CN108599492B - 一种单元式轴向磁通开关磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种单元式轴向磁通开关磁阻电机，定子的轴向每端侧各布置Nr个相同的转子，轴向两端侧的转子和定子之间留有轴向气隙；轴向同端侧的Nr个转子沿一个非导磁转子支撑环的外壁的圆周方向均匀布置，两个非导磁转子支撑环均紧密固定套在转轴外；有Ns个相同的定子沿圆周方向均匀布置且每个定子的外端均固定连接一个非导磁定子支撑环，转轴外壁和N s 个定子内端之间留有径向气隙；每个定子的轴向截面都呈工字型，工字型定子的外层是外定子齿，内层是内定子齿，中间层是定子轭部，定子轭部的轴向两侧形成定子槽，定子槽中安放绕组；本发明缩短了磁通路径长度，容错性能高，气隙处的磁通沿轴向，不产生径向力，减小了振动，功率密度高。

Description

一种单元式轴向磁通开关磁阻电机
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体为一种轴向磁通开关磁阻电机的结构。
背景技术
目前在电动汽车中应用最为普遍的是永磁同步电机，永磁同步电机可靠性高、输出功率大、动态性能好且效率高，但是其功率范围小，永磁材料在高温、振动和过高电流作用下会发生磁性衰退现象，降低了永磁同步电机的性能。
开关磁阻电机具有结构简单、控制灵活、效率高、成本低、容错能力强等优势，其中分块形式的开关磁阻电机布置灵活，容错性好，并且利于维修，主要包括分块定子开关磁阻电机和分块转子开关磁阻电机两大类。分块定子降低了电机的铁心损耗，分块转子减小了磁通路径、提高了功率密度。
中国专利公开号为CN2045383923U的文献中提出了一种定转子分块式开关磁阻电机，采用了E型定子和阶梯气隙结构，磁通路径短，每个线圈磁通相对独立，电机拆卸方便；但是由于E型定子分为主磁齿和副磁齿，主磁齿有绕组，副磁齿没有绕组，因此限制了电机的相数，电机转矩脉动较大，空间利用率低。中国专利公开号CN105356629A的文献中提出了一种高容错性模块化开关磁阻电机，每相有两个通道，功率密度高，容错性能好，但其磁通路径长，铁损较大。
发明内容
本发明的目的是解决现有开关磁阻电机结构存在的问题，提出一种空间利用率高、转矩脉动小、磁通路径短且功率密度高的单元式轴向磁通开关磁阻电机。
为了实现上述目的，本发明具体采用如下方案：包括转轴、定子和转子，正中间是转轴，定子的轴向每端侧各布置Nr个相同的转子，轴向两端侧的转子和定子之间留有轴向气隙；轴向同端侧的N r 个转子沿一个非导磁转子支撑环的外壁的圆周方向均匀布置，两个非导磁转子支撑环均紧密固定套在转轴外；有N s 个相同的定子沿圆周方向均匀布置且每个定子的外端均固定连接一个非导磁定子支撑环，转轴外壁和N s 个定子内端之间留有径向气隙；每个定子的轴向截面都呈工字型，工字型定子的外层是外定子齿，内层是内定子齿，中间层是定子轭部，定子轭部的轴向两侧形成定子槽，定子槽中安放绕组；
Figure 797283DEST_PATH_IMAGE002
，LCM为取最小公倍数，m为电机相数。
本发明采用上述技术方案后的有益效果是：
1、本发明的定转子在轴向依次布置，缩短了磁通路径长度，减小了电机的铁损；不同于普通开关磁阻电机定转子径向布置形式。
2、本发明的所有结构都是单元式，包括单元式的工字型定子、单元式的转子，一旦其中一部分发生故障均可实现拆卸替换，容错性能高，方便安装和维修。
3、传统的开关磁阻电机是在定转子相对面产生径向磁通，造成了较大的径向力和振动噪音，本发明是在定转子相对面为轴向磁通，在气隙处的磁通沿轴向，不产生径向力，减小了振动。
4、本发明的中的每个工字型定子极上的绕组通电都能够产生双侧磁通，功率密度高。
5、本发明同时采用非导磁的定转子支撑环，通过梯形键槽实现与定转子的定位，可构成多相不同磁极数的开关磁阻电机。
附图说明
图1是本发明所述的一种单元式轴向磁通开关磁阻电机的轴向剖视图；
图2是图1中定子1和非导磁定子支撑环5的径向结构装配示意图；
图3是图1中转子2和非导磁转子支撑环6的径向结构装配示意图；
图4是图1中单个定子1和定子梯形键的装配结构放大图；
图5是本发明工作时单个定子1上的绕组通电时的双侧磁通路径示意图；
图中：1.定子；1-1.外定子齿；1-2.定子轭部；1-3.内定子齿；1-4.定子槽；2.转子；3.定子梯形键；4.转子梯形键；5.非导磁定子支撑环；6.非导磁转子支撑环；7.轴承；8.转轴；9.绕组；10.磁通；11.磁通。
具体实施方式
参见图1、图2和图3，本发明包括转轴8、定子1和转子2。正中间是转轴8，转轴8的轴向两端由轴承7支撑。转轴8外套有N s 个相同的定子1和2N r 个相同的转子2，2N r 个转子2布置在定子1的轴向两端侧，定子1的每端侧各布置N r 个转子2。转子2的数量和定子1的数量满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，其中LCM为取最小公倍数，m为电机相数。
定子1的轴向两端侧的转子2在轴向的位置分别一一相对，即轴向两端侧的转子极位置对称分布，保证轴向两端转子旋转运动的一致性。转轴8的外壁和N s 个定子1的内端之间留有径向气隙。定子1两端侧的转子2和定子1之间都留有轴向气隙，两段轴向气隙的长度相同。
N s 个定子1的外端共同固定套有一个非导磁定子支撑环5，N s 个定子1沿一个非导磁定子支撑环5的内壁的圆周方向均匀布置。每个定子1的外端都固定连接一个定子梯形键3，定子梯形键3固定嵌入在非导磁定子支撑环5内，使每个定子1通过对应的定子梯形键3固定连接非导磁定子支撑环5。非导磁定子支撑环5由非导磁材料制成，其上内壁沿圆周方向均匀加工了N s 个梯形槽，该梯形槽与定子梯形键3相配合，用于定位定子1。
每个定子1都由硅钢片叠压而成，每个定子1的内端面和外端面都是圆弧面，每个定子1的轴向截面都呈工字型。再参见图4，工字型定子1的外层是外定子齿1-1，内层是内定子齿1-3，因此，每个定子1有轴向对称布置的突出的2个外定子齿1-1和2个内定子齿1-3。外定子齿1-1和2个内定子齿1-3的结构相同。工字型定子1的中间层是一个定子轭部1-2，定子轭部1-2是径向的导磁部分，定子轭部1-2的轴向两侧形成定子槽1-4，在定子槽1-4中安放绕组9，绕组9绕在定子轭部1-2上。定子轭部1-2的轴向长度是定子齿1-1径向高度的2倍，保证了内外4个定子齿部磁密相等。
参见图1和图3，定子1的轴向两端侧均各设有N r 个转子2，每个转子2都由硅钢片叠压而成，每个转子2的内端面和外端面都是圆弧面。轴向同端侧的N r 个转子2沿一个非导磁转子支撑环6的外壁的圆周方向均匀布置。每个转子2的内端都固定连接一个转子梯形键4，转子梯形键4固定嵌入在非导磁转子支撑环6内，使每个转子2通过对应的转子梯形键4固定连接非导磁转子支撑环6。非导磁转子支撑环6由非导磁材料制成，其上外壁沿圆周方向均匀加工了N r 个梯形槽，该梯形槽与转子梯形键4相配合，用于定位转子2。两个非导磁转子支撑环6均紧密固定套在转轴8外，与转轴8同轴转动。
每个转子2和每个定子1的径向高度相同，每个转子2的外径等于定子1的外径，每个转子2的内径小于定子1的内径，以确保磁路中各截面磁密分布大致相同。
本发明电机使用单元式功率变换器控制绕组9的电流大小，一个单元式功率变换器控制一相绕组的电流大小。以A相为例，A1和A2绕组构成电机的一相绕组，分别缠绕于相对的两个定子轭部1-2上，绕组9采用并联连接方式。
参见图5，本发明工作时，对绕组9通电，产生的磁通10和磁通11的路径为：定子轭部1-2、外定子齿1-1、轴向气隙、转子2、轴向气隙、内定子齿1-3、定子轭部1-2。磁通10和磁通11关于定子1的轴向中心线对称，并且在定子轭部1-2处叠加，定子轭部1-2处的磁密为定子齿1-1处磁密的两倍。
本发明电机运行原理为磁阻最小原理，即磁通10和磁通11沿着磁阻最小的路径闭合，当一相绕组通电时，产生对于临近的双侧转子极的吸力，使电机趋于电感最小的位置，即励磁的定子极与转子极相对的位置，每相依次通电，即可带动轴向两端侧的转子同时转动，从而带动转轴8转动，输出外转矩。

Claims (5)

1.一种单元式轴向磁通开关磁阻电机，包括转轴（8）、定子（1）和转子（2），正中间是转轴（8），其特征是：定子（1）的轴向每端侧各布置Nr个相同的转子（2），轴向两端侧的转子（2）和定子（1）之间留有轴向气隙；轴向同端侧的N r 个转子（2）沿一个非导磁转子支撑环（6）的外壁的圆周方向均匀布置，两个非导磁转子支撑环（6）均紧密固定套在转轴（8）外；有N s 个相同的定子（1）沿圆周方向均匀布置且每个定子1的外端均固定连接一个非导磁定子支撑环（5），转轴（8）外壁和N s 个定子（1）内端之间留有径向气隙；每个定子（1）的轴向截面都呈工字型，工字型定子（1）的外层是外定子齿（1-1），内层是内定子齿（1-3），中间层是定子轭部（1-2），定子轭部（1-2）的轴向两侧形成定子槽（1-4），定子槽（1-4）中安放绕组（9）；
Figure 833615DEST_PATH_IMAGE002
， LCM为取最小公倍数，m为电机相数；
一相绕组分别缠绕于对面的两个定子轭部（1-2）上，采用一个单元式功率变换器控制一相绕组的电流大小；对绕组通电，产生的磁通关于定子（1）的轴向中心线对称，在定子轭部（1-2）处叠加，当一相绕组通电，产生对于临近的双侧转子极的吸力，使电机趋于电感最小的位置，每相依次通电，带动轴向两端侧的转子（2）同时转动。
2.根据权利要求1所述的一种单元式轴向磁通开关磁阻电机，其特征是：定子（1）的轴向两端侧的转子（2）在轴向的位置分别一一相对。
3.根据权利要求1所述的一种单元式轴向磁通开关磁阻电机，其特征是：定子轭部（1-2）的轴向长度是定子齿（1-1）径向高度的2倍。
4.根据权利要求1所述的一种单元式轴向磁通开关磁阻电机，其特征是：每个转子（2）和每个定子（1）的径向高度相同，每个转子（2）的外径等于定子（1）的外径，每个转子（2）的内径小于定子（1）的内径。
5.根据权利要求1所述的一种单元式轴向磁通开关磁阻电机，其特征是：每个定子（1）外端都固定连接一个定子梯形键（3），定子梯形键（3）固定嵌入在非导磁定子支撑环（5）内；每个转子（2）内端都固定连接一个转子梯形键（4），转子梯形键（4）固定嵌入在非导磁转子支撑环（6）内。
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