[发明专利]三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机

说明书

技术领域

本发明属于电动机技术领域，特别涉及一种转子磁极为三段圆弧结构的自起动永磁电机。

背景技术

在工业领域广泛使用交流异步电机，因为异步电机具有制造容易、坚固耐用以及价格低廉等优点。但是异步电机需要由定子绕组提供励磁电流，其功率因数不是很高，并且由于转子铜损耗的存在使电机的效率不高，对于中小型异步电机或电机轻载时尤为严重。相对于异步电机，永磁同步电机转子上带有永磁磁钢，不需要外部提供励磁，可以显著提高功率因数；在永磁电机稳态运行时转子没有基波铜损，效率比同规格的异步电机高；而且稀土永磁电机在25％～120％额定功率范围内都具有较高的效率和功率因数。因此自起动永磁电机在一些长时间运行或在多数工况为轻载运行的场合使用具有明显的节能优势。

自起动永磁电机的永磁体在转子中多采用内嵌式结构，永磁体的外面是鼠笼导条，起动时依靠鼠笼导条中的感应电流产生力矩，实现永磁电机的异步起动，起动完成后进入同步运行状态，理想情况下转子上没有电流。

目前的自起动永磁电机大多采用均匀气隙结构，气隙磁场中含有大量谐波，当永磁体在转子内的布置不合理时气隙磁密中的谐波会更加严重，使得永磁电机电动势中谐波含量较大，增加了电机定子中的谐波电流、谐波铜损耗以及定子铁心中的谐波铁损，同时在转子中也存在谐波铁损、谐波电流及谐波铜损，影响了永磁电机效率的进一步提高；另外谐波磁场和谐波电流也会产生额外的力矩波动，引起电机的振动和噪声。

目前，为了减小空载气隙磁场中的谐波磁场对电机性能的影响，自起动永磁电机主要通过永磁磁钢在转子中的布置方式以及极弧宽度的合理设计，来达到削弱气隙中谐波磁场以及减小力矩波动的目的，但是该方法对气隙磁场中谐波的削弱作用有限。

西南交通大学的徐英雷等提出了磁极形状为单段圆弧的偏心气隙结构自起动永磁电机，通过选择单段圆弧合理的偏心距使自起动永磁电机的空载气隙磁密和空载电动势波形尽可能接近理想的正弦波。但是在永磁电机基本磁路结构及主要尺寸确定后，转子磁极形状只有通过偏心距大小这一个变量的调整来改善气隙磁密波形，虽然设计上简单一些，也得到了比均匀气隙永磁电机更接近正弦的气隙磁场波形，但按这种设计方法得到的永磁电机空载气隙磁场中的谐波含量还是相对较高，谐波磁场对永磁电机性能的影响还是比较大。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出一种三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机，定子部分由定子铁心和定子绕组构成，转子部分由转子铁心、永磁磁钢、鼠笼式转子起动导条和转轴构成；其特征在于，所述转子部分中的永磁体采用内嵌式结构，N、S磁极交替布置成U型、V型或混合型结构；转子每一个磁极表面由三段圆弧构成，其中，磁极中间段圆弧的半径和转子外圆半径相同，以保证永磁电机最小的气隙，其圆心和定子内圆圆心相同，每一磁极两边的圆弧半径小于转子外圆半径，并且两边圆弧的圆心比中间段圆弧的圆心要靠近转子表面，形成不均匀气隙结构的自起动永磁电机。

所述转子是冲片式结构，永磁体在转子铁心内侧布置，靠近转子铁心表面均匀分布由铸铝制成的鼠笼式转子起动导条，为永磁电机的异步起动提供起动力矩；为了放置更多的永磁体，提高永磁电机的功率，鼠笼式转子起动导条的高度比传统鼠笼异步电机鼠笼导条的高度要小；定子槽和转子槽的配合采用普通异步电机式的槽配合，或采用增大起动力矩而在稳态运行时减小力矩波动的配合方式。

所述每个磁极包含的转子槽个数相等；所述磁极中间段圆弧是指在转子表面每个U型或V型布置的两条永磁体中间对称于磁极中心线的圆弧段。

所述三段圆弧磁极的永磁电机，转子每个磁极通过适当调整中间圆弧张开的角度和两边圆弧圆心的偏心距构成不同组合结构，即可得到不同形状的三段圆弧磁极结构，两边圆弧和中间圆弧平滑过渡连接，可以通过电磁场的时步有限元算法计算不同磁极中间圆弧张开角度和两边圆弧的偏心距对应的空载气隙磁场，并对气隙磁密波形进行谐波分解，把不同磁极结构参数组合的气隙磁场谐波达到比较小作为选择磁极中间圆弧张开角度和两边圆弧的偏心距的依据。

所述的三段圆弧磁极结构自起动永磁电机，定子采用和交流异步电机相同结构的铁心和绕组结构，定子三相绕组采用星型连接。

本发明有益效果是与现有技术相比，具有以下特点：

1.永磁电机的转子不再是圆柱体，每个磁极有三段圆弧构成，因此电机的气隙为不均匀气隙。

2.通过电磁场的数值计算优化三段圆弧磁极的结构参数，使永磁电机空载气隙磁场中谐波含量明显减小，空载气隙磁密波形更接近于正弦。