CN1005229B - 一种开关磁阻电机的绕组联接方法和这种电机 - Google Patents

Abstract

本发明阐述一种四相四线星形联接的开关式磁阻电机，提出了一种新的绕组联接方法和独特的工作方式。本电机的特征是同相磁极的极性方向相同，邻相磁极的极性方向相反，具有同相磁路并联邻相磁路串联的特点。本发明电机的优点之一是引线数量少、磁通路径短。优点之二是磁极端面产生局部饱和时磁路的其它部分不会产生过高的磁密。优点之三是定子铁芯既可以制成四相8极也可以制成四相12极。优点之四是可用二并一串三相同时通电的方式进行交叉重叠换相。

Description

本发明阐述一种四相四线星形联接的开关式磁阻电机，详细地说是阐述一种具有8个或12个磁极的定子、6个或9个磁极的转子和只有四根引出线的四相绕组星形联接的开关式磁阻电机。虽然这种形式的电机本身是人们所知道的，然而本发明提出一种新的绕组联接方法和独特的工作方式，采用本发明提出的联接方法和工作方式，电机具有最短的磁通路径、较好的运行特性和较大的输出转矩。

开关式磁阻电机，作为一种新颖的变速驱动电机，最近，又以主要竞争者的面貌出现在直流与感应电机面前，它是在功率电子开关元件晶闸管问世以后发展起来的。

二十世纪六十年代，美国加省巴沙地那海军试验站试图用作鱼雷推进、制成了轴向气隙盘式结构、双转双单元的试验样机。后来，福特电机公司科学研究部又研制了用于变速驱动的三单元盘式磁阻电机。

英国利兹大学从1967年开始详细研究开关式磁阻电机和步进电机。1973年，诺丁汉大学的研究人员，从最大限度降低电力电子器件成本的观点出发来考虑变速传动，他们也认定只要开关式磁阻电机的单位输出功率和效率能满足要求，那么这种电机和单向导电的半导体器件是理想的搭档。

在经历了十几年的发展过程之后，最近，一种具有8个磁极的定子、6个磁极的转子、定子绕组径向对面安置、同相磁路串联的开关式磁阻电机现已投入使用。

由英国Tasc Drives有限公司投放市场的奥尔顿(Oulton)传动装置是第一台商品开关式磁阻电机。目前，在20千瓦功率水平上已成功地使用于道路牵引。单机容量在100-200千瓦之间，用于铁道牵引变速驱动的开关式磁阻电机的研究工作在继续进行。

英国《电气评论》宜称，这种电机的主要特点是，结构简单、价格低廉、作为变速传动装置具有较好的性能。

由于上述电机具有很大的魅力，引起了人们的关注与重视。我们试制了几台样机，经过对该种电机的实验、分析、研究，觉得轴向气隙盘式结构的磁阻电机，为了保持定转子盘之间正常的轴向间隙，对加工制造精度与装配工艺要求很高，否则将影响可靠运转。而径向气隙的磁阻电机，具有结构简单、运行可靠、易于加工制造的优点。不过现有技术的开关式磁阻电机，由于采用同相磁路串联的方式，根据每相的N极和S极数量相等原则，电机每相的磁极数是偶数，参见图1，四相电机定子铁心的磁极数只能是8的整数倍。如把定子铁心加工成12个磁极，对于同相磁路串联的开关式磁阻电机是不合适的。然而对于本发明提出的同相磁路并联，邻相磁路串联的开关式磁阻电机来说，这一点不受限制。电机每相的磁极数既可以是偶数，也可以是奇数，如图2-4所示，四相电机的定子，既可以制成8个磁极，也可以制成12个磁极。另外，采用同相磁路并联、邻相磁路串联的方式，不仅电机的引出线数最少，而且还具有最短的磁通路径和一些独特的工作方式。对于减少铁心损耗与提高运行特性都更为有利。

本发明的目的之一是提供一种与同类开关式磁阻电机相比，引线数量少、磁通路径短、可用简单电路驱动、运行特性好的开关式磁阻电机的改进品种。

本发明的另一目的是为了提供一种具有无可的电子换向、易于变速变矩运行、结构简单、价格低廉的改进型电机品种。

本发明的进一步目的是提供一种在变速变矩运行场合，系统效率与输出功率比常规交流或直流电机好的改进型电机品种。

根据本发明提出的电机，具有8个齿的定子和6个齿的转子(或定子12齿，转子9齿)。定转子呈凸极形状。一个齿为一个磁极。每个定子齿上都绕有励磁线圈，各线圈的匝数，绕线方向与接线形式均相同。本电机的绕组，按照四相星形的方式联接，各相绕组的首端分别与各相的引出线相连，各相绕组的尾端与电机内部的星中点相连。电机运行时，根据转子位置传感器信号，按照AB-BC-CD-DA……或者DC-CB-BA-AD的顺序，以二相串联通电的方式工作。电流由一相引线流入、从另一相引线流出，经过线圈的电流是单方向的，各定子磁极的极性由环绕该极线圈的电流方向确定，并按照N-S-N-S-N-S-N-S的顺序交错排列，由于这种排列方式同相磁极的极性相同、相邻二相磁极的极性方向相反，因此，本发明电机具有同相磁路并联邻相磁路串联的特点。与同相磁路串联、邻相磁路并联的开关式磁阻电机相比，本发明电机具有磁通路径短和工作特性好的显著优点。

本发明的进一步描述与附图配合进行，图中显示了本发明电机的接线特点与工作原理。

在附图中

图1是现有技术的开关式磁阻电机简化原理图。

图2是本发明开关式磁阻电机的绕组结构图。

图3是本发明电机的简化原理图。

图4是本发明电机另一种结构的简化原理图。

如图所示

开关式磁阻电机的定转子是由极数不等的凸极迭片铁心组成，励磁线圈环绕在各定子磁极上，转子上无绕组。

从铁心与绕组的几何形状以及励磁方式上看，这种电机与现有的交流或直流电机不同。它通过定转子磁极之间的磁拉力产生转矩，而不是象一般电机那样由载流导体间的相互作用力产生转矩。如果按照AB-BC-CD-DA的顺序依次给各相的励磁线圈通电，则转子铁心在磁拉力作用下，按照与定子励磁顺序相反的方向旋转。

从工作原理上看，它与具有大步进角的步进电机非常相似，但是，从控制方式与运行特点上说，它与步进电机有很大区别。因为步进电机本质上是定位器件，它将数字脉冲输入转换成模拟运动输出。而开关式磁阻电机用于大功率变速传动装置，它根据驱动要求与负载变化调节输入电流。它们的显著区别是：对步进电机来说，机轴的运动服从电源的换相，与此相反，对开关式磁阻电机来说，电源的换相取决于转轴位置。

绕组联接方法

本发明的电机绕组，按照星形方式联接。各相绕组的首端与各相的引出线相连，各相绕组的尾端与电机内部的星中点相连。

图2是四相8极的开关式磁阻电机绕组连接图。图中，每相有2个极性相同的磁极。每相绕组也有2个完全相同的励磁线圈。同相的二个线圈可以并联也可以串联。

图2所示是同相线圈并联的四相星形接法。在图2中，A相引线14与A相线圈11、12的首端相连；B相引线24与B相线圈21、22的首端相连；C相引线34与C相线圈31、32的首端相连；D相引线44与D相线圈41、42的首端相连。A、B、C、D各相线圈的尾端，用星中点连线80，全部在电机内部接通，没有外接引线。

图3所示是同相线圈串联的四相星形接法，为了清楚起见，图中只画出了A、B二相绕组。

与同相线圈并联的情况相同，改为同相线圈串联时，也要按照同相磁极极性相同的原则接线。在图3中，A相引线14与线圈11的首端相连，线圈11的尾端与线圈12的首端相连，线圈12的尾端与星中点80相连。B相引线24与线圈21的首端相连，线圈21的尾端与线圈22的首端相连，线圈22的尾端与星中点80相连。未画出的C、D二相绕组的接线方法与A、B二相完全相同。

电子转向器

图2的虚线框内是电子换向器，有四个电子换向开关和四个钳位二极管。A相开关15和C相开关35接到电源正极。B相开关27和D相开关47接到电源负极。钳位二极管17、25、37、45的接法与电源50的极性方向相反。各开关的通断顺序由位置传感器控制。A、B、C、D各相断电时，断电相绕组的电感储能可通过钳位二极管返回直流电源。

磁路特征

根据绕组线圈与换向开关的接法，电流由A相或C相流入、从B相或D相流出。经过线圈的电流是单方向的，各定子磁极的极性由环绕该极励磁线圈的电流方向确定。根据定子绕组的通电状态，图3标出了各定子磁极极性。它们按照N-S-N-S-N-S-N-S方式交错排列。由于径向对面同相的二个磁极极性方向相同，相邻二相磁极的极性方向相反，因此，本发明电机具有同相磁路并联，邻相磁路串联的特点。这种极性排列方式，不仅使磁通路径大大缩短，而且对提高电机的运行特性也极为有利。

在调速驱动领域，渴求高性能的无刷变速电机。详细计算表明、不考虑磁饱和影响，在线性范围工作时，可变磁阻电机的输出转矩与电流平方成正比，类似于串激直流电机特性，这种电机采用变流驱动时力矩脉动很大，用于高性能调速场合特性欠佳。

为了改善电机的运行特性，可使电机的磁极端面产生局部饱和，利用磁路的非线性抑制力矩脉动有显著效果。理论分析与进一步计算表明，电机的磁极端面发生局部饱和时，根据理想情况的推导结果，电机的反电势正比于转速，力矩正比于电流，酷似并激直流电机在固定激磁时的运行特性。

定转子磁极未完全对齐时，转子齿顶在定子磁极极下被遮部分的“阴影区”面积小于整个磁极端面面积，励激电流较大时，阴影区发生饱和，电机在非线性段工作。在定转子磁极未对齐之前，除了定转子齿顶相互遮掩的阴影区之外，电机磁路其它部分仍具有较低的磁密。

根据本发明电机邻相磁路串联的特点，相邻二相的定转子磁极在任一位置都不可能同时对齐，励磁电流较大时，既可使一个磁极端面产生局部饱和，同时，又能保证在定转子磁极错开对齐的电机运转全过程中、除了磁极端面局部饱和之外，本电机磁路的其它部分不会产生过高的磁密。这一特点对提高电机的运行特性极为有利，特别是在满载运行时效果尤甚。

利用磁极端面局部饱和原理改善电机特性、同时又希望尽量降低铁心磁密时，可适当增加定转子磁轭或减小齿顶截面面积(图中未示出)。

另外，根据同相磁极极性相同的特点，本电机的定子铁心，不仅可以制成四相8极，还可以制成四相12级。

图4是本发明电机的一种特殊结构，定子是四相12极，每相有3个同一极性的磁极，每相也有3个完全相同的励磁线圈，与四相8极类似，同一相的3个线圈既可以并联，也可以串联，并按照同相磁极极性相同的原则连线。

对照图1的接线特点可以看出，现有技术的开关式磁阻电机的磁路特征是同相磁极的极性方向相反。根据每相的N、S极数量相等的原则，电机每相的磁极数是偶数，各相绕组可以单独通电。磁通径向对面穿过转子铁心。定子铁心可以制成四相8极，但不宜制成四相12极。

气隙

由于磁极端面局部饱和可以提高电机的运行特性，而减小气隙有利于饱和，所以，从理论上说，气隙愈小愈好。

位置检测与同步驱动

电机旋转时，定转子磁极之间的相对位置发生变化。与无刷直流电机相类似，本电机的轴端装有位置传感器(图中未示出)。每转过一个位置角，位置传感器信号改变一次状态。传感器信号状态改变处称为电机的换相点，对于四相开关式磁阻电机，进位一个转子齿距要经过四个不同的换相点，位置传感器信号也有四种不同状态，转子经过第一个换相点后，传感器输出为“1”状态，开关15、27闭合，A B二相通电；转子经过第二个换相点后，传感器输出“2”状态，开关27、35闭合，B C二相通电；转子经过第三个换相点后，开关35、47闭合，CD二相通电；转子经过第四个换相点后，开关47、15闭合，DA二相通电……此后，则重复上述过程，同步地给各相提供励磁电流，驱动电机继续旋转。

三相通电与交叉重迭换相

除了二相串联同时通电的工作方式之外，本电机还能以二并一串三相同时通电的方式工作。在一般情况下看不出这种工作方式的价值。但是在换相点前后使用这种工作方式实现交叉重迭换相对保持电流连续、促进换相阶段输出高转矩却具有一定的实际意义。

参见图2，如果按照15、27-15、27、35-27、35……的次序接通换向开关，则电机按照A B-ABC-BC……的顺序，用二相串联通电-交叉重选换相-二相串联通电……的方式工作。

二相串联通电时，同时通电的二相电流大小相等；交叉重选换相时，中间重叠相电流等于前后二个交叉换接相电流之和，以二并一串(二个交叉换接相并联之后与中间重叠相串联)三相通电的方式工作，这种工作方式有利于换相阶段输出高转矩。有关交叉重叠换相的控制方法在我的另一件专利申请“开关式磁阻电机的驱动电路”中有详细描述，于此不作介绍。

Claims (3)

1.一种开关磁阻电机的绕阻联接方法，这种电机是由8个磁极的定子和6个磁极的转子组成，每个定子磁极上绕有励磁线圈，转子上无绕阻，本发明的特征是：励磁绕组的联接方法是一种同相磁极的极性方向相同，邻相磁极的极性方向相反的四相四线星形接法，同相各磁极的励磁线圈即可以并连也可以串连，各相绕组的首端与各相的引出线相连，各相绕组的尾端与星中点相连。

2.按照权利要求1所述的开关磁阻电机的绕组联接方法，其特征是采用二相串联通电或者二并一串三相通电的方式工作，经过线圈的电流是单方向的，相邻二相的电流方向相反。

3.按照权利要求1所述的开关磁阻电机的绕组联接方法，其特征是定子磁极按照N-S-N-S-N-S-N-S顺序交错排列，同相磁极极性方向相同，邻相磁极极性方向相反，具有同相磁路并联，邻相磁路串联的特点。

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