CN1300914C - 多极数内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机 - Google Patents

多极数内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种宽调速永磁电机，即多极数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、定子铁芯、铝镍钴永磁体、钕铁硼永磁体、转子铁芯、位置传感器、传感器电缆、电机电缆、变频器。永磁转子为内置混合式转子磁路结构，转子铁芯中永磁体按U形放置，钕铁硼永磁体沿轴经向放置，铝镍钴永磁体沿轴切向放置。本发明的特点是，因其可以靠施加一幅值可控的直轴电流矢量id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，因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。

Description

多极数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，具体涉及一种多极数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id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iq所产生可以利用的转矩将下降；同时由于直轴电流矢量id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。为解决上述难题，已提出过的一种内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机仅有效的使用于极数较少的电机，如四、六极电机，它对于极数较多的电机效果不太突出。
                              发明内容
本发明的目的是提供一种多极数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多极数永磁电机，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。多极数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、钕铁硼永磁体7、铝镍钴永磁体8、转子铁芯9、冷却风扇10、风罩11、位置传感器12、位置传感器电缆13、电机电缆14、变频器15以及非导磁材料16。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完全一样。由转轴1、铝镍钴永磁体8、钕铁硼永磁体7及转子铁芯9组成永磁转子，永磁转子设计为多级数内置混合式转子磁路结构，即将两种永磁材料制成的永磁体置入永磁转子。将转子铁芯9中的钕铁硼永磁体7和铝镍钴永磁体8按U形放置，钕铁硼永磁体7沿轴径向放置，铝镍钴永磁体8沿轴切向放置。钕铁硼永磁体7采用剩磁密度和矫顽力都很高的钕铁硼材料，形状为矩形，合理的选择永磁体长度和宽度，使其尽可能多地贡献磁通量，电机永磁主磁场主要由其产生。铝镍钴永磁体8采用剩磁密度较高但矫顽力很低的铝镍钴材料，形状也为矩形，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，铝镍钴可以在径向正反两个方向上磁化。之所以这样布置，即切向放置钕铁硼永磁体7，径向放置铝镍钴永磁体8，是因为电机极距短，切向空间尺寸小，而径向空间尺寸较大，切向放置的剩磁密度和矫顽力都很高的钕铁硼永磁体7的切向尺寸会较小，而径向尺寸会较长，由其产生更多的电机永磁主磁场；而径向放置的铝镍钴永磁体8仅起调节电机永磁主磁场的作用。其中非导磁材料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。
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id，在此直轴电流矢量id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8的磁化强弱，以及改变铝镍钴永磁体8的磁化方向，同时铝镍钴永磁体8退磁恢复直线的工作点也发生变化。当铝镍钴永磁体8与钕铁硼永磁体7的磁化方向一致时，因铝镍钴永磁体8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7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8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8与钕铁硼永磁体7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8将钕铁硼永磁体7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8被反方向被强磁化后，电机永磁主磁通最弱。径向放置的铝镍钴永磁体8它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id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，不需要隔磁处理。在低速运行区，铝镍钴永磁体8应与钕铁硼永磁体7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id＝0控制策略，负载电流就是电机交轴电流iq，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8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磁动势不穿过铝镍钴永磁体8，所以可控磁通永磁同步电机不会被负载电流退磁。
本发明的特点是，因其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，因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为本发明结构示意图。
图2为一种多极数内置混合式转子磁路可控磁通永磁同步电机磁路结构剖面图。
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；位置传感器电缆-13；电机电缆-14；变频器-15；非导磁材料-16。
                            具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例进行说明，整台电机是按以下说明实施。
前已述及本发明多极数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基本一样。需要再强调的是，①为了削弱永磁电机的磁阻转矩由硅钢片叠压而成定子铁芯6斜一个定子槽，斜槽还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中切向放置的钕铁硼永磁体7为8块，所标注的箭头方向即为其充磁方向。切向放置的钕铁硼永磁体7加工时，所选永磁体的预充磁方向应与图2中径向放置的钕铁硼永磁体7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中径向放置的铝镍钴永磁体8为16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。径向放置的铝镍钴永磁体8加工时，所选永磁体的预充磁方向应与图2中径向放置的铝镍钴永磁体8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个的槽中即可。按照设计要求制做好电机定子、转子以及各零部件后，即可组装成一台完整的多极数内置混合式转子磁路结构可控磁通永磁同步电机一即记忆电机。

Claims (1)

1.多极数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)、钕铁硼永磁体(7)、铝镍钴永磁体(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)以及非导磁材料(16)，其特征在于由转轴(1)、铝镍钴永磁体(8)、钕铁硼永磁体(7)及转子铁芯(9)组成永磁转子，所述永磁转子为内置混合式转子磁路结构，所述转子铁芯(9)中的钕铁硼永磁体(7)和铝镍钴永磁体(8)按U形放置，即所述钕铁硼永磁体(7)沿轴径向放置，所述铝镍钴永磁体(8)沿轴切向放置。
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