一種大容量雙饋起動低速大扭矩永磁同步電動機的製作方法
2023-05-30 02:11:26 2
本實用新型屬於電動機領域，更具體地，涉及一種充磁低速大扭矩永磁同步電動機。
背景技術：
近年來，隨著永磁材料的突破與電機行業的發展，用功率密度高，效率高的低速大扭矩永磁同步電動機替代笨重、效率較低的異步電動機與減速機傳動系統已成為行業發展趨勢。現有低速大扭矩永磁同步電動機多採用變頻起動，然而低速大扭矩電機對調速性能要求不高，並且功率較大，所選用的大功率變頻器多需從國外品牌購買，價格昂貴，性價比不高，故需考慮工頻自起動。在額定參數要求一定的情況下，即轉速、功率一定，要實現工頻50Hz自起動必須增加電機的極對數。但大功率異步起動永磁同步電動機體積大，轉動慣量大，再加上極對數增多後起動階段永磁製動轉矩非常大，即便轉子起動繞組串接起動電阻，電機仍然難以實現自起動。
技術實現要素：
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種大容量雙饋起動低速大扭矩永磁同步電動機，其成本低並且能實現大容量雙饋起動。
為實現上述目的，按照本實用新型，提供了一種大容量雙饋起動低速大扭矩永磁同步電動機，其特徵在於，包括定子及設置在定子內的轉子，並且所述轉子上設置有永磁體組；所述轉子具有多個轉子槽並且這些槽沿轉子外表面圓周布置，其中，
所述轉子槽內設置有繞線式起動繞組和輔助繞組，並且所述繞線式起動繞組和所述輔助繞組沿所述轉子的徑向設置，所述繞線式起動繞組與所述永磁體組的間距大於所述輔助繞組與所述永磁體組的間距；
所述繞線式起動繞組放置於轉子槽上層，所述輔助繞組放置於轉子槽下層，兩者採用絕緣層隔離；
所述繞線式起動繞組上串接有起動電阻，以用於產生起動轉矩；
所述輔助繞組在所述永磁同步電動機的任意一對極範圍內均具有兩組繞組，其中，每組所述繞組均包括多個同心且串聯在一起的導線圈。
優選地，每組所述繞組由同一根導線繞制而成。
總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：
本實用新型提出一種對永磁體切向充磁並在轉子增加輔助繞組與起動繞組的方法，在定子電源作用下實現電機的雙饋異步起動，有效解決了大容量永磁同步電動機工頻自起動困難的問題，省卻了成本高的大功率變頻器，並且電機效率高，功率因數高，滿足對大容量低速大扭矩電機需求行業的要求，節約成本，提高經濟效益。
附圖說明
圖1是本實用新型中電機轉子衝片在一對極範圍內的示意圖；
圖2是圖1所示的一對極上的兩組繞組的示意圖；
圖3是輔助繞組作用下空載氣隙磁密的曲線圖；
圖4是轉速隨時間變化示意圖；
圖5是電磁轉矩隨時間變化示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
參照圖1～圖5，一種大容量雙饋起動低速大扭矩永磁同步電動機，包括定子及設置在定子內的轉子，並且所述轉子內設置有永磁體組，該永磁體組為切向充磁；所述轉子具有多個轉子槽並且這些轉子槽沿轉子外表面圓周布置，其中，
所述轉子槽內設置有繞線式起動繞組1和輔助繞組2，並且所述繞線式起動繞組1和所述輔助繞組2沿所述轉子的徑向設置，所述繞線式起動繞組1與所述永磁體組的間距大於所述輔助繞組2與所述永磁體組的間距；
所述繞線式起動繞組1放置於轉子槽上層，所述輔助繞組2放置於轉子槽下層，兩者採用絕緣層隔離；
所述繞線式起動繞組1上串接有起動電阻，以用於產生起動轉矩；
所述輔助繞組2在所述切向式永磁同步電動機的任意一對極範圍內均具有兩組繞組，其中，每組所述繞組均包括多個同心且串聯在一起的導線圈並且這些導線圈的匝數根據永磁體組的磁勢進行選擇，以用於在所述永磁同步電動機起動時削減永磁體組產生的永磁磁勢，並且使永磁磁勢削減後空載氣隙磁密仍然具有相應的正弦性。
進一步，每組所述繞組由同一根導線繞制而成，並且採用直流勵磁。
參照圖1，其共示出了轉子槽A～轉子槽L共12道槽，參照圖2，共有兩組線圈繞組，分別是第一繞組3和第二繞組4，第一繞組3中，轉子槽A 和轉子槽G中是空槽，即沒有導線繞過，而有一個導線圈從轉子槽B和轉子槽L繞過，類似地，轉子槽C和轉子槽K有導線圈繞過……，繞組穿過這些轉子槽後，通過端子M、端子X、端子N和端子Y來接線，並且第一繞組3和第二繞組4中這兩個線圈繞組中通入的電流反向。
本實用新型通過在轉子槽內設置上下兩層繞組，上層為正常繞線式起動繞組1並且其上串接合適起動電阻產生起動轉矩；下層為輔助繞組2，輔助繞組2採用不等匝同心式繞組結構分布，以保障磁勢削減後空載氣隙磁密仍然具有相應的正弦性；根據電機轉子永磁體所產生的磁場軸線d軸和q 軸，輔助繞組2所產生磁場應該與之同軸線反向，起動階段通合適電流產生補償磁勢削減永磁製動轉矩。牽入同步速後將輔助繞組2斷電，實現自起動。
具體實施時，轉子需經過精密地計算與分析，採用場路耦合的方法初步計算內置切向式永磁體大小，轉子槽大小。既需保障電機額定參數則空載氣隙磁密不可設計的太小，即轉子槽不能太大；又需要保障轉子槽有合適的空間安放起動繞組與輔助繞組2。此環節需初步計算後在有限元軟體中不斷仿真校驗，得出優化方案。對於輔助繞組2的設計，既要考慮繞組電密不至於過大，又要產生足夠的磁勢抵消起動階段永磁磁勢，則需優化選擇通入直流電流大小與繞組匝數及繞組截面積，同樣需採用場路耦合方法計算仿真，不斷校驗。本實用新型輔助繞組2設計為保障磁勢削減後空載氣隙磁密仍然具有相應的正弦性及工藝問題，採用不等匝同心式繞組分布。
本實用新型電動機設計算例如下所示：
設計要求指標為：
額定功率：2000kW
額定電壓：6kV
額定轉速：33.333rpm
電機設計尺寸如表1.1所示：
表1.1電機主要尺寸
轉子、定子、定子繞組和轉子繞組設計參數見表1.2所示，其中，定子繞組星形連接，轉子繞組同樣星形連接。
表1.2定子和轉子參數
採用異步啟動的永磁同步電動機，為了兼顧轉子槽和氣隙磁密的要求，普通磁路結構難以提供足夠大的扭矩。因此，本設計採用內置並聯式磁路結構，具體的永磁體組中每個永磁體的設計如表1.3，永磁體結構示意圖如圖 1。
表1.3永磁體設計尺寸
通過下述仿真可驗證本實用新型：
1)當輔助繞組中通入100A直流電流，在空載條件下，與永磁磁場綜合作用得到的氣隙磁密分布如圖4所示，氣隙磁密有效值為0.4046T，是額定空載氣隙磁密0.76T的53.24％，參照圖3；
2)啟動過程中，為了獲得較大的異步轉矩，在轉子三相起動繞組中需要每相串聯1ohm的電阻。經仿真，在輔助繞組工作的條件下，電機空載啟動時間約為5s，啟動過程中，定子繞組啟動電流有效值510A，轉子啟動電流有效值290A，轉子輔助繞組中直流電流100A。則此時轉子繞組中電流密度13.81A/mm2，輔助繞組中電流密度為32.61A/mm2，均在5A/mm2的7倍以內。啟動過程仿真示意圖如圖4所示。
待電機穩定運行於額定轉速33.33rpm之後，直流輔助繞組的激勵可以在4s的時刻去掉，則此時電機穩定運行於同步轉速。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。