CN102545498B

CN102545498B - 一种具有径向和横向磁场特征的开关磁阻电机

Info

Publication number: CN102545498B
Application number: CN 201210011070
Authority: CN
Inventors: 张强; 刘政宇; 姜云桥; 张文义; 毕洪大; 霍虹
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2012-01-14
Filing date: 2012-01-14
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-01-14
Also published as: CN102545498A

Abstract

本发明的目的在于提供一种具有径向和横向磁场特征的开关磁阻电机，包括机壳、定子、电缆线、左、右两侧端盖盖体、中间转子、左、右两侧转子、轴，定子磁极安装在定子铁心上并沿定子铁心的周向均匀分布，定子磁极的四个侧面上开有环形槽，环形槽中安装定子绕组，机壳上开有过线孔，电缆线的一端连接定子绕组、另一端经过过线孔引致电机外部，中间转子磁极安装在中间转子铁心上并沿周向均匀分布，左、右两侧转子的铁心沿圆周均匀分布转子磁极，轴穿过中间转子、左、右两侧转子以及左、右两侧端盖盖体并与中间转子铁心、左、右两侧转子铁心相连。本发明定子绕组的利用率高、功率密度高。

Description

一种具有径向和横向磁场特征的开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及的是电气工程领域中的电机。

背景技术

现有的各种开关磁阻电机，按其内部气隙磁场的分布特征可分为：径向磁场、轴向磁场和横向磁场等三种类型。在这三种不同类型的开关磁阻电机中，气隙磁场只具有单一的特征，限制住了电机功率密度的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供定子绕组的利用率高、功率密度高的一种具有径向和横向磁场特征的开关磁阻电机。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种具有径向和横向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：包括机壳、定子、电缆线、左、右两侧端盖盖体、中间转子、左、右两侧转子、轴，定子包括定子铁心、定子磁极；中间转子包括中间转子磁极、中间转子铁心；左、右两侧转子包括左、右两侧转子磁极和左、右两侧侧转子铁心；定子、中间转子、左、右两侧转子安装在机壳和左、右两侧端盖盖体组成的空间里，定子磁极安装在定子铁心上并沿定子铁心的周向均匀分布，定子磁极的四个侧面上开有环形槽，环形槽中安装定子绕组，机壳上开有过线孔，电缆线的一端连接定子绕组、另一端经过过线孔引致电机外部，中间转子磁极安装在中间转子铁心上并沿周向均匀分布，左、右两侧转子的铁心沿圆周均匀分布转子磁极，中间转子位于定子的中间位置，左、右两侧转子分别位于中间转子的左右两侧且左、右两侧转子磁极均面向中间转子，轴穿过中间转子、左、右两侧转子以及左、右两侧端盖盖体并与中间转子铁心、左、右两侧转子铁心相连。

本发明还可以包括：

1、所述的定子磁极沿定子铁心的径向突出于其内部表面，同时沿定子铁心的轴向突出于其两个端面。

2、所述的定子磁极的数目为6个，中间转子磁极数目为4个，左、右两侧侧转子磁极数目也均为4个。

3、所述的中间转子铁心为圆柱形结构。

本发明的优势在于：

(1)具有本发明特征的开关磁阻电机，其定子绕组的利用率高。在其定子绕组5中不存在有传统开关磁阻电机绕组中的端部，在电机的运行过程中，流经定子绕组5的任意一个部分的电流都被用于形成气隙主磁场(包括定子与中间转子间的径向磁场、定子与左侧转子间的横向磁场、定子与右侧转子间的横向磁场)，全部的定子绕组5都参与了电机的机电能量转换过程。

(2)具有本发明特征的开关磁阻电机，其功率密度高。在运行过程中，其总的磁阻转矩由三个分量构成：定子与中间转子间的磁阻转矩T1；定子与左侧转子间的磁阻转矩T2；定子与右侧转子间的磁阻转矩T3；因此与现有的其他电机相比，具有本发明结构的开关磁阻电机可以产生更大的转矩，拥有更高的功率密度。

(3)本发明提出的开关磁阻电机结构，适用低速开关磁阻电机的设计、开发。具有本发明结构的开关磁阻电机，不仅输出的磁阻转矩大，而且由于充分利用了定子绕组的全部长度进行能量转换，因此在输出转速相同的前提下，具有本发明结构的电机的质量更轻、体积更小，进而更好地满足低速拖动场合的需求。

附图说明

图1为不包含有定子绕组5的定子轴向视图；

图2为包含有定子绕组5的定子轴向视图；

图3为图2的AA剖面图；

图4为左(右)侧端盖的轴向视图；

图5为图4的BB剖视图；

图6为中间转子轴向视图；

图7为图6的俯视图；

图8为左(右)侧转子轴向视图；

图9为图8的侧视图；

图10为电机总体结构轴向剖视图；

图11为某相定子绕组通电时，某一时刻电机内部径向磁场分布示意图，虚线表示径向分布主磁通的路径，箭头表明方向；

图12为某相定子绕组通电时，某一时刻电机内部局部横向磁场分布示意图，虚线表示横向分布主磁通的路径，箭头表明方向。该图只显示了电机内部的局部结构，包括一个定子磁极3的局部和横向分布主磁通同时交链的左(或右)侧转子磁极17。图中没有画出环行槽4中的定子绕组5。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～12，本发明提出的一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机，结构上包括有定子、中间转子、左侧转子、右侧转子、轴等几个部分组成。具体结构如下：

(1)定子结构。定子铁心1为圆筒形结构；定子铁心1安装在机壳2的内部；多个定子磁极3沿定子铁心1的周向均匀分布，每一个定子磁极3沿定子铁心1的径向突出于其内部表面，同时沿定子铁心1的轴向突出于其两个端面；定子磁极3的四个侧面上开有环形槽4；环形槽4中安放有定子绕组5，定子绕组5由多相绕组构成，绕组相数的选取与常规开关磁阻电机相同；机壳2上开有过线孔6；电缆线7的一端与定子绕组5连接，另一端经过过线孔6引致电机外部，与电机控制器连接；机壳2的两个侧面都开设有均匀分布的螺孔8。此外定子结构还包括左侧端盖和右侧端盖，左侧端盖和右侧端盖结构完全相同：左(右)侧端盖盖体9的中心处开设有轴承室10和轴孔11；左(右)侧端盖盖体9的边缘处开设有均匀分布的螺孔12，螺孔12的数目与机壳2上的螺孔8的数目相同，且位置沿轴向对应。

(2)中间转子结构。中间转子铁心13为圆柱形结构；在转子铁心13的外表面上，沿周向均匀分布有多个径向突出的中间转子磁极14，中间转子磁极14的数目与定子磁极3的数目的选取原则符合常规开关磁阻电机定、转子磁极数目的选取原则；中间转子铁心13的中间开设有轴孔15。

(3)左侧转子和右侧转子结构。左侧转子和右侧转子结构上完全相同。左(右)侧转子铁心16为圆盘状结构；在左(右)侧转子铁心16的内表面(即面向定子一侧)上，沿圆周方向均匀分布有多个左(右)侧转子磁极17，左(右)侧转子磁极17的数目与中间转子磁极14的数目相同；左(右)侧转子铁心16的圆心处开设轴孔18。

(4)总体结构。轴19通过中间转子铁心13上的轴孔15与中间转子铁心13固定连接；轴19通过左侧转子铁心16上的轴孔18与左侧转子铁心16固定连接，且左侧转子铁心16位于中间转子铁心13的左侧；轴19通过右侧转子铁心16上的轴孔18与右侧转子铁心16固定连接，且右侧转子铁心16位于中间转子铁心13的右侧；轴19的两端安装有两个轴承20；同时两个轴承20分别安装在左侧和右侧端盖的轴承室10中；利用机壳2两个侧面上的螺孔8以及左侧和右侧端盖上的螺孔12，使用螺钉将机壳2、左侧端盖、右侧端盖固定在一起；轴19的两端通过左侧和右侧端盖上的轴孔11引出。

具有本发明特征的开关磁阻电机(以电动工况为例)，利用定子机壳2将电机固定安装，负载通过联轴器等装置与轴19的输出端连接。其定子绕组5通过电缆线7与外部控制器连接。当定子绕组5中的某一相绕组通过外部控制器与外部电源接通时(或多相绕组同时与外部电源接通，通电绕组相数取决于电机的控制策略)，该相绕组内有电流流过，进而形成定子磁场，定子磁场的主磁通按照其磁通路径的特点可以分成三部分：第一部分定子磁场主磁通经过中间转子磁极14和中间转子铁心13形成闭合回路，这一部分磁通在电机内部的分布具有径向磁场开关磁阻电机的特征，由于中间转子为凸极结构，根据磁阻最小原理可知，在中间转子上会产生磁阻转矩T1；第二部分定子磁场主磁通经过左侧转子磁极17形成闭合回路，这一部分磁通在电机内部的分布具有横向磁场开关磁阻电机的特征，同理根据磁阻最小原理可知，在左侧转子上会产生磁阻转矩T2；第三部分定子磁场主磁通经过右侧转子磁极17形成闭合回路，这一部分磁通在电机内部的分布具有横向磁场开关磁阻电机的特征，同理根据磁阻最小原理可知，在右侧转子上会产生磁阻转矩T3。磁阻转矩T1、T2、T3方向相同，共同驱动转子(包括中间转子、左侧转子和右侧转子)转动，随着转子的旋转，定、转子间的位置发生变化，磁阻转矩T1、T2、T3的大小也跟随变化，根据定、转子间的位置关系，外部控制器控制定子绕组5换相，使定子磁场的空间位置沿某一固定方向不断有序变化，进而实现在磁阻转矩T1、T2、T3的作用下，电机转子能够不断转动，实现机电能量转换。

参照现有开关磁阻电机设计方法，选取定子磁极3和中间转子磁极14的数目(右侧和右侧转子磁极17的数目均等于中间转子磁极14的数目)，其他结构尺寸，可通过电磁计算获得。

定子铁心1和定子磁极3采用铁磁材料制成，定子铁心1和定子磁极3为整体结构。

机壳2和左(右)侧端盖盖体9采用金属材料制成。

定子绕组5采用漆包线绕制，各相绕组的绕制方法和空间放置位置与现有的径向磁场开关磁阻电机相同。

电缆线7采用多芯电缆线，电缆线7一端的多个接头分别与定子绕组5的各相绕组接头连接在一起，另一端经过机壳2上的过线孔6与外部控制器接在一起。左(右)侧端盖盖体9采用金属材料制成。

利用机壳2两个侧面上的螺孔8以及左侧和右侧端盖上的螺孔12，使用螺钉将机壳2、左侧端盖、右侧端盖固定在一起。

中间转子铁心13和中间转子磁极14均采用铁磁材料制成，中间转子铁心13和中间转子磁极14为整体结构。

左(右)侧转子铁心16采用非导磁材料制成。

左(右)侧转子磁极17采用铁磁材料制成。

左(右)侧转子铁心16与左(右)侧转子磁极17采用焊接等方式固定连接在一起。

轴19采用机械强度、硬度等指标能够满足设计要求的金属材料制成。

两个轴承20采用滚珠轴承，也可根据需要采用其他种类的轴承。

两个轴承20与轴19之间采用紧配合等方式连接。

中间转子铁心13与轴19之间采用紧配合、键连接等方式连接。

左(右)侧转子铁心16与轴19之间采用紧配合、键连接等方式连接。

中间转子铁心13和左(右)侧转子铁心16之间采用螺钉或铆钉等方法实现固定连接，且中间转子磁极13与左(右)侧转子磁极17沿轴向一一对应。

轴承20与左(右)侧端盖上的轴承室10之间采用紧配合等方式连接。

轴19的两端分别从左侧和右侧端盖上的轴孔11穿过，用于与外部设备连接。

Claims

1.一种具有径向和横向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：包括机壳、定子、电缆线、左、右两侧端盖盖体、中间转子、左、右两侧转子、轴，定子包括定子铁心、定子磁极；中间转子包括中间转子磁极、中间转子铁心；左、右两侧转子包括左、右两侧转子磁极和左、右两侧侧转子铁心；定子、中间转子、左、右两侧转子安装在机壳和左、右两侧端盖盖体组成的空间里，定子磁极安装在定子铁心上并沿定子铁心的周向均匀分布，定子磁极的四个侧面上开有环形槽，环形槽中安装定子绕组，机壳上开有过线孔，电缆线的一端连接定子绕组、另一端经过过线孔引致电机外部，中间转子磁极安装在中间转子铁心上并沿周向均匀分布，左、右两侧转子的铁心沿圆周均匀分布转子磁极，中间转子位于定子的中间位置，左、右两侧转子分别位于中间转子的左右两侧且左、右两侧转子磁极均面向中间转子，轴穿过中间转子、左、右两侧转子以及左、右两侧端盖盖体并与中间转子铁心、左、右两侧转子铁心相连。

2.根据权利要求1所述的一种具有径向和横向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：所述的定子磁极沿定子铁心的径向突出于其内部表面，同时沿定子铁心的轴向突出于其两个端面。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有径向和横向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：所述的定子磁极的数目为6个，中间转子磁极数目为4个，左、右两侧侧转子磁极数目也均为4个。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有径向和横向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：所述的中间转子铁心为圆柱形结构。

5.根据权利要求3所述的一种具有径向和横向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：所述的中间转子铁心为圆柱形结构。