CN104795953A - 一种定转子分块式开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定转子分块式开关磁阻电机，包括转子部分和定子部分，转子部分包括叠压铁芯、非导磁材料框架和转轴，其中，叠压铁芯采用非对称结构，嵌装在非导磁材料框架中；转轴、非导磁材料框架和叠压铁芯结合形成“圆柱形”非凸极结构，定子部分包括若干个独立可拆卸的分块式结构，每个分块式结构的结构相同，均包括一个E型定子铁芯，E型定子铁芯由E型导磁材料叠压而成，E型定子铁芯的中间磁齿上缠绕有励磁绕组，分块式结构之间设有定子隔磁材料进行隔离。本装置磁通路径短，并且每个线圈绕组形成的磁通路径都是相互独立的，没有交叠。电机定子可拆卸，组装方便。

Description

一种定转子分块式开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及一种定转子分块式开关磁阻电机。

背景技术

开关磁阻电机遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理，由磁拉力作用产生具有磁阻性质的电磁转矩。开关磁阻电机结构简单，坚固。定子线圈嵌装容易，端部牢固，热耗大部分在定子，易于冷却；转子无永磁体，可有较高的最大容许温升，转子上没有绕组，成本低，电动机可高速旋转而不会导致变形，转子的转动惯量小，易于加、减速度；开关磁阻电机转矩方向与相电流方向无关，只要控制主开关器件的导通关断角度，就可以改变电机的工作状态；绕组电流可通过续流二极管续流，并回馈电能给电源，具有再生作用；开关磁阻电机在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率，非常适合高速运行以及在恶劣的环境中。

常规开关磁阻电机定子绕组有整距绕组或集中绕组，转子采用齿极结构。此种结构的电机内部磁通回路长，各绕组的磁通回路的路径相互重叠，导致定子或转子某一处断裂时对电机磁路影响大，容错能力差；高速时，由于转子齿极结构，导致转子的风阻大，电机损耗增加。对于美国专利：U.S.Pat.No.5，111，096.其转子采用分块式结构，减少了风阻，但定子采用整距绕组，端部铜耗增大，不同绕组产生的磁通在电机中有重合的路径，导致电机容错能力差。对于中国专利CN 101710775 A。其采用了定转子分块是结构，但定子采用了永磁体，增加了点击成本，其结构至少为三相电机，不能做成两相电机，控制器成本不能减少，定子绕组采用整距绕组，端部用铜量大。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种定转子分块式开关磁阻电机，本装置可以实现各绕组产生的磁通路径相互独立，各定子分块结构相互独立，并且可实现定子可拆卸功能，是电机维护组装方便简洁，同时能够比传统开关磁阻电机铁磁材料更加节省，电机损耗更少，电机绕组磁路更短，高速时转子风(油)阻更小，效率更高，可靠性更高，容错能力更强。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种定转子分块式开关磁阻电机，包括转子部分和定子部分，转子部分包括叠压铁芯、非导磁材料框架和转轴，其中，叠压铁芯采用非对称结构，嵌装在非导磁材料框架中；转轴、非导磁材料框架和叠压铁芯结合形成“圆柱形”非凸极结构，定子部分包括若干个独立可拆卸的分块式结构，每个分块式结构的结构相同，均包括一个E型定子铁芯，E型定子铁芯由E型导磁材料叠压而成，E型定子铁芯的中间磁齿上缠绕有励磁绕组，分块式结构之间设有定子隔磁材料进行隔离。

所述定子隔磁材料为非导磁材料，与电机定子连接。

所述分块式结构的个数为N，且N为电机相数M的偶数倍。

所述叠压铁芯的个数为偶数。

所述E型定子铁芯包括中间的主磁齿，主磁齿两边各一个副磁齿以及连接各个磁齿的E型定子轭部。

所述叠压铁芯嵌装在转子非导磁材料框架内，非导磁材料框架使叠压铁芯固定在转子中，同时保证分块的叠压铁芯相互隔离独立。

所述叠压铁芯的外侧采用阶梯气隙结构，为保证转子外径为圆形，非导磁材料框架填充了转子铁芯的阶梯气隙。

所述励磁绕组通电时，产生磁场，磁场的路径由E型定子铁芯主磁齿-气隙-转子铁芯-气隙-E型定子铁芯副磁齿-该E型定子铁芯轭部-E型定子铁芯主磁齿形成闭合回路。

所述主磁齿的宽度等于两个副磁齿宽度的和，两个副磁齿不等宽。

所述主磁齿的宽度等于两个副磁齿宽度的和，两个副磁齿等宽。

所述叠压铁芯中间设有T型凸起，非导磁材料框架设有与其相对应的T型凹槽。

本发明的有益效果为：

(1)电机定子采用分块式的E型结构，转子采用分块式的结构，节约导磁材料的用量，减少电机材料成本，同时定转子中采用了非导磁材料，可以减少电机的整体密度，在相同体积下，电机更加轻；

(2)定子是分块式结构，各绕组绕线简单方便；

(3)本电机采用集中绕组，定子绕组在端部无交叠，端部用铜量较少，可靠性能更高；

(4)转子采用分块式铁芯叠压到非导磁材料中，形成“圆柱形”非凸极转子结构，从而极大的减少了高速运行下的风(油)损耗，同时可采用密度较小的非导磁材料来减少转子的转动惯量，从而电机具有很好的高速运行性能；

(5)每个绕组的导磁回路的路径都是独立的，没有交叠，减少电机内部故障对电机性能的影响，提高电机可靠性、容错能力；

(6)每个定子分块结构对应一个线圈绕组，各线圈绕组产生磁通回路在电机中所走路径相互独立，实现电机定子可拆卸，组装方便。

附图说明

图1是本发明的一种两相4极开关磁阻电机的整体结构图；

图2是本发明的一种两相4极开关磁阻电机的端部视图结构示意图；

图3是本发明的一种两相4极开关磁阻电机的定子铁芯排列结构原理示意图；

图4是本发明的一种两相4极开关磁阻电机的定子铁芯叠片结构示意图；

图5是本发明的一种两相4极开关磁阻电机的转子端部视图；

图6是本发明的一种两相4极开关磁阻电机的转子铁芯叠片平面示意图；

图7是本发明的一种两相4极开关磁阻电机的嵌装转子铁芯的非导磁材料框架的结构示意图；

图8是本发明的一种两相4极开关磁阻电机的一相定子绕组励磁时转子在不同的旋转位置下的磁力线分布示意图；

图9是本发明的一种两相4极开关磁阻电机的一相定子绕组励磁时转子在不同的旋转位置下的磁力线分布示意图；

图10是本发明的一种两相4极开关磁阻电机的一相定子绕组励磁时转子在不同的旋转位置下的磁力线分布示意图；

图11是本发明的一种两相4极开关磁阻电机的一相定子绕组励磁时转子在不同的旋转位置下的磁力线分布示意图；

图12是本发明的一种两相4极开关磁阻电机的定转子主要特征结构尺寸标示图；

图13是本发明的一种两相4极开关磁阻电机的静态转矩波形图；

图14是本发明的一种两相4极开关磁阻电机在转速为15000rpm时的输出转矩波形图。

其中，1、轴承，2、转子铁芯(导磁)，3、转子非导磁结构框架，4、励磁绕组，5、定子E型铁芯(导磁)，6、定子隔磁材料，7、转子阶梯气隙结构，8、固定转子铁芯用转子非导磁框架凹槽，9、固定转子铁芯用转子非导磁框架“T”形凹槽，10、定子内径圆弧，11、转子阶梯形结构的阶梯错高，12、转子铁芯圆弧，13、转子外径圆弧，14、转轴外径,Q、定转子间的气隙，2-1～2-2、转子铁芯；4-1～4-4、线圈绕组，5-1、铁芯主磁齿，5-2～5-3、副磁齿，5-A～5-B、电机相，6-1～6-4、隔磁材料所在位置；8-1～8-4、非导磁材料内部凹槽，9-1～9-2、非导磁框架“T”形凹槽，11-1～11-5、转子阶梯错高，12-1～12-6、阶梯气隙转子弧，15-1～15-2、凸起。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

定转子分块式开关磁阻电机是一个多相电机，该电机定子极数(电机端部视图的E型铁芯个数)为偶数，最佳相数为2，本发明拟以定子4个E型铁芯结构、转子2个分块导磁铁芯结构即4-2结构的两相开关磁阻电机为例进行说明。如图1、2所示即为两相定子E型结构、定转子分块式开关磁阻电机。该电机定子由E型铁芯5，线圈绕组4-1至4-4以及隔磁材料(位于6-1至6-4所指位置)组成；图1、2所示为4极定转子分块式开关磁阻电机结构图。转轴1安装在转子非导磁材料框架3的中心，转子铁芯嵌装在非导磁材料框架内形成圆柱形转子，其圆柱外径13即转子外径小于定子内径10，从而形成气隙Q。励磁绕组4-1、4-2、4-3、4-4分别绕制在相应E型铁芯的主磁齿上，其中励磁绕组4-1、4-3为一相，励磁绕组4-2、4-4为一相形成两相绕组，电机运行时，两相交替导通为电机运行提供电能。图8-图11所示为一个励磁绕组通电产生的磁力线图。励磁绕组通电时，产生磁场，磁场的路径由E型铁芯主磁齿-气隙-转子铁芯-气隙-E型铁芯副磁齿-该E型铁芯定子轭部-E型铁芯主磁齿形成闭合回路。定子每极磁通路径相对独立，并且磁通方向没有原理上的要求，因此励磁绕组中的电流方向没有要求，励磁电流的大小决定电机输出转矩的大小。电机的转速方向由转子气隙的大小走向决定，图2所示电机旋转方向为逆时针方向。

由图3、图4所示为4-2结构的定转子分块式两相开关磁阻电机的定子E型铁芯结构图，图7为电机E型铁芯部分的端部视图，其中5-A为电机的一相，5-B为电机的另一相，形成两相；电机E型铁芯由E型导磁叠片叠压而成，在E型铁芯之间有隔磁材料，在电机定子内径与电机E型定子齿的端部重合。图4为E型导磁叠片的平面视图。图中5-1为铁芯主磁齿，5-2、5-3时一个E型铁芯的两个副磁齿，主磁齿的宽度等于两个副磁齿宽度的和，两个副磁齿可以不等宽。

由图5、图6、图7所示为4-2结构的定转子分块式两相开关磁阻电机的转子部分，转子包括导磁部分即转子铁芯2和非导磁部分即非导磁材料框架3以及转轴。转子铁芯有导磁叠片叠压而成，图6所示为转子导磁叠片平面视图，图示的15-1、15-2的叠片凸起和到“T”形结构为固定转子铁芯而设计，为保证电机转矩输出以及电机自启动功能，图示转子铁芯采用阶梯气息结构，气息结构可与传统两相开关磁阻电机相似，图6所示12-1至12-6为阶梯气隙转子弧，11-1至11-5为转子阶梯错高。转子导磁铁芯嵌装在转子非导磁材料框架3内，非导磁材料框架使转子导磁铁芯固定在转子中，同时是分块的转子铁芯相互隔离独立，非导磁材料可以用密度较小的不导磁材料，从而可以减少转子的重量和转动惯量。图7即为转子非导磁材料框架端部视图，为保证转子外径为圆形，非导磁材料7填充了转子铁芯的阶梯气隙。非导磁材料内部凹槽8(8-1、8-2、8-3、8-4)分别对应转子铁芯的凸起部分15(15-1、15-2)，同样，非导磁材料的“T”形槽对应转子铁芯的“T”形凸起，这些部分充分吻合，固定转子铁芯，增强转子机械结构。

由图8-11所示为4-2结构的定转子分块式两相开关磁阻电机在励磁情况下，其内部磁通路径图。图8-10所示为电机运行在一相通电时，转子在不同位置的磁通情况。图8为该相开始通电时转子的位置，由于线圈绕组通电，对转子产生磁拉力使电机输出转矩，图9为转子旋转一定角度时该相依然通电时的电机磁路图形，此时电机转子继续输出转矩，图10所示为该相导电周期即将结束时的转子位置的磁路图，该相最佳的导电结束时的转子位置由负载情况、转速大小及电流大小决定。图11所示为一个励磁绕组(一个E型铁芯结构)产生的磁力线路径图。电机运行时，换相导通，在不同相下。电机磁通路径是相似的，每个绕组的磁路都是相对独立的，互不干扰，在一个E型铁芯损坏的情况下，不影响其他绕组的正常工作，提高了电机的可靠性稳定性。图8-11中，闭合的曲线为磁力线，磁力线的疏密体现磁感应强度的大小，磁力线越密，磁感应强度越大。

由图12所示为4-2结构的定转子分块式两相开关磁阻电机的定转子的主要电磁结构尺寸标示图，对定子的标示有X、Y、Z、N、W、V、d；对转子的标示有A、B、C、D、E、F、H。其中X、Y、Z、N、W、V、A、B、C、D、E、F、H的单位为机械角度，d的单位为mm。d是放置隔磁材料的缝隙，d≥2mm，N＝X+W，X≥W，Z≥Y，其中X+Z+N+Y+W+Y＝90°。对于转子有：H＝A+B+C+D+E+F；90°≤H＜180°。采用阶梯气隙时F≤Z+X；F≤E≤D≤C≤B≤A。

由图13、14所示为4-2结构的定转子分块式两相开关磁阻电机在专业电机有限元分析仿真软件Maxwell16下分析得出的电机静态转矩波形图和电机在15000rpm时的转矩输出波形图。仿真用电机参数为：定子外径96mm，定子内径为53.6mm主磁齿宽12mm，副磁齿等宽均为6mm，E型铁芯隔磁距离d＝4mm，转子H＝120°，F＝12°，B＝C＝D＝E＝14°，A＝52°，阶梯气隙错高0.25mm。铁芯叠长45mm，绕组匝数110匝。静态转矩为一相绕组通电，转子在不同位置的电机电磁转矩，正为输出转矩，负为制动转矩。图13为两相绕组分别通8A电流时电机的静态转矩图，从图中可以看出，单独一相的输出转矩范围较该相制动转矩范围宽，两相绕组的静态输出转矩涵盖转子的任何位置，说明通过控制电机通电绕组，可以使电机始终处于转矩输出状态即电动状态，说明本发明的可行性和电机优良的起动性能。图14为该电机在15000rpm时转矩输出情况。从图可以看出，电机在15000rpm时可以正常运行，电机输出电磁转矩平均值约为0.8NM。体现出该发明电机的优秀的高速运行能力。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种定转子分块式开关磁阻电机，其特征是：包括转子部分和定子部分，转子部分包括叠压铁芯、非导磁材料框架和转轴，其中，叠压铁芯采用非对称结构，嵌装在非导磁材料框架中；转轴、非导磁材料框架和叠压铁芯结合形成“圆柱形”非凸极结构，定子部分包括若干个独立可拆卸的分块式结构，每个分块式结构的结构相同，均包括一个E型定子铁芯，E型定子铁芯由E型导磁材料叠压而成，E型定子铁芯的中间磁齿上缠绕有励磁绕组，分块式结构之间设有定子隔磁材料进行隔离。

2.如权利要求1所述的一种定转子分块式开关磁阻电机，其特征是：所述定子隔磁材料为非导磁材料，与电机定子连接。

3.如权利要求1所述的一种定转子分块式开关磁阻电机，其特征是：所述分块式结构的个数为N，且N为电机相数M的偶数倍。

4.如权利要求1所述的一种定转子分块式开关磁阻电机，其特征是：所述E型定子铁芯包括中间的主磁齿，主磁齿两边各一个副磁齿以及连接各个磁齿的E型定子轭部。

5.如权利要求1所述的一种定转子分块式开关磁阻电机，其特征是：所述叠压铁芯嵌装在转子非导磁材料框架内，非导磁材料框架使叠压铁芯固定在转子中，同时保证分块的叠压铁芯相互隔离独立。

6.如权利要求1所述的一种定转子分块式开关磁阻电机，其特征是：所述叠压铁芯的外侧采用阶梯气隙结构，为保证转子外径为圆形，非导磁材料框架填充了转子铁芯的阶梯气隙。

7.如权利要求1所述的一种定转子分块式开关磁阻电机，其特征是：所述励磁绕组通电时，产生磁场，磁场的路径由E型定子铁芯主磁齿-气隙-转子铁芯-气隙-E型定子铁芯副磁齿-该E型定子铁芯轭部-E型定子铁芯主磁齿形成闭合回路，每个绕组及其产生的磁通所走的路径相互独立。

8.如权利要求1所述的一种定转子分块式开关磁阻电机，其特征是：所述主磁齿的宽度等于两个副磁齿宽度的和，两个副磁齿不等宽。

9.如权利要求1所述的一种定转子分块式开关磁阻电机，其特征是：所述主磁齿的宽度等于两个副磁齿宽度的和，两个副磁齿等宽。

10.如权利要求1所述的一种定转子分块式开关磁阻电机，其特征是：所述叠压铁芯中间设有T型凸起，非导磁材料框架设有与其相对应的T型凹槽。