專利名稱：高效節(jié)能永磁同步電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同步電機。
背景技術(shù)：
永磁同步電動機可以節(jié)能，因為它能很大程度提高交流感應(yīng)電動機的功率因數(shù)。 它不需要勵磁，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與磁場同步，故無二次回路的損耗。由于上述兩種原因，永磁同步 電動機比相同功率的異步電動機節(jié)能10-15%以上。 隨著人們對節(jié)能環(huán)保意識的提高，將永磁同步電動機作為高效節(jié)能的通用動力 源，從而較大范圍取代異步電動機，已成為電機界業(yè)內(nèi)人士普遍共識。雖然如此，但是永磁 同步電動機的量產(chǎn)普及較緩慢，這是因為永磁同步電動機結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，稀土永磁材料用 量較大、成本偏高、產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定及耐久性尚待提高。 我們知道，當(dāng)前內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電動機，其轉(zhuǎn)子上有類似異步電動機的短路條作 為起動繞組。永磁體分布在轉(zhuǎn)子上用于提供同步電機磁極的磁源。按電機結(jié)構(gòu)類型永磁體 可以有多種布置方式，但必須按電機極數(shù)形成正確合理的磁路，并與定子繞組磁路相匹配。 多數(shù)永磁同步電動機產(chǎn)品，轉(zhuǎn)子采用低碳鋼或電工純鐵作為導(dǎo)磁材料，不銹鋼或鋁作為隔 磁材料，純銅或鋁材作為短路條?；谵D(zhuǎn)子與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)，往往將轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁回路與隔 磁塊為整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。從單純同步電動機運轉(zhuǎn)原理看是可行的，但是卻疏漏了永磁電動機 在實際工作中的特殊性。因為，作為設(shè)備動力源的永磁電動機，其在工作過程中不可避免的 要被頻繁的起動與關(guān)閉，同時，電機配套或周邊設(shè)備及電網(wǎng)回路中的各種隨機擾動電壓影 響，都會形成對永磁體的各種干擾沖擊磁勢， 一旦干擾沖擊磁勢超越永磁體的退磁曲線，會 使永磁體局部緩慢退磁，從而進一步導(dǎo)致電機的損毀，這也是現(xiàn)有永磁同步電動機的工作 不可靠的關(guān)鍵因素。上述干擾沖擊磁勢的產(chǎn)生是一個暫態(tài)過程，下面將對該暫態(tài)過程干擾 磁勢對永磁體的影響進行詳細(xì)的分析 圖1所示的為無永磁體的鐵心線圈，鐵心環(huán)經(jīng)氣隙2 S構(gòu)成閉合磁路，線圈N施加 交流電壓，開關(guān)K閉合是隨機的，這時線圈的電感量為<formula>formula see original document page 3</formula> 式中，S-鐵心截面積；N-線圈匝數(shù)；l-鐵心磁路的平均長度；U。-空氣導(dǎo)磁率， Uf鐵心相對導(dǎo)磁率。 開關(guān)K隨機閉合瞬間，線圈中的電流為<formula>formula see original document page 3</formula> 由上述(1)、 (2)式可見，鐵心線圈電流與電感量成反比，而電感量與鐵心截面積 成正比。因此，對設(shè)計參數(shù)比較飽和的現(xiàn)代電機，繞組有較大電感量，它限制了線圈上的電 流。異步電機開關(guān)接通投入運行，就相當(dāng)于上述情況。 當(dāng)鐵心環(huán)的一端置入永磁體，如圖2所示，假如永磁體磁動勢足夠大，以至所產(chǎn)生磁通①。幾乎使鐵心磁路飽和，磁飽和時的鐵心對線圈可認(rèn)為沒有作用了，相當(dāng)于上述(1) 式中鐵心截面積S趨于O，線圈電感量L近乎空心線圈值。從(2)式可見，極小線圈電感量 L，使電流i驟然上升，因繞組電流僅受極小的銅電阻限制，形成很大瞬時沖擊磁勢Fi = iN， 其量值大小與開關(guān)K閉合時間和e的相位角有關(guān)，其中相位角為正弦波峰值時，為最大沖擊 電流點。若瞬態(tài)磁動勢的方向與永磁體磁動勢同向，則為助磁方向，永磁體不受影響；當(dāng)瞬 態(tài)磁動勢與永磁體磁動勢反向，使永磁體進入永磁體退磁可逆區(qū)，如圖3所示，如果反向沖 擊磁勢大到所形成場強超過臨界矯頑力Hk，永磁體進入不可逆退磁區(qū)，若反向沖擊磁勢場 強到達(dá)內(nèi)稟矯頑力H。i，則永磁體被完全退磁，從而對永磁電動機的穩(wěn)定性和耐久性產(chǎn)生影 響。 其實上述瞬態(tài)反向磁勢的一次沖擊只會在繞組對應(yīng)部位局部消磁，永磁體剩磁 Br(①)水平只是下降一點，但是當(dāng)若干次局部不可逆消磁累積，對永磁同步電機一般會在
數(shù)十次消磁磁勢沖擊后，永磁體剩磁Br(①)累積下降，當(dāng)①m下降到不足以支撐同步力矩，
電動機將跌入失步運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子與定子磁場出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，這時整體結(jié)構(gòu)磁極體與隔磁塊因切割 磁力線而產(chǎn)生短路渦流，使轉(zhuǎn)子迅速溫升，溫度積聚直至形成永磁材料的熱退磁，永磁體功
能完全喪失導(dǎo)致電機損毀。以上分析可見永磁同步電動機只能允許工作在圖3所示的退 磁曲線BkH。范圍內(nèi)，即便開關(guān)引起隨機瞬態(tài)沖擊磁勢，其工作點也不允許超越永磁體退磁 曲線。以往為提高永磁電機運行的可靠性，往往采取增大氣隙以加大磁路磁阻，加厚永磁體 增大磁能積以抵抗干擾沖擊的被動方法，既犧牲了永磁同步電動機性能指標(biāo)，又增加了材 料成本，效果并不理想，沖擊磁勢對永磁體退磁影響未從根源上解決。 從而可以推想出另一情況，如果永磁同步電動機因過載失步持續(xù)較長時間運行， 上述結(jié)構(gòu)形成的永磁同步電動機，也同樣會產(chǎn)生短路渦流發(fā)熱，如果熱量積聚超過熱退磁 溫度，也同樣會導(dǎo)致電機損壞，只是前者起因是干擾沖擊磁勢，后者起因是過載失步。為此， 應(yīng)盡可能提高失步轉(zhuǎn)距的設(shè)計值，提高短時抗超載能力，同時應(yīng)考慮有長時間失步運行能 力。這是永磁同步電動機既節(jié)能，又能在應(yīng)用實踐中能達(dá)到長期穩(wěn)可靠的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能有效避免在運行中所產(chǎn)生的沖擊磁動勢對永磁體 的消磁作用從而提高其可靠性的永磁同步電動機。 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種高效節(jié)能永磁同步電動機，包 括定子、與所述的定子可轉(zhuǎn)動設(shè)置的轉(zhuǎn)子、分布在所述的轉(zhuǎn)子上的至少一對用于產(chǎn)生磁源 的永磁體，所述的相鄰兩個永磁體之間設(shè)置有隔磁塊，它還包括設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子上且位于 所述的隔磁塊與永磁體之間的保護磁路，所述的保護磁路磁阻遠(yuǎn)小于永磁體的內(nèi)部磁阻， 所述的電動機在啟動或關(guān)閉瞬間或運行過程中永磁體所受電網(wǎng)瞬態(tài)突變形成的沖擊磁通 經(jīng)過所述的保護磁路釋放。 由于上述技術(shù)方案的采用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點由于在永磁體 旁設(shè)置有保護磁路，且保護磁路的內(nèi)阻遠(yuǎn)小于永磁體內(nèi)阻，當(dāng)永磁電動機在頻繁開關(guān)，或變 頻器斬波電路產(chǎn)生強大dv/dt或周邊設(shè)備及電網(wǎng)干擾而產(chǎn)生沖擊磁勢，根據(jù)磁路歐姆定 律，沖擊磁勢主要從磁阻較小的保護磁路通過，即干擾沖擊磁動勢流經(jīng)保護磁路泄放掉，避 免干擾沖擊磁勢直接經(jīng)永磁體而導(dǎo)致永磁體退磁，榷保永磁體始終能工作在退磁曲線的安全區(qū)，有效地保護了電機上的永磁體，解決了永磁電動機運行不可靠、工作特性不穩(wěn)定的問 題，保證了電動機的使用壽命，避免了現(xiàn)有技術(shù)中采用模糊概念去增厚永磁材料、氣隙等措 施，從而減少稀土永磁材料的使用，較大幅度地降低了材料成本。


附圖1為無永磁體的鐵心線圈開關(guān)磁場示意圖；
附圖2為置入永磁體的鐵心線圈開關(guān)磁場示意圖；
附圖3為永磁體磁曲線圖； 附圖4為本發(fā)明永磁同步電動機實現(xiàn)原理圖； 附圖5為根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案實施的永磁同步電動機部分剖視總成圖；
附圖6為圖5所示A-A方向部分剖視圖； 附圖7為本發(fā)明轉(zhuǎn)子采用硅鋼片疊壓和鋁壓鑄成型結(jié)構(gòu)圖； 其中1、永磁體；2、轉(zhuǎn)子；21、轉(zhuǎn)子鐵心；23、轉(zhuǎn)子端部擋板；24、轉(zhuǎn)軸；25、隔磁塊； 3、定子；31、定子繞組；32、定子鐵心；4、保護磁路；6、殼體；7、風(fēng)扇；
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細(xì)的說明 本發(fā)明的永磁同步電動機，包括定子、與定子可轉(zhuǎn)動設(shè)置的轉(zhuǎn)子、分布在轉(zhuǎn)子上的 至少一對用于產(chǎn)生磁源使得轉(zhuǎn)子與定子之間構(gòu)成磁回路的永磁體，定子包括線圈繞組、與 線圈繞組相連接用于起動或關(guān)閉電機的開關(guān)或變頻器，圖4所示的為本發(fā)明永磁電動機一 相定子繞組和對應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極原理圖，其包括定子3、轉(zhuǎn)子2、安置在轉(zhuǎn)子2上的一對永磁體1， 其中，定子3包括繞設(shè)在定子鐵心上的線圈N、與線圈N相連接的開關(guān)K，一對永磁體1安置 在轉(zhuǎn)子2鐵心里，且該一對永磁體1的磁路為串連連接從而形成磁回路，圖中，對永磁體的 極性分別用N、 S進行了表示，同時，在每個永磁體1的短路側(cè)分別設(shè)置有兩條保護磁路4， 保護磁路4采用磁阻遠(yuǎn)小于永磁體內(nèi)磁阻的材料制成，如電工純鐵、硅鋼等，其磁阻大約是 永磁體磁阻的10—3 10—4倍，由于保護磁路4的設(shè)置，當(dāng)有瞬態(tài)沖擊磁動勢產(chǎn)生時，沖擊磁 勢經(jīng)保護磁路形成泄放回路，通過該泄放回路將沖擊磁勢旁路，從而可有效減少沖擊磁勢 對永磁體的消磁作用，保證永磁體能夠始終工作在安全區(qū)，下面對其作用原理詳細(xì)進行說 明 如圖4所示，當(dāng)永磁體1安置在轉(zhuǎn)子鐵心里后，其會提供。n的磁通源，由于保護 磁路4的設(shè)置，在永磁體1的兩側(cè)分別建立0\、 。2對稱通路，由于磁通旁路4設(shè)置在永磁 體的短路側(cè)，其將短路少量磁通源①n-2①"根據(jù)磁路安培環(huán)路定律
/ HdL = E I (3)
HL-NI = F (4)
由(4)式可推導(dǎo)出0\ :
<formula>formula see original document page 5</formula> 式中①。為永磁體源的磁通量，Rml為保護磁路磁阻，Rs為氣隙磁阻，&為保護磁 路磁場強度，L為磁磁通旁路平均長度。
磁分量
由開關(guān)K瞬態(tài)沖擊磁勢所形成的瞬時磁通①i，由經(jīng)永磁體分量①mi和磁通旁路 Of = 20 + Om1. (6) ①,p平 (7) 々 ①",'，g 〃 二 (8) 十盧g 式中ii為保護磁路介質(zhì)磁導(dǎo)率，ii g為永磁體磁導(dǎo)率，&為繞組開關(guān)瞬態(tài)沖擊磁 勢，S工為保護磁路截面積，1為電機導(dǎo)磁回路平均長度，S為永磁體有效面積。在這里，設(shè)定 選擇硅鋼作為保護磁路介質(zhì)，由于硅鋼相對于磁導(dǎo)率約7000，而永磁體所采用的釹鐵硼材 料相對磁導(dǎo)率近乎為1，由(7) 、 (8) 二式比較，這說明即使S工比S小幾十倍，但還是保護磁 路磁分量還是遠(yuǎn)大于永磁體分量，即Ou>>①mi。因此，保護磁路4的設(shè)置可有效地泄放 掉因開關(guān)、變頻器或外界干擾所產(chǎn)生的沖擊磁勢，尤其泄放掉導(dǎo)致永磁體消磁的與永磁體 磁回路方向相反的沖擊磁勢，從而保證電機上的永磁體始終工作在安全區(qū)，延長了電機的 使用壽命，同步電機的可靠性得到較大的提高。 圖5、6為本發(fā)明具體實施的帶有保護磁路的永磁電動機結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖5示 出了電機的主要構(gòu)成，包括定子部分、轉(zhuǎn)子部分、殼體6、風(fēng)扇7，定子部分進一步包括定子 繞組31、定子鐵心32，轉(zhuǎn)子部分包括轉(zhuǎn)子鐵心21、轉(zhuǎn)子端部擋板23、轉(zhuǎn)軸24等，圖6所示的 該電動機的轉(zhuǎn)子截面圖，本實施例中，永磁體1為兩對，即本實施例的永磁電動機為四極電 動機，圖中，永磁體1沿轉(zhuǎn)子圓周分布，相鄰兩永磁體1的磁性分布方式按照磁路串連的方 式，每相鄰兩永磁體1之間設(shè)置有隔磁塊25，且在隔磁塊25與每個永磁體1之間還設(shè)置有 一旁路，該旁路為保護磁路4，保護磁路4處的磁阻是永磁體1的內(nèi)磁阻10—3 10—4倍，因 此，由上述分析可知，在電動機開啟、關(guān)閉或工作過程中，永磁體受到的干擾磁勢將從保護 磁路4通過，而不直接從永磁體上穿過，從而釋放掉可致使永磁體退磁的干擾磁勢，保護了 永磁體。 保護磁路4可單獨通過硅鋼片或電工純鐵等磁阻遠(yuǎn)小于永磁體磁阻的材料設(shè)置 在轉(zhuǎn)子上，也可直接將轉(zhuǎn)子本身用上述材料制成，在本實施例中，轉(zhuǎn)子采用硅鋼片疊壓成 型，從而使得轉(zhuǎn)子與保護磁路成為一體，成型工藝如圖7所示，轉(zhuǎn)子成型工藝可直接沿用現(xiàn) 有異步電機的轉(zhuǎn)子生產(chǎn)工藝，也就是說，利用現(xiàn)有通用的工藝方法就可實現(xiàn)本發(fā)明永磁電 動機的轉(zhuǎn)子生產(chǎn)，因此，不僅降低了制造成本，而且有利于量產(chǎn)。 上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人 士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍，如本發(fā)明永磁 電動機永磁體并不限于四極，凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種高效節(jié)能永磁同步電動機，包括定子、與所述的定子可轉(zhuǎn)動設(shè)置的轉(zhuǎn)子、分布在所述的轉(zhuǎn)子上的至少一對用于產(chǎn)生磁源的永磁體，所述的相鄰兩個永磁體之間設(shè)置有隔磁塊，其特征在于它還包括設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子上且位于所述的隔磁塊與永磁體之間的保護磁路，所述的保護磁路磁阻遠(yuǎn)小于永磁體的內(nèi)部磁阻，所述的電動機在啟動或關(guān)閉瞬間或運行過程中永磁體所受電網(wǎng)瞬態(tài)突變形成的沖擊磁通經(jīng)過所述的保護磁路釋放。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能永磁同步電動機，其特征在于每個所述的隔磁塊 與永磁體之間都設(shè)置有保護磁路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能永磁同步電動機，其特征在于所述的保護磁路由 設(shè)置在轉(zhuǎn)子上的電工純鐵或硅鋼材料制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的高效節(jié)能永磁同步電動機，其特征在于所述的保護磁 路與轉(zhuǎn)子采用硅鋼片一體疊壓成型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效節(jié)能永磁同步電動機，其特征在于所述的保護磁路的 磁阻為永磁體內(nèi)部磁阻的10—3 10—4倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種永磁同步電動機，包括定子、與定子可轉(zhuǎn)動設(shè)置的轉(zhuǎn)子、分布在轉(zhuǎn)子上的至少一對用于產(chǎn)生磁源的永磁體，所述的相鄰兩個永磁體之間設(shè)置有隔磁塊，它還包括設(shè)置在轉(zhuǎn)子上且位于隔磁塊與永磁體之間的保護磁路，所述的保護磁路磁阻遠(yuǎn)小于永磁體的內(nèi)部磁阻，所述的電動機在啟動或關(guān)閉瞬間或運行過程中永磁體所受電網(wǎng)瞬態(tài)突變形成的沖擊磁通經(jīng)過所述的保護磁路釋放，從而確保永磁體始終能工作在退磁曲線的安全區(qū)，有效地保護了電機上的永磁體，解決了永磁電動機運行不可靠、工作特性不穩(wěn)定的問題，保證了電動機的使用壽命。
文檔編號H02K1/27GK101783561SQ20101014339
公開日2010年7月21日 申請日期2010年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月22日
發(fā)明者樂秀峰 申請人:蘇州太通電氣有限公司