CN108258862B - 低脉动转矩的开关磁阻电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了低脉动转矩的开关磁阻电动机。开关磁阻电动机因脉动转矩较大，在一些控制及振动噪声要求高的场合的推广使用受到制约。本发明包括转轴、前端盖、第一子电机系统、第二子电机系统、机座和后端盖；机座的头端与前端盖固定，尾端与后端盖固定。转轴支承在前端盖及后端盖上。第一子电机系统与第二子电机系统的功率、相数、极对数均相同。第一子电机系统的定子铁心与第二子电机系统的定子铁心在一个垂直于转轴轴线的平面上的投影完全重合。第一子电机系统的转子铁心与第二子电机系统的转子铁心在沿转轴的周向错开θ角设置。本发明降低了开关磁阻电动机的转矩脉动，使得开关磁阻电动机能够应用到对振动噪声要求高的场合。

Description

低脉动转矩的开关磁阻电动机

技术领域

本发明属于电动机技术领域，具体涉及一种低脉动转矩开关磁阻电动机。

背景技术

开关磁阻电动机调速系统由于其结构简单、坚固、工作可靠、成本低、系统控制灵活、调速性能好、运行效率高、温升低等诸多优点，是目前很有发展潜力的新型电动机之一，但开关磁阻电动机运行时转矩脉动较大，通常转矩脉动的典型值为15％，由于转矩脉动导致的噪声问题以及特定频率下的谐振问题较为突出，因此，开关磁阻电动机除在一些通用工业(风机、泵、压缩机等)、牵引电机、高转速电机(纺织机、航空发动机、离心机等)得到一定应用以外，在一些控制及振动噪声要求较高的场合的推广使用受到制约。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低脉动转矩开关磁阻电动机。

本发明包括转轴、前端盖、第一子电机系统、第二子电机系统、机座和后端盖；所述机座的头端与前端盖固定，尾端与后端盖固定。所述的转轴支承在前端盖及后端盖上。

所述的第一子电机系统包括第一转子铁心、第一定子铁心和第一励磁绕组。所述的第一转子铁心固定在转轴上。所述的第一定子铁心固定在机座内。所述的第一定子铁心套置在第一转子铁心外侧。第一定子铁心上绕制有第一励磁绕组。

所述的第二子电机系统包括第二励磁绕组、第二定子铁心和第二转子铁心。所述的第二转子铁心固定在转轴上。所述的第二定子铁心固定在机座内。所述的第二定子铁心套置在第二转子铁心外侧。第二定子铁心上绕制有第二励磁绕组。

所述的第一子电机系统与第二子电机系统的功率W、相数n、定子转子齿数比均相同。第一转子铁心及第二转子铁心的齿数均为m。

第一定子铁心与第二定子铁心在一个垂直于转轴轴线的平面上的投影完全重合。第一转子铁心与第二转子铁心在沿转轴的周向错开θ角设置。

进一步地，“将第一定子铁心与第二定子铁心在一个垂直于转轴轴线的平面上的投影完全重合。第一转子铁心与第二转子铁心在沿转轴的周向错开θ角设置。”替换为“第一转子铁心与第二转子铁心在一个垂直于转轴轴线的平面上的投影完全重合。第一定子铁心与第二定子铁心在沿转轴的周向错开θ角设置。”

进一步地，所述的第一转子铁心与第一定子铁心之间存在气隙。所述的第二转子铁心与第二定子铁心之间存在气隙。

进一步地，本发明还包括转子位置传感器。所述的转子位置传感器包括光栅盘和两个光电传感器组。光电传感器组由沿转轴周向依次排列n个对射式光电传感器组成。所述的光栅盘与转轴固定。光栅盘上设置有两圈光栅轨迹。两圈光栅轨迹的中心轴线均与转轴的轴线重合。两圈光栅轨迹上均开设有沿光栅盘周向均布的m个检测缺口。其中一圈光栅轨迹上的m个检测缺口与第一转子铁心的m个齿分别沿转轴周向位置对应。另一圈光栅轨迹上的m个检测缺口与第二转子铁心的m个齿分别沿转轴周向位置对应。两个光电传感器组与光栅盘上的两圈光栅轨迹分别位置对应。其中一个光电传感器组内n个对射式光电传感器与第一子电机系统的n相第一励磁绕组起始极分别沿转轴周向对齐。另一个光电传感器组内的n个对射式光电传感器与第二子电机系统的n相第二励磁绕组起始极分别沿转轴周向对齐。

进一步地，本发明还包括遮光罩。所述的遮光罩罩住转子位置传感器，并与后端盖固定。

进一步地，本发明还包括冷却风扇和风扇罩。所述的风扇与转轴固定。风扇罩罩住风扇并与后端盖固定。

进一步地，所述的第一子电机系统由第一驱动系统驱动；所述的第二子电机系统由第二驱动系统驱动。

本发明具有的有益效果是：

本发明大大降低了开关磁阻电动机的脉动转矩，使得开关磁阻电动机能够广泛应用到振动噪声要求高的场合。本发明是通过两个子电机系统脉动转矩互相抵消的原理来实现降低总体输出的转矩脉动，故对控制系统的依赖程度较低，更加稳定可靠。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1中第一子电机系统的示意图；

图3为本发明实施例1中第二子电机系统的示意图；

图4为本发明的控制示意图；

图5为本发明脉动转矩相互抑制的原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和4所示，低脉动转矩的开关磁阻电动机包括转轴1、前端盖2、前端盖轴承3、第一子电机系统Ⅰ、第二子电机系统Ⅱ、后端盖轴承10、后端盖11、转子位置传感器、遮光罩14、冷却风扇13、风扇罩16和机座17。转子位置传感器包括转动光栅盘15和光电传感器组12。机座17的头端与前端盖2固定，尾端与后端盖11固定。冷却风扇13与转轴1固定，风扇盖与后端盖11固定。前端盖轴承3安装在前端盖2的正中位置。后端盖轴承10安装在后端盖11的正中位置。转轴1支承在前端盖轴承3及后端盖轴承10上。

如图1和2所示，第一子电机系统包括第一转子铁心4、第一定子铁心5和第一励磁绕组6。第一转子铁心4固定在转轴上。第一定子铁心5固定在机座17内。第一定子铁心5套置在第一转子铁心4外侧。第一转子铁心4与第一定子铁心5之间存在气隙。第一定子铁心5上绕制有n相第一励磁绕组6。

如图1和3所示，第二子电机系统包括第二励磁绕组7、第二定子铁心8和第二转子铁心9。第二转子铁心9固定在转轴上。第二定子铁心8固定在机座17内。第二定子铁心8套置在第二转子铁心9外侧。第二转子铁心9与第二定子铁心8之间存在气隙。第二定子铁心8上绕制有n相第二励磁绕组7。

第一子电机系统Ⅰ与第二子电机系统Ⅱ的功率W、相数n、极对数、定子转子齿数比均相同，n＝3。第一转子铁心4及第二转子铁心9的齿数均为m，m＝4。使得第一子电机系统Ⅰ与第二子电机系统Ⅱ在转动中产生的脉动转矩频率、幅值均相同。如图4所示，第一子电机系统Ⅰ由第一驱动系统18驱动；第二子电机系统Ⅱ由第二驱动系统19驱动。转子位置传感器向第一驱动系统18反馈第一转子铁心4的位置，向第二驱动系统19反馈第二转子铁心9的位置。

转子位置传感器包括光栅盘15和两个光电传感器组12。光栅盘与转轴1固定。光电传感器组由沿周向依次排列n个对射式光电传感器组成。光栅盘上设置有两圈光栅轨迹，两圈光栅轨迹的中心轴线均与转轴1的轴线重合。两圈光栅轨迹上均开设有沿光栅盘周向均布的m个检测缺口。其中一圈光栅轨迹上的m个检测缺口与第一转子铁心4的m个齿分别沿转轴周向位置对应。另一圈光栅轨迹上的m个检测缺口与第二转子铁心9的m个齿分别沿转轴周向位置对应。两个光电传感器组12与光栅盘上的两圈光栅轨迹分别位置对应(即对射式光电传感器内的光电发送管、光电接收管分别设置在对应光栅轨迹的两侧)。其中一个光电传感器组内n个对射式光电传感器与第一子电机系统的n相第一励磁绕组起始极的同一侧分别沿转轴周向对齐(n相的电动机内有n个绕组，起始极为绕组第一个绕线的磁极)。另一个光电传感器组内的n个对射式光电传感器与第二子电机系统的n相第二励磁绕组起始极的同一侧分别沿转轴周向对齐。

进而对第一转子铁心4及第二转子铁心9的位置进行实时检测。遮光罩14与后端盖11的外侧面固定。遮光罩14罩住转子位置传感器。冷却风扇13与转轴1固定，风扇盖16与后端盖11固定。

第一子电机系统与第二子电机系统的位置关系具有以下两种实施方式：

实施例1:

第一定子铁心5与第二定子铁心8在一个垂直于转轴1轴线的平面上的投影完全重合。第一转子铁心4与第二转子铁心9在沿转轴1的周向错开θ角设置。

第一转子铁心4与第二转子铁心9沿转轴1的周向错开θ角的原因如下：

开关磁阻电动机产生的脉动转矩波近似正弦波状，且开关磁阻电动机每转动一个步进角的同时会产生一个周期的脉动转矩波。即开关磁阻电动机脉动转矩的周期等于开关磁阻电动机转动一个步进角的时长。转子铁心齿数为m的开关磁阻电动机的控制周期为360°/m。而n相的开关磁阻电动机的一个控制周期由n个步进角组成。因此，开关磁阻电动机的脉动转矩波的一个周期对应开关磁阻电动机转动360°/(n·m)的机械角。脉动转矩波的一个周期为360°电角度。脉动转矩波水平移动180°电角度即可得到一个与原脉动转矩波关于横坐标轴对称的新脉动转矩波。产生180°电角度的脉动转矩波时，开关磁阻电动机转过360°/(n·m)机械角的二分之一，即两个脉动转矩频率、幅值相同，且转子错开180°/(n·m)设置的开关磁阻电动机产生的脉动转矩波关于脉动转矩波特性横坐标轴对称。

可见，第一转子铁心4与第二转子铁心9错开180°/(n·m)设置的第一子电机系统与第二子电机系统产生的脉动转矩相互抑制。脉动转矩抑制情况如图5所示，图5中X为第一子电机系统产生的脉动转矩波，X’为第二子电机系统产生的脉动转矩波，X与X’能够相互抵消。理想状态下本发明的脉动转矩能被完全抑制，但考虑到实际开关磁阻电动机是一个非线性电磁系统，脉动转矩中除含有主频的脉动转矩波外还有其频率的谐波，因此，本发明还会存在因谐波带来的脉动住转矩，但对比现有普通开关磁阻电动机，本发明对脉动住转矩的抑制效果依然十分明显。

实施例2:

第一转子铁心4与第二转子铁心9在一个垂直于转轴1轴线的平面上的投影完全重合。第一定子铁心5与第二定子铁心8在沿转轴1的周向错开θ角设置。

Claims (6)

1.低脉动转矩的开关磁阻电动机，包括转轴、前端盖、第一子电机系统、第二子电机系统、机座、后端盖和转子位置传感器；其特征在于：所述机座的头端与前端盖固定，尾端与后端盖固定；所述的转轴支承在前端盖及后端盖上；

所述的第一子电机系统包括第一转子铁心、第一定子铁心和第一励磁绕组；所述的第一转子铁心固定在转轴上；所述的第一定子铁心固定在机座内；所述的第一定子铁心套置在第一转子铁心外侧；第一定子铁心上绕制有第一励磁绕组；

所述的第二子电机系统包括第二励磁绕组、第二定子铁心和第二转子铁心；所述的第二转子铁心固定在转轴上；所述的第二定子铁心固定在机座内；所述的第二定子铁心套置在第二转子铁心外侧；第二定子铁心上绕制有第二励磁绕组；

所述的第一子电机系统与第二子电机系统的功率W、相数n、定子转子齿数比均相同；第一转子铁心及第二转子铁心的齿数均为m；

第一定子铁心与第二定子铁心在一个垂直于转轴轴线的平面上的投影完全重合；第一转子铁心与第二转子铁心在沿转轴的周向错开θ角设置；

所述的转子位置传感器包括光栅盘和两个光电传感器组；光电传感器组由沿转轴周向依次排列n个对射式光电传感器组成；所述的光栅盘与转轴固定；光栅盘上设置有两圈光栅轨迹；两圈光栅轨迹的中心轴线均与转轴的轴线重合；两圈光栅轨迹上均开设有沿光栅盘周向均布的m个检测缺口；其中一圈光栅轨迹上的m个检测缺口与第一转子铁心的m个齿分别沿转轴周向位置对应；另一圈光栅轨迹上的m个检测缺口与第二转子铁心的m个齿分别沿转轴周向位置对应；两个光电传感器组与光栅盘上的两圈光栅轨迹分别位置对应；其中一个光电传感器组内n个对射式光电传感器与第一子电机系统的n相第一励磁绕组起始极分别沿转轴周向对齐；另一个光电传感器组内的n个对射式光电传感器与第二子电机系统的n相第二励磁绕组起始极分别沿转轴周向对齐。

2.低脉动转矩的开关磁阻电动机，包括转轴、前端盖、第一子电机系统、第二子电机系统、机座、后端盖和转子位置传感器；其特征在于：所述机座的头端与前端盖固定，尾端与后端盖固定；所述的转轴支承在前端盖及后端盖上；

所述的第一子电机系统包括第一转子铁心、第一定子铁心和第一励磁绕组；所述的第一转子铁心固定在转轴上；所述的第一定子铁心固定在机座内；所述的第一定子铁心套置在第一转子铁心外侧；第一定子铁心上绕制有第一励磁绕组；

所述的第二子电机系统包括第二励磁绕组、第二定子铁心和第二转子铁心；所述的第二转子铁心固定在转轴上；所述的第二定子铁心固定在机座内；所述的第二定子铁心套置在第二转子铁心外侧；第二定子铁心上绕制有第二励磁绕组；

所述的第一子电机系统与第二子电机系统的功率W、相数n、定子转子齿数比均相同；第一转子铁心及第二转子铁心的齿数均为m；

第一转子铁心与第二转子铁心在一个垂直于转轴轴线的平面上的投影完全重合；第一定子铁心与第二定子铁心在沿转轴的周向错开θ角设置；

所述的转子位置传感器包括光栅盘和两个光电传感器组；光电传感器组由沿转轴周向依次排列n个对射式光电传感器组成；所述的光栅盘与转轴固定；光栅盘上设置有两圈光栅轨迹；两圈光栅轨迹的中心轴线均与转轴的轴线重合；两圈光栅轨迹上均开设有沿光栅盘周向均布的m个检测缺口；其中一圈光栅轨迹上的m个检测缺口与第一转子铁心的m个齿分别沿转轴周向位置对应；另一圈光栅轨迹上的m个检测缺口与第二转子铁心的m个齿分别沿转轴周向位置对应；两个光电传感器组与光栅盘上的两圈光栅轨迹分别位置对应；其中一个光电传感器组内n个对射式光电传感器与第一子电机系统的n相第一励磁绕组起始极分别沿转轴周向对齐；另一个光电传感器组内的n个对射式光电传感器与第二子电机系统的n相第二励磁绕组起始极分别沿转轴周向对齐。

3.根据权利要求1或2所述的低脉动转矩的开关磁阻电动机，其特征在于：所述的第一转子铁心与第一定子铁心之间存在气隙；所述的第二转子铁心与第二定子铁心之间存在气隙。

4.根据权利要求1或2所述的低脉动转矩的开关磁阻电动机，其特征在于：本发明还包括遮光罩；所述的遮光罩罩住转子位置传感器，并与后端盖固定。

5.根据权利要求1或2所述的低脉动转矩的开关磁阻电动机，其特征在于：本发明还包括冷却风扇和风扇罩；所述的风扇与转轴固定；风扇罩罩住风扇并与后端盖固定。

6.根据权利要求1或2所述的低脉动转矩的开关磁阻电动机，其特征在于：所述的第一子电机系统由第一驱动系统驱动；所述的第二子电机系统由第二驱动系统驱动。