CN102820757A

CN102820757A - 一种半齿绕组开关磁阻电机

Info

Publication number: CN102820757A
Application number: CN2012100461600A
Authority: CN
Inventors: 花为; 华浩; 吴中泽; 程明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明是关于一种半齿绕组结构的开关磁阻电机制造方法。电机定子和转子均为凸极结构，其上有均匀分布的定子槽和转子齿，转子上既无绕组也无永磁体，定子上有集中绕组。在结构上保留了传统开关磁阻电机结构简单牢靠、鲁棒性好、适于高速运行的优点。通过改变定子上绕组的绕法，使电机的每相磁链和磁链变化率（电感变化率）提高，进而增加电机的输出转矩。本发明的开关磁阻电机绕组依然是集中绕组，并没有增加电机的制造难度和成本，却有效提高了电机的槽满率、输出转矩和功率，并进一步提高了电机可靠性，增强了电机系统容错性能。

Description

一种半齿绕组开关磁阻电机

技术领域

本发明是一种采用新型半齿绕组绕法的开关磁阻电机，适合于任意相数、任意定转子齿槽配合的开关磁阻电机，属于电机制造的技术领域。

背景技术

随着电力电子器件技术、微电子技术和自动控制技术的发展，尤其是稀土永磁材料出口限制所引起的价格上涨，开关磁阻电机的应用将越来越广泛。开关磁阻电机为双凸极结构，定转子均由普通硅钢片压叠制成，转子上既无永磁体也无绕组，定子上只有集中式绕组线圈，其依据“磁阻最小”原理工作。开关磁阻电机制造简单、成本低，结构牢靠，体积小、重量轻，散热方便，适于高速运行。其在工业调速系统领域中已显示出强大的竞争力，在电动汽车、家用电器、纺织机械、电气传动等方面有广阔的前景。目前，对开关磁阻电机的研究主要集中在铁芯形状的优化和控制策略的改进上，而对绕组绕法的研究不多。传统的开关磁阻电机绕组采用全齿绕组绕法，即每个定子齿上都套有一个集中式绕组线圈，将一个定子槽分为两半，分属于不同相的两个线圈圈边并列排布在同一个定子槽中，需要在槽中放置相绝缘以隔离不同相绕组。该传统绕法并不能充分提高绕组的槽满率以进一步发挥出电机的转矩输出能力，限制了开关磁阻电机的进一步推广和发展。

发明内容

技术问题：本发明的目的就是提出一种提高开关磁阻电机槽满率与电感变化率的绕组结构，使其适用于任意相数、任意定转子齿槽配合的开关磁阻电机（如三相6/4极、三相12/8极、四相8/6极等）。在不改变定转子铁芯的情况下，通过改变绕组绕法，提高绕组槽满率及最大电感最小电感之差（电感变化率），使电机提供更大的输出转矩和功率。

技术方案：本发明的开关磁阻电机主要由定子、转子和新式集中绕组构成。

与传统的开关磁阻电机相比，本发明的开关磁阻电机的定子和转子不需要改变，都是由铁芯冲片叠压构成，而绕组的绕法有了较大的改变。传统开关磁阻电机的绕组是将一个定子槽分为两半，分属于不同相的两个线圈圈边并列排布在同一个定子槽中，即需要在槽中放置相绝缘以隔离不同相绕组，每一个半槽中为同一种电流流向，因此每一个定子齿上都套有一个集中式绕组线圈。而本发明所提出的开关磁阻电机绕组结构则在每一个定子槽放置一个线圈的圈边，即同一种电流流向，从而省去了相间绝缘材料，使得只有一半的定子齿上套有线圈（对应的定子齿称为主齿），而有一半的定子齿上无线圈（对应的定子齿称为副齿）。可见，通过该种绕组结构，使原本无差别的定子齿有了主齿（套有绕组）与副齿（无绕组）之分。

在三相定子12槽/转子8齿的开关磁阻电机中，传统绕组结构在定子上有12个绕组线圈，按逆时针方向依次称为第一集中绕组至第十二集中绕组，其中：第一集中绕组和第七集中绕组径向相对，第四集中绕组和第十集中绕组径向相对，上述四个线圈可顺序串联、并联或串并混联后组成A相绕组；第二集中绕组和第八集中绕组径向相对，第五集中绕组和第十一集中绕组径向相对，上述四个线圈可顺序串联、并联或串并混联后组成B相绕组；第三集中绕组和第九集中绕组径向相对，第六集中绕组和第十二集中绕组径向相对，上述四个线圈可顺序串联、并联或串并混联后组成C相绕组。

依据本发明的绕组绕法，本发明的开关磁阻电机每两个定子齿中只有一个定子齿上套有绕组线圈，且相互间隔，即定子上共有6个线圈，均套于主齿上，按逆时针方向依次称为第一集中绕组至第六集中绕组，其中：第一集中绕组和第四集中绕组径向相对，将它们顺序串联或并联后组成A相绕组；第二集中绕组和第五集中绕组径向相对，将它们顺序串联或并联后组成B相绕组；第三集中绕组和第六集中绕组径向相对，将它们顺序串联或并联后组成C相绕组。

本发明的关键在于保持电机定转子铁芯尺寸不变，通过改变绕组绕法使电机的磁路改变，进而使得每相磁链变大，导致每相的电感变化率增大，由此可以在不增加成本的情况下达到增大转矩的效果，具有很好的实用性和经济性。此外，由于不需要相间绝缘，可以适当提高绕组槽满率，进而增加电机出力。

本发明可以应用于任意相数、任意定转子齿槽极数组合的开关磁阻电机，包括三相12/8电机、三相6/4电机、四相8/6电机等。

有益效果:

1．电机的定转子铁芯均由硅钢片整片压制而成，加工简单，结构牢靠，不需要使用永磁体，材料和制作成本较低。

2．电机的转子上既没有绕组，也没有永磁体，转动惯量小，宜于高速运行。

3．绕组采用整槽同极性单层圈边的新式绕法，在不增加成本和制造难度的情况下有效的增加了每相绕组的电感变化率，从而可以提高电机输出转矩和功率。

4．采用该新型绕组结构，可以省去传统绕组结构所必需的相间绝缘，从而可以在一定程度上增加槽空间利用率，增加绕组匝数。

5．采用该新型绕组结构，可以在不增加传统绕组所需功率器件的基础之上，通过改变功率电路拓扑结构，独立控制属于同相但并联的两套绕组电流与开通关断角，即增加一个控制变量以抑制转矩脉动，提高电机输出性能。

6．绕组为集中式线圈，绕制难度低，端部较短，有效的减少了铜耗并且利于电机的散热。

7．电机各相绕组相互独立，有较强的容错能力，有效的增加了系统的可靠性。

8．电机只有主齿套有绕组，副齿并没有绕组，故主齿和副齿可以分别对待，优化各自形状和尺寸，提高电机性能。

附图说明

图1是一台本发明所提出的三相定子12槽/转子8极的开关磁阻电机的横向剖视结构示意图。其中有：定子1，三相集中绕组2、第一集中绕组2A1、第二集中绕组2B1、第三集中绕组2C1、第四集中绕组2A2、第五集中绕组2B2、第六集中绕组2C2，转子3。

图2是传统绕组绕法的三相定子12槽/转子8极开关磁阻电机的横向剖视结构示意图。

图3是传统绕组绕法和新式绕组绕法的开关磁阻电机单相自感波形图。

图4是采用单相通电半个电周期方式，绕组通过相同电流大小的电流时，传统绕组绕法和新式绕组绕法的开关磁阻电机输出转矩波形图。

具体实施方式

以一台三相定子12槽/转子8极的开关磁阻电机为例，如图1所示，本发明的开关磁阻电机包括定子1和转子3，转子3位于定子1的内部（亦可做成外转子结构），定子1和转子3均为凸极结构，定子1和转子3都可以采用硅钢冲片压叠制成，制造简单，在定子1上放置有三相集中绕组2。三相集中绕组2共有六个集中式绕组线圈。

三相集中绕组2的第一集中绕组2A1和第四集中绕组2A2径向相对，均套于定子1的凸极槽中，每个绕组线圈占满定子1的两个相邻的凸极槽，两者顺序串联或并联组成A相集中绕组，且要保证两绕组线圈通电后的磁链流向相顺。

三相集中绕组2的第二集中绕组2B1和第五集中绕组2B2径向相对，均套于定子1的凸极槽中，每个绕组线圈占满定子1的两个相邻的凸极槽，两者顺序串联或并联组成B相集中绕组，且要保证两绕组线圈通电后的磁链流向相顺。

三相集中绕组2的第三集中绕组2C1和第六集中绕组2C2径向相对，均套于定子1的凸极槽中，每个绕组线圈占满定子1的两个相邻的凸极槽，两者顺序串联或并联组成C相集中绕组，且要保证两绕组线圈通电后的磁链流向相顺。

如图1所示，开关磁阻电机的工作机理遵循磁阻最小原理，即磁通总是沿磁阻最小（磁导最大）的路径闭合。当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置。当向电机定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步一步地向一定方向转动。如果改变电机定子各相的通电次序，电机将改变转向，但相电流通电方向的改变不会影响转子的转向。

图1中，当给A相的第一集中绕组2A1和第四集中绕组2A2通电时，产生的磁拉力将力图使电机转子转到相应转子齿与绕组线圈2A1、2A2所包含的定子齿重合的位置。这样，若依次给A-B-C相绕组线圈通电，则转子就能逆时针转动起来。若改变通电相序，则转子就能反方向转动起来。

开关磁阻电机输出转矩的大小由相电流和磁链（电感）变化率决定。相比传统开关磁阻电机12个半槽绕组的绕法，本发明所提出的6个整槽绕组的绕法可以有效增加电机每相的磁链值，进而提高磁链变化率（电感变化率）的大小，以此来提高电机的输出转矩能力。

进一步的，新式绕法开关磁阻电机有一半总定子齿数的副齿上没有套绕组，可以通过有限元法优化定子主齿和副齿的齿形和齿宽，降低磁路饱和，进而减少电机的转矩脉动，并进一步提高采用新式绕法的开关磁阻电机磁链值和输出转矩值。

Claims

1. 一种半齿绕组开关磁阻电机，其特征在于定子（1）上的集中绕组采用半齿绕组绕法，每隔一个定子齿套有集中式绕组线圈；在三相定子12槽转子8极开关磁阻电机中：包括定子（1）、三相集中绕组（2）和转子（3），定子（1）的齿上设有三相集中绕组（2），其中，三相集中绕组（2）共有六个绕组线圈，每个绕组线圈占满定子的两个相邻的凸极槽，套有绕组的定子齿和无绕组的定子齿各有六个，且相互间隔，第一集中绕组（2A1）与第四集中绕组（2A2）径向相对，顺序串联或并联组成A相绕组；第二集中绕组（2B1）与第五集中绕组（2B2）径向相对，顺序串联或并联组成B相绕组；第三集中绕组（2C1）与第六集中绕组（2C2）径向相对，顺序串联或并联组成C相绕组。

2. 根据权利要求1所述的半齿绕组开关磁阻电机，其特征在于定子和转子均为凸极结构，转子上无绕组和永磁体。

3. 根据权利要求1所述的半齿绕组开关磁阻电机，其特征在于所述的转子为内转子结构或外转子结构。

4. 根据权利要求1所述的半齿绕组开关磁阻电机，其特征在于所述的定子齿分为有绕组主齿和无绕组副齿，且主齿与副齿为相同齿形、齿宽，或为不同齿形、齿宽。

5. 根据权利要求1所述的半齿绕组开关磁阻电机，其特征在于该电机绕组结构适合于任意相数、任意定转子齿槽配合的开关磁阻电机。