本申请要求于 2009 年 12 月 31 日提交中国专利局、 申请号为 200910262198.X,发明名称为"一种稀土永磁电动机� �其控制方法 "的中国专利 申请的优先权， 其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及电动机技术领域，特别涉及一种自 启动稀土永磁电动机及其控 制方法。

背景技术

自启动稀土永磁电动机（以下筒称稀土永磁电 动机）， 在额定电压下满载 运行时， 功率因数可以达到 0.98 以上， 即便是空载工况， 其功率因数也能达 到 0.8以上。 由于稀土永磁电动机功率因数高， 这样不但电机本身的铜耗显著 降低，也减小了输电线路上的损耗，因此稀土 永磁电动机的应用范围越来越广。

但是， 现有的稀土永磁电动机在供电电压相对于额定 电压发生偏差情况 下， 其空载电流会显著增大， 轻载运行性能显著变坏。 例如一台额定电压 380 V额定功率 22kW的稀土永磁电动机， 当电源电压等于感应电势（380V ) 时， 空载电流仅仅 1.5安培左右， 而当电源电压降至 360V或者增加到 400V时， 空载电流可能达到 12A~15A。 这就说明， 电压虽然仅仅变化了大约 5% , 空载 电流却可能增加 8-10倍。

在稀土永磁电动机驱动抽油机的情况下，在每 个冲程中的大部分时间都属 于轻载运行。在其轻载运行的情况下， 功率因数也随着供电电压的变化而发生 显著变化。 例如当负载是额定功率 1/3的时候，如果供电电压也是 380V左右， 那么它的功率因数可以接近 0.98；而一旦供电电压从 380V变为 340V或 420V , 功率因数就会降至只有 0.7, 甚至 0.5左右， 如图 1所示。 该图表示出负载是 额定功率的 1/3时， 稀土永磁电动机的功率因数与供电电压之间的 关系。 可见 稀土永磁电动机的性能， 无论是空载还是负载， 对供电电压都非常敏感。

油田的供电线路一般长达 10km甚至更长， 在较长供电线路情况下， 供电 线路的首端和末端的电压差别较大。大量实测 表明，对于安装额定电压为 380V 电动机的供电系统，首端电压通常达到 410V-420V, 而末端却只有 350V-360V 左右。 因此， 现有的稀土永磁电动机在油田的供电线路中， 功率因数会大幅降 低， 这样不仅使电机本身的损耗增加， 也增加了供电线路及变压器的损耗。 发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种自启动稀 土永磁电动机及其控制方 法， 能够自适应供电电压， 达到较高的功率因数。

本发明实施例提供一种自启动稀土永磁电动机 ， 包括三相定子绕组， 所述 三相定子绕组中的每相定子绕组的出线端除了 首尾两端的出线端以外，具有至 少一个抽头， 出线端的不同连接对应不同的感应电势。

优选地， 当所述三相定子绕组是星形接法时， 所述抽头从每相定子绕组的 首端部位引出；

所述三相定子绕组的尾端出线端连接在一起构 成中性点；

电源线连接定子绕组首端不同的出线端对应不 同的感应电势。

优选地， 当所述三相定子绕组是星形接法时， 所述抽头从每相定子绕组的 尾端部位引出；

电源线连接所述三相定子绕组首端的出线端， 定子绕组尾端的出线端接在 一起构成中性点， 尾端的出线端的不同连接对应不同的感应电势 。

优选地， 当所述三相定子绕组是星形接法时， 所述抽头从每相定子绕组的 首尾两端分别引出；

所述三相定子绕组首端的一组出线端连接电源 线； 首端剩余的出线端空 置；

所述三相定子绕组尾端的一组出线端连接中性 点； 尾端剩余的出线端空 置。

优选地， 所述抽头为一个、 二个、 三个或四个。

优选地，出线端的不同连接所对应的感应电势 与电动机额定电压的差是额 定电压的 k(2~6)%; 其中 k为所述抽头的个数。

本发明实施例还提供一种控制所述稀土永磁电 动机的方法， 包括以下步 骤：

首次安装稀土永磁电动机时，检测当前的供电 电压，选择与所述供电电压 对应的感应电势；

由所述感应电势选择并连接对应的出线端。 优选地， 还包括：

监测供电电压与当前感应电势是否匹配，如果 不匹配， 则判断供电电压与 当前感应电势的差值是否大于供电电压与相邻 档位感应电势的差值， 如果是， 则选择并连接相邻档位的感应电势对应的出线 端； 如果否， 则保持不变。 与现有技术相比， 本发明具有以下优点：

本发明提供的稀土永磁电动机， 在每相定子绕组设置多个出线端， 这样出 线端不同对应定子绕组的匝数不同， 当永磁电动机转子旋转时， 在定子绕组上 就会产生不同的感应电势。 因此， 可以通过连接不同的出线端来使稀土永磁电 动机适应不同的供电电压。 这样， 当供电电压变化时， 可以使稀土永磁电动机 自适应供电电压的变化， 感应电势与供电电压总是相匹配的，从而提高 稀土永 磁电动机的功率因数。

附图说明

图 1是现有技术中稀土永磁电动机负载是额定功� � 1/3时的功率因数与供 电电压的关系曲线图；

图 2是本发明提供的稀土永磁电动机实施例一示� �图；

图 3是本发明提供的稀土永磁电动机实施例二示� �图；

图 4是本发明提供的稀土永磁电动机实施例三示� �图；

图 5是本发明中稀土永磁电动机负载是额定功率 1/3时的功率因数与供电 电压的关系曲线图；

图 6是本发明提供的稀土永磁电动机的控制方法� �施例一流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、 特征和优点能够更加明显易懂， 下面结合附图对 本发明的具体实施方式做详细的说明。

由于稀土永磁电动机的感应电势与供电电压是 否匹配，严重地影响该电机 运行时的功率因数， 因此， 本发明通过调节稀土永磁电动机的感应电势来 适应 外界的供电电压。

稀土永磁电动机实施例一：

参见图 2, 该图为本发明提供的稀土永磁电动机实施例一 示意图。 本实施例提供的稀土永磁电动机， 包括三相定子绕组，分别为 A相定子绕 组、 B相定子绕组和 C相定子绕组。所述三相定子绕组中的每相定� �绕组具有 至少三个出线端， 出线端不同的连接对应不同的感应电势。

下面以每个定子绕组具有五个出线端为例进行 说明。 如图 2所示， A相定 子绕组 201具有的五个出线端分别是 A、 XI、 X2、 X3和 X4; B相定子绕组 具有的五个出线端分别是 B、 Yl、 Υ2、 Υ3和 Υ4; C相定子绕组具有的五个 出线端分别是 C、 Zl、 Z2、 Z3和 Z4。

根据电机的工作原理，三相定子绕组是对称的 ，因此， A-X1、 B-Y1和 C-Z1 对应的线圈匝数是相同的， 其他以此类推， 在此不再赘述。 下面以 A相定子 绕组为例进行说明。 可以理解的是， 电源加在 A相定子绕组的哪个出线端时， 也同样加在 B相定子绕组和 C相定子绕组对应的出线端。

图 2所示的定子绕组可以对应 4个档位的电压，对应的出线端组合分别是 A-X1、 A-X2、 A-X3、 A-X4。

例如， 以 U _N 表示稀土永磁电动机的额定电压， U _N 可以为 380V、 660V或 1140V等等，可以根据工作场合供电电源的电压� ��级选择稀土永磁电动机的额 定电压。 需要说明的是， 以下实施例的叙述中， 凡是涉及额定电压 1¾的内容， 无论 U _N 的具体数值是多少均适用的。

当电源加在三相定子绕组的 A-X1、 B-Y1和 C-Z1上时， 假设对应的感应 电势是 96%U _N , 则对应的供电电压可以是从低于 94%1¾到 98%U _N 。 当电源加 在三相定子绕组的 A-X2、 B-Y2和 C-Z2上时， 对应的感应电势是 U _N , 则对应 的供电电压可以是（ 98% ~ 102% )U _N 。当电源加在三相定子绕组的 A-X3、 B-Y3 和 C-Z3上时，对应的感应电势是 104%U _N ,则对应的供电电压可以是（ 102% ~ 106% ) U _N 。 当电源加在三相定子绕组的 A-X4、 B-Y4和 C-Z4上时， 对应的 感应电势是 108%U _N , 则对应的供电电压大于 106%U _N 。

需要说明的是，稀土永磁电动机的供电电压的 档位可以根据实际需要选择 不同的档位， 档位的个数也可以根据需要设定， 例如， 每相定子绕组可以设置 三个出线端、 四个出线端、 五个出线端或六个出线端等等。

出线端的不同连接所对应的感应电势与电动机 额定电压的差是额定电压 的 k(2~6)%; 其中 k为所述抽头的个数。 本发明提供的稀土永磁电动机， 在每相定子绕组设置多个出线端， 这样出 线端不同对应定子绕组的匝数不同， 当永磁电动机转子旋转时， 在定子绕组上 就会产生不同的感应电势。 因此， 可以通过连接不同的出线端来使稀土永磁电 动机适应不同的供电电压。 这样， 当供电电压变化时， 可以使稀土永磁电动机 自适应供电电压的变化， 稀土永磁电动机的感应电势与供电电压相匹配 ， 进而 提高稀土永磁电动机的功率因数。 稀土永磁电动机实施例二：

参见图 3, 该图为本发明提供的稀土永磁电动机实施例二 示意图。

一般永磁电机的定子绕组均是采用星形连接方 式。

本实施例提供的稀土永磁电动机， 所述出线端从每相定子绕组的首端引 出； 所述三相定子绕组的末端接在一起构成中性点 ； 电源线连接定子绕组首端 不同的出线端对应不同的感应电势。

下面以每相定子绕组具有四个出线端为例进行 说明。

如图 3所示， 每相定子绕组的末端连接在一起构成中性点 这样， 中性 点可以在电机壳体内部短接，不需要再将定子 绕组的末端引出到电机壳体外部 的接线盒。

A相定子绕组的四个出线端分别为： A、 Al、 A2和 A3; B相定子绕组的 四个出线端分别为： B、 Bl、 B2和 B3; C相定子绕组的四个出线端分别为： C、 Cl、 C2和 C3。

电源线通过连接不同的出线端可以得到不同的 感应电势，进而对应不同的 供电电压。

例如， 电源线可以连接三相定子绕组的 A、 B和 C, 此时， 对应的绕组的 线圈匝数是最多的， 因此， 对应的感应电势最大， 对应的供电电压也最大。 以 此类推， 当电源线连接三相定子绕组的 A3、 B3和 C3时， 对应的绕组的线圈 匝数是最少的， 感应电势也最小， 对应的供电电压也最小。

本实施例提供的稀土永磁电动机的定子绕组的 出线端设置在首端，通过改 变电源线连接的出线端就可以改变对应的供电 电压。这样， 可以在电机内部将 定子绕组的末端连接在一起形成中性点，不用 在电机壳体外部再调节中性点的 连接方式。 与将抽头设置在中性点附近的图 2相比， 其优点是引出线较少。 例 如在都具备四档调压的情况下， 引出线从图 2的 15根减少为 12根。 稀土永磁电动机实施例三：

继续参见图 2, 该图为本发明提供的稀土永磁电动机实施例三 示意图。 本实施例提供的稀土永磁电动机， 所述出线端从每相定子绕组的尾端引 出； 电源线连接所述三相定子绕组的首端， 定子绕组尾端不同的出线端接在一 起构成中性点。

如图 2所示。本实施例是将电源线连接在定子绕组� �端固定不动，通过将 末端的不同出线端连接在一起构成中性点。 中性点连接的出线端不同，对应的 感应电势不同。

电源线连接三相定子绕组的首端 A、 B和 C。

中性点连接不同组别的 X、 Y和 Z, 就可以构成不同的感应电势。 A相定 子绕组尾端的出线端为 X4、 X3、 X2和 XI , B相定子绕组尾端的出线端为 Y4、 Υ3、 Υ2和 Yl , C相定子绕组尾端的出线端为 Z4、 Z3、 Z2和 Zl。

当中性点连接 X4、 Y4和 Z4时， 对应的感应电势是最大的， 供电电压也 是最大的。 以此类推， 当中性点连接 XI、 Y1和 Z1时， 对应的感应电势是最 小的， 供电电压也是最小的。

本实施例提供的稀土永磁电动机， 电源线的连接方式固定不变， 将三相定 子绕组的末端出线端引到壳体外部，通过连接 不同的出线端来构成中性点，从 而使其与供电电压相匹配。 稀土永磁电动机实施例四：

参见图 4, 该图为本发明提供的稀土永磁电动机实施例四 示意图。

本实施例提供的稀土永磁电动机的出线端从每 相定子绕组的首尾两端分 别引出； 定子绕组首端的出线端连接电源线， 尾端的出线端连接中性点。

如图 4所示， A相定子绕组的首端的出线端为 A1和 A2,末端的出线端为 XI和 X2; B相定子绕组的首端的出线端为 B1和 B2, 末端的出线端为 Y1和 Y2; C相定子绕组的首端的出线端为 C1和 C2, 末端的出线端为 Z1和 Z2。 电源线连接每相定子绕组的首端的出线端， 中性点连接每相定子绕组的末 端的出线端。 这样， 可以固定中性点的连接方式， 通过调节电源线连接的首端 的出线端来改变感应电势； 也可以固定电源线的连接方式，通过调节中性 点连 接的末端的出线端来改变感应电势。 当然，也可以既调节电源线连接方式又改 变中性点连接方式来调节感应电势。

图 4所示的定子绕组可以对应 4个档位的电压， 对应的出线端组合分别 A1-X1、 Al-X2、 A2-X1和 A2-X2。

例如， 电源线连接三相定子绕组首端的接线端分别为 Al、 B1和 C1不变， 中性点可以连接三相定子绕组的末端的出线端 XI、 Y1和 Z1 , 这样对应最大 的感应电势； 中性点也可以连接三相定子绕组的末端的出线 端 X2、 Y2和 Z2, 这样对应较小的感应电势。电源线连接三相定 子绕组首端的接线端分别为 A2、 B2和 C2不变， 中性点可以连接三相定子绕组的末端的出线端 X2、 Y2和 Z2 , 这样对应最小的感应电势。

下面结合附图 5详细说明一下本发明的有益效果。

参见图 5 , 该图为本发明实施例提供的稀土永磁电动机的 供电电压与功率 因数曲线图。

本发明实施例提供的一台四档调压的稀土永磁 电动机 (四档电压的设计值 分别为 365V、 380V、 395V, 410V,电动机额定电压为 380伏） ， 当负载是额 定功率的 1/3而电源电压从小到大变化的时候， 如果不改变电动机出线端的连 接方式，或者采用常规的稀土永磁电机， 因而不具备改变定子绕组出线端连接 方式的条件， 其功率因数随电压变化曲线用图 5中从左到右第二条曲线表示。 可以看出， 当电源电压等于额定电压时， 功率因数大约 0.98, 当其比额定电压 低 10%时， 功率因数会降低到大约 0.75 , 而当其比额定电压高 10%时， 功率 因数会降低到大约 0.55。

图 5 中的最上方的用黑色粗实线表示的曲线是本发 明各个实施例中实测 的功率因数随电压变化的曲线。 从该曲线可以看出， 当电源电压在 350V 到 415V范围变化时， 功率因数均大于 0.96。 这是因为， 在电源电压位于不同范 围时，相应地改变了定子绕组出线端的连接方 式，使永磁电动机的感应电势与 电源电压总是相匹配的。 从图 5中可以明显地看出， 采用本发明实施例提供的稀土永磁电动机， 可 以在很宽的供电电压范围内均能得到很高的功 率因数，从而解决了现有的稀土

7 磁电动机对供电电压敏感的问题。 基于以上稀土永磁电动机，本发明实施例还提 供一种自启动稀土永磁电动 机的控制方法， 下面结合附图详细进行说明。

参见图 6, 该图为本发明提供的稀土永磁电动机的控制方 法实施例一流程 图。

S601 : 首次安装稀土永磁电动机时， 检测当前的供电电压， 选择与所述供 电电压对应的感应电势。

由于供电电压因为各种因素可以存在浮动，从 而与稀土永磁电动机的额定 电压不匹配， 因此， 实时监测稀土永磁电动机的供电电压， 选择与监测的供电 电压相匹配的感应电势。

S602: 由所述感应电势选择对应的出线端。

预先将感应电势与出线端的组合的逻辑对应关 系做成表格，可以通过查表 选择对应的出线端 ,从而将稀土永磁电动机的定子绕组按照选择� �出线端进行 连接， 使供电电压与感应电势相匹配， 从而保证永磁电动机达到高功率因数。

需要说明的是，稀土永磁电动机在运行过程中 也要实时监测供电电压与当 前的感应电势是否相匹配，如果不匹配， 则判断供电电压与当前感应电势的差 值是否大于供电电压与相邻档位感应电势的差 值， 如果是， 则选择并连接相邻 档位的感应电势对应的出线端； 如果否， 则保持不变。

本实施例提供的稀土永磁电动机的控制方法， 基于稀土永磁电动机的三相 定子绕组具有多个出线端， 不同的出线端对应不同的感应电势。监测稀土 永磁 电动机的供电电压，根据监测到的供电电压通 过查表选择与供电电压对应的出 线端，将电源线连接到选择的出线端上，使供 电电压与电机的感应电势相匹配， 从而保证永磁电动机达到高功率因数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形式上的 限制。 虽然本发明已以较佳实施例揭示如上， 然而并非用以限定本发明。 任何 熟悉本领域的技术人员， 在不脱离本发明技术方案范围情况下， 都可利用上述 揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出 许多可能的变动和修饰，或修改 为等同变化的等效实施例。 因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容， 依据本 发明的技术实质对以上实施例所做的任何筒单 修改、等同变化及修饰， 均仍属 于本发明技术方案保护的范围内。