一种异步起动永磁同步电动机和异步电机改造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机领域，具体而言，涉及异步起动永磁同步电动机和异步电机改造方法。
【背景技术】
[0002]近年来随着中国经济的迅猛发展，人民生活水平的快速提高，我们对能源的需求越来越大，资源对外的依赖程度也日益严重，据统计，2011年我国一次能源消费量居世界第二位。能源问题不仅对经济影响大，也必然引起一些列环保问题，因此能源问题已经成为了影响我国发展的战略性问题。电能作为最主要的二次能源，也必然是最主要的节能对象，其中异步电机是最为普遍的用电设备，约占全国用电总量的60%。
[0003]异步电机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能量转换为机械能量的一种交流电机，包括鼠笼式异步电机和绕线式异步电机。异步电机在工作时，定子绕组产生的旋转磁场与转子绕组不同步，转子绕组要从电网吸收部分电能励磁，消耗电网电能，这部分电能在转子绕组中发热消耗，使得电机的效率降低、电能损耗较大，并且工作温升大，电机的寿命较短，造成使用成本增加。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种异步起动永磁同步电动机和异步电机改造方法，使上述问题得到改善。
[0005]本发明是这样实现的:
[0006]一种异步起动永磁同步电动机，包括:
[0007]机壳，所述机壳设置有空腔；
[0008]定子，所述定子设置在所述空腔内并与所述机壳固定连接，所述定子的内侧缠绕设置有定子绕组；
[0009]鼠笼转子，所述鼠笼转子设置在所述定子的内侧并通过转动轴与所述机壳连接，所述定子绕组靠近所述鼠笼转子，所述鼠笼转子包括鼠笼圈、转子叠片、磁钢和铜条；
[0010]所述鼠笼圈为两个，分别设置在所述转子叠片的两端，所述鼠笼圈的一侧与所述转子叠片的端部贴合，所述鼠笼圈的外径与所述转子叠片的外径相等，所述鼠笼圈的中间部分设置有用于穿设所述转动轴的第一通孔，所述转动轴的一端与所述机壳固定连接，所述转动轴贯穿所述转子叠片和所述第一通孔且带动所述鼠笼转子绕自身轴心线转动，所述转子叠片和两个所述鼠笼圈的边缘部分均设置有多个第二通孔；
[0011]所述定子内侧与所述转子叠片之间设置有气隙，所述转子叠片上设置有四个横截面为矩形的通槽，所述通槽贯穿所述转子叠片，所述磁钢嵌设在所述通槽内，所述磁钢的一端与其中一个所述鼠笼圈固定连接；
[0012]所述转动轴的轴心线到所述磁钢的距离大于所述转动轴的直径，多个所述通槽旋转对称；
[0013]所述铜条为多个，所述铜条的两端穿过所述第二通孔并分别与两个所述鼠笼圈固定连接。
[0014]机壳的空腔用于放置定子和鼠笼转子，使二者在内部稳定工作；定子绕组在交流电的作用下产生旋转磁场，铜条用于切割定子绕组产生的旋转磁场的磁力线并形成电磁转矩，推动鼠笼转子绕转动轴开始转动，当鼠笼转子的速度接近旋转磁场的变化速度时，磁钢与旋转磁场作用将鼠笼转子拉入同步速度，实现电机的同步运行，同步运动时，铜条不再切割磁力线。磁钢产生的磁场发挥作用使得异步电机最终可以形成永磁同步电机，既能发挥永磁同步电机的优点，又可以解决永磁电动机起动时需要加装驱动器的问题，降低永磁电动机的制作使用成本。
[0015]异步起动永磁同步电动机的起动原理:当电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生三相磁动势并产生旋转磁场；该旋转磁场与铜条有相对切割运动，根据电磁感应原理，铜条产生感应电动势及感应电流；根据电磁力定律，载流的铜条在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动鼠笼转子旋转；鼠笼转子的转速接近定子产生的旋转磁场时，磁钢产生的磁场与旋转磁场发生作用，牵引鼠笼转子与旋转磁场同步运转，此时铜条不再切割磁力线，形成永磁同步电动机，即采用异步电机的起动方法起动永磁同步电动机，当电机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。
[0016]进一步地，所述通槽和所述磁钢一一对应且均为四个，所述通槽的其中一条棱靠近所述转子叠片的边缘。
[0017]通槽的一条棱靠近转子叠片的边缘，在该位置处没有铜条，通槽两侧的铜条之间留有磁路，使磁钢产生的磁场与定子绕组产生的旋转磁场相对应并相互作用；在起动时的大差转率的条件下，铜条能够感应出大电流，产生感应的推力，该推力大于永磁铁的吸力，因此，电机可以带动负载起动。
[0018]进一步地，所述铜条为12根，相邻的两个所述通槽之间均设置有3根所述铜条，所述鼠笼圈为纯铜环，所述铜条的两端分别与两个所述鼠笼圈铆接。
[0019]铜条均匀分布在转子叠片的四周，各部分产生的感应推力较为平均，可以平稳地推动鼠笼转子起动；鼠笼圈由纯铜材料制成，铜条与其冷铆连接，冷铆保证转子叠片的硅钢片之间紧密压实，使得感应鼠笼的电阻低、电流大，鼠笼圈要有足够的面积，使铜条的电流循环流过形成回路。
[0020]进一步地，相邻的两个所述磁钢之间相互垂直，每个所述磁钢到所述转动轴的轴心线的距离均相等，四个所述磁钢旋转对称的角度为90°。
[0021]四个磁钢均不穿过转动轴，磁钢的一个磁极与定子形成的磁场相互靠近，磁钢与定子绕组产生的旋转磁场之间的距离较小，可以充分利用磁钢的磁性，产生的转动力矩更大，电机的最大功率增加；当磁钢的靠近定子的一条棱位于定子产生的磁场的其中一个磁极的中间部位时，定子产生的该磁极的一半对磁钢的一个磁极产生推力，另一半对磁钢的另一个磁极产生吸力，推力和吸力共同作用，产生最大扭矩，将鼠笼转子拉入同步速度，鼠笼转子与定子形成的旋转磁场同步运行。
[0022]进一步地，相对的两个所述磁钢的靠近所述转动轴的一侧磁极相同，相邻的两个所述磁钢的靠近所述转动轴的一侧磁极相反。
[0023]由于定子绕组形成的磁场的N极、S极在环形方向上交替，因此需要将磁钢的靠近定子的一侧的磁极交替变化，适应定子绕组产生的磁场，相邻的两个磁钢的磁极方向不同，但受到的磁力相同，电机可以平稳运行。
[0024]进一步地，位于所述转动轴的轴心线左上方和右下方的磁钢为横向设置，位于所述转动轴的轴心线左下方和右上方的磁钢为竖向设置。
[0025]四个磁钢的方位按照逆时针方向旋转形成反“卍”字形，“卍”字形中间的两条连线是指将相对的两个磁钢虚拟相连，不具有任何意义；电机按照逆时针方向旋转时，该电机可以发挥出比纯异步电机高出20%的功率，电机反转时，只能比纯异步电机高出10%的功率，因此，逆时针旋转的磁钢更加适合于电机逆时针转动时使用，提高电机的功率。
[0026]进一步地，位于所述转动轴的轴心线左上方和右下方的磁钢为竖向设置，位于所述转动轴的轴心线左下方和右上方的磁钢为横向设置。
[0027]四个磁钢的方位按照顺时针方向旋转形成“田”字形，电机按照顺时针方向旋转时，该电机可以发挥出比纯异步电机高出20 %的功率，电机反转时，只能比纯异步电机高出10%的功率，因此，顺时针旋转的磁钢更加适合于电机顺时针转动时使用，提高电机的功率。逆时针旋转和顺时针旋转两种旋向的磁钢分别适用于电机的逆时针旋转和顺时针旋转，用户可以根据需要选择磁钢旋向适合的异步起动永磁同步电动机，使电机的功率达到最大，最大程度地发挥电机的性能，节省能源。
[0028]进一步地，所述磁钢的长度大于所述定子的叠片长度，所述磁钢的长度与所述定子的叠片长度之差为5mm-10mm。
[0029]磁钢的长度比定子的叠片长度长5mm-10mm，使得定子绕组产生的磁场被充分利用，增强电机的磁能力，电机产生的旋转力矩达到最大。
[0030]进一步地，所述磁钢的长度小于所述通槽的长度，所述磁钢的一端与其中一个所述鼠笼圈固定连接，所述磁钢的另一端与另外一个所述鼠笼圈留有间隙。
[0031]磁钢的长度小于通槽的长度，便于鼠笼圈与转子叠片贴合，进而方便铜条与鼠笼圈之间的铆接。
[0032]进一步地，所述磁钢为钕铁硼强磁钢，所述铜条的外侧设置有氧化层，所述转子叠片由D470硅钢片叠放而成。
[0033]钕铁硼强磁钢采用钕铁硼材料制成，具有体积小、重量轻、价格便宜和较好的抗退磁性，铜条的外侧设置氧化层，可以通过铜条表面氧化处理的方式，减少转子叠片的硅钢片之间的短路电流，感应电流经鼠笼圈形成较大的循环，经过铜条的大电流可以增加起动转矩。转子叠片的硅钢片采用D470牌号，减少铁损，发热量减少，因此可以去除风扇等排热部件，减少风阻，提高电机的效率1% _2%，实现异步起动永磁同步电动机节能。
[0034]—种异步电机改造方法，包括:
[0035]将异步电机的鼠笼转子取出，并将所述鼠笼转子的铜条、鼠笼圈及转子叠片拆分;
[0036]在转子叠片上开设至少四个通槽，所述通槽贯穿所述转子叠片，所述通槽的横截面为矩形，在所述通槽内嵌设磁钢，所述转子叠片的轴心线到所述磁钢的距离大于所述异步电机的转动轴的直径，多个