于电机稳态运行时定子绕组的匝数，从而使电机在起动时，具有较大的电机起动转矩和牵入转矩，以及使电机达到稳态时，具有较高的反电势，保证电机的工作效率高，所述定子绕组的匝数可变；

在电机起动阶段控制定子绕组的极对数为少极对数，以消除制动转矩提高电机起动性能，当电机在牵入同步阶段时所述定子绕组通过变极使其极对数变为稳态运行时的多极对数，所述定子绕组，其绕组的极对数可变。

2.根据权利要求1所述的异步起动永磁同步电机绕组的设置方法，其特征在于，对于实际工况工作电压不稳定，电网电压较低的工况，则选用较小的定子绕组匝数起动以保证电机的正常运行；

当电网电压较低时，电机牵入同步后也可以保持定子绕组少匝数运行从而和电网电压匹配，使电机能正常工作。

3.根据权利要求1或2所述的异步起动永磁同步电机绕组的设置方法，其特征在于，所述定子绕组包括第一定子绕组和第二定子绕组；

所述第一定子绕组和第二定子绕组的匝数线圈的排布一样，但匝数不同，所述第一定子绕组的匝数小于第二定子绕组的匝数，第一定子绕组和第二定子绕组均包括多相绕组，第一定子绕组包括的多相绕组有一公共接点；

所述第一定子绕组的一端接所述公共接点，另一端接第二定子绕组的一端；

电机起动时，电机电源接第一定子绕组的另一端，使得第一定子绕组接入电机，第二定子绕组被断开；

电机稳态运行时，电机电源接第二定子绕组的另一端，使得第一定子绕组和第二定子绕组串联接入电机。

4.根据权利要求3所述的异步起动永磁同步电机绕组的设置方法，其特征在于，当定子绕组的极对数可变时，在电机起动阶段第一定子绕组的极对数为起动时的少极对数，当电机在牵入同步阶段时第一定子绕组通过变极使其极对数变为稳态运行时的多极对数。

5.根据权利要求4所述的异步起动永磁同步电机绕组的设置方法，其特征在于，所述第一定子绕组中各相绕组与一个第一开关并联，且各相绕组接近电机电源的一端通过另一个第一开关连接所述公共接点；

所述第一定子绕组中各相绕组的两端各接一个第二开关，通过两端的第二开关分别与第二定子绕组的一端和所述公共接点连接，与各相绕组并联的第一开关仅将接近电机电源的一端的第二开关一并并联；

电机起动时，第一开关闭合，第二开关断开，第一定子绕组的极对数为1；电机在牵入同步时，第一开关断开，第二开关闭合，第一定子绕组的极对数为2。

6.根据权利要求1或2所述的异步起动永磁同步电机绕组的设置方法，其特征在于，转子铁心的形状可以为一字形、V字形、W形或spoke形转子。