CN102594074A - 开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机，该开关磁阻电机包括：转子，该转子具有围绕该转子缠绕的线圈；换向器，该换向器连接于所述转子的两端；电刷，该电刷通过所述转子的旋转与所述换向器机械接触；以及定子，该定子具有固定在所述定子上的所述电刷并且具有定子电极，其中，所述电刷以与所述定子电极的连接轴线逆时针方向成提前角的方式移动，并且闭合角和电压施加周期由所述换向器和所述电刷的弧形角控制。

Description

开关磁阻电机

相关申请的交叉引用

本申请要求以2011年1月10日提交、名称为“Switched Reluctance Motor(开关磁阻电机)”的韩国专利申请No.10-2011-0002436为优先权，该申请的全部内容在此作为参考结合于本申请。

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机。

背景技术

一般的开关磁阻电机具有定子和转子皆为凸极的磁性结构。此外，定子具有围绕定子集中缠绕的线圈，并且转子仅由铁芯形成而不采用任何激励装置(例如绕组、永久磁体等)以具有优秀的价格竞争力。进一步地，借助采用功率半导体元件和位置传感器的转换器，速度可变的开关磁阻电机可以稳定地产生持续的扭矩，并且可以根据用于各种应用所要求的性能容易地进行控制。

尽管开关磁阻电机由于简单的转子结构而价格便宜，但是该开关磁阻电机具有多个问题：该开关磁阻电机采用由半导体开关构成的转换器以产生磁阻扭矩，增加了整个系统的成本，并且为了在快速驱动中恰当地进行控制，需要包括能够进行快速处理的昂贵的控制电路。

主要应用在清洁器、电动工具等领域中的通用电机采用简单机械结构的换向器和电刷，而不是使用转换器和位置传感器以产生扭矩，由于具有价格便宜的电机结构而非通过控制改进性能的优点，因此在上述领域中已经得到广泛使用。但是，在通用电机中，线圈围绕转子和定子缠绕，导致材料成本的增加以及转子的铜损(copper loss)。因此，在要求高效率的高端模式中使用通用电机较为困难。

图1是根据现有技术的开关磁阻电机的结构示意图。该开关磁阻电机100(在图1中只显示开关磁阻电机100的一个相位)包括转子110、形成有定子电极(stator poles)121的定子120，以及围绕定子电极121缠绕的线圈130，并且在定子电极121和转子110之间产生引力以旋转转子110。

此外，当多个相绕组围绕多个定子电极缠绕时，定子电极的相绕组一个接一个地被激励以产生扭矩，从而旋转转子。在这种情况下，由于要求转子的位置反馈因此需要位置传感器，并且还需要由功率半导体元件形成的转换器来根据转子的位置对定子的绕组施加电流。而且，需要安装在其中的具有数字信号处理器(DSP)的控制器、微控制单元(MCU)等以实现复杂快速地处理。

如上所述，因为根据现有技术的开关磁阻电机必要地包括用于驱动的转换器、控制器以及位置传感器，因而可能无法通过低成本实现，由于复杂的技术结构，在设计中开关磁阻电机具有较小的自由度，并且具有较高的出现故障或出错的可能性。

发明内容

本发明致力于提供一种开关磁阻电机，在该开关磁阻电机中线圈围绕转子缠绕代替围绕定子缠绕，并且由于减少了绕组，只有一个相绕组能够产生持续的扭矩，因而减少了生产成本，由于增加了备用区(spare area)，间隔部(space part)围绕定子电极形成，因而增加了空气流动，从而提高了清洁器(cleaner)的性能，通过使用换向器和电刷而不是转换器和位置传感器来产生完成机械换相的扭矩，从而能够通过简单的机械机构以低成本实现。

而且，本发明致力于提供一种开关磁阻电机，在该开关磁阻电机中，通过改变换向器和电刷的位置和弧形角控制对电机性能具有直接影响的提前角和闭合角，从而能够根据最佳操作点(最大功率、最大扭矩等)完成设计，并且通过使用设计方法来控制在两对定子电极中分别产生的正扭矩区域，来改变叠加的扭矩，从而能够实现减少扭矩波动(torque ripple)的设计。

根据本发明的第一优选实施方式，提供了一种开关磁阻电机，该开关磁阻电机包括：转子，该转子具有围绕该转子缠绕的线圈；换向器，该换向器连接于所述转子的两端；电刷，该电刷通过所述转子的旋转与所述换向器机械接触；以及定子，该定子具有固定在所述定子上的所述电刷并且具有定子电极，其中，所述电刷以与彼此相对的所述定子电极的连接轴线成提前角的方式移动并安装。

在所述转子顺时针方向旋转的情况下，所述电刷以与彼此相对的所述定子电极的连接轴线逆时针成所述提前角的方式移动并安装，并且所述提前角为施加电压和电感增加之间的区域。

闭合角和电压施加周期由所述换向器和所述电刷的弧形角控制。

所述闭合角可以定义为d＝X+2Y，其中X表示所述电刷的弧形角以及Y表示所述换向器的弧形角。

可以设定所述闭合角以使电压在反扭矩产生之前断开。

所述换向器可以具有连接到围绕所述转子缠绕的所述线圈的两端。

所述电刷可以设置为两对，每对电刷彼此相对，并且所述两对电刷中的一对电刷连接到电源，并且所述两对电刷中的另一对电刷连接到二极管。

所述定子电极可以由永久磁体形成。

所述定子和所述转子可以为凸极式(salient pole type)。

附图说明

图1是根据现有技术的开关磁阻电机的结构示意图；

图2是根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机的结构示意图；

图3是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据转子位置表示电感的图表；

图4是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据转子位置表示外加电压的图表；

图5是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据换向器和电刷的位置表示提前角和闭合角设定的使用状态示意图。

图6是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据线圈激励的使用状态示意图；

图7是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据线圈激励的使用状态示意图；

图8是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中换相的使用状态示意图；

图9是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据线圈激励的使用状态示意图；

图10是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据线圈激励的使用状态示意图；以及

图11是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中换相的使用状态示意图。

具体实施方式

通过参考附图对实施方式的以下描述，本发明的各种目的、特征和优点将显而易见。

本说明书和权利要求书中的术语和词语不应当被解释为限定为典型含义或词典中的定义，而应当基于规则被解释为与本发明的技术范围相关的含义和概念，根据所述规则，发明人能够合适地定义术语的概念来最恰当地描述他或她所知道的实施本发明的最佳方法。

通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将更为清楚地得到理解。在说明书中为所有附图中给部件添加附图标记，需要注意的是，即使该部件显示在不同的附图中，相同的附图标记也表示相同的部件。此外，当可以确定与本发明相关的已知技术的详细描述会使本发明的主旨模糊时，将省略该具体的描述。

以下，结合附图将详细描述根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机。

图2是根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机的结构示意图。如图2中显示，开关磁阻电机200设置为包括转子210、换向器220a和220b、电刷230a、230b、230c和230d、线圈240以及定子250。

更具体地说，转子210具有围绕转子210缠绕的线圈，换向器220a和220b连接于转子的两端并且连接于围绕转子210缠绕的线圈240。在该结构中，转子连接于两个换向器220a和220b以使转子的中心轴线与两个换向器220a和220b的中心轴线相一致。此外，定子250和转子210为凸极式。

而且，电刷230a、230b、230c和230d设置为两对并且固定于定子250，其中每对电刷相互之间相对，定子250包括两对定子电极251，其中每对定子电极相互之间相对。通过转子210的旋转使电刷与换向器220机械接触。此外，当转子顺时针方向旋转时，电刷以与彼此相对的定子电极251的连接轴线逆时针方向成提前角a的角度移动并安装。

此外，一对电刷230a和230b连接于电源(未显示)，另一对电刷230c和230d连接于二极管260。

根据本发明的优选实施方式的定子电极251可以由永久磁铁形成以增强扭矩。

通过上述结构，与转子210具有相同轴线的换向器220a和220b与转子210一起旋转并且与电刷机械接触，以形成或断开电压。

以下，将详细描述设置为如上所述根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机的结构和工作原理。

图3是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据转子位置表示电感的图表；图4是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据转子位置表示外加电压的图表；以及图5是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据换向器和电刷的位置表示提前角和闭合角的设定的使用状态下的图表。

如图3至图5所示，因为感应特性，在施加电压时不会立即达到所需要的电流值，并且在断开电压电流也不会立即消失。因此，需要设计提前角a以形成电流，以及设计闭合角以在最小感应周期中形成反扭矩之前断开电压。据此可以起到现有技术中位置传感器和转换器的作用。

更具体地，

$T(\mathrm{\θ},i)=\frac{1}{2}{i}^2\frac{\mathrm{dL}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{d\θ}},$

其中T表示扭矩，θ表示转子的位置，i表示相电流，以及L表示电感。

正如从上面的方程可以理解到的，扭矩由产生的电流以及电感的变化率决定。

因此，提前角表示位于施加电压和电感增加之间的区域，电压由提前角a施加，然后电感增加，以使正扭矩区域形成。电压施加周期，即闭合角d，由电刷的弧形角X以及换向器的弧形角Y控制。因此，闭合角定义为d＝X+2Y，其中X表示电刷的弧形角、Y表示换向器的弧形角。

此外，设定闭合角d以使电压在反扭矩产生之前断开。

以下，将详细描述根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机的扭矩和换相。

图6和图7是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据线圈激励的使用状态示意图；以及图8是根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中换相的使用状态示意图。如图6至图8中所示，当(+)电压施加到电刷230a并且(-)电压施加到电刷230b时，电流流入线圈240，换向器220a和220b在与电刷230a和230b接触的状态下顺时针方向旋转。

此外，如图7中所示，换向器220a和220b与上/下以及左/右电刷230a，230b，230c，和230d都接触。同时，反向电压施加到二极管260，以使二极管不导通。

另外，如图8中所示，当换向器220a和220b只与上/下电刷230c和230d接触时，通过左/右电刷230a和230b未施加外加电压并且由于线圈的电感特性该电压反向。而且，具有相同方向的电流流入线圈中，恒定电压施加到二极管。

图9和图10是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中依据线圈激励的使用状态示意图；以及图11是在根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机中换相的使用状态示意图。如图9至图11中所示，当(+)电压施加到电刷230b并且(-)电压施加到电刷230a时，电流流入线圈240，换向器220a和220b在电刷230a和230b接触的状态下顺时针方向旋转。

另外，如图10中所示，换向器220a和220b与上/下以及左/右电刷230a，230b，230c，和230d都接触。同时，反向电压施加到二极管260，以使二极管不导通。

另外，如图11中所示，当换向器220a和220b只与上/下电刷230c和230d接触时，通过左/右电刷230a和230b未施加外加电压并且由于线圈的电感特性该电压反向。而且，具有相同方向的电流流入线圈中，恒定电压施加到二极管。

根据本发明优选实施方式的开关磁阻电机，线圈围绕转子缠绕而不是围绕定子缠绕，并且由于减少了绕组，只有一个相绕组可以产生持续的扭矩，因而减少了生产成本，由于增加了备用区，间隔部围绕定子电极形成，因而增加了空气流动，从而提高了清洁器的性能，通过使用换向器和电刷而不是转换器和位置传感器来产生完成机械换相的扭矩，从而能够通过简单的机械机构以低成本实现。而且对电机性能具有直接影响的提前角和闭合角通过改变换向器和电刷的位置和弧形角而控制，从而能够根据最佳操作点(最大功率、最大扭矩等)完成设计，并且在两对定子电极中分别产生的正扭矩区域通过使用设计方法来控制，以改变叠加的扭矩，从而能够实现设计以减少扭矩波动。

尽管为了示例目的公开了本发明的优选实施方式，该优选实施方式用于具体说明本发明，从而根据本发明的开关磁阻电机并不限于此，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离附带的权利要求所公开的本发明的范围和精神的前提下，各种修改、增加和替换都是可能的。

因此，这些修改、增加和替换也应该理解为落入本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种开关磁阻电机，该开关磁阻电机包括：

转子，该转子具有围绕该转子缠绕的线圈；

换向器，该换向器连接于所述转子的两端；

电刷，该电刷通过所述转子的旋转与所述换向器机械接触；以及

定子，该定子具有固定在所述定子上的所述电刷并且具有定子电极，

其中，所述电刷以与彼此相对的所述定子电极的连接轴线成提前角的方式移动并安装。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，在所述转子顺时针方向旋转的情况下，所述电刷以与彼此相对的所述定子电极的连接轴线逆时针方向成所述提前角的方式移动并安装，并且所述提前角为施加电压和电感增加之间的区域。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，闭合角和电压施加周期由所述换向器和所述电刷的弧形角控制。

4.根据权利要求3所述的开关磁阻电机，其中，所述闭合角定义为d＝X+2Y，其中X表示所述电刷的弧形角，Y表示所述换向器的弧形角。

5.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，设定所述闭合角以使电压在反扭矩产生之前断开。

6.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，所述换向器连接到围绕所述转子缠绕的所述线圈。

7.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，所述电刷设置为两对，每对电刷彼此相对，并且所述两对电刷中的一对电刷连接到电源，所述两对电刷中的另一对电刷连接到二极管。

8.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，所述定子电极由永久磁体形成。

9.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，所述定子和所述转子为凸极式。

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