[發明專利]一種單相自起動永磁同步電機

有效

• 申請號: 201010603057.2
• 申請日: 2010-12-24
• 公開（公告）號: CN102044946A
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發明（設計）人: 黃允凱;董劍寧;金龍;彭飛
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02K21/22
• 分類號: H02K21/22;H02K21/02;H02K3/28
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及一種維特電機，具體涉一種單相自起動永磁同步電機，其可以改善起動性能、削弱轉矩脈動、降低其振動和噪聲水平、提高其運行平穩性。

背景技術

傳統自起動單相永磁電機常采用一種20世紀70年代提出的拓撲結構。這種拓撲結構的電機又稱為振蕩起動單相永磁同步電機，常采用U形鐵芯、不均勻或者階梯氣隙、兩極結構。定子繞組線圈為集中式，單獨繞制后再套裝在定子鐵芯上。永磁轉子通常選擇鐵氧體磁環，因為鐵氧體具有良好的抗腐蝕性能，可在水等液體中長期穩定工作。應用于泵機時，可將永磁轉子也設置在泵殼內，通過共軸結構直接驅動泵的葉輪，省去了泵軸的動密封，這極大地簡化了泵機結構，降低了制造成本。

該種電機直接接入單相交流電源后即可實現自啟動運行，而不像通常的永磁無刷直流電機那樣需要由位置傳感器確定轉子位置后由電力電子元件驅動。這進一步地提高了電機的運行穩定性，降低了電機制造成本。該種電機可自啟動運行的原理在于：U形鐵芯端部的圓弧與永磁體間形成非均勻或者階梯狀的氣隙。這種氣隙可使初始狀態下轉子永磁體的磁極中心線與定子磁極中心線成一定夾角，從而使轉子在通電瞬間合成轉矩不為零。

由于具有上文所述結構簡單、運行穩定、制造成本低等優點，在微特電機領域，該種電機已經逐漸取代傳統的電容裂相或罩極單相異步電機，廣泛應用于散熱、排水或上水場合。但該種結構電機也存在起動轉矩不夠大，進入同步過慢，易失步、效率低的問題。為解決這一問題，同時保持其成本低、無需復雜控制器、加電即可運行等優點，有人提出了另一種結構的自啟動永磁同步電機。其特征為：轉子為N-S交替分布的多對極結構，定子齒數與磁極數一致。其自起動原理與前述U型電機一致：定子齒面圓弧加工為使氣隙逐漸變大的一段式或階梯狀結構，以獲得自起動所必須的非均勻氣隙。由于具有較高的起動質量和效率，這種結構的電機，尤其是采用外轉子、葉輪直接安裝在轉子軛部結構的該種電機，適合用作空調、冷卻系統的風機。

非對稱氣隙是上述兩種單相永磁同步電機實現自起動的關鍵，但非對稱氣隙也帶來了很大的轉矩脈動。對于后一種多對極的單相自起動永磁同步電機而言，已有很多學者進行了很多關于降低其轉矩脈動的研究。早期研究發現，采用逐漸變大的一段式氣隙結構能夠從一定程度上減小該種電機的轉矩脈動，因此傳統上，此種氣隙結構得到了最廣泛的應用。也有人嘗試通過相鄰齒部采用不同形式氣隙的方法減小其轉矩脈動，也收到了一定成效。但這兩種方法都會從一定程度上減小電機的起動轉矩。最有效的方法是通過有限元分析，預測轉矩脈動最小時對應的定子電流波形，然后采用位置傳感器和控制器對電流波形進行控制。這種方法從理論上可以完全消除轉矩脈動，但由于需使用復雜的控制器和傳感器，極大地增加了制造成本。

綜上所述，從改善電機結構入手，在不增加制造成本的前提下，降低上述多對極單相自起動永磁同步電機的轉矩脈動，同時提高其起動轉矩，將具有重大意義。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種具有新型氣隙結構的單相自起動永磁同步電機。該種電機通過采用特殊的氣隙結構，可提高起動轉矩，降低穩態運行時的轉矩脈動，改善運行平穩性。

技術方案：為實現上述目的，本發明的一種單相自起動永磁同步電機，包括轉子軛、永磁體和定子，所述的永磁體貼在轉子軛內表面，N極和S極間隔分布，永磁體內側是定子，所述的定子包括定子鐵芯和單相定子繞組，定子鐵芯的齒部表面為由第一段圓弧和第二段圓弧連接而成的曲面，該曲面與永磁體內表面之間為氣隙。所述的氣隙是不均勻的二段式氣隙。

所述的第一段圓弧的始端為氣隙最小處，第一段圓弧的末端與第二段圓弧的始端連接，并且該連接處為氣隙最大處。第二段圓弧的末端為另一氣隙最小處。即氣隙從最小氣隙逐漸變到最大氣隙，然后再逐漸變小到最小氣隙。設永磁體內表面半徑為R，氣隙最小處距離永磁體內表面的距離為c，最大處與永磁體內表明距離為d，則兩段圓弧的半徑長度均為R-(c+d)/2。兩段圓弧的圓心均不在電機的中心，其各自圓心的具體位置由定子齒兩段的氣隙最小處，中間的氣隙最大處，以及前述圓弧的半徑長度唯一地確定。

所述氣隙最大處與定子鐵芯齒部邊緣的夾角為α，2°≤α≤10°；夾角α的具體大小要根據具體電機和使用場合確定。所述的定子齒數和轉子磁極數相同。所述轉子軛的結構為外轉子結構，永磁體可以是圓環形磁環，也可以是瓦片形的磁體。所述的永磁體的貼裝的順序為N極S極相互交替，永磁體可采用粘結、燒結或者注塑等工藝制成。