CN110932442B - 一种绕线型异步起动永磁同步电机定转子结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种绕线型异步起动永磁同步电机定转子结构，包括采用对称轴线法设计的一套绕组的实现三种极数的变极方案，分别控制电机的起动工况和两种运行工况。转子绕组采用复合线圈结构，降低了电机在起动工况下的转子绕组有效匝数，增大了转子电阻折算值，进而实现降低起动电流和增大异步转矩的目的。此外，特殊的永磁体结构使得电机可以在两种不同同步转速下稳定运行。本发明采用变极起动的方法，有效的削弱了永磁制动转矩，改善了电机的起动性能。本发明既可以有效地改善起动性能，又可以使电机工作于不同的运行状态，在需要多速运行起重领域有着广泛的应用前景。

Description

一种绕线型异步起动永磁同步电机定转子结构
技术领域
本发明涉及绕线型异步起动永磁同步电机技术领域，特别地，涉及一种可以改善绕线型异步起动永磁同步电机起动性能的定转子结构。
背景技术
相较于异步电机，异步起动永磁同步电机具有高功率密度、高效率、高功率因数、经济运行范围广以及体积小、重量轻等优点。随着高性能永磁材料的应用，异步起动永磁同步电机在纺织机械、泵和抽油机等需要长时间运行的应用领域中，表现出优异的节能效果，产生了更为巨大的经济效益。
对于异步电机而言，定转子绕组所产生的基波磁场相互作用，可产生用于电机起动的异步电磁转矩。谐波相互作用产生同步附加转矩、异步附加转矩和波动转矩，减少了起动过程中的最小转矩并导致转矩波动。但是，这些转矩可以通过电机的合理设计得以抑制，使三相感应电动机具有较好的起动能力。
然而，在异步起动永磁同步电机中，转子永磁体产生的基波磁场与定子绕组相互作用会产生发电制动转矩。发电制动转矩大幅抵消了由转子绕组产生的异步起动转矩。此外，转子永磁体产生的基波磁场与定子绕组产生的基波磁场的转向与极数相同但转速不同，两者相互作用产生脉动转矩。由于起动期间的电流很大，导致脉动转矩也很大，并进一步恶化了起动性能，也制约了异步起动永磁同步电机的工业应用范围。因此，在异步起动永磁同步电机的设计中，要求电机具有较大且平稳的起动转矩和较小起动电流。同时，需要保证良好的牵入同步能力。
在已有的研究中，将异步起动永磁同步电机分为起动工况和运行工况两个部分。两个工况下的电机参数均为固定值，使得难以兼顾起动性能与牵入同步性能。当采用低匝数大线径或者增大转子电阻的方式改善起动性能时，势必会降低电机牵入同步能力以及增大电机损耗；当减少永磁体用量时，电机起动时间较短且稳定，但是电机稳态性能和牵入同步能力会降低；增大定子电阻会使电机起动时间较长并出现较大震荡，对起动不利，也不利于牵入同步。
现有专利CN108306473A提供一种异步起动永磁同步电机绕组的设计方式。在该专利中，降低起动工况时的定子绕组匝数，使其低于稳态运行时的定子绕组匝数，从而增大启动转矩和牵入转矩；当电机达到稳态时，增加绕组匝数，保证电机具有较高的工作效率。虽然，该专利通过改变定子绕组匝数的方式，兼顾起动性能和稳态性能，但是降低了绕组利用率且没有明显降低起动电流。此外，与异步电机相比，由于永磁体的固定极性，异步起动永磁同步电机只能以一个速度旋转。这个问题限制了异步起动永磁同步电机在一些需要两个转速的应用，例如风扇和泵。
发明内容
针对异步起动永磁同步电机的缺陷，本发明的目的在于解决现有异步起动永磁同步电机的起动性能较差的问题，同时使异步起动永磁同步电机可以在不同的运行工况下工作。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种绕线型异步起动永磁同步电机定转子结构，包含定子和转子，所述定子包含定子绕组设计，所述转子包括转子绕组和转子永磁体位置设计；
所述转子绕组采用复合线圈结构，用于降低了电机在起动工况下的转子绕组有效匝数，同时增大转子电阻折算值，进而实现降低起动电流和增大异步转矩的设计目标；
所述转子永磁体的磁场与起动时定子绕组的磁场极对数不同，用于削弱发电制动转矩，既可增大异步转矩，又可抑制发电制动转矩，进而改善异步起动永磁同步电机的起动性能；同时，转子永磁体可产生两种不同极对数磁场使得电机可以稳定运行于两种不同的工况。
作为本发明一种绕线型异步起动永磁同步电机定转子结构的进一步优选方案，定子绕组采用对称轴线法进行设计，用于产生三种不同极对数磁场，具体如下：
当第一端口和第三端口接电源A相，第四端口和第六端口接电源B相，第七端口和第九端口接电源C相，第二端口、第五端口和第八端口短接时，为60°相带2Y接法的4极接线方式；
当第一端口和第二端口接电源A相，第四端口和第五端口接电源B相，第七端口和第八端口接电源C相，第三端口、第六端口和第九端口短接时，为180°相带2Y接法的6极接线方式；
当第二端口和第三端口接电源A相，第五端口和第六端口接电源B相，第八端口和第九端口接电源C相，第一端口、第四端口和第七端口短接时，为120°相带2Y接法的8极接线方式。
作为本发明一种绕线型异步起动永磁同步电机定转子结构的进一步优选方案，转子绕组产生极对数为ps的磁场，用于产生异步转矩；转子永磁体分别产生极对数为pr1和pr2两种磁场，用于保证电机以不同的同步转速稳定运行。
作为本发明一种绕线型异步起动永磁同步电机定转子结构的进一步优选方案，电机在牵入同步前，电机极对数为ps时进行起动；待电机转速进行同步转速一半时，将电机极对数切换至pr1以恢复正常的转子绕组每相有效匝数的数值，此时电机依旧处于加速阶段；在电机转速接近同步转速时切换至同步运行状态；可根据实际情况对两种同步运行状态进行选择。
作为本发明一种绕线型异步起动永磁同步电机定转子结构的进一步优选方案，起动时的极对数ps为奇数而运行时的极对数pr1和pr2为偶数，使得仅在电机起动时转子绕组中的复合线圈上下并联支路出现感应电动势抵消的现象。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明提供的定转子结构设计使得转子永磁体磁场与起动时的定子绕组磁场极对数不同，所以可以最大程度的削弱发电制动转矩，改善了起动性能；
2、本发明提供的定转子结构设计使得绕线型异步起动永磁同步电机的异步转矩在电机起动初始便达到最大值，同时降低了起动电流；
3、本发明提供的定转子结构设计使得电机在牵入同步运行前恢复正常的电阻参数，保证电机具有良好的牵入同步能力；
4、本发明提供的定转子结构设计使得异步起动永磁同步电机具有两种极对数不同的运行工况，使得采用该方法设计的电机在多速起重领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为定子绕组变极方案接线图；
图2为转子48槽6极时的排布方式；
图3为转子48槽8极时的排布方式；
图4为不同极对数时的槽矢量星形图；
图5为起动和运行工况时电机的极对数选择；
图6为转子结构图；
图7为采用本发明所提方法进行设计时的流程图。
具体实施方式
为了更为清晰地体现本发明的目的、设计方法和优点，结合以下附图和实例进行详细说明。本发明所提实例仅用于直观解释本发明所提方法，电机参数均可在符合设计规则的前提下任意选择并进行相应的改动。
本发明提出了一种异步起动永磁同步电机的定转子结构，其优点在于：通过采用复合线圈结构降低了起动工况下的转子绕组每相有效匝数，从而增大异步转矩和降低起动电流。同时，转子永磁体磁场与起动时的定子绕组磁场极对数不同，所以有效削弱发电制动转矩，可以最大程度的改善异步起动永磁同步电机的起动性能。在电机牵入同步运行前，将电机的电阻参数恢复正常值保证电机具有良好的牵入同步能力。此外，特殊的转子永磁体结构使得电机在不同同步转速下稳定运行。
图1为本发明提供电机实例的定子绕组72槽变极方案接线图。图1中，箭头方向表示以4极为基础极时的电流方向，若出现该箭头方向(电流方向)与外加电源的方向相反时则需要进行相应改变。
定子绕组的不同接线方式对应不同极对数方案。其中：当端口1、3接电源A相，端口4、6接电源B相，端口7、9接电源C相，端口2、5、8短接时，为60°相带2Y接法的4极接线方式；当端口1、2接电源A相，端口4、5接电源B相，端口7、8接电源C相，端口3、6、9短接时，为180°相带2Y接法的6极接线方式；当端口2、3接电源A相，端口5、6接电源B相，端口8、9接电源C相，端口1、4、7短接时，为120°相带2Y接法的8极接线方式。
图3为转子绕组的排布方式。实线框表示一段绕组的多匝部分，相应的虚线框表示少匝部分。其中，A相中槽号7、8、13、14、19、20、25、26，B相中槽号23、24、29、30、35、36、41、42，以及C相中槽号3、4、9、10、39、40、45、46等槽号在6极与8极下的符号相反。即产生的感应电动势方向相反，所以在起动工况下多匝部分的感应电动势被少匝部分的感应电动势部分抵消，使得转子绕组每相有效匝数减少。
以转子绕组中由槽号1、2、25和26组成的复合线圈为例，并结合槽矢量星形图详细说明复合线圈的原理。已知转子槽数为48，6极和8极时的槽距角分别为22.5°和30°，分别绘制槽矢量星形图如图4所示。从图中可以看出当电机极对数为3极时，槽1和槽2产生的感应电动势的方向分别与槽25和槽26产生的感应电动势的方向相反。由于转子绕组中的每段绕组均被分成了多匝部分和少匝部分。因此上述两组感应电动势部分抵消，等效于转子绕组的每相有效匝数降低，从而增大了转子电阻折算值并改善了起动性能。同理，当电机极对数为4极时，槽1和槽2产生的感应电动势的方向分别与槽25和槽26产生的感应电动势的方向相同，两组感应电动势不会出现抵消情况。所以，转子绕组每相有效匝数为正常值，即转子电阻折算值保持正常值。
根据所述原理可进行以下拓展。现假设转子槽数为Zr，槽矢量星形图中的槽距角可由：α＝2π·p/Zr求出。在起动工况下(本发明实例中选极对数为6)，需要槽n+Zr/2和槽n+1+Zr/2产生的感应电动势方向分别与槽n+Zr/2和槽n+1+Zr/2产生的感应电动势的方向相反，即两组槽号分别相差180°电角度。根据两组槽号相差的电角度等于槽数和槽距角乘积可得，此时电机为奇数对极；在运行工况下，(本发明实例中选极对数为8)，需要槽n和槽n+1产生的感应电动势方向分别与槽n+Zr/2和槽n+1+Zr/2产生的感应电动势的方向相同，即两组槽号分别相差0°(360°)电角度。根据两组槽号相差的电角度等于槽数和槽距角乘积可得，此时电机为偶数对极，如图5所示。
图6为本发明提供实例的转子结构图。该转子结构主要由转子铁心、转子绕组、转子永磁体组成。其中，转子绕组为异步起动永磁同步电机提供异步转矩。特殊的转子永磁体结构可以使电机工作于不同的同步运行状态。
需要说明的是，本发明中实例的参数均可在保证设计原则的基础上进行修改。对于定子绕组而言，可以采用对称轴线法实现单绕组三变极的绕组形式，也可以采用单绕组双变极加一套独立绕组的绕组形式；对于转子而言，用于转子部分需要放置永磁体，所以对电机的极对数有一定的限制，一般来说极对数小于6。
对于复合线圈切换前后的极对数选择上，为了使电机具有较大的异步转矩需要将电机起动时极对数设置为奇数对极，复合线圈结构中多匝部分的感应电动势与少匝部分的出现抵消现象。相反的，切换后的电机极对数应设置成偶数对极。此外，另一同步运行状态下的极对数可以任意设置。整体设计过程可参考图7所示流程图。以下对电机极对数的选择以及复合线圈匝比进行介绍。
对于采用本发明方法设计时，定子绕组以及转子部分(包括转子绕组和转子永磁体)需要根据电机运行状态的不同分别产生三种不同极对数的磁场。其中，在电机起动时，电机的极对数为奇数对极(本文所提实例选择为3对极)，根据复合线圈的原理可以使电机达到降低起动电流以及增大异步转矩的作用；待电机转速上升至接近同步转速一半时，通过改变定子绕组端口供电方式将电机的极对数切换为偶数对极(本文所提实例选择为2/4对极)。切换后依旧高转矩使电机继续加速至同步转速。但是，此时复合线圈相当于常规线圈，电机的各项参数均恢复正常。同时，转子永磁体应当产生偶数对极的磁场(本文所提实例选择为2/4对极)。可以看出，电机在起动时的极对数与转子永磁体磁场的一定不同，所以有效的削弱了永磁制动转矩，进一步的提高了电机的起动性能。
综上，定子绕组产生三种不同极对数的磁场，电机起动时为奇数对极，其余运行状态均为偶数对极。转子绕组采用复合线圈设计时，起动时也为奇数对极而在切换后可以任选两个偶数对极的其中之一。
为了确定复合线圈的匝比，首先需要计算该电机在采用常规线圈设计后起动转矩以及最大转矩的大小。为了获得最好的起动效果，假定采用复合线圈后电机的起动转矩即为最大转矩。因此，最大转矩与起动转矩的比值即为需要将转子电阻折算值扩大的倍数。当保持其他参数不变时，根据折算公式可知转子电阻折算值与转子绕组每相匝数成反比。由此可以获得减少后的转子绕组每相有效匝数的数值，选择与该数值相近的整数匝数进行校验，以选择最优匝比使得电机具有更好的起动性能。

Claims (2)

1.一种绕线型异步起动永磁同步电机定转子结构，包含定子和转子，其特征在于，所述定子包含定子绕组设计，所述转子包括转子绕组和转子永磁体位置设计；
所述转子绕组采用复合线圈结构，用于降低了电机在起动工况下的转子绕组有效匝数，同时增大转子电阻折算值，进而实现降低起动电流和增大异步转矩的设计目标；
所述转子永磁体的磁场与起动时定子绕组的磁场极对数不同，用于削弱发电制动转矩，既可增大异步转矩，又可抑制发电制动转矩，进而改善异步起动永磁同步电机的起动性能；同时，转子永磁体可产生两种不同极对数磁场使得电机可以稳定运行于两种不同的工况；
定子绕组采用对称轴线法进行设计，用于产生三种不同极对数磁场，具体如下：
当第一端口(1)和第三端口(3)接电源A相，第四端口(4)和第六端口(6)接电源B相，第七端口(7)和第九端口(9)接电源C相，第二端口(2)、第五端口(5)和第八端口(8)短接时，为60°相带2Y接法的4极接线方式；
当第一端口(1)和第二端口(2)接电源A相，第四端口(4)和第五端口(5)接电源B相，第七端口(7)和第八端口(8)接电源C相，第三端口(3)、第六端口(6)和第九端口(9)短接时，为180°相带2Y接法的6极接线方式；
当第二端口(2)和第三端口(3)接电源A相，第五端口(5)和第六端口(6)接电源B相，第八端口(8)和第九端口(9)接电源C相，第一端口(1)、第四端口(4)和第七端口(7)短接时，为120°相带2Y接法的8极接线方式；
转子绕组产生极对数为ps的磁场，用于产生异步转矩；转子永磁体分别产生极对数为pr1和pr2两种磁场，用于保证电机以不同的同步转速稳定运行；
电机在牵入同步前，电机极对数为ps时进行起动；待电机转速进行同步转速一半时，将电机极对数切换至pr1以恢复正常的转子绕组每相有效匝数的数值，此时电机依旧处于加速阶段；在电机转速接近同步转速时切换至同步运行状态；可根据实际情况对两种同步运行状态进行选择。
2.根据权利要求1所述的一种绕线型异步起动永磁同步电机定转子结构，其特征在于：起动时的极对数ps为奇数而运行时的极对数pr1和pr2为偶数，使得仅在电机起动时转子绕组中的复合线圈上下并联支路出现感应电动势抵消的现象。
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