CN104300752A - 多级内转子开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本多级开关磁阻电机：包括外壳、定子、转子铁芯、轴、轴承、端盖等。定子包括定子铁芯和激磁线圈，定子铁芯上设有多个极靴、中间部位设有放置激磁线圈的沟槽，极靴交错排列在沟槽的两侧；转子铁芯的外园周上相应地排布着与定子铁芯相同数量的极靴。一组定子和转子铁芯便组成《单元独立磁路闭合体》，经有机地串联(图1)，构成多级开关磁阻电机。当激磁线圈通以程控化电流时，产生相应的磁场，形成独立闭合磁路。依磁阻原理，该磁场在定、转子极靴间产生磁拉力，拉动转子旋转。该多级开关磁阻电机可以实现大功率、大力矩、无级平滑调速运行。且效率高、结构简易、振动及噪音减小，便于生产制造。

Description

多级内转子开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及旋转电机领域，特别涉及多级开关磁阻电机。

背景技术

现有开关磁阻电机的定、转子铁芯上的极靴是直线排列方式的，激磁线圈绕在定子铁芯的每一个极靴上，运行时只有一部分极靴线圈通电工作，还有一部分极靴线圈不通电，也就是只有部分极靴上产生磁拉力。这样的电机定子极靴线圈经程控化循环轮流通、断电后，依靠定、转子铁芯极靴之间磁拉力作用，使电机转动起来，并带动负载工作。

这种结构形式的电机其绕制线圈工艺麻烦，且难以制造大功率、大力矩开关磁阻电机，定、转子铁芯的极靴上受到的磁拉力不是均匀分布在铁芯园周上，从而电机在运行时铁芯因受力磁拉力的作用产生的变形量大，继而电机振动大、噪音大。这就是目前该类电机普遍存在且难以解决的技术难题，也是影响其推广、普及应用的根本所在。

发明内容

本发明的目的是提供一种定、转子铁芯极靴所受到的磁拉力是均匀分布在铁芯园周上，激磁线圈数量少且制作简易，电机结构简单紧凑、制造方便，能实现大功率、大力矩、无级平滑调速、高效率、低噪音、振动小的多级开关磁阻电机。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种多级(二级及以上)开关磁阻电机，包括定子和转子、转轴和固定在定子铁芯外园的机壳、端盖，定子套在转子铁芯的外园上，构成内转子形式。转子铁芯的中心孔设有转轴，转轴上装设轴承。多级开关磁阻电机的定子部分由多个《单元独立磁路闭合体》的单元定子经串联而构成；多级开关磁阻电机的转子部分亦是由多个《单元独立磁路闭合体》的转子铁芯经串联而构成；从而能够实现大力矩、大功率多级开关磁阻电机。

所述的《单元独立磁路闭合体》中，定、转子铁芯是由硅钢片叠压而成的(亦可以用其它磁性材料)。定子铁芯上设有激磁线圈并放置在定子铁芯中间部位的沟槽内，定子铁芯上的极靴交错排列在沟槽的两侧(注：原则上可以互相错开任意角度或距离，但错开二分之一个极靴距为最佳)；所述的转子铁芯上同样设有与定子铁芯极靴数量相等的转子极靴，且与定子极靴一一相对应，转子铁芯中间部位同样开设有沟槽，与定子铁芯上的沟槽相对应。

这样的一组定、转子铁芯和定子激磁线圈就构成了一个《单元独立磁路闭合体》，其磁路形式类似于螺旋管磁路或变压器磁路。当定子激磁线圈通电流时，在定、转子铁芯内就会产生磁场，形成一个独立闭合磁路系统。这种结构形式的电机磁路系统，漏磁量少，磁场或磁能利用率高，利用磁阻原理使磁场直接产生磁拉力来拉动电机转子转动，因而电机的效率很高。

所述的《单元独立磁路闭合体》中，其定子铁芯连同激磁线圈经塑封后成为一个单元塑封定子，经串联而构成多级塑封式开关磁阻电机定子；亦可以将单元定子、转子铁芯分别同时塑封，经串联而构成多级塑封式开关磁阻电机定、转子；亦可以将单元定子、转子铁芯先进行多级串联之后再塑封，成为多级开关磁阻电机塑封定、转子，从而构成塑封式多级开关磁阻电机。

这种定、转子铁芯结构形式，当激磁线圈通电流时，定、转子铁芯的所有极靴上都有磁场力同时作用，使极靴上所受之力均匀排布在定、转子铁芯的园周上，电机运转时铁芯变形量小、振动小、噪音小，而且力矩大；由于多级串联组合(多级开关磁阻电机运行时，只有一级的线圈不通电在等待循环，其它线圈都在通电工作中；如五级开关磁阻电机，始终有四级的线圈在通电工作中)，使的电机运行更加平稳，力矩更大(如四级或五级开关磁阻电机即可以用作电力机车牵引电机)。由于这种电机结构简易、紧凑，功率密度大，使得电机体积小、重量轻，更安全、更可靠，故障率低，同时生产效率高，节约原材料，成本低。

该多级开关磁阻电机采用的是组合拼接方式，使得生产更加方便、易行。再加之其优良的振动小、低噪音性能、高平稳运行、大力矩、大功率输出、高效率、平滑无级调速等一系列优点，所以是替代现有动力电机的产品，是更新换代产品，是今后相当长一段时间内电机发展的方向和实施的目标之一。如可替代现有交流电机、直流电机、同步电机、程控电机、牵引电机、变频电机、伺服电机等等。

由于能够很方便地无级平滑调速、起动力矩和运行力矩大，很多使用场所就可以省去机械变速机构---变速箱，这具有很大的现实意义。

由于这种电机是直流供电，也就是从交流电网经整流后再供给电机，所以对电网系统的供电水平、质量的提高都具有重要的现实意义。

附图说明

图1《单元独立磁路闭合体》之定子铁芯结构图例；

图2《单元独立磁路闭合体》之转子铁芯结构图例；

图3《单元独立磁路闭合体》图例；

图4单元定子(定子铁芯和激磁线圈)结构图例；

图5三级开关磁阻电机定子即单元定子三级串联结构图例；

图6三级开关磁阻电机转子即单元转子铁芯三级串联结构图例；

图7三级开关磁阻电机定、转子组装结构图例；

图8三级开关磁阻电机总装配结构图例；

图9单元塑封定子结构图例；

图10塑封式三级开关磁阻电机定、转子组装结构图例；

图11三级开关磁阻电机运行原理说明图例；

图12三级开关磁阻电机电气原理图例；

具体实施方式

如图1-图12所述，一种多级开关磁阻电机，包括定子铁芯(1)、激磁线圈(2)、转子铁芯(3)、机壳(4)、端盖(5)、轴承(6)、转轴(7)、定子铁芯联接件(8)、转子铁芯联接件(9)、位置传感编码器(16)等。

定子铁芯(1)固定在机壳(4)内，激磁线圈(2)放置在定子铁芯(1)的沟槽(11)中，转轴(7)固安在转子铁芯(3)的中心孔(13)中，转子铁芯(3)放在定子铁芯(1)的内园(14)中，构成内转子结构形式；单一组定子铁芯(1)、转子铁芯(3)及激磁线圈(2)便构成了一个《单元独立磁路闭合体》(图3)，其磁路类似于螺旋管磁路系统或类似于变压器磁路系统。

将多个《单元独立磁路闭合体》(图3)进行有机地串联后，就构成了多级开关磁阻电机。

串联是将《单元独立磁路闭合体》(图3)按轴向进行有机地叠加连接，相临的两个《单元独立磁路闭合体》(图3)中的单元定子(图4)或转子铁芯(图2)相互之间要错开一定角度(依其铁芯极靴为基准)，角度偏向要一致，通过定子铁芯联接件(8)、转子铁芯联接件(9)将其关联起来。如三级9极靴定、转子铁芯串联(图5、图6)为例，相临的两个定子铁芯(1)及转子铁芯(3)通过关联件(8)(9)使其联在一起，并相互之间错开10度。每一级的《单元独立磁路闭合体》(图3)的激磁线圈(2)按照特定顺序通、断电流，程序化控制开、关器件(K1、K2、K3)，使电流按一定的程序开通、关断，定、转子极靴上就会产生相应的磁拉力，使电机转动起来。

塑封式多级开关磁阻电机，是通过塑封体上的关联机构(15)将单元塑封定子(图9)关联起来，从而成为塑封式多级开关磁阻电机。图10为三级串联塑封式开关磁阻电机定、转子组装图例。

图5、图6、图7、图8、图10是三级串联开关磁阻电机及部件图例。

下面以9极靴的定、转子铁芯为例说明三级串联开关磁阻电机运行原理：

三级串联开关磁阻电机中的每一级《单元独立磁路闭合体》(图3)按轴向进行有机地排列叠加，相临的两个定子铁芯以及转子铁芯的极靴之间相互错开10度，角度偏向要一致。如(图5)定子极靴(1-1)与极靴(1-2)错开10度，极靴(1-2)与极靴(1-3)错开10度；如(图6)转子极靴(3-1)与极靴(3-2)错开10度，极靴(3-2)与极靴(3-3)错开10度。其三级定、转子铁芯之间的相对位置关系如图11(a)、图11(b)、图11(c)所示，当转子转到图11的位置状态时，激磁线圈L2断电(且直至再转到a的位置状态时才再接通电源)，激磁线圈L1开通电源(且直至转到b的位置状态时才断开电源)，激磁线圈L3仍然继续通电中(且只有转到b的位置状态时才断开电源)；也就是每一级《单元独立磁路闭合体》(图3)只有转到图11中的a位置状态时才开通电源、转到图11中的b位置状态时断开电源，在c的位置状态时仍在通电中。这样电机的转子极靴靠定子极靴上磁拉力的作用就会连续运转起来。通、断电顺序为：L3通---L1开通---L2关断；L3关断---L1通---L2开通；L3开通---L1关断---L2通；这样循环轮流开通、关断电源，转子上的极靴就会始终受到定子极靴磁拉力的作用而转动起来，并可带动负载工作。

又如2级的、4级的、5级等多级开关磁阻电机运行原理是一致的。不管是几级的开关磁阻电机，工作时，始终只有一级中的激磁线圈不通电、不工作，其它级中的激磁线圈都在通电工作状态中。

以上仅是说明多级开关磁阻电机的工作过程及原理，在具体应用、设计时还要考虑很多其它因素。

该发明多级开关磁阻电机，是模块化生产，积木式拼装，使得输出功率可大可小、力矩可大可小、且转速可调，极大地方便了生产与制造，使得应用范围更广泛。

Claims (7)

1.一种多级(二级及以上)开关磁阻电机，包括定子铁芯(1)、激磁线圈(2)、转子铁芯(3)、机壳(4)、端盖(5)、轴承(6)、转轴(7)、定子铁芯联接件(8)、转子铁芯联接件(9)、位置传感编码器(16)等。定子铁芯(1)的内孔(14)套在转子铁芯(3)的外园上，构成内转子形式；转子铁芯(3)的中心孔(13)设置有转轴(7)，轴上装设轴承(6)，定子铁芯(1)固定放置在机壳(4)内，激磁线圈(2)放置在定子铁芯(1)的沟槽(11)中。

该多级开关磁阻电机的定子体是由《单元独立磁路闭合体》(图3)中的多个单元定子(图4)经串联而组成；多级开关磁阻电机的转子体亦是由《单元独立磁路闭合体》(图3)中的多个转子铁芯(3)经串联而组成。其串联的单元定子(图4)、转子铁芯(3)数量按需要而定，需要做几级的开关磁阻电机，就串联几个单元定子和转子铁芯。例如图5、图6、图7、图8、图10是三个《单元独立磁路闭合体》(图3)串联而构成的三级开关磁阻电机及部件图例。

2.根据权利要求1所述的多级开关磁阻电机，其特征在于：所述的《单元独立磁路闭合体》(图3)中的定子铁芯(1)及转子铁芯(3)是由硅钢片叠压而成的(亦可以用其它磁性材料制造)。定子铁芯(1)上设有激磁线圈(2)并放置在定子铁芯(1)中间部位的沟槽(11)内，定子铁芯上的极靴(1.1)交错排列在沟槽(11)的两边(注：沟槽(11)两边的极靴可互相错开任意角度，但错开二分之一个极靴距为最佳，所以极靴(1.1)在沟槽(11)两边对齐、在一直线上的排列是其中的一种特例，即互相错开的角度或距离为零时)；所述的转子铁芯(3)同样设有转子极靴(3.1)，且与定子极靴(1.1)在数量、方位上一一相对应，转子铁芯中间部位同样开设有沟槽(10)，与定子沟槽(11)相对应。(注：转子铁芯中间部位亦可以不开设沟槽(10)，这是本发明的一种特例)。

一组定子铁芯(1)、转子铁芯(3)和定子激磁线圈(2)就构成了一个《单元独立磁路闭合体》(图3)；其磁路(17)类似于螺旋管磁路或变压器磁路。当定子激磁线圈(2)通电流时，在定、转子铁芯内便产生磁场，形成一个独立闭合磁路(17)系统。

3.根据权利要求1、2所述的多级开关磁阻电机，其特征在于：可广泛用于各个行业中、各种设备上作为动力。例如可用于各种水泵油泵上、各种深井潜水泵电机、各种机床上、各种电动汽车上、各种电动三轮车上、各种二轮电动车上、电力机车上、高铁列车上、风机上、风扇上、空调设备上、洗衣机上、电梯上，各种电动机械上等等。

4.根据权利要求1、2、3所述的开关磁阻电机，其特征在于：电机功率及体积可大可小，按需求而设计：小可以做到几瓦功率，大可以做到数百千瓦功率。可以实现大功率、大起动力矩或大力矩、高速、高效率运行；即输出功率从几瓦～数百千瓦，转速从每分钟几转～每分钟几万转。

该多级开关磁阻电机可以无级平滑调速，可以恒力矩运行、或可以恒功率运行、或可以恒转速运行。

5.根据权利要求1和2所述的开关磁阻电机，其特征在于：不仅仅作为电动机应用，亦可作为开关磁阻发电机来设计、应用。

6.根据权利要求1和2所述的多级开关磁阻电机，其单元定子(图4)经塑封(12)后成为一个单元塑封定子(图9)，经串联而构成多级塑封式开关磁阻电机(图10为三级塑封式开关磁阻电机定、转子组合图例)；亦可以将单元定子(图4)、转子铁芯(3)分别同时塑封，经串联而构成多级塑封式开关磁阻电机；亦可以将单元定子(图4)先进行多级串联之后再进行塑封而成为一个多级塑封定子整体，转子铁芯(3)同样可以先进行多级串联之后再塑封而成为一个多级塑封转子整体；从而构成塑封式多级开关磁阻电机。定子塑封或定、转子同时塑封是该多级开关磁阻电机的一种特例。

7.根据权利要求1所述的多级开关磁阻电机，其特征在于：位置传感编码器(16)，作为一个独立的部件安放在机壳的外部、电机的一端，方便于生产、安装、调试。但必要时也可以安放在机壳内部。