CN108448754A - 双结构开关磁阻直流电机 - Google Patents

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李振中
王世洲
史康文
张炎
郭君珊
丁颖颖
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Abstract

本发明提供了一种双结构开关磁阻直流电机，所述的“双结构”是指定子凸极、定子凸极线圈和转子励磁磁极、转子凸极沿轴向分为左右两部分；所述的“开关”是指利用控制系统的位置开关或二极管单向导电的属性，使多个独立定子绕组按设定的顺序要求接通或断开电路；所述的“磁阻”是指利用磁阻最小原理产生的吸引力。主要技术方案：一是利用磁阻最小原理使转子励磁磁场吸引铁磁质定子凸极产生吸引力、并且使该吸引力成为拉动转子旋转的驱动力，从而达到节约能源的目的；二是沿轴向左右两侧的定子磁极(定子凸极线圈电流产生的磁极)和转子励磁磁极的极性相反；三是左侧和右侧不同磁性磁极(N极或S极)的磁通沿轴向磁路铁芯闭合。缺点是功率密度小。

Description

双结构开关磁阻直流电机
技术领域
本发明涉及直流电机领域，具体涉及一种双结构开关磁阻直流电机。
背景技术
在直流电机领域中，有刷和无刷直流电机产品已经系列化，正朝着使用方便、节能效果好、安全可靠的方向发展。开关磁阻电机是一种新型调速电机，开关磁阻电机是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用齿极间的吸引力拉动转子旋转。基于直流电机在现实中的实际需要和开关磁阻电机的驱动原理，设计发明了一种节能效果明显、转子上沿轴向设有双励磁磁极、定子上沿轴向设有双绕组结构形式的双结构开关磁阻直流电机，以满足目前日趋繁荣的工农业生产的需求。
发明内容
本发明提供一种双结构开关磁阻直流电机，所述的“双结构”是指：定子凸极、定子凸极线圈和转子励磁磁极、转子凸极沿轴向分为左右两部分；所述的“开关”是指：利用控制系统的位置开关或二极管单向导电的属性，使多个独立定子绕组按设定的顺序要求接通或断开电路；所述的“磁阻”是指利用磁阻最小原理使转子励磁磁场吸引铁磁质定子凸极产生吸引力，并且使该吸引力成为拉动转子旋转的驱动力，从而达到节约能源的目的。本发明按使用用途可分为位置开关式双结构开关磁阻直流电机和二极管式双结构开关磁阻直流发电机两种，前者即可作为直流电动机使用，也可以作为直流发电机使用，后者则只能作为直流发电机使用；两种电机的结构形式相近、节能原理相同。按励磁方式两种电机均可分为永磁励磁和直流电流励磁两种形式。其中二极管式双结构开关磁阻直流发电机，又分为双二极管双结构开关磁阻直流发电机和多二极管双结构开关磁阻直流发电机两种。
本发明的目的是提供一种利用磁阻最小原理产生的吸引力、并且使该吸引力成为拉动转子旋转的驱动力，从而实现节约能源的目的。本发明所述的位置开关式双结构开关磁阻直流电机和二极管式双结构开关磁阻直流发电机之间有着密切、诸多的关联性，也有不同之处。所以，在说明其主要结构和工作原理时分别进行解析。下面将结合附图分别以转子永磁四极、位置开关式双结构开关磁阻直流电动机；转子永磁四极、位置开关式双结构开关磁阻直流发电机；转子永磁四极、双二极管双结构开关磁阻直流发电机和转子永磁八极、多二极管双结构开关磁阻直流发电机为例来说明。
一.位置开关式双结构开关磁阻直流电动机
定子的结构形式：附图1-5表示转子四极(沿轴向转子的左侧和右侧各安装两块永磁磁体)、定子八凸极位置开关式双结构开关磁阻直流电动机的结构示意图。该方案主要由沿轴向左右两侧、结构完全相同的两部分组成，定子部分主要由定子壳体101和安装在壳体内的组合式定子铁芯组成。所述的组合式定子铁芯由定子凸极和定子轴向磁路铁芯两部分组成，各个定子凸极上集中绕有定子凸极线圈。所述的定子凸极部分沿轴向左侧的凸极用201、203、205和207表示；右侧的凸极用202、204、206和208表示。所述的定子轴向磁路铁芯401、402、403和404将左侧定子凸极、右侧定子凸极和壳体101紧密连接装配在一起。定子凸极上分别集中绕有定子凸极线圈，左侧的凸极线圈用301、303、305和307表示，右侧的凸极线圈用302、304、306和308表示。其中线圈301、302、305和306串联(或并联)组成一个独立定子绕组；线圈303、304、307和308串联(或并联)组成一个独立定子绕组。所述的独立定子绕组是指：将定子凸极上绕有集中的线圈平均、对称分为两部分并且按设计要求连接在一起，每一部分都称之为独立定子绕组，且每组独立定子绕组的一端都设置一个位置开关。所述的位置开关是指由位置检测装置来检测转子励磁磁极的位置，并按设计要求实现接通和断开直流电源电路，附图中位置开关801、802就是用来控制两组独立定子绕组接通和断开直流电源的。以上所述的定子凸极及定子轴向磁路铁芯，是用薄片状硅钢片叠压而成；所述的定子轴向磁路铁芯(401、402、403和404)是磁通沿轴向的磁路路径；所述的定子凸极是磁通沿径向的磁路路径。
转子的结构形式：如附图1-5所示，转子部分主要由转轴、转子凸极、转子轴向磁路铁芯以及转子永磁体组成。转子上的转子励磁磁极和转子凸极沿轴向也平均分为左右两部分，并且转子励磁磁极数与转子凸极数相等；转子凸极和转子轴向磁路铁芯称之为转子铁芯。所述的转子轴向磁路铁芯是磁通沿轴向的磁路路径；所述的转子凸极是磁通沿径向的磁路路径。在附图1-5中的501、502、503和504表示转子凸极，601、602、603和604表示瓦片状转子永磁体。转子永磁体沿轴向分左右两部分镶嵌在转子铁芯上，左右两侧永磁体外圆弧面(或内弧面)的磁极极性相反；所述的转子轴向磁路铁芯701、702是左侧转子永磁体和右侧转子永磁体沿轴向的磁路路径；所述的转子铁芯凸极和转子轴向磁路铁芯是用薄片状硅钢片叠压而成。图中的901表示直流电源开关。
由于本发明所述的位置开关式双结构开关磁阻直流电机左右两侧的结构形式相同、磁极极性相反，所以在说明其工作原理时，可根据附图对其中一侧的工作原理进行解析。下面就结合左侧的剖视(沿A-A向的剖视图)结构图加以说明。
在附图6-7中，附图6表示本发明工作原理(左侧)的示意图。当开关901闭合、左侧转子上的永磁体601和603的外弧面都为N极，并且永磁体603的外极面与定子凸极207的内弧面在空间位置上沿顺时针有一个旋转角、控制系统的位置开关802接通线路801断开线路。此时转子永磁体内圆弧磁极(S极)磁场的磁路路径：转子右侧永磁体602、604内圆弧N极的磁通经磁路铁芯701、702进入转子左侧永磁体601、603的内圆弧S极。可见，转子轴向磁路铁芯701、702的作用是沿轴向的磁路路径。在此瞬间，根据定子凸极线圈电流的流向、再根据右手定则：左侧定子凸极203、207显示为N极、右侧定子凸极204、208显示为S极，定子轴向磁路铁芯401、402、403、404的作用是磁通沿轴向的磁路路径；定子凸极铁芯是磁通沿径向的磁路路径。
转子受到的磁场力：如附图6-7所示的瞬间：定子凸极线圈303和307接通电源，根据右手定则：线圈电流使定子凸极203和207面向圆心的一侧显示都为N极。根据磁场的基本属性及磁阻最小原理，此瞬间转子受到的磁场力：一是根据同性磁场相互排斥的属性，定子凸极203、207的N极磁场与转子永磁体601、603的N极磁场分别相互排斥，使转子受到一个向顺时针方向旋转的作用力f1；二是根据磁场吸引铁磁质的属性和磁阻最小原理，定子凸极203、207的N极磁场分别吸引转子凸极501、503产生的、使转子向顺时针方向旋转的拉力f2；三是根据磁阻最小原理，转子永磁体601、603的N极磁场分别吸引定子凸极205、201产生的、使转子向顺时针方向旋转的拉力f4。可见，此瞬间转子左侧受到的作用力为：(f1+f2+f3)×2；转子右侧受到的作用力是：(f1+f2+f3)×2。再根据叠加原理，此瞬间转子上受到产生顺时针旋转力矩的合力为：(f1+f2+f3)×4。
如附图6和8所示，当转子旋转至转子永磁体601的N极对应定子凸极205的极面、转子永磁体603的N极对应定子凸极201的极面时，控制系统的位置开关802断开线路、凸极203和凸极207上显示的磁性消失，同时作用在转子上的力也消失；当转子继续旋转至位置开关801接通线路，那么凸极201和凸极205上都感应显示为N极磁性。同理解析得：该瞬间转子受到产生顺时针旋转力矩的合力也为(f1+f2+f3)×4。由此可得出以下结论：当开关901闭合、控制系统的位置开关802和位置开关801交替接通、断开线路，转子会在磁场力(f1+f2+f3)×4的作用下连续顺时针旋转。值得注意的是，转子上受到的力(f1+f2+f3)×4是一个脉动作用力。由以上所述可得到以下结论：一是对于不同转子励磁磁极数的位置开关式双结构开关磁阻直流电动机，转子受磁场力大小的表达式为(f1+f2+f3)×n(式中的n表示励磁磁极数)；二是在转子受到的驱动力中，转子永磁体吸引定子凸极的吸引力f3，没有消耗输入直流电源的电能、该作用力(f3)是本发明利用磁阻最小原理产生的吸引力、是位置开关式双结构开关磁阻直流电动机节约能源的原因所在。
以上所述是以转子永磁励磁位置开关式双结构开关磁阻直流电动机的基本工作原理。对于转子直流电流励磁、及不同励磁磁极数的位置开关式双结构开关磁阻直流电动机来说，其工作原理也相同。归纳以上所述采用的主要技术方案：一是利用了磁阻最小原理产生的吸引力、并且将该引力成为拉动转子旋转的驱动力；二是沿轴向左右两侧的定子磁极(定子凸极线圈电流产生的磁极)和转子励磁磁极的极性相反；三是左侧和右侧不同磁性磁极(N极或S极)的磁通沿轴向磁路铁芯闭合。另外，所述的定子电枢绕组是由两个并联连接的独立定子绕组组成，所述的独立定子绕组是将所有定子凸极线圈平均、对称分为两部分，每一部分都称之为独立定子绕组。所述的转子励磁磁极数与定子凸极数之比为1∶2；按转子励磁磁极可分为转子四极、六极、八极、十极、十二极等不同型号。其控制技术特征在于：两个独立定子绕组依次接通和断开直流电源，是由安装在定子上的位置开关以及相关控制系统来完成。以上所述的位置开关式双结构开关磁阻直流电动机是内转子励磁、外定子电枢绕组结构形式；同理也可设计为外转子励磁内定子电枢绕组结构形式。
二.位置开关式双结构开关磁阻直流发电机
附图10-11表示位置开关式双结构开关磁阻直流电机作为直流发电机使用时的结构及工作原理示意图。当用其它动力设备拖动转子顺时针旋转时，根据电磁感应定律：转子永磁体601和603的N极磁场穿过定子凸极线圈303和307内的磁通量逐渐减少感应产生电动势；转子永磁体601和603的N极磁场穿过定子线圈305和301内的磁通量逐渐增加也感应产生电动势。但是，由于定子线圈303和307的位置开关802处于接通状态；而定子线圈305和301的位置开关801处于断开状态。所以此瞬间流过负载902的电流是由定子凸极线圈303和307感应产生的，而在定子线圈305和301的线路中没有电流流过也就没有电流通过负载902。同样，当转子永磁体601和603的N极极面旋转至正好分别与定子凸极205和201的内弧面相对应时，位置开关802处于断开状态、位置开关801处于接通状态。根据电磁感应定律：流过负载902的电流是由定子凸极线圈305和301感应产生的，而在定子线圈303和307的线路中没有电流流过也就没有电流通过负载902。可见，位置开关式双结构开关磁阻直流发电机发电时，感应电流是由穿过定子凸极线圈的磁通量逐渐减少产生的；两组独立定子绕组在位置开关801和802分别控制下、交替给负载902提供半波同方向的直流电流。
转子受到的作用力：此瞬间转子受到的作用力：一是作用在转子上沿顺时针旋转的外驱动力f4。二是根据楞次定律，定子凸极203、207的S极磁场与转子永磁体601、603的N极磁场相互吸引、使转子受到一个向逆时针方向旋转的作用力f5。三是根据磁阻最小原理，定子凸极203、207的S极磁场分别吸引转子凸极501、503、使转子受到一个向顺时针方向旋转的吸引力f6。四是根据磁阻最小原理，转子永磁体601、603的N极磁场分别吸引定子凸极205、201，使转子受到一个向顺时针方向旋转的吸引力f7。可见，此瞬间转子左侧受到作用力的平衡式为0.5f4＝(f5-f6-f7)×2(设使转子顺时针的作用力表示为“-”，逆时针的作用力表示为“+”)；右侧受到作用力的平衡式为0.5f4＝(f5-f6-f7)×2。所以此瞬间转子上受到产生顺时针旋转合力的平衡式为：f4＝(f5-f6-f7)×4。由以上所述可得到以下结论：一是对于不同转子励磁磁极数的位置开关式双结构开关磁阻直流发电机，转子上受到设计旋转方向的合力平衡式为：f4＝(f5-f6-f7)×n(式中的n表示励磁磁极数)；二是在转子受到的驱动作用力中，转子永磁体吸引定子凸极的吸引力f7，并没有消耗拖动设备所提供的能量，该作用力是本发明利用磁阻最小原理产生的吸引力、是位置开关式双结构开关磁阻直流发电机节约能源的原因所在。
三.双二极管双结构开关磁阻直流发电机
双二极管双结构开关磁阻直流发电机是将位置开关式双结构开关磁阻直流发电机的两个位置开关(801和802)，变为由两个二极管分别控制两个独立定子绕组，而其它结构形式不变。为此，将该直流发电机称之为双二极管双结构开关磁阻直流发电机。所述的“双二极管”是指定子电枢绕组上设计有两个二极管。
附图12-13表示双二极管双结构开关磁阻直流发电机的工作原理及线路示意图，该发电机也分为转子永磁励磁和直流电流励磁两种。同样，转子上受到产生顺时针旋转力矩的合力平衡式为：f4＝(f5-f6-f7)×4；在转子受到的驱动作用力中，转子永磁体吸引定子凸极的吸引力f7，并没有消耗拖动设备所提供的能量，具有节约能源的功能。在附图12-13所示的瞬间，由303、304、307、308组成的一组独立定子绕组由于穿过各线圈所包围面积的磁通量逐渐减少感应产生电动势，此时感应电流的方向与二极管的导通方向相同；由301、302、305、306组成的一组独立定子绕组由于穿过各线圈所包围面积的磁通量逐渐增加感应产生电动势，此时感应电流的方向与二极管的导通方向相反。所以通过负载902的电流是由303、304、307、308组成的一组独立定子绕组感应产生的。同理，当转子继续旋转，由301、302、305、306组成的一组独立定子绕组由于穿过各线圈所包围面积的磁通量逐渐减少时，感应电流的方向与二极管的导通方向相同；由303、304、307、308组成的一组独立定子绕组由于穿过各线圈所包围面积的磁通量逐渐增加时，感应电流的方向与二极管的导通方向相反。所以通过负载902的电流是由301、302、305、306组成的一组独立定子绕组感应产生的。可见，双二极管双结构开关磁阻直流发电机发电时，感应电流是由穿过定子凸极线圈的磁通量逐渐减少产生的；两组独立定子绕组在两个二极管分别控制下，交替给负载902提供半波同方向的直流电流；通过负载902的直流电是由两个独立定子绕组分别感应产生的。
四.多二极管双结构开关磁阻直流发电机
附图14-15表示多二极管双结构开关磁阻直流发电机的工作原理及线路示意图。结构特点在于：该发电机也分为转子永磁励磁和直流电流励磁两种；定子凸极、定子线圈和转子励磁磁极及转子凸极沿轴向也分为左右两部分；每个定子凸极内侧的圆弧弧度等于每个转子励磁磁极外圆弧的弧度。定子凸极上绕有集中线圈，且沿径向相对、沿轴向对应的四组绕组连接起来组成一个独立定子绕组，每组独立定子绕组的一端都串联一个二极管。利用多个二极管分别控制多个独立定子绕组的导通或断开；定子凸极与转子励磁磁极之比分为12∶8、16∶12、20∶16、24∶20等不同型号；按转子励磁磁极可分为转子八极、十二极、十六极、二十极等不同型号。以上所述的“多二极管”是指三个以上的独立定子绕组上设计有三个以上的二极管。
发电原理：附图14-15表示转子八极(沿轴向转子左右两侧各有四个永磁磁极)、定子十二凸极多二极管双结构开关磁阻直流发电机的结构示意图。当其它动力设备拖动转子逆时针旋转时，根据电磁感应定律：由301、302、307、308组成的一组独立定子绕组由于穿过各线圈所包围面积的磁通量逐渐减少感应产生电动势，此时感应电流的方向与二极管803的导通方向相同；由303、304、309、310组成的一组独立定子绕组由于穿过各线圈所包围面积的磁通量逐渐增加感应产生电动势，此时感应电流的方向与二极管的导通方向相反。所以此时通过负载902的感应电流是由301、302、307、308组成的一组独立定子绕组感应产生的。此瞬间，定子凸极线圈305、306、311和312所处的线路中没有磁通变化、没有感应电流产生，所以也没有通过负载902的直流电流。
同理，通过对转子旋转至其他任意位置时线路中感应产生的直流电进行分析，可归纳有如下特点：定子电枢绕组内的感应直流电都是转子励磁磁场穿过定子线圈的磁通量逐渐减少而感应产生的；各组独立定子绕组交替感应产生半波同方向的直流电，三个独立定子绕组内依次感应产生直流电，且转子每旋转30°变换一次；通过负载的感应直流电是三个独立定子绕组内的感应直流共同或者说是叠加形成。在附图14和15中，当转子励磁磁场沿逆时针旋转时，各定子凸极线圈内的感应直流电按顺时针方向依次感应产生，否则按逆时针方向依次感应产生直流电。总之，无论转子励磁磁极有多少个，感应产生的都是具有脉动性质的直流电，其脉动的频率与转子磁极数和转子的旋转速度成正比。
转子受到的作用力：如附图14所示，当其它动力设备拖动转子逆时针旋转时转子受到的各种作用力：一是拖动转子逆时针旋转的外作用力f8；二是根据楞次定律，定子凸极201、207的S极磁场与转子永磁体607和603的N极磁场相互吸引产生的吸引力f9；三是根据磁场吸引铁磁质的属性，定子凸极201和207的S极磁场分别吸引转子凸极501和505产生的吸引力f10；四是根据磁阻最小原理，转子永磁体601和605的N极磁场分别吸引定子凸极203和209产生的吸引力f11。在这些作用力中，f10和f11作用在转子上的效果是使转子沿逆时针方向旋转，与拖动转子逆时针旋转的作用力f8的方向相同，作用属性是使转子产生驱动转矩；f9作用在转子上的效果是使转子沿顺时针方向旋转，作用属性是使转子产生阻转矩。所以，此瞬间转子左侧受到的作用力为：(0.25f8+f10+f11-f9)×2；同样转子右侧受到的作用力也为：(0.25f8+f10+f11-f9)×2。由于所述的多二极管双结构开关磁阻直流发电机左侧和右侧的结构相同只是转子和定子磁极的极性相反，所以此瞬间转子上受到产生逆时针旋转力矩的合力平衡式为：f8＝(f9-f10-f11)×4。由以上所述可得到以下结论：一是对于不同转子励磁磁极数的多二极管双结构开关磁阻直流发电机来说，转子上受到的旋转力矩平衡式为：f8＝nf9-nf10-nf11(n表示同属性磁场力的个数)；二是在转子受到的驱动作用力中，转子永磁体吸引定子凸极的吸引力f11，并没有消耗拖动设备所提供的能量，该作用力是由于本发明利用磁阻最小原理产生的、是多二极管双结构开关磁阻直流发电机节约能源的原因所在。
可见，多二极管双结构开关磁阻直流发电机主要技术特点：一是发电机发电时感应产生的电动势都是转子励磁磁场穿过定子凸极线圈磁通量的逐渐减少产生的；二是利用了二极管单向导电的属性，使转子励磁磁场穿过定子凸极线圈的磁通量增加时线路断开、磁通量减少时线路导通。
五.有益效果及特点
双结构开关磁阻直流电机的有益效果在于：主要是利用磁阻最小原理使转子励磁磁场吸引铁磁质定子凸极产生吸引力、并且使该吸引力成为拉动转子旋转的驱动力，从而达到节约能源的目的。节能原理如以上所述：在上述的附图中，转子转轴上受到的驱动力f3、f7、f11并没有消耗其他形式的能量，该作用力是利用磁阻最小原理产生的。对于双结构开关磁阻直流电动机来说，减小了定子绕组的输入电流；对于双结构开关磁阻直流发电机来说，减小了拖动动力的输入。而对于传统发电机来说，由感应电流而产生的磁场力，作用在转子上的效果都是阻碍转子旋转或者说与拖动动力的作用方向相反，所以不具备节能功能。本发明的主要特点和技术方案：一是利用磁阻最小原理使转子励磁磁场吸引铁磁质定子凸极产生吸引力、并且使该吸引力成为拉动转子旋转的驱动力；二是沿轴向左右两侧的定子磁极(定子凸极线圈电流产生的磁极)和转子励磁磁极的极性相反；三是左侧和右侧不同磁性磁极(N极或S极)的磁通沿轴向磁路铁芯闭合；对于位置开关式双结构开关磁阻直流电机来说：所述的定子电枢绕组是由两个并联连接在一起的独立定子绕组组成，所述的独立定子绕组结构是将所有的定子凸极线圈平均、对称分为两部分并连接在一起，每一部分都称之为独立定子绕组；组成独立定子绕组的各定子凸极线圈可采用串联连接形式也可采用并联连接形式；对于多二极管双结构开关磁阻直流发电机来说：独立定子绕组的特征在于定子凸极上绕有集中线圈沿径向相对、沿轴向对应的四组绕组连接起来组成一个独立定子绕组；每组独立定子绕组上的定子凸极线圈可串联连接，也可并联连接；两种不同控制系统的直流发电机其共同点是：定子电枢绕组感应产生的直流电，都是转子励磁磁场穿过定子线圈的磁通量逐渐减少而感应产生的。另外，位置开关式双结构开关磁阻直流电动机的转速与励磁磁极的对数无关，而是扭矩与转速同步、并且具有良好的调速性能；二极管式双结构开关磁阻直流发电机发电时，直流感应电动势与电枢绕组的匝数、励磁磁场的磁场强度和转子的转速成正比；转子旋转转矩具有脉动性，转子的旋转转矩由一系列脉冲转矩叠加而成。本发明的缺点：一是定子铁芯和转子结构较为复杂；二是功率密度小；三是单位功率的直流电机制造成本较高；四是转矩具有脉动性，噪音与振动较大。
附图说明
附图1表示位置开关式双结构开关磁阻直流电机沿轴向剖视的结构示意图。
附图2和附图4分别表示位置开关式双结构开关磁阻直流电机沿A-A方向和B-B方向的剖视示意图。
附图3和附图5表示位置开关式双结构开关磁阻直流电动机的线路示意图。
附图6和附图8表示位置开关式双结构开关磁阻直流电动机工作原理示意图，图中箭头所指的方向表示转子受磁场力的方向。
附图7和附图9表示位置开关式双结构开关磁阻直流电动机工作时的线路示意图，图中箭头所指的方向表示直流电流的方向。
附图10表示利用位置开关控制电路导通或断开的位置开关式双结构开关磁阻直流电机作为发电机使用时的结构及工作原理示意图，图中箭头所指的方向表示转子受磁场力的方向。
附图11表示位置开关式双结构磁阻直流电机作为直流发电机使用时串联连接的线路示意图，图中箭头所指的方向表示感应直流电流的方向。
附图12表示双二极管双结构开关磁阻直流发电机的结构及工作原理示意图，图中箭头所指的方向表示转子受磁场力的方向。
附图13表示双二极管双结构开关磁阻直流发电机串联连接的线路示意图，图中箭头所指的方向表示感应直流电流的方向，803和804表示两个桥式整流器。
附图14表示多二极管双结构开关磁阻直流发电机的结构及工作原理示意图，图中转子外圆周的箭头所指的方向表示转子受磁场力的方向、转子内的箭头表示外驱动力的方向。
附图15表示多二极管双结构开关磁阻直流发电机的串联连接线路示意图，图中箭头所指的方向表示感应直流电流的方向。
附图16、17和18表示永磁励磁、转子四极、顺时针旋转双结构开关磁阻直流电动机及启动装置的结构示意图。
附图19和20表示直流电流励磁、转子六极、逆时针旋转位置开关式双结构开关磁阻直流电动机的结构和串联连接线路的示意图，附图19图中箭头所指的方向表示转子直流励磁电流的方向，附图20图中箭头所指的方向表示直流电源电流的方向。
附图21表示转子六极、直流电流励磁位置开关式双结构开关磁阻直流电动机并联连接线路示意图，图中箭头所指的方向表示直流电流的方向。
附图22表示定子轴向磁路铁芯结构外置式双结构开关磁阻直流电机沿轴向剖视的结构示意图。
附图23表示定子轴向磁路铁芯结构外置式双结构开关磁阻直流电机沿A-A方向(径向)的剖视结构示意图。
<101>表示壳体，<102>表示定子轴向磁路铁芯的固定护罩，<201>、<202>、<203>、<204>、<205>、<206>、<207>、<208>、<209>、<211>表示定子凸极，<221>表示非铁磁质材质启动铁芯，<222>表示铁磁质材质启动铁芯，<301>、<302>、<303>、<304>、<305>、<306>、<307>、<308>、<309>、<310>、<311>、<312>表示定子凸极线圈，<401>、<402>、<403>、<404>、<405>、<406>、<407>、<408>表示定子轴向磁路铁芯，<501>、<502>、<503>、<504>、<505>、<507>表示转子凸极，<601>、<602>、<603>、<604>、<605>、<607>表示转子永磁体，<611>表示启动永磁体，<701>、<702>表示转子轴向磁路铁芯，<801>、<802>表示控制系统的位置开关，<803>、<804>、<805>表示二极管，<901>表示电源开关，<902>表示负载，<903>表示直流电源，<904>表示桥式整流器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做作进一步说明。
双结构开关磁阻直流电动机启动方法的设计方案
如以上所述，当双结构开关磁阻直流电机作为电动机使用时，由于转子励磁磁场吸引铁磁质定子凸极的原因，电动机静止时转子励磁磁极(永磁励磁)与定子凸极相对应、也就是转子励磁磁极的外极面与定子凸极的内弧面在空间位置上没有旋转角度时，即使接通直流电源定子凸极磁场与转子励磁磁极磁场产生的相互斥力也不会使转子按设定的旋转方向转动，或者转子不能启动旋转。所以，为了确保本发明所述的电动机使用时具有良好的启动性能，必须确定该电动机启动时转子的初始位置，也就是必须使转子励磁磁极的外极面与定子凸极的内弧面在空间位置上有一个设定好旋转角度，否则可能会导致电动机无法启动或旋转方向不按要求的方向旋转。附图16所示的是转子永磁四极、位置开关式双结构开关磁阻直流电动机。在该图中，只有当电动机处于静止状态下，一是控制系统的两个位置开关一个处于接通状态，一个处于断开线路状态，二是转子励磁磁极与某一定子凸极向着设定的方向偏转一个角度才能实现正常启动。为此所采取的技术方案是：利用磁阻最小原理使转子励磁磁极偏离定子凸极的某个方向(顺时针或逆时针方向)一个角度，同时使两个位置开关一个处于接通状态、一个处于断开线路状态。
下面介绍一种转子能够自动启动的设计方案：附图16表示一台顺时针旋转、能够自动启动的位置开关式双结构开关磁阻直流电动机。具体做法是，在左右两定子凸极的任意一侧加装启动凸极，同时在相同一侧的转子永磁体上加装启动永磁体。如附图16一17所示，在左侧定子凸极上加装启动凸极，启动凸极由221和222两部分组成，其中221用非铁磁质材料加工而成、222用软铁磁质材料加工而成。如果要求电动机顺时针旋转，那么由221和222组成的定子启动凸极的安装形式为：从圆心看去每个启动凸极的左边为用非铁磁质材料加工而成的221、右边为用软铁磁质材料加工而成的222；如果要求电动机逆时针旋转，那么从圆心看去每个启动凸极的左边为222、右边为221。转子磁极的设计方案如附图18所示，在安装有启动凸极的一端设启动永磁体611，启动永磁体611的几何形状与转子永磁体(603或601)相同，只是在圆弧方向上尺寸较小、且位于转子永磁体(603)的中间部位。
自动启动原理：附图16表示该电动机设计的旋转方向为顺时针，当电动机的转子处于静止状态，由磁阻最小原理，转子启动永磁体611会因为吸引定子启动凸极222而向顺时针方向偏转一个角度。所以，当开关901闭合、控制系统的位置开关802接通线路、位置开关801断开线路，转子永磁体磁场与定子凸极磁场产生的相互斥力会立刻推动转子按顺时针方向旋转。当需要转子逆时针旋转，电动机静止时只是转子向逆时针方向偏转一个角度，同样闭合开关901、控制系统的位置开关801接通线路、位置开关802断开线路，转子永磁体磁场与定子凸极磁场产生的相互斥力，转子会立刻产生逆时针旋转的转矩。需要说明的是，以上所述是针对永磁励磁的启动方法，对于直流电流励磁的双结构开关磁阻直流电动机来说同样可以采用上述的启动方案，所不同的是启动电动机时需先接通转子励磁线圈的直流电源，使转子励磁磁极按设计要求相对定子凸极产生一个旋转角度以后，然后再闭合定子电枢绕组的电源开关。
双结构开关磁阻直流电动机定子电枢绕组的连接方法
在具体设计制造某一型号的双结构开关磁阻直流电动机时，首先应该确定转子励磁方式、转子励磁磁极的个数以及定子电枢绕组的连接方式。附图19表示转子六极、电流励磁置开关式双结构开关磁阻直流电动机的结构示意图，附图20表示定子绕组为串联连接的线路示意图。在该方案中，凸极线圈<301>、<302>、<305>、<306>、<309>、<310>串联组成一组独立定子绕组；凸极线圈<303>、<304>、<307>、<308>、<311>、<312>串联组成另一组独立定子绕组，两个独立定子绕组并联连接组成电动机的定子电枢绕组；附图21表示各独立定子绕组为并联连接的线路示意图，在该方案中，凸极线圈<301>和<302>、<305>和<306>、<309>和<310>并联连接组成一组独立定子绕组；凸极线圈<303>和<304>、<307>和<308>、<311>和<312>并联连接组成另一组独立定子绕组，两个独立定子绕组并联连接组成电动机的定子电枢绕组。对于不同转子和定子凸极数的位置开关式双结构开关磁阻直流电动机，其定子电枢绕组的连接方法可根据具体要求而定。
定子轴向磁路铁芯的几何形状及装配方法
具体做法：磁路铁芯主要的功能是将左右两侧的定子凸极磁极磁场沿轴向的闭合磁路路径，磁路铁芯的长度要求沿轴向贯穿左右两侧的凸极。附图2为例，其中<401>、<402>、<403>、<404>表示安装在壳体101内侧的磁路铁芯，我们可将磁路铁芯设计在壳体101内侧的结构形式称之为：定子轴向磁路铁芯内置式结构形式，该方案的缺点是加工制造工艺及装配难度大、定子与转子之间的配合间隙难以保障。那么附图22表示的是定子轴向磁路铁芯外置式结构形式，在该设计方案中，定子轴向磁路铁芯的几何形状，一般由长方形薄片状硅钢片叠压而成。附图22表示沿轴向剖视结构示意图，附图23表示定子轴向磁路铁芯结构外置式结构形式、沿A-A方向(径向)的剖视结构示意图。图中的<405>、<406>、<407>、<408>表示沿轴向、安装在壳体101外侧壁上的定子轴向磁路铁芯；该定子轴向磁路铁芯与护罩102一起固定在壳体101上。该设计方案的优点是左右两侧各个定子凸极部分是一个整体，对于保障壳体、定子凸极及与转子之间的配合精度有力。定子轴向磁路铁芯结构外置式方案既适用于位置开关式双结构开关磁阻直流电机，也适用于二极管式双结构开关磁阻直流发电机。制作装配特征在于，壳体101外壁上设有与磁路铁芯相配合的孔，各个磁路铁芯通过该孔与定子凸极紧密配合连接。
在具体设计不同型号的双结构开关磁阻直流电动机且要求转子不同转向时，其启动装置的安装方向不同；定子凸极线圈的连接方式不同；定子轴向磁路铁芯和转子轴向磁路铁芯的个数和几何形状不同。
总之，以上所述的定子凸极、定子轴向磁路铁芯、转子凸极和转子轴向磁路铁芯都是用软铁磁材料加工制造、一般情况下用薄硅钢片叠压而成；所述的定子凸极、定子轴向磁路铁芯、转子凸极和转子轴向磁路铁芯的数量及几何形状，可以根据该电机功率的大小而定；所述的组成独立定子绕组的各定子凸极线圈，可以采用串联连接形式也可采用并联连接形式。所述的位置开关，其作用是进行顺序、定位控制的检测，实现电路的接通和断开。所述的定子轴向磁路铁芯设计安装在定子壳体(101)壁上；所述的位置开关式双结构开关磁阻直流电动机和多二极管双结构开关磁阻直流发电机，是本发明的优选方式；所述的定子轴向磁路铁芯外置式，是本发明设计定子铁芯的优选方式；所述的永磁体，其几何形状为瓦片状、材质及各项技术参数可根据电机功率的大小要求而定。

Claims (7)

1.本发明提供了一种双结构开关磁阻直流电机，其特征在于：按使用用途可分为位置开关式双结构开关磁阻直流电机和二极管式双结构开关磁阻直流发电机，前者即可作为直流电动机使用，也可作为直流发电机使用，后者则只能作为直流发电机使用；二极管式双结构开关磁阻直流发电机，又分为双二极管双结构开关磁阻直流发电机和多二极管双结构开关磁阻直流发电机；按励磁方式可分为永磁励磁和直流电流励磁两种形式；双结构开关磁阻直流电机的定子和转子都是凸极结构形式，且定子凸极、定子凸极线圈和转子励磁磁极、转子凸极沿轴向分为左右两部分；定子铁芯分为定子凸极和定子轴向磁路铁芯，转子铁芯也分为转子凸极和转子轴向磁路铁芯；所采用的主要技术方案，一是利用磁阻最小原理使转子励磁磁场吸引铁磁质定子凸极产生吸引力、并且使该吸引力成为拉动转子旋转的驱动力；二是沿轴向左右两侧的定子磁极(定子凸极线圈电流产生的磁极)和转子励磁磁极的极性相反；三是左侧和右侧不同磁性磁极(N极或S极)的磁通沿轴向磁路铁芯闭合；对于位置开关式双结构开关磁阻直流电机来说：所述的定子电枢绕组是由两个并联连接在一起的独立定子绕组组成，所述的独立定子绕组结构是将所有的定子凸极线圈平均、对称分为两部分并连接在一起，每一部分都称之为独立定子绕组；组成独立定子绕组的各定子凸极线圈可采用串联连接形式也可采用并联连接形式；对于多二极管双结构开关磁阻直流发电机来说：独立定子绕组的特征在于定子凸极上绕有集中线圈沿径向相对、沿轴向对应的四组绕组连接起来组成一个独立定子绕组；每组独立定子绕组上的定子凸极线圈可串联连接，也可并联连接；两种不同控制系统的直流发电机其共同点是：定子电枢绕组感应产生的直流电，都是转子励磁磁场穿过定子线圈的磁通量逐渐减少而感应产生的。
2.根据权利要求1所述的位置开关式双结构开关磁阻直流电机，其特征在于：按转子励磁磁极可分为转子四极、六极、八极、十极、十二极等不同型号。
3.根据权利要求1所述的位置开关式双结构开关磁阻直流电机，其特征在于：定子凸极数与转子磁极数之比为2∶1。
4.根据权利要求1所述的多二极管双结构开关磁阻直流发电机，其特征在于：按转子励磁磁极可分为转子八极、十二极、十六极、二十极等不同型号。
5.根据权利要求1所述的多二极管双结构开关磁阻直流发电机，其特征在于：定子凸极数与转子磁极数之比分为12∶8、16∶12、20∶16、24∶20等不同型号。
6.根据权利要求1所述的磁路铁芯，其特征在于：是转子或定子磁通沿轴向的磁路路径。
7.根据权利要求1所述的定子轴向磁路铁芯，其特征在于：定子轴向磁路铁芯设计安装在定子壳体(101)壁上。
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