CN107979251A - 一种新型轴向磁通盘式结构的开关磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型轴向磁通盘式结构的磁阻电机，其组成包括：一块超前定子铁心(1)、一块滞后定子铁心(2)、一块转子铁心(3)和电枢绕组(4)，将转子铁心(3)通过建(12)安装固定于转轴(5)上，将绕制电枢绕组(4)绕制在绕组模上，安装在超前定子铁心(1)和滞后定子铁心(2)上，将超前定子铁心(1)和一块滞后定子铁心(2)分别安装于转子铁心(3)两侧，通过轴承(13)安装在转轴(5)上，其中：超前定子铁心(1)和一块滞后定子铁心(2)沿圆周方向错开一定角度。该电机轴向磁通盘式结构，轴向长度较小，在相同功率时，体积和重量小，功率密度大；较小的长径比的转子和扇形面积较大的转子齿，具有好的散热性。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，特别是一种轴向磁通盘式开关磁阻电机。
背景技术
SR电机的基本概念可追溯到19世纪40年代，1842年，英国的Aberdeen和Dafidson用两个U型电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动机。但因电路断开时没有释放能量的续流二极管电路，以及采用机械开关控制电磁铁的轮流通电，电动机的性能(效率、功率因数和利用系数等)不高。近几年虽然国内外众多机构对轴向磁通盘式开关磁阻电机进行了大量的研究工作，但是还存在一些问题亟待改进和解决。例如，意大利的Alberto Tenconi等学者基于电磁、机械和温度这三个方面研究了现今高速和超高速电机，着重介绍了这三个设计部分与电机大小设计之间的联系，在考虑了材料特性和加工工艺的情况下，比较了高速电机和开关磁阻电机技术工艺的优缺点，但是忽略了损耗对电机影响；美国乔治亚理工学院的Jie Dang提出了一种新型的开关磁阻电机的转子结构，解决了电机在超高速运行时的风阻损耗太大的问题，并且因为产生了不对称的气隙提高了转矩，但是忽略不对称气隙对转子运行稳定的影响；韩国三星公司的Sung-Il Kim等人针对传统的表贴式PMSM提出了一种新型转子结构，传统的表贴式PMSM为了保持高速旋转下转子的机械完整性使用了一种非磁性的套筒，这将导致额外的涡流损耗，同时会增加磁隙的长度和制造的成本，而使用新的转子结构将消除这些问题并能够很大程度上减少制造时永磁体的数量。针对上述情况，本发明提出一种新型的轴向磁通盘式开关磁阻电机技术方案。
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磁通盘式结构的开关磁阻电机，解决了轴向磁通盘式开关磁阻电机在换相时转矩波动很大的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
1、一种新型轴向磁通盘式结构的开关磁阻电机，其组成包括：一块超前定子铁心1、一块滞后定子铁心2、一块转子铁心3和电枢绕组4，将转子铁心3通过建14安装固定于转轴5上，将绕制电枢绕组4绕制在绕组模上，安装在超前定子铁心1和滞后定子铁心2上，将超前定子铁心1和一块滞后定子铁心2分别安装于转子铁心3两侧，通过轴承15安装在转轴5上，其特征在于：超前定子铁心1和一块滞后定子铁心2沿圆周方向错开一定角度。
2.根据权利要求1所述的磁阻电机，其特征在于：所述超前定子铁心1由超前定子轭部6和超前定子齿7组成，超前定子齿7位于超前定子轭部6铁心盘的一侧面上，等间距嵌在超前定子轭6上。
3.根据权利要求1所述的磁阻电机，其特征在于：所述滞后定子铁心2由滞后定子轭部8和滞后定子齿9组成，滞后定子齿9位于滞后定子轭部8铁心盘的一侧面上，等间距嵌在滞后定子轭8上。
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3由转子齿10和转子轭部11组成，转子齿10为扇形极面，转子轭部11为环状圆盘。
5.根据权利要求4所述的磁阻电机，其特征在于：所述的转子齿12等间距围绕在转子轭部13周围，用过焊接连接在转子轭部13外圆环上。
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4包括绕线和绕线模，绕线放置在绕线模中，绕线模嵌在超前定子齿7和滞后定子齿9上。
7.根据权利要求1、2、3、4、5、6任一权利要求所述的磁阻电机，其特征在于：所述的超前定子铁心1、滞后定子铁心2、转子铁心3和电枢绕组4组成电机整体。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
1.超前定子与滞后定子在圆周方向的错位使磁链增加，提高换相时的转矩，有利于减小转矩脉动。
2.该电机采用轴向磁通盘式结构，轴向长度较小，在相同功率的情况下，体积和重量都比较小，功率密度较大。
3.该电机中无永磁材料，全部由硅钢片叠压而成，因此能够适用于高温高压环境，并且加工方便，价格较低。
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是轴向磁通盘式开关磁阻电机的全剖结构示意图；
图2是轴向磁通盘式开关磁阻电机的结构示意图；
图3是轴向磁通盘式开关磁阻电机的主磁通；
图4是轴向磁通盘式开关磁阻电机的超前定子平面图；
图5是轴向磁通盘式开关磁阻电机的滞后定子平面图；
图6是轴向磁通盘式开关磁阻电机的转子平面图；
图7是轴向磁通盘式开关磁阻电机的爆破图；
图8是线性模型中相电感与转子位置角θ的关系曲线图；
图9是磁链与位置角的关系曲线图；
图10是绕组相电流和转子位置角的关系曲线图；
图11是电磁转矩随转子位置角变化曲线图；
图12是分段线性磁化曲线图；
图13是新电机和原电机的磁链波形图；
图14是新电机和原电机的转矩波形图。
图中：1为超前定子铁心，2为滞后定子铁心，3为转子铁心，4为电枢绕组，5为转轴，6为超前定子轭部，7为超前定子齿，8为滞后定子轭部，9为滞后定子齿，10为转子齿，11为转子轭部，12为键，13为轴承。
具体实施方式
一种新型轴向磁通结构的磁阻电机，其组成包括：一块超前定子铁心1、一块滞后定子铁心2、一块转子铁心3和电枢绕组4，将转子铁心3通过建14安装固定于转轴5上，将绕制电枢绕组4绕制在绕组模上，安装在超前定子铁心1和滞后定子铁心2上，将超前定子铁心1和一块滞后定子铁心2分别安装于转子铁心3两侧，通过轴承15安装在转轴5上，其特征在于：超前定子铁心1和一块滞后定子铁心2沿圆周方向错开一定角度。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8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9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10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11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12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。
3.结果分析比较
原电机的超前定子与滞后定子在圆周方向无错位，即超前定子与滞后定子是对称放置的。图13为新型电机和原电机的磁链波形图，新电机的磁链明显大于原电机，磁链较为平稳。图14为新电机和原电机的转矩波形图，电机换相的时候，原电机的转矩会急剧下降，其值约为零，新电机的转矩则较大，转矩较为平稳，转矩脉动较小，电机运行比较平稳。
Claims (7)
1.一种新型轴向磁通盘式结构的开关磁阻电机，其组成包括：一块超前定子铁心(1)、一块滞后定子铁心(2)、一块转子铁心(3)和电枢绕组(4)，将转子铁心(3)通过建(12)安装固定于转轴(5)上，将绕制电枢绕组(4)绕制在绕组模上，安装在超前定子铁心(1)和滞后定子铁心(2)上，将超前定子铁心(1)和一块滞后定子铁心(2)分别安装于转子铁心(3)两侧，通过轴承(13)安装在转轴(5)上，其特征在于：超前定子铁心(1)和一块滞后定子铁心(2)沿圆周方向错开一定角度。
2.根据权利要求1所述的磁阻电机，其特征在于：所述超前定子铁心(1)由超前定子轭部(6)和超前定子齿(7)组成，超前定子齿(7)位于超前定子轭部(6)铁心盘的一侧面上，等间距嵌在超前定子轭(6)上。
3.根据权利要求1所述的磁阻电机，其特征在于：所述滞后定子铁心(2)由滞后定子轭部(8)和滞后定子齿(9)组成，滞后定子齿(9)位于滞后定子轭部(8)铁心盘的一侧面上，等间距嵌在滞后定子轭(8)上。
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(3)由转子齿(10)和转子轭部(11)组成，转子齿(10)为扇形极面，转子轭部(11)为环状圆盘。
5.根据权利要求4所述的磁阻电机，其特征在于：所述的转子齿(10)等间距围绕在转子轭部(11)周围，通过焊接连接在转子轭部(11)外圆环上。
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(4)包括绕线和绕线模，绕线放置在绕线模中，绕线模嵌在超前定子齿(7)和滞后定子齿(9)上。
7.根据权利要求1、2、3、4、5、6任一权利要求所述的磁阻电机，其特征在于：所述的超前定子铁心(1)、滞后定子铁心(2)、转子铁心(3)和电枢绕组(4)组成电机整体。
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