CN100392946C - 内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种真正意义上的宽调速永磁电机，即特别适合于6极以上的内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机。包括电机转轴、定子绕组、转子铁芯、铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体、位置传感器、变频器等。由转轴、铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体及转子铁芯组成内置混合式转子磁路结构的永磁转子，转子铁芯中永磁体按V形放置，铝镍钴永磁体切向放置，钕铁硼永磁体半切向、半径向放置。本发明的有益效果是可以靠施加一幅值可控的直轴电流矢量i_d来改变电机转子永磁体的磁化强度，并对改变后的磁通密度具有记忆性。本发明的最大优点在于可在很宽的调速范围内运行，而没有过多的电枢损耗，而且弱磁调速控制效果显著。

Description

内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机

技术领域

本发明属于电机与电气传动控制，具体涉及一种适合于6极以上的内置混合式转子结构磁路并且磁通可以控制的永磁同步电机。

背景技术

一般传统的永磁同步电机在转子磁路设计和永磁体尺寸确定时都应考虑到即使出现了最极端的工况也应防止永磁体退磁。这就意味着在最高运行温度下，传统永磁电机中永磁体的厚度大得足以使电枢反应所产生的去磁磁动势低于永磁体的矫顽力。这是因为传统永磁电机，特别是稀土永磁电机，永磁体一旦退磁，再重新磁化永磁体是不可能的。传统的永磁同步电机若想宽范围调速，大都采用矢量控制策略，通过控制直轴电流矢量i_d产生的起直轴去磁作用的电枢反应磁动势削弱永磁磁场，维持高速运行时电机电压的平衡，达到弱磁调速的目的。这就希望电机的直轴电感大一些，但由于直轴上存在磁阻较大的永磁体，一般情况下直轴电感较低，其调速范围不宽。弱磁调速时，若定子总电流是有限的，那么由交轴电流矢量i_q所产生可以利用的转矩将下降；同时由于直轴电流矢量i_d要一直存在，会在定子三相绕组中产生附加铜耗。而对于变频器，若出现逆变失败，失去弱磁控制能力，高速旋转的转子永磁磁场会在电机绕组中感应出过高电压，有可能造成变频器功率器件损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种特别适合于6极以上的内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机——记忆电机，是真正意义上的宽调速永磁电机，以解决上述难题。

结合附图1～2对本发明的结构与技术原理予以说明。内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机，包括电机转轴1、轴承2、端盖3、定子绕组4、机座5、定子铁芯6、铝镍钴永磁体7、钕铁硼永磁体8、转子铁芯9、冷却风扇10、风罩11、位置传感器12、传感器电缆13、电机电缆14、变频器15、第一非导磁材料16、第二非导磁材料17、第三非导磁材料18。除电机永磁转子之外，电机的其它部件与传统的永磁同步电机基本一样。由转轴1、铝镍钴永磁体7、钕铁硼永磁体8及转子铁芯9构成内置混合式转子磁路结构的永磁转子，转子铁芯9中的铝镍钴永磁体7和钕铁硼永磁体8按V形放置(铝镍钴永磁体7沿轴切向放置，钕铁硼永磁体8沿轴半切向、半径向放置)。转子铁芯9由硅钢片冲剪、叠压而成。铝镍钴永磁体7采用剩磁密度较高但矫顽力很低的铝镍钴材料，合理的选择永磁体长度和宽度，可有效地调整电机的可控磁通的大小，即可有效地调整电机的弱磁范围，铝镍钴可以在切向的正反两个方向上磁化，磁化方向如图中的双箭头所示。半切向、半径向放置的永磁体8采用剩磁密度和矫顽力都很高的钕铁硼材料，选择合理的钕铁硼永磁体长度和宽度，使其尽可能多地贡献永磁磁通量，电机永磁主气隙磁场主要由其产生；钕铁硼的磁化方向始终不变，磁化方向如图2中的单箭头所示；磁路设计时即使出现了最极端的工况也应防止永磁体退磁。其中第一非导磁材料16，可以是空气，也可以是铝或其它不导磁的材料，起到隔磁而减小漏磁的目的。第二非导磁材料17，可以是空气，也可以是铝或其它不导磁的材料，起到隔磁而减小漏磁的目的；第一非导磁材料16和第二非导磁材料17中间的那部分硅钢片的宽度在保证机械强度的条件下应该尽可能地窄而长，以达到减小漏磁通的目的。第三非导磁材料18可以是空气，也可以是铝或其它不导磁的材料，它起到增大交轴磁路磁阻，减小负载时电枢反应磁动势对直轴永磁磁场的影响，有效地增大弱磁和调速范围的目的。对6极以上的记忆电机，永磁体V形放置能够有效地增大永磁体向外磁路提供永磁磁通的截面积，虽然此种结构漏磁相对较大些，但能够比较容易地满足提供足够的永磁气隙主磁通的要求。

通过三相定子绕组在电机转子直轴方向上短时间，如一个电流变化周波的时间内，施加一幅值可控的直轴电流矢量i_d，在此直轴电流矢量i_d脉冲所产生的直轴电枢反应磁动势作用之后，就会改变铝镍钴永磁体7的磁化强弱，以及改变铝镍钴永磁体7的磁化方向，同时铝镍钴永磁体7退磁恢复直线的工作点也发生变化。当铝镍钴永磁体7与钕铁硼永磁体8的磁化方向一致时，因铝镍钴永磁体7矫顽力太低而对永磁主气隙磁场贡献不大，但它会起到将钕铁硼永磁体8产生的磁通推向定子铁芯6，而使永磁主磁场有所增强的作用；铝镍钴永磁体7在此方向被强磁化后，电机永磁主磁通最强。当铝镍钴永磁体7与钕铁硼永磁体8的磁化方向相反时，随着反方向磁化强度的不同，铝镍钴永磁体7将钕铁硼永磁体8产生的磁通在转子内旁路的数量也随之不同，从而起到将永磁主磁通小部分或者大部分减弱的独特作用；铝镍钴永磁体7被反方向被强磁化后，电机永磁主磁通最弱。切向放置的铝镍钴永磁体7的弱磁不像传统永磁电机弱磁方式那样需要三相定子绕组持续施加起去磁作用的直轴电流i_d矢量，是真正宽速运行的新型永磁同步电机。电机转子轴仍为普通低碳钢轴，与转子铁芯9间不需要隔磁处理。在低速运行区，铝镍钴永磁体7应与钕铁硼永磁体8磁化方向相同的方向上被强磁化，电机永磁主磁通最高，电机处于恒转矩调速工作区。***采用直轴电流矢量i_d＝0控制策略，负载电流就是电机交轴电流i_q，电机定子电流小，电机处于比较理想的控制运行状态，力能指标高。在高速运行区，需要弱磁调整。弱磁调整后，当在某一速度范围不需大幅调整而平稳运行时，磁通不需再反复调整。当速度需要大幅调整运行时，只需在某些必要的特定的速度下，通过三相定子绕组在永磁转子直轴方向上施加一个幅值和方向可控的电流脉冲，就可以轻易地改变矫顽力很低的切向放置的铝镍钴永磁体7的磁化状况，以及改变其退磁恢复直线的工作点，从而改变永磁主磁场强弱，且随后保持调整后的磁化状况不变。除调整磁通时有直轴电流矢量脉冲之外，电机定子电流仅是交轴电流，铜耗低，电机经济运行。同时，由于负载电流即交轴电流产生的电枢反应磁动势不穿过铝镍钴永磁体7，不会影响铝镍钴永磁体7的磁化状态；虽然由于负载电流产生的电枢反应磁动势不穿过钕铁硼磁体8，但由于钕铁硼磁体8的矫顽磁动势足够的强，即使出现了最极端的工况钕铁硼磁体8也不会被负载电流产生的电枢反应磁动势去磁；所以可控磁通永磁同步电机不会被负载电流产生的电枢反应磁动势退磁。但可控磁通永磁同步电机的直轴永磁磁路会受负载电流产生的电枢反应磁动势的影响，为了减少此种影响特意设置了非导磁材料18，它起到增大交轴磁路磁阻，有效地增大弱磁和调速范围的目的。

本发明的特点是，因其通过三相定子绕组在电机转子直轴方向上短时间，如一个电流变化周波的时间内，施加一幅值可控的直轴电流矢量i_d就可以改变电机转子永磁体的磁化强度并对磁通密度具有记忆性，而可称之为记忆电机。可控磁通永磁同步记忆电机的最大优点在于可在很宽的调速范围内运行，而没有过多的电枢损耗，也不会牺牲其它电机特性。弱磁调速控制效果显著。

附图说明

图1为本发明电机总体结构示意图。

图2为本发明(6极)内置混合式转子磁路可控磁通永磁同步电机结构剖面图。

图中：转轴-1；轴承-2；端盖-3；定子绕组-4；机座-5；定子铁芯-6；铝镍钴永磁体-7；钕铁硼永磁体-8；转子铁芯-9；冷却风扇-10；风罩-11，位置传感器-12；传感器电缆-13；电机电缆-14；变频器-15；第一非导磁材料-16；第二非导磁材料-17；第三非导磁材料-18。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明进行进一步的说明：

前已述及本发明内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机——记忆电机，除电机转子之外，电机的其它部件与传统的永磁同步电机基本一样。也就是说电机的端盖3，机座5，冷气风扇10，风罩11，定子铁心6，三相定子绕组4的绕制、绝缘、嵌线、浸漆、烘干、压入机座5等制做工艺与传统的永磁同步电机完全一样。需要再强调的是：①为了削弱永磁电机的磁阻转矩将硅钢片叠压而成定子铁芯6要斜一个定子槽，斜槽能有效地削弱齿谐波；②三相定子绕组4采用短距分布绕组，以有效地削弱高次谐波电动势和磁动势对电机的不利影响；③为了减少永磁三次及三的倍数次谐波电动势形成的附加损耗，三相定子绕组4为Y接。电机转轴1为导磁的普通低碳钢材料，与转子铁芯9不用隔磁处理。转子铁芯9由硅钢片叠压而成，转子铁芯9靠冷压套在转轴1上。转子非输出轴伸端还安装有用于速度和矢量控制用的位置传感器12，如光电编码器、旋转变压器等。位置传感器12靠传感器电缆13与驱动永磁同步电机的变频器15相连。驱动永磁同步电机的变频器15靠电机电缆14相连。对本实施例而言：图2中半切向、半径向放置的钕铁硼永磁体8为12块，所标注的箭头方向即为其充磁方向。半切向半径向放置的钕铁硼永磁体8加工时，所选永磁体的预充磁方向应与图2中半切向、半径向放置的钕铁硼永磁体8内所标注的箭头方向一致。经外形加工和电镀防锈处理后，再按加工时所选的预充磁方向充磁。充磁后再按要求嵌入各自的槽中。图2中切向放置的铝镍钴永磁体7也为12块，所标注的箭头是双方向的，即电机运行时其正反两个方向根据调速控制要求充磁或去磁。切向放置的铝镍钴永磁体7加工时，所选永磁体的预充磁方向应与图2中切向放置的铝镍钴永磁体7内所标注的双向箭头方向一致。经外形加工和电镀防锈处理后，不用预充磁直接按要求嵌入各自的槽中即可。按照设计要求制做好电机定子、转子以及各零部件后，即可组装成所述的记忆电机。一般情况下切向放置的铝镍钴永磁体7与半切向、半径向放置的钕铁硼永磁体8在充磁方向上不等厚。

Claims (1)

1.内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机，包括电机转轴(1)、轴承(2)、端盖(3)、定子绕组(4)、机座(5)、定子铁芯(6)、铝镍钴永磁体(7)、钕铁硼永磁体(8)、转子铁芯(9)、冷却风扇(10)、风罩(11)、位置传感器(12)、传感器电缆(13)、电机电缆(14)、变频器(15)、第一非导磁材料(16)、第二非导磁材料(17)以及第三非导磁材料(18)，其特征在于由转轴(1)、铝镍钴永磁体(7)、钕铁硼永磁体(8)及转子铁芯(9)构成为内置混合式转子磁路结构的永磁转子，所述转子铁芯(9)中的铝镍钴永磁体(7)和钕铁硼永磁体(8)按V形放置。

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