CN106341021A - 电动车、车轮及其开关磁阻电机、开关磁阻电机系统 - Google Patents

电动车、车轮及其开关磁阻电机、开关磁阻电机系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例涉及电机技术领域，公开了一种开关磁阻电机，该开关磁阻电机包括壳体及设于壳体内的转子和定子，所述定子包括绕轴线间隔设置的多个定子齿，所述定子齿上依次绕有三相绕组；所述三相绕组中的每一相绕组均包括至少三个引出端，其中所述至少三个引出端包括位于绕组两端的两个端部引出端以及位于绕组中间预定位置的至少一个中部引出端。该开关磁阻电机可实现输出功率的多档位调节，其环境适应性好、可靠性高、使用寿命长、生产工艺简单、成本低。可广泛用于电动车中。

Description

电动车、车轮及其开关磁阻电机、开关磁阻电机系统
技术领域
本发明涉及电机的技术领域，涉及一种电动车、车轮及其开关磁阻电机、开关磁阻电机系统。
背景技术
发明人在实践中发现，目前大功率电动车的轮毂驱动电机一般采用永磁同步电机和轴向磁场电机，一般很少采用开关磁阻电机。
下面对这三种电机的性能进行分析：
1、轴向磁场电机结构复杂，生产成本高，实际应用价值不高。
2、现有技术中的开关磁阻电机一般被做成内转子电机形式，外转子轮毂电机未见被采用。作为内转子应用的开关磁阻电机的低速平稳性、噪声、功率密度仍不如永磁同步电机。
3、永磁同步电机存在着易退磁、低速运行效率低、寿命较短、可维护性比较差等缺点。
另外，现有技术中的开关磁阻电机由于其绕组结构的限制，导致输出功率恒定，无法满足电机需要输出变化功率的应用情况。
发明内容
为了解决现有技术中开关磁阻电机输出功率无法进行控制和调节的问题，本发明提供一种新型的开关磁阻电机结构及系统，以及利用该开关磁阻电机的电动车和车轮。
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种开关磁阻电机，所述关磁阻电机包括壳体及设于壳体内的转子和定子，所述定子包括绕轴线间隔设置的多个定子齿，所述定子齿上依次绕有三相绕组；
所述三相绕组中的每一相绕组均包括至少三个引出端，其中所述至少三个引出端包括位于绕组两端的两个端部引出端以及位于绕组中间预定位置的至少一个中部引出端。
根据本发明一优选实施例，所述开关磁阻电机为外转子内定子电机或者内转子外定子电机。
根据本发明一优选实施例，所述转子为具有16个转子齿的16极转子，所述定子为具有24个定子槽的24槽定子。
根据本发明一优选实施例，所述三相绕组每一相均包括三个引出端。
根据本发明一优选实施例，所述预定位置为所述每一相绕组的中点。
根据本发明一优选实施例，所述三相绕组共24个绕组，并划分为8个串联的绕组元件；绕组元件采用多根绝缘铜线并绕，并将多根绝缘铜线分成两组，进而形成两个线首端和两个线尾端，将其中一对线首端和线尾端作为该相绕组的两个端部引出端，再将另一对线首端与线尾端并接后，作为该相绕组的中点引出端，形成具有中点引出端的三相绕组结构。
为解决上述技术问题，本发还提供一种开关磁阻电机系统，所述系统包括驱动器和上述实施例中任一项所述的开关磁阻电机；所述驱动器包括工作状态选择模块，所述工作状态选择模块用于选择所述三相绕组的位于两个端部引出端之间全部绕组或位于端部引出端与中点引出端之间或中点引出端之间的部分进行工作，以使得所述开关磁阻电机实现不同扭矩输出。
根据本发明一优选实施例，所述驱动器还用于控制所述开关磁阻电机在发电机和电动机的工作形式之间进行切换。
根据本发明一优选实施例，所述工作状态选择模块至少包括三个第一开关、三个第二开关、三个第三开关、三个第一续流二极管、三个第二续流二极管以及三个第三续流二极管，其中所述三个第一开关的集电极接电源的正极，发射极分别连接对应的一相绕组的一个端部引出端，所述三个第二开关的集电极分别连接对应的一相绕组的另一个端部引出端，发射极连接电源的负极，所述三个第三开关的集电极分别连接对应的一相绕组的中点引出端，发射极连接电源的负极，所述三个第一续流二极管的负极分别连接对应的一相绕组所连接的第一开关的集电极，正极分别连接对应的一相绕组所连接的第二开关的集电极，所述三个第二续流二极管的负极分别连接对应的一相绕组所连接的第一开关的发射极，正极分别连接对应的一相绕组所连接的第二开关的发射极，所述三个三续流二极管的负极分别连接对应的一相绕组所连接的第一开关的集电极，正极分别连接对应的一相绕组所连接的第三开关的集电极。
为解决上述技术问题，本发还提供一种车轮，车轮采用开关磁阻电机驱动，所述开关磁阻电机采用上述实施例中任一项所述开关磁阻电机结构。
为解决上述技术问题，本发进一步提供一种电动车，所述电动车为纯电动或混合动力车，所述电动车包括上述实施例中任一项所述的开关磁阻电机系统。
根据本发明一优选实施例，所述电动车的车轮采用轮毂式开关磁阻电机系统驱动。
与现有技术相比，该开关磁阻电机可实现输出功率的多档位调节，其环境适应性好、可靠性高、使用寿命长、生产工艺简单、成本低。可广泛用于电动车中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1开关磁阻电机调速系统的结构组成框图；
图2是外转子结构的开关磁阻电机及其三相绕组示意图；
图3是图2中开关磁阻电机的局部结构放大图；
图4是定子绕组的磁场分布示意图；
图5是现有技术接通方法中单个绕组的磁场分布图；
图6是定、转子相对位置与相绕组电感曲线图；
图7是转子齿结构第一优选实施例的放大图；
图8是转子齿结构第二优选实施例的放大图；
图9是转子齿结构第三优选实施例的放大图；
图10是转子齿结构第四优选实施例的放大图；
图11是现有技术中电感随转角变化的曲线图；
图12是本发明开关磁阻电机齿尖结构的电感随转角变化的曲线图；
图13是填充物盖设于转子槽的槽口的示意图；
图14是填充物填充于转子槽内的结构示意图；
图15是开关磁阻电机控制系统的组成框图；
图16是工作状态选择模块的电路结构示意图；
图17是内转子结构的开关磁阻电机及其三相绕组示意图；
图18是图17中开关磁阻电机的局部结构放大图；以及
图19是一种优选的内转子结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
开关磁阻电机的一种调速系统的组成框图如图1所示，该调速系统一般包括开关磁阻电机100、功率变换器200、控制器300以及位置传感器400。关于调速系统各组成单元之间的控制过程，在本领域技术人员的理解范围内，此处不再详述。
本发明实施例提供一种开关磁阻电机，该开关磁阻电机为三相开关磁阻电机，包括壳体及设于壳体内的凸极转子和凸极定子，定子的齿上绕有ABC三相绕组。
优选的，ABC三相绕组中的每一相均包括至少三个引出端，其中包括两个端部引出端，位于绕组两端，还包括至少一个中部引出端，该中部引出端位于绕组中间的某一位置，这样，当将中部某一引出端和其中一个端部引出端接入电路时，则每一相绕组只有部分通电工作，而将两个端部引出端接入电路时，则每一相绕组全部通电工作，从而实现对工作状态的调节。
例如，ABC三相绕组中的每一相均是具有中点的三相绕组，中部引出端即与绕组的中点相连接，则绕组可以全部接入电路进行工作，对应于电机的正常工作状态，也可以以其一半接入电路进行工作，对应于电机辅助工作状态。ABC三相绕组可以设置成包括多个中部引出端，这样电机的工作状态则可以有多种档位调节。
优选的，本实施例中开关磁阻电机可以为外转子内定子电机，其中，如图2所示，定子包括绕周向间隔设置的多个定子齿和位于定子齿之间的定子槽；转子包括绕周向设置的多个转子齿和位于转子齿之间的转子槽。该转子410可以为16极的外转子、定子420为24槽的内定子。
如图2所示，16极外转子24槽内定子电机可采用ABCABC……的顺序绕制，共24个绕组元件，三相绕组各有8个串联的绕组元件，绕组元件采用多根绝缘铜线并绕，将多根绝缘铜线分成两半，如此8个串联的绕组元件，又形成并绕的两部分，共有两个线首端和两个线尾端，将其中一对线首端和线尾端作为为该相绕组的端部引出端，再将另一对线首端与线尾端并接后，作为该相绕组的中点引出端，因此ABC三相绕组是具有中点引出端的三相绕组。当然，在其他实施例中，三相绕组中的每一项还可以设有多个中部引出端，且引出位置也不限于在绕组的中点，在本领域技术人员的理解范围内，此处不再赘述。
请参阅图3，图3是图2中开关磁阻电机的局部结构放大图。优选的，本实施例中定子的槽底宽度L10与定子齿的宽度L8之比为1～1.25，槽深D1是齿宽L8的2～4倍。此设计可以保证电机的材料利用率高，震动和噪声小。这是由于开关磁阻电机不使用永磁体，仅仅使用铁芯和铜线，当其用铜量与用铁量相当时，电机的材料利用率最高。而开关磁阻电机的定子的槽底宽度与定子齿的宽度比为1时，可以认为其用铜量与用铁量相当，槽底宽度与定子齿的宽度比大于1，则可以放更多铜线。但如果槽底宽度与定子齿的宽度比过大，当槽深是齿宽的2～4倍时，意味着定子齿的宽度太窄，当齿上绕组通电后，定、转子在强烈的磁拉力作用下，容易产生震动和噪声。本发明定子的槽深、齿和槽的宽度比的取值范围，有效确保电机的材料利用率高，也即提高了电机的功率密度，且抑制了震动和噪声。
优选的，外转子的槽口宽度L7与转子齿的宽度L6满足：L7/L6为1～0.75，槽深D2为转子410与定子420之间气隙δ的20～30倍。转子的这种结构设计与定子的槽底宽度L10与定子齿的宽度L8之比为1～1.25，槽深D1是齿宽L8的2～4倍的设计相配合，导致本发明开关磁阻电机的与最大电感Lmax与最小电感Lmin之比Lmax/Lmin值要比传统开关磁阻电机大得多，本发明的电感比可高达6～8，而传统开关磁阻电机只能达到2.5～4.5左右。由于开关磁阻电机的输出力矩电感比高意味大，电机的输出力矩就大，也即成倍提高了电机的功率密度。其中，在本实施例中转子与定子之间的气隙δ的宽度可以设计为δ＝(0.25～0.5)mm。
进一步地，为了提高电机的功率密度，本实施例中定子的相邻定子齿上的绕组产生的磁场方向相反，请参阅图4，图4是定子绕组的磁场分布示意图，相比较于传统的绕组通电方法，相邻定子齿上的绕组的磁场方向相同，使每个绕组单独形成一个小磁场，请参阅图5，图5是现有技术接通方法中单个绕组的磁场分布图；本实施例中相邻定子齿的绕组的电流方向相反，以使相邻绕组产生的磁场方向相反；该种接通方法可以使相邻定子绕组之间共同形成磁场，此种结构可以提高磁场密度，使磁阻转矩变大，进而提高电机的功率密度。该种绕组的通电方式不但适用于本实施例中的16极24槽的电机结构，同样适用于转子为(8×n)极的转子，定子为(12×n)槽的定子(其中，n为大于等于2的正整数)的电机结构。
传统电机的电感随转角变化的曲线如图6所示，存在电感不变的小区间，该区间的不产生力矩。为了缩小该区间，提高电机的利用率，本发明转子的每一个转子齿的两侧设计为非对称结构，譬如转子齿的两个齿尖的角度设计为不同的角度等。则电机的电感随转角变化的曲线的区间变小，甚至消失。而转子齿两个齿尖中的至少一个可以设计为钝角。
进一步优选地，请一并参阅图7，图7是转子齿结构第一优选实施例的放大图，本实施例中的转子齿的两个齿尖中的一个齿尖4101设计成钝角，另一个齿尖4102设计为锐角或者直角。其中，转子齿尖钝角的深度D3可以为气隙δ的1～2倍，转子齿尖钝角的宽度D4可以为转子齿的宽度L6的1/10～1/5，若电机按钝角的方向顺序地对三相绕组通电，可以大幅度减小电机的噪声。
另外，在其他实施例中，转子齿的两个齿尖还可以都设计成钝角、都设计成锐角或者锐角与直角搭配的结构形式，只要保证转子齿的两侧为非对称结构即可。请进一步参阅图8-图10，图8是转子齿结构第二优选实施例的放大图，图9是转子齿结构第三优选实施例的放大图，以及图10是转子齿结构第四优选实施例的放大图；其中，图8实施例中转子齿的两侧齿尖一个为圆弧结构4101，另一个为削角结构4102，削角位置形成两个钝角；图9实施例中转子齿的两侧齿尖一个为锐角或者直角结构4101，另一个为突出的尖角结构4102，而图10实施例中转子齿的两侧齿尖一个为锐角或者直角结构4101，另一个齿尖附近设有一凹槽的结构4102。以上仅仅列举了几种转子齿的结构，本发明保护的主旨是转子齿的两侧为非对称结构。当然，在其他实施例中，还可以有多种变化的转子齿结构，此处不再一一列举。
请参阅图11和图12，图11是现有技术中电感随转角变化的曲线图，图12是本发明开关磁阻电机齿尖结构的电感随转角变化的曲线图，很显然，本发明中的齿尖设计结构，其电感随转角变化的曲线的区间变小(图中标号X为位置)，甚至消失，即不产生力矩的区间很小甚至消失，从很大程度上提高了电机的磁通利用率，进而增大了电机的输出转矩。
优选的，转子槽的槽口或者转子槽内部还可以设置填充物，以减小转子的空气阻力。该填充物(覆盖物)需要为绝缘绝磁材料，譬如塑料、玻璃钢或者复合材料等等。
请一并参阅图13和图14，图13和图14是两种填充物设置结构的示意图，其中，图13是覆盖物盖设于转子槽的槽口的示意图，图14是填充物填充于转子槽内的结构示意图。
图13中覆盖物500可以为粘贴在转子槽430槽口的带状结构，覆盖物500可以为一整条覆盖在整个转子的所有转子槽430上，还可以为分段结构覆盖部分转子槽430，在本领域技术人员的理解范围内，此处不再详述。
图14中填充物500为填充在转子槽430内楔块，优选为填平转子槽430。在填充物500填充于转子槽时，填充物500与锐角或者直角齿尖结构的转子齿之间平滑过渡连接(图14中标注510位置处)；而填充物500与钝角齿尖结构的转子齿之间通过弧面(图14中标注520位置处)过渡连接。这种填充物500与两侧转子齿之间通过平滑过渡结构连接可以保证转子的整体外侧面为平滑结构，达到最大程度的减小空气阻力的目的。
进一步地，为了使填充物500可以可靠的镶嵌在相应的转子槽内，在转子齿的侧面上可以设置有的定位槽(图中未标注)，相应地，填充物500的侧面设有与定位槽结构相适配的定位凸起530，该定位凸起530与定位槽配合实现对填充物500的卡接定位，进而保证填充物500可靠的镶嵌在相应的转子槽内。当然，图14中仅仅示意了一种弧状结构的定位突起530，当然，还可以为燕尾结构等，只要能够保证填充物500可以稳定镶嵌或者卡接在转子槽内即可，此处不再一一列举。
本发明另外还提供一种开关磁阻电机的控制系统，请参阅图15，图15是开关磁阻电机控制系统的组成框图；该系统包括开关磁阻电机510和驱动器520，其中开关磁阻电机510可以是前述实施例描述的开关磁阻电机。
该驱动器520至少包括工作状态选择模块521，该工作状态选择模块521用于选择三相绕组的位于两个端部引出端之间全部绕组或位于端部引出端与中点引出端之间或中点引出端之间的部分进行工作，以使得开关磁阻电机实现不同扭矩输出。
该工作状态选择模块521至少包括三个第一开关、三个第二开关、三个第三开关、三个第一续流二极管、三个第二续流二极管以及三个第三续流二极管，其中三个第一开关的集电极接电源的正极，发射极分别连接对应的一相绕组的一个端部引出端，三个第二开关的集电极分别连接对应的一相绕组的另一个端部引出端，发射极连接电源的负极，三个第三开关的集电极分别连接对应的一相绕组的中点引出端，发射极连接电源的负极，三个第一续流二极管的负极分别连接对应的一相绕组所连接的第一开关的集电极，正极分别连接对应的一相绕组所连接的第二开关的集电极，三个第二续流二极管的负极分别连接对应的一相绕组所连接的第一开关的发射极，正极分别连接对应的一相绕组所连接的第二开关的发射极，三个三续流二极管的负极分别连接对应的一相绕组所连接的第一开关的集电极，正极分别连接对应的一相绕组所连接的第三开关的集电极。
举例来说，如图16所示，上述工作状态选择模块521可包括3个辅助功率开关V7、V8、V9和3个辅助续流二极管VD7、VD8、VD9，辅助功率开关参与工作时，为辅助工作状态；辅助功率开关停止工作时，为正常工作状态。
当ABC三相绕组是具有中点的三相绕组时(即以绕组的中点引出端为例)，V1、V2、V3分别是A、B、C三相绕组的上桥臂功率开关，其集电极接电源Us的正极；其发射极分别接A、B、C三相绕组的输入端，且分别与续流二极管VD4、VD5、VD6的负极相连，然后将续流二极管VD4、VD5、VD6的正极接电源Us的负极。A、B、C三相绕组的输出端分别接下桥臂功率开关V4、V5、V6的集电极，且分别与续流二极管VD1、VD2、VD3的正极相连，然后将续流二极管VD1、VD2、VD3的负极接电源Us的正极。而功率开关V4、V5、V6的发射极接电源Us的负极(电源地)。如此构成三相开关磁阻电机的功率驱动电路；A、B、C三相绕组的中点引出端分别与辅助功率开关V7、V8、V9的集电极相连接，且分别与辅助续流二极管VD7、VD8、VD9的正极相连，然后将辅助续流二极管VD7、VD8、VD9的负极接电源Us的正极。
正常工作状态时，让辅助功率开关V7、V8、V9关断停止工作，三相开关磁阻电机驱动控制器的V1～V6功率开关正常工作，可以使三相开关磁阻电机的A、B、C三相绕组全部投入工作；辅助工作状态时，让三相开关磁阻电机驱动控制器的V1～V3和V7～V9辅助功率开关正常工作，而功率开关V4、V5、V6关断停止工作，使三相开关磁阻电机的A、B、C三相绕组的1/2匝数绕组投入工作。由于正常工作状态时，三相绕组全部投入工作，电机的总匝数大，电机产生的力矩大，转速低；辅助工作状态时，电机的只有1/2匝数参与工作，电机的力矩小但转速高；两者配合实现了两档无极变速。
本实施例三相开关磁阻电机的驱动控制器520可以在当电机获得输入转速时，利用开关磁阻电机的位置传感器，令其在三相绕组电感随位置角变化的变化率，的区域，对相应的三相绕组的功率开关进行开关控制，实现发电机运行。
该驱动控制器520可以根据转速，控制开关磁阻电机在正常工作状态和辅助工作状态下运行；正常工作状态时，让辅助功率开关V7、V8、V9关断停止工作，三相开关磁阻电机的驱动控制器的V1～V6功率开关正常工作，可以使三相开关磁阻电机的A、B、C三相绕组全部投入工作；辅助工作状态时，让三相开关磁阻电机的驱动控制器的V1～V3和V7～V9辅助功率开关正常工作，而功率开关V4、V5、V6关断停止工作，使三相开关磁阻电机的A、B、C三相绕组的1/2匝数绕组投入工作。由于正常工作状态时，三相绕组全部投入工作，电机的总匝数大，电机适应大力矩，转速低状态；辅助工作状态时，电机的只有1/2匝数参与工作，电机适应小力矩高转速状态；两者配合实现了低转速发电机运行和高转速发电机运行。
本实施例中三相开关磁阻电机作为发电机运行的突出优点是：完全没有由于齿槽效应产生的定位力矩；加上拥有低转速发电机运行和高转速发电机运行模式，高效率发电的区域非常宽。
本发明实施例中的开关磁阻电机结构有效提高了开关磁阻电机的功率密度，降低开关磁阻电机的转矩波动和噪音，具有特别宽的高效率工作区域。该开关磁阻电机完全没有由于齿槽效应产生的定位力矩，作为发电机运行，高效率发电的区域非常宽。
另外，在工作状态选择模块521选择接入绕组其他位置的中部引出线时，还可以组合出不同的档位变换形式，在本领域技术人的理解范围内，此处不再一一详述。
进一步地，本发明实施例还提供一种内转子外定子结构的开关磁阻电机，请参阅图17，图17是内转子结构的开关磁阻电机及其三相绕组示意图。优选地，该实施例中的开关磁阻电机为具有16个转子齿的16极的内转子且具有24个定子槽的24槽外定子电机。图中标号210为定子，220为转子。
同样的，该16极内转子24槽外定子电机可采用ABCABC……的顺序绕制，共24个绕组元件，三相绕组各有8个串联的绕组元件，绕组元件采用多根绝缘铜线并绕，将多根绝缘铜线分成两半，如此8个串联的绕组元件，又形成并绕的两部分，共有两个线首端和两个线尾端，将其中一对线首端和线尾端作为为该相绕组的端部引出端，再将另一对线首端与线尾端并接后，作为该相绕组的中点引出端，因此ABC三相绕组是具有中点引出端的三相绕组。当然，在其他实施例中，三相绕组中的每一项还可以设有多个中部引出端，且引出位置也不限于在绕组的中点，在本领域技术人员的理解范围内，此处不再赘述。
请一并参阅图18，图18是图17中开关磁阻电机的局部结构放大图。优选的，本实施例中定子的槽口宽度L2与定子齿的宽度L1之比为1～1.25，槽深D5是齿宽L1的2～4倍。此设计可以保证电机的材料利用率高，震动和噪声小。这是由于开关磁阻电机不使用永磁体，仅仅使用铁芯和铜线，当其用铜量与用铁量相当时，电机的材料利用率最高。而开关磁阻电机的定子的槽口宽度与定子齿的宽度比为1时，可以认为其用铜量与用铁量相当，槽口宽度与定子齿的宽度比大于1，则可以放更多铜线。但如果槽口宽度与定子齿的宽度比过大，当槽深是齿宽的2～4倍时，意味着定子齿的宽度太窄，当齿上绕组通电后，定、转子在强烈的磁拉力作用下，容易产生震动和噪声。本发明定子的槽深、齿和槽的宽度比的取值范围，有效确保电机的材料利用率高，也即提高了电机的功率密度，且抑制了震动和噪声。
优选的，外转子的槽口宽度L5与转子齿的宽度L4满足：L5/L4为1～0.75，槽深D6为转子220与定子210之间气隙δ的20～30倍。转子的这种结构设计与定子的槽口宽度L5与定子齿的宽度L4之比为1～1.25，槽深D5是齿宽L1的2～4倍的设计相配合，导致本发明开关磁阻电机的与最大电感Lmax与最小电感Lmin之比Lmax/Lmin值要比传统开关磁阻电机大得多，本发明的电感比可高达6～8，而传统开关磁阻电机只能达到2.5～4.5左右。由于开关磁阻电机的输出力矩电感比高意味大，电机的输出力矩就大，也即成倍提高了电机的功率密度。其中，在本实施例中转子与定子之间的气隙δ的宽度可以设计为δ＝(0.25～0.5)mm。
为了进一步提高电机的功率密度，本实施例中定子的相邻定子齿上的绕组也采用产生磁场方向相反的电流控制形式，具体的磁场形式及原理请参数上述实施例中的相关描述，此处不再赘述。
请参阅图19，图19是一种优选的内转子结构的示意图，优选地，本实施例中的转子齿两侧齿尖同样可以设计成角度不同的结构，关于转子齿齿尖的结构特征，请参阅上述实施例中的相关描述，此处不再赘述。
另外，转子槽内同样可以设置填充物(图中标号600)，以减小转子的空气阻力，图中虽然只标示出了一处设置有填充物600，但应该是所有转子槽内都设置填充物600。而关于填充物600的设置结构以及材料等技术特征，也请参阅上述实施例中的相关描述，此处亦不再重复。
内转子结构电机的一个最优实施例
本实施例中的开关磁阻电机包括凸极转子、凸极定子以及驱动控制器等，其中，转子为16极、定子为24槽。
本实施例取定子的槽口宽度与定子齿的宽度之比为1/0.8，槽深是齿宽的3倍。此设计有效确保电机的材料利用率高，也即提高了电机的功率密度，且抑制了震动和噪声。
本实施例三相开关磁阻电机，16极的转子的槽口宽度角与转子齿的宽度之比为0.8，槽深为气隙δ的25倍。转子的这种设计结构可使电感比高达7，而传统开关磁阻电机只能达到2.5～4.5左右。由于开关磁阻电机的输出力矩电感比高意味大，电机的输出力矩就大，也即成倍提高了电机的功率密度。
同时转子的每一个转子齿的两个齿尖中的一个齿尖设计成钝角，另一个为锐角。则电机的电感随转角变化的曲线的区间变小，甚至消失。若电机按钝角的方向顺序地对三相绕组通电，还可以大幅度减小电机的噪声。
本实施例三相开关磁阻电机的转子、定子之间的气隙δ的宽度为δ＝0.25mm，转子齿齿尖钝角的深度为0.3mm，钝角的宽度为转子齿的宽度的1/6。
本实施例定子的齿上绕有ABC三相绕组，ABC三相绕组是具有中点的三相绕组。三相绕组的分布顺序分别为A-B-C-A-B-C-A-B-C-A-B-C-A-B-C-A-B-C-A-B-C-A-B-C-共24个绕组元件，三相绕组各有8个串联的绕组元件；绕组元件采用多根绝缘铜线并绕，将多根绝缘铜线分成两半，如此8个串联的绕组元件，又形成并绕的两部分，共有两个线首端和两个线尾端，将其中一对首端和尾端作为为该相绕组的引出端，再将另一对首端、尾端并接后，作为该相绕组的中点引出端，因此ABC三相绕组是具有中点的三相绕组。
本实施例中的三相开关磁阻电机，为了减小空气阻力和噪音，转子的槽内插有楔块，楔块的材料可以为塑料和玻璃纤维复合材料等。
本实施例三相开关磁阻电机的驱动控制电路图中(请参阅图16)，V1、V2、V3分别是A、B、C三相绕组的上桥臂功率开关，其集电极接电源Us的正极；其发射极分别接A、B、C三相绕组的输入端，且分别与续流二极管VD4、VD5、VD6的负极相连，然后将续流二极管VD4、VD5、VD6的正极接电源Us的负极。A、B、C三相绕组的输出端，分别接下桥臂功率开关V4、V5、V6的集电极，且分别与续流二极管VD1、VD2、VD3的正极相连，然后将续流二极管VD1、VD2、VD3的负极接电源Us的正极。而功率开关V4、V5、V6的发射极接电源Us的负极(电源地)。如此构成普通三相开关磁阻电机的功率驱动电路；A、B、C三相绕组的中点引出端，分别与辅助功率开关V7、V8、V9的集电极相连接，且分别与辅助续流二极管VD7、VD8、VD9的正极相连，然后将辅助续流二极管VD7、VD8、VD9的负极接电源Us的正极。
本实施例中三相开关磁阻电机的驱动控制器增加了3个辅助功率开关和3个辅助续流二极管，辅助功率开关参与工作时，为辅助工作状态，辅助功率开关停止工作时，为正常工作状态。正常工作状态时，让辅助功率开关V7、V8、V9关断停止工作，三相开关磁阻电机的驱动控制器的V1～V6功率开关正常工作，可以使三相开关磁阻电机的A、B、C三相绕组全部投入工作；辅助工作状态时，让三相开关磁阻电机的驱动控制器的V1～V3和V7～V9辅助功率开关正常工作，而功率开关V4、V5、V6关断停止工作，使三相开关磁阻电机的A、B、C三相绕组的1/2匝数绕组投入工作。由于正常工作状态时，三相绕组全部投入工作，电机的总匝数大，电机产生的力矩大，转速低；辅助工作状态时，电机的只有1/2匝数参与工作，电机的力矩小但转速高；两者配合实现了两档无极变速。
由于正常工作状态时，三相绕组全部投入工作，电机的总匝数大，电机产生的力矩大，转速低。正常工作状态时，能够保证低转速区间，电机有高的效率平台，转速接近高速区效率渐渐变低，此时控制器根据转速反馈，切换到辅助工作状态。
辅助工作状态时，电机的只有1/2匝数参与工作，电机的力矩小但转速高。辅助工作状态时，电机能够保证高转速区间(4000～9000转/分)，电机有高的效率平台，尽管当转速接近低速区效率渐渐变低，但此时控制器根据转速反馈，又切换到正常工作状态，获得低速区(0～4000转/分)的高的效率平台。可见，两种工作状态的配合实现了两档无极变速，扩展了电机实际工作区域的高效率区域。因此，本实施例三相开关磁阻电机的实际效率平台比传统开关磁阻电机宽许多。
本实施例开关磁阻电机效率曲线在125-50％额定转速范围内，和在50-300％额定扭矩范围内，效率不低于86％，最高效率97％。
本发明实施例中的开关磁阻电机结构有效提高了开关磁阻电机的功率密度，降低开关磁阻电机的转矩波动和噪音，具有特别宽的高效率工作区域。
本发明还提供一种车轮，该车轮采用开关磁阻电机驱动，而该开关磁阻电机为如前实施例中所述的开关磁阻电机。
优选地，该车轮可以包括轮毂式开关磁阻电机，即利用轮毂式开关磁阻电机驱动，该轮毂式开关磁阻电机为外转子内定子的电机结构。
进一步地，本发明还提供一种电动车，该电动车可以为电动汽车、电动摩托车或者电动自行车等。该电动车为纯电动或混合动力车，该电动车的车轮采用开关磁阻电机驱动，该开关磁阻电机也为如前实施例中所述的开关磁阻电机。优选的，该电动车的驱动轮可采用上述实施例中的车轮结构，即车轮包括轮毂式开关磁阻电机，利用轮毂式开关磁阻电机驱动车轮转动。
需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：闪存盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取器(Random AccessMemory，RAM)、磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例所提供的开关磁阻电机及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种开关磁阻电机，其特征在于，所述开关磁阻电机包括壳体及设于壳体内的转子和定子，所述定子包括绕轴线间隔设置的多个定子齿，所述定子齿上依次绕有三相绕组；
所述三相绕组中的每一相绕组均包括至少三个引出端，其中所述至少三个引出端包括位于绕组两端的两个端部引出端以及位于绕组中间预定位置的至少一个中部引出端。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述开关磁阻电机为外转子内定子电机或者内转子外定子电机。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述转子为具有16个转子齿的16极转子，所述定子为具有24个定子槽的24槽定子。
4.根据权利要求3所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述三相绕组每一相均包括三个引出端。
5.根据权利要求4所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述预定位置为所述每一相绕组的中点。
6.根据权利要求5所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述三相绕组共24个绕组，并划分为8个串联的绕组元件；绕组元件采用多根绝缘铜线并绕，并将多根绝缘铜线分成两组，进而形成两个线首端和两个线尾端，将其中一对线首端和线尾端作为该相绕组的两个端部引出端，再将另一对线首端与线尾端并接后，作为该相绕组的中点引出端，形成具有中点引出端的三相绕组结构。
7.一种开关磁阻电机系统，所述系统包括开关磁阻电机和驱动器，其中开关磁阻电机为权利要求1-6任一项所述的开关磁阻电机；
所述驱动器包括工作状态选择模块，所述工作状态选择模块用于选择所述三相绕组的位于两个端部引出端之间全部绕组或位于端部引出端与中点引出端之间或中点引出端之间的部分进行工作，以使得所述开关磁阻电机实现不同扭矩输出。
8.根据权利要求7所述的开关磁阻电机系统，其特征在于，所述驱动器还用于控制所述开关磁阻电机在发电机和电动机的工作形式之间进行切换。
9.根据权利要求7所述的开关磁阻电机系统，其特征在于，所述工作状态选择模块至少包括三个第一开关、三个第二开关、三个第三开关、三个第一续流二极管、三个第二续流二极管以及三个第三续流二极管，其中所述三个第一开关的集电极接电源的正极，发射极分别连接对应的一相绕组的一个端部引出端，所述三个第二开关的集电极分别连接对应的一相绕组的另一个端部引出端，发射极连接电源的负极，所述三个第三开关的集电极分别连接对应的一相绕组的中点引出端，发射极连接电源的负极，所述三个第一续流二极管的负极分别连接对应的一相绕组所连接的第一开关的集电极，正极分别连接对应的一相绕组所连接的第二开关的集电极，所述三个第二续流二极管的负极分别连接对应的一相绕组所连接的第一开关的发射极，正极分别连接对应的一相绕组所连接的第二开关的发射极，所述三个三续流二极管的负极分别连接对应的一相绕组所连接的第一开关的集电极，正极分别连接对应的一相绕组所连接的第三开关的集电极。
10.一种车轮，其特征在于，所述车轮采用开关磁阻电机驱动，所述开关磁阻电机采用权利要求1-6任一项所述开关磁阻电机的结构。
11.一种电动车，其特征在于，所述电动车为纯电动或混合动力车，所述电动车包括如权利要求7-9任一项所述的开关磁阻电机系统。
12.根据权利要求11所述的电动车，所述电动车的车轮采用轮毂式开关磁阻电机系统驱动。
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