CN107979192A - 一种新型轴向结构的混合励磁开关磁阻电机 - Google Patents

一种新型轴向结构的混合励磁开关磁阻电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型轴向结构的混合励磁开关磁阻电机，其组成包括：两块定子铁心(1)、一块转子铁心(2)、电枢绕组(3)和四块永磁体(4)，将永磁体(4)按表贴式的排布方式沿径向安装在转子齿(10)上，将转子铁心(2)通过键(12)安装于转轴(5)上，再将电机电枢绕组(3)安装于定子齿(7)上，最后将两块定子铁心(1)分别安装于转子铁心(2)两侧，并通过轴承(13)安装在转轴(5)上，其特征在于：定子铁心(1)在径向上呈E形，转子齿(10)上安装有径向磁场的表贴式永磁体(4)。该电机在转子嵌入永磁体，用电励磁与永磁体励磁混合励磁，使得电机的磁路饱和程度增加，增大电机的气隙磁密,达到增加电磁转矩的目的。

Description

一种新型轴向结构的混合励磁开关磁阻电机
技术领域
本发明属于电机领域，特别是对开关磁阻电机进行结构改进，设计一种新型轴向结构的混合励磁开关磁阻电机。
背景技术
开关磁阻电动机调速系统是近十几年来随功率电子学和微电子学迅速发展而出现的一种新型可控交流调速系统。该系统由开关磁阻电机、功率变换器、位置传感器和控制器四部分组成，缺一不可。它具有结构简单、造价低廉、机体坚固、可靠性高、调速范围广以及有相对较高的转矩质量比等优点，这些优点使得开关磁阻电机在工业应用中受到青睐，并开始逐步应用在家用电器、一般工业、伺服与调速系统、牵引电动机、高速电动机、航天器械及汽车辅助设备等领域，显示出强大的市场竞争力。
但是由于传统开关磁阻电机定子电枢绕组电流同时承担励磁和产生电磁转矩的双重作用，绕组和逆变器容量要求较大，系统的效率和材料的有效利用率较低。为了解决这一问题，本文提出一种将开关磁阻电机与稀土永磁材料相结合的混合励磁开关磁阻电机。该电机既保留了开关磁阻电机的以上优点，又将高性能稀土永磁材料应用于电机之中。使电机的气隙磁通密度由线圈和永磁体共同产生，从而从一定程度上克服了传统开关磁阻电机以上的缺点。使其具有电磁转矩大、用铜量少、省铜耗、材料利用率高等优点。因而在今后实际的生产生活中具有重大的意义。
与永磁电机比较，混合励磁电机具有调节气隙磁场的能力；与电励磁同步电机相比，具有较小的电枢反应电抗。混合励磁电机不仅能继承永磁电机的诸多特点，而且具有电励磁电机气隙磁场平滑可调的优点，用作发电机，可获得较宽的调压范围，在飞机、舰船和车辆中可作为独立的发电系统。用作电动机，适合于作节能驱动使用，而其中的宽调速特性可以在电动汽车、武器设备伺服驱动等高要求场合应用。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种新型轴向结构的混合励磁开关磁阻电机，解决了传统开关磁阻电机因电枢绕组同时承担励磁和产生电磁转矩的双重作用，对绕组和逆变器容量要求较大，使得系统的效率和材料的有效利用率较低的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
1.一种新型轴向结构的混合励磁开关磁阻电机，其组成包括：两块定子铁心1、一块转子铁心2、电枢绕组3和四块永磁体4，将永磁体4按表贴式的排布方式沿径向安装在转子齿10上，通过键12将转子铁心2安装固定在转轴5上，再将电机电枢绕组3通过绕线模绕制并安装在电机定子齿7上，在绕组绕制完成后，在转子铁心2两侧对称安装两块定子铁心1，并将它们通过轴承13安装在转轴5上，其特征在于：此混合励磁电机是6/4极轴向盘式结构，转子齿10上安装有径向磁场的表贴式永磁体4。
2.根据权利要求1所述的磁阻电机，其特征在于：所述定子铁心1由定子轭部9和6个定子齿7组成，6个定子齿7等间距嵌在定子轭部铁心盘的一侧面上。
3.根据权利要求1或2所述的磁阻电机，其特征在于：所述定子铁心1其结构将采用分段拼接的方式，即将定子外齿环6、定子内齿环8、定子齿7和定子轭部9分段拼接。
4.根据权利要求1所述的磁阻电机，其特征在于：所述的转子铁心2由扇形极面的转子齿10、长方体形的永磁体和圆柱环形的转子轭部11组成。
5.根据权利要求4所述的磁阻电机，其特征在于：所述的扇形极面的转子齿10等间距围绕在转子轭部11上，永磁体沿磁场径向方向、按表贴式的排布方式焊接在转子齿上。
6.根据权利要求1所述的磁阻电机，其特征在于：所述的电枢绕组3由绕线和绕线模组成。
7.根据权利要求1或6所述的磁阻电机，其特征在于：所述的电枢绕组3，通过手工绕线的方式将线圈绕制于绕线模上，并在线圈绕制完成后将绕线模嵌套于定子齿7上。
8.根据权利要求1所述的磁阻电机，其特征在于：所述的定子铁心1、转子铁心2、电枢绕组3和永磁体4组成电机整体。
本发明与现有技术相比，其显著特点有：
1.该开关磁阻电机具有结构简单，性能优越，可靠性高，体积小等优点；
2.定子绕组线圈位于转子两侧，可利用绕线模手工嵌线，且嵌放绕组线圈容易，制造工艺简单，成本低；
3.转子上嵌有永磁体，电机采用电励磁与永磁体励磁的混合励磁，使得电机的饱和程度增加，从而增大电机的气隙磁密，达到增加电磁转矩的目的；
4.采用较小的长径比的转子结构和扇形面积较大的转子齿，具有良好的散热能力。
附图说明
图1是新型轴向结构混合励磁开关磁阻电机全剖结构示意图；
图2是新型轴向结构混合励磁开关磁阻电机的定子平面图；
图3是新型轴向结构混合励磁开关磁阻电机的转子平面图；
图4是新型轴向结构混合励磁开关磁阻电机的爆破图；
图5是线性模型中相电感与转子位置角θ的关系曲线图；
图6是磁链与位置角的关系曲线图；
图7是绕组相电流和转子位置角的关系曲线图；
图8是电磁转矩随转子位置角变化曲线图；
图9是分段线性磁化曲线图。
图中：1为定子铁心，2为转子铁心，3为电枢绕组，4为永磁体，5为转轴，6为定子外齿环，7为定子齿，8为定子内齿环，9为定子轭部，10为扇形极面的转子齿，11为转子轭部，12为键，13为轴承。
具体实施方式
一种新型轴向结构的混合励磁开关磁阻电机，其组成包括：两块定子铁心1、一块转子铁心2、电枢绕组3和四块永磁体4，将永磁体4按表贴式的排布方式沿径向安装在转子齿10上，将转子铁心2通过键12安装固定于转轴5上，再将电机电枢绕组3通过绕线模绕制并安装于定子铁心1的齿上，在绕组绕制完成后将两块定子铁心1分别安装于转子铁心2两侧，并通过轴承13安装在转轴5上，其特征在于：此混合励磁电机是6/4极轴向盘式结构，转子齿10上安装有径向磁场的表贴式永磁体4。
该技术方案具体实施如下：
1.主要参数计算
1.1负荷和磁负荷
开关磁阻电机的电负荷A是指定子内径表面每单位长度上导体中的总电流，表达式为
I为绕组电流有效值，Dsi为定子内径，Nph为每相绕组串联匝数，q为相数。
每极主磁通均出入一个转子齿截面积的范围，定义磁负荷为
一般情况下，Bδ取0.3～0.6T之间，A取15000～50000A/m。
1.2绕组端电压
开关磁阻电机可以直接采用直流电流或采用交流经整流得到的直流电源。当采用单相或三相交流电源整流，设Ud为全波整流后的直流电压，则
式中，U2为交流电源的相电压。
1.3气隙
开关磁阻电机实际上存在着两个气隙。第一气隙g是指定、转子磁极表面之间空气隙的距离，其影响最大电感Lmax的值。第二气隙gi是指定子磁极表面到转子槽底之间空气隙的距离，其影响最小电感Lmin值。
为了取得较大的电磁转矩，减小功率变换器伏安容量的要求，应尽可能减小气隙g，但受到装配工艺和加工工艺的约束，气隙g也不能太小，小型电机气隙一般不应小于0.25mm。
为了取得较低的最小电感Lu，提高电机的输出功率，第二气隙gi应该尽可能大一点，但不能过度，否则会导致电机轴径不够或转子轭高度不够。
1.4转子轭高
转子轭高hcr应该保证轭部铁芯出现最大磁通密度时不会发生过饱和，因此应该取
在不影响转轴强度情况下，hcr可以取大一些。
1.5轴径
轴径Di不能过小，否则会影响机械强度，导致转子振动、动偏心、电机噪声增大等问题，如果有必要，应该校核轴的扰度、临界转速和强度。
1.6定子轭高
定子轭高hcs应保证轭部铁芯出现最大磁通密度时不发生过饱和现象，较大的hcs可以有效抑制电机的振动和噪声。
1.7定子槽深
为了提供较大的绕组空间，采用大的导线截面以减小电机铜耗，定子槽深ds应该尽可能大一点。
1.8电流密度和槽满率
对于给定的电机几何尺寸，绕组的有效空间是一定的，槽满率为Ks，一般取0.35～0.5，在保证额定输出功率且绕组空间允许的情况下，匝数越多，绕组电流峰值越小，对降低开关管的伏安容量有利。确定绕组匝数之后，在决定导线截面时需要校核导线电流密度J，对于连续工作制电机，一般取J＝4～5.5A/mm2。
1.9损耗计算
开关磁阻电机的损耗主要有铜耗、铁耗、机械损耗和杂散损耗。铜耗正比于电流有效值的平方，铁耗主要是涡流损耗和磁滞损耗，机械损耗由轴承损耗和通风损耗组成，杂散损耗比较复杂，一般按照铜耗、铁耗和机械损耗的7％来计算。
铜耗的计算公式为
Pcu＝qI2RP (1-5)
式中，I为相绕组电流的有效值，RP为相绕组的电阻。
铁耗的计算公式为
式中，ρ为硅钢片电阻率，e为硅钢片厚度，G为经验系数。
机械损耗的计算公式为
Pfw＝5.4×10-5n0.7PN (1-7)
式中，n为电机转速，PN为额定功率。
2.数学模型
2.1线性模型
开关磁阻电机内部的电磁关系和运行特性都非常复杂，对了不陷入复杂烦琐的数学推导，突出其基本物理特性，必须对模型进行一定简化。
在线性模型中，为了简化，作出如下假设：
①不计磁路饱和影响，绕组的电感与电流大小无关
②忽略磁路非线性和磁通边缘效应
③忽略铁芯的磁滞和涡流效应，忽略所有的功率损耗
④半导体开关器件为理想开关，开关动作是瞬时完成的
⑤电机转速恒定
⑥电源电压恒定
(1)绕组电感
当转子转动时，转子的位置角θ不断变化，绕组电感就在最大电感量Lmax和最小电感量Lmin着两个特定电感值之间周期变化。最大电感是指转子磁极与定子磁极轴线相重合时的电感值；最小电感是指转子磁极轴线与定子磁极间中心线相重合时的电感值。电感变化频率与转子极对数成正比，电感变化周期为一个转子极距τr。在线性模型中，绕组相电感随转子位置θ周期性变化如图5所示。
坐标原点θ＝0是位置角参考点，定义为转子凹槽中心与定子磁极轴线重合的位置，此时相电感为最小值Lmin。θ3为转子和定子前极边重合的位置，θ4为转子和定子后极边重合的位置，θ1和θ5为转子后极边和定子前极边重合的位置，θ2为转子前极边和定子后极边重合的位置。电感L(θ)和转子位置角θ的关系，可以用以下函数形式表示。
式中，βs为定子磁极极弧，
(2)绕组磁链
电机第k相电压平衡方程式为
当相绕组电阻压降Rkik与dψk/dt相比很小，根据假设，忽略电阻压降，可以简化为
进一步整理可以得到
当该相主开关器件导通时，uk＝Us(Us为电源电压)，相绕组磁链将以一个恒定斜率Us/ωr随转子位置角的增大而线性增大；当该相主开关器件关断瞬间，即θ＝θoff时，磁链达到最大值，关断后，uk＝-Us，磁链以恒定斜率-Us/ωr随转子位置角的增大而线性减小，如图6所示。
用函数形式可以表示
(3)绕组电流
将ψ＝L(θ)i(θ)代入式，可以得到
两边同时乘以绕组相电流i，可以得到功率平衡方程
表明当开关磁阻电机通电时，若不计相绕组的损耗，输入电功率一部分用于增加绕组的储能，一部分转换为机械功率输出。
在电感上升区域θ2≤θ<θ3内绕组通电，旋转电动势为正，产生电动转矩，电源提供的电能一部分转换为机械能输出，一部分以磁能的形式储存在绕组中；通电绕组在θ2≤θ<θ3内断电，储存的磁能一部分转化为机械能，另一部分反馈给电源，此时转轴上仍获得电动转矩；在θ3≤θ<θ4，旋转电动势为零，如果电流继续流动，磁能仅反馈给电源，转轴上没有电磁转矩；若电流在θ4≤θ<θ5内流动，因旋转电动势为负，产生制动转矩，运行在发电状态。
为了得到较大的有效转矩，应在θ1≤θ<θ2内触发导通主开关，在θ2≤θ<θ3内关断主开关，这样可以得到一个电感变化周期内的电流波形，如图7所示。
绕组相电流i(θ)和转子位置角θ的函数关系式为
(4)电磁转矩分析
根据机电关系方程式，有
在线性模型中，根据线性假设，可以对方程进行简化
因此可得
电磁转矩的函数表达式为
电磁转矩随转子位置角变化曲线如图8所示。
2.2准线性模型
准线性模型是将实际的非线性磁化曲线分段线性化，同时不考虑相间耦合效应，近似地考虑了磁路的饱和效应和边缘效应，对于求解开关磁阻电机问题，具有一定的精度和可靠性。由于特殊的双凸极结构及磁路的高度饱和，产生了很强的边缘效应、涡流效应、磁滞效应及饱和效应。在分段线性化的多种方法中，最常用的一种方法是用两段线性特性来近似一系列非线性磁化曲线，其中一段为磁化特性曲线的非饱和段，非饱和曲线斜率为电感L(i,θ)的不饱和值；另一段为磁化特性曲线的饱和段，饱和段曲线与θ＝0位置的特性曲线平行，斜率为Lmin，如图9所示。
基于准线性模型，可以写出绕组电感L(θ)的分段解析式
将ψ(θ)＝L(θ)·i代入，可以得到绕组磁链的分段解析式
根据机电关系方程式，可以得到瞬时电磁转矩的分段解析式
2.3非线性模型
要准确计算开关磁阻电机性能，对稳态运行特性进行仿真，必须采用非线性方法。非线性方法大致可以分为两大类。
1、以数值计算方法或实验方法所获得的电机磁化曲线为基础，建立数据库对磁化曲线进行模化，从而计算电机的运行性能。这类方法计算准确，但速度较慢，依赖于特定方案的磁化曲线数据库。
2、第二类是利用电机几个特殊位置的磁化曲线，将电流或磁链作为转子位移角的函数进行模化，查值求取中间位置磁特性。这类方法计算快速，但准确性不够，并且需要引用经验公式，因此限定了其应用范围。

Claims (8)

1.一种新型轴向结构的混合励磁开关磁阻电机，其组成包括：两块定子铁心(1)、一块转子铁心(2)、电枢绕组(3)和四块永磁体(4)，将永磁体(4)按表贴式的排布方式沿径向安装在转子齿(10)上，通过键(12)将转子铁心(2)安装固定在转轴(5)上，再将电机电枢绕组(3)通过绕线模绕制并安装在电机定子齿(7)上，在绕组绕制完成后，在转子铁心(2)两侧对称安装两块定子铁心(1)，并将它们通过轴承(13)安装在转轴(5)上，其特征在于：此混合励磁电机是6/4极轴向盘式结构，转子齿(10)上安装有径向磁场的表贴式永磁体(4)。
2.根据权利要求1所述的磁阻电机，其特征在于：所述定子铁心(1)由定子轭部(9)和6个定子齿(7)组成，6个定子齿(7)等间距嵌在定子轭部铁心盘的一侧面上。
3.根据权利要求1或2所述的磁阻电机，其特征在于：所述定子铁心(1)其结构将采用分段拼接的方式，即将定子外齿环(6)、定子内齿环(8)、定子齿(7)和定子轭部(9)分段拼接。
4.根据权利要求1所述的磁阻电机，其特征在于：所述的转子铁心(2)由扇形极面的转子齿(10)、长方体形的永磁体和圆柱环形的转子轭部(11)组成。
5.根据权利要求4所述的磁阻电机，其特征在于：所述的扇形极面的转子齿(10)等间距围绕在转子轭部(11)上，永磁体沿磁场径向方向、按表贴式的排布方式焊接在转子齿上。
6.根据权利要求1所述的磁阻电机，其特征在于：所述的电枢绕组(3)由绕线和绕线模组成。
7.根据权利要求1或6所述的磁阻电机，其特征在于：所述的电枢绕组(3)，通过手工绕线的方式将线圈绕制于绕线模上，并在线圈绕制完成后将绕线模嵌套于定子齿(7)上。
8.根据权利要求1所述的磁阻电机，其特征在于：所述的定子铁心(1)、转子铁心(2)、电枢绕组(3)和永磁体(4)组成电机整体。
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