CN112332628A - 一种谐波起动永磁同步电机 - Google Patents

一种谐波起动永磁同步电机 Download PDF

Info

Publication number
CN112332628A
CN112332628A CN202011260579.7A CN202011260579A CN112332628A CN 112332628 A CN112332628 A CN 112332628A CN 202011260579 A CN202011260579 A CN 202011260579A CN 112332628 A CN112332628 A CN 112332628A
Authority
CN
China
Prior art keywords
rotor
winding
harmonic
starting
permanent magnet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011260579.7A
Other languages
English (en)
Inventor
阚超豪
赵如鹏
张贺
苏志强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei University of Technology
Original Assignee
Hefei University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei University of Technology filed Critical Hefei University of Technology
Priority to CN202011260579.7A priority Critical patent/CN112332628A/zh
Publication of CN112332628A publication Critical patent/CN112332628A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

本发明涉及一种谐波起动永磁同步电机，包括定子和转子，所述转子上布置有转子绕组，所述转子中每个转子槽上设有Nz、Nc两套线圈，每相绕组所有槽内Nz、Nc匝数线圈各串联成为一条支路，且每相串联构成的两条支路并联，所述转子各相绕组均首尾短接。本发明在起动时舍弃互补绕组，根据磁动势谐波原理，利用绕组空间分布的特殊性产生基波磁场与两个谐波磁场。在谐波磁场作用下，主线圈与次线圈感应电动势互相抵消，短接铜线有环流产生，增大转子电阻折算系数，从而达到转子外串电阻效果，在转子漏抗不变的条件下减小起动电流。相对于转子外接电阻的起动方式，该方案不需要电刷与集电环，具有结构简单可靠，生产、维修成本低的优点。

Description

一种谐波起动永磁同步电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种谐波起动永磁同步电机。
背景技术
永磁同步电机具有结构简单紧凑、运行可靠、能量密度高等优点，在国防军工、航空航天、医疗器械、家用电器等行业具有良好的应用前景。
现有的永磁同步电动机，根据电机的本体结构可分为四类，即为永磁直流电动机、异步起动永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机、调速永磁同步电动机。定子上有多相绕组，转子上安装永磁体是这四类电动机共同点。异步起动永磁同步电动机是可以实现自启动的永磁同步电动机，其兼并有异步电动机起动转矩大与永磁电动机运行稳定的优点。按转子结构可分为笼型绕组电动机和绕线型绕组电动机。它在起动工况时，定子旋转磁场与转子绕组相互作用产生的电磁转矩实现快速起动。在运行工况时，由于转子以同步速度旋转，转子绕组不再工作。异步起动永磁同步电动机结构具有简单紧凑、能量密度高等优点，在纺织、油田等行业已被广泛应用。
为了永磁同步电机在长期运行时可以保持稳定的电气性能，电机内永磁体的磁性能必须保持长期稳定。而对于异步起动永磁同步电动机，在起动工况时过大的起动电流会对永磁体造成很大冲击，甚至造成永磁体不可逆的退磁。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种在相当于漏抗不变转子接入等效电阻的情况下，仅改变定子绕组连接方式便可实现快速自起动的永磁同步电动机。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种谐波起动永磁同步电机，包括定子和转子，所述转子上布置有转子绕组，所述转子中每个转子槽上设有Nz、Nc两套线圈，每相绕组所有槽内Nz、Nc匝数线圈各串联成为一条支路，且每相串联构成的两条支路并联，所述转子各相绕组均首尾短接；所述转子绕组满足以下公示：
Figure BDA0002774503740000021
其中，Rr为基波下转子电阻，Rrst为谐波下转子电阻。
上述方案中，所述定子绕组按60°相带划分每相槽号，通过连接形成两个线圈数不同的星接连接组，其中每项串联线圈数多的连接组为起动绕组，另一套为互补绕组。
上述方案中，所述定子上布置有一套起动绕组与一套互补绕组，所述定子起动绕组与互补绕组每相串联匝数相等，且线圈整体尺寸相同，两套绕组在并联接入电网时联合产生基波磁动势。
上述方案中，电机在起动时，起动绕组工作，此时气隙产生p对极基波磁场，同时产生pz对极主谐波磁场与pc对极次谐波磁场；电机正常运行时，接入互补绕组，此时气隙内只有p对极基波磁场。
进一步的，转子两套不等匝线圈在p对极基波磁场下产生感应电动势方向相同，在pz、pc对极谐波磁场下产生感应电动势方向相反。
进一步的，电机在起动时，将起动绕组接入电网，在转子运行到同步速度后再将互补绕组接入电网，通过改变接线方法改变电机运行工况。
由以上技术方案可知，本发明提供了一种谐波起动永磁同步电机，在启动时舍弃互补绕组，根据磁动势谐波原理，利用绕组空间分布的特殊性产生基波磁场与两个谐波磁场。在谐波磁场作用下，主线圈与次线圈感应电动势互相抵消，短接铜线有环流产生，增大转子电阻折算系数，从而达到转子外串电阻效果，在转子漏抗不变的条件下减小起动电流。起动完成后接入互补绕组，定子绕组只产生基波磁场，在同步速度运行状态转子绕组不再起作用。相对于转子外接电阻的起动方式，该方案不需要电刷与集电环，具有结构简单可靠，生产、维修成本低的优点，有着广阔的工业应用前景。
附图说明
图1为本发明当定子槽数Zs＝36槽、转子槽数Zr＝24槽时，谐波起动永磁同步电机定、转子结构图；
图2为本发明定子绕组中Y型起动绕组与Y型互补绕组的联结方式；
图3为本发明当定子槽数Zs＝36，极对数p＝2时，常规定子绕组三相槽号相位表与起动绕组、互补绕组槽号相位表；
图4为本发明当转子槽数Zr＝24，极对数p＝2时，转子绕组槽号相位图；
图5为本发明转子双层绕组中一个线圈的分匝示意图；
图6为本发明转子绕组单个线圈处于电机起动时的等效电路图；
图7为本发明当定子槽数Zs＝72，极对数p＝4时，常规定子绕组三相槽号相位表与起动绕组、互补绕组槽号相位表；
图8为本发明当转子槽数Zr＝54，极对数p＝4时，转子绕组槽号相位图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-6所示，本实施例一选取一台极对数p＝2、定子槽数Zs＝36、转子槽数Zr＝24的谐波起动永磁同步电动机为例，其结构如图1所示。取其主谐波极对数pz＝1，次谐波极对数pc＝3。
图2为定子绕组连接方式，由于自启动永磁同步电机工作环境对启动转矩要求高，所以定子绕组一般采用Y型连接方式。为满足这一特点，本实例电机起动绕组与互补绕组采用双Y形式，且两套绕组中性点相连，这种连接方式保证了电机在高电压起动时的稳定性。如图2所示，电机起动时仅将起动绕组Aq、 Bq、Cq接入电网，在电机转速达到同步转速后将开关闭合，互补绕组Ac、Bc、 Cc接入电网。
定子槽数Zs＝36，极对数p＝2时,常规绕组槽号相位图如图3所示。36槽数按正规60°相带分布时有4个等相带，每个等相带占有3个槽号，每相有2 个正相带和2个负相带。起动绕组所占槽号与互补绕组所占槽号按2：1设计，这样可以保证两套绕组的感应电动势同相位。为保证两感应电动势大小相同，互补绕组线圈匝数需为起动绕组的二倍，但线圈净截面积应为起动绕组的一半。
在选择起动绕组槽号时，按照36槽、极对数pz＝1、pc＝3时排列槽号，分别取用两种槽号分配方式的一部分，利用磁动势空间相位的调整来达到绕组同时产生三个磁动势的效果。而三相互补绕组空间相位互相相差120°，以保证各谐波负序分量最弱，气隙内不会出现过大的反转磁场。本实例起动绕组、互补绕组如图3所示，起动绕组接入电网时主谐波磁动势幅值为基波磁动势幅值的0.48倍，副谐波为0.2倍。如表1所示，其他各高次谐波磁动势幅值均不超过基波磁场的2％，符合设计要求。由于起动时两谐波磁场与转子永磁体极对数不同，所以此联结方式可以抑制发电机制动转矩，电机机械特性更硬。
表1 36槽4极磁动势谐波幅值
Figure BDA0002774503740000041
图4为转子24槽，极对数p＝2时，转子双层绕组槽号相位图。图中正槽号代表首端相连，负槽号代表尾端相连。由图知转子24槽分为三相，每相分为4小段，每段占有两个槽号。每槽N个导体分为主线圈Nz、次线圈Nc两部分，且Nz≠Nc，图4中带(’)的线圈号为次线圈。每小段的主线圈与次线圈首尾相连，如图5所示。
在基波作用下，转子绕组中各主线圈与次线圈感应电动势同向且电动势都消耗在线圈自身电抗中，此时图6中a、a`、b、b`四点电位均相等且为零，短接铜线中无电流通过。当在谐波作用下时，主线圈与次线圈中感应电流方向相反，线圈上四点电位Ea≠Ea`、Eb≠Eb`，每段短接铜线中有电流通过。此时的转子绕组的有效匝数减小为Nz-Nc，设基波下转子电阻为Rr、基波下转子电抗为Xr，谐波下转子电阻为：
Figure BDA0002774503740000042
谐波下主线圈与次线圈电流方向相反，主线圈与次线圈磁动势相互抵消，此时槽内净有磁动势为(Nz-Nc)*I0(其中I0为起动时转子每匝电流)，此时转子每相漏抗实际值为：
Figure BDA0002774503740000043
起动时转子电抗折算值为：
Figure BDA0002774503740000051
由公式(1)、(2)、(3)可知，在起动瞬间转子绕组等效电抗不变，转子绕组等效电阻增大，电机起动电流减小，起动转矩增大，达到外接电阻的效果。
本实施例二选取一台极对数p＝4、定子槽数Zs＝72、转子槽数Zr＝54的谐波起动永磁同步电动机。根据上述理论，如图7所示的定子绕组可以产生极对数pz＝3的主谐波与pc＝5的次谐波。图8所示为可以扩大起动电阻的转子绕组槽号相位图。
本发明在转子上放置一套由两种不同匝数线圈构成的转子绕组，在电机起动时转子绕组的特殊性使得电阻的折算值较大，使得定子侧起动电流较小。这种电机结构在仅改变绕组联接方式情况下便可以增大电机起动转矩并同时减小起动电流，可以有效减少起动电流对永磁体的冲击。本发明具有综合成本低、运行可靠、工作寿命长的特点，本发明仅通过改变定，转子绕组的结构就能降低谐波永磁同步电机起动电流、增大起动转矩，同时具有结构简单，维护成本低的特点。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种谐波起动永磁同步电机，包括定子和转子，其特征在于：所述转子上布置有转子绕组，所述转子中每个转子槽上设有Nz、Nc两套线圈，每相绕组所有槽内Nz、Nc匝数线圈各串联成为一条支路，且每相串联构成的两条支路并联，所述转子各相绕组均首尾短接。
2.根据权利要求1所述的谐波起动永磁同步电机，其特征在于：所述转子绕组满足以下公式：
Figure FDA0002774503730000011
其中，Rr为基波下转子电阻，Rrst为谐波下转子电阻。
3.根据权利要求1所述的谐波起动永磁同步电机，其特征在于：所述定子绕组按60°相带划分每相槽号，通过连接形成两个线圈数不同的星接连接组，其中每项串联线圈数多的连接组为起动绕组，另一套为互补绕组。
4.根据权利要求1所述的谐波起动永磁同步电机，其特征在于：所述定子上布置有一套起动绕组与一套互补绕组，所述定子起动绕组与互补绕组每相串联匝数相等，且线圈整体尺寸相同，两套绕组在并联接入电网时联合产生基波磁动势。
5.根据权利要求4所述的谐波起动永磁同步电机，其特征在于：
电机在起动时，起动绕组工作，此时气隙产生p对极基波磁场，同时产生pz对极主谐波磁场与pc对极次谐波磁场；
电机正常运行时，接入互补绕组，此时气隙内只有p对极基波磁场。
6.根据权利要求1所述的谐波起动永磁同步电机，其特征在于：转子两套不等匝线圈在p对极基波磁场下产生感应电动势方向相同，在pz、pc对极谐波磁场下产生感应电动势方向相反。
7.根据权利要求4所述的谐波起动永磁同步电机，其特征在于：
电机在起动时，将起动绕组接入电网，在转子运行到同步速度后再将互补绕组接入电网，通过改变接线方法改变电机运行工况。
CN202011260579.7A 2020-11-12 2020-11-12 一种谐波起动永磁同步电机 Pending CN112332628A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011260579.7A CN112332628A (zh) 2020-11-12 2020-11-12 一种谐波起动永磁同步电机

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011260579.7A CN112332628A (zh) 2020-11-12 2020-11-12 一种谐波起动永磁同步电机

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112332628A true CN112332628A (zh) 2021-02-05

Family

ID=74318671

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011260579.7A Pending CN112332628A (zh) 2020-11-12 2020-11-12 一种谐波起动永磁同步电机

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112332628A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113691047A (zh) * 2021-08-11 2021-11-23 阚立琦 一种转子端部分段连接的变极起动永磁同步电机

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1283891A (zh) * 1999-08-10 2001-02-14 薛蕃钰 交流电动机的三波起动方法及其绕组的联结方法
CN110932442A (zh) * 2019-12-04 2020-03-27 东南大学 一种绕线型异步起动永磁同步电机定转子结构

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1283891A (zh) * 1999-08-10 2001-02-14 薛蕃钰 交流电动机的三波起动方法及其绕组的联结方法
CN110932442A (zh) * 2019-12-04 2020-03-27 东南大学 一种绕线型异步起动永磁同步电机定转子结构

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113691047A (zh) * 2021-08-11 2021-11-23 阚立琦 一种转子端部分段连接的变极起动永磁同步电机

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111049288B (zh) 一种环绕式绕组磁通调制定子结构
Zhu et al. Novel stator electrically field excited synchronous machines without rare-earth magnet
CN108448807B (zh) 飞轮储能系统
CN111181262B (zh) 一种使用绕组内置磁通调制环的定子结构
Zulu et al. Topologies for wound-field three-phase segmented-rotor flux-switching machines
CN108964388B (zh) 一种开关磁阻电机
CN111463939A (zh) 一种定转子双永磁体双电枢绕组磁场调制永磁电机结构
Huang et al. Research on primary excitation fully superconducting linear generators for wave energy conversion
CN103490575B (zh) 多齿混合励磁盘式风力发电机
CN110932510A (zh) 一种双定子磁通切换风力发电机
CN112332628A (zh) 一种谐波起动永磁同步电机
CN102403860B (zh) 等极双段磁阻发电机
CN110311486B (zh) 一种无刷双馈电机双笼转子及导条连接方法
CN115940559B (zh) 一种定子偏置式双凸极永磁电机
CN109687671B (zh) 轴向并列型双定子多相永磁容错电机
Fengxiang et al. Design features of low speed permanent magnet generator direct driven by wind turbine
RU2700179C1 (ru) Электрическая машина
RU204405U1 (ru) Синхронный генератор
CN110120732B (zh) 一种感应串联式无刷励磁电机
JP6584508B2 (ja) 電気機械
CN104113174A (zh) 一种单层鼠笼式双定子无刷双馈电机
CN110289717B (zh) 一种永磁电机定子多相绕组
CN110112852B (zh) 一种双馈型永磁电机
Oliveira et al. Ring-shaped surface-mounted permanent magnet generators with modular stator for small wind turbines
RU2359392C1 (ru) Коллекторная электрическая машина с полюсным якорем

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210205

RJ01 Rejection of invention patent application after publication