CN102158037A - 直流磁阻电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流磁阻电动机，它包括定子、绕设在定子上的线圈绕组、与定子同轴设置的转子，定子内周均布有个数为 3 整倍数的绕线槽，线圈绕组正反向交替地绕设在所述的绕线槽内，且相邻两相线圈绕组的相位差为

，所述的转子由偶数个圆心角相同且独立的极相组成，在每个极相上设置有位置标识器，且位置标识器在每个极相的及

区域形成正反位置感应区域，所述的定子上与线圈绕组输入端对应位置处还分别设置有位置开关，由于位置开关始终至少有一个位于导通区域内，从而通过控制位置开关的通断以控制输入至相应绕组的电流，从而达到电动机持续正反转的目的。本发明直流磁阻电动机结构简单，可控性好，电能直接转换为机械能输出，故有较好节能效果。

Description

直流磁阻电动机

  

技术领域

本发明涉及一种磁阻电动机。

背景技术

普通交流感应电动机，尤其是鼠笼芯转子，结构简单，工作可靠，维护简便，制造成本低。它的发明推出，获得快速普遍采纳和应用，成为主要电能动力转换设备，直至当前尚处延续。但它低效高能耗的缺点，在当今环保节能减排形势下，成为业界关注和力求更新替换的迫切课题。

直流电动机虽有稍好的力能指标和良好调速控制性能，但其结构复杂，电刷换向磨损及维护不便，使用时还需跟随辅助设备，应用受到局限。

在寻求高效节能电机道路上，近年来人们将目光转向使用稀土永磁体作为磁源，省略了励磁电流。用它发展无刷直流电机及永磁同步电机，有效地降低了能耗，提高功率因数。配合电力控制器，实践证明能获得良好的力能指标和调速控制性能。问题是这类电动机不能像普通交流感应电动机那样通电即转方便使用，需要跟随较昂贵的电力电子控制辅助设备。中小功率永磁同步电机虽可以直接投网运行，但对需避免启动冲击设备中，仍需加专用软起动辅助设备。就当前看快速发展推广应用尚有问题：一是稀土永磁体的成本较高；二是需要克服稀土永磁体内禀矫顽力温度系数偏高导致温度稳定性差的技术关。

利用确定的闭合磁路有维持磁阻不变特性应用到电动机，构成磁阻电动机，是近些年来电机学科理论性突破，磁阻电动机不仅有良好的性价比，还有实现高效节能的潜在途径。

以往电动机多在这样一个经典原则指导下形成：即通电流导体在磁场中会受到力的作用。因此电机结构通常是定子铁心线圈励磁产生磁场，转子铁心电流导体为接受磁场力，经转轴输出机械能。也就是说，电能经上述二个环节转换成机械能。如果减少转换环节，减少了耗能的途径，当然也会达到节能效果，也即电动机直接从线圈励磁产生磁势，形成电磁回路作用力经转轴输出。从基本原理到一阶段实践，虽被普遍看好，但至今尚存在原理结构性的设计问题，导致生产工艺难以定型，控制器不能配套，尚处于进一步探索和验证试验阶段。

针对上述情况，申请人对电磁回路磁阻本质特性进行分析和试验验证，突破一些延续来的固有方法，构思出本发明的直流磁阻电动机。

发明内容

本发明目的是提供一种成本低、制造应用方便、运行控制性能好且高效节能的直流磁阻电动机。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种直流磁阻电动机，它包括定子、绕设在定子上的线圈绕组、与所述的定子同轴设置的转子，所述的定子内周均布有个数为以3整倍数的绕线槽，所述的线圈绕组正反向交替地绕设在所述的绕线槽内，且相邻两相线圈绕组的相位差为

，所述的转子由偶数个圆心角相同且独立的极相组成，定义每个极相的电角度为

，在每个极相上设置有位置标识器，且所述的位置标识器在每个极相的及

区域形成正反位置感应区域，所述的定子上与所述的线圈绕组输入端对应位置处还分别设置有位置开关，设定所述的正反位置感应区域其中一个区域为导通区域，当所述的转子转动时，任何时刻至少有一个位置开关位于导通区域内，且相应极相的运动方向总趋向于磁阻最小的位置所在处，通过控制导通区域内位置开关使相应的绕组电流通断，以实现电动机的连续运转。

对上述技术方案所进一步优化地实施中，所述的位置标识器为磁电式、电容式、电阻式、光电式标识器或编码盘中的一种。

所述的位置标识器包括与所述的转子端面相贴合设置的连接本体、安装在连接本体上且对应转子的每个极相的0、

、

位置上的永磁体，相邻两永磁体的磁极相同从而形成位置标识器的正反位置感应区域。

所述的转子由硅钢片冲压而成，其外周成型有与定子内周相匹配的极齿。

所述的转子上成型有多个形成磁路的槽，所述的槽内压铸有铝材。

在所述的位置开关上各并联有一电容，当对应绕组的位置开关断开时，绕组中的磁势能转变为电能，向与该位置开关并联的电容充电；当该位置开关再次导通时，所述的电容放电，其产生的电压叠加在电源电压上输入至绕组。

所述的位置开关为逻辑控制开关。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点：本发明利用改变电磁回路磁阻形成磁阻力的原理，使绕组线圈每相邻两相按

相位差的角度绕设，同时，在对应绕组输入端分别设置位置开关，在转子的每个极相上形成正反转位置感应区域，由于位置开关始终至少有一个位于导通区域内，从而通过控制位置开关的通断以控制输入至相应绕组的电流，从而达到电动机持续正反转的目的。本发明直流磁阻电动机结构简单，可控性好，电能直接转换为机械能输出，免除二次回路，避免了二次回路损耗，故有较好节能效果。

附图说明

附图1为通电线圈闭合均匀磁路图；

附图2为磁通建立时间与电流大小关系曲线图；

附图3为由铁芯体与衔铁之间形成有气隙的通电线圈磁路图；

附图4为附图3中将衔铁移动一定距离后磁路图；

附图5为本发明实现原理图；

附图6为本发明中当在位置开关上并联电容并与线圈组成的电路图；

附图7为附图6所示电路通电电压变化曲线图；

附图8为本发明定子绕线示意图；

附图9为本发明定子结构示意图；

附图10为本发明转子结构示意图；

附图11为本发明位置标识器结构示意图；

附图12为本发明电动机整体剖视图。

具体实施方式

在进行本发明优选的实施例之前，我们首先对本发明原理进行介绍，从而引出本发明的具体实施例：

图1所示的为一通电线圈的闭合均匀磁路，根据安培环路定律，有：

                    (1)

(2)

式中：H为磁路铁心的磁场强度；l为闭合磁路的平均长度；I为一匝线圈电流；N为线圈匝数；F为磁路的磁通势；

根据基尔霍夫定律：

                  （3）

式中：ｕ为施加在电感线圈上的电压；R _i 为电感线圈内阻；

为电感线圈内阻上压降；-为电感线圈的反电势；

将（3）式乘i并对通电时间积分，得

（4）

式中：p为电感线圈通电时间内吸收的总功率；

   为电感线圈通电时间内吸取电能转换成磁能，这部分能量没有消失，只是以磁能形式储藏在磁路内，是典型的惯性元件；

为电感线圈内阻上消耗的功；

在ｕ接通前电流i=0到电流处于稳态

，则电流

（6）

式中：

为线圈电感的时间常数，它与线圈电感量成正比与线圈内阻

成反比，因为线圈内阻上有压降导致施加在电感圈电压下降，电流i下降。由（4）式可见，线圈电流i越大，磁通

建立越快，如果

不变，电流决定于电压，如图2所示，即电压ｕ越高，时间常数越小，磁通

建立完成的越快，与磁通Φ同时建立的磁势越快，转子衔铁运动速度越快，对所构成电动机转速也就越快，这与常规电机转速随回路磁通

降低而升高，正好相反。因此改变输入励磁电压，可实现磁阻电动机调速。为此，对确定结构与形状的电感线圈上述方程式，电感与磁通量也就成定值，即下式成立：

             （7）

式中：

为线圈磁路的磁通量。

现将通电线圈磁路结构按图3所示的形式改变，有铁芯体100与衔铁200两部分组成，并在其间形成等距不变气隙

，根据式（2）有：

即磁路总磁势为闭合磁路各段磁压降之和，即

             （8）

根据磁路欧姆定律：

                   （9）

式中：

为线圈磁路的磁阻，它正比于闭合磁路平均长度

，与磁路截面积S成反比，比例常数

为材料导磁系数，因为磁通

在闭合磁路中任一截面的量值一致，所以

      （10）

如将通电线圈磁路衔铁按图4移动d _i 的距离，若线圈磁路的结构形状确定，则上述（10）式中

、

、

和

都不会改变，唯有磁路中局部磁阻变化，由于截面积S随

而变化，且与其距离

成反比，即

，则

。即

提供了磁阻变化的唯一条件。

这里将衔铁200和铁芯体100宽度按移动方向用弧度表示

，称为一个极相，显然衔铁位置处于在

点位衔铁与相邻磁阻力为理论平衡点，而又是力学上的不稳定平衡点，因为

都会有单向磁阻力的作用，但作用力的量值相等方向相反。这正好利用0、

、

这三个特殊点，作为位置信号标识界限，以此可实现磁阻电机正反转的方法。

假如

、

、三个铁芯体以相差交叉叠压成；

铁芯体0度点设位置开关A。铁芯体0度点设位置开关B并与

铁芯体

度点重合。

铁芯体0度点设位置开关C并与铁芯体

度点重合，又假如衔铁位置为打开电感线圈通电开关（本发明称位置识别器），即A、B、C只要遇到

区域部分，就是电感线圈通电时段，如图5所示，可见A开关导通，衔铁200与铁芯体100对齐，这时B已导通

尚继续趋向于铁芯体对齐，当衔铁再左移

，C开关导通，衔铁将处在B、C，两铁芯体合力作用下向左移动，开关B关闭，开关C继续导通，衔铁继续趋向于

铁芯体对齐，又左移

，开关A又导通，依此类推。

对于图5所示的电磁作用我们还可进一步分析，由于 、

、

三个铁芯体与其上绕组分别组成电感线圈，当电感线圈所在位置开关导通时，如A开关导通，在供电电源与电感线圈之间形成回路，电感线圈从供电电源吸取能量转换为磁能，当开关断开时，供电电源与线圈之间断路，简化电路图见图6，图中晶闸管GTO作为位置开关。在本发明中，在该位置开关GTO上还并联一电容C，当开关GTO导通，电感线圈从直流电源U吸取能量转换为磁能，GTO导通对电容C近乎短路，电感线圈接受全电压U建立磁通，当GTO关断，电感线圈反电势

对电容C充电，下一次GTO导通时加到电感线圈初始电压自举到U+Uc（参见图7）。通过合理的参数配合可最大程度弥补GTO导通瞬间电感线圈指数上升时段特征，获得电感线圈储能回馈，从而使效率得到明显提高。

对上述原理性分析，可归纳如下：

1）衔铁位置处在 ，即

，是确定结构形式磁回路磁阻最小位置，当衔铁位置

，则引起回路磁阻

变化，对任何惯性体都有维持初始状态不变性，这就形成衔铁受到回复趋向力f的作用，即衔铁总是趋向与铁芯体对齐，这个力是因局部磁路的磁阻改变而生成，称其磁阻力；

2）当衔铁位置处于

，因磁阻增加电感量L减小而导致电流i增加，磁通

增加，迫使改变的磁阻段磁势F增加，回复力f增加，但从中可见，磁阻力与电流i不是直接关系，也就是磁阻电机的启动、反转、堵转电流都不会因负载上升而同步上升；

3）假如衔铁有反向阻力

作用，只要，衔铁仅将受回复力作用。又假设磁路不会饱和，线圈内阻又足够小，有大的阻力

作用下，产生衔铁位移，按上述分析将会自动补充电流，形成足够大磁势F，达到

。这就是电感线圈向电源不断吸收能量的过程；

4）磁阻力量值大小与方向仅与衔铁位置有关，磁阻力的方向与线圈绕组电流方向无关。因此利用磁阻力构成电动机，不能以改变电流方向实现改变电机的转动方向；

5）电感线圈 通电，衔铁接受向左磁阻力作用，为电动机逆时针转向，电感线圈通电，衔铁接受向右磁阻力作用，为电动机顺时针转向；

6）电动机迥转力序必须有随机位置导向。绕组电流方向与磁阻力方向无关不能矢量叠加，这也就说三极相绕组即不必也不能采取六拍工作状态，也就不需考虑六单元上下桥臂电路繁复要求，也无必要采用PWM电路，控制开关频率降低，门极电路的会低很多，简化了控制电路和降低功率电子器件性能要求，使控制器总体成本大为下降。

7）按几何圆360°迥转的磁阻电机，极相数应是大于2的整偶数即P=4、6、8、…，对应电角度P=

。否则

、

、三铁芯体以相差

交差叠压时，

、

铁芯体就形成不足几何空间位置；

8）改变直流母线电压，即改变了建立磁通的速度和量值大小，用此特性可以调节磁阻力电动机转速，以速度信号与母线电压间建立速度反馈调节系统能获得类似于直流分激电动机的机械特性和调速特性，因此它有类似直流电机的综合特征，称其为直流磁阻电动机。

上面对本发明原理进行了详细的介绍，按照上述原理所实施的直流磁阻电动机，其主要由定子1及绕设其上的线圈绕组、与定子1同轴设置的转子2、固定在转子2上的转轴4以及机座3等组成，整体如图12所示。其中，定子1由冲片叠压而成，如图9所示，其材料可采用通用电机硅钢片，定子1内圆均布绕线槽11，相邻两绕线槽11之间形成极齿12，绕线槽11的个数为3的整倍数，本实施例中，绕线槽11为36个，相当于3组铁芯体交叉叠压，其结果形状类同三相感应电机定子冲片。线圈绕组如图8所示，每个线圈跨距为3，正反绕向相间，相邻两相线圈的相位差为

。

所述的转子2如图10所示，其由偶数个圆心角相同且独立的衔铁21组成，每个衔铁21构成一极相。本实施例中，转子形成独立的6个极相，彼此切断磁路。本实施例中，转子也采用硅钢冲片而成，在其外圆也形成有与定子内圆极齿数量及形状相一致的极齿211，在其内圆还开设有槽212以形成磁路。槽212内可压铸铝材，一方面满足隔磁性能，另一方面保证转子有足够的结构力学性能。本发明中，定义每个极相的电角度为

，同时，将每个极相分为

及

区域。在转子2的端部设置有位置标识器5，如图11所示，位置标识器5主要由与转子冲片直径相同或稍小于转子直径的连接本体51、沿连接本体51圆周方向安装的多个永磁体52组成，永磁体52的安装位置为相应极相上的0、

、

位置上，且相邻侧两永磁体52的磁性相同，如图11所示，在0点处，永磁体的左侧为S极右侧为N极，在

点处，永磁体的左侧为N极右侧为S极，在

点处，永磁体的左侧为S极右侧为N极，从而，在

区域形成N极区域，在

区域形成S极区域，即位置标识器上形成有正反转位置感应区域。我们可设定一个位置感应区域为导通区域，一个位置感应区域为关断区域。然后，在绕组线圈的输入端对应位置处分别安装一位置开关6，如图8所示。由于绕组线圈彼此之间的相位差为

，故三个位置开关6彼此间也相距，这样，当转子相对于定子转动时，任何时刻至少有一个位置开关6位于导通区域内。从而可通过控制位置开关的时序达到输入至绕组电压从而控制电机运转的目的。

本实施例中，位置开关6可采用霍尔元件（也可使用其它类形位置传感器），位置开关可内置，也可外置，关于如何对位置开关6进行控制，本领域技术人员可根据电动机的具体使用需要而进行设计，其不是本发明要点，在此对控制器的具体实现不再赘述。

本实施例给出的位置标识器实质上为磁电式，也可采用电容式、电阻式、光电式标识器或编码盘等，只要形成正反位置识别区域即在本发明的保护范围内。

根据对本发明原理的介绍，在具体实施本发明电动机时，在各位置开关6上还可并联一电容（图8未显示），当对应绕组的开关断开时，绕组的反电势对与该开关并联的电容充电；当该开关再次导通时，所述的电容放电，其产生的电压连同施加的初始供电电压一同输入至绕组。

综上，本发明磁阻电动机具有如下特点：

1）本发明磁阻电动机为荫极结构，颠覆了现有磁阻电动机为凸极机构惯性认识，由于采用荫极结构，定子冲片和绕组嵌线方式的工艺方法与交流电机相仿，因此，比较易于实施；

2）本发明磁阻电动机，绕组可扩展成多槽孔均匀分布，避免了凸极式槽距角大而导致旋转抖动现象；

3）通过位置识别器与位置开关的控制设计，产生自追踪力矩，提高了电动机自纠错能力；

4）位置开关电路，结构简单，成本较低，电感能量回馈简单有效，进一步提高了电动机效率和感性回路的无功补偿。

5）位置开关采用霍尔元件，霍尔信号逻辑倒向，就能实现电动机正反转及实现反向制动。三极相绕组导通（加载导通），便能获得良好的能耗制动效果。

上述对本发明所优选的实施例进行了说明，但是上述实施例并不能理解为对本发明保护范围的限制，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直流磁阻电动机，它包括定子、绕设在定子上的线圈绕组、与所述的定子同轴设置的转子，其特征在于：所述的定子内周均布有个数为3的整倍数的绕线槽，所述的线圈绕组正反向交替地绕设在所述的绕线槽内，且相邻两相线圈绕组的相位差为                                                

，所述的转子由偶数个圆心角相同且独立的极相组成，定义每个极相的电角度为，在每个极相上设置有位置标识器，且所述的位置标识器在每个极相的

及

区域构成正反转位置感应区域，所述的定子上与所述的线圈绕组输入端对应位置处还分别设置有位置开关，设定所述的正反转位置感应区域中，其中一个区域为导通区域，当所述的转子转动时，任何时刻至少有一个位置开关位于导通区域内，且相应极相的运动方向总趋向于磁阻最小的位置，通过控制导通区域内位置开关，使相应的绕组电流通断，以实现电动机的连续运转。

2.根据权利要求1所述的直流磁阻电动机，其特征在于：所述的位置标识器为磁电式、电容式、电阻式、光电式标识器或编码盘中的一种。

3.根据权利要求2所述的直流磁阻电动机，其特征在于：所述的位置标识器包括与所述的转子端面相贴合设置的连接本体、安装在连接本体上且对应转子的每个极相的0、

、位置上的永磁体，相邻两永磁体的磁极相同从而形成位置标识器的正反位置感应区域。

4.根据权利要求1～3中任一所述的直流磁阻电动机，其特征在于：所述的转子由硅钢片冲压而成，其外周成型有与定子内周相匹配的极齿。

5.根据权利要求4所述的直流磁阻电动机，其特征在于：所述的转子上成型有多个形成磁路的槽，所述的槽内压铸有铝材。

6.根据权利要求1、4或5中的任一所述的直流磁阻电动机，其特征在于：在所述的位置开关上各并联有一电容，当对应绕组的位置开关断开时，绕组中的磁势能转变为电能，向与该位置开关并联的电容充电；当该位置开关再次导通时，所述的电容放电，其产生的电压叠加在电源电压上输入至绕组。

7.根据权利要求6所述的直流磁阻电动机，其特征在于：所述的位置开关为逻辑控制开关。

8.根据权利要求6所述的直流磁阻电动机，其特征在于：所述的位置开关为霍尔元件或其它形式位置传感器。

9.根据权利要求6所述的直流磁阻电动机，其特征在于：所述的定子由硅钢片冲压而成。

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