CN201846151U - 一种永磁电机转子装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种永磁电机转子装置，包括钕铁硼永磁体、非导磁材料、铝镍钴永磁体、转子铁芯和转轴，永磁电机转子为内置混合式磁路结构，转子铁芯中的永磁体由铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体按U形放置，铝镍钴永磁体按轴切向放置，钕铁硼永磁体按轴径向放置，铝镍钴永磁体与转子铁芯外圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中放置有鼠笼条，通过在定子绕组施加幅值可控的id脉冲，即可非常方便地改变气隙磁通的大小。通过应用本实用新型所描述的装置能够对电机起到很好的阻尼或起动作用，提高了电机的动态和稳态性能，同时定子总电流大大降低，也降低了定子绕组的损耗，提高了电机的运行效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及电机传动及控制技术，尤其是涉及一种通过改变电机内部结构提高电机动态响应性能的永磁电机转子装置。
背景技术
传统结构的永磁电机制成后从外部调节、控制其磁场极为困难。采用矢量控制技术调节永磁磁场，弱磁范围有限、调速范围不宽，同时增加定子绕组的损耗。
永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。传统的永磁同步牵引电机若想宽调速，大都采用矢量控制技术，通过控制直轴电流矢量id产生的起去磁作用的电枢反应磁动势来削弱永磁磁场，维持高速运行时电机端电压的平衡，达到弱磁调速的目的。这就希望直轴电感大一些，但由于直轴上存在磁阻较大的永磁体，直轴电感较低，弱磁范围有限，调速范围不宽。弱磁调速时，因定子总电流是受限的，那么由交轴电流iq产生的可以利用的转矩就将下降；同时由于直轴电流id要一直存在，定子铜耗大。而对于变频器，若出现逆变失败，失去弱磁控制能力，高速旋转的永磁磁场会在电机绕组中感应出过高电压，有可能造成变频器功率器件损坏。
专利申请号为200410093661.X、200410093696.3及200510013524.5的发明专利公开了内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电动机。如图1所示的公开日为2005年5月18日，公开号为CN1617422的中国授权专利，多级数内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机，包括转轴7，定子铁芯9，铝镍钴永磁体5，钕铁硼永磁体3，转子铁芯6，第一非导磁材料10，其转子磁路结构由两种永磁材料组成：一种为沿轴切向放置的剩磁密度很高但矫顽力很低的铝镍钴材料，另一种为沿轴径向放置的剩磁密度和矫顽力都很高的钕铁硼材料。其中，永磁转子中的铝镍钴永磁体5和钕铁硼永磁体3按U形放置。通过三相定子绕组在电机转子直轴方向施加一个短时间、幅值可控的直轴电流矢量，改变铝镍钴永磁体的磁化方向，调整永磁主磁通的幅值，使电机在很宽的运行范围具有较高的性能指标。如图2所示的公开日为2005年5月18日，公开号为CN1617423的中国授权专利，内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机永磁转子中的铝镍钴永磁体5和钕铁硼永磁体3按W形放置，即铝镍钴永磁体7沿轴切向放置，钕铁硼永磁体8沿轴径向放置。如图3所示的公开日为2005年12月14日，公开号为CN1707911的中国授权专利，内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机永磁转子中的铝镍钴永磁体5和钕铁硼永磁体3按V形放置，除了加入第一非导磁材料10，还加入了第二非导磁材料11和第三非导磁材料12，能够起进一步到隔磁和减小漏磁的目的。
现有技术的缺点是：永磁体外表面与转子铁芯外圆之间没有极靴可以放置铸铝笼或铜条笼，在电机负载或外部供电发生变化的时候，由于没有铸铝笼或铜条笼的阻尼或起动作用，电机动、稳态性能较差，不适用于要求有异步起动能力或动态性能要求较高的场合。
实用新型内容
本实用新型提供一种永磁电机转子装置，该实用新型可以很好地克服现有技术存在的电机动稳态性能较差的缺点，通过增强阻尼和启动的作用来提高永磁电机转子的动态响应能力。
本实用新型提供一种永磁电机转子装置的具体实施方式，永磁电机转子装置包括钕铁硼永磁体、非导磁材料、铝镍钴永磁体、转子铁芯和转轴，转子永磁体由铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体组成，永磁电机转子为内置混合式磁路结构，转子铁芯中的永磁体由铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体按U形放置，铝镍钴永磁体按轴切向放置，钕铁硼永磁体按轴径向放置，铝镍钴永磁体与转子铁芯外圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中放置有鼠笼条。
作为本实用新型进一步的实施方式，转子铁芯由硅钢片叠压组成，铝镍钴永磁体嵌入转子铁芯硅钢片外侧的矩形槽中，钕铁硼永磁体嵌入转子铁芯硅钢片内侧的矩形槽中。
作为本实用新型进一步的实施方式，钕铁硼永磁体呈矩形且位于转子铁芯与转轴之间，钕铁硼永磁体的磁化方向与转轴(7)的中心到钕铁硼永磁体(3)的垂直线平行。
作为本实用新型进一步的实施方式，转子铁芯外包有定子绕组，定子绕组与一脉冲信号控制端相连。
作为本实用新型进一步的实施方式，铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体交接处的保留空间是非导磁材料。
作为本实用新型进一步的实施方式，极靴中放置的鼠笼条为铸铝笼。
作为本实用新型的另一种实施方式，极靴中放置的鼠笼条为铜条笼。
通过应用本实用新型实施方式所描述的永磁电机转子装置，能够对电机起到很好的阻尼或起动作用，提高了电机的动态和稳态性能。同时，定子总电流大大降低，也降低了定子绕组的损耗，提高了电机的运行效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术1的内置混合式转子可控磁通永磁同步电动机结构示意图；
图2为现有技术2的内置混合式转子可控磁通永磁同步电动机结构示意图；
图3为现有技术3的内置混合式转子可控磁通永磁同步电动机结构示意图；
图4为本实用新型永磁电机转子装置一种具体实施方式的横剖面结构示意图；
图5为本实用新型永磁电机转子装置一种具体实施方式的纵剖面结构示意图；
图6为本实用新型永磁电机转子装置另一种具体实施方式的结构示意图；
其中图4中：1-极靴、2-鼠笼条、3-钕铁硼永磁体、4-非导磁材料、5-铝镍钴永磁体、6-转子铁芯、7-转轴、8-转子铁芯外圆、9-定子铁芯、10-第一非导磁材料、11-第二非导磁材料、12-第三非导磁材料。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
作为本实用新型一种永磁电机转子装置的一种具体实施方式，如图4和图5所示的永磁电机转子装置为可控气隙磁通永磁同步电机转子，包括极靴1、鼠笼条2、铝镍钴永磁体5、钕铁硼永磁体3、转子铁芯6及转轴7，永磁转子为内置混合式磁路结构，转子铁芯6中的永磁体由铝镍钴永磁体5及钕铁硼永磁体3按U形放置，即铝镍钴永磁体5按轴切向放置，钕铁硼永磁体3按轴径向放置。在电机转子永磁体与转子铁芯外圆之间有铁磁物质制成的极靴1，极靴中放置鼠笼条2，鼠笼条2为铸铝笼或铜条笼。由于负载变化导致转子速度低于定子磁场同步速度，铸铝笼或铜条笼中感应出异步起动转矩，转子动态响应能力增加；同理，转子速度高于定子磁场同步速度时，铸铝笼或铜条笼感应出异步阻尼转矩。钕铁硼永磁体3位于转子铁芯6与转轴7之间，为矩形，且钕铁硼永磁体的磁化方向与转轴(7)的中心到钕铁硼永磁体(3)的垂直线平行。
转子铁芯6由硅钢片冲剪、叠压而成，铝镍钴永磁体5嵌入转子冲片(硅钢片)外侧的矩形槽中，钕铁硼永磁体3嵌入转子冲片内侧的矩形槽中，无特殊的工艺要求。转子铁芯6作为一个完全相互贯通的整体结构，机械强度相对较高，制作方便。特别应该注意的 是，合理选择钕铁硼永磁体3长度和宽度，使其尽可能多地贡献磁通量，电机气隙主磁通主要由其产生。切向放置的永磁体采用剩磁密度较高但矫顽力很低的铝镍钴永磁体，它可以正反两个方向反复磁化。合理选择铝镍钴永磁体5长度和宽度，可有效地调整电机可控磁通量的大小，以调整电机的弱磁范围。铝镍钴永磁体的宽度选择一般是，保证其与钕铁硼永磁体3被id脉冲同向强磁化后，不被钕铁硼永磁体3再反向去磁而重新磁化即可。钕铁硼永磁体3与铝镍钴永磁体5交接处，所保留的空间，可以是空气，也可以是起增强电机机械强度的非导磁材料，起隔磁作用。
在定子绕组施加一幅值可控的id脉冲，即可非常方便地改变气隙磁通的大小。其中，电机气隙磁通，是指电机永磁体产生的磁通在气隙中的分布，电机气隙位于转子铁芯外圆，如图4中序号8所指。
电机运行时，在短时间内，如一个电流变化周波的时间内，通过三相定子绕组施加一幅值和方向可控的id脉冲，在此电流脉冲所产生的直轴电枢反应磁动势作用后，铝镍钴永磁体5的磁化强弱及磁化方向就会改变，同时铝镍钴永磁体退磁回复直线的工作点也发生了变化。当铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体的磁化方向一致时，因铝镍钴永磁体矫顽力太低而对气隙主磁通贡献不大，但它会起到将钕铁硼永磁体产生的磁通推向定子，而使电机气隙主磁通有所增强的作用；铝镍钴永磁体在此方向被强磁化后，电机气隙主磁通最强。当铝镍钴永磁体与钕铁硼永磁体的磁化方向相反时，随着反方向磁化强度的不同，铝镍钴永磁体将钕铁硼永磁体产生的磁通在转子内旁路的数量也随之不同，从而起到将电机气隙主磁通小部分或者大部分减弱的独特作用；铝镍钴永磁体反方向被强磁化后，永磁气隙主磁通最弱。铝镍钴永磁体不像传统永磁电机弱磁方式那样需要持续加起去磁作用的id矢量，是真正宽速运行的永磁同步电机。
在低速运行区，铝镍钴永磁体应在与钕铁硼永磁体磁化方向相同的方向上被强磁化，电机气隙主磁通最高，电机处于恒转矩调速工作区。系统采用id＝0矢量控制策略，电机定子电流小，电机处于比较理想的控制运行状态，力能指标高。在高速运行区，需要施加幅值可控的id脉冲弱磁，进行必要的永磁气隙主磁通弱磁调整。弱磁调整后，当在某一速度范围内不需大幅调整而平稳运行时，磁通不需再反复调整。当速度需要大幅调整运行时，只需在某些必要的特定的速度下，通过施加所要求的幅值和方向可控的id脉冲，就可以轻易地改变铝镍钴永磁体的磁化状况及其退磁回复直线上的工作点，从而改变永磁气隙主磁通强弱，且随后保持调整后的磁化状况不变。除调整磁通时有id脉冲外，其它时间定子电流仅有负载电流-交轴电流iq，铜耗低，电机经济运行。同时，由于交轴电流产生的磁动 势的方向与切向放置的铝镍钴永磁体的磁化方向垂直，相当于不穿过切向放置的铝镍钴永磁体，对铝镍钴永磁体影响极小；虽然交轴电流产生的磁动势穿过钕铁硼，但是钕铁硼永磁体的矫顽磁动势很强，因此运行中两种永磁体都不会被负载电流退磁。
通过在三相定子绕组施加一幅值和方向可控的id脉冲，可连续改变转子永磁体建立的气隙磁通，在恒转矩区达到较高的力能指标，在恒功区达到较宽的调速范围。同时由于不需要或只需很小的直轴电流，定子总电流大大降低，同时也降低了定子绕组的损耗，提高了电机的效率。
另外在转子永磁体中，铝镍钴永磁体5可以由其他具有高剩磁密度、低矫顽力特点的永磁材料来代替。在转子结构中，钕铁硼永磁体3除按附图4的方式放置外，还有其他结构形式，如图6所示。
电机运行在低速恒转矩区时，调节施加定子绕组的脉冲，气隙磁通达到最大，电机可输出较高的力能指标；电机运行在高速恒功区时，调节施加定子绕组的脉冲，气隙磁通不断削弱，可达到较宽的调速范围。同时由于转子永磁体外表面与转子铁芯外圆8之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中可放置铸铝笼或铜条笼，电机具有异步起动能力，而且电机在外部情况发生变化导致电机转速变化时，极靴1中的铸铝笼或铜条笼感应出异步起动转矩(阻尼转矩)，电机可很快达到同步速度，电机的动、稳态性能大大提高。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种永磁电机转子装置，包括钕铁硼永磁体(3)、非导磁材料(4)、铝镍钴永磁体(5)、转子铁芯(6)和转轴(7)，转子永磁体由铝镍钴永磁体(5)和钕铁硼永磁体(3)组成，永磁电机转子为内置混合式磁路结构，转子铁芯(6)中的永磁体由铝镍钴永磁体(5)和钕铁硼永磁体(3)按U形放置，其特征在于：铝镍钴永磁体(5)按轴切向放置，钕铁硼永磁体(3)按轴径向放置，铝镍钴永磁体(5)与转子铁芯外圆(8)之间有铁磁物质制成的极靴(1)，极靴(1)中放置有鼠笼条(2)。
2.根据权利要求1所述的一种永磁电机转子装置，其特征在于：所述转子铁芯(6)由硅钢片叠压组成，铝镍钴永磁体(5)嵌入转子铁芯(6)硅钢片外侧的矩形槽中，钕铁硼永磁体(3)嵌入转子铁芯(6)硅钢片内侧的矩形槽中。
3.根据权利要求2所述的一种永磁电机转子装置，其特征在于：所述钕铁硼永磁体(3)呈矩形且位于转子铁芯(6)和转轴(7)之间，钕铁硼永磁体(3)的磁化方向与转轴(7)的中心到钕铁硼永磁体(3)的垂直线平行。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种永磁电机转子装置，其特征在于：所述转子铁芯(6)外包有定子绕组，所述定子绕组与一脉冲信号控制端相连。
5.根据权利要求4所述的一种永磁电机转子装置，其特征在于：所述铝镍钴永磁体(5)与钕铁硼永磁体(3)交接处的保留空间是非导磁材料。
6.根据权利要求5所述的一种永磁电机转子装置，其特征在于：所述极靴(1)中放置的鼠笼条(2)为铸铝笼。
7.根据权利要求5所述的一种永磁电机转子装置，其特征在于：所述极靴(1)中放置的鼠笼条(2)为铜条笼。
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