一種具有複合材料起動導條的自起動永磁電機的製作方法

2023-10-08 06:01:39 1

專利名稱：一種具有複合材料起動導條的自起動永磁電機的製作方法
技術領域：
本發明屬於永磁電機技術，特別涉及一種具有複合材料起動導條的自起動永磁電 機。
背景技術：
在工業領域廣泛使用交流異步電機，因為異步電機具有製造容易、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，並且 由於轉子銅損耗的存在使電機的效率不高，對於中小型異步電機或電機輕載時尤為嚴重。 相對於異步電機，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%額定功率範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採用內嵌式結構，永磁體的外面是鼠籠起動 導條，起動時依靠起動導條中的感應電流產生力矩，實現永磁電機的異步起動，起動完成後 進入同步運行狀態，理想情況下轉子上沒有電流。永磁電機在起動過程中的定子電流主要有兩部分構成，一是由於外施電壓所產生 鼠籠異步電機效應的定子電流；二是永磁體磁場作用於定子繞組且定子繞組通過電網等效 短路所產生的變頻永磁發電機短路電流。這兩方面的因素使得自起動永磁電機的起動電流 要比普通異步電機大的多。另外在永磁電機起動過程中，電機永磁體中的磁場主要有三部分構成鼠籠異步 電機效應磁場、變頻發電機效應磁場以及永磁體本身的磁場。其中第一種磁場在轉子某些 位置可能是去磁磁場，變頻發電機效應磁場始終是退磁性質的磁場，這樣由於起動過程種 較大的起動電流可能引起電機內永磁體的退磁或局部退磁，使電機性能下降，甚至不能正 常運行。有研究者採用轉子閉口槽或閉口槽和開口槽相結合的辦法來減小起動電流，但是 轉子閉口槽相當於增大了轉子的漏電抗，雖然減小了起動電流，但是降低了電機的起動轉 矩和電機牽入同步的能力。如果要減小電機的起動電流而獲得較大的異步起動轉矩，最有效的辦法是增大轉 子電阻。然而較大的轉子電阻又使帶一定負載的電機異步穩態運行時的轉差率較大，使牽 入能力變小，對電機牽入同步不利，甚至使電機運行在異步工作狀態而不能高效地同步運 行。在通常的感應電機設計中，通過深槽或雙層鼠籠轉子設計，利用電機起動過程中 的擠流效應增大電機低速時的轉子電阻，而在電機接近同步轉速時轉子等效電阻減小，提 高電機的運行效率。然而在自起動永磁電機中，由於永磁體的存在，使轉子不可能採用深槽 或雙層導條結構。

發明內容
本發明的目的是針對上述現有永磁電機存在的起動電流大、容易退磁的技術不 足，本發明提出了一種具有複合材料起動導條的自起動永磁電機，其特徵在於所述自起動永磁電機的定子鐵心衝壓有定子槽；轉子鐵心由在外圓衝壓有轉子槽 的圓形矽鋼片疊壓而成，在轉子鐵心內側，衝壓有永磁磁鋼安裝槽，永磁磁鋼按N、S磁極交 替布置在永磁磁鋼安裝槽中；永磁轉子採用U型、V型或混合型磁路的磁極結構，在每一個 磁極結構的兩塊磁鋼頂部和底部分別設計有磁鋼頂部空氣隔磁槽、磁鋼底部空氣隔磁槽、 磁鋼頂部隔磁磁橋和磁鋼底部隔磁磁橋，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；靠近轉子鐵心表面均勻分布由黃銅和銅鐵合金兩種材料複合構成的複合材 料的鼠籠起動導條，各鼠籠起動導條的兩端在轉子鐵心外短路，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，複合材料的鼠籠起動導條在轉 子徑向的高度比傳統鼠籠異步電機鼠籠導條的高度小；定子槽和轉子槽之間的配合採用普 通異步電機的槽配合，或採用增大起動力矩而在穩態運行時減小力矩波動的定子槽和轉子 槽之間的配合；在轉子內部由轉子轉軸支撐轉子並對外傳遞力矩。所述由黃銅和銅鐵合金兩種材料複合構成複合材料的鼠籠起動導條，其中黃銅導 條位於轉子槽底部和轉子槽上部的中間部位，轉子槽上部兩側部位為銅鐵合金材料，或者 轉子槽的中間為黃銅材料而轉子槽兩側為銅鐵合金材料，各複合材料鼠籠起動導條的兩端 在轉子鐵心外通過焊接的黃銅端環短路；通過調整黃銅材料與銅鐵合金材料在轉子槽中的 結構尺寸，得到永磁電機具有較小的起動電流倍數和適中的起動轉矩倍數，並且具有較強 的抗退磁能力。所述具有複合材料起動導條的自起動永磁電機，其定子採用和交流異步電機相同 結構的鐵心和繞組結構，定子三相繞組採用星型連接。本發明的有益效果是與現有技術相比，具有以下特點1.複合材料起動導條永磁電機的轉子導條由黃銅和銅鐵合金兩種材料複合而成。2.複合材料起動導條永磁電機的起動電流明顯小於傳統永磁電機起動電流。3.複合材料起動導條永磁電機的抗退磁能力優於傳統永磁電機。


下面結合附圖對本發明作詳細說明圖1為複合材料起動導條永磁電機截面示意圖。圖2為複合材料起動導條永磁電機轉子一個磁極的放大示意圖。圖3為傳統自起動永磁電機截面示意圖。圖4為傳統永磁電機和複合材料起動導條永磁電機起動電流隨時間變化曲線。圖5為傳統永磁電機和複合材料起動導條永磁電機起動速度隨時間變化曲線圖。圖6為複合材料起動導條永磁電機與傳統永磁電機起動過程中永磁體內磁密隨 時間變化對比圖。附圖標記1-鼠籠起動導條，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， -磁鋼頂部隔磁磁橋，8-磁鋼底部的空氣隔磁槽，9-磁鋼底部隔磁磁橋，10-磁鋼頂部的空氣隔磁槽，11-黃銅導條，12-銅鐵合金材料導條，Wl-黃銅導條寬度，Hl-黃銅導條高 度，H2-導條底部黃銅高度。
具體實施例方式本發明提出了一種具有複合材料起動導條的自起動永磁電機。由圖1所示複合材 料起動導條永磁電機截面示意圖可知，所述複合材料起動導條的自起動永磁電機為均勻氣 隙結構，在定子鐵心6上衝壓有定子槽；轉子鐵心4由在外圓衝壓有轉子槽的圓形矽鋼片疊 壓而成，在轉子鐵心內側，衝壓有永磁磁鋼安裝槽，永磁磁鋼2按N、S磁極交替布置在永磁 磁鋼安裝槽中；靠近轉子鐵心表面均勻分布由黃銅導條11和銅鐵合金材料12複合構成的 複合材料的鼠籠起動導條1，永磁轉子採用U型、V型或混合型磁路的磁極結構，矽鋼片上衝 壓有鼠籠起動導條槽和永磁槽，分別放置鼠籠起動導條1和永磁磁鋼2 ；在每一個磁極結構 的兩塊永磁磁鋼2的頂部和底部分別設計有磁鋼頂部空氣隔磁槽10、磁鋼底部空氣隔磁槽 8、磁鋼頂部隔磁磁橋7和磁鋼底部隔磁磁橋9，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支撐轉子並對外傳遞力矩。各鼠籠起動導條 1的兩端在轉子鐵心4外短路，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，複合材料的鼠籠起動導條在轉子徑向的高度比傳統鼠籠異步電 機鼠籠導條的高度小；定子槽和轉子槽之間的配合採用普通異步電機的槽配合，或採用增 大起動力矩而在穩態運行時減小力矩波動的定子槽和轉子槽之間的配合；定子鐵心6衝壓 有48槽，轉子起動導條數為40。如圖1所示，所述具有複合材料起動導條的自起動永磁電機，定子採用和交流異 步電機相同結構的鐵心和繞組結構，定子採用雙層短距分布繞組結構以削弱繞組中的諧波 感應電動勢，定子三相繞組5採用星型連接。所述的複合材料轉子起動導條永磁電機的工作原理如下當永磁電機起動時，轉子從靜止開始加速旋轉，定子電流形成的磁場與轉子之間 最初以較高的相對運動速度運動，此時轉子起動導條中感應電動勢和感應電流的頻率接近 定子電流頻率，轉子鐵心中磁場的交變頻率也接近定子電流頻率。由於轉子的集膚效應，當 頻率較高時磁場在轉子中的透入深度比較淺，也就是說從轉子鐵心表面開始往轉子內部隨 著深度的增加，磁場逐漸變小。這樣使得轉子導條中的電流主要集中在鼠籠起動導條靠近 轉子鐵心表面的區域，越往轉子內部，鼠籠起動導條中電流密度越小，使轉子的等效電阻變 大，從而減小了電機起動時的定子電流。根據異步電機的工作原理，轉子電阻在一定範圍內 增大時，使得電機的起動轉矩得到提高。隨著轉子轉速的不斷增大，轉子中磁場的交變頻率 逐漸降低，集膚效應越來越不明顯，鼠籠起動導條中的電流密度逐漸趨於均勻分布，轉子的 等效電阻變小，使帶一定負載的電機異步運行機械特性的斜率變小，更容易把電機牽入同 步狀態，提高了永磁電機牽入同步的能力。轉子起動導條兩邊的銅鐵合金材料與純鑄鋁導條或純黃銅材料相比有較好的導 磁性能，一方面使起動過程中磁場在導條中的透入深度減小，增大起動過程中轉子的等效 電阻，使電機起動電流減小，從而使電機內永磁體的退磁磁場變小；另一方面銅鐵合金材料 的存在相當於為定轉子電流合成磁場提供了一個漏磁路，使穿過永磁體的退磁磁場變小。 綜合以上兩方面的因素，使複合材料轉子起動導條永磁電機的抗退磁能力得到了提高。
實施例1如圖2所示為複合材料起動導條永磁電機轉子一個磁極的放大示意圖，每個鼠籠 起動導條1包括兩種材料黃銅材料和銅鐵合金材料。其中黃銅導條11為凸形結構，位於轉 子槽的底部和上部的中間部位，銅鐵合金材料12位於轉子槽的上部兩側部位。各鼠籠起動 導條1的兩端在轉子鐵4心外通過焊接的黃銅端環短路；本實施例中，銅鐵合金材料的電導 率為6825. 47^S，介於銅和鐵之間。轉子槽底部黃銅的高度為3mm，上部黃銅高度為16mm， 寬度為2mmο對比圖1和3可以看出，本發明所述的複合材料起動導條永磁電機和傳統結構的 永磁電機的最大區別在於傳統結構永磁電機的轉子起動導條為一種材料，通常為鑄鋁，而 本發明的複合材料導條永磁電機的起動導條由黃銅導條11和銅鐵合金12兩種材料複合而 成。通過調整黃銅材料與銅鐵合金材料在轉子槽中的結構尺寸，得到永磁電機具有較小的 起動電流倍數和適中的起動轉矩倍數，並且具有較強的抗退磁能力。圖4所示為傳統永磁電機和複合材料起動導條永磁電機起動電流隨時間變化曲 線。可以看出，由傳統永磁電機起動電流隨時間變化曲線得到起動電流倍數為12，遠遠大於 同規格異步電機的起動電流倍數，而從複合材料起動導條永磁電機起動電流隨時間變化曲 線所得的電流起動倍數為7. 72，起動轉矩倍數為3. 08，可見複合材料轉子導條明顯降低了 永磁電機的起動電流。圖5所示為傳統永磁電機和複合材料起動導條永磁電機起動速度隨時間變化曲 線圖。可以看出由於傳統電機的起動電流比較大，使得傳統永磁電機起動過程中出現多次 超過同步速，經過多次振蕩，大約在0. 3s左右才牽入同步，而複合材料起動導條永磁電機 只超調一次，在0. 20s左右已經完全進入同步速，起動時間比傳統永磁電機短，並且起動過 程比傳統永磁電機更平穩。圖6所示為複合材料起動導條永磁電機與傳統永磁電機起動過程中永磁體內磁 密隨時間變化對比圖。由對比結果可以看出，由於複合材料起動導條永磁電機起動電流的 減小以及導條中銅鐵合金所提供的定轉子電流合成磁場的漏磁通路，起動過程中永磁體最 低點磁密為0. 277T，明顯大於傳統結構永磁電機中永磁體的最小磁密0. 205T,說明複合材 料轉子起動導條明顯提高了永磁電機的抗退磁能力。實施例2實施例2的複合材料起動導條的永磁電機整體結構和實施例1相同，區別在於轉 子導條中黃銅的結構與實施例1不同，即在圖2所示的複合材料起動導條永磁電機轉子一 個磁極的放大示意圖中，鼠籠起動導條1的中間部分全是黃銅導條11，導條槽的兩邊是銅 鐵合金材料12，因此鼠籠起動導條1的加工也比實施例1簡單。在實施例2中黃銅的寬度選 為2mm。該實施例中的永磁電機的起動電流倍數為7. 56，堵轉轉矩倍數為3. 2，起動過程中 永磁體某點最小磁密為0. 277T，明顯大於傳統結構永磁電機中永磁體的最小磁密0. 205T, 說明複合材料轉子起動導條明顯降低了喲個詞電機的起動電流，並且提高了永磁電機的抗 退磁能力。
權利要求
1.一種具有複合材料起動導條的自起動永磁電機，其特徵在於，所述自起動永磁電機 的定子鐵心衝壓有定子槽；轉子鐵心由在外圓衝壓有轉子槽的圓形矽鋼片疊壓而成，在轉 子鐵心內側，衝壓有永磁磁鋼安裝槽，永磁磁鋼按N、S磁極交替布置在永磁磁鋼安裝槽中； 永磁轉子採用U型、V型或混合型磁路的磁極結構，在每一個磁極的兩塊磁鋼頂部和底部分 別設計有磁鋼頂部空氣隔磁槽、磁鋼底部空氣隔磁槽、磁鋼頂部隔磁磁橋和磁鋼底部隔磁 磁橋，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；靠近轉子鐵心表面均 勻分布由黃銅和銅鐵合金材料複合構成的複合材料鼠籠起動導條，各複合材料鼠籠起動導 條的兩端在轉子鐵心外短路，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，複合材料鼠籠起動導條在轉子徑向的高度比傳統鼠籠異步電機 鼠籠導條的高度小；定子槽和轉子槽之間的配合採用普通異步電機的槽配合，或採用增大 起動力矩而在穩態運行時減小力矩波動的定子槽和轉子槽之間的配合；在轉子內部由轉子 轉軸支撐轉子並對外傳遞力矩。
2.根據權利要求1所述一種具有複合材料起動導條的自起動永磁電機，其特徵在於， 所述由黃銅和銅鐵合金材料複合構成的複合材料鼠籠起動導條，其中黃銅導條位於轉子槽 底部和轉子槽上部的中間部位，轉子槽上部兩側部位為銅鐵合金材料，或者轉子槽的中間 為黃銅材料而轉子槽兩側為銅鐵合金材料，各複合材料鼠籠起動導條的兩端在轉子鐵心外 通過焊接的黃銅端環短路；通過調整黃銅材料與銅鐵合金材料在轉子槽中的結構尺寸，得 到永磁電機具有較小的起動電流倍數和適中的起動轉矩倍數，並且具有較強的抗退磁能 力。
3.根據權利要求1所述一種具有複合材料起動導條的自起動永磁電機，其特徵在於， 所述具有複合材料起動導條的自起動永磁電機，其定子採用和交流異步電機相同結構的鐵 心和繞組結構，定子三相繞組採用星型連接。
全文摘要
本發明公開了屬於永磁電機技術領域的一種具有複合材料起動導條的自起動永磁電機。該永磁電機的轉子為衝片式結構，永磁體在轉子鐵心內側，N、S磁極交替布置，永磁轉子採用U型、V型或混合型磁路的磁極結構，靠近轉子鐵心表面均勻分布複合材料鼠籠起動導條；複合材料鼠籠起動導條由黃銅和銅鐵合金兩種材料構成。黃銅位於轉子槽底部和轉子槽上部的中間部位，轉子槽上部兩側部位為銅鐵合金材料；或者轉子槽的中間為黃銅而轉子槽兩側為銅鐵合金材料。各複合材料起動導條的兩端在轉子鐵心外通過焊接的黃銅端環短路。通過調整黃銅與銅鐵合金材料的結構尺寸，得到的永磁電機起動電流倍數小，抗退磁能力強，起動平穩，適合於長時間連續運行的工作場合。
文檔編號H02K21/46GK102111051SQ20111004613
公開日2011年6月29日 申請日期2011年2月25日 優先權日2011年2月25日
發明者劉明基, 盧偉甫, 宋中陽, 張健, 羅應立 申請人:華北電力大學