專利名稱：三段圓弧磁極結構的自起動永磁電機的制作方法
技術領域：
本發明屬于電動機技術領域，特別涉及一種轉子磁極為三段圓弧結構的自起動永磁電機。
背景技術：
在工業領域廣泛使用交流異步電機，因為異步電機具有制造容易、堅固耐用以及價格低廉等優點。但是異步電機需要由定子繞組提供勵磁電流，其功率因數不是很高，并且由于轉子銅損耗的存在使電機的效率不高，對于中小型異步電機或電機輕載時尤為嚴重。 相對于異步電機，永磁同步電機轉子上帶有永磁磁鋼，不需要外部提供勵磁，可以顯著提高功率因數；在永磁電機穩態運行時轉子沒有基波銅損，效率比同規格的異步電機高；而且稀土永磁電機在25% 120%額定功率范圍內都具有較高的效率和功率因數。因此自起動永磁電機在一些長時間運行或在多數工況為輕載運行的場合使用具有明顯的節能優勢。自起動永磁電機的永磁體在轉子中多采用內嵌式結構，永磁體的外面是鼠籠導條，起動時依靠鼠籠導條中的感應電流產生力矩，實現永磁電機的異步起動，起動完成后進入同步運行狀態，理想情況下轉子上沒有電流。目前的自起動永磁電機大多采用均勻氣隙結構，氣隙磁場中含有大量諧波，當永磁體在轉子內的布置不合理時氣隙磁密中的諧波會更加嚴重，使得永磁電機電動勢中諧波含量較大，增加了電機定子中的諧波電流、諧波銅損耗以及定子鐵心中的諧波鐵損，同時在轉子中也存在諧波鐵損、諧波電流及諧波銅損，影響了永磁電機效率的進一步提高；另外諧波磁場和諧波電流也會產生額外的力矩波動，引起電機的振動和噪聲。目前，為了減小空載氣隙磁場中的諧波磁場對電機性能的影響，自起動永磁電機主要通過永磁磁鋼在轉子中的布置方式以及極弧寬度的合理設計，來達到削弱氣隙中諧波磁場以及減小力矩波動的目的，但是該方法對氣隙磁場中諧波的削弱作用有限。西南交通大學的徐英雷等提出了磁極形狀為單段圓弧的偏心氣隙結構自起動永磁電機，通過選擇單段圓弧合理的偏心距使自起動永磁電機的空載氣隙磁密和空載電動勢波形盡可能接近理想的正弦波。但是在永磁電機基本磁路結構及主要尺寸確定后，轉子磁極形狀只有通過偏心距大小這一個變量的調整來改善氣隙磁密波形，雖然設計上簡單一些，也得到了比均勻氣隙永磁電機更接近正弦的氣隙磁場波形，但按這種設計方法得到的永磁電機空載氣隙磁場中的諧波含量還是相對較高，諧波磁場對永磁電機性能的影響還是比較大。
發明內容
本發明的目的是針對上述現有技術存在的不足，提出一種三段圓弧磁極結構的自起動永磁電機，定子部分由定子鐵心和定子繞組構成，轉子部分由轉子鐵心、永磁磁鋼、鼠籠式轉子起動導條和轉軸構成；其特征在于，所述轉子部分中的永磁體采用內嵌式結構，N、 S磁極交替布置成U型、V型或混合型結構；轉子每一個磁極表面由三段圓弧構成，其中，磁極中間段圓弧的半徑和轉子外圓半徑相同，以保證永磁電機最小的氣隙，其圓心和定子內圓圓心相同，每一磁極兩邊的圓弧半徑小于轉子外圓半徑，并且兩邊圓弧的圓心比中間段圓弧的圓心要靠近轉子表面，形成不均勻氣隙結構的自起動永磁電機。所述轉子是沖片式結構，永磁體在轉子鐵心內側布置，靠近轉子鐵心表面均勻分布由鑄鋁制成的鼠籠式轉子起動導條，為永磁電機的異步起動提供起動力矩；為了放置更多的永磁體，提高永磁電機的功率，鼠籠式轉子起動導條的高度比傳統鼠籠異步電機鼠籠導條的高度要小；定子槽和轉子槽的配合采用普通異步電機式的槽配合，或采用增大起動力矩而在穩態運行時減小力矩波動的配合方式。所述每個磁極包含的轉子槽個數相等；所述磁極中間段圓弧是指在轉子表面每個 U型或V型布置的兩條永磁體中間對稱于磁極中心線的圓弧段。所述三段圓弧磁極的永磁電機，轉子每個磁極通過適當調整中間圓弧張開的角度和兩邊圓弧圓心的偏心距構成不同組合結構，即可得到不同形狀的三段圓弧磁極結構，兩邊圓弧和中間圓弧平滑過渡連接，可以通過電磁場的時步有限元算法計算不同磁極中間圓弧張開角度和兩邊圓弧的偏心距對應的空載氣隙磁場，并對氣隙磁密波形進行諧波分解， 把不同磁極結構參數組合的氣隙磁場諧波達到比較小作為選擇磁極中間圓弧張開角度和兩邊圓弧的偏心距的依據。所述的三段圓弧磁極結構自起動永磁電機，定子采用和交流異步電機相同結構的鐵心和繞組結構，定子三相繞組采用星型連接。本發明有益效果是與現有技術相比，具有以下特點1.永磁電機的轉子不再是圓柱體，每個磁極有三段圓弧構成，因此電機的氣隙為不均勻氣隙。2.通過電磁場的數值計算優化三段圓弧磁極的結構參數，使永磁電機空載氣隙磁場中諧波含量明顯減小，空載氣隙磁密波形更接近于正弦。3.由于空載氣隙磁密波形接近于正弦，永磁磁鋼感應的電動勢以及永磁電機工作時的電流更接近正弦，從而使諧波磁場和諧波電流對電機效率以及力矩波動的影響都得到明顯改善。
下面結合附圖對本發明作詳細說明圖1為三段圓弧磁極結構的自起動永磁電機截面示意圖。圖2為三段圓弧磁極結構的自起動永磁電機轉子一個磁極的放大示意圖。圖3為傳統均勻氣隙的自起動永磁電機截面示意圖。圖4為傳統均勻氣隙的自起動永磁電機一個磁極下的氣隙磁密波形。圖5為傳統均勻氣隙和三段圓弧磁極結構的永磁電機一個磁極下氣隙磁密的諧波分解對比。圖6為傳統均勻氣隙永磁電機和三段圓弧磁極結構永磁電機的空載電動勢波形圖。圖7為傳統均勻氣隙和三段圓弧磁極結構永磁電機空載電動勢的諧波分解對比圖。
附圖標記1-鼠籠式轉子起動導條，2-永磁磁鋼，3-轉軸，4-轉子鐵心，5-定子雙層繞組， 6-定子鐵心，7-三段圓弧磁極永磁電機的不均勻氣隙，8-永磁磁鋼底部的空氣隔磁槽， 9-永磁底部隔磁磁橋，10-永磁頂部隔磁磁橋，11-永磁磁鋼頂部的空氣隔磁槽，12-傳統永磁電機的均勻氣隙；0-永磁電機定子圓心，O2-磁極兩邊圓弧的圓心，AB-轉子磁極中間圓弧；AC和BD-轉子磁極兩邊圓弧，Rr-轉子磁極中間圓弧半徑，α -轉子磁極中間圓弧張開的角度，r2-轉子磁極兩邊圓弧半徑，ACl和BDl-傳統均勻氣隙永磁電機磁極圓弧。
具體實施例方式本發明提出一種三段圓弧磁極結構的自起動永磁電機，定子由定子鐵心6和定子繞組5構成，由硅鋼片疊壓而成轉子鐵心4，轉子硅鋼片上沖壓有安置起動導條的鼠籠槽和永磁槽，分別放置鑄鋁制成的鼠籠式轉子起動導條1和永磁磁鋼2。永磁磁鋼的N、S磁極交替布置，每一個極的永磁磁鋼兩端分別設置底部空氣隔磁槽8、頂部空氣隔磁槽11、永磁底部隔磁磁橋9和永磁頂部隔磁磁橋10 (如圖2所示)，以保證整個轉子的剛度，同時又不使永磁在轉子內的漏磁過大；在轉子內部由轉子轉軸3支撐轉子并對外傳遞力矩。由圖1、圖2可知，永磁體2采用V型布置的內嵌式結構，N、S磁極交替布置；所述三段圓弧磁極結構永磁電機轉子內的永磁磁鋼方式，永磁磁鋼2在轉子鐵心4內側布置，靠近轉子鐵心4表面均勻分布鼠籠式轉子起動導條1，為永磁電機的異步起動提供起動力矩， 為了放置更多的永磁磁鋼2，提高永磁電機的功率，鼠籠式轉子起動導條1的高度比傳統鼠籠異步電機轉子導條的高度要小；定轉子槽配合采用普通異步電機的槽配合，定子鐵心6 沖壓有48槽，鼠籠式轉子起動導條的鼠籠槽數為40，并將轉子鼠籠槽槽數分為相等的8份， 每份為一個磁極。轉子每一個磁極表面由三段圓弧構成，其中，磁極中間段圓弧是指在轉子表面每個V型布置的兩條永磁體中間的3個轉子鼠籠槽之間對稱于磁極中心線的圓弧段AB，其中磁極中間段圓弧AB的半徑Rr和轉子外圓半徑相同，以保證永磁電機最小的氣隙，其圓心和定子內圓圓心相同即圓心0和定子內圓圓心相同；每一磁極兩邊的圓弧AC與BD的半徑r2 小于轉子外圓半徑Rr，并且兩邊圓弧AC與BD的圓心&比轉子外圓圓心0要靠近轉子表面， 形成不均勻氣隙7，由此得到三段圓弧不均勻氣隙的自起動永磁電機。如圖2所示，轉子每個磁極通過適當調整中間圓弧AB張開的角度α和兩邊圓弧圓心的偏心距0 構成不同組合結構，即可得到不同形狀的三段圓弧磁極結構，兩邊圓弧 AC、BD和中間圓弧AB平滑過渡連接。本實施例中，轉子4中間圓弧AB的半徑Rr為258. 7mm, 中間圓弧AB張開的角度α為12. 22°，磁極兩邊圓弧AC、BD的偏心距0 為31. 13mm。如圖1所示，所述三段圓弧磁極的永磁電機，定子采用和交流異步電機相同結構的鐵心和繞組結構，定子采用雙層短距分布繞組結構以進一步削弱繞組中的諧波感應電動勢，定子三相繞組5采用星型連接。對比圖1和圖3可以看出，本發明所述的三段圓弧磁極結構的永磁電機和傳統結構的永磁電機的最大區別在于傳統結構永磁電機的轉子4為均勻圓柱體表面，定子6和轉子4之間為均勻氣隙12，而本發明的三段圓弧磁極結構電機的轉子4為非均勻圓柱體表面， 定子6和轉子4之間為不均勻氣隙7。
圖4為傳統均勻氣隙結構永磁電機一個極下空載磁密波形；圖5為傳統均勻氣隙和三段圓弧磁極結構的永磁電機一個磁極下氣隙磁密的諧波分解對比，由圖5中諧波分解的對比結果可以看出，三段圓弧磁極結構的永磁電機空載氣隙磁場中諧波明顯降低。圖6 為傳統均勻氣隙自起動永磁電機和三段圓弧磁極結構自起動永磁電機的空載電動勢波形， 對比結果可以看出，三段圓弧磁極結構永磁電機的空載電動勢波形明顯比傳統均勻氣隙結構永磁電機的電動勢更接近正弦。圖7為傳統均勻氣隙永磁電機和三段圓弧磁極結構永磁電機空載電動勢的諧波分解對比，可以看出除了 5磁諧波外，其他各次諧波的電動勢明顯比傳統均勻氣隙永磁電機的小，從而本實施例永磁電機工作時電流中的諧波含量由原來均勻氣隙永磁電機的19. 3%降低為14.9%，相應諧波損耗也比傳統均勻氣隙的永磁電機小，力矩波動也比傳統均勻氣隙的永磁電機小，由原來均勻氣隙電機的在額定轉矩附近以 95N · m幅值范圍內波動減小為57N · m，力矩波動明顯減小。
權利要求
1.一種三段圓弧磁極結構的自起動永磁電機，定子部分由定子鐵心和定子繞組構成， 轉子部分由轉子鐵心、永磁磁鋼、鼠籠式轉子起動導條和轉軸構成；其特征在于，所述轉子部分中的永磁體采用內嵌式結構，N、S磁極交替布置成U型、V型或混合型結構；轉子每一個磁極表面由三段圓弧構成，其中，磁極中間段圓弧的半徑和轉子外圓半徑相同，以保證永磁電機最小的氣隙，其圓心和定子內圓圓心相同，每一磁極兩邊的圓弧半徑小于轉子外圓半徑，并且兩邊圓弧的圓心比中間段圓弧的圓心要靠近轉子表面，形成不均勻氣隙結構的自起動永磁電機。
2.根據權利要求1所述三段圓弧磁極結構的自起動永磁電機，其特征在于，所述轉子是沖片式結構，永磁體采用U型、V型或混合型布置方式，永磁體在轉子鐵心內側布置，靠近轉子鐵心表面均勻分布由鑄鋁制成的鼠籠式轉子起動導條，為永磁電機的異步起動提供起動力矩；為了放置更多的永磁體，提高永磁電機的功率，鼠籠式轉子起動導條的高度比傳統鼠籠異步電機鼠籠導條的高度要小；定子槽和轉子槽的配合采用普通異步電機式的槽配合，或采用增大起動力矩而在穩態運行時減小力矩波動的配合方式。
3.根據權利要求1所述三段圓弧磁極結構的自起動永磁電機，其特征在于，所述磁極中間段圓弧是指在轉子表面每個U型或V型布置的兩條永磁體中間對稱于磁極中心線的圓弧段。
4.根據權利要求1所述三段圓弧磁極結構的自起動永磁電機，其特征在于，所述三段圓弧磁極的永磁電機，轉子每個磁極通過適當調整中間段圓弧張開的角度和兩邊圓弧圓心的偏心距構成不同組合結構，即可得到不同形狀的三段圓弧磁極結構，兩邊圓弧和中間圓弧平滑過渡連接，可以通過電磁場的時步有限元算法計算不同磁極中間段圓弧張開角度和兩邊圓弧的偏心距對應的空載氣隙磁場，并對氣隙磁密波形進行諧波分解，把不同磁極結構參數組合的氣隙磁場諧波達到比較小作為選擇磁極中間段圓弧張開角度和兩邊圓弧圓心偏心距的依據。
5.根據權利要求1所述三段圓弧磁極結構的自起動永磁電機，其特征在于，所述的三段圓弧磁極結構自起動永磁電機，定子采用和交流異步電機相同結構的鐵心和繞組結構， 定子三相繞組采用星型連接。
全文摘要
本發明公開了屬于電動機技術領域的一種轉子磁極為三段圓弧結構的自起動永磁電機。它由定子和轉子構成；所述轉子中的永磁體采用內嵌式結構，N、S磁極交替布置；轉子每個磁極表面由三段圓弧構成，其中，磁極中間段圓弧半徑和轉子外圓半徑相同，以保證永磁電機的最小氣隙，其圓心和定子內圓圓心相同，每個磁極兩邊圓弧半徑小于轉子外圓半徑，并且兩邊圓弧的圓心比中間段圓弧圓心要靠近轉子表面，形成不均勻氣隙結構的永磁電機。通過調整磁極中間圓弧角度和兩邊圓弧圓心的偏心距使空載氣隙磁場中諧波含量較小得到合理的磁極形狀。本發明永磁電機的諧波磁場和諧波電流對電機效率和力矩波動的影響都明顯改善，適合于長時間連續運行的工作場合。
文檔編號H02K1/27GK102185449SQ201110044038
公開日2011年9月14日 申請日期2011年2月23日 優先權日2011年2月23日
發明者劉明基, 羅應立, 陳超 申請人:華北電力大學