CN104967272A - 一种永磁笼型的转子变极变频调速电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼有永磁和笼型转子特点的变频变极调速三相交流电机。该电机定子变极绕组的一种极对数为p₁，另一种极对数为p₂，p₂＝np₁(n为偶数)，两种极对数对应绕组在电路上等效独立；转子表面均匀分布槽数Z₂，转子槽内放置的导条用端环短路连接，转子内置2p₁个永磁体，放置于转子槽下方。该电机运行时，极对数p₁接入频率为f的变频电源，呈现自起动永磁转子电机特性；极对数p₂接入频率为2f+sf(s为转差率)的变频电源，对应转子磁通不会穿过永磁体，呈现笼型转子感应电机特性。与现有技术相比，这种电机应用上更加灵活，低速运行转矩大，高速运行恒功率调速范围宽，也可用作汽车中的起动-发电机，其中起动可以利用其感应电机特性，发电则可利用其永磁电机特性。

Description

一种永磁笼型的转子变极变频调速电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种永磁笼型的转子变极变频调速电机。

背景技术

永磁交流电机效率高，功率密度大，结构简单，控制灵活，但制成后气隙磁场基本恒定，高速时弱磁调节困难，在要求低速时具有高转矩，又要求有宽广的恒功率调速运行范围，例如电动汽车等一些场合，其应用将会受到一定限制。

采用变频调速的笼型转子感应电机起动特性好，也具有效率较高，结构简单可靠的特点，目前在一般的驱动系统中应用最为广泛。但其不足之处是，恒转矩模式下端电压随频率的增大而升高，当电压达到最大电压时，必须转而进入恒功率模式运行，因此这时的调速范围也是有限的，一般不超过两倍的额定转速。

为进一步增大变频调速感应电机调速范围，国内外一些研究者也提出了变频和变极混合调速的方法来实现低速大转矩和扩大恒功率的调速范围。这种方法的思路是将电机定子绕组设计成变极绕组，变频调速在低速时采用多极对数，高速时采用少极对数。具体的变频变极换接方式则有两种，一种是开关换接，这种换接方式需要断开电源，另一种是电子变极，这种换接方式不需要断开电源，但绕组不能以常规三相绕组的方式接入变频电源，而只能以多相绕组方式接入变频电源。就目前的研究而言，这两种换接方式在变频变极换接瞬间，仍然存在转速或是转矩跳变的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种永磁笼型的转子变极变频调速电机，实现低速大转矩和进一步扩大恒功率的调速范围，并解决现有技术中，在变频变极换接的瞬间仍然存在的转速或是转矩跳变等技术问题。

本发明提供了一种永磁笼型的转子变极变频调速电机，在定子上布置有具有两种极对数的三相绕组，其中一种极对数为p₁，另一种极对数为p₂，转子上表面开有Z₂个均匀分布的槽，每个槽内放置一根导条，所有导条在转子两端采用端环短路连接，转子还内置2p₁个均匀分布的永磁体，所述永磁体放置于所述槽的下方；p₂＝np₁，n为偶数，Z₂为整数。

更进一步地，在电机运行时，极对数为p₁的三相绕组接入频率为f的变频电源，对应自起动永磁转子电机特性；极对数为p₂的三相绕组接入频率为2f+sf的变频电源，对应笼型转子感应电机特性；s为转差率，-1≤s≤1。

更进一步地，所述三相绕组为单绕组，其接线方式为换相变极3Y/3Y并联接法。

更进一步地，极对数为p₁的三相绕组和极对数为p₂的三相绕组在电路上等效独立。

通过本发明所构思的以上技术方案，由于在转子上采用了笼型绕组和永磁体混合结构，可以使得电机在低速运行时呈现多极对数感应电机特性，高速时呈现少极对数永磁电机弱磁特性，与现有技术相比，这种电机应用上更加灵活，能够取得性能改善，低速运行转矩大，高速运行恒功率调速范围宽的有益效果，并可拓展用于其它方面，例如，用作汽车中的起动-发电机，其中起动可以利用其多极对数感应电机特性，发电则利用少极对数永磁电机特性。

附图说明

图1是永磁笼型转子电机运行结构示意图；

图2是永磁笼型转子结构示意图；

图3是p＝4，2p＝8永磁笼型转子电机绕组结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明目的是提供一种兼有永磁和笼型转子特点，定子采用变极绕组的变频调速电机。这种电机转子上既布置有常规笼型绕组，也同时布置有永磁体，定子变极绕组具有两种极对数，其极对数之比为倍极比，这两种极对数各自接入三相变频器，无需换接，其中多极对数对应转子笼型绕组，为笼型转子感应电机特性；少极对数对应转子永磁体，为永磁转子电机特性，变极换接时不会存在转速跳变的问题，具体分析如下。

本发明定子绕组具有的两种极对数分别为极对数p₁和极对数p₂，p₂＝np₁(n为偶数)，转子内置均匀分布的2p₁个永磁体，转子表面均匀分布的槽数为Z₂，为改善转子磁路的对称性，一般可取Z₂/(2p₁)＝k(k为整数)，每个转子槽内放置一根导条，全部导条的端部采用端环短路连接。

对于极对数p₁沿气隙圆周极距为τ₁，对应电角度为180°，这时内置的2p₁个永磁体将转子表面均匀分布导条分为2p₁段，每段长度为τ₁；而对于极对数p₂，极距为τ₂，τ₂＝τ₁/n，也即每段长度τ₁在极对数p₂下对应n 180°电角度。这样，对于多极对数p₂而言，转子旋转至任何位置，每段长度τ₁对应电角度总会为360°整倍数，且其中所含导条等效跨距为整距，这也就是说，若忽略内置永磁体开槽的影响，对于极对数p₂，这种内置永磁体转子在转子圆周每段长度τ₁内，磁路上自成回路，磁通不会穿过永磁体，所呈现的笼型转子特性，与常规笼型转子特性电气上是等效的。

根据以上分析，两种极对数p₁和p₂对于转子而言，磁路上可以看成是分开的，如果认为磁路线性，则这两种极对数在电气控制上也是各自独立的。

本发明对应这两种极对数的三相绕组在运行时需要各自接入一套三相变频器，具体连接方式的示意图如附图1所示。附图1中，1为定子三相p₁对极绕组，2为定子三相p₂对极绕组，3为接入p₁对极绕组的三相变频器，4为接入p₂对极绕组的三相变频器，5为永磁笼型转子，6为永磁体，7为转子槽。

按附图1所示的本发明电机可以有3种运行方式：

(1)p₂单独运行，笼型转子感应电机异步特性；

(2)p₁单独运行，永磁电机同步特性；

(3)p₁和p₂联合运行，两者同转向，其中p₁绕组频率f，p₂绕组频率2f+sf(s为转差率，-1≤s≤1)，笼型转子感应电机和永磁电机叠加特性；

(4)p₁和p₂联合运行，两者同转向，其中p₁绕组频率f，p₂绕组频率2f，永磁电机同步特性，分析如下：

设p₁对极气隙磁动势波为f(ωt,θ)＝Asin(ωt-pθ)；p₂对极气隙磁动势波为g(ωt,θ)＝Bsin(2ωt-2pθ)；以上两式中，ωt为角频率，θ为空间机械角度，A和B为磁动势幅值。如果A＝2B，令A＝1，则气隙合成磁动势波为f(ωt,θ)+g(ωt,θ)＝2cos²((ωt-p₁θ)/2)sin(ωt-p₁θ)；不难看出，这时的气隙合成磁动势波仍然可以近似看成是一个p₁对极气隙磁动势波，电机仍具有永磁电机的同步特性。

这里要说明的是，附图1中本发明定子上采用了两套不同极对数的三相绕组，但也可以利用单绕组变极技术使一套绕组具有两种极对数，例如3Y接法的换相变极绕组等，使电机定子导体利用率提高，结构进一步简化。

通过本发明所构思的以上技术方案，由于在转子上采用了笼型绕组和永磁体混合结构，可以使得电机在低速运行时呈现多极对数感应电机特性，高速时呈现少极对数永磁电机弱磁特性，与现有技术相比，这种电机应用上更加灵活，能够取得性能改善，低速运行转矩大，高速运行恒功率调速范围宽的有益效果，并可拓展用于其它方面，例如，用作汽车中的起动-发电机，其中起动可以利用其多极对数感应电机特性，发电则利用少极对数永磁电机特性。

下面以极对数p₁＝2，p₂＝4，极数比4/8的电机为例，说明本发明。

这里多极对数为p₂＝4，少极对数为p₁＝2，因此只能让p₂＝4为笼型转子感应电机特性，p₁＝2为永磁转子电机特性。若取k＝10，则转子槽数Z₂＝2kp₁＝40，每槽放置一根导体，全部导体在转子两端用端环短路连接。极对数p₂的极距为Z₂/2p₂＝5，极对数p₁的极距为Z₂/2p₁＝10，永磁体个数2p₁＝4，沿转子圆周均匀布置在转子槽下方，如附图2所示。附图2中，21为永磁体，22为40槽永磁笼型转子，附图2中也标出了永磁体的充磁方向。

这种电机定子变极绕组的槽数若取36槽，则可采用单绕组变极技术将之设计为3Y/3Y接法的换相变极绕组。这种接法绕组有p₁和p₂两个三相变频电源接入端口，和两套不同极对数的三相绕组接线一样简单，变极变频时可以无需换接，绕组结构上则更为紧凑，具体如附图3所示。附图3中，31为定子3Y/3Y接法换相变极绕组，32为永磁笼型转子。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种永磁笼型的转子变极变频调速电机，其特征在于，在定子上布置有具有两种极对数的三相绕组，其中一种极对数为p₁，另一种极对数为p₂，转子上表面开有Z₂个均匀分布的槽，每个槽内放置一根导条，所有导条在转子两端采用端环短路连接，转子还内置2p₁个均匀分布的永磁体，所述永磁体放置于所述槽的下方；p₂＝np₁，n为偶数，Z₂为整数。

2.如权利要求1所述的转子变极变频调速电机，其特征在于，在电机运行时，极对数为p₁的三相绕组接入频率为f的变频电源，对应自起动永磁转子电机特性；极对数为p₂的三相绕组接入频率为2f+sf的变频电源，对应笼型转子感应电机特性；s为转差率，-1≤s≤1。

3.如权利要求1所述的转子变极变频调速电机，其特征在于，所述三相绕组为单绕组，其接线方式为换相变极3Y/3Y并联接法。

4.如权利要求1所述的转子变极变频调速电机，其特征在于，极对数为p₁的三相绕组和极对数为p₂的三相绕组在电路上等效独立。