异步起动永磁同步电机的转子结构及应用

文档序号:31052614发布日期:2022-08-06 08:21阅读:262来源:国知局
异步起动永磁同步电机的转子结构及应用

1.本技术涉及电机的技术领域,尤其涉及异步起动永磁同步电机的转子结构及应用。


背景技术:

2.异步起动永磁同步电动机在拥有自起动能力的情况下,还具有效率高、功率因数高、过载能力强的优势,是一种发展前景良好的新型永磁电机。若用异步起动永磁同步电动机取代或者部分取代工业异步电动机,可以达到很好的节能效果。但在实际应用中,传统的异步起动永磁同步电机不仅要有优良的稳态性能指标,在暂态性能方面也应满足可靠运行的要求,特别是某些特殊应用场合如纺织化纤工业、年运行时间长的风机水泵等领域。异步起动永磁同步电机的起动分异步起动阶段和牵入同步阶段,而牵入同步过程中往往因带有较大的系统转动惯量,需要更多的能量以加速到同步转速,对牵入性能有很严格的要求,尤其是应用在特殊场合,电机一旦牵入同步能力较差或者无法牵入同步运行,这对电机的稳态运行有极大的影响。同时,长时间较大的起动电流会增加电机对电源的冲击,同样对永磁体的抗退磁能力不利。
3.鉴于以上相关技术中两极异步起动永磁同步电机在某些特殊场合应用上存在的弊端,有必要提出一种新型两极异步起动永磁同步电机转子结构。


技术实现要素:

4.有鉴于此,本技术提供异步起动永磁同步电机的转子结构及应用,能够在满足相应功率等级异步电动机的技术要求下提高电机的牵入同步能力。
5.本技术提供一种转子结构,包括:
6.包括环形分布于转子本体内表面的导条,其特征在于:在主磁通方向上的所述导条沿d轴方向不对称分布并且均匀间隔地排布,在反电势方向上的所述导条沿q轴方向对称分布并且非均匀间隔地排布。
7.可选地,所述主磁通方向的导条的延伸方向相对于所述转子本体的径向呈倾斜设置。
8.可选地,所述导条靠近轴心的端部的倾斜方向与所述转子本体的旋转方向相反。
9.可选地,所述在反电势方向上导条能够与所述转子本体的内置永磁体形成磁通屏障结构。
10.可选地,所述在反电势方向上的导条的截面积均不小于所述主磁通方向上的导条的截面积。
11.第二方面,本技术提供一种异步起动永磁同步电机,包括如上述的转子结构。
12.第三方面,本技术提供一种如上述的异步起动永磁同步电机的应用,应用在用于实现单向旋转的电机装置上。
13.本技术方案转子结构中,导条整体呈非均匀不对称分布,导条与永磁体共同构成
了具有磁通屏障作用的多层转子结构,电机主磁通方向导条倾斜,d轴磁阻明显增大,d轴磁化电感降低,电机凸极比变大,磁阻转矩增加,牵入同步过程的加速转矩变大,所需能量变少,牵入同步能力变强。在与传统两极异步起动永磁同步电机导条根数相同的情况下,电机反电势方向的导条截面积较大,转子导条整体电阻减小,电机接近临界同步转速时的转差率变小,牵入同步能力提高。
14.不仅如此,电机主磁通方向的导条在空间上具有一定的倾斜角度,使得dq轴电流发生较大变化,d轴电感减小,d轴电流增大,q轴电流减小,导致合成电流变小,内功率因数角变大,功率因数角变小,功率因数和效率均得到提升。电机主磁通方向的导条在空间上具有一定的倾斜角度,d轴方向的磁通屏障作用较为明显,在一定程度上降低了永磁体的抗退磁风险。
附图说明
15.下面结合附图,通过对本技术的具体实施方式详细描述,将使本技术的技术方案及其它有益效果显而易见。
16.图1为相关技术中转子结构的整体结构示意图;
17.图2为申请实施例提供转子结构的整体结构示意图;
18.图3为申请实施例提供转子结构在稳态运行时的磁力线分布图;
19.图4为相关技术的转子结构在不同负载转矩倍数下的转速图;
20.图5为申请实施例提供转子结构在不同负载转矩倍数下的转速图;
21.图6为相关技术的转子结构在不同转动惯量倍数下的转速图;
22.图7为申请实施例提供转子结构在不同转动惯量倍数下的转速图;
23.图8为相关技术转子结构、本技术转子结构的临界牵入特性曲线图;
24.图9为相关技术转子结构、本技术转子结构稳态运行时导条上的涡流损耗波形图;
25.图10为相关技术转子结构、本技术转子结构的a相电流波形图;
26.图11为相关技术转子结构、本技术转子结构的时-空矢量图;
27.图12为相关技术转子结构的退磁区域图;
28.图13为本技术所提供转子结构的退磁区域图;
29.图14为相关技术转子结构、本技术转子结构的额定转矩图;
30.其中,图中元件标识如下:
31.1,2,3,4,5-导条;6-空气槽;7-永磁体。
具体实施方式
32.下面将结合本技术实施例中的附图,对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本技术保护的范围。
33.在本技术的描述中,需要理解的是,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述
中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
34.在本技术的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接或可以相互通讯;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
35.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开,下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然,它们仅仅为示例,并且目的不在于限制本技术。此外,本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母,这种重复是为了简化和清楚的目的,其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外,本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子,但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
36.参考图2,本技术实施例所提供的转子结构,包括环形分布于转子表面的非均匀不对称的20根导条1,2,3,4,5、2根导条1,2,3,4,5、4根导条1,2,3,4,5和4根导条1,2,3,4,5,导条1,2,3,4,5沿d轴方向均匀不对称分布,导条1,2,3,4,5、导条1,2,3,4,5的截面积与相关技术中转子结构的导条1,2,3,4,5截面积相等。导条1,2,3,4,5和导条1,2,3,4,5沿q轴方向对称不均匀分布,导条1,2,3,4,5的截面积大于导条1,2,3,4,5,导条1,2,3,4,5的截面积大于导条1,2,3,4,5,导条1,2,3,4,5、导条1,2,3,4,5、导条1,2,3,4,5和导条1,2,3,4,5的根数和与导条1,2,3,4,5根数相同。从应力方向考虑,转子空气槽6与导条1,2,3,4,5、导条1,2,3,4,5之间的距离不小于1mm。导条1,2,3,4,5、导条1,2,3,4,5与转子空气槽6中的永磁体7共同组合形成两层磁通屏障结构。所有导条均为铸铝导条。
37.永磁同步电动机的稳态电磁转矩近似表达式:
[0038][0039]
式中,m为相数,p为极对数,u为电机端电压,e0为电机反电势,xd为直轴电抗,xq为交轴电抗,θ为功角,ωs为电动机的同步电角速度。
[0040]
在电机起动过程中,异步起动永磁同步电机满足机械运动方程
[0041][0042]
对上式的右边进行整理,得
[0043][0044]
代入得
[0045][0046]
式中,t
l
为负载转矩,s为转差率,j为系统(包括电动机和负载)的转动惯量。
[0047]
以上分析可知,当系统的转动惯量一定时,影响电动机牵入同步能力的因素主要
是永磁脉动转矩和开始牵入同步时的临界转速。
[0048]
脉动转矩是电机牵入同步过程最后快接近同步转速时的电磁转矩,包括单倍转差频率的脉动转矩和双倍转差频率的脉动转矩,前者是由永磁体磁场所产生,后者是由转子磁路不对称而产生,属于磁阻转矩的性质。因此,电机反电动势越大,牵入同步的脉动转矩越大,导致电动机加速,增大了电机的同步能力,有助于牵入同步。同时,增大交轴电枢反应电抗对直轴电枢反应电抗之比xq/xd可以增加磁阻转矩,而磁阻转矩在牵入同步过程中起到增强的作用,同样有利于改善牵入性能。
[0049]
临界转速取决于电机的转矩-转速曲线,即机械特性曲线的硬度。机械特性曲线越硬,即曲线越陡,电动机的临界转速越高,牵入同步时转子所需要动能的增加量越小,电动机的牵入同步能力越好;反之,机械特性越软,则临界转速低,电动机越难牵入同步。
[0050]
机械特性曲线的硬度是指转差率小于对应异步转矩最大值t
cmax
的转差率sm之后曲线对应的斜率,将异步转矩tc对转差率s求一阶导数,得
[0051][0052]
式中,r1为定子电阻,r2为转子电阻,x1为定子漏抗,x2为转子漏抗,c为修正系数。
[0053]
可以看出,曲线的斜率与定、转子电阻和定、转子漏抗有关。
[0054]
本发明中的新型结构主要分析转子电阻与转子漏抗的影响。
[0055]
令得到临界转差率sm为
[0056][0057]
可以看出,转子电阻越小,临界转差率越小,电机机械特性曲线斜率越高,电动机的临界转速越高,电动机的牵入同步能力越强。
[0058]
以转子漏抗x2为自变量,对转矩-转差率曲线的斜率求导,得
[0059][0060]
可以看出,转矩-转差率曲线的斜率对转子漏抗的导数为负,当以转子漏抗为自变量时,减小转子漏抗会使曲线斜率变大,即电动机的牵入同步能力增强。
[0061]
在电机的牵入同步过程中,气隙合成磁场的磁路流通路径主要从端电压方向(图3中转子的左上区域)流出,水滴型导条倾斜方向与磁路流通方向保持相同,可以减少导条上的涡流损耗。同时,导条1,2,3,4,5会相比图1中电机导条1,2,3,4,5更密集,是为了提高漏磁路的铁心饱和程度,减小漏磁导,从而增加转子漏抗,提高牵入同步能力。
[0062]
在图1电机和图2电机的所有导条根数不变的情况下,增加了导条1,2,3,4,5和导条1,2,3,4,5的截面积,减小了转子电阻,使得牵入同步能力增强。
[0063]
导条1,2,3,4,5和导条1,2,3,4,5与永磁体7共同构成了具有磁通屏障作用的多层转子结构,导条1,2,3,4,5在空间上具有一定的倾斜角度,因此图2电机直轴磁阻增大,直轴磁化电感降低,电机交轴电枢反应电抗对直轴电枢反应电抗之比xq/xd变大,磁阻转矩增加,牵入同步过程的加速转矩变大,所需能量变少,牵入同步能力变强。
[0064]
对于异步起动永磁同步电动机来说,其牵入能力是指电动机带固定负载转矩起动时,所能牵入同步的转动惯量的最大值。求得一系列不同负载转矩时电动机能拖动的最大转动惯量,并将其绘制成曲线,该曲线称作临界牵入同步j-t
l
曲线,利用其表征电动机牵入同步能力的大小。
[0065]
当系统转动惯量一定时,图1电机和图2电机分别拖动不同负载转矩,图1电机所能牵入同步的最大负载转矩如图4所示,三条曲线分别代表不同负载转矩倍数下的转速图,可以看到,当负载转矩为2.3倍额定负载时,电机无法牵入同步,当负载转矩为2.2倍额定负载时,电机勉强牵入同步,说明此时电机的牵入同步能力达到极限。因此,图1电机的牵入转矩即所能拖动的最大负载转矩为2.2倍额定负载。
[0066]
图2电机所能牵入同步的最大负载转矩如图5所示,三条曲线分别代表不同负载转矩倍数下的转速图,可以看到,当负载转矩为2.7倍额定负载时,电机无法牵入同步,电机无法牵入同步,当负载转矩为2.6倍额定负载时,电机勉强牵入同步,说明此时电机的牵入同步能力达到极限。因此,图1电机的牵入转矩即所能拖动的最大负载转矩为2.8倍额定负载。
[0067]
当负载大小不变为额定负载时,使图1电机和图2电机分别在不同倍数的额定负载所对应的转动惯量下运行,从图6中可以看到,随着转动惯量倍数的增加,图1电机牵入同步时间变长,当转动惯量倍数为5.1倍时,电机在经过数个周期的转速振荡后,转子逐渐牵入同步。当转动惯量倍数继续增加到5.2倍时,电机牵入同步过程中无法获得足够的能量以使电磁转矩克服负载转矩从而顺利同步,电机继续围绕同步转速振荡。因此,图1电机在额定负载下所能牵入同步的最大转动惯量倍数为5.1倍。
[0068]
从图7中可以看到,随着转动惯量倍数的增加,图2电机牵入同步时间变长,当转动惯量倍数为6.7倍时,电机在经过数个周期的转速振荡后,转子逐渐牵入同步。当转动惯量倍数继续增加到6.8倍时,电机牵入同步过程中无法获得足够的能量以使电磁转矩克服负载转矩从而顺利同步,电机继续围绕同步转速振荡。因此,图2电机在额定负载下所能牵入同步的最大转动惯量倍数为6.7倍。
[0069]
两台电机的临界牵入特性曲线如图8所示。横轴表示不同的负载转矩,纵轴表示不同的负载转矩对应的最大系统转动惯量。坐标轴数值分别代表对应电机的额定负载转矩倍数和转动惯量倍数。可以清晰得看出,图2电机不同负载转矩倍数下的转动惯量倍数均高于图1电机。因此,图2电机的牵入同步能力明显强于图1电机。
[0070]
图9为两台电机稳态运行时导条上的涡流损耗波形图,可以看到,图2电机的涡流损耗相比图1电机减少了大约25%。
[0071]
电机主磁通方向的导条在空间上具有一定的倾斜角度,使得dq轴电流发生较大变化,d轴电感减小,d轴电流增大,q轴电流减小,导致合成电流变小,内功率因数角变大,功率因数角变小。从图10可以看到,图2电机的相电流有效值低于图1电机,因此图2电机的效率
高于图1电机。从图11的时-空矢量图可以看到,图2电机的功率因数角θ2小于图1电机的功率因数角θ1,因此,图2电机的功率因数高于图1电机。
[0072]
在额定工况下,两台电机均不发生退磁。当减小绕组匝数,增大输出电流至一定值时,两台电机均发生了退磁,从图12和图13可以看到,黑色区域为退磁区域,两台电机的退磁区域主要集中在靠近气隙的外层永磁体上,在相同工况下,图2电机的退磁区域小于图1电机,说明图2电机的新型转子结构使得永磁体抗退磁能力强于图1电机。
[0073]
从图13可以看到,由于转子上导条的倾斜,使得磁路流通更为顺畅,对于仿真得到的转矩脉动图中,图2电机的转矩脉动明显小于图1电机。
[0074]
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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