CN103840574B - 一种开关磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机，包括定子结构、转轴、与所述转轴连接的转子；所述定子结构整体为密封结构，包括定子铁芯、环绕于所述定子铁芯外周的绕组、罩于所述定子铁芯外的壳体，以及与所述壳体连接形成密封腔的连接筒，所述定子铁芯和绕组包围于所述密封腔内，所述密封腔内封装有对所述定子铁芯和绕组的振动产生阻尼作用力的蒸发冷却液。采用这种结构，由于定子铁芯是发出振动与噪声的主要部件，而定子铁芯浸泡在绝缘的液体当中，该液体对定子任何运动趋势形成极大的摩擦阻力，也就阻尼衰减定子的振动，另外也会阻止声音的传播，因此减振、降噪效果明显。

Description

一种开关磁阻电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种开关磁阻电机。
背景技术
电动汽车是用电力完全替代石油类燃料做驱动的汽车，在环保、清洁、节能等方面占据着绝对的优势。电动汽车的驱动电机主要有直流电机、异步电机、永磁无刷电机和开关磁阻电机等。开关磁阻电机以结构简单、成本低、适用能力强、调速范围宽等优点成为各驱动系统的有力竞争者。
如图1所示，该图为现有技术中开关磁阻电机的结构原理图。当A相绕组2′电流的控制开关SI和S2闭合时，A相通电，同时B相、C相不通电，A相励磁产生磁场，因电机的磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，且当A相磁极的轴线与转子7′磁极a的轴线重合时磁路的磁阻最小，因此扭曲磁力线产生了切向拉力，试图使a-a'与A-A'重合，最终旋转到a-a'与A-A'重合的位置停止转动。随后若要使电机连续转动，就需要使B相通电，同时A相和C相断电，此时电机内的磁场变成了以B相磁极为轴线的磁场，电机转子7′会继续旋转直到与B-B'完全重合。随后给C相通电，同时A相和B相断电，此时电机内的磁场变成了以C相磁极为轴线的磁场，电机转子7′会继续旋转直到与C-C'完全重合为止。如此反复循环,只要三相定子绕组2′按A-B-C-A…的顺序依次通电,电机的转子7′就会绕转轴8′的中心线一直沿同一方向旋转。
由上述工作过程可以看出，开关磁阻电机产生的电磁转矩不像传统的交、直流电机的电磁转矩是稳定的，而是脉动性质的，相应的磁拉力不仅有切向的，还有径向的，其中拉动电机运转的是磁拉力的切向分量，因其脉动性质，导致电机运行不平稳、产生形变和振动，进而产生严重的噪声。磁拉力的径向分量会随着转子7′位置和定子绕组2′电流发生变化，由此导致了电机定子铁芯1′的形变和振动，进而又产生了更加严重的噪声。
有鉴于此，亟待针对上述技术问题，对现有技术中的开关磁阻电机做进一步优化设计，消除定子铁芯产生的振动和噪声，增强开关磁阻电机的工作稳定性。
发明内容
本发明的目的为提供一种开关磁阻电机，该电机的定子结构为整体密封结构，将定子铁芯和绕组包围在密封腔中，且密封腔中封装蒸发冷却液，可减振降噪，增强开关磁阻电机的工作稳定性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种开关磁阻电机，包括定子结构、转轴、与所述转轴连接的转子；所述定子结构整体为密封结构，包括定子铁芯、环绕于所述定子铁芯外周的绕组、罩于所述定子铁芯外的壳体，以及与所述壳体连接形成密封腔的连接筒，所述定子铁芯和绕组包围于所述密封腔内，所述密封腔内封装有对所述定子铁芯和绕组的振动产生阻尼作用力的蒸发冷却液。
采用这种结构，由于蒸发冷却液是低沸点、高绝缘、不燃烧的蒸发冷却液，电机运行时，绕组、定子铁芯、以及其它结构部件由于各种损耗而产生大量热量，使充满在其周围的蒸发冷却液温度升高，直至达到与腔体内的压力相对应的液态介质的饱和温度、开始沸腾，进而吸热汽化，呈气、液两相状态，使发热部件得以充分冷却，又因沸腾换热期间沸腾工质的温度基本分布在饱和温度点附近，使介质浸泡的各个定子部位温度分布比较均匀，尤其是定子端部无局部过热点。气、液两相状态的蒸汽冷却液，其密度小于液态介质，产生浮力而向上浮升遇到顶部的冷凝器，将热量传给其内的冷凝水后冷凝成液体又滴回到原处，这样实现了常温下自循环、无噪音的蒸发冷却。最重要的是，由于定子铁芯是发出振动与噪声的主要部件，而定子铁芯浸泡在绝缘的液体当中，该液体对定子任何运动趋势形成极大的摩擦阻力，也就阻尼衰减定子的振动，另外也会阻止声音的传播，因此减振、降噪效果明显。
优选地，所述连接筒为圆筒型，所述连接筒整体设于所述转子与所述定子铁芯之间，所述连接筒的轴向两端与所述壳体连接。
优选地，所述连接筒轴向连接所述定子铁芯和所述壳体、所述绕组与所述壳体，且所述连接筒从内侧包封所述绕组，所述密封腔的内壁包括所述定子铁芯的内壁和所述连接筒的内壁。
优选地，所述连接筒包括两个相同的半筒结构，每个半筒结构包括与所述定子铁芯数目相同的弧形连接板，每个所述连接板包括压装段和连接段；所述压装段压装于所述绕组的内侧，每相邻两个所述压装段形成容置所述定子铁芯的凹槽；多个所述连接段首尾相连形成环形结构，所述环形结构与所述壳体连接，两个所述半筒结构的所述压装段对接形成所述连接筒。
优选地，在所述开关磁阻电机的横截面内，所述压装段的内表面与所述定子铁芯的内表面处于以所述开关磁阻电机的转轴中心为圆心的同一圆弧上。
优选地，每相邻两个所述连接板的连接段首尾对接形成所述环形结构，且每个所述连接板均与所述壳体连接。
优选地，每相邻两个所述连接板的连接段首尾重叠形成所述环形结构，且每两个所述连接板在重叠部分与所述壳体连接。
优选地，所述环形结构的相间设置的所述连接段的两端设有弯折部，所述弯折部与其相邻的所述连接段重叠。
优选地，所述连接板上设有第一定位孔，所述壳体包括端盖和设于所述端盖一侧的固定筒，所述固定筒设有与所述第一定位孔对应的第二定位孔，所述固定筒和所述环形结构通过插装于所述第一定位孔和第二定位孔的螺纹紧固件连接。
附图说明
图1为开关磁阻电机的结构原理图；
图2为本发明所提供开关磁阻电机的一种具体实施方式的定子密封结构的示意图；
图3、图4分别为图2中密封筒的主视剖面图、侧视剖面图；
图5为本发明所提供开关磁阻电机的另一种具体实施方式的定子密封结构的示意图；
图6为图5所示定子密封结构的横截面视图；
图7为图6中连接筒的半筒结构的一种具体实施方式的立体图；
图8为图7中连接板的结构示意图；
图9为图6中连接筒的半筒结构的另一种具体实施方式的立体图；
图10、图11为本发明所提供开关磁阻电机的壳体的主视图、侧视图。
其中，图1中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
定子铁芯1′；绕组2′；壳体3′；转子7′；转轴8′；
图2至图11中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
定子铁芯1；
绕组2；
壳体3；端盖31；固定筒32；第二定位孔321；
连接筒4；半筒结构4a；连接板41；压装段411；连接段412；第一定位孔4121；弯折部4122；凹槽42；
密封腔5；蒸发冷却液6；转子7；转轴8；冷凝器9。
具体实施方式
本发明的核心为提供一种开关磁阻电机，该电机的定子结构为整体密封结构，将定子铁芯和绕组包围在密封腔中，且密封腔中封装蒸发冷却液，蒸发冷却液对定子的振动产生摩擦阻尼作用，可减振降噪，增强开关磁阻电机的工作稳定性。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
需要说明的是，本文中出现的方位词“轴向”指的是安装转子的主轴的轴线延伸的方向，即图5中左右延伸的方向；方位词“外”指的是由电机的转轴中心轴线径向向外扩散的方向，即图6中由圆心向外扩散的方向；方位词“内”则相反。应当理解，这些方位词是以说明书附图为基准而设立的，它们的出现不应当影响本发明的保护范围。
请参考图2，图2为本发明所提供开关磁阻电机的一种具体实施方式的定子密封结构的示意图。
在一种具体实施方式中，如图2所示，本发明提供一种开关磁阻电机，该电机包括定子结构、转轴8、与转轴8连接的转子7。定子结构整体为密封结构，包括定子铁芯1、环绕于定子铁芯1外周的绕组2、罩于定子铁芯1外的壳体3，以及与壳体3连接形成密封腔的连接筒4，定子铁芯1和绕组2包围于密封腔内，密封腔内封装有对所述定子铁芯1和绕组2的振动产生阻尼作用力的蒸发冷却液6。
由于上述开关磁阻电机产生的是脉动的电磁力波，当定子铁芯1的齿与转子7的槽相对时，这种径向磁吸力最小，当定子铁芯1的齿与转子7的齿相对时，这种径向磁吸力最大。而定子是壳体结构，不可避免因受到径向脉动磁吸力作用发生规则性压缩、扩张的振动，该振动通过机壳向外发射噪声，因此定子结构是开关磁阻电机噪声的主要根源。
采用上述结构后，由于蒸发冷却液是低沸点、高绝缘、不燃烧的蒸发冷却液6，电机运行时，绕组2、定子铁芯1、以及其它结构部件由于各种损耗而产生大量热量，使充满在其周围的蒸发冷却液6温度升高，直至达到与腔体内的压力相对应的液态介质的饱和温度、开始沸腾，进而吸热汽化，呈气、液两相状态，使发热部件得以充分冷却，又因沸腾换热期间沸腾工质的温度基本分布在饱和温度点附近，使介质浸泡的各个定子部位温度分布比较均匀，尤其是定子端部无局部过热点。气、液两相状态的蒸汽冷却液，其密度小于液态介质，产生浮力而向上浮升遇到顶部的冷凝器9，将热量传给其内的冷凝水后冷凝成液体又滴回到原处，这样实现了常温下自循环、无噪音的蒸发冷却。
最重要的是，由于定子铁芯是发出振动与噪声的主要部件，而定子铁芯浸泡在绝缘的液体当中，通过磁场分析得到电磁力的分布情况，然后进行定子整个结构内的振动计算，对此用机电类比法进行简要分析，可以得到
定子铁心与电机机壳的振动速度为：
振动位移的幅值为：
式中：pn为等效的集中力，rm1、rm2分别是铁心与机壳的粘性阻尼系数，ω是振动角频率，K1、K2分别是铁心与机壳的刚度，m1、m2分别是铁心与机壳的质量。
蒸发冷却介质浸泡整个定子后，极大增加了式（1）与式（2）中的粘性阻尼系数rm1与rm2，相当于显著降低振动速度与振动幅值，实践证明当电机额定运行容量2500KW时，噪声不到100db，比同类型常规结构的异步电机的噪声降低超过20%。不仅如此，该电机采用浸泡式蒸发冷却定子方式后，因为冷却效果最好，电机体积比同类型常规结构减小三分之一，输出功率也显著提高，从而实现低振动噪声的发明目标。
由此可见，采用上述定子密封结构后，蒸发冷却液在冷却的基础上，能够对定子任何运动趋势形成极大的摩擦阻力，也就阻尼衰减定子的振动，另外也会阻止声音的传播，因此减振、降噪效果明显。
第一种具体方案中，如图3和图4所示，图3、图4分别为图2中密封筒的主视剖面图、侧视剖面图，上述连接筒4可以为圆筒型，所述连接筒4整体设于所述转子7与所述定子铁芯1之间，所述连接筒4的轴向两端与所述壳体3连接。
这样，安装时，只需将圆筒形连接筒4从一侧直接插装入定子铁芯1与转子7之间的间隙中，然后将连接筒4的两端与壳体3连接，该连接筒4与壳体3即可形成密封腔，使得定子结构具有结构简单，加工制造方便的特点。这种结构的前提是定子铁芯1与转子7之间的间隙足够大到能够容纳圆筒形连接筒。
请参考图5和图6，图5为本发明所提供开关磁阻电机的定子密封结构的示意图；图6为图5所示定子密封结构的横截面视图。
第二种具体方案中，如图5和图6所示，上述连接筒4轴向连接所述定子铁芯1和所述壳体3、所述绕组2与所述壳体3，且所述连接筒4从内侧包封所述绕组2，所述密封腔5的内壁包括所述定子铁芯1的内壁和所述连接筒4的内壁。
采用这种结构，连接筒4连接定子铁芯1与壳体3之间的轴向空间、绕组2与壳体3之间的轴向空间，且密封腔5的内壁包括定子铁芯1的内壁和连接筒4的内壁，因此，定子铁芯1的内壁没有被包封，使得定子铁芯1的内壁作为密封腔5的内壁的一部分。与第一种具体方案相比，定子铁芯1的内壁和转子7外表面之间的间隙没有被占用，定子铁芯1的内表面和转子7的外表面之间仍然可以保持较小的间隙（通常不超过0.4mm）。由此可知，该定子密封结构既能起到减振、降噪的效果，又能够避免漏磁的增加，保证开关磁阻电机的工作稳定性。
请参考图7和图8，图7为图6中连接筒4的一种具体实施方式的立体图；图8为图7中连接板41的结构示意图。
更具体的方案中，如图7和图8所示，上述连接筒4包括两个相同的半筒结构4a，每个半筒结构4a包括与定子铁芯1数目相同的弧形连接板41，每个连接板41包括压装段411和连接段412；压装段411压装于绕组2的内侧，每相邻两个压装段411形成容置定子铁芯1的凹槽42；多个连接段412首尾相连形成环形结构，环形结构与壳体3连接，两个半筒结构4a的压装段411对接形成连接筒4。
采用这种结构，安装过程中，将两个半筒结构4a分别从定子铁芯1的两端沿轴向向中部插装，以使每个弧形连接板41的压装段411压装在绕组2的内侧，两个半筒结构4a对接形成连接筒4，再将连接板41的连接段412与壳体3连接，最后再完成定子密封结构的封装。
这样，弧形连接板41的压装段411起到密封绕组2的作用，每相邻两个压装段411之间形成的凹槽42则用于容置定子铁芯1，弧形连接板41的连接段412连接成的连接筒4设于定子铁芯1端部与壳体3、绕组2与壳体3的轴向空间内，起到轴向连接的作用。这种结构的连接筒4能够简单、方便地实现定子铁芯1与壳体3的轴向连接、绕组2与壳体3的轴向连接。
需要说明的是，上述连接筒4并不仅限包括两个半筒型结构，还可以将其设置为一体式结构，安装时将连接筒4从定子铁芯1的一侧进行插装即可。
进一步的方案中，如图6所示，在开关磁阻电机的横截面内，压装段411的内表面与定子铁芯1的内表面处于以开关磁阻电机的转轴8中心为圆心的同一圆弧上。
由于连接板41的压装段411和定子铁芯1的内表面共同形成密封腔5的内表面，采用上述结构，使得整个密封腔5的内壁到转轴8中心的距离相同，便于后续封装工作的进行，也使得开关磁阻电机的结构对称，进一步减小振动和噪声。与压装段411设于定子铁芯1内表面外侧的密封定子结构相比，该结构能使密封腔5内的容积最大，以便更多地容置蒸发冷却液6，进一步减小开关磁阻电机的振动和噪声。
还可以进一步设置连接筒4的具体连接方式。
在一种具体实施方式中，上述每相邻两个连接板41的连接段412首尾对接形成环形结构，且每个连接板41均与壳体3连接。
采用这种结构，使得连接筒4的结构简单、对称，各连接板41的安装、拆卸操作方便。
可以想到，上述连接筒4并不仅限上述结构。
在另一种具体实施方式中，如图9所示，图9为图6中连接筒4的另一种具体实施方式的立体图，每相邻两个连接板41的连接段412首尾重叠形成环形结构，且每两个连接板41在重叠部分与壳体3连接。采用这种结构，壳体3同时与多个连接板41连接，且每相邻两个连接板41之间也连接，能够增强连接筒4与壳体3之间的连接可靠行。
具体的方案中，如图9所示，相间设置的连接段412（例如六个连接板41中的第一、三、五个）的两端设有向外的弯折部4122，其余相间设置的连接板41（例如六个连接板41中的第二、四、六个）正常设置，弯折部4122与其相邻的连接段412重叠设置。
可以想到，相邻两个连接板41重叠设置的方式并不仅限这一种，例如，还可以将每个弧形连接板41的连接段412一端设置上述弯折部4122，另一端正常设置，以使每相邻两个连接板41中，一个连接板41具有弯折部4122的一端与另一个连接板41未设有弯折部的另一端重叠，以形成二者首尾重叠。
还可以进一步设置上述连接筒4与壳体3的具体连接方式。
在另一种具体实施方式中，如图10和图11所示，图10、图11为本发明所提供开关磁阻电机的壳体的主视图、侧视图，上述连接板41上可以设有第一定位孔4121，壳体3包括端盖31和设于端盖31一侧的固定筒32，固定筒32设有与第一定位孔4121对应的第二定位孔321，固定筒32和环形结构通过插装于第一定位孔4121和第二定位孔321的螺纹紧固件连接。
采用这种结构，能够简单、方便地实现环形结构与壳体3的连接筒4的连接，且二者的连接可靠性较强。可以想到，壳体3与环形结构并不仅限采用螺纹紧固件连接，还可以采用其他方式连接，例如可以在壳体3的固定筒32内设置于环形结构配合的环槽。当环形结构的各连接板41的一侧压装于绕组2的内侧、另一侧形成环形结构后，可以将环形结构过盈配合与该环槽中，同样也能够实现二者的稳定连接。
以上对本发明所提供的一种开关磁阻电机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种开关磁阻电机，包括定子结构、转轴(8)、与所述转轴(8)连接的转子(7)；其特征在于，所述定子结构整体为密封结构，包括定子铁芯(1)、环绕于所述定子铁芯(1)外周的绕组(2)、罩于所述定子铁芯(1)外的壳体(3)，以及与所述壳体(3)连接形成密封腔的连接筒(4)，所述定子铁芯(1)和绕组(2)包围于所述密封腔内，所述密封腔内封装有对所述定子铁芯(1)和绕组(2)的振动产生阻尼作用力的蒸发冷却液(6)；
所述连接筒(4)轴向连接所述定子铁芯(1)和所述壳体(3)、所述绕组(2)与所述壳体(3)，且所述连接筒(4)从内侧包封所述绕组(2)，所述密封腔(5)的内壁包括所述定子铁芯(1)的内壁和所述连接筒(4)的内壁；
所述连接筒(4)包括两个相同的半筒结构(4a)，
每个半筒结构(4a)包括与所述定子铁芯(1)数目相同的弧形连接板(41)，每个所述连接板(41)包括压装段(411)和连接段(412)；所述压装段(411)压装于所述绕组(2)的内侧，每相邻两个所述压装段(411)形成容置所述定子铁芯(1)的凹槽(42)；多个所述连接段(412)首尾相连形成环形结构，所述环形结构与所述壳体(3)连接，
两个所述半筒结构(4a)的所述压装段(411)对接形成所述连接筒(4)；所述连接筒(4)为圆筒型，所述连接筒(4)整体设于所述转子(7)与所述定子铁芯(1)之间，所述连接筒(4)的轴向两端与所述壳体(3)连接。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其特征在于，在所述开关磁阻电机的横截面内，所述压装段(411)的内表面与所述定子铁芯(1)的内表面处于以所述开关磁阻电机的转轴(8)中心为圆心的同一圆弧上。
3.根据权利要求2所述的开关磁阻电机，其特征在于，每相邻两个所述连接板(41)的连接段(412)首尾对接形成所述环形结构，且每个所述连接板(41)均与所述壳体(3)连接。
4.根据权利要求2所述的开关磁阻电机，其特征在于，每相邻两个所述连接板(41)的连接段(412)首尾重叠形成所述环形结构，且每两个所述连接板(41)在重叠部分与所述壳体(3)连接。
5.根据权利要求4所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述环形结构的相间设置的所述连接段(412)的两端设有弯折部(4122)，所述弯折部(4122)与其相邻的所述连接段(412)重叠。
6.根据权利要求1-5任一项所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述连接板(41)上设有第一定位孔(4121)，所述壳体(3)包括端盖(31)和设于所述端盖(31)一侧的固定筒(32)，所述固定筒(32)设有与所述第一定位孔(4121)对应的第二定位孔(321)，所述固定筒(32)和所述环形结构通过插装于所述第一定位孔(4121)和第二定位孔(321)的螺纹紧固件连接。
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