CN102983694B - 分段式开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

一种磁路零部件领域的分段式开关磁阻电机，包括：主轴、至少2段定子、设置于主轴上的至少2段转子和隔磁板，各段定子和各段转子之间分别设有隔磁板且各段定子和转子分别绕轴向360°均布。每段定子的各相定子极分别串联且连接于单向导流电路中；单向导流电路包括：四个两两串联的整流二极管、蓄能电容和主控晶闸开关和导流晶闸开关，其中：各定子极串联电路相互并联，各并联电路的一端分别连接主控晶闸开关和导流晶闸开关，整流二极管的两个串联电路的中间分别与交流电流的两个输出端相连。本发明能够有效降低输出转矩脉动，通过各段之间对感应电流进行导流，提高系统能耗效率，减少感应电流对元器件冲击，提高系统寿命。

Description

分段式开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及的是一种磁路零部件领域，具体是一种分段式开关磁阻电机。

背景技术

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor,SRM）源于19世纪40年代的磁阻式电机，大功率晶闸管的发明和使用，使得开关磁阻电机得到广泛应用。根据美国学者S.A.Nasar的总结，开关磁阻电机的主要特征有开关性和磁阻性。开关性是指电机必须工作在一种连续的开关模式；磁阻性是指它是一种双凸极电机，定子和转子具有可变磁阻回路。其主要优点有：电机结构简单、成本低、可高速运转；各相之间独立工作，系统可靠性高；功率电路简单，安全可靠。正因为这些优点开关磁阻电机已广泛应用于电动车驱动系统、家用电器、航空航天系统和通用工业系统等。

然而，开关磁阻电机同样也存在着一些自身的不足和缺点，一方面，开关磁阻电机是磁阻式电机，其能量转换密度低于电磁式电机；另一方面，开关磁阻电机运行时转矩脉动较大，通常转矩脉动的典型值为15%左右。能量密度低，必然导致能耗增加，而较大的转矩脉动会带来噪声和振动等一系列问题。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101483370，公开日2009-7-15，记载了一种双定转子开关磁阻电机，定子和转子铁芯均由两段组成，两段定子错开360p/2Ns度电角度安装，其中p为定子磁极的极对数，Ns为定子磁极数；两段转子错开360/2Nr，其中Nr为转子磁极数。但该现有技术增加的内部传感器和电刷，使电机结构复杂，也降低了电机的可靠性。

中国专利文献号CN102497037，公开日2012-6-13，记载了一种定转子分段式分组串列的开关磁阻电机，定子铁芯、转子铁芯上分别设置有相互对应的定子段组与转子段组，数量至少2个，各段有一定的角度差。但该现有技术将各段集成在同一个机体或铁芯上，造成各段之间耦合或互感干扰，将有可能使电机工作不稳定。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种分段式开关磁阻电机，结构简单，可靠性高，模块化设计，易维修更换，能够输出平衡转矩，控制电路简单可靠，并能提高能效。

本发明是通过以下技术方案实现的,本发明包括：主轴、至少2段定子、设置于主轴上的至少2段转子和隔磁板，其中：各段定子和各段转子之间分别设有隔磁板且各段定子和转子分别绕轴向360°均布。

所述的各段定子的极数相同，各段转子的极数相同。

所述的主轴由后端轴承和前端轴承设置于电机壳体上。

所述的隔磁板均通过螺钉固定于电机壳体上。

所述的各定转子段均采用标准模块化设计，定子段之间以及转子段之间可以互换。

所述各定子段通过螺栓与相邻隔磁板或电机壳体相连接，各转子段通过花键、轴套和紧定螺钉与主轴连接。

所述主轴为花键轴，花键齿数n与转子极数m和电机段数k相关，其中n=k×m。

所述电机壳体为普通铸件，壳体内壁整体为光孔，壳体壁上钻有隔磁板安装及定位孔。

所述的每段定子的各相定子极分别串联且连接于单向导流电路中；

所述的单向导流电路包括：四个两两串联的整流二极管、蓄能电容、主控晶闸开关和导流晶闸开关，其中：各定子极串联电路相互并联，各并联电路的一端分别连接主控晶闸开关和导流晶闸开关，整流二极管的两个串联电路的中间分别与交流电流的两个输出端相连，且两个串联电路以及蓄能电容相互并联。

所述的定子的段数为i段，相数为j相，各定子极串联电路的并联顺序为：第一段第1相→第二段第2相→第三段第3相→…第i段第j相→第一段第2相→第二段第3相→第三段第4相→…第i段第j-1相→……第一段第j相→第二段第j-1相→第三段第j-2相→…第i段第1相，其中i和j分别为自然常数。

有益效果

本发明采用模块化设计，各段之间通过隔磁板进行电磁隔离，使各段间干扰最小；采用无传感器的控制方式，减少组成的原件，提高可靠性；另外，本发明通过控制电路对各段电感断开后产生的感应电流进行导流，防止制动转矩的产生，同时提高电机能效。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：标准模块化设计，提高产品使用效率，降低成本，增加产品可靠性；

本发明无机械位置和角度传感器，通过对不同段定子相绕组电压的测量，计算出电机角度，进而控制电机；

本发明能够有效降低输出转矩脉动，通过各段之间对感应电流进行导流，提高系统能耗效率，减少感应电流对元器件冲击，提高系统寿命；

本发明可以根据要求，在分段数和电机系统复杂度之间进行平衡，选择合适的标准模块化电机段数，以适用各种应用环境。

附图说明

图1为定转子间连接结构示意图；

图2为电机壳体与隔磁板连接示意图；

图3为本发明实施例1的结构示意图；

图4为实施例1的转子和定子分布示意图；

图5为实施例1的开关通断时序图；

图6为实施例1的单相导流电路；

图7为实施例1与传统单段式电机输出转矩对比图；

图8为实施例2结构示意图；

图9为实施例2的转子和定子分布示意图；

图10为实施例2结构示意图；

图11为实施例2的转子和定子分布示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明的各定子段A03、A06通过螺栓A04、A10与相邻隔磁板A05、A07或电机壳体A11相连接，各转子段A01、A08通过花键、轴套A02和紧定螺钉A04、A10与主轴A09连接。

如图2所示，电机壳体A11为普通铸件，壳体内壁整体为光孔，壳体壁上钻有隔磁板A12安装及定位孔。

实施例1

如图3所示，本实施例为三段三相6/4式分段开关磁阻电机，包括：主轴1、三段定子2、3、4、设置于主轴1上的三段转子5、6、7，以及轴套13、14、15、16，其中：第一至第三定子2、3、4和第一至第三转子5、6、7之间分别设有两个隔磁板8、9，第一至第三转子5、6、7由四个轴套14、15、16、17进行轴向定位。第一至第三定子2、3、4和第一至第三转子5、6、7分别绕轴向360°均布，即第一至第三定子2、3、4之间相差20°，第一至第三转子5、6、7之间相差30°。

所述的主轴1由后端轴承10和前端轴承11设置于电机壳体12上。

所述的第一至第三定子2、3、4分别固定于电机壳体12和/或两个隔磁板8、9上且其结构完全相同。

所述的两个隔磁板8、9固定于电机壳体12上。

所述的第一至第三转子5、6、7结构完全相同，中心为花键槽，槽数为12；

所述的主轴1为花键轴，齿数为12；

所述的电机壳体12内壁为光孔、壁上钻有螺纹孔用以定位和固定两个隔磁板8、9以及第一至第三定子2、3、4；

如图4所示，本实施例共有18个定子极和12个转子极，每个定子级占据圆周20°角，每个转子占据圆周30°角。101和104为第一段A相定子极，102和105为第一段B相定子极，103和106为第一段C相定子极；201和204为第二段A相定子极，202和205为第二段B相定子极，203和206为第二段C相定子极；301和304为第三段A相定子极，302和305为第三段B相定子极，303和306为第三段C相定子极。111和113为第一段转子一对转子极，112和114为第一段转子另一对转子极；211和213为第二段转子一对转子极，212和214为第二段转子另一对转子极；311和313为第三段转子一对转子极，312和314为第三段转子另一对转子极。

所述的每段定子的各相定子极分别串联且连接于单向导流电路中；

所述的单向导流电路包括：四个整流二极管402、403、404、405、蓄能电容406、主控晶闸管开关407、409、411、413和导流晶闸开关408、410、412、414、408、409、410、411、412、413、414，其中：整流二极管402、404和403、405两两串联，各定子极串联电路相互并联，各并联电路的一端分别连接主控晶闸管开关407、409、411、413和导流晶闸开关408、410、412、414，整流二极管的两个串联电路的中间分别与交流电流401的两个输出端相连，且两个串联电路以及蓄能电容406相互并联。

如图5所示为图3所示电机结构的一种各相开关通断时序图，按照此时序图控制电机将按顺时针方向旋转，同理，将时序图按相反方向通断，电机将逆时针方向旋转。从图中可以看到不同分段始终存在重叠工作区域，保证了电机换相时的平稳过渡，使电机工作时输出转矩更加稳定。

如图6所示，所述的定子的段数为3段，相数为3相，各定子极串联电路的并联顺序为：第一段A相101/104→第二段B相202/205→第三段C相303/306→第一段B相102/105→第二段C相203/206→第三段A相301/304→第一段C相103/106→第二段A相201/204→第三段B相302/305。

各相之间导流次序为：第一段A相101/104→第二段B相202/205→第三段C相303/306→第一段B相102/105→第二段C相203/206→第三段A相301/304→第一段C相103/106→第二段A相201/204→第三段B相302/305→第一段A相101/104，完成一次循环。

如图7所示为电机输出转矩对比图，501为普通单段式开关磁阻电机典型输出转矩曲线，502为前述三段6/4式开关磁阻电机输出转矩曲线，503、504和505为三段6/4式开关磁阻电机的第一段、第二段和第三段分别输出转矩曲线。

实施例2

如图8所示，本实施例为四段式6/4式分段开关磁阻电机，包括：主轴601，四段定子602、603、604、605，设置于主轴1上的四段转子606、607、608、609，以及轴套610、611、612、613、614，其中：各段定子602、603、604、605和各段转子606、607、608、609之间分别设有隔磁板615、616、617，各段转子606、607、608、609由轴套610、611、612、613、614轴向定位。各段定子602、603、604、605和转子606、607、608、609分别绕轴向360°均布，即各段定子602、603、604、605之间相差15°，各段转子606、607、608、609之间相差22.5°。

所述主轴601为花键轴，由后端轴承618和前端轴承619设置于电机壳体620上，隔磁板615、616、617由紧钉螺钉固定于电机壳体620上，定子602由螺栓612固定于电机壳体620和隔磁板617上，定子603侧由螺栓固定于隔磁板617和隔磁板616上，之后的定子段依此类推固定于隔磁板或/和电机壳体620上。

如图9所示为本实施例轴向视图，本例共有16个转子极和24个定子极。其控制方法基本原理与实施例1相同。

实施例3

如图10所示，本实施例为二段式8/6式分段开关磁阻电机，包括：主轴713，两段定子708、709，设置于主轴713上的两段转子710、711，以及轴套704、705、706，其中：定子708、709和转子710、711之间设有隔磁板712，转子710、711由轴套704、705、706轴向定位。定子708、709之间相差22.5°，转子710、711之间相差30°。

所述主轴713为花键轴，由后端轴承704和前端轴承703设置于电机壳体701上，隔磁板712由紧钉螺钉固定于电机壳体713上，定子708由螺栓707固定于电机壳体701和隔磁板712上，定子709侧由螺栓固定于隔磁板712和电机壳体701另一面上。

如图11所示为本实施例轴向视图，本例共有12个转子极和16个定子极。其控制方法基本原理与实施例1相同。

Claims (7)

1.一种分段式开关磁阻电机，其特征在于，包括：主轴、至少2段定子、设置于主轴上的至少2段转子和隔磁板，其中：各段定子和各段转子之间分别设有隔磁板且各段定子和转子分别绕轴向360°均布；每段定子的各相定子极分别串联且连接于单向导流电路中；

所述的单向导流电路包括：四个两两串联的整流二极管、蓄能电容和主控晶闸开关和导流晶闸开关，其中：各定子极串联电路相互并联，各并联电路的一端分别连接主控晶闸开关和导流晶闸开关，整流二极管的两个串联电路的中间分别与交流电流的两个输出端相连，且两个串联电路以及蓄能电容相互并联；

所述的定子的段数为i段，相数为j相，各定子极串联电路的并联顺序为：第一段第1相→第二段第2相→第三段第3相→…第i段第j相→第一段第2相→第二段第3相→第三段第4相→…第i段第j-1相→……第一段第j相→第二段第j-1相→第三段第j-2相→…第i段第1相，其中i和j分别为自然常数。

2.根据权利要求1所述的分段式开关磁阻电机，其特征是，所述的各段定子的极数相同，各段转子的极数相同。

3.根据权利要求1所述的分段式开关磁阻电机，其特征是，所述的主轴由后端轴承和前端轴承设置于电机壳体上。

4.根据权利要求1所述的分段式开关磁阻电机，其特征是，所述的隔磁板均通过螺钉固定于电机壳体上。

5.根据权利要求1所述的分段式开关磁阻电机，其特征是，所述的各定转子段均采用标准模块化设计。

6.根据权利要求1所述的分段式开关磁阻电机，其特征是，所述各定子段通过螺栓与相邻隔磁板或电机壳体相连接，各转子段通过花键、轴套和紧定螺钉与主轴连接。

7.根据权利要求6所述的分段式开关磁阻电机，其特征是，所述主轴为花键轴，花键齿数等于转子极数和电机段数的乘积。