永磁自啟動同步電機的製作方法

2023-04-27 00:59:56

專利名稱：永磁自啟動同步電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及永磁電機技術領域，具體地說，涉及一種永磁自啟動同步電機。
背景技術：
IEC60034-3指出全世界工業用電動機消耗了總發電量的30 40% ，其系統優化節能潛力可達到30 60%;國際能源署電動機工作組報告電動機通過改善效率結合變頻調速可以節約世界範圍內7%的電能，其中1/4 1/3的節約可來自於改善電動機的效率。
據統計，2007年中國國內市場銷售的高效電機佔電動機總銷量的1%左右。98%以上電機產品是普通效率電動機，比美國的高效電機效率低3%，比超高效電機效率低5%;風機、泵、壓縮機產品效率比國外先進水平低3 5個百分點；電機傳動調速及系統控制技術差距較大，系統效率比國外先進水平低20 30%，電機系統節能潛力巨大。
推廣高效節能電動機、稀土永磁電動機，高效風機、泵、壓縮機，高效傳動系統等。更新淘汰低效電動機及高耗電設備；採用高效節能電機及系統相關節電設備新裝電機系統。逐步限制並禁止落後低效產品的生產、銷售和使用。對老舊設備更新改造，重點是高耗電中小型電機及風機、泵類系統的更新改造及定流量系統的合理匹配。 由於感應電動機在額定負載點效率最高，在低負載率下效率和功率因數降低較多，因此即使是高效感應電動機，在實際運行時的效率也是很低的。而高效高起動轉矩永磁同步電動機可以替代大一個至兩個功率等級的感應電動機，並可在整個運行過程中都保持高效率和高功率因數，節電率可達到20%左右。因此，在某些特殊場合，高效高起動轉矩永磁同步電動機將以其優良的性能替代異步電動機。 目前而言，對於小功率馬達，永磁自起動馬達的效率可以很容易達到94%，而異步馬達最高效僅僅92%。因此，目前替代55KW功率以下的馬達，永磁自啟動電機具有非常明顯的優勢。如圖1至圖4所示，一般的永磁自啟動電機的轉子通常採用一字型，V型，U型或者W型永磁體，採用何種永磁體結構完全依據馬達設計中所需永磁體的用量來決定，上述各種結構都需處理好永磁體槽與轉子槽之間的關係使其滿足機械結構強度，同時一字型，V型，U型，W型中永磁體需要定位，對加工工藝的要求較高，否則，如果永磁體槽空間小，會導致永磁體不能方進去；如果永磁體槽過大，永磁體偏移導致磁路結構不對稱，降低電機性

發明內容
本發明的目的是解決現有技術存在的缺陷，提供一種轉子永磁體結構簡單、永磁
體利用率高，而且在電機中形成的磁場變化最小的永磁自啟動同步電機。 本發明所解決的技術問題可以採用以下技術方案來實現 本發明第一種實施方式的永磁自啟動同步電機，包括轉子，轉子的圓周上設有轉子齒和轉子槽，其特徵在於以經過轉子圓心的轉子齒中心線，將轉子平均化分為與轉子極數相同數量的極區，每個極區中設有圓弧形永磁體，任意相鄰的兩極區中的永磁體以相鄰極區邊界的轉子齒中心線對稱設置。 本發明中，每個極區中的永磁體的兩端部均處於該永磁所在極區轉子槽的下方， 以使轉子槽起到隔磁作用，為了使轉子槽的隔磁效果最佳，永磁體的端部設置在轉子槽遠 離極區邊界一側邊緣的下方。 由於圓弧形永磁的對稱性，每極區中心鄰近轉子轉軸處的磁密低，即使開孔後轉
子軛部磁密的變化也不大，對馬達性能的影響很小，因此可在此處開設定位孔，以便於轉子 的安裝和定位。 本發明中，未了使永磁自啟動電機的性能較佳，根據轉子的極數P，轉子槽數量Qs 和定子槽數量Qr應同時滿足以下條件 1)考慮轉子磁路對稱性，轉子槽數為極數的整數倍； 2)為避免起動過程中產生較強的異步附加轉矩，應滿足Qr《1. 25*(Qs+P);
3)為避免產生同步附加轉矩，應滿足Qr - Qs ;Qr - Qs±P ;Qr - Qs士2P ;
4)為避免單向震動力，應滿足Qr - Qs±l ;Qr - Qs±P±l。 本發明第二種實施方式的永磁自啟動同步電機，包括轉子，轉子的圓周上設有轉 子齒和轉子槽，其特徵在於以經過轉子圓心的轉子槽中心線，將轉子平均化分為與轉子極 數相同數量的極區，每個極區中設有圓弧形永磁體，任意相鄰的兩極區中的永磁體以相鄰 極區邊界的轉子槽中心線對稱設置。 本發明中，每個極區中的永磁體的兩端部均處於該永磁所在極區轉子槽的下方， 以使轉子槽起到隔磁作用，為了使轉子槽的隔磁效果最佳，永磁體的端部設置在轉子槽遠 離極區邊界一側邊緣的下方。 由於圓弧形永磁的對稱性，每極區中心鄰近轉子轉軸處的磁密低，即使開孔後轉 子軛部磁密的變化也不大，對馬達性能的影響很小，因此可在此處開設定位孔，以便於矽鋼 片的安裝和定位。 本發明中，為了使永磁自啟動電機的性能較佳，根據轉子的極數P，轉子槽數量Qs 和定子槽數量Qr應同時滿足以下條件 1)考慮轉子磁路對稱性，轉子槽數為極數的整數倍； 2)為避免起動過程中產生較強的異步附加轉矩，應滿足Qr《1. 25*(Qs+P);
3)為避免產生同步附加轉矩，應滿足Qr - Qs ;Qr - Qs±P ;Qr - Qs士2P ;
4)為避免單向震動力，應滿足Qr - Qs±l ;Qr - Qs±P±l。 本發明靠圓弧形永磁體與轉子槽底的轉子鐵心既可實現隔磁，不需要單獨建立隔 磁橋，再通過調整轉子槽底到永磁體的距離來調整極間漏磁係數，轉子槽在起到隔磁的作 用的同時，也能起到啟動並牽入同步的作用。 永磁體各個位置到轉子外表面的距離相等，即磁阻相等，所以在電機中形成的磁 場變化最小，不會出現局部磁密過高的問題，並有效降低氣隙磁密中的三次諧波含量，正弦 性效果比較好。 相同尺寸永磁體的情況下，永磁體利用率高，永磁體提供的磁通量大，可以節省定 子繞組銅線的用量，圓弧形永磁體結構簡單，加工製作方便。由於對稱性，永磁體軸線上還 可以開設定位孔，便於矽鋼片安裝和定位。


圖1為現有永磁體為一字型的轉子的結構示意圖。 圖2為現有永磁體為V型的轉子的結構示意圖。 圖3為現有永磁體為U型的轉子的結構示意圖。 圖4為現有永磁體為W型的轉子的結構示意圖。 圖5為本發明實施例1轉子的結構示意圖。 圖6為本發明實施例1電機一極定子和轉子的磁力線分布示意圖。 圖7為本發明實施例2轉子的結構示意圖。
具體實施例方式
為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結 合具體圖示，進一步闡述本發明。 本發明的主旨在於提供一種永磁自啟動同步電機，該永磁自啟動同步電機的轉子 永磁體要結構簡單、永磁體利用率高，而且在電機中形成的磁場變化小。本發明中，定子與 一般的永磁自啟動同步電機的定子結構相同，定子結構不是本發明的主要部分，在此不進 行累述。 實施例1 永磁自啟動同步電機是指轉子上具有起動繞組，能夠在某一電壓和頻率下，自己 起動並牽入同步運行的永磁電機，起動過程中，轉子導體產生起動電磁力矩，同步運行時， 轉子導體不起作用。因此，轉子的圓周上設有纏繞啟動繞組的轉子槽，相鄰兩轉子槽之間的 部分就構成了轉子齒，轉子槽和轉子齒相隔設置。通常，小功率的永磁自啟動同步電機轉子 採用鑄鋁製成，轉子槽採用梯形槽結構，與轉子梯形槽相對的是採用矩形齒結構的轉子齒， 這主要為了保證磁路的均勻化；大功率的永磁自啟動同步電機轉子則採用銅條製成，轉子 槽採用矩形槽結構，轉子齒則採用梯形齒結構。 參見圖5，本發明實施例1以4極的小功率的永磁自啟動電機的轉子進行說明，轉
子的圓周上設有梯形結構的轉子齒1和矩形結構的轉子槽2，轉子被轉子齒中心線11、12、
13、14平均化分為4個極區，相鄰的極區之間以轉子齒中心線為邊界，轉子齒中心線是指經
過轉子圓心和任何一個轉子齒1中心的連線。若轉子為6極或者8極，則需要6條或者8
條轉子齒中心線對轉子進行劃分，極區的數量與轉子的極數是完全相同的。 每個極區中設有圓弧形永磁體3，相同尺寸永磁體的情況下，圓弧形永磁體利用率
最高，永磁體提供的磁通量大，可以節省定子繞組銅線的用量，圓弧形永磁體結構簡單，加
工製作方便。 任意相鄰的兩極區中的永磁體3以相鄰極區邊界的轉子齒中心線對稱設置，以圖
5中上端的極區的永磁體3為例，其與左端極區中的永磁體相對轉子齒中心線11對稱，其與
右端極區中的永磁體相對轉子齒中心線12對稱。這樣，所有極區中的永磁體位置到轉子外
表面的距離相等，即磁阻是相等的，所以在電機中形成的磁場變化最小，不會出現局部磁密
過高的問題，並有效降低氣隙磁密中的三次諧波含量，正弦性效果比較好。 每個極區中的圓弧形永磁體3的兩端部均處於其所在極區轉子槽2的下方，即以
轉子槽兩邊線向轉子圓形方向引出兩延長線，每個極區永磁體的兩端部應處於兩延長線的確定的區域內。以圖5中上端極區內的永磁體3左側端部為例，其左側端部應當處於梯形 轉子槽2的腰21和腰22向轉子方向的延長線(並未實際畫出延長線)所確定的區域內。 這樣圓弧形永磁體與轉子槽底的轉子鐵心既可實現隔磁，不需要再單獨建立隔磁橋，轉子 結構變得更加簡單。當圓弧形永磁的端部處於轉子槽遠離極區邊界一側邊緣的下方時，轉 子槽底的隔磁效果最佳，同樣以圖5中永磁體3的左側端部為例，當其左側端部處於轉子槽 2腰22 —側下方時，隔磁的效果最佳，因為此時轉子槽底可用於隔磁的範圍最大。永磁體3 的端部處於其所在極區哪個轉子槽的下方，根據電機實際的需求進行選取。
參見圖6，明顯可以看出，永磁體3與轉子槽2底的隔磁效果良好，且漏磁很少，極 間漏磁係數還可以通過轉子槽底到永磁體的距離來調整，從整體上看，磁場變化也很小。同 時，由於圓弧形永磁的對稱性，從圖6中也可以看出，極區中心鄰近轉子轉軸處的磁密低， 即使開孔後轉子軛部磁密的變化也不大，對馬達性能的影響很小，因此可在此處可開設定 位孔4(參見圖5，圖6中並未示意)，以便於矽鋼片的安裝和定位。 對於本發明自啟動永磁電機主要有三個關鍵性能要求啟動性能，牽入同步性能， 穩態運行性能。從啟動性能和牽入同步性能考慮，要合理使用永磁體，使其具有足夠的啟動 力矩和牽入同步力矩。而從穩態運行性能考慮，要儘可能多用永磁體來降低損耗，提高電機 的效率。因此，對於自起動永磁電機，永磁體的用量要合適，同時滿足三個性能。永磁體的 厚度有永磁電機中永磁體的工作點決定，厚度越大，永磁體的工作點越高，越不易退磁，但 是永磁體的利用率降低。 另外，轉子的極數P、轉子槽數量Qs和定子槽數量Qr之間的關係對永磁自啟動電
機的性能也相當大的影響。本發明中，為了使永磁自啟動電機的性能較佳，轉子的極數P，轉
子槽數量Qs和定子槽數量Qr應同時滿足以下條件 1)考慮轉子磁路對稱性，轉子槽數為極數的整數倍； 2)為避免起動過程中產生較強的異步附加轉矩，應滿足Qr《1. 25*(Qs+P);
3)為避免產生同步附加轉矩，應滿足Qr - Qs ;Qr - Qs±P ;Qr - Qs士2P ;
4)為避免單向震動力，應滿足Qr - Qs±l ;Qr - Qs±P±l。 以定子槽Qs = 48為例，對於4極電機，轉子槽數的最優選擇為40，對於6極電機， 轉子槽數的最優選擇為42，對於8極電機，轉子槽數的最優選擇為32。
實施例2 參見圖7，本實施例與實施例1的其他結構相同，區別在於轉子被轉子槽中心線 23、24、25、26平均化分為4個極區，相鄰的極區之間以轉子槽中心線為邊界，轉子槽中心線 是指經過轉子圓心和任何一個轉子槽中心的連線。本實施例同樣是僅僅以轉子為4極作為 示例，並非限制只能適用於轉子為4極的情況，對於轉子為6極或者8極的情形同樣適用。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術 人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其 等效物界定。
權利要求
永磁自啟動同步電機，包括轉子，轉子的圓周上設有轉子齒和轉子槽，其特徵在於以經過轉子圓心的轉子齒中心線，將轉子平均化分為與轉子極數相同數量的極區，每個極區中設有圓弧形永磁體，任意相鄰的兩極區中的永磁體以相鄰極區邊界的轉子齒中心線對稱設置。
2. 如權利要求1所述的永磁自啟動同步電機，其特徵在於每個極區中的永磁體的兩 端部均處於該永磁所在極區轉子槽的下方。
3. 如權利要求1所述的永磁自啟動同步電機，其特徵在於永磁體的端部設置在轉子 槽遠離極區邊界一側邊緣的下方。
4. 如權利要求1所述的永磁自啟動同步電機，其特徵在於每極區中心鄰近轉子轉軸 處設有定位孔。
5. 如權利要求1至4任一所述的永磁自啟動同步電機，其特徵在於根據轉子的極數P，轉子槽數量Qs和定子槽數量Qr應同時滿足以下條件1) 轉子槽數為極數的整數倍；2) Qr《1. 25*(Qs+P);3) Qr - Qs ;Qr - Qs士P ;Qr - Qs士2P ;4) Qr - Qs士l ;Qr - Qs士P士l。
6. 永磁自啟動同步電機，包括轉子，轉子的圓周上設有轉子齒和轉子槽，其特徵在於 以經過轉子圓心的轉子槽中心線，將轉子平均化分為與轉子極數相同數量的極區，每個極 區中設有圓弧形永磁體，任意相鄰的兩極區中的永磁體以相鄰極區邊界的轉子槽中心線對 稱設置。
7. 如權利要求6所述的永磁自啟動同步電機，其特徵在於每個極區中的永磁體的兩 端部均處於該永磁所在極區轉子槽的下方。
8. 如權利要求6所述的永磁自啟動同步電機，其特徵在於永磁體的端部設置在轉子槽遠離極區邊界一側邊緣的下方。
9. 如權利要求6所述的永磁自啟動同步電機，其特徵在於每極區中心鄰近轉子轉軸處設有定位孔。
10. 如權利要求6至9任一所述的永磁自啟動同步電機，其特徵在於根據轉子的極數P，轉子槽數量Qs和定子槽數量Qr應同時滿足以下條件1) 轉子槽數為極數的整數倍；2) Qr《1. 25*(Qs+P);3) Qr - Qs ;Qr - Qs士P ;Qr - Qs士2P ;4) Qr - Qs士l ;Qr - Qs士P士l。
全文摘要
本發明提供一種轉子永磁體結構簡單、永磁體利用率高，而且在電機中形成的磁場變化最小的永磁自啟動同步電機。該電機包括轉子，轉子的圓周上設有轉子齒和轉子槽，以經過轉子圓心的轉子齒中心線，將轉子平均化分為與轉子極數相同數量的極區，每個極區中設有圓弧形永磁體，任意相鄰的兩極區中的永磁體以相鄰極區邊界的轉子齒中心線對稱設置。本發明靠圓弧形永磁體與轉子槽底的轉子鐵心既可實現隔磁，不需要單獨建立隔磁橋，再通過調整轉子槽底到永磁體的距離來調整極間漏磁係數，轉子槽在起到隔磁的作用的同時，也能起到啟動並牽入同步的作用。
文檔編號H02K1/27GK101719698SQ20091015574
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者劉立軍 申請人:東元總合科技(杭州)有限公司