[发明专利]一种过渡异步起动永磁同步电动机的变极变速法

摘要

本发明是一种过渡异步起动永磁同步电动机的变极变速法，其涉及一种应用于永磁同步电动机的方法。过渡异步起动永磁同步电动机采用过渡起动方式时，在起动过程中同步转子铁芯和永磁体的一部分径向外表面离开定子铁芯内表面的内侧，减小永磁体在电动机气隙中建立的转子磁场强度，从而降低永磁体产生的发电制动转矩，有利于提高电动机起动性能。在变极变速同步运行时，通过转子磁通路径的改变，使过渡异步起动永磁同步电动机的转子部件能够自动适应变换电动机磁极数，实现永磁同步电动机的变极变速。

主权项

一种过渡异步起动永磁同步电动机的变极变速法，其特征在于过渡异步起动永磁同步电动机由定子部件、转子部件组成；转子部件安装在定子部件内，过渡异步起动永磁同步电动机采用过渡起动方式或者直接起动方式；定子部件由定子铁芯(8)、定子绕组(9)和电动机机座组成，定子绕组(9)安装在定子铁芯(8)上，定子铁芯(8)和定子绕组(9)安装在电动机机座内，电动机机座内腔的轴向两侧各装配有一个轴承，分别是轴承一(19)和轴承二(20)；转子部件由转轴(1)、缓冲垫一(2)、缓冲垫二(11)、开口挡圈(14)、隔磁衬套(3)、永磁体(4)、同步转子铁芯(5)、异步转子铁芯(7)、鼠笼(10)组成；转子部件至少包含有一个同步转子铁芯(5)和一个异步转子铁芯(7)；同步转子铁芯(5)与异步转子铁芯(7)沿轴向排列并且安装在转轴(1)上；转轴(1)呈圆柱形，材料是导磁材料或非导磁材料；导磁材料的转轴(1)与隔磁衬套(3)配合使用；隔磁衬套(3)呈圆筒形，材料是非导磁材料；转轴(1)的两端各有一个环形凹槽，每一个凹槽中安装有一个开口挡圈(14)，两个开口挡圈(14)的轴向外侧分别安装有环形的缓冲垫一(2)和缓冲垫二(11)；异步转子铁芯(7)由若干个异步转子铁芯冲片叠压而成，异步转子铁芯(7)呈环形，异步转子铁芯(7)中间是通孔，异步转子铁芯(7)通过其中间的通孔安装在转轴(1)上；异步转子铁芯(7)径向外侧边缘均布若干个鼠笼导条槽；异步转子铁芯(7)上安装有一个鼠笼(10)，鼠笼(10)由若干个鼠笼导条(12)和两个鼠笼端环(13)组成；鼠笼(10)采用转子斜槽结构，即每一个鼠笼导条(12)的轴线与转子部件的转轴(1)的轴线倾斜一定角度；若干个鼠笼导条(12)安装在异步转子铁芯(7)的鼠笼导条槽中；同步转子铁芯(5)由若干个同步转子铁芯冲片叠压而成，同步转子铁芯(5)呈环形，同步转子铁芯(5)中间是轴孔(15)，隔磁衬套(3)安装在同步转子铁芯(5)的轴孔(15)中，同步转子铁芯(5)通过圆筒形的隔磁衬套(3)安装在转轴(1)上；同步转子铁芯(5)径向外侧边缘均布两个铁芯磁极槽(16)和两个铁芯凸极，每一个铁芯凸极有两个曲率半径较小的曲面，分别组成两个转子辅助磁极(6)；永磁体(4)呈瓦片形；永磁体(4)粘贴在铁芯磁极槽(16)中，每一个永磁体(4)构成一个转子主磁极；转子部件上的每一个永磁体(4)磁化相邻的铁芯凸极一侧，形成一个与该永磁体(4)互为异性磁极的转子辅助磁极(6)；适用于转子磁极为二极/六极的过渡异步起动永磁同步电动机的同步转子铁芯(5)上，每一个铁芯磁极槽(16)中粘贴有一个永磁体(4)，相邻铁芯磁极槽(16)中粘贴的永磁体(4)圆弧外表面互为异性磁极；同步转子铁芯(5)上的一个铁芯磁极槽(16)中圆弧外表面为N极的永磁体(4)形成一个N极转子主磁极，另一个铁芯磁极槽(16)中圆弧外表面为S极的永磁体(4)形成一个S极转子主磁极；N极转子主磁极的永磁体(4)分别磁化相邻的铁芯凸极一侧，各形成一个S′极转子辅助磁极；S极转子主磁极的永磁体(4)分别磁化相邻的铁芯凸极一侧，各形成一个N′极转子辅助磁极；或者适用于转子磁极为四极/八极的过渡异步起动永磁同步电动机的同步转子铁芯(5)上，每一个铁芯磁极槽(16)中粘贴有两个圆弧外表面互为异性磁极的永磁体(4)，相邻铁芯磁极槽(16)之间的相邻永磁体(4)圆弧外表面互为异性磁极；同步转子铁芯(5)上的两个铁芯磁极槽(16)中各有一个圆弧外表面为N极的永磁体(4)和一个圆弧外表面为S极的永磁体(4)；圆弧外表面为N极的永磁体(4)形成一个N极转子主磁极，圆弧外表面为S极的永磁体(4)形成一个S极转子主磁极；两个N极转子主磁极的永磁体(4)各自磁化相邻的铁芯凸极一侧，各形成一个S′极转子辅助磁极；两个S极转子主磁极的永磁体(4)各自磁化相邻的铁芯凸极一侧，各形成一个N′极转子辅助磁极；异步转子铁芯(7)外表面至定子铁芯(8)内表面的电动机气隙是鼠笼铁芯气隙；永磁体(4)外表面至定子铁芯(8)内表面的电动机气隙是永磁体气隙；铁芯凸极外表面至定子铁芯(8)内表面的电动机气隙是凸极气隙；凸极气隙长度不是均匀的，每一个转子辅助磁极(6)外表面几何中心处的凸极气隙长度最小，转子辅助磁极(6)外表面几何中心处向两侧的凸极气隙长度逐渐增大；鼠笼铁芯气隙长度小于永磁体气隙长度；凸极气隙长度最小值和最大值均小于永磁体气隙长度；过渡异步起动永磁同步电动机采用直接起动方式时，定子铁芯(8)轴向长度等于同步转子铁芯(5)轴向长度与异步转子铁芯(7)轴向长度之和；轴承一(19)与轴承二(20)的轴向内侧间距略大于缓冲垫一(2)与缓冲垫二(11)的轴向外侧间距；过渡异步起动永磁同步电动机采用过渡起动方式时，定子铁芯(8)轴向长度小于同步转子铁芯(5)轴向长度与异步转子铁芯(7)轴向长度之和，并且定子铁芯(8)轴向长度大于同步转子铁芯(5)轴向长度，定子铁芯(8)轴向长度大于异步转子铁芯(7)轴向长度；轴承一(19)与轴承二(20)的轴向内侧间距大于缓冲垫一(2)与缓冲垫二(11)的轴向外侧间距；轴承一(19)与轴承二(20)的轴向内侧间距减去缓冲垫一(2)与缓冲垫二(11)的轴向外侧间距的差等于，同步转子铁芯(5)轴向长度与异步转子铁芯(7)轴向长度之和减去定子铁芯(8)轴向长度的差；过渡异步起动永磁同步电动机采用直接起动方式的起动过程是：定子绕组(9)在定子铁芯(8)中产生定子旋转磁场，转子部件的鼠笼导条(12)切割定子旋转磁场的磁力线产生垂直向内的感应电流(29)或者垂直向外的感应电流(30)，垂直向内的感应电流(29)或者垂直向外的感应电流(30)分别在两个鼠笼端环(13)处汇合，形成感应电流闭合回路，鼠笼导条(12)产生异步起动转矩，把转子部件牵入同步转速，转子部件的同步转子铁芯(5)与永磁体(4)构成的转子磁场与定子旋转磁场相互作用产生同步转矩，使过渡异步起动永磁同步电动机进入同步运行状态；适用于转子磁极为二极/六极的过渡异步起动永磁同步电动机在静止状态时，转子磁场磁通路径一是，磁力线由N极转子主磁极出发，穿过永磁体气隙进入定子铁芯(8)的s极，磁力线经过定子铁芯(8)的n极穿过凸极气隙进入S′极转子辅助磁极，磁力线在同步转子铁芯(5)内回到N极转子主磁极，形成闭合回路；转子磁场磁通路径二是，磁力线由S极转子主磁极的径向内表面出发，磁力线在同步转子铁芯(5)内经过N′极转子辅助磁极，磁力线穿过凸极气隙进入定子铁芯(8)的s极，磁力线经过定子铁芯(8)的n极穿过永磁体气隙，回到S极转子主磁极，形成闭合回路；适用于转子磁极为四极/八极的过渡异步起动永磁同步电动机在静止状态时，转子磁场磁通路径一是，磁力线由N极转子主磁极出发，穿过永磁体气隙进入定子铁芯(8)的s极，磁力线经过定子铁芯(8)的n极穿过凸极气隙进入S′极转子辅助磁极，磁力线在同步转子铁芯(5)内回到N极转子主磁极，形成闭合回路；转子磁场磁通路径二是，磁力线由S极转子主磁极的径向内表面出发，磁力线在同步转子铁芯(5)内经过N′极转子辅助磁极，磁力线穿过凸极气隙进入定子铁芯(8)的s极，磁力线经过定子铁芯(8)的n极穿过永磁体气隙，回到S极转子主磁极，形成闭合回路；转子磁场磁通路径三是，磁力线由N极转子主磁极出发，穿过永磁体气隙进入定子铁芯(8)的s极，磁力线经过定子铁芯(8)的n极穿过永磁体气隙进入S极转子主磁极，磁力线在同步转子铁芯(5)内回到N极转子主磁极，形成闭合回路；过渡异步起动永磁同步电动机在静止状态或者同步运行状态时，转子磁场磁通路径分为永磁体主磁通路径和永磁体辅助磁通路径两种，永磁体辅助磁通路径是指：磁通路径中的磁动势由一个永磁体(4)产生，磁力线经过定子铁芯(8)、转子辅助磁极(6)和同步转子铁芯(5)形成闭合回路；永磁体主磁通路径是指：磁通路径中的磁动势由两个永磁体(4)串联产生，磁力线经过定子铁芯(8)和同步转子铁芯(5)形成闭合回路；转子磁场磁通路径一和转子磁场磁通路径二是永磁体辅助磁通路径；转子磁场磁通路径三是永磁体主磁通路径；过渡异步起动永磁同步电动机在同步运行状态时，转子辅助磁极(6)对面的定子磁极产生定子附加磁场；定子附加磁场是定子旋转磁场的一部分；定子附加磁场磁通路径(31)是，磁力线由定子铁芯(8)的n极出发，穿过凸极气隙进入S′极转子辅助磁极，磁力线在同步转子铁芯(5)内经过N′极转子辅助磁极，磁力线穿过凸极气隙进入定子铁芯(8)的s极，磁力线回到定子铁芯(8)的n极，形成闭合回路；适用于转子磁极为二极/六极的过渡异步起动永磁同步电动机在低转速同步运行过程是：转子部件被牵入低转速同步运行时，定子旋转磁场磁极数为六极；转子辅助磁极(6)对面的定子磁极与转子辅助磁极(6)互为异性磁极，转子辅助磁极(6)对面的定子磁极产生的磁通按照定子附加磁场磁通路径(31)形成闭合回路，产生定子附加磁场；两个永磁体(4)产生的磁通按照转子磁场磁通路径一和转子磁场磁通路径二分别形成闭合回路，两个转子主磁极和四个转子辅助磁极(6)共同建立一个六极低转速转子磁场；转子磁场磁极数与定子旋转磁场磁极数相同，并且磁极极性一一对应；低转速转子磁场与定子旋转磁场相互作用产生同步转矩，过渡异步起动永磁同步电动机处于低转速同步运行；适用于转子磁极为二极/六极的过渡异步起动永磁同步电动机在高转速同步运行过程是：转子部件被牵入高转速同步运行时，定子旋转磁场磁极数减少为二极；转子辅助磁极(6)对面的定子磁极与转子辅助磁极(6)互为同性磁极，转子辅助磁极(6)对面的定子磁极产生的磁通按照定子附加磁场磁通路径(31)形成闭合回路，产生定子附加磁场；在定子附加磁场的同极性相互排斥的磁力作用下，两个永磁体(4)产生的磁通按照转子磁场磁通路径三分别形成闭合回路，两个转子主磁极共同建立一个二极高转速转子磁场；转子磁场磁极数与定子旋转磁场磁极数相同，并且磁极极性一一对应；高转速转子磁场与定子旋转磁场相互作用产生同步转矩，过渡异步起动永磁同步电动机处于高转速同步运行；适用于转子磁极为四极/八极的过渡异步起动永磁同步电动机在低转速同步运行过程是：转子部件被牵入低转速同步运行时，定子旋转磁场磁极数为八极；转子辅助磁极(6)对面的定子磁极与转子辅助磁极(6)互为异性磁极，转子辅助磁极(6)对面的定子磁极产生的磁通按照定子附加磁场磁通路径(31)形成闭合回路，产生定子附加磁场；四个永磁体(4)产生的磁通按照转子磁场磁通路径一、转子磁场磁通路径二和转子磁场磁通路径三分别形成闭合回路，四个转子主磁极和四个转子辅助磁极(6)共同建立一个八极低转速转子磁场；转子磁场磁极数与定子旋转磁场磁极数相同，并且磁极极性一一对应；低转速转子磁场与定子旋转磁场相互作用产生同步转矩，过渡异步起动永磁同步电动机处于低转速同步运行；适用于转子磁极为四极/八极的过渡异步起动永磁同步电动机在高转速同步运行过程是：转子部件被牵入高转速同步运行时，定子旋转磁场磁极数减少为四极；转子辅助磁极(6)对面的定子磁极与转子辅助磁极(6)互为同性磁极，转子辅助磁极(6)对面的定子磁极产生的磁通按照定子附加磁场磁通路径(31)形成闭合回路，产生定子附加磁场；在定子附加磁场的同极性相互排斥的磁力作用下，四个永磁体(4)产生的磁通按照转子磁场磁通路径三分别形成闭合回路，四个转子主磁极共同建立一个四极高转速转子磁场；转子磁场磁极数与定子旋转磁场磁极数相同，并且磁极极性一一对应；高转速转子磁场与定子旋转磁场相互作用产生同步转矩，过渡异步起动永磁同步电动机处于高转速同步运行。过渡异步起动永磁同步电动机采用过渡起动方式的起动过程是：过渡异步起动永磁同步电动机在静止状态时，永磁体(4)的磁力线穿过永磁体气隙进入定子铁芯(8)中，永磁体(4)的磁力线再穿过凸极气隙进入同步转子铁芯(5)中，磁力线回到永磁体(4)构成闭合回路；永磁体(4)产生的永磁拉力，使同步转子铁芯(5)和永磁体(4)的全部径向外表面位于定子铁芯(8)内表面的内侧，缓冲垫二(11)的轴向外侧与轴承二(20)的轴向内侧相互靠近，异步转子铁芯(7)与鼠笼(10)只有一部分径向外表面位于定子铁芯(8)内表面的内侧；过渡异步起动永磁同步电动机在起动状态时，转子部件的鼠笼导条(12)的局部切割定子旋转磁场的磁力线，鼠笼导条(12)产生的电磁力矩(21)分解为轴向分力(22)和径向分力(23)，径向分力(23)产生异步起动转矩，轴向分力(22)使转子部件沿着轴向分力(22)方向产生轴向移动，使异步转子铁芯(7)与鼠笼(10)全部径向外表面位于定子铁芯(8)内表面的内侧，全部长度的鼠笼导条(12)切割定子旋转磁场的磁力线，鼠笼导条(12)产生更大的异步起动转矩；与此同时，同步转子铁芯(5)和永磁体(4)的一部分径向外表面离开定子铁芯(8)内表面的内侧，降低永磁体(4)在电动机气隙中建立的转子磁场强度，从而减小永磁体(4)产生的发电制动转矩；此时，缓冲垫一(2)的轴向外侧与轴承一(19)的轴向内侧相互靠近；转子部件被牵入同步转速后，转子部件的转差率为零，鼠笼导条(12)不产生电磁力矩(21)，轴向分力(22)为零，永磁体(4)产生的永磁拉力使转子部件产生轴向移动，使同步转子铁芯(5)和永磁体(4)的全部径向外表面重新位于定子铁芯(8)内表面的内侧，转子部件的同步转子铁芯(5)与永磁体(4)构成的转子磁场与定子旋转磁场相互作用产生同步转矩，使过渡异步起动永磁同步电动机进入同步运行状态。