CN109194077A - 一种变极调速永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变极调速永磁电机，包括转轴，围绕在转轴外、且用于相互配合工作的定子铁芯及转子铁芯，定子铁芯上设置有定子槽，该定子槽内安装有变极绕组，此外在转子铁芯的内部设置有永磁体；变极绕组用于提供至少两个不同的极数，具体的变极绕组为至少两套独立且极对数不同的绕组，或者一套变极绕组通过其接线方式的变换对应至少两个不同极数。本发明通过对电机整体的组件构成及各个组件间的配合工作方式等进行改进，尤其通过对定子变极绕组的设置及相应变极方式等进行改进，得到的新型变极调速永磁电机，其相比于变极感应电机，提高了效率和功率因数，同时解决了现有变极调速永磁电机结构复杂、成本高和变极过程控制难度高等一系列问题。

Description

一种变极调速永磁电机

技术领域

本发明属于电机领域，更具体地，涉及一种变极调速永磁电机，是一种能够异步起动与变极调速的永磁同步电机。

背景技术

时至今日，能源短缺已成为事关人类生存的重要问题，开发新能源与节约能源刻不容缓。电力能源是人类目前利用最为广泛的二次能源，与国家节能减排和可持续发展战略息息相关。随着国家经济的发展，工业用电量逐年提升，已经占到全国用电量的70％以上，其中电动机的耗电量又占工业总用电量的50％以上。因此，电机及其系统节能是实现工业节能降耗的重要途径。

随着永磁材料的发展，永磁电机技术越来越成熟。永磁同步电机采用高性能永磁材料提供励磁磁场，不需要电机定子侧提供励磁电流，效率和功率因数比感应电机高得多，是典型的高效节能产品。其应用范围非常广泛，在航空航天、国防、工业、农业生产以及日常生活等各领域都有应用。

永磁同步电机作为一种同步电机，其转速与供电频率成严格的正比关系，与极对数成反比关系。因此，调节永磁同步电机的转速一般有两种途径，一种是采用变频器供电，构成交流变频调速系统，通过控制变频器的输出频率，改变电机转速。这种方式具有较宽的速度调节范围和良好的调速运行性能，适用于变速恒频发电或需要电动机转速连续可调的应用场合。但由于变频器是由电力电子器件和高性能控制芯片等组成，在控制算法上有较高的技术难度，成本较高，并且存在系统复杂、电气可靠性差等弊端。

永磁同步电机调速的另一种途径是变极调速。鼠笼型感应电机的转子极数会自动跟随定子绕组的极数，因此只需要改变定子变极绕组的接线方式，就能完成整个电机的变极过程。但是对于永磁电机，由于永磁体，特别是稀土永磁体提供的磁通较为稳定，转子磁极数难以改变，实现变极较为困难。

中国专利申请CN103219816A公开了一种变极调速永磁同步电机。电机转子上安装强磁永磁体和弱磁永磁体两种永磁体。其中强磁永磁体位于转子的凹槽内，弱磁永磁体位于转子凸极表面。在电机运行时，可通过定子电流直轴分量来控制弱磁永磁体的充磁方向，改变电机转子磁场的极数，实现电机的变极调速。但该现有技术具有如下缺陷：1)转子中永磁体用量较大，制造成本较高。2)需要安放两种永磁体，其转子结构会比较复杂，制造难度较高，制造成本也较高。3)利用定子电流控制电机转子中部分磁极的充磁方向，来改变转子的极数。控制精度要求较高，电气可靠性较差。

中国专利申请CN104184294A公开了一种增强式变极变速永磁同步电动机。电机转子采用增强式转子，轴向分为两段：变极增强式转子段与非变极增强式转子段。其中变极增强式转子部分包含变极永磁体(辅助磁极)与增强式鼠笼导条，非变极增强式转子部分包含非变极永磁体(主磁极)与增强式鼠笼导条。通过改变转子辅助磁极的磁通闭合路径，改变转子极数，实现电机变极调速。但该现有技术具有如下缺陷：1)电机定转子都分为轴向两段，结构复杂。2)需要通过改变辅助磁极的磁通闭合路径，使增强式转子自动适应电机磁极数，控制难度高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种变极调速永磁电机，其中通过对电机整体的组件构成及各个组件间的配合工作方式等进行改进，尤其通过对定子变极绕组的设置及相应变极方式等进行改进，得到的新型变极调速永磁电机，相比于变极感应电机，提高了效率和功率因数，同时解决了现有变极调速永磁电机结构复杂、成本高和变极过程控制难度高等一系列问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种变极调速永磁电机，包括转轴，以及围绕在该转轴外、且用于相互配合工作的定子铁芯及转子铁芯，其特征在于，所述定子铁芯上设置有定子槽，该定子槽内安装有变极绕组，此外在所述转子铁芯的内部设置有永磁体；

所述变极绕组用于提供至少两个不同的极数，具体的所述变极绕组为至少两套独立的极对数不同的绕组，或者为一套能够通过接线方式的变换对应至少两个不同极数的变极绕组。

作为本发明的进一步优选，所述变极绕组用于提供的至少两个不同的极数之中，数值较小的极数值与所述永磁体的极数相同，数值较大的极数值大于所述永磁体的极数；

优选的，当该电机起动时，所述变极绕组选用数值较大的极数值；

当所述变极绕组选用数值较大的极数值时，所述电机用于作为感应电机运行，起动时无永磁制动转矩，起动性能强；

当所述变极绕组用于提供的极数为数值较小的极数值时，所述电机用于作为永磁同步电机运行，电机的效率和功率因数高。

作为本发明的进一步优选，所述变极绕组为一套能够通过接线方式的变换对应至少两个不同极数的变极绕组，通过改变该绕组的端口接线方式即可实现单绕组变极。

作为本发明的进一步优选，当所述变极绕组为两套独立的极对数不同的绕组时，所述变极绕组直接由三相电源供电。

作为本发明的进一步优选，所述转子铁芯内置有V型永磁体；沿所述转子铁芯的圆周方向设有多个圆形槽，这些圆形槽用于放置笼型绕组。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过设置特定的定子变极绕组及与该定子变极绕组配合共同发挥作用的磁极其他组件，使该定子变极绕组以特定的变极方式进行变极，得到的新型变极调速永磁电机，相比于变极感应电机，提高了效率和功率因数，同时解决了现有变极调速永磁电机结构复杂、成本高和变极过程控制难度高等一系列问题。

具体说来，本发明有如下有益效果：

(1)定子采用变极绕组，转子装有鼠笼且内嵌永磁体，实现了永磁电机的变极调速功能。

(2)转子上优选安装笼型绕组，与一般的自起动永磁同步电机相同，可以实现直接起动，而不需要再接变频器，成本低，电气可靠性高，并且电机的加工制造简单，制造成本相应变低。

(3)转子采用高性能的永磁材料提供励磁磁场，电机的效率、功率因数和功率密度都比变极感应电机高。

(4)在电机的起动过程，可采用与永磁体极数不同的定子接线方式，永磁体产生的制动转矩很小，显著改善了自起动永磁同步电机的起动性能。

(5)可以仅通过变极绕组改接就能实现永磁电机的变极过程，省去了转子变极需要的充去磁环节。

(6)可以仅通过改变电机的接线端口就实现变极调速，不需要采用变频器。

附图说明

图1是本发明新型变极调速永磁电机的结构示意图，图中所示V字型组件即V字型永磁体。

图2是本发明变极绕组可采用的单绕组变极(即，一套能够通过接线方式的变换对应至少两个不同极数的变极绕组)方案示意图；图中数字表示各线圈的编号，其正、负分别表示该线圈正向串联或反向串联。

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。

本发明中的新型变极调速永磁电机，该电机由定子变极绕组和带有笼型绕组的永磁转子构成，见图1。其中变极绕组可采用单绕组变极方案，即一套能够通过接线方式的变换对应至少两个不同极数的变极绕组，见图2。该绕组可以有六个外接端口，1U、1V和1W代表极数值较大的三相接线端，2U、2V和2W代表极数值较小的三相接线端。只需要切换接线端口，即可完成所述电机的变极操作。

转子由笼型绕组和永磁体构成，其中笼型绕组用于电机起动和稳态异步运行，而永磁体将用于电机稳态同步运行。永磁体形状可以采用切向、一字型、V字型、U字型和W字型等常用内置式永磁结构，尤其是V字型永磁体结构(如图1所示)结合了切向和一字型永磁体结构的优点，且本身结构简单，加工工艺成熟。当定子绕组极数与永磁体极数不同时，电机自起动，之后稳态异步运行；当定子绕组极数与永磁体极数相同时，电机稳态同步运行。

变极调速永磁电机所用永磁体材料为钕铁硼，定子铁芯和转子铁芯的材料为硅钢片，转子导条与端环材料为铜。

本发明可实现变极调速永磁同步电机。电机转子采用永磁结构，能够提高电机功率因数和效率。转子圆周上安装笼型绕组，电机具有自起动功能。定子采用变极绕组，可以实现变极调速。本发明非常适合用于需要两种转速运行并对效率和功率因数要求较高的场合，定子绕组可优选提供两个不同的极数。

本发明提出的一种变极调速永磁同步电机，定子包含有一套变极绕组，正常工作时，绕组采用多极数接线方式，通电之后，定子磁场在转子鼠笼上感应电流，带动转子旋转。由于定子绕组极数与永磁体极数不同，转子转速不会达到同步，电机作为异步电机运行。当需要进行调速时，改变绕组接线方式，即可改变电机极数，此时电机作为永磁同步电机运行，转速将稳定在同步转速。例如，电机起动时，定子绕组采用多极数接线方式，定子绕组极数与永磁体极数不同，电机作感应电机运行；而当定子绕组采用少极数接线方式时，定子绕组极数与永磁体极数相同，电机作永磁同步电机运行。

本发明中的定子变极绕组仅通过改变绕组内导体的连接方式即可进行变极，定子绕组可直接接三相工频电源，不需要由变频器供电。

由于变极调速永磁电机是立体结构，本发明中的组件形状一般是指组件在垂直于转轴中心线的平面上的投影形状。

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 (5)

1.一种变极调速永磁电机，包括转轴，以及围绕在该转轴外、且用于相互配合工作的定子铁芯及转子铁芯，其特征在于，所述定子铁芯上设置有定子槽，该定子槽内安装有变极绕组，此外在所述转子铁芯的内部设置有永磁体；

所述变极绕组用于提供至少两个不同的极数，具体的所述变极绕组为至少两套独立的极对数不同的绕组，或者为一套能够通过接线方式的变换对应至少两个不同极数的变极绕组。

2.如权利要求1所述变极调速永磁电机，其特征在于，所述变极绕组用于提供的至少两个不同的极数之中，数值较小的极数值与所述永磁体的极数相同，数值较大的极数值大于所述永磁体的极数；

优选的，当该电机起动时，所述变极绕组用于提供的极数为数值较大的极数值；

当所述变极绕组用于提供的极数为数值较大的极数值时，所述电机用于作为感应电机运行；

当所述变极绕组用于提供的极数为数值较小的极数值时，所述电机用于作为永磁同步电机运行。

3.如权利要求1所述变极调速永磁电机，其特征在于，所述变极绕组为一套能够通过接线方式的变换对应至少两个不同极数的变极绕组，通过改变该绕组的端口接线方式即可实现单绕组变极。

4.如权利要求1所述变极调速永磁电机，其特征在于，当所述变极绕组为两套独立的极对数不同的绕组时，所述变极绕组直接由三相电源供电。

5.如权利要求1所述变极调速永磁电机，其特征在于，所述转子铁芯内置有V型永磁体；沿所述转子铁芯的圆周方向设有多个圆形槽，用于放置笼型绕组。