CN105978275B - 环向叠加磁路开关磁阻直流电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了环向叠加磁路开关磁阻直流电动机，包括定子单元和安装于定子单元内的转子单元，定子单元包括安装于机壳内的多个分体式的定子铁芯叠片、绕制在定子铁芯叠片凸极上的定子绕组、定子永磁铁及固定定子铁芯叠片和定子永磁铁的铁质导磁楔块组件，每个独立的定子铁芯叠片的两端环向表面安放同极性的定子永磁铁，定子铁芯叠片和定子永磁铁组成单极性定子铁芯叠片单体。定子铁芯叠片凸极上的定子绕组通电后即可使该相绕组所产生的电磁场与永磁场叠加强化后作用于转子。所述转子为无绕组无磁铁的凸极式结构。本发明通过上述结构，具有工作效率超高，功耗超低，功率密度高且运转平稳，综合性能优越。

Description

环向叠加磁路开关磁阻直流电动机

技术领域

本发明涉及开关磁阻电动机领域，具体地，涉及环向叠加磁路开关磁阻直流电动机。

背景技术

现有的开关磁阻电机定子，转子均为凸极结构，定子凸极为独立绕组，转子凸极既无绕组也无永磁体，转子凸极数比定子凸极数少2个。当转子凸极与定子某一凸极处于磁场轴线临近位置时，通过位置传感器控制开关闭合，定子相关凸极绕组通电产生磁场与相关转子凸极形成磁回路。根据磁阻最小原则，相关定子、转子凸极间即产生吸力转矩，当定子凸极与转子凸极运行至磁场轴线重合时关断电源，转矩消失，而其它获得通电条件的定子凸极绕组开通电源形成转矩，依次循环实现连续运转，开关磁阻电机的运行完全依靠电磁转矩。

现有的另一种双凸极永磁电动机（简称DSPM电机）是在开关磁阻电机简单结构的基础上将高性能永久磁铁嵌入定子铁芯，形成永磁定子，其工作原理与开关磁阻电机基本相同，所不同的是双凸极永磁电机中起主导作用的转矩为永磁转矩。

以上两种电机有一共同特点，不论电机定子由多少个凸极构成，在运行中只有1/3的凸极轮流通电产生转矩，而2/3的凸极轮流断电待机。导致了电机的工作效率，功率密度，运转平稳性都不尽理想，同时浪费材料，增加了生产成本。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供环向叠加磁路开关磁阻直流电动机，该电动机工作效率高、低功耗、功率密度高且运转平稳，综合性能优越。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：环向叠加磁路开关磁阻直流电动机，包括定子单元和安装于定子单元内的转子单元，定子单元包括安装于机壳内的多个分体式的定子铁芯叠片、绕制在定子铁芯叠片凸极上的定子绕组、定子永磁铁及固定定子铁芯叠片和定子永磁铁的铁质导磁楔块组件，每个独立的定子铁芯叠片的两端环向表面安放同极性的定子永磁铁，定子铁芯叠片和定子永磁铁组成单极性定子铁芯叠片单体，定子单元上的全部定子铁芯叠片凸极上的定子绕组间隔连线成A相定子绕组和B相定子绕组；所述转子单元包括用于驱动轴转动的转子叠片。定子单元上的凸极绕组所产生的电磁场与定子单元上凸极的永久磁场经铁质导磁楔块、转子单元上的凸极形成叠加磁路，使转子单元上的凸极转子产生远大于单纯电磁场作用于凸极转子的动能输出。

定子单元和转子单元至少为2个且个数相等，定子单元的个数为N个且串联在轴上，其中N的取值范围为2-4之间的自然数。多个独立工作的定子单元和多个独立工作的转子单元的设计，设计制造时可对单独的各个单元进行分别设计和制造，制造更加简便，制造工艺得到优化，生产成本更加合理。

相邻两组转子单元在各自凸极周径分布位置上互相错开1/N凸极间距。克服A相定子绕组和B相定子绕组换相时产生的转矩脉动，即K1转子单元在换相零转矩位置时，K2转子单元则处于转矩峰值位置，使转矩输出更加平稳，电机能效更高。

所述轴的尾端还外置旋转开关，旋转开关上的K1输出碳刷和K2输出碳刷交替向各定子单元上的A相定子绕组或B相定子绕组输入脉冲直流电。定子单元的定子绕组采用A相定子绕组和B相定子绕组两相的运行模式，与以往的传统模式相比，使得定子凸极的连续通电运行率从1/3提升到1/2，比现有开关磁阻电机提升16%以上，大幅提高了功率密度。

铁质导磁楔块组件包括定子固定楔块、铁质导磁楔块和楔块螺栓，在定子铁芯叠片上间隔分布的凸极两端环向表面安放铁质导磁楔块，定子固定楔块用于固定相邻两单极性定子铁芯叠片单体，楔块螺栓固定在机壳上。其中的定子铁芯叠片、定子永磁铁按图中所示方位的N、S极性吸合安装，再用铁质导磁楔块、定子固定楔块、楔块螺栓固定在铝合金壳体内，嵌入定子绕组即成为一个定子单元。每个定子单元独立工作，后期的设计得到优化，后期制造更加的简便，生产成本得到降低。

定子单元上凸极的个数K=4+4n，n的取值范围在1—7之间的自然数。

旋转开关包括输电环、多片通电片和多片断电片，通电片和断电片交叉分布且围绕输电环一圈，通电片和断电片之间绝缘粘合。保证了旋转开关上通断电区间的区分，保证了旋转开关准确控制A相定子绕组或B相定子绕组的交替连通与断开。

转子单元上转子叠片上的凸极无绕组且无磁铁，转子单元上所有转子叠片上的凸极数为定子铁芯叠片上凸极数量的1/2，相邻两个转子单元之间通过转子定位套进行固定；相邻两个定子单元之间通过机壳定位圈进行固定。更好的保证定子凸极产生的电磁场与定子凸极的永久磁场经铁质导磁楔块、转子凸极形成叠加磁路，使凸极转子产生远大于单纯电磁场作用于凸极转子的动能输出，使能效更高。

所述轴的尾端还设置端盖，在端盖定位止口上安装电刷支架，在电刷支架上安装输入电刷、K1输出碳刷和K2输出碳刷。

综上，本发明的有益效果是：

1、与以往完全依靠电机完全依靠电磁转矩相比，本方案中的定子凸极产生的电磁场与定子凸极的永久磁场经铁质导磁楔块、转子凸极形成叠加磁路，使凸极转子产生远大于单纯电磁场作用于凸极转子的动能输出，能效更高。

2、定子单元上的定子绕组A相和B相交替运行的模式使定子凸极的连续通电运行率从1/3提升到1/2，比现有的开关磁阻电机提高16%以上，大幅提高了功率密度。

3、定子单元和转子单元的多单元模块标准化结构，使设计优化、制造更加简便、生产成本降低，生产出的电动机高能效、功耗低、高功率密度且扭矩输出平稳，综合性能优越。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为图1中K1定子单元的A相绕组通电时K1-K1向的剖视图；

图3为图1中K2定子单元的A相绕组通电时K2-K2向的剖视图；

图4为图1中K1定子单元的B相绕组通电时K1-K1向的剖视图；

图5为图1中K2定子单元的B相绕组通电时K2-K2向的剖视图；

图6为旋转开关结构示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：1、机壳；2、定子铁芯叠片；3、定子永磁铁；4、定子固定楔块；5、铁质导磁楔块；6、楔块螺栓；7、定子绕组；8、转子叠片；9、转子定位套；10、机壳定位圈；11、电刷支架；12、输入电刷；13、旋转开关；14、K1输出碳刷；15、K2输出碳刷；16、轴；17、输电环；18、通电片；19、断电片。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图2为K1A输出碳刷接通，K1B输出碳刷断开时，A相绕组通电，K1定子单元K1-K1向的剖视图；图3为K2A输出碳刷接通，K2B输出碳刷断开时，A相绕组通电，K2定子单元K2-K2向的剖视图；图4为K1A输出碳刷断开，K1B输出碳刷接通时，B相绕组通电，K1定子单元K1-K1向的剖视图；图5为K2A输出碳刷断开，K2B输出碳刷接通时，B相绕组通电，K2定子单元K2-K2向的剖视图；

实施例1：

如图1-6所示，本发明包括定子单元和安装于定子单元内的转子单元，定子单元包括安装于机壳1内的多个分体式的定子铁芯叠片2、绕制在定子铁芯叠片2凸极上的定子绕组7、定子永磁铁3及固定定子铁芯叠片2和定子永磁铁3的铁质导磁楔块组件，每个独立的定子铁芯叠片2的两端环向表面安放同极性的定子永磁铁3，定子铁芯叠片2和定子永磁铁3组成单极性定子铁芯叠片单体，定子单元上的全部定子铁芯叠片2凸极上的定子绕组7间隔连线成A相定子绕组和B相定子绕组；所述转子单元包括用于驱动轴16转动的转子叠片8。

机壳为铝合金机壳，如图所示为线路连接及A相和B相交替开关运行关系，定子单元上的定子凸极为独立绕组，而转子单元为无绕组，无永磁铁的凸极式结构。每个定子单元上的定子绕组间隔连线成A、B两相，与转子单元同步的外置式旋转开关分别控制A相绕组或B相绕组的交替开关，形成相关定子单元上的凸极的定向磁场与定子单元的相关凸极的永久磁场的叠加，并作用于全部转子单元上的凸极。

定子单元上的凸极绕组所产生的电磁场与定子单元上凸极的永久磁场经铁质导磁楔块、转子单元上的凸极形成叠加磁路，使转子单元上的凸极转子产生远大于单纯电磁场作用于凸极转子的动能输出。定子单元的定子绕组采用A相和B相两相的运行模式，与以往的传统模式相比，使得定子凸极的连续通电运行率从1/3提升到1/2，比现有开关磁阻电机提升16%以上，大幅提高了功率密度，电机的能效更高。

实施例2：

本实施例在上述实施例1的基础上优选如下：定子单元和转子单元至少为2个且个数相等，定子单元的个数为N个且串联在轴16上，其中N的取值范围为2-4之间的自然数。本实施例中定子单元和转子单元的组数均为2组，两组定子单元分别为K1和K2。定子单元和转子单元的组数还可根据实际需要进行调整，使用更加的灵活。多个独立工作的定子单元和多组独立工作的转子单元的设计，设计制造时可对单独的各个单元进行分别设计和制造，制造更加简便，制造工艺得到优化，生产成本更加合理。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上优选如下：相邻两组转子单元在各自凸极周径分布位置上互相错开1/N凸极间距。为克服A相定子绕组和B相定子绕组换相时产生的转矩脉动，即K1转子单元在换相零转矩位置时，K2转子单元则处于转矩峰值位置，使转矩输出更加平稳。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上优选如下：所述轴16的尾端还外置旋转开关13，旋转开关13上的K1输出碳刷14和K2输出碳刷15交替向各定子单元上的A相定子绕组或B相定子绕组输入脉冲直流电。每个定子单元上的凸极的独立绕组间隔连线分成A、B两相，随轴运转的外置式旋转开关，通过相应位置的碳刷分别控制两组定子单元的定子的A相或B相绕组的交替开关，形成相关定子凸极的定向电磁场与定子相关凸极永磁场叠加、并作用于全部转子凸极输出转矩动能。

直流电源经控制开关、输入电刷、旋转开关向转子单元的凸极位于定子单元的凸极临近位置的凸极A相定子绕组供电并产生定向电磁场，凸极定向电磁场与定子单元的凸极永磁场叠加强化后与转子单元的各凸极形成磁链回路，根据磁阻最小原理，转子单元的凸极向磁阻变小的方向转动产生转矩，当转子单元的凸极运转至相关定子单元的凸极磁场轴线重合时与转子单元同步运转的旋转开关关断A相定子绕组电源的同时接通B相绕组电源，A相定子绕组凸极磁力消失，B相定子绕组凸极产生电磁场与定子单元的凸极永磁场叠加强化后与转子单元的各凸极形成磁链回路进入连续循环运行。

实施例5：

本实施例在上述实施例的基础上优选如下：铁质导磁楔块组件包括定子固定楔块4、铁质导磁楔块5和楔块螺栓6，在定子铁芯叠片2上间隔分布的凸极两端环向表面安放铁质导磁楔块5，定子固定楔块4用于固定相邻两单极性定子铁芯叠片单体，楔块螺栓6固定在机壳1上。其中的定子铁芯叠片、定子永磁铁按图中所示方位的N、S极性吸合安装，再用铁质导磁楔块、定子固定楔块、楔块螺栓固定在铝合金壳体内，嵌入定子绕组即成为一个定子单元。每个定子单元独立工作，后期的设计得到优化，后期制造更加的简便，生产成本得到降低。

定子单元上凸极的个数K=4+4n，n的取值范围在1—7之间的自然数。本实施例中定子铁芯叠片上的凸极数设置为12，凸极的个数也可根据实际需要设计为8、16、20、24、28和32。

旋转开关13包括输电环17、多片通电片18和多片断电片19，通电片18和断电片19交叉分布且围绕输电环17一圈，通电片18和断电片19之间绝缘粘合。旋转开关采用耐热绝缘材料，保证了旋转开关上通断电区间的区分，保证了旋转开关准确控制A相或B相的连通与断开。

实施例6：

本实施例在上述实施例的基础上优选如下：转子单元上转子叠片8上的凸极无绕组且无磁铁，转子单元上所有转子叠片8上的凸极数为定子铁芯叠片2上凸极数量的1/2，相邻两个转子单元之间通过转子定位套9进行固定；相邻两个定子单元之间通过机壳定位圈10进行固定。本实施例中转子叠片上的凸极数为6个。更好的保证定子凸极产生的电磁场与定子凸极的永久磁场经铁质导磁楔块、转子凸极形成叠加磁路，使凸极转子产生远大于单纯电磁场作用于凸极转子的动能输出，使能效更高。

轴16的尾端还设置端盖，在端盖定位止口上安装电刷支架11，在电刷支架11上安装输入电刷12、K1输出碳刷14和K2输出碳刷15。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.环向叠加磁路开关磁阻直流电动机，包括定子单元和安装于定子单元内的转子单元，其特征在于，定子单元包括安装于机壳（1）内的多个分体式的定子铁芯叠片（2）、绕制在定子铁芯叠片（2）凸极上的定子绕组（7）、定子永磁铁（3）及固定定子铁芯叠片（2）和定子永磁铁（3）的铁质导磁楔块组件，每个独立的定子铁芯叠片（2）的两端环向表面安放同极性的定子永磁铁（3），定子铁芯叠片（2）和定子永磁铁（3）组成单极性定子铁芯叠片单体，定子单元上的全部定子铁芯叠片（2）凸极上的定子绕组（7）间隔连线成A相定子绕组和B相定子绕组；所述转子单元包括用于驱动轴（16）转动的转子叠片（8）；所述轴（16）的尾端还外置旋转开关（13），旋转开关（13）上的K1输出碳刷（14）和K2输出碳刷（15）交替向各定子单元上的A相定子绕组或B相定子绕组输入脉冲直流电。

2.根据权利要求1所述的环向叠加磁路开关磁阻直流电动机，其特征在于，定子单元和转子单元至少为2个且个数相等，定子单元的个数为N个且串联在轴（16）上，其中N的取值范围为2-4之间的自然数。

3.根据权利要求2所述的环向叠加磁路开关磁阻直流电动机，其特征在于，相邻两组转子单元在各自凸极周径分布位置上互相错开1/N凸极间距。

4.根据权利要求1所述的环向叠加磁路开关磁阻直流电动机，其特征在于，铁质导磁楔块组件包括定子固定楔块（4）、铁质导磁楔块（5）和楔块螺栓（6），在定子铁芯叠片（2）上间隔分布的凸极两端环向表面安放铁质导磁楔块（5），定子固定楔块（4）用于固定相邻两单极性定子铁芯叠片单体，楔块螺栓（6）固定在机壳（1）上。

5.根据权利要求1所述的环向叠加磁路开关磁阻直流电动机，其特征在于，定子单元上凸极的个数K=4+4n，n的取值范围在1—7之间的自然数。

6.根据权利要求1所述的环向叠加磁路开关磁阻直流电动机，其特征在于，旋转开关（13）包括输电环（17）、多片通电片（18）和多片断电片（19），通电片（18）和断电片（19）交叉分布且围绕输电环（17）一圈，通电片（18）和断电片（19）之间绝缘粘合。

7.根据权利要求1所述的环向叠加磁路开关磁阻直流电动机，其特征在于，转子单元上转子叠片（8）上的凸极无绕组且无磁铁，转子单元上所有转子叠片（8）上的凸极数为定子铁芯叠片（2）上凸极数量的1/2，相邻两个转子单元之间通过转子定位套（9）进行固定；相邻两个定子单元之间通过机壳定位圈（10）进行固定。

8.根据权利要求1所述的环向叠加磁路开关磁阻直流电动机，其特征在于，所述轴（16）的尾端还设置端盖，在端盖定位止口上安装电刷支架（11），在电刷支架（11）上安装输入电刷（12）、K1输出碳刷（14）和K2输出碳刷（15）。