CN102170215A - 轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机 - Google Patents

Abstract

一种轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机，所述高效磁阻式多功能电机采用轴向分相，每相同时具有轴向、径向的三维混合磁路，所述高效磁阻式多功能电机包括定子和转子，定子和转子上均布有n个凸极，n为大于5的正整数，每相的定子为具有n个凸极的独立式定子圆盘结构，定子上安装有励磁绕组；每相的转子由具有n个凸极的左右两个转子圆盘和中间的一个具有n个凸极的圆筒构成，所述圆筒的两端与左右两个转子圆盘固定连接，从轴向看，转子圆盘与圆筒的各极的凸极距角和凹槽距角分别一致对齐；各相的定、转子再以轴向串接而成。本发明以提高磁路利用率来极大提高电机的单位体积功效，又有转矩脉动小、成本低等优点。

Description

轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机

技术领域

本发明属开关磁阻电机技术领域，特别是涉及一种采用轴向分相，同时具有轴向、径向的三维混合磁路，并兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能的高效双凸极变磁阻电机。

背景技术

电动机所耗电能占整个电网的60％以上，随节能减排要求的深入，改善电机功效意义重大，尤其对调速电机控制领域更是如此。

电动汽车作为节能减排的交通工具，已得到世界各国广泛重视，并被公认为节能环保的未来汽车。所包含的任一类电动汽车都需要用电机作为执行机构来驱动车轮行驶。因此改善电机性能、降低成本，是提高各类电动汽车性价比，促使普及推广的首要任务之一。

鉴于汽车行驶多变工况和节能的要求，特别需要电机能同时兼有电动、发电回馈和电磁制动多项功能。且发电回馈与电磁制动相结合的制动过程，类似于现代轿车中的防抱死制动系统ABS及驱动防滑转控制ASR的制动过程，即不仅实现了能量回收，更主要还提高了车辆行驶稳定性和转向操纵性。为此，发明人利用开关磁阻电机的双凸极结构和独特的工作原理，先后提出了两项多功能电机的专利技术。

第一项可参考中国专利号为ZL200810062784.5的发明专利，所公开的兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机。

由于电动汽车采用多功能轮毂电机具有传输效率最高、响应直接而最快，使得多种汽车性能优化控制易于实现；并采用轮毂电机不仅节省了大量机械部件成本，减轻汽车自重，还能腾出许多有效空间便于汽车结构布局，有利于降低汽车质心与车身高度。但由于轮毂电机受其结构体积限制，对电机的单位体积功率提出了更高要求。鉴于单相开关磁阻式电机具有单位体积功率高，且结构更简单、坚固可靠，电机与其驱动控制器的综合成本低等优点。为解决单相开关磁阻电机没有自启动功能的最大缺点，提出了在其转子上增加启动绕组，利用直流电机原理启动，而后再按双凸极变磁阻电机原理运行。参考中国专利号为ZL 200920196871.X的实用新型专利，所公开的具有启动绕组的单相开关磁阻式多功能电机。该电机虽然较大地提高了电磁制动效果和其单位体积功率，但单相磁阻电机运行过程中由于存在一定的转矩死区，增加了转矩脉动所引起的电机振动和噪声。也由于转子的启动绕组通电时需要，增加了电刷而存在其相应弊端。

发明内容

为能同时兼顾电机驱动、发电回馈和电磁制动多项功能均能高效发挥，充分提高开关磁阻电机的单位体积功率(即提高磁路利用率)，需设法增加产生磁阻转矩作用的电机定、转子间的气隙磁路面积，尽可能缩短磁路以提高磁通量。并克服前述“具有启动绕组的单相开关磁阻式多功能电机”的转矩脉动大和存在电刷等缺陷，本发明提供一种轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机，而且同样具有电机和驱动控制器的综合成本低、电机坚固可靠、效率高等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机，所述高效磁阻式多功能电机采用轴向分相的变磁阻双凸极电机，每相同时具有轴向、径向的三维混合磁路，所述高效磁阻式多功能电机包括定子和转子，定子和转子上均布有n个凸极，n为大于5的正整数，每相的定子为具有n个凸极的独立式定子圆盘结构，定子上安装有励磁绕组，每相的转子由具有n个凸极的左右两个转子圆盘和中间的一个具有n个凸极的圆筒构成，所述圆筒的两端与左右两个转子圆盘固定连接，从轴向看，所述转子圆盘与圆筒的各极的凸极距角和凹槽距角分别一致对齐，各相的定、转子再以轴向串接而成。

本发明中，极距角包括凸极距角和凹槽距角，所述凸极距角为凸极对应的角度，所述凹槽距角为凹槽对应的角度。

进一步，各相以轴向串接过程中，左右相邻两相之间公用同一个转子圆盘，各相转子的凸极距角均一致对齐，各相定子的凸极距角互为错开(0.5～1.5)θ/m度，其中，θ为极距角，m为相数。

或者是：各相以轴向串接过程中，左右相邻两相的转子圆盘之间由非导磁材料隔开，各相转子的凸极距角均一致对齐，各相定子的凸极距角互为错开(0.5～1.5)θ/m度，其中，θ为极距角，m为相数。

或者是：各相以轴向串接过程中，左右相邻两相的转子圆盘之间由非导磁材料隔开，各相转子的凸极距角互为错开(0.5～1.5)θ/m度，其中，θ为极距角，m为相数，各相定子的凸极距角均一致对齐。

再进一步，所述高效磁阻式多功能电机为轮毂式电机，所述电机为外转子内定子结构。

更进一步，所述高效磁阻式多功能电机为伺服控制电机，所述电机为内转子外定子结构。

本发明的技术构思为：通过轴向分相以确保电机的整个圆周仅供一相布局，提高每相均布的凸极齿距角，各相通电励磁所产生的磁场与其转子的所有凸极均能起作用，又通过轴向、径向三维混合磁路来成倍提高产生磁阻转矩所需的定、转子间气隙磁路面积和缩短其磁路(可减少电机铁耗)，即通过提高磁路利用率和磁通量来提高开关磁阻电机的单位体积功率。定、转子间起作用的凸极面积增加也使得实现电磁制动将其绕组持续通电时，其定、转子圆周上的凸极以电磁相吸而重合的各极弧相加后的总极弧边距得到增加，以提高电磁制动效果，即同时兼顾了电机驱动、发电回馈和电磁制动多项功能均能高效发挥。

由于采用多相结构，使电机即可自启动，又不存在单相磁阻电机运行过程中所存在的转矩死区，同时通过较多地增加每相的凸极数、改进双凸极齿形结构和驱动电流波形三项措施来极大地减小转矩脉动所引起的电机振动和噪声，分别说明如下：

增加每相极数即可细分步距角，由于采用轴向分相，每相定子均为一独立圆盘，整个圆周仅供一相的凸极布局，即可成倍地增加每相的凸极数，各凸极齿在整个圆周均布，绕组通电励磁时也使整个圆周受力均匀对称，并且其绕组即可在圆盘槽内以环形线圈绕制，同相定子的各个凸极均由一个环形线圈励磁，如此即可较多地增加凸极数。而常规的径向分相磁阻电机的整个圆周需供各相凸极布局，并在每个凸极上嵌入励磁线圈，凸极数的增加受到电机圆周弧长的限制，并且绕组两头的端部对凸极的励磁作用甚小，极数增加时也将成倍地增加绕组铜线长度和其铜耗。

改进双凸极齿形结构主要是通过改变定、转子两凸极重叠相交时的前、后沿凸极弧形，即适当增大相交时前、后沿气隙以减小其突变来缩小电机转矩脉动。因该法会一定程度地减小电机的单位体积功率，所最好能通过实验来改进。

改进驱动电流波形主要是用于低速时的电流斩波控制(CCC)，即通过斩波控制使电流呈阶梯波，减小电流突变来缩小电机转矩脉动，由于开关磁阻电机的转矩脉动主要在低速运行时较大，而此法受开关频率的限制，也正好适合于低速控制用。

由于采用轴向分相，要求各相的定子或转子的凸极位置互为错开相应角度，而电机定、转子的极数n均可相同，使得某相定子通电励磁时，该相定子凸极与其转子的所有凸极均能产生磁阻转矩。而常规径向分相的电机定、转子极数绝对不能相等，通常要求满足N_r＝N_s±2k(N_r为转子凸极数、N_s为定子凸极数、k为正整数)，所以某相定子通电励磁时，该相定子凸极仅与不到一半的转子凸极产生磁阻转矩。又由于本发明具有轴向、径向三维混合磁路，同时有一个径向弧面和二个轴向扇形面的定、转子间的气隙共同作用，所以产生磁阻转矩所需的定、转子间气隙磁路面积可比常规径向分相的电机大数倍。

作为一种实施例参考说明书附图，附图1、2、3、4、5分别为同一种轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机的轴向剖面、径向AA剖面、径向BB剖面、径向CC剖面和径向DD剖面的结构示意图，按图所示为一种外转子结构的三相开关磁阻式电机。附图所示的电机极数为n＝12，即定、转子的凸极数和凹槽数均为12。极数的增加有利于减小开关磁阻电机的转矩波动所引起的噪声和振动，但在相同脉冲频率下电机转速也相应降低。即可根据电机的最高转速要求和控制电路可执行的最高开关控制频率，以及定、转子凸极齿根部机械强度和制造工艺来尽可能增加电机极数以改善电机的转矩波动。

定、转子的凸极距与凹槽距按极数n在整个圆周上等分后，还需结合设置各相定子凸极位置互为错开的角度作相应的合理调整：增加凸极距即会减小凹槽距，这有利于提高电磁制动时的制动力矩，但也相应减小单位体积功率，既要根据该两者关系来权衡；还要确保电机均能较好地正反转启动和被制动停止，遵循开关磁阻电机的结构原理(定子凸极距须小于转子凹槽距)，同时对各相定子凸极位置互为错开的角度，和定、转子的凸极距与凹槽距进行合理的微调设置。

每相的定子极数和结构形状均为相同的独立圆盘，这也简化制作工艺，而在装配时需将各相定子的凸极互为错开相应角度。每相定子的绕组为一个环形线圈，可直接绕制在定子铁芯外圆的槽内，可极大简化定子绕组制作工艺，并如前所述可大大节省常规的径向分相磁阻电机在增加极数时，需成倍增加绕组的铜线长度，即同时降低了电机的铜耗和材料成本。绕组通电后形成轴向与径向的混合磁通，即通过轴向、径向三维混合磁路能有效提高产生磁阻转矩所需的定、转子间的气隙磁路面积，并缩短所闭合的磁路来提高其磁通量和减少其铁耗。因此该三维混合磁路的结构能较大提高同体积的电机功效，并也特别适合于轮毂电机的外转子内定子结构。

每相的转子由具有相同凸极数的左右两个圆盘和中间的一个圆筒构成，相邻两相间的转子圆盘为左右两相互为兼用的公用转子圆盘，转子上无需绕组和永磁体，各相的转子以轴向串接而成，轴向串接的转子凸极距角均一致对齐。作为图示的外转子内定子结构实施例，每相转子中间的圆筒位于定子圆盘的外圈，圆筒外径与转子圆盘的外径相等，并圆筒的凸极朝向内圈，与定子圆盘外圈的凸极形成径向气隙磁路，每相的定子圆盘两侧与其转子左右两个圆盘的凸极齿均为绕其圆周均布的扇形，以形成轴向气隙磁路。

本发明的有益效果主要表现在：1、电机的单位体积功效高；2、电机制作方便、耗材省；3、控制方式简单可靠。

附图说明

图1是一种轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机的轴向剖面结构示意图。

图2是图1的径向AA剖面结构示意图。

图3是图1的径向BB剖面结构示意图。

图4是图1的径向CC剖面结构示意图。

图5是图1的径向DD剖面结构示意图。

图6是另一种轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机的轴向剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对其实施例作进一步说明。

参照附图1～图5，一种轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机，所述高效磁阻式多功能电机为三相变磁阻双凸极电机，所述三相变磁阻双凸极电机包括A相定子1、B相定子2、C相定子3和转子5，A相定子1、B相定子2和C相定子3的铁芯外圆槽内分别安装有励磁绕组4，转子5由左、中、右共四个沿圆周均布有扇形凸极的圆盘6和其间的三个沿圆周均布有朝向内的凸极齿的圆筒7以轴向串接而成，所述圆筒的两端与左右两个转子圆盘连接，所述圆筒的外径与所述转子圆盘的外径相等，从轴向看，所述转子圆盘与圆筒的各极的凸极距角和凹槽距角分别一致对齐。A相定子1、B相定子2和C相定子3的三个独立圆盘的凸极齿角互为错开合适角度。

作为三相磁阻电机的一种实施例，因极数n设为12，定、转子的极距角即为360/12＝30°，图示的定子凸极距设为10°，凹槽距即为30-10＝20°；转子凸极距设为16°，凹槽距即为30-16＝14°；设置B相定子凸极相对A相定子凸极的位置向顺时针方向错开三分之一极距即为30/3＝10°，同样C相定子凸极相对A相定子凸极的位置向逆时针方向错开10°。

所述高效磁阻式多功能电机为轮毂式电机，所述电机为外转子内定子结构，所述定子铁芯与中心轴8紧密固定，A、B、C三相定子绕组的引线可从中心轴8中间的孔引出。转子5的左、中、右四个圆盘6通过四个轴承9以可旋转方式与中心轴8连接，考虑到电机运行时同时存在轴向、径向磁力，其轴承需采用向心推力滚动轴承，以减小机械振动。

现以附图1～图5所示的电机为例来具体说明电机运行在电动驱动、发电回馈和电磁制动各状态的工作过程。运行时遵循开关磁阻电机的结构原理，需根据转子凸极相对各相凸极的转角位置或其绕组电感变化所检测的数值，来及时控制切换各相开关管的通断。

电动驱动工作过程：

电机驱动时按开关磁阻电机的结构原理，需每当转子凸极将趋近于某相定子凸极时，即刻接通该相绕组励磁，所产生磁场力求以磁阻最小途径闭合，即在磁阻转矩的作用下，转子凸极趋向于与该相定子凸极重合的方向旋转，当转子凸极即将与该相定子凸极重合前，即刻切断该相绕组，以免产生电磁制动。启动时按所要求的旋转方向，并按电机实际停止位置所检测到的各相定子凸极相对于转子凸极的位置关系，来控制某相绕组通电励磁启动。如按附图3、4、5所示的电机所停位置，当要求外转子向顺时针旋转时，则首先须接通B相定子2(参照图4)的绕组4通电启动；当要求外转子向逆时针旋转时，则首先须接通C相定子3(参照图5)的绕组4通电启动。按前述对各相绕组控制切换原则，当转子按顺时针启动后，以B→C→A→B顺序循环通断电，电机就按顺时针方向连续运转；而当转子按逆时针启动后，以C→B→A→C顺序循环通断电，电机就按逆时针方向连续运转。同样为满足电机有较宽的调速范围，须在低速时采用电流斩波控制(CCC)以得到恒转矩调速控制特性；在高速时采用角度位置控制(APC)以实现恒功率调速控制特性。

发电回馈工作过程：

当需要减速停车时，尤其对于电动汽车在降速制动或下坡运行时，可利用其动能惯性来进行发电回馈制动，实现能量回收，以提高续驶里程。根据开关磁阻电机的电磁转矩基本表达式可知，当电感L随着转角θ的增加而减少(即转子的凹槽趋向定子绕组凸极)时，绕组内流过电流则产生负的电磁转矩，即电磁转矩为制动性的，电机运行于发电机状态。通过转角位置检测装置当检测到外转子的凹槽即将趋向于某相定子绕组凸极时，即刻接通该相定子绕组电路进行励磁，定子绕组所产生的磁场将对转子产生反方向的阻力矩，而转子上的动能将转化成磁能储存在磁场中，直至转子的凸极即将趋离该相定子凸极前，即刻切断该相绕组开关管，于是储存在磁场中的磁能将转化成电能通过续流二极管回馈给蓄电池。如此反复即能以脉冲形式给蓄电池充电。根据蓄电池充电过程原理分析可知采用适当参数的脉冲充电法，有利于恢复蓄电池极板原来的晶体结构和消除记忆效应，即可提高蓄电池性能和其使用寿命。

电磁制动工作过程：

当电机经上述发电回馈降速后需制动停止时，可按转角位置检测，当所测转子凸极与某相定子凸极重叠时，就接通该相定子绕组并持续保持通电，所产生磁场即使定、转子各对凸极齿均被电磁力相互吸住。如图3、4、5所示分别为同时给A相绕组持续通入较大电流，而给B、C两相绕组持续通入较小电流后，所产生的电磁制动使A相定子1的整个凸极与转子5的凸极相吸，使B相定子2和C相定子3凸极的部分齿距与转子5的凸极相吸所保持的位置，如图所示电机转子的整个圆周12个凸极齿均被电磁力沿圆周均匀对称地吸住而制动，因转子每个凸极距为16度，所以整个转子圆周的凸极以电磁相吸与定子凸极相重合的总极弧边距达16×12＝192度。

如当电机由于动能惯性较大时，需根据转角位置检测信号，采用与发电回馈制动相结合的方法反复进行，即根据开关磁阻电机的磁阻转矩方向变化过程，转子以动能惯性自转动时，当某相定子凸极趋离转子凹槽时，即刻接通该相绕组进行发电回馈，随该相定子凸极趋近转子凸极时，仍持续逐渐增大绕组电流以实现电磁制动，随该相定子凸极趋离转子凸极时，需逐渐减小绕组电流，到该相定子凸极将离开转子凸极前，即刻切断该相绕组电流。如此各相绕组根据其转角位置检测均按此过程通断切换电流，直至转角θ的位置检测无变化即停止为止。

这对于汽车来说，该种电磁制动与发电回馈制动反复进行的制动过程，类似于现代轿车中的防抱死制动系统ABS及驱动防滑转控制ASR的制动过程，即可提高车辆行驶稳定性和转向操纵性。

而对于需要精确定位的数控伺服来说，可通过位置检测反馈控制，经三级降速后，再通过上述发电回馈与电磁制动相结合的方式即可较好地实现精确定位控制。

参照附图6为另一种轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机，它与附图1～图5所述实施例的主要结构区别是各相以轴向串接过程中，左右相邻两相的转子圆盘不被两相公用，为两个独立的转子圆盘，并且之间由非导磁材料隔开，如图6所示：由非导磁材料制成的圆盘10将左右相邻两相的两个独立转子圆盘6隔开，其余图示的各部件编号均与附图1所示一致。如此使各相的磁路均互为独立，这有利于需多相同时励磁的控制，但也增加了电机的轴向尺寸。对该类各相磁路互为独立的结构，又可以有两种结构形式：各相转子的凸极距角均一致对齐，各相定子的凸极距角互为错开(0.5～1.5)θ/m度，其中，θ为极距角，m为相数；或各相转子的凸极距角互为错开(0.5～1.5)θ/m度，各相定子的凸极距角均一致对齐。对于该类电机运行于电动驱动、发电回馈和电磁制动各状态的工作原理与前附图1～图5所述实施例均类同，并对开关磁阻电机领域的技术人员来说均易推想得到，在此就不必赘述。

Claims (6)

1.一种轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机，其特征在于：所述高效磁阻式多功能电机采用轴向分相的变磁阻双凸极电机，每相同时具有轴向、径向的三维混合磁路，所述高效磁阻式多功能电机包括定子和转子，定子和转子上均布有n个凸极，n为大于5的正整数，每相的定子为具有n个凸极的独立式定子圆盘结构，定子上安装有励磁绕组，每相的转子由具有n个凸极的左右两个转子圆盘和中间的一个具有n个凸极的圆筒构成，所述圆筒的两端与左右两个转子圆盘固定连接，从轴向看，所述转子圆盘与圆筒的各极的凸极距角和凹槽距角分别一致对齐，各相的定、转子再以轴向串接而成。

2.如权利要求1所述的轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机，其特征在于：各相以轴向串接过程中，左右相邻两相之间公用同一个转子圆盘，各相转子的凸极距角均一致对齐，各相定子的凸极距角互为错开(0.5～1.5)θ/m度，其中，θ为极距角，m为相数。

3.如权利要求1所述的轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机，其特征在于：各相以轴向串接过程中，左右相邻两相的转子圆盘之间由非导磁材料隔开，各相转子的凸极距角均一致对齐，各相定子的凸极距角互为错开(0.5～1.5)θ/m度，其中，θ为极距角，m为相数。

4.如权利要求1所述的轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机，其特征在于：各相以轴向串接过程中，左右相邻两相的转子圆盘之间由非导磁材料隔开，各相转子的凸极距角互为错开(0.5～1.5)θ/m度，其中，θ为极距角，m为相数，各相定子的凸极距角均一致对齐。

5.如权利要求1～4之一所述的轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机，其特征在于：所述高效磁阻式多功能电机为轮毂式电机，所述电机为外转子内定子结构。

6.如权利要求1～4之一所述的轴向分相具有轴向、径向三维混合磁路的高效磁阻式多功能电机，其特征在于：所述高效磁阻式多功能电机为伺服控制电机，所述电机为内转子外定子结构。

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