CN104377922A - 一种带调磁绕组的双转子开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带调磁绕组的双转子开关磁阻电机，包含内转子、外转子、双边定子、绕置于双边定子齿上的内外两套绕组、绕置于定子公共轭部的一套调磁绕组。内、外绕组磁通沿着径向进入线圈；调磁绕组磁通沿着周向进入线圈。对于一台z槽m相电机，每隔m个定子齿绕有一个调磁线圈，即调磁绕组一共由z/m个线圈组成。本发明与现有技术相比，利用调磁绕组使电机内、外绕组处于四种状态：（1）内、外绕组磁场同时增强；（2）内、外绕组磁场同时减弱；（3）内绕组磁场增强、外绕组磁场减弱；（4）内绕组磁场减弱、外绕组磁场增强。通过磁场调节实现内、外转子电磁功率的分配调节，使电机处于较优的状态，提高输出转矩，提高调速范围。

Description

一种带调磁绕组的双转子开关磁阻电机

技术领域

本发明属于电机制造与控制的技术领域，具体涉及一种带调磁绕组的双转子开关磁阻电机。

背景技术

开关磁阻电机为双凸极结构，转子上既无永磁体也无绕组，定子上有集中式绕组，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，随着稀土永磁材料的剧烈价格波动，其在工业驱动、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。

传统开关磁阻电机由于只有一套绕组，既要提供励磁磁场，又要作为电枢绕组，绕组电负荷大且功率因数偏低。同时，由于励磁和电枢共用一套绕组，开关磁阻电机很难实现弱磁或者增磁，其次，由于没有永磁体，开关磁阻电机的功率密度与永磁电机相比较低。

另一方面，常规双转子电机相比传统单转子电机功率密度有一定提高，但是内转子和外转子工作状态不同，且目前双转子电机的内转子一般带有绕组导致散热困难。此外，电刷和滑环的存在也限制了双转子电机优势的充分发挥。专利CN201220047282.7提出的双转子开关磁阻电机，转子上无绕组和永磁体，定子齿上的内外绕组串联成一套绕组、或者内外绕组独立控制时，当电机在最大转速运行时，因为没有调磁绕组不能进行弱磁控制，因而限制了电机的调速范围；专利CN201220047282.7的电机当内外绕组通入最大电流时在内外转子上产生最大转矩，因为磁场不能进一步增强使最大转矩不能进一步提高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种带调磁绕组的双转子开关磁阻电机，在双边定子的内外两侧各有一套绕组，同时在定子公共轭部绕有调磁绕组，利用调磁绕组调节磁场，可以实现内、外绕组分别处于增磁或者弱磁状态，从而改变内、外转子上输出转矩的大小，实现内、外转子电磁功率的分配调节，使电机整体处于更优的工作状态；提高了开关磁阻电机调速范围，以及增大了最大转矩值，提高了电机的功率密度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的带调磁绕组的双转子开关磁阻电机，包括内转子，双边定子和外转子，所述的双边定子同心设置于所述内转子与外转子之间；所述内转子的外表面和外转子的内表面均为凸极结构；所述双边定子内表面和外表面均为凸极结构，且双边定子内外表面上分别均匀分布有z个定子外层齿和定子内层齿，z为定子齿/槽数，所述的定子外层齿和定子内层齿中心线在同一直线上；在所述定子外层齿上设置有外绕组线圈，在所述定子内层齿上设置有内绕组线圈，将z个外绕组线圈和内绕组线圈分为z/m组，m为电机的相数；将每组中同相的外绕组线圈联成一相外绕组，将每组中同相的内绕组线圈联成一相内绕组；；所述的外绕组线圈和内绕组线圈绕线方向相同或者相反；在双边定子的每相邻组之间的轭部设置有调磁线圈，一共沿双边定子轭部圆周方向均匀分布有z/m个调磁线圈，所述调磁线圈沿双边定子半径方向绕置，且相邻调磁线圈绕置方向相反。

所述的内转子和外转子凸极数相同，且内转子的外表面和外转子的内表面对应凸极中心线在同一直线上。

所述的内转子和外转子的转速相同。

所述的内转子和外转子能够同时发电、同时电动、或者一个发电另一个电动。

所述外绕组和内绕组分别通过每组中同相的外绕组线圈和内绕组线圈顺序串联、并联或者上述两者的结合。

所述z/m个调磁线圈顺序串联、并联或者二者结合，构成调磁绕组。

所述电机中的外绕组线圈、内绕组线圈和调磁线圈均为集中绕组。

所述电机为旋转电机、直线电机或者直线旋转双自由度电机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本发明通过在开关磁阻电机上加入一套调磁绕组，来实现开关磁阻电机内、外绕组的增磁、弱磁控制；依靠调磁绕组产生的磁场改变内、外绕组所匝链的磁链大小，实现内、外绕组增磁或者弱磁。

2）本发明电机利用调磁绕组对内、外绕组的弱磁作用，实现电机在更高速度下运行，提高了电机的调速范围。

3）本发明电机利用调磁绕组对内、外绕组的增磁作用，实现电机在相同转速、相同内外绕组电流情况下，输出转矩更大，提高了电机的功率密度。

4）本发明电机利用调磁绕组对内、外绕组的弱磁和增磁作用，调整内、外转子上输出电磁转矩的大小，实现内、外转子的功率分配，使内、外转子处于相对协调的工作状况。

附图说明

图1为本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机的结构示意图；

图2（a）为本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机内绕组和外绕组同时增磁时内绕组A、外绕组AO和调磁绕组的磁场方向示意图；

图2（b）为本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机内绕组和外绕组同时增磁时，在调磁绕组通电和不通电情况下内绕组A、外绕组AO的磁链波形对比示意图；

图2（c）为本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机内绕组和外绕组同时增磁时，在调磁绕组通电和不通电情况下内、外转子的电磁转矩波形对比示意图；

图3（a）为本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机内绕组和外绕组同时弱磁时内绕组A、外绕组AO和调磁绕组的磁场方向示意图；

图3（b）为本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机内绕组和外绕组同时弱磁时，在调磁绕组通电和不通电情况下内绕组A、外绕组AO的磁链波形对比示意图；

图3（c）为本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机内绕组和外绕组同时弱磁时，在调磁绕组通电和不通电情况下内、外转子的电磁转矩波形对比示意图；

图4（a）为本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机内绕组增磁和外绕组弱磁时内绕组A、外绕组AO和调磁绕组的磁场方向示意图；

图4（b）为本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机内绕组增磁和外绕组弱磁时，在调磁绕组通电和不通电情况下内绕组A、外绕组AO的磁链波形对比示意图；

图4（c）为本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机内绕组增磁和外绕组弱磁时，在调磁绕组通电和不通电情况下内、外转子的电磁转矩波形对比示意图；

图5（a）为本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机内绕组弱磁和外绕组增磁时内绕组A、外绕组AO和调磁绕组的磁场方向示意图；

图5（b）为本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机内绕组弱磁和外绕组增磁时，在调磁绕组通电和不通电情况下内绕组A、外绕组AO的磁链波形对比示意图；

图5（c）为本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机内绕组弱磁和外绕组增磁时，在调磁绕组通电和不通电情况下内、外转子的电磁转矩波形对比示意图。

图中：1、内转子，2、外转子，3、双边定子，3-1、定子外层齿，3-2、定子内层齿，4、外绕组线圈，5、内绕组线圈，6、调磁线圈。

具体实施方式

本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机，下面以一台12/8三相带调磁绕组的开关磁阻电机为例，电机的双边定子齿/槽数z为12，电机相数m为3，详细阐述本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明带调磁绕组的双转子开关磁阻电机包括内转子1，双边定子3和外转子2，所述的双边定子3同心设置于所述内转子1与外转子2之间；所述内转子1的外表面和外转子2的内表面均为凸极结构；所述双边定子3内表面和外表面均为凸极结构，且双边定子3内外表面上分别均匀分布有12个定子外层齿3-1和定子内层齿3-2，所述的定子外层齿3-1和定子内层齿3-2中心线在同一直线上；在所述定子外层齿3-1和定子内层齿3-2上分别设置有外绕组线圈4和内绕组线圈5，将12个内绕组线圈A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3、A4、B4、C4和12个外绕组线圈AO1、BO1、CO1、AO2、BO2、CO2、AO3、BO3、CO3、AO4、BO4、CO4分为4（12/3=4）组，第一组包含3个内绕组线圈为A1、B1、C1和3个外绕组线圈AO1、BO1、CO1，第二组包含3个内绕组线圈为A2、B2、C2和3个外绕组线圈AO2、BO2、CO2，第三组包含3个内绕组线圈为A3、B3、C3和3个外绕组线圈AO3、BO3、CO3，第四组包含3个内绕组线圈为A4、B4、C4和3个外绕组线圈AO4、BO4、CO4；分别将每组中同相的外绕组线圈4和内绕组线圈5联成一相外绕组和内绕组，即4组中的线圈A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4，C1、C2、C3、C4分别组成内绕组的A、B、C三相绕组，线圈AO1、AO2、AO3、AO4，BO1、BO2、BO3、BO4，CO1、CO2、CO3、CO4分别组成外绕组的AO、BO、CO三相绕组；

如图1所示，中心线对齐的外绕组线圈4和内绕组线圈5绕线方向相反，如线圈A1和AO1进线与出线； 12个外绕组线圈4和内绕组线圈5分成了4组，相邻组之间的双边定子3的轭部分布有４（12/3=4）个调磁线圈6，如图1所示，第一组和第二组之间有线圈T4、第二组和第三组之间有线圈T3、第三组和第四组之间有线圈T2、第四组和第一组之间有线圈T1，所述4个调磁线圈6沿双边定子3半径方向绕置，且相邻调磁线圈6绕置方向相反；实际中，中心线对齐的外绕组线圈4和内绕组线圈5绕线方向可以相同。

上述带调磁绕组的双转子开关磁阻电机的外绕组4和内绕组5的每相绕组以及调磁绕组6由若干个线圈顺序串联或者并联或者二者结合。增加调磁绕组后，调磁绕组产生的磁场和内、外绕组产生的磁场相互作用，使电机内可以工作在四种模态下：（1）内、外绕组磁场同时增强；（2）内、外绕组磁场同时减弱；（3）内绕组磁场增强、外绕组磁场减弱；（4）内绕组磁场减弱、外绕组磁场增强。

图2-5为四种状态下，外绕组AO、内绕组A、调磁绕组磁场方向示意图和调磁绕组通电和不通电时的内绕组A和外绕组AO磁链波形以及内转子和外转子的电磁转矩波形。

图2（a）为调磁绕组与内、外绕组磁场方向示意图，内绕组线圈A1产生的磁场从双边定子内层齿指向内转子；外绕组线圈AO1磁场从双边定子外层齿指向外转子；调磁绕组不通电时，只有内绕组和外绕组两个磁场；调磁绕组通电时产生了第三个磁场，即调磁绕组磁场，调磁线圈T1产生的磁场在定子轭部沿顺时针方向，穿过AO1线圈时从定子外层齿指向外转子，即与外绕组线圈AO1磁场方向相同，所以相比不通电的情况调磁绕组磁场会使外绕组所匝链的磁链增大，即有增磁效果，T1线圈的磁场穿过内绕组线圈A1时从定子内层齿指向内转子，此时与内绕组线圈A1同方向，所以相比不通电的情况调磁绕组磁场会使内绕组所匝链的磁链增大，即对内绕组也有增磁效果。因为在调磁绕组通电后内、外绕组匝链的磁链同时增强了，所以增大了内转子和外转子的电磁转矩。从图2（b）、图2(c)为仿真结果，验证了上述分析，调磁绕组通电后，内、外绕组匝链的磁链确实都增大了，内、外转子输出的电磁转矩都增大，即调磁绕组通电同时增强了内、外绕组的磁场，相同转速，转矩增加，输出功率增加，提高了电机功率密度。

在图3（a）为调磁绕组与内、外绕组磁场方向示意图，内绕组线圈A1产生的磁场从双边定子内层齿指向内转子；外绕组线圈AO1磁场从双边定子外层齿指向外转子；调磁绕组不通电时，只有内绕组和外绕组两个磁场；调磁绕组通电时产生了第三个磁场，即调磁绕组磁场，调磁线圈T1产生的磁场在定子轭部沿逆时针方向，穿过AO1线圈时从外转子指向定子外层齿，即与外绕组线圈AO1磁场方向相反，所以相比不通电的情况，调磁绕组磁场会使外绕组所匝链的磁链减小，即对外绕组有弱磁效果，T1线圈的磁场穿过内绕组线圈A1时从内转子指向定子内层齿，此时与内绕组线圈A1反方向，所以相比不通电的情况，调磁绕组磁场会使内绕组所匝链的磁链减小，即对内绕组也有弱磁效果。因为在调磁绕组通电后内、外绕组匝链的磁链均减小了，所以内转子和外转子的电磁转矩也都会减小。从图3（b）、图3(c)为仿真结果，可以看出，调磁绕组通电后，内、外绕组匝链的磁链均减小，内、外转子输出的电磁转矩均减小，即调磁绕组通电同时减弱了内、外绕组的磁场。从而电机在相同端电压下，磁场减弱，电机运行速度可以提高，调速范围变宽。

在图4（a）为调磁绕组与内、外绕组磁场方向示意图，内绕组线圈A1产生的磁场从双边定子内层齿指向内转子；外绕组线圈AO1磁场从外转子指向双边定子外层齿；调磁绕组不通电时，只有内绕组和外绕组两个磁场；调磁绕组通电时产生了第三个磁场，即调磁绕组磁场，调磁线圈T1产生的磁场在定子轭部沿顺时针方向，穿过AO1线圈时从定子外层齿指向外转子，即与外绕组线圈AO1磁场方向相反，所以相比不通电的情况，调磁绕组磁场会使外绕组所匝链的磁链减小，即对外绕组有弱磁效果，T1线圈的磁场穿过内绕组线圈A1时从定子内层齿指向内转子，此时与内绕组线圈A1同方向，所以相比不通电的情况，调磁绕组磁场会使内绕组所匝链的磁链增大，即对外绕组有增磁效果。因为在调磁绕组通电后内绕组匝链的磁链得到了增强、外绕组匝链的磁链被削弱，所以内转子的电磁转矩增大，而外转子的电磁转矩会减小。从图4（b）、图4(c)仿真结果显示，调磁绕组通电后，内绕组匝链的磁链增大、外绕组匝链的磁链减小，内转子输出的电磁转矩增大、外转子输出的电磁转矩减小，即调磁绕组通电增强了内绕组磁场的同时，减弱了外绕组的磁场。

在图5（a）为调磁绕组与内、外绕组磁场方向示意图，内绕组线圈A1产生的磁场从内转子指向双边定子内层齿；外绕组线圈AO1磁场从双边定子外层齿指向外转子；调磁绕组不通电时，只有内绕组和外绕组两个磁场；调磁绕组通电时产生了第三个磁场，即调磁绕组磁场，调磁线圈T1产生的磁场在定子轭部沿顺时针方向，穿过AO1线圈时从定子外层齿指向外转子，即与外绕组线圈AO1磁场方向相同，所以相比不通电的情况，调磁绕组磁场会使外绕组所匝链的磁链增大，即对外绕组有增磁效果，T1线圈的磁场穿过内绕组线圈A1时从定子内层齿指向内转子，此时与内绕组线圈A1方向相反，所以相比不通电的情况，调磁绕组磁场会使内绕组所匝链的磁链减小，即对内绕组有弱磁效果。因为在调磁绕组通电后内绕组匝链的磁链减弱、外绕组匝链的磁链增强，所以内转子的电磁转矩会减小，而外转子的电磁转矩会增大。从图5（b）、图5(c)仿真结果显示，调磁绕组通电后，内绕组匝链的磁链减小、外绕组匝链的磁链增大，内转子输出的电磁转矩减小、外转子输出的电磁转矩增大，即调磁绕组通电减弱了内绕组磁场的同时，增强了外绕组的磁场。

Claims (8)

1.一种带调磁绕组的双转子开关磁阻电机，包括内转子（1），双边定子（3）和外转子（2），所述的双边定子（3）同心设置于所述内转子（1）与外转子（2）之间；所述内转子（1）的外表面和外转子（2）的内表面均为凸极结构；所述双边定子（3）内表面和外表面均为凸极结构，且双边定子（3）内外表面上分别均匀分布有z个定子外层齿（3-1）和定子内层齿（3-2），z为定子齿/槽数，所述的定子外层齿（3-1）和定子内层齿（3-2）中心线在同一直线上；其特征在于，在所述定子外层齿（3-1）上设置有外绕组线圈（4），在所述定子内层齿（3-2）上设置有内绕组线圈（5），将z个外绕组线圈（4）和内绕组线圈（5）分为z/m组，m为电机的相数；将每组中同相的外绕组线圈（4）联成一相外绕组，将每组中同相的内绕组线圈（5）联成一相内绕组；所述的外绕组线圈（4）和内绕组线圈（5）绕线方向相同或者相反；在双边定子（3）的每相邻组之间的轭部设置有调磁线圈（6），且相邻调磁线圈（6）绕置方向相反。

2.根据权利要求2所述的带调磁绕组的双转子开关磁阻电机，其特征在于，所述的内转子（1）和外转子（2）凸极数相同，且内转子（1）的外表面和外转子（2）的内表面对应凸极中心线在同一直线上。

3.根据权利要求1所述的带调磁绕组的双转子开关磁阻电机，其特征在于，所述的内转子（1）和外转子（2）的转速相同。

4.根据权利要求1所述的带调磁绕组的双转子开关磁阻电机，其特征在于，所述的内转子（1）和外转子（2）能够同时发电、同时电动、或者一个发电另一个电动。

5.根据权利要求1所述的带调磁绕组的双转子开关磁阻电机，其特征在于，所述外绕组和内绕组分别通过每组中同相的外绕组线圈（4）和内绕组线圈（5）顺序串联、并联或者上述两者的结合。

6.根据权利要求1所述的带调磁绕组的双转子开关磁阻电机，其特征在于，所述z/m个调磁线圈（6）顺序串联、并联或者二者结合，构成调磁绕组。

7.根据权利要求1所述的带调磁绕组的双转子开关磁阻电机，其特征在于，所述电机中的外绕组线圈（4）、内绕组线圈（5）和调磁线圈（6）均为集中绕组。

8.根据权利要求1所述的带调磁绕组的双转子开关磁阻电机，其特征在于，所述电机为旋转电机、直线电机或者直线旋转双自由度电机。