CN105356708B - 一种电励磁磁通切换两相方波电机 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机制造及其应用的领域，提供了一种电励磁磁通切换两相方波电机，包括次级转子、环绕所述次级转子的电枢，电枢内设有8个等间距的电枢凸齿，相邻两个电枢凸齿所形成的8个电枢凹槽中：4个相间的电枢凹槽内放置有用于产生励磁磁场的励磁绕组，另外4个电枢凹槽放置有A相、B相驱动绕组，且A相驱动绕组和B相驱动绕组分别相对放置。本发明亦使该类电机绕组具有方波反电动势，可实现高性价比控制。采用两相绕组，具有较好的启动、快速转向的优点同时降低了绕组的复杂性，有利于提高该电机性价比。本发明电机具有磁通切换电机的全部优点，且在短时工作制时可以短时大倍数过载运行，对负载变动场合尤其适用。

Description

一种电励磁磁通切换两相方波电机

技术领域

本发明属于电机制造及其应用的领域，特别是涉及一种电励磁磁通切换两相方波电机。

背景技术

磁通切换(开关磁链)电机，转子仅由铁芯组成，结构简单可靠，易运行于高转速，在合适的控制算法下可实现高效调速控制，成本较低。电流绕组和永磁体均在定子侧的结构易于冷却，带永磁体时，推力密度大，一般设计成正弦波反电动势，适合做伺服控制。

常规的磁通切换电机如图1所示，由永磁体作为励磁磁场。或者采用如图2、图3所示结构，由直流线圈加永磁体混合励磁的方式。采用这些励磁方式的磁通切换电机电磁性能优越，但这些拓扑结构仅在实验室作为样机或者停留于仿真或理论设计阶段。为防止漏磁导致性能损失，通常图1所示结构中的电枢定子由多个独立的模块组成，在实际生产中机械结构装配困难，强度低，导致难以量产应用。图2、3所示结构同样也较复杂且其线圈组的下线非常困难。这些结构同样难以在应用市场出现。虽然图1、2、3结构可进一步演化成如图4、5所示的纯电励磁的拓扑，但这些结构也只能属于原理性的分析模型，如此复杂、工艺难以实现的结构难以在实际中经济有效的使用。同样的，各研究机构还提出了其它多种创新性的结构，但均侧重追求性能或者特殊应用，如东南大学提出的“一种复合式磁通切换电机”等，兼顾实际低成本产业化应用的如小家电领域的方案难以见到。

绕组设计成多相有利于提升电机功率密度，同时兼顾旋转方向控制，特别是三相对称绕组为功率电机常用绕组设计方案。但对于磁通切换电机来说，其励磁绕组和驱动绕组均在定子电枢侧，较多的相数会增加定子电枢的复杂性和成本如图6所示的3相电励磁结构需要12个槽，12个线圈，而图8所示单相结构最少可仅用2个线圈4个槽(图8中放了2组)。但如图7、图8所示的单相电机又会有启动困难和转向调节困难的问题。若兼顾成本和加工、使用性能，应在满足应用要求的情况下适度控制相数。

另外常规磁通切换电机(如图1-图8)一般设计成正弦波反电动势的绕组，正弦波无刷电机控制虽然性能优越，但是位置传感器及控制芯片等硬件成本高，控制算法复杂，很多场合采用方波反电势的无刷控制方式具有更高的性价比。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出适用于小家电的一种电励磁磁通切换两相方波电机，不仅具有常规磁通切换电机的优点，且该电机的电枢制造方便，绕组具有方波反电势，可以方波无刷电机形式驱动，采用两相绕组，具有较好的性价比,高实用价值。

本发明提供了一种电励磁磁通切换两相方波电机，包括次级转子、环绕所述次级转子的电枢，电枢内设有8个等间距的电枢凸齿，相邻两个电枢凸齿所形成的8个电枢凹槽中：4个相间的电枢凹槽内放置有用于产生励磁磁场的励磁绕组，另外4个电枢凹槽放置有A相、B相驱动绕组，且A相驱动绕组和B相驱动绕组分别相对放置，从而使得励磁绕组与驱动绕组交错放置；定义励磁绕组所占的4个凹槽名称分别为D1、D2、D3、D4；驱动绕组所占的4个凹槽的A相、B相驱动绕组分别为A1-A2相和B1-B2相驱动绕组。如图10所示这8个电枢凹槽的布局顺序可为D1，A1，D2，B1，D3，A2，D4，B2或者D1，B1，D2，A2，D3，B2，D4，A1。

电枢的8个电枢凸齿中每个电枢凸齿端部仅有一侧设有突出，且每个电枢凸齿的突出均设置在面向驱动绕组的一侧；在该电枢凸齿端部面向励磁绕组的一侧均无突出。该结构的设计，有利于绕组(线圈)反电动势波形接近理想方波，为方波无刷运行创造了条件。若电枢采用如图8所示两侧均有突出的凸齿，则绕组反电动势波形如图13所示，该形状与方波形状相差大，不适合无刷方波控制方式。

次级转子上沿圆周方向设有2n+1个转子凸齿，相邻转子凸齿之间形成转子凹槽，使得电枢与次级转子的齿数比为8:(2n+1)，其中n＝1，2，3……的自然数。按此配置齿数比，可以保证在A相(由A1与A2组成)、B相(由B1和B2组成)驱动绕组中的感应电动势保持90度相位差，可使电机在优良的状态运行。

作为优选方案：作为发电机运行时，在励磁绕组中通入直流电流，电流会建立励磁磁场；次级转子转动时，基于磁阻的变化，穿过A相、B相驱动绕组的磁通会切换路径从而引起通过A相、B相驱动绕组的磁链变化，因此在该电机的A相、B相驱动绕组两端会因感应而得到相位差为90的方波反电动势；

在电枢与次级转子齿数配比为8:(2n+1)时，电枢各相关电量的变化频率为次级转子位置变化频率的2n+1倍；

通过改变次级转子旋转方向改变输出两相反电势的先后顺序，即若次级转子正转时A相驱动绕组输出反电势超前B相驱动绕组反电势90度相位，则次级转子反转时A相驱动绕组落后B相驱动绕组90度；

其中：电枢各相关电量是指电枢绕组的反电动势、电流和磁链。

作为优选方案：作为电动机运行时，需安装检测位置的霍尔传感器或者编码器，根据位置在A相、B相驱动绕组中通入与反电动势同相位的驱动电流；

或者采用无传感器算法，来检测次级转子位置从而来判断反电动势的相位，以便在A相、B相驱动绕组通入与反电动势相位相同的驱动电流；

在该驱动电流作用下，A相、B相驱动绕组组合产生的运动磁场，引起磁通切换路径，磁阻转子跟踪磁通切换的速度，进行运转，可得到同步转速；电磁转矩驱动次级转子旋转带动负载，通过改变通入的A相、B相驱动绕组电流的相序改变次级转子的转动方向，即若A相驱动绕组电流超前B相驱动绕组电流时，电机顺时针转，反之B相驱动绕组电流超前A相驱动绕组电流时，电机逆时针转动；

通过改变通入次级转子的电流大小和频率改变次级转子转动的速度，在电枢与次级转子齿数配比为8:(2n+1)时，电枢各相关电量的变化频率为次级转子位置变化频率的2n+1倍；

其中：无传感器算法是指通过检测反电动势波形来识别转子位置的控制算法，电枢各相关电量是指电枢绕组的反电动势、电流和磁链。

作为优选方案：所述次级转子上齿槽宽度比为1:1。

作为优选方案：所述电枢和次级转子之间的气隙厚度沿圆周均匀一致。

作为优选方案：所述次级转子和电枢均由硅钢薄片叠压而成。

作为优选方案：所述电枢上设有8个用于标记电枢凹槽的标记槽。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的电励磁磁通切换两相方波驱动电机，克服了永磁型或者混合型磁通切换电机模块化结构难以装配制造的缺点，也比已有概念性的多相纯电励磁电机结构简单。本发明磁通切换电机便于生产和装配，为其产业化提供可行性方案。

本发明亦使该类电机绕组具有方波反电动势，可实现高性价比控制。采用两相绕组，具有较好的启动、快速转向的优点同时降低了绕组的复杂性，有利于提高该电机性价比。本发明电机具有磁通切换电机的全部优点，且在短时工作制时可以短时大倍数过载运行，对负载变动场合尤其适用。

附图说明

图1是常规磁通切换电机的结构示意图；

图2是一种直流线圈加永磁体混合励磁方式的磁通切换电机的结构示意图；

图3是另一种直流线圈加永磁体混合励磁方式的磁通切换电机的结构示意图；

图4是一种纯电励磁的拓扑结构示意图；

图5是另一种纯电励磁的拓扑结构示意图；

图6是一种3相电励磁结构示意图；

图7是一种单相电机磁通切换电机的结构示意图；

图8是另一种单相电机磁通切换电机的结构示意图；

图9是本发明电励磁磁通切换两相方波电机的机械结构示意图；

图10是本发明电励磁磁通切换两相方波电机中绕组的联结示意图；

图11为本发明绕组反电动势波形示意图之一；

图12为本发明无刷控制时电磁转矩示意图。

图13为本发明绕组反电动势波形另一示意图。

图9中附图标注：突出(1)，电枢凹槽(2)，电枢(3)，凸齿(4)，次级转子(5)，转子凹槽(6)，旋转轴(7)，标记槽(8)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

如图9～10所示，本实施例提供一种电励磁磁通切换两相方波电机的具体实施例，如图9是本发明电机的结构示意图，该电励磁磁通切换两相方波电机包括次级转子5、环绕所述次级转子5的电枢3。电枢3是由整块的硅钢片叠压而成，可作为定子使用，也可作为外转子的形式。电机仅在电枢3定子上有线圈，分成励磁绕组和驱动绕组两类。

电枢3内设有8个等间距的电枢凸齿4，相邻两个电枢凸齿4所形成的8个电枢凹槽2中：4个相间的电枢凹槽2内放置有用于产生励磁磁场的励磁绕组，另外4个电枢凹槽2放置有A相、B相驱动绕组，且A相驱动绕组和B相驱动绕组分别朝着次级转子5的旋转轴7相对放置，从而使得励磁绕组与驱动绕组交错放置；定义励磁绕组所占的4个凹槽名称分别为D1、D2、D3、D4；驱动绕组所占的4个凹槽的A相、B相驱动绕组分别为A1-A2相和B1-B2相驱动绕组。这8个电枢凹槽2的布局顺序可为D1，B1，D2，A2，D3，B2，D4，A1。(具体参见图10)

如图10所示，电枢3的8个电枢凸齿4中每个电枢凸齿4端部仅有一侧设有突出1，且每个电枢凸齿的突出均设置在面向驱动绕组的一侧；在该电枢凸齿端部面向励磁绕组的一侧均无突出。该结构的设计，有利于绕组(线圈)反电动势波形接近理想方波，为方波无刷运行创造了条件。若电枢采用如图8所示两侧均有突出的凸齿，则绕组反电动势波形如图13所示，该形状与方波形状相差大，不适合无刷方波控制方式。

如图10所示，所述次级转子5上沿圆周方向设有2n+1个转子凸齿，相邻转子凸齿之间形成转子凹槽6，使得电枢3与次级转子5的齿数比为8:(2n+1)，其中n＝1，2，3……的自然数。按此配置齿数比，可以保证在A相(由A1与A2组成)、B相(由B1和B2组成)驱动绕组中的感应电动势保持90度相位差，可使电机在优良的状态运行。

如图10所示，本说明书实施例以转子3个齿为例，次级转子5的齿槽宽度比可调节，其中当次级转子5上齿槽宽度比接近1:1时具有最佳电磁性能。此时，电动机可以输出最大转矩。其中：双股并绕，漆包线选0.4mm直径左右，4股并绕，绕150砸。槽面积150mm²左右，线外径按0.46估算100mm²，机械填充率为0.67。若放不下，选小一号线型即0.375或者0.35的线。

所述电枢3和次级转子5之间的气隙厚度沿圆周均匀一致。所述次级转子4是由硅钢薄片沿着圆周叠压而成。在转速较低的场合，或者工作时间较短的场合，次级转子4也可以由整块的铁构成。

所述电枢3上设有8个用于标记电枢凹槽2的标记槽8，每个标记槽8分别位于对应电枢凹槽2对称轴线上。

作为发电机运行时，在直流槽线圈中通入直流电流，电流会建立励磁磁场。以外加机械设备拖动次级转子5转动时，基于磁阻的变化，穿过A相(即A1-A2)、B相(即B1-B2)驱动绕组的磁通会切换路径

从而引起通过A相、B相驱动绕组的磁链变化，因此在该电机的A1-A2，B1-B2两相驱动绕组两端会因感应而得到相位差为90的方波反电动势。在电枢3与次级次级转子5齿数配比为8:(2n+1)时，电枢3各相关电量的变化频率为次级转子5机械量变化频率的2n+1倍。如图3所示，配比为8:3时，其中各相关电量的变化频率为次级转子5位置变化频率的3倍。可以通过改变次级转子5旋转方向可以改变输出两相反电势的先后顺序，即若次级转子5正转时A相绕组输出反电势超前B相绕组反电势90度相位，则次级转子5反转时A相落后B相90度。

其中：电枢3各相关电量是指电枢绕组的反电动势、电流和磁链。

作为电动机运行，电机旋转轴7两端伸出，方便安装检测位置的伺服旋转编码器或者霍尔机构。根据位置在A相、B相驱动绕组中通入与图11反电动势同相位的驱动电流；或者采用无传感器算法，来检测次级转子5位置从而来判断反电动势的相位，以便在A相、B相驱动绕组通入与反电动势相位相同的驱动电流。在此驱动电流作用下，A相、B相驱动绕组组合产生的运动磁场，引起磁通切换路径，磁阻次级转子5跟踪磁通切换的速度，进行运转，可得到同步转速。其电磁转矩的仿真值如图12所示，该电磁转矩驱动次级转子5旋转带动负载。通过改变通入的A、B相电流的相序可改变次级转子5的转动方向，即若A相电流超前B相时，电机顺时针转，反之B相超前时逆时针转动。通过改变通入次级转子5的电流大小和频率可改变次级转子5转动的速度。在电枢3与次级次级转子5齿数配比为8:(2n+1)时，电枢3各相关电量的变化频率为次级转子5机械量变化频率的2n+1倍。如图3所示，配比为8:3时，其中各相关电量的变化频率为次级转子5位置变化频率的3倍。

其中：无传感器算法是指通过检测反电动势波形来识别转子位置的控制算法，电枢3各相关电量是指电枢绕组的反电动势、电流和磁链。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种电励磁磁通切换两相方波电机，其特征在于，包括次级转子(5)、环绕所述次级转子(5)的电枢(3)，电枢(3)内设有8个等间距的电枢凸齿(4)，相邻两个电枢凸齿(4)所形成的8个电枢凹槽(2)中：4个相间的电枢凹槽(2)内放置有用于产生励磁磁场的励磁绕组，另外4个电枢凹槽(2)放置有A相、B相驱动绕组，且A相驱动绕组和B相驱动绕组分别相对放置，每个电枢凹槽(2)放置一个励磁绕组或一个驱动绕组，从而使得励磁绕组与驱动绕组交错放置；

电枢(3)的8个电枢凸齿(4)中每个电枢凸齿(4)端部仅有一侧设有突出(1)，且每个电枢凸齿(4)的突出(1)均设置在面向驱动绕组的一侧；次级转子(5)上沿圆周方向设有2n+1个转子凸齿，相邻转子凸齿之间形成转子凹槽(6)，使得电枢(3)与次级转子(5)的齿数比为8:(2n+1)，其中n＝1，2，3……的自然数。

2.根据权利要求1所述的一种电励磁磁通切换两相方波电机，其特征在于，作为发电机运行时，在励磁绕组中通入直流电流，电流会建立励磁磁场；次级转子(5)转动时，基于磁阻的变化，穿过A相、B相驱动绕组的磁通会切换路径从而引起通过A相、B相驱动绕组的磁链变化，因此在该电机的A相、B相驱动绕组两端会因感应而得到相位差为90的方波反电动势；

在电枢(3)与次级转子(5)齿数配比为8:(2n+1)时，电枢(3)各相关电量的变化频率为次级转子(5)位置变化频率的2n+1倍；

通过改变次级转子(5)旋转方向改变输出两相反电势的先后顺序，即若次级转子(5)正转时A相驱动绕组输出反电势超前B相驱动绕组反电势90度相位，则次级转子(5)反转时A相驱动绕组落后B相驱动绕组90度；

其中：电枢(3)各相关电量是指电枢绕组的反电动势、电流、磁链。

3.根据权利要求1所述的一种电励磁磁通切换两相方波电机，其特征在于，作为电动机运行时，需安装检测位置的霍尔传感器或者编码器，根据位置在A相、B相驱动绕组中通入与反电动势同相位的驱动电流；

或者采用无传感器算法，来检测次级转子(5)位置，以便在A相、B相驱动绕组通入与反电动势相位相同的驱动电流；

在该驱动电流作用下，A相、B相驱动绕组组合产生的运动磁场，引起磁通切换路径，磁阻转子跟踪磁通切换的速度，进行运转，可得到同步转速；电磁转矩驱动次级转子(5)旋转带动负载，通过改变通入的A相、B相驱动绕组电流的相序改变次级转子(5)的转动方向，即若A相驱动绕组电流超前B相驱动绕组电流时，电机顺时针转，反之B相驱动绕组电流超前A相驱动绕组电流时，电机逆时针转动；

通过改变通入次级转子(5)的电流大小和频率改变次级转子(5)转动的速度，在电枢(3)与次级转子(5)齿数配比为8:(2n+1)时，电枢(3)各相关电量的变化频率为次级转子(5)位置变化频率的2n+1倍；

其中：无传感器算法是指通过检测反电动势波形来识别转子位置的控制算法，电枢(3)各相关电量是电枢绕组的反电动势、电流、磁链。

4.根据权利要求2或者3中所述的一种电励磁磁通切换两相方波电机，其特征在于，所述次级转子(5)上齿槽宽度比为1:1。

5.根据权利要求2或者3中所述的一种电励磁磁通切换两相方波电机，其特征在于，所述电枢(3)和次级转子(5)之间的气隙厚度沿圆周均匀一致。

6.根据权利要求2或者3中所述的一种电励磁磁通切换两相方波电机，其特征在于，所述次级转子(5)和电枢(3)均由硅钢薄片叠压而成。

7.根据权利要求2或者3中所述的一种电励磁磁通切换两相方波电机，其特征在于，所述电枢(3)上设有8个用于标记电枢凹槽(2)的标记槽(8)。