CN108599496B - 双定子永磁异步电动机及其调速控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于永磁电机领域，具体涉及一种双定子永磁异步电动机及其调速控制电路。包括机座、极靴、永磁体、定子绕组以组合转子；所述的机座是其内部分别压装定子铁芯且用支扣保证同心及螺栓紧固为对合的一体，在其与两边定子铁芯的中间空位中对称装设横截面是工字形极靴，并用螺栓将弯曲形极靴的底面对称紧固于对合机座的中间部位，在弧形极靴的上面用高聚物粘结圆弧形的永磁体；两定子线圈的端部伸于极靴的凹形中；组合转子是贯穿在两个定子铁芯与中间永磁体的圆形叠片的组合结构，利用两端盖及其轴承构成旋转结构，并由一体的转子导条及两端的端环形成笼型导电回路。本发明具有结构及控制电路较简单及节能效果较大的优点。
Description
技术领域
本发明属于永磁电机领域，具体涉及一种双定子永磁异步电动机及其调速控制电路。
背景技术
永磁直流电动机的定子磁极为永磁体，气隙磁场由永磁与转子磁势合成建立，利用载流导体在磁场中产生力而工作。永磁同步电动机是永磁体替代励磁绕组，并在转子中放置起动绕组，永磁体的磁场以n=（1-S）n1旋转，当转子接近定子磁场的转速时，笼形转子的电流为零而进入同步状态。Zl20151100118690的一种异步启动永磁同步电动机和异步电机改造方法，是在转子叠片上设置有四个横截面为矩形的通槽，磁钢的磁场与定子绕组的旋转磁场相互作用，利用起动时铜条感应出的大电流完成负载启动。但其既设永磁体又设导电条不仅结构较复杂，还有调速须用变频器的不足。ZL2006I00415753的定子永磁式双凸极容错电机，是定子由山字形铁芯和八个绕有线圈的永磁体组合成整体。永磁体切向磁化并按SS、NN形式两两相对分布，径向相对的两极绕组串联成一相而成四相容错结构，但其四相电源及调速所需的专用设备也存在不足。
ZL2014100973646的一种双异步电机组合调速及连接电路，是将两个鼠笼转子的导电条相互联接成串联星形接线，同相两定子绕组的首端分别相联而成六个绕组的组合接线，可利用串联转子合成电势的变化进行50%-100%额定转速的调节，但其效率较低的问题仍然存在。值得注意的是：双定子结构使其两定子之间为端部线圈的排布形成了较大的闲置空间，若用永磁体对其中的笼形转子进行电磁功率传递，并用转动惯性能使其在异步旋转中的功率有所提高，或许用此在电机节能方面能形成新的技术。
发明内容
本发明为了在双定子曲折移相调速技术的基础上，配设永磁体对串联转子进行磁场能量的叠加并提高电机效率，提供双定子永磁异步电动机及其调速控制电路。
本发明采取以下技术方案：一种双定子永磁异步电动机及其调速控制电路，包括对合为一体且在其内膛分别压装有定子铁芯的机座、对称装设在两定子铁芯空隙间的极靴、在弯曲工字钢制的极靴上面配设的永磁体、嵌放于定子线槽中的两组定子绕组以及贯穿于两个定子铁芯与内圆弧永磁体中央的组合转子；所述的机座是其内部分别压装定子铁芯且用支扣保证同心及螺栓紧固为对合的一体，在其与两边定子铁芯的中间空位中对称装设横截面是工字形极靴，并用螺栓将弯曲形极靴的底面对称紧固于对合机座的中间部位，在弧形极靴的上面用高聚物粘结圆弧形的永磁体；两定子线圈的端部伸于极靴的凹形中；组合转子是贯穿在两个定子铁芯与中间永磁体的圆形叠片的组合结构，利用两端盖及其轴承构成旋转结构，并由一体的转子导条及两端的端环形成笼型导电回路。
进一步的，两定子铁芯的中间空位与定子铁芯长度比为1:3～3:3之间。
进一步的，永磁体径向充磁，并以N、S极交错排列，永磁体的内圆弧面与转子表面间隔0.5-3mm的空隙，永磁体的垂直两侧边与两定子铁芯外边要留有25-60mm间隙。
进一步的，极靴是用碳钢或电工纯铁制成横截面为工字型的弯曲型体，其内圆弧面与永磁体外圆弧面的长、宽尺寸相同，并用粘结剂粘合为一体，还用螺栓将极靴外圆弧面与机座紧固为一体。
进一步的，组合转子是总长度为两个定子铁心与中间空隙长度之和，组合转子是用两个端盘同贯穿于圆形叠片铁芯之中的铜条或铝条焊联成加长的笼形结构。
进一步的，两组定子绕组包括第一组三相绕组Wa1、Wb1、Wc1和第二组三相绕组Wa2、Wb2、Wc2，按照两首端依次相连方式将Wc2与Wa1，Wb2与Wc1，Wa2与Wb1联接而对应引出A2、C2、B2三个电源端，再按两末端相连方式将Wc2与Wb1，Wa2与Wc1，Wb2与Wa2分别联接而对应引出a0、b0、c0三个调节端，整体为：A2——Wc2——a0——Wb1——B2——Wa2——b0——Wc1——C2——Wb2——C0——Wa1——A2，A2、B2、C2三个电源端联接至三相交流开关K1，K1另一侧联接至三相电源端，三个调节端a0、b0、c0联接三只电容器C01、C02、C03构成的电容器组；在A2与b0，B2与C0，C2与a0三对端点间依次联接至D1-D4、D5-D8、D9-D12整流桥的桥臂上，并分别在整流桥直流输出的正负两端以正端接正极方式联接一只绝缘栅双极晶体管。
进一步的，电容器组包括电容器C01、C02和C03，C01、C02和C03联接成三角形接线，电容器组的总容量等于电机总功率值的10%-30%。
本发明的工作原理是：依据异步电动机的理想空载转速正比于电磁功率而反比于转矩，其电磁功率取决于定子磁通与转子电流乘积的基本公式，利用两定子绕组能在控制中发生相量转移的条件，控制串联转子绕组合成电势相量的变化，进而达到简易调节电机转速的目的；贯穿于第一、第二定子铁芯中的笼型转子，其导电条的合成电势受控于两定子绕组的合成磁势，在两定子绕组分别转移π/3相角的调节中，转子合成电势对应变化，使得理想空载转速在25%~100%额定转速范围内能够便捷地进行调节；同相两绕组间隔两个不同相绕组的闭环联接方式，在调节器未投入时是两两串联的三角形的电路，同相两绕组的电流相差2/3π电角度且承受1/2电压值，对应转子绕组（串联）的感应电势仅为全速运转时的1/4，电机转速低于25%额定转速；三个调节器在PWM控制中，A2与b0、B2与C0、C2与a0三对接线端的交流电压值从初始的√3/2线电压逐渐向零值变化时，同相两定子绕组的电压相位接近相同，对应的串联转子导条的合成电势相量也升高；调节器采用的PWM控制方式，是用频率为2-8KHZ的三角形载波频率，与直流控制信号进行比较取出频率不变而脉宽变化的控制信号，使得三个可关断元件以恒频调宽方式工作；三只电容器联接于三个调节端，一方面能对电机感性绕组的无功电流进行无功补偿，另一方面用其储能作用配合快速通断的IGBT进行续流，为关断瞬间的感性电流提供通路而抑制过电压。
永磁体的增磁原理是：在两侧定子绕组分别产生频率为f（工频）的旋转磁势和转子以（1-s）f频率的运转中，转子导条中对应的感应电势频率为sf而产生异步转矩;在两定子铁芯空隙之间设置的与定子绕组极数相同的圆弧形永磁体，其内圆弧面对转子形成恒定的直流磁场，并利用与之配合的磁极靴及其机座构成磁回路，进而在电机气隙中形成较强的直流磁通；在基础的转矩及惯性作用下，直流磁场对转子导条进行连续的切割，一方面要产生垂直于运动方向的感应电势，另一方面在转子电流的作用中要产生反方向的转矩，二者平衡后产生增速及转差率s减小的倾向；参考无刷双馈电动机的不同频率的旋转磁场，在稳定运行的的转速趋向于两频率之和的原理，若在直流磁场作用下产生的（1-s）f的转子电势自然要产生转速升高的趋势；在转子转动惯量借助中间直流磁场产生电势与转矩中的联合作用中，自然在异步运转中产生两定子绕组提供的电流减小的作用，从而达到电磁功率及效率双增加的目的。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：两定子绕组的组合接线宜于用简易的三个调节器进行绕一的调压控制，在其同相两绕组分别产生π/3相角的转移中，使得组合电机的转速能平滑地在25%~100%额定转速范围内以非变频方式变化；联接于调节端的三相电容器组，既能提高功率因数，又能利用其储能作用抑制调节器瞬间断流时产生过电压；在两定子铁芯之间为排放端部线圈预留出位置，恰好能用于装设永磁体与极靴，这种与定子极数相同的永磁体所产生的磁场，对转动且有电流的导条通过增加电势与增加电磁转短并利用转动惯量，使得电机的输出功率提高5%以上，具有结构及控制电路较简单及节能效果较大的优点。
附图说明
图1为双定子永磁异步电动机结构示意图；
图2为永磁体与极靴配合示意图；
图3为双定子绕组接线及控制电路图；
附图标记:1—基座；2—端盖；3—定子铁心；4—极靴；5—永磁体；6—定子绕组；7—转子铁心；8—转子导条；9—转轴；10—底座；11—轴承。
具体实施方式
如图1、2所示，一种双定子永磁异步电动机及其调速控制电路，包括对合为一体且在其内膛分别压装有定子铁芯3的机座1、对称装设在两定子铁芯3空隙间的极靴4、在弯曲工字钢制的极靴4上面配设的永磁体5、嵌放于定子线槽中的两组定子绕组6以及贯穿于两个定子铁芯3与内圆弧永磁体5中央的组合转子7；所述的机座1是其内部分别压装定子铁芯3且用支扣保证同心及螺栓紧固为对合的一体，在其与两边定子铁芯的中间空位中对称装设横截面是工字形极靴4，并用螺栓将弯曲形极靴4的底面对称紧固于对合机座1的中间部位，在弧形极靴4的上面用高聚物粘结圆弧形的永磁体5；两定子线圈的端部伸于极靴4的凹形中；组合转子7是贯穿在两个定子铁芯3与中间永磁体5的圆形叠片的组合结构，利用两端盖2及其轴承构成旋转结构，并由一体的转子导条8及两端的端环形成笼型导电回路。定子铁芯长宽比为1-3:3。
永磁体5径向充磁，并以N、S极交错排列，永磁体5的内圆弧面与转子表面间隔0.5-3mm的空隙，永磁体5的垂直两侧边与两定子铁芯3外边要留有25-60mm间隙。
极靴4是用碳钢或电工纯铁制成横截面为工字型的弯曲型体，其内圆弧面与永磁体外圆弧面的长、宽尺寸相同，并用粘结剂粘合为一体，还用螺栓将极靴外圆弧面与机座紧固为一体。
组合转子7是总长度为两个定子铁心与中间空隙长度之和，组合转子7是用两个端盘同贯穿于圆形叠片铁芯之中的铜条或铝条焊联成加长的笼形结构。
如图3所示，两组定子绕组6包括第一组三相绕组Wa1、Wb1、Wc1和第二组三相绕组Wa2、Wb2、Wc2，按照两首端依次相连方式将Wc2与Wa1，Wb2与Wc1，Wa2与Wb1联接而对应引出A2、C2、B2三个电源端，再按两末端相连方式将Wc2与Wb1，Wa2与Wc1，Wb2与Wa2分别联接而对应引出a0、b0、c0三个调节端，整体为：A2——Wc2——a0——Wb1——B2——Wa2——b0——Wc1——C2——Wb2——C0——Wa1——A2，A2、B2、C2三个电源端联接至三相交流开关K1，K1另一侧联接至三相电源端，三个调节端a0、b0、c0联接三只电容器C01、C02、C03构成的电容器组；在A2与b0，B2与C0，C2与a0三对端点间依次联接至D1-D4、D5-D8、D9-D12整流桥的桥臂上，并分别在整流桥直流输出的正负两端以正端接正极方式联接一只绝缘栅双极晶体管。
电容器组包括电容器C01、C02和C03，C01、C02和C03联接成三角形接线，电容器组的总容量等于电机总功率值的10%-30%。
实施例1：
双定子与组合转子电机的基本结构为：在分别压装定子铁心并用凹凸支扣对合为一体且同心的机座，预留出与定子铁心轴向长度比例为1:3的空腔中，对称装设与电机极数相同的4个永磁体组，其下部的极靴采用横截面是工字形的圆弧形体，其内弧形面与同样弧形的永磁体背面保持接近同等 面积，并用环氧树脂胶将两者粘结成一体，极靴的外弧面利用两侧的4个螺孔及螺栓紧固在机座对应的螺孔中，弧形永磁体与两边定子铁心（垂直面）保持30-50mm间隙，用此对线圈端部进行修整，线圈端部伸进工字形极靴的凹槽中；转子叠片铁芯的两个端边与定子铁心的外端边对齐，其转子铁心的中间段与外围永磁体的内弧面保持3mm的间隙，并将通身的铜导条与两端边铜环焊联成笼型结构，从而依托两端边的轴承及端盖徊转于定子铁心的空腔中。
三个单相调节器的整流桥臂，具体如D1-D4、D5-D8、D9-D12、依次联接在A2与b0、B2与C0、C2与a0三对接线端之间，并在整流桥的直流两端以正极接正端方式依次（顺向）联接绝缘栅双极晶体管T1、T2、T3，随其PWM控制导通角度的增大，其整流桥臂的两交流输入端的电压值逐渐降低至零，对应的两定子绕组接近于进入并联联接方式，在全电压下使得组合电机进入4极额定异步转速，并以较高的功率因数与较高的传输效率产生节能效果。
实施例2：
在定子铁心与排布永磁体的空间按2-3:1长度（轴向）比例配置时，瓦形永磁体与两侧定子铁心保留60mm的间隙。本例的六极绕组对应的六组永磁组合体，依次间隔60度对称排列，内弧形面的磁极（径向充磁）依照N-S-N-S-N-S的交错规律进行排布，并且其内弧面与转子保持0.5mm的均匀间隙，转子导条能受到均匀直流磁场的切割而产生频率为（1-S）f的感应电势；横截面为长方形的永磁体内弧面正对转子铁心表面，外弧面与极靴内弧面紧密接触，并以前者略大于后者的面积用高聚物粘结成一体，其基本结构与大型直流电动机的磁极相似，弧形面（瓦形）的永磁体，在电机功率为90KW左右时，可选择永磁体厚度为45mm，选择钕铁硼N42稀土永磁材料制作，并在较大体积时，可垂直钻孔与粘结为一体的极靴用铜制螺栓二次加固；极靴是用电工纯铁制成横截面为工字形的弯曲弧形体，用其衬垫并加固在机壳（座）与弧形永磁体之间，利用导磁作用使永磁体的磁力线经极靴与机座而与相邻的异极永磁体及转子铁芯形成磁力线回路。
组合笼形转子是用导条将对应两个定子铁心下的两个转子及其导条以同电势方向串联为一体，具体用W11与W21、W12与W22、W1n与W2n分别串联方式来代表若干导条的联接方式。因为永磁体对转动的导条势必要依据左手定则感应出的电势，组合转子的导条还受两定子绕组合成磁势的感应，前者产生的转矩只能对后者形成配合作用。在两定子绕组的电势（压）相量从最初的相差2/3π相角而向同相位的转移中，对应组合转子的合成磁势也逐步增大，由此理想电势的升高促使电机逐渐升速到额定转速。对应此过程，对应永磁体直流磁场，相应转子中产生的频率为（1-S）f的感应电势也逐渐升高，由此永磁体提供的直流磁场使得两定子绕组提供的电流对应减少，而且联接于三个调节器的电容器也较大地负担了无功能量的补偿。
Claims (3)
1.一种双定子永磁异步电动机及其调速控制电路，其特征在于：包括对合为一体且在其内膛分别压装有定子铁芯（3）的机座（1）、对称装设在两定子铁芯（3）空隙间的极靴（4）、在弯曲工字钢制的极靴（4）上面配设的永磁体（5）、嵌放于定子线槽中的两组定子绕组（6）以及贯穿于两个定子铁芯（3）与内圆弧永磁体（5）中央的组合转子（7）；所述的机座（1）是其内部分别压装定子铁芯（3）且用支扣保证同心及螺栓紧固为对合的一体，在其与两边定子铁芯的中间空位中对称装设横截面是工字形极靴（4），并用螺栓将弯曲形极靴（4）的底面对称紧固于对合机座（1）的中间部位，在弧形极靴（4）的上面用高聚物粘结圆弧形的永磁体（5）；两定子线圈的端部伸于极靴（4）的凹形中；组合转子（7）是贯穿在两个定子铁芯（3）与中间永磁体（5）的圆形叠片的组合结构，利用两端盖（2）及其轴承构成旋转结构，并由一体的转子导条（8）及两端的端环形成笼型导电回路；所述的两定子铁芯的中间空位与定子铁芯长度比为1:3～3:3之间；所述的永磁体（5）径向充磁，并以N、S极交错排列，永磁体（5）的内圆弧面与转子表面间隔0.5-3mm的空隙，永磁体（5）的垂直两侧边与两定子铁芯（3）外边要留有25-60mm间隙；所述的极靴（4）是用碳钢或电工纯铁制成横截面为工字型的弯曲型体，其内圆弧面与永磁体外圆弧面的长、宽尺寸相同，并用粘结剂粘合为一体，还用螺栓将极靴外圆弧面与机座紧固为一体；所述的组合转子（7）是总长度为两个定子铁心与中间空隙长度之和，组合转子（7）是用两个端盘同贯穿于圆形叠片铁芯之中的铜条或铝条焊联成加长的笼形结构。
2.根据权利要求1所述的双定子永磁异步电动机及其调速控制电路，其特征在于：所述的两组定子绕组（6）包括第一组三相绕组Wa1、Wb1、Wc1和第二组三相绕组Wa2、Wb2、Wc2，按照两首端依次相连方式将Wc2与Wa1，Wb2与Wc1，Wa2与Wb1联接而对应引出A2、C2、B2三个电源端，再按两末端相连方式将Wc2与Wb1，Wa2与Wc1，Wb2与Wa2分别联接而对应引出a0、b0、c0三个调节端，A2、B2、C2三个电源端联接至三相交流开关K1，K1另一侧联接至三相电源端，三个调节端a0、b0、c0联接电容器组；在A2与b0，B2与c0，C2与a0三对端点依次联接至D1-D4、D5-D8、D9-D12整流桥的桥臂上，并分别在整流桥直流输出的正负两端以正端接正极方式联接一只绝缘栅双极晶体管。
3.根据权利要求2所述的双定子永磁异步电动机及其调速控制电路，其特征在于：所述的电容器组包括电容器C01、C02和C03，C01、C02和C03联接成三角形接线，电容器组的总容量等于电机总功率值的10%-30%。
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2018
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