CN108400660B - 一种倍极式多磁极两相开关磁阻电机及其功率驱动电路 - Google Patents

一种倍极式多磁极两相开关磁阻电机及其功率驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种倍极式多磁极两相开关磁阻电机，包括电机外壳、凸极定子铁芯和凸极转子铁芯，电机外壳固定在机座上，外壳两端设有左右端盖，所述定子铁芯包括定子磁轭和定子磁极，定子磁轭内侧均匀分布有Ns个定子磁极，所述转子铁芯包括转轴、转子磁轭、转子磁极，转子磁轭外圆周上均匀设有结构相同的Nr个转子磁极，所述定子磁极数Ns是转子磁极数Nr的两倍。本发明具有起动能力和启动过程中的加速能力，工作过程中，闲置的定转子磁极少，做功的定转子磁极数多，按两倍比例增加磁极数，可扩大电机容量，提高功率密度和效率。本发明还公开了一种倍极式多磁极两相开关磁阻电机的功率驱动电路。

Description

一种倍极式多磁极两相开关磁阻电机及其功率驱动电路
技术领域
本发明涉及电机领域，特别涉及一种倍极式多磁极两相开关磁阻电机及其功率驱动电路。
背景技术
开关磁阻电机是一种定转子双凸极结构、基于磁阻原理产生电磁转矩、实现将电能转换为机械能的电动机。
一般而言，三相及三相以上的开关磁阻电动机，在工作过程中，定转子磁极瞬时闲置的多，出力做功的少，影响了电机的效率和力能指标；与此同时，凡是可逆运行的三相及三相以上的磁阻电机，在设计和控制措施方面，为了兼顾电机的正反转两方面的工作特性，一般是采取折中方案。而在工业生产过程中，例如风机和水泵类负载，此类负载的工作性能只能单方向运行，不允许反转运行，在这类负载中采用单向运行，性能优良的两相开关磁阻电机作为动力，则是最优适配。
传统的两相磁阻电机起动性能差，甚至无起动能力，且输出功率小，若要将两相磁阻电机用于中大功率的风机水泵类负载中，首先要提高静态起动转矩和动态加速转矩，使其具备强劲的起动能力，其次要增加定转子做功的磁极数，扩大两相磁阻电机的容量，提高效率和功率密度，以满足中大功率风机水泵负载的要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、容量大、功率密度和效率高的倍极式多磁极两相开关磁阻电机，并提供一种该电机的功率驱动电路。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种倍极式多磁极两相开关磁阻电机，包括电机外壳、凸极定子铁芯和凸极转子铁芯，电机外壳固定在机座上，外壳两端设有左右端盖，所述定子铁芯包括定子磁轭和定子磁极，定子磁轭内侧均匀分布有Ns个定子磁极，所述转子铁芯包括转轴、转子磁轭、转子磁极，转子磁轭外圆周上均匀设有结构相同的Nr个转子磁极，所述定子磁极数Ns是转子磁极数Nr的两倍。
上述倍极式多磁极两相开关磁阻电机，Ns个定子磁极按A、B两相分配磁极的规律是：A→B→A→B…有序依次对称分配，且定子磁极的定子极弧宽度与定子槽槽弧度相等。
上述倍极式多磁极两相开关磁阻电机，各个定子磁极上集中绕制匝数相等、线径相同、绕向一致的磁极绕组，由磁极绕组组成A相和B相的相绕组，任何一相绕组正向通电后，在定子铁芯上产生N、S、N、S…均匀分布的对称励磁磁场。
上述倍极式多磁极两相开关磁阻电机，所述转子磁极由圆弧段和锯齿斜坡段组成，转子磁极圆弧段宽度等于定子磁极的定子极弧宽度，转子磁极锯齿斜坡段的宽度等于或大于圆弧段定子极弧宽度。
上述倍极式多磁极两相开关磁阻电机，所述转子磁极数Nr为偶数。
上述倍极式多磁极两相开关磁阻电机，所述定子铁芯、转子铁芯均由硅钢片冲片成型后叠压而成。
一种倍极式多磁极两相开关磁阻电机的功率驱动电路，包括H桥、电源、控制器、转子位置传感器、第一二极管和第二二极管，所述H桥包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管，所述第一三极管、第三三极管位于H桥左侧，第二三极管、第四三极管位于H桥右侧，第一三极管的集电极和第二三极管的集电极相连并一起连接到电源正极，所述第一三极管的发射极与第三三极管的集电极相连，第二三极管的发射极与第四三极管的集电极相连，第三三极管的发射极与第四三极管的发射极相连并一起连接到电源负极，所述转子位置传感器安装在电机非输出轴一端的端盖上，转子位置传感器的信号输出端与控制器相连，控制器与第一三极管的基极、第二三极管的基极、第三三极管的基极、第四三极管的基极相连；所述倍极式多磁极两相开关磁阻电机的A相绕组的一端与第一二极管的负极相连，第一二极管的正极连接第一三极管的发射极，倍极式多磁极两相开关磁阻电机的A相绕组的另一端连接第二三极管的发射极，倍极式多磁极两相开关磁阻电机的B相绕组的一端与第二二极管的正极相连，第二二极管的负极与第一三极管的发射极相连，倍极式多磁极两相开关磁阻电机的B相绕组的另一端与第二三极管的发射极相连。
上述倍极式多磁极两相开关磁阻电机的功率驱动电路，所述第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管的集电极与发射极之间均并接一个二极管。
本发明的有益效果在于：本发明的定子磁极数是转子磁极数的两倍，倍极式多磁极两相开关磁阻电机在工作过程中，任何时候都有一半的定子磁极和全部的转子磁极共同作用，产生同方向电磁转矩，实现将电能转化为机械能。转子磁极由圆弧段和锯齿斜坡段两部分组成，转子磁极上的锯齿斜坡段，使两相开关磁阻电机具有起动能力和起动过程中的加速能力，按定子磁极数是转子磁极数(偶数转子极)的两倍关系增加电机磁极数，便可实现扩大电机容量，提高功率密度。
附图说明
图1为本发明的实施例中两相8/4极开关磁阻电机的结构示意图。
图2为图1中定子铁芯的结构示意图。
图3为图1中转子铁芯的结构示意图。
图4为图1中定子磁极绕组绕制示意图。
图5为两相8/4极电机的磁极绕组绕组结构原理图，其中(a)为串联，(b)为串并联。
图6为两相8/4极电机的功率驱动电路原理图。
图7为两相8/4极电机转子磁极初始状态模型图。
图8为在图7初始状态下给B相绕组供电模型图。
图9为在图8基础上给A相绕组供电模型图。
图10为在图9基础上再一次给B相绕组供电模型图。
图11为在图10基础上再一次给A相绕组供电模型图。
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说明。
如图1所示，一种倍极式多磁极两相开关磁阻电机，包括电机外壳、凸极定子铁芯101和凸极转子铁芯121，电机外壳固定在机座上，外壳两端设有左右端盖，如图2、图3所示，所述定子铁芯101、转子铁芯121均由硅钢片冲片成型后叠压而成。
所述定子铁芯101包括定子磁轭102和定子磁极103，定子磁轭102内侧均匀分布有Ns个定子磁极103，Ns个定子磁极103按A、B两相分配磁极的规律是：A、B、A、B有序依次对称分配，且定子磁极103的定子极弧105宽度与定子槽106槽弧度(机械角)相等，均为二分之一的极距宽度；各个定子磁极103上集中绕制匝数相等、线径相同、绕向一致的磁极绕组104，由磁极绕组104组成A相和B相的相绕组，按照电磁惯例定义其首端为同名端，用符号“*”表示，如图4中所示。A相绕组是1/2*Ns个属于A相磁极上的磁极绕组104按照图5原理图构成的绕组，即A相绕组AX；B相绕组是另一半属于B相磁极上的磁极绕组104按照图5原理构成的绕组，即B相绕组By，A、B两相相绕组可按图5中(a)所示将同一相极绕组串联成单支路相绕组，也可按图5中(b)所示并联成多支路相绕组；A、B两相绕组任一相通入正电流后，在定子铁芯101的定子磁极103上产生N、S、N、S…均匀对称分布的磁极，A和B各相工作时，其磁路为短磁路，磁损耗少。
所述转子铁芯121包括转轴125、转子磁轭122、转子磁极126，转子磁轭122外圆周上均匀设有结构相同的Nr个转子磁极126，转子磁极数Nr为偶数，定子铁芯101和转子铁芯121长度相等，所述定子磁极数Ns是转子磁极数Nr的两倍。所述转子磁极126由圆弧段123和锯齿斜坡段124组成，转子磁极126圆弧段123宽度等于定子磁极103的定子极弧105宽度，转子磁极126锯齿斜坡段124的宽度等于或略大于定子磁极103的定子极弧105宽度。
圆弧段123与定子极弧105间的气隙为第一气隙δ1，δ1是常数，圆弧段123的作用与普通开关磁阻电机的作用相同，锯齿斜坡段124最高点A点至谷点C(见图3)最大落差为K0，K0通常为小于1.0毫米的常数，AC段为多级锯齿斜坡段124，各齿距相同，各级齿尖落差为0.1毫米。各个转子磁极126结构相同，均匀对称分布在转子磁轭122的外圆周上。两相电机的运行方向由转子锯齿斜坡段124所处结构位置确定，锯齿斜坡段124与定子极弧105间的气隙为第二气隙δ2，其等效气隙随转子磁极126旋入定子极弧105下的变化而减少变化。锯齿斜坡段124的磁阻效应比单纯斜坡效果好，为电机静态起动提供足够的起动转矩，以及起动过程中的加速转矩，有益于提高电机运行过程中的平均转矩，增加电机定转子磁极数(如24/12极)，甚至更多磁极，可扩大电机功率，提高功率密度。电机在运行中，检测A相和B相定子磁极103的轴线与转子磁极126的圆弧段123的轴线重合时(图7所示)的位置信息作为A相换到B相，或者由B相换到A相供电工作的基本依据。
如图6所示，一种倍极式多磁极两相开关磁阻电机的功率驱动电路，包括H桥、电源U、控制器、转子位置传感器、第一二极管DA和第二二极管DB，第一二极管DA是A相绕组电流导向二极管，第二二极管DB是B相绕组电流导向二极管，所述H桥包括第一三极管T1、第二三极管T2、第三三极管T3、第四三极管T4，所述第一三极管T1、第三三极管T3位于H桥左侧，第二三极管T2、第四三极管T4位于H桥右侧，第一三极管T1的集电极和第二三极管T2的集电极相连并一起连接到电源U正极，所述第一三极管T1的发射极与第三三极管T3的集电极相连，第二三极管T2的发射极与第四三极管T4的集电极相连，第三三极管T3的发射极与第四三极管T4的发射极相连并一起连接到电源U负极，所述转子位置传感器安装在电机非输出轴一端的端盖上，转子位置传感器的信号输出端与控制器相连，控制器与第一三极管T1的基极、第二三极管T2的基极、第三三极管T3的基极、第四三极管T4的基极相连，所述第一三极管T1、第二三极管T2、第三三极管T3、第四三极管T4的集电极与发射极之间均并接一个二极管；所述倍极式多磁极两相开关磁阻电机的A相绕组的A端与第一二极管DA的负极相连，第一二极管DA的正极连接H桥的P1点，倍极式多磁极两相开关磁阻电机的A相绕组的X端连接H桥的P2点，倍极式多磁极两相开关磁阻电机的B相绕组的y端与第二二极管DB的正极相连，第二二极管DB的负极连接到H桥的P1点，倍极式多磁极两相开关磁阻电机的B相绕组的B端连接H桥的P2点。在转子位置信息的控制下，当T1和T4导通(T2、T3截止)，A相绕组供电，其电流IA的路径是：电源+U→T1→DA→A→X→T4→-U；电机将A相绕组从电源中获取的电能转换为机械能；当T2和T3导通时(T1、T4截止)，B相绕组供电，其电流IB的路径是+U→T2→B→y→DB→T3→-U；电机将B相绕组从电源中获取的电能转换为机械能。上述过程，根据转子位置信息，实现由A相换相到B，或者，由B相换相到A相的换相过程，电机连续工作，实现能量转换。
本发明的工作原理如下：依照图7至图11。进一步说明倍极式多磁极两相开关磁阻电机的工作过程，为简单起见，实施例采用8/4极两相电机为例。
图7是所述电机转子磁极的初始状态图，A相绕组和B相绕组都不供电。设1号(含3号)转子磁极圆弧段轴线与+A1(含+A2)定子磁极轴线重合，转子处于停止状态。
第一步，在图7的基础上结合图5中(a)和图6，三极管T2和T3触发导通(T1、T4截止)，B相绕组供电，B相电流IB的方向由B端流向y端，在图8中标出(-电流流进，⊙电流流出)。根据右手螺旋定则，定子B相磁极+B1和+B2为N极，磁极-B1和-B2为S极。磁力线耦合到转子磁极的路径在图8中用虚线标出。在定转子磁极共同电磁作用下，产生转子顺时针方向旋转的电磁转矩。转子在图8的基础上顺时针方向旋转45°机械角。直到1号(含3号)转子轴线与定子B相磁极轴线重合。如图9所示位置，B相位置传感器输出位置信号为B相换相到A相绕组工作发出信息。此时转子已旋转了45°机械角。
第二步在图9的基础上，停止B相绕组供电(T2和T3截止)，三极管T1和T4触发导通为A相绕组供电。A相电流在极绕组中的方向在图9中标出，根据右手螺旋定则，定子A相磁极+A1和+A2为N极，-A1和-A2为S极，磁力线与转子磁极的耦合路径在图9中用虚线标出。在定转子磁极共同电磁作用下，产生转子顺时针方向旋转的电磁转矩。1号(含3号)转子磁极在图9的转子位置上再一次顺时针方向旋转45°到图10的转子状态。4号(含2号)转子磁极轴线与定子A相磁极轴线重合。A相位置传感器发出下一步换相信息。
第三步，在图10的基础上。停止A相绕组供电，再一次给B相绕组供电。B相电流在B相极绕组中的方向在图10中标出，由右手螺旋定则可知，图10中B相磁极+B1和+B2为N极，-B1和-B2为S极，磁力线与转子磁极的耦合路径在图10中用虚线标出。在定转子磁极共同电磁作用下，转子磁极再一次顺时针方向旋转45°到图11所示，此时，转子各磁极在图7的基础上已转过135°的机械角度。上述过程，在A相位置信息和B相位置信息的作用下，A、B两相绕组周而复始换相供电，电机连续将电能转换为机械能，拖动机械负载而做功，实现能量转换。
倍极式多磁极两相开关磁阻电机具备强有力的将电机能量转换为机械能的能力，如果按两倍关系增加定转子极数，可有效扩大电机容量，提高功率密度和效率。

Claims (2)

1.一种倍极式多磁极两相开关磁阻电机的功率驱动电路，其特征在于：倍极式多磁极两相开关磁阻电机，包括电机外壳、凸极定子铁芯和凸极转子铁芯，电机外壳固定在机座上，外壳两端设有左右端盖，其特征在于：所述定子铁芯包括定子磁轭和定子磁极，定子磁轭内侧均匀分布有Ns个定子磁极，所述转子铁芯包括转轴、转子磁轭、转子磁极，转子磁轭外圆周上均匀设有结构相同的Nr个转子磁极，所述定子磁极数Ns是转子磁极数Nr的两倍；
Ns个定子磁极按A、B两相分配磁极的规律是：有序依次对称分配，且定子磁极的定子极弧宽度与定子槽槽弧度相等；
各个定子磁极上集中绕制匝数相等、线径相同、绕向一致的磁极绕组，由磁极绕组组成A相和B相的相绕组，任何一相绕组正向通电后，在定子铁芯上产生N、S、N、S均匀分布的对称励磁磁场；
所述转子磁极由圆弧段和锯齿斜坡段组成，转子磁极圆弧段宽度等于定子磁极的定子极弧宽度，转子磁极锯齿斜坡段的宽度等于或大于定子磁极的定子极弧宽度；
功率驱动电路包括H桥、电源、控制器、转子位置传感器、第一二极管和第二二极管，所述H桥包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管，所述第一三极管、第三三极管位于H桥左侧，第二三极管、第四三极管位于H桥右侧，第一三极管的集电极和第二三极管的集电极相连并一起连接到电源正极，所述第一三极管的发射极与第三三极管的集电极相连，第二三极管的发射极与第四三极管的集电极相连，第三三极管的发射极与第四三极管的发射极相连并一起连接到电源负极，所述转子位置传感器安装在电机非输出轴一端的端盖上，转子位置传感器的信号输出端与控制器相连，控制器与第一三极管的基极、第二三极管的基极、第三三极管的基极、第四三极管的基极相连；所述倍极式多磁极两相开关磁阻电机的A相绕组的一端与第一二极管的负极相连，第一二极管的正极连接第一三极管的发射极，倍极式多磁极两相开关磁阻电机的A相绕组的另一端连接第二三极管的发射极，倍极式多磁极两相开关磁阻电机的B相绕组的一端与第二二极管的正极相连，第二二极管的负极与第一三极管的发射极相连，倍极式多磁极两相开关磁阻电机的B相绕组的另一端与第二三极管的发射极相连。
2.根据权利要求1所述的倍极式多磁极两相开关磁阻电机的功率驱动电路，其特征在于：所述第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管的集电极与发射极之间均并接一个二极管。
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