CN101860159A - 一种新型开关磁阻电机 - Google Patents

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陈克银
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本发明公开了一种新型开关磁阻电机，包括非导磁机座、固定在非导磁机座上的至少一个以上U型导磁定子块、贯穿U型导磁定子块中轴线的电机轴，以及固定在电机轴上的导磁转子，所述定子与转子沿轴向相对设置，所述U型定子块与所述转子块之间设置有间隙，所述定子绕组产生的磁通与所述电机轴平行，在本发明中，开关磁阻电机的定子和转子之间同时存在吸合力和排斥力，它们大小相等，方向一致，这样与传统的开关磁阻电机相比，提高了电机的功率密度，并且提高了电机绕组和磁路的利用率，减小了转矩脉动。

Description

一种新型开关磁阻电机
技术领域
本发明公开一种新型开关磁阻电机，属于电机、电力电子和电气传动领域，特别是涉及一种横向气隙的开关磁阻电机，可以应用于机器人、数控机床、电动车辆、运动控制和风力发电等应用领域。
背景技术
开关磁阻电机是利用磁阻原理的新一代调速电机，具有性能优良、结构简单坚固、制动和低速转矩大、电流较小，过载能力强，并且在宽转速范围内的具有高效率，正得到日益广泛的应用。如何进一步提高电机效率、过载能力和简化散热结构，是工程技术人员研究的方向。
传统的开关磁阻电机是径向气隙的双凸极结构。如图1所示，传统8/6结构开关磁阻电机的转子1和定子2均由硅钢片叠成，转子1上无线圈，转子1与定子2之间存在气隙。虽然开关磁阻电机的转子上无线圈，散热较简单，但是由于定子2上的定子线圈3密闭在定子槽内，不利于电机散热。在较大功率的应用中，要增加电机散热能力，只能在定子2上增加铝合金散热器5，无疑增加了电机成本并增大了电机重量，并且由于散热器一般尺寸较大，限制了开关磁阻电机在安装空间有限制的场合中应用。
图2为传统径向气隙的开关磁阻电机工作中的磁路，从中可以看出电机磁路较长，这将导致电机具有较大的铁损和较大的磁滞损耗，也必将导致电机有较多的发热。
发明专利①200680043128.X(开关磁阻电机)，公开了一种减小径向气隙开关磁阻电机噪声和防止电机过热的方法。其实质是设计出不同曲率半径(如椭圆)形状的定子和转子，使定子铁芯突出磁极与转子铁芯的突出磁极之间的间隙在相电感增大区气隙逐渐减小，在相电感减小区气隙逐渐增大。且确保空气通道不被树脂填满，防止开关磁阻电机过热。虽然这种结构减少了电机噪声，减小了转矩脉动，且便于电机散热，但缺点在于：(1)提高开关磁阻电机功率输出要求提高相电感的变化率，由于在气隙的增加导致相电感变化率减少，虽然减小了转矩脉动和电机噪声，但削弱了开关磁阻电机性能；(2)虽然这种结构能确保电机内部空气流通，一定程度上提高了电机散热性能，但由于电机是封闭的，内部的空气无法与外部空气形成对流，导致内部热量无法与外部形成热量交换，所以散热性能提高有限。
发明专利②200510010551.7(短磁路混合励磁开关磁阻电机)，公开了一种在径向气隙的开关磁阻电机中嵌入永磁体，取得了增大开关磁阻电机的空间利用率，并减小转矩较脉动的效果。但是，这种方法的缺点很明显：永磁体具有磁滞效应和退磁等问题且价格昂贵，在制造和安装上存在困难，并且减小转矩脉动的效果不明显，改善电机性能有限。
发明专利③200710024615.8(轴向开关磁阻电机)，公开了一种轴向气隙的开关磁阻电机，与传统的径向气隙的开关磁阻电机不同的是，绕组电机产生的磁通方向是沿电机轴向的，而不是径向的。这样定子与转子在轴向拉开距离，减小了电机的径向尺寸，且能量传输方式为直接轴向传输，能量的利用率提高。但是，仍然没有摆脱传统的开关磁阻电机磁路较长，铁损较大等问题。
因此现有电机存在很多缺陷，需要改进。
发明内容
本发明主要是针对以往开关磁阻电机的缺点，进行结构上的改进，以提高电机的综合性能。
本发明的目的在于提供一种开关磁阻电机，旨在解决现有的开关磁阻电机存在电机绕组和磁路的利用率很低，电机的功率密度小，转矩脉动比较大的问题。
一种新型开关磁阻电机，包括非导磁机座、固定在非导磁机座上的至少一个以上U型导磁定子块、贯穿U型导磁定子块中轴线的电机轴，以及固定在电机轴上的导磁转子，所述定子与转子沿轴向相对设置，所述U型定子块与所述转子块之间设置有间隙，所述定子绕组产生的磁通与所述电机轴平行，其中两个相邻的转子块中间装有由非导磁材料制成的隔磁板。
所述的电机，其中，两个U型导磁定子块设置在所述非导磁机座的两端，两个导磁转子设置在两个U型导磁定子块之间的电机轴上。
所述的电机，其中，两个导磁转子设置在所述非导磁机座上电机轴的两端，两个U型导磁定子块设置在两个导磁转子之间的电机轴上。
所述的电机，其中，所述U型定子块与所述转子块的极对数对应设置。
所述的电机，其中，所述转子块是扁平型转子块，在转子块径向位置设置至少两个突起。
所述的电机，其中，所述突起的个数为2个或3个或4个或5个或者6个或者7个或8个或9个或10个或12个。
所述的电机，其中，所述转子块是星型或是齿轮状。
所述的电机，其中，所述转子块的突起与两组U型定子块之间的间隙相对设置
所述的电机，其中，所述U型定子块与所述转子块的极对数对应设置，所述U型定子块与所述转子块的极对数配合形式6/4或8/6或12/8或12/10。
一种新型开关磁阻电机，包括非导磁机座、固定在非导磁机座上的至少一个以上C型导磁定子块、贯穿C型导磁定子块中轴线的电机轴，以及固定在电机轴上的导磁转子，所述定子与转子沿轴向相对设置，所述C型定子块与所述转子块之间设置有间隙，每个C型导磁定子块上设置有可使导磁定子对转子产生排斥力的定子绕组，所述定子绕组产生的磁通与所述电机轴平行，其中两个相邻的转子块中间装有由非导磁材料制成的隔磁板。
有益效果，在本发明中，开关磁阻电机的定子和转子之间同时存在吸合力和排斥力，它们大小相等，方向一致，这样与传统的开关磁阻电机相比，提高了电机的功率密度，并且提高了电机绕组和磁路的利用率，减小了转矩脉动。
附图说明
图1是传统的8/6结构的开关磁阻电机内部结构图；
图2是传统8/6结构开关磁阻电机磁路结构；
图3是电机内部结构图之一；
图4是电机磁路图之一；
图5是电机结构图之；
图6是U型定子块；
图7是电机内部结构图之二；
图8是电机内部的C型定子块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
如图3，图4图5，图6所示，一种新型开关磁阻电机，电机由扁平型转子块1B、U型定子块2B、励磁绕组3B、机座4B、电机轴5B和隔磁板6B组成。机座4B由非导磁材料制成，转子块1B和U型定子块2B和是导磁体，可由硅钢片、电工钢等导磁材料制成，其中转子块1B中间装有由非导磁材料制成的隔磁板6B，U型定子块2B均匀固定在机座4B上，与转子块沿轴向相对，且中间有预定的间隙，转子块1B均匀固定在电机轴5B上，U型定子块2B均匀固定在机座5B上；沿电机轴向布置有对称的两组U型定子块。在U型定子块2B上有绕有励磁绕组3B。U型定子块2B与转子块1B的极对数配合形式，可采用现有的开关磁阻电机形式，如6/4，8/6、12/8等。
以上技术方案实施以后，电机工作时的磁力线如图4所示，可见磁路11缩短了很多，大大减小了电机损耗。由于电机绕组和U型定子块是开放式的，便于空气对流，散热效果好，大大简化了散热装置，而且制造、安装和维修均很方便，可以模块化生产，适合企业大批量推广应用。
具体实施例2
如图3，图6所示：电机由扁平型转子块1B、U型定子块2B、励磁绕组3B、机座4B、电机轴5B和隔磁板6B组成。电机的磁路采用轴向气隙的布局方式。扁平型转子块1B和U型定子块2B是导磁体，可由硅钢片等软磁体叠压而成。U型定子块2B和扁平型转子块1B之间是预定的间隙，扁平型转子块1B均匀分布在电机轴5B上，U型定子块2B均匀固定在机座4B上，在定子上有集中式励磁绕组3B，一个U型定子块2B上的励磁绕组3B形成一个两极磁极，称为“一相”。
如图3所示：电机运行过程中，当转子块1B接近U型定子块2B时，励磁绕组3B通电励磁。根据最小磁阻原理，U型定子块2B对转子块1B产生电磁转矩将力图使转子块1转动到转子块1的主轴线与U型定子块2的主轴线重合的位置，因为这时磁阻最小，U型定子块2B与转子块1B之间将形成如图四所示的磁路。
当转子块1B离开U型定子块2B时，励磁绕组3B断电，以免产生反向电磁转矩。这样，轮流对每相励磁绕组通电、断电，电机就连续转动起来了。
传统的径向气隙的开关磁阻电机是径向相对的两个绕组构成两极，形成一相绕组，定子轭部较长、磁路较长(如图2所示)，电机较重、铁损较大、功率密度不大。本发明中，电机的气隙是轴向的，取消了定子轭部，定子和转子直接构成磁通回路，磁路很短，铁损很低。为消除单边轴向拉力，电机沿轴向对称布置了两个扁平型转子块1B和两组U型定子块及两组励磁绕组3B，隔磁板6B将两个转子块1B隔开，保证轴向相对的U型定子块2B没有磁通回路。
传统的径向气隙的开关磁阻电机的励磁绕组绕制在狭小的定子槽内(如图1所示)，定子与转子被轴向两端的电机端盖所密封，所以槽内空气流通不畅，很明显，这对于绕组的散热不利，只能依靠外部的散热器加快热量交换。本发明中，励磁绕组、转子和定子均是开放式结构，空气容易形成对流，方便形成热交换，这对于防止电机过热，提高电机的过载能力是十分有利的。
具体实施例3
如图7，图8所示：电机由扁平型转子块1C、C型定子块2C、励磁绕组3C、机座4C和电机轴5C组成。电机的磁路采用轴向气隙的布局方式。扁平型转子块1C和C型定子块2C是导磁体，可由硅钢片等软磁体叠压而成。C型定子块2C和扁平型转子块1C之间是预定的间隙，扁平型转子块1C均匀分布在电机轴5C上，C型定子块2C均匀固定在机座4C上，在定子上有集中式励磁绕组3C，轴向相对的两个C型定子块2C上的励磁绕组3C形成一个两极磁极，称为“一相”。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型开关磁阻电机，其特征在于，包括非导磁机座、固定在非导磁机座上的至少一个以上U型导磁定子块、贯穿U型导磁定子块中轴线的电机轴，以及固定在电机轴上的导磁转子，所述定子与转子沿轴向相对设置，所述U型定子块与所述转子块之间设置有间隙，所述定子绕组产生的磁通与所述电机轴平行。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：两个U型导磁定子块设置在所述非导磁机座的两端，两个导磁转子设置在两个U型导磁定子块之间的电机轴上，其中，相邻的两个导磁转子之间设置一非导磁隔磁板。
3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：两个导磁转子设置在所述非导磁机座上电机轴的两端，两个U型导磁定子块设置在两个导磁转子之间的电机轴上，其中，相邻的两个U型导磁定子块之间设置一非导磁隔磁板。
4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述U型定子块与所述转子块的极对数对应设置。
5.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述转子块是扁平型转子块，在转子块径向位置设置至少两个突起。
6.根据权利要求5所述的电机，其特征在于：所述突起的个数为2个或3个或4个或5个或者6个或者7个或8个或9个或10个或12个。
7.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述转子块是星型或是齿轮状。
8.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述转子块的突起与两组U型定子块之间的间隙相对设置
9.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：所述U型定子块与所述转子块的极对数对应设置，所述U型定子块与所述转子块的极对数配合形式6/4或8/6或12/8或12/10。
10.一种新型开关磁阻电机，其特征在于，包括非导磁机座、固定在非导磁机座上的至少一个以上C型导磁定子块、贯穿C型导磁定子块中轴线的电机轴，以及固定在电机轴上的导磁转子，所述定子与转子沿轴向相对设置，所述C型定子块与所述转子块之间设置有间隙，所述定子绕组产生的磁通与所述电机轴平行。
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