CN103475116A

CN103475116A - 一种带换相绕组的开关磁阻电机

Info

Publication number: CN103475116A
Application number: CN2013104166406A
Authority: CN
Inventors: 花为; 华浩; 赵桂书; 程明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明公开了一种带换相绕组的开关磁阻电机，该电机为双凸极结构，定子和转子上均设有凸极齿，但定转子上凸极齿的个数不相等。定子齿上绕有集中式绕组线圈，形成多相对称绕组结构，线圈为双层圈边，即每个定子槽中放置属于不同线圈的两个圈边。此外，电机定子齿还间隔绕有整距绕组，组成单相辅助绕组，单相整距绕组线圈的个数等于定子齿数除以相数的值再取一半。电机集中绕组的自感都会随转子位置改变而发生周期性变化，而集中绕组与整距绕组的互感亦随转子位置改变而发生周期性变化。通过辅助绕组的引入，开关磁阻电机的电流换相问题与能量循环问题可以得到改善。

Description

一种带换相绕组的开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及一种带换相绕组的开关磁阻电机。属于电机制造与控制的技术领域，

背景技术

随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，开关磁阻电机的应用正变得越来越广泛，尤其在稀土永磁材料价格剧烈震荡的情况下，无需使用永磁体的开关磁阻电机变得备受瞩目。传统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，其自感会随转子位置变化而改变，但互感不随转子位置变化而变化。开关磁阻电机依据“磁阻最小”原理工作，即依靠自感变化产生的磁阻转矩驱动转子。开关磁阻电机具备制造简单、成本低、结构坚固、容错性能好、易于散热、适宜高速运行等优点，在工业驱动、电气调速、电动汽车、家用电器、纺织机械等领域中已显示出强大的竞争力与广阔的应用前景。

传统开关磁阻电机定子上若干个凸极齿均匀分布，齿形齿宽完全相同，集中式绕组线圈也均匀分布，即每个定子齿上都套有匝数相同且线径相同的集中式绕组线圈。对于开关磁阻电机，为了获得良好的性能，需要相电流波形严格符合给定，能快速地建立和消退。然而，在实际应用中，由于绕组电感的存在，而且控制器的直流母线电压不可能无穷大，致使电机的相电流无法实现突变以得到最优的电流波形，由此导致开关磁阻电机的能量转换能力没有完全发挥。

此外，开关磁阻电机只会将一部分输入能量转换为输出机械功率，还有很多剩余能量又被回馈至电源侧，造成了电源容量浪费和额外铜耗。

因此，本发明从解决上述问题出发，在现有常规开关磁阻电机结构基础之上，通过改变电机的绕组结构，提出了一种带换相绕组的新型开关磁阻电机，通过彻底改变开关磁阻电机的运行方式，以改善电流的换相困难问题和多余能量循环问题。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提出一种带换相绕组的开关磁阻电机，以改善电机的换相和多余能量回馈问题，并且该结构适用于任意相数、任意定转子齿槽配合的开关磁阻电机。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明的带换相绕组的开关磁阻电机，包括定子（1）和转子（4），所述的定子（1）上设有偶数个定子齿，且定子齿上绕有集中绕组（2）和整距绕组（3），每个定子齿被一个集中绕组线圈嵌套，即集中绕组线圈个数等于定子齿个数，整距绕组线圈间隔绕在定子齿上，其两个圈边跨过的定子齿的个数等于电机的相数；每相集中绕组或整距绕组包括若干个线圈，属于一相绕组的各个线圈顺序串联或者并联或者串并混联构成一相绕组，其中，集中绕组构成多相对称绕组，整距绕组构成单相辅助绕组；转子（4）上亦有若干个凸极齿，没有绕组或者永磁体。

所述的整距绕组（3），记电机相数为m，定子齿数为N_s时，该整距绕组的线圈个数为N_s/m/2。

所述的电机定转子铁心由硅钢片叠压而成，整机不需要永磁体。

所述的定子（1）和转子（4）均为凸极结构，且转子（4）为内转子，或者外转子。

所述的电机是旋转电机，或是直线电机或者直线旋转双自由度结构。

所述的电机为径向、轴向或横向磁场结构。

所述的带换相绕组的开关磁阻电机是在普通开关磁阻电机的基础上增加单相整距绕组，称其为辅助绕组，用于改善电机的电流换相和能量循环问题。

所述的带换相绕组的开关磁阻电机可以作电动运行，也可以作发电运行。

所述的带换相绕组的开关磁阻电机结构可以应用于任意相数、任意定转子齿槽配合的开关磁阻电机。以三相定子6槽/转子4极开关磁阻电机结构为例，定子铁心上设有6个对称的凸极齿，定子齿上绕有6个对称的集中式绕组线圈，按逆时针方向依次称为第一集中绕组线圈至第六集中绕组线圈，其中：第一集中绕组线圈和第四集中绕组线圈径向相对，将它们顺序串联或者并联组成A相集中绕组；第三集中绕组线圈和第六集中绕组线圈径向相对，将它们顺序串联或者并联组成B相集中绕组；第二集中绕组线圈和第五集中绕组线圈径向相对，将它们顺序串联或者并联组成C相集中绕组；此外，定子齿上还绕有1个整距绕组线圈，其一个圈边放置在第一集中绕组线圈和第六集中绕组线圈之间的定子槽中，另一个圈边放置在第三集中绕组线圈和第四集中绕组线圈之间的定子槽中，最终此线圈单独构成单相辅助绕组；转子铁心上设有4个对称的凸极齿。本发明的电机中集中绕组的自感会随转子位置的变化而变化，整距绕组的自感则恒定不变，但整距绕组与集中绕组的互感会随转子位置的变化而改变。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.相电流换相更加快速。本发明的电机在电流换相时，需要关断的一相集中绕组凭借其与整距绕组互感的作用，可以将能量转移到整距绕组上，使电流更快速地关断，从而保证电机的关断角可以更加靠近定转子齿对齐的位置，更大地发挥电机的出力能力。

2.更小的能量反馈。本发明的电机在一相集中绕组关断时，其储存的电磁能量可以有一部分保存在整距绕组上，而不需要反馈回电源侧，减少了铜耗和无功，而且，当下一相集中绕组开通时，整距绕组可以直接将保存的电磁能量转移到该相绕组中。

3.适宜高速运行。本发明的电机绕组均设置在定子上，转子上既没有绕组，也没有永磁体，转子转动惯量小，适宜高速运行。

4.结构简单牢靠。本发明的电机中，定子和转子均由硅钢片压制而成。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。

5.更大的输出转矩。由于电机的电流换相更加迅速，关断角可以更加靠近定转子齿对齐位置，故可以获得更大的输出转矩。

附图说明

图1是本发明实施例的三相定子6槽/转子4极结构的带换相绕组的开关磁阻电机的横向剖视结构示意图。

图2是本发明实施例的三相定子6槽/转子4极结构的带换相绕组的开关磁阻电机的电感波形图。

图中有：定子1、集中绕组2、第一集中绕组线圈2A1、第二集中绕组线圈2C1、第三集中绕组线圈2B1、第四集中绕组线圈2A2、第五集中绕组线圈2C2和和第六集中绕组线圈2B2、整距绕组3、转子4。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明的一种带换相绕组的开关磁阻电机，包括定子1、集中绕组2、整距绕组3和转子4。定子1上设有偶数个定子齿，相邻定子齿之间形成定子槽，每个定子齿沿定子的径向相对位置都有另一个定子齿与其对应。每个定子齿上均绕有集中绕组线圈2，其为双层绕组结构，即集中绕组线圈的个数等于定子齿的个数，整距绕组3间隔地嵌套在定子齿上，记电机定子齿数为N_s，相数为m，则整距绕组线圈的个数等于N_s/m/2，整距绕组线圈的两个圈边跨过一个完整定子极距。

进一步的，所述的集中绕组2，属于一相的若干个线圈通过串联或者并联或者串并混联组成一相绕组，最终集中绕组2成为多相对称集中绕组结构。其自感随转子位置的变化而周期性改变，互感则很小可以忽略。

进一步的，所述的整距绕组3，将所有的整距线圈通过串联或者并联或者串并混联组成单相绕组，最终整距绕组3成为单相整距绕组结构。其自感恒定不变，而整距绕组3与集中绕组2的互感会随转子位置的变化而周期性改变。该整距绕组也需要通过功率开关连接至电源，通过功率开关适时地切换整距绕组的开通关断状态，整距绕组亦需要单极性供电，可以采用与集中绕组相同的功率电路结构。

进一步的，所述的定子1和转子4均为凸极结构，且转子3可以为内转子，或者外转子。当转子4为内转子时，定子1位于转子3的外侧。当转子4为外转子时，定子1位于转子4的内侧。转子4上无绕组和永磁体。

本发明的带换相绕组的开关磁阻电机是在传统开关磁阻电机结构基础上，增加了一套单相整距绕组以改善电机的性能。

本发明的关键为在不改变电机定转子铁心结构和尺寸的条件下，仅通过增加一套单相整距绕组，改变电机的运行方式，使电机电流换相更加迅速，能量回馈减少，最终达到提高电机转矩出力，提高电机效率的目的。

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。下面以三相定子6槽/转子4极开关磁阻电机为实施例来具体说明本发明的技术方案及其工作原理。

如图1所示，本实施例的三相定子6槽/转子4极开关磁阻电机，定子1上设有6个均匀对称的定子齿，定子齿上嵌套有6个集中式绕组线圈，按逆时针方向依次称为：第一集中绕组线圈2A1、第二集中绕组线圈2C1、第三集中绕组线圈2B1、第四集中绕组线圈2A2、第五集中绕组线圈2C2和和第六集中绕组线圈2B2，此外，定子上还嵌套有一个整距绕组线圈3，转子4上有4个均匀对称的凸极齿。

集中绕组2中，第一集中绕组线圈2A1和第四集中绕组线圈2A2径向相对，将它们顺序串联或者并联组成A相集中绕组；第三集中绕组线圈2B1和第六集中绕组线圈2B2径向相对，将它们顺序串联或者并联组成B相集中绕组；第二集中绕组线圈2C1和第五集中绕组线圈2C2径向相对，将它们顺序串联或者并联组成C相集中绕组。

整距绕组3只由一个整距线圈组成，其一个圈边放置在第一集中绕组线圈2A1和第六集中绕组线圈2B2之间，另一圈边放置在第三集中绕组线圈2B1和第四集中绕组线圈2A2之间。需要强调的是，整距绕组3的位置灵活多样，其亦可以放置在其它定子槽中，只需要保证整距绕组线圈的两个圈边间隔三个定子齿的距离，即间隔一个定子极距。

该带换相绕组的开关磁阻电机的电感随转子位置变化的波形如图2所示，其中，L_a，L_b和L_c分别为电机的三相集中绕组的自感，L_f为辅助换相绕的自感，M_af、M_bf和M_cf分别电机的三相集中绕组与单相整距绕组之间的互感。对于该实施例的带换相绕组的开关磁阻电机，辅助换相绕组的自感L_f恒定不变，而三相集中绕组的自感、集中绕组与整距绕组之间的互感的变化周期均为90°机械角度，即电机转子齿数为4，对应的电机极对数为4，而90°机械角度对应于360°电气角度。

本发明的带换相绕组的开关磁阻电机可以采用传统开关磁阻电机驱动用的不对称半桥电路，辅助换相绕组可以单独作为一相，接到主电路中。对于本实施例的带换相绕组的三相定子6槽/转子4极开关磁阻电机，需要四相不对称半桥电路驱动。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims

1.一种带换相绕组的开关磁阻电机，包括定子（1）和转子（4），其特征在于，所述的定子（1）上设有偶数个定子齿，且定子齿上绕有集中绕组（2）和整距绕组（3），每个定子齿被一个集中绕组线圈嵌套，即集中绕组线圈个数等于定子齿个数，整距绕组线圈间隔绕在定子齿上；每相集中绕组或整距绕组包括若干个线圈，属于一相绕组的各个线圈顺序串联或者并联或者串并混联构成一相绕组，其中，集中绕组构成多相对称绕组，整距绕组构成一相辅助绕组；转子（4）上亦有若干个凸极齿，没有绕组或者永磁体。

2.按照权利要求1所述的带换相绕组的开关磁阻电机，其特征在于，所述的整距绕组（3），记电机相数为m，定子齿数为N_s时，该整距绕组的线圈个数为N_s/m/2。

3.按照权利要求1所述的带换相绕组的开关磁阻电机，其特征在于，所述的电机定转子铁心由硅钢片叠压而成，整机不需要永磁体。

4.按照权利要求1所述的带换相绕组的开关磁阻电机，其特征在于，所述的定子（1）和转子（4）均为凸极结构，且转子（4）为内转子，或者外转子。

5.按照权利要求1所述的带换相绕组的开关磁阻电机，其特征在于，所述的电机是旋转电机，或是直线电机或者直线旋转双自由度结构。

6.按照权利要求1所述的带换相绕组的开关磁阻电机，其特征在于，所述的电机为径向、轴向或横向磁场结构。