[发明专利]一种单相自起动永磁同步电机

说明书

技术领域

本发明是关于一种单相自起动永磁同步电机，属微电机领域，可用作洗衣机、洗碗机等水泵的驱动电机、也可用作机动车发动机冷却系统和暖风系统循环泵的驱动电机、计算机等电子设备液冷系统循环泵的驱动电机，也可用于其它方面。

背景技术

这种电机是1970年代提出的特殊结构电机，采用永磁转子和U形铁心，并依靠特殊的不均匀气隙实现起动。

这种电机的转子为永磁转子，通常采用铁氧体永磁材料制作。由于铁氧体永磁材料具有良好的抗锈蚀性能，可在水等液体中长期稳定工作，所以当用作微型泵(离心泵、轴流泵或混流泵)的驱动电机时，通常是永磁转子也设置在泵壳内，通过共轴结构直接驱动泵的叶轮，省去了泵轴的动密封，泵和电机也因此可制成一体，外形紧凑、结构极大简化、性能显著提高。显然这种电机的典型应用是作为微型泵的驱动电机等。

这种电机按电源的不同可分为(外同步)单相自起动永磁同步电机(singlephase self-starting permanent magnet synchronous motor)和单相无刷直流电机(singlephase brushless DC motor或BLDC motor)两类，在不同的应用领域和不同的文献中这两类电机也使用不同的名称。直接使用交流电或使用逆变电源供电时，属单相自起动永磁同步电机，在此应用领域内，不同的文献还使用如U形铁心单相自起动永磁同步电机(U-shaped core single phase self-startingpermanent magnet synchronous motor)、单相线起动永磁同步电机(single phase linestart permanent magnet synchronous motor)、单相永磁电机(single phase permanentmagnet motor)等不同的名称，如上述，这类电机通常用于微型泵的驱动电机。随着转子位置检测技术和电子换向技术的成熟，这种电机也可以使用直流电，实质上属自同步单相自起动永磁同步电机，但通常称为单相无刷直流电机，但也有文献使用与上述(外同步)单相自起动永磁同步电机相同的名称，这类电机可用作机动车发动机冷却系统和暖风系统循环泵的驱动电机、计算机等设备液冷系统循环水泵的驱动电机等(计算机冷却风扇电机也属于这类，但不同的是计算机冷却风扇电机采用外转子结构)。(外同步)单相自起动永磁同步电机结构简单，单相无刷直流电机起动和调速等性能较好。本发明把这两类电机统称为单相自起动永磁同步电机。

除上述的电源或同步方式(外同步、自同步)的差别外，单相自起动永磁同步电机本身的结构基本是相同的，并具有结构简单、成本低廉、效率较高、性能可靠及使用寿命长的优点。随着电子逆变技术和电子换向技术的进步、及新型(集成)驱动芯片(器件)的不断出现，这种电机的性能得到不断改善，应用领域也更广泛，在微电机范围，有逐渐取代传统电容式或罩极式单相异步感应电机及各种有刷直流电机的前景。

这种电机由永磁转子、定子铁心和定子绕组构成，其公知结构是，采用内转子结构，永磁转子是径向两极充磁的圆柱形永磁转子，沿径向，在永磁转子外侧是由U形定子铁心和定子绕组构成的定子，U形定子铁心的端部有两个相对的定子磁极(极靴)，定子磁极内侧是两个相对的极弧，极弧与永磁转子间构成气隙，每侧极弧不是严格的圆弧形，以在定子磁极中心线两侧形成气隙长度不等的所谓不均匀气隙(非对称气隙)，一般这种不均匀气隙或由两段半径不同的圆弧形或弧形极弧构成，称为阶梯形不均匀气隙，但两侧定子磁极的极弧形状及其所形成的不均匀气隙一般是关于永磁转子轴线对称的，这样的不均匀气隙在静态时(加电前)可使永磁转子的定子磁极相对于定子磁极中心线向气隙长度小、磁阻小的方向偏转一定的角度，即形成称为起动角的偏转角，起动角越大起动转矩就越大，这样的设计使这种电机能够自起动。目前这种电机均采用这样的不均匀气隙实现起动。

由于对永磁电机的分析比感应电机复杂，而且与其它永磁电机相比这种电机的定子磁极结构较特殊，使对这种电机的分析研究变得困难，对其起动原理、运行原理和性能等缺乏细致的研究和深入的认识，例如起动角是如何影响起动的？如何牵入同步的？起动和牵入同步及同步时的振动是如何产生的？现有技术对这些问题的认识存在偏见，如认为阶梯形不均匀气隙可形成较大的起动角；如认为起动角的存在可获得足够的电磁转矩使电机迅速牵入同步，而忽视了永磁转子磁滞特性对牵入同步的作用；又如认为振动是由磁阻转矩的不均匀性引起的，而忽视了起主要影响作用的电磁转矩的不均匀性的影响。