CN108712045A - 一种同步开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种同步开关磁阻电机，主要包括三相定子、凸极转子、转子位置传感器、机壳、电机控制器、轴；所述三相定子采用三相集中绕组或者三相分布式绕组，在电机控制器驱动控制下产生同步旋转磁场，所述同步旋转磁场的强度和旋转速度可以由电机控制器通过三相定子控制；所述凸极转子不含有永磁体，不含有鼠笼结构，不需要开磁阻槽，仅由硅钢片叠压而成为具有偶数个凸极的转子；所述三相定子安装在机壳的内部，凸极转子安装在轴上，并通过轴安装在机壳的上，轴的一端安装转子位置传感器；所述三相定子与凸极转子组成径向磁路。该新型同步开关磁阻电机既保留了开关磁阻电机结构简单的优点和同步磁阻电机转矩脉动小、噪声低的优点，又克服了开关磁阻电机转矩脉动大和同步磁阻电机结构复杂的特点。

Description

一种同步开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种不同于同步磁阻电机和开关磁阻电机的新型磁阻式电机。

背景技术

开关磁阻电机具有简单的机械结构，较好的机械输出特性，非常灵活的控制性能，较好的环境适应能力，不含有永磁材料等优点，因此在电动汽车、纺织等领域得到了广泛的应用。但是开关磁阻电机的驱动采用脉冲式电流供电，电机的转动脉动和噪声均较大，因此其应用领域受到了限制。

因此出现了一种同步磁阻电机，通过d轴与q轴磁阻的差异产生转矩驱动电机。早期的同步磁阻电机通过几何凸极转子中添加磁障产生磁阻转矩，同时在转子上安插鼠笼条形成异步起动转矩。随着电力电子器件和磁场定向控制技术的进步，交流调速电机得到快速发展。增大了同步磁阻电机的凸极比，通过变频器直接起动，转矩脉动有较大改善。同步磁阻电机的输出转矩正比于d轴与q轴电感差值。为了获得较大的转矩密度，应该尽量增大d轴与q轴电感差值。为了减小电机的转矩脉动，应该设计三相绕组的电感随转子位置的变化规律有良好的正弦度，则Ld和Lq基本为常数。同时，电机的输出转矩正比于电感，因而磁路饱和引起的磁阻增大对电机转矩密度影响严重。很多情况下，当电机重载或过载运行时凸极率会因饱和而迅速减小，进而影响转矩密度。故同步磁阻电机的设计应该增大电机的凸极率同时减小饱和效应。

开关磁阻电机通常采用转子几何凸极结构，同步磁阻电机通常采用多层磁障结构的圆柱形转子。从加工工艺上看，开关磁阻电机比多层磁障的同步磁阻电机转子更简单。同步磁阻电机每一层磁块通过细薄的磁桥连接，转子鲁棒性和可靠性不如开关磁阻电机。

综上所述，为了解决开关磁阻电机的转矩脉动大、噪声大等缺点的同时，还要解决同步磁阻电机转子结构复杂，凸极比较小等问题，因此需要对电机的结构进行改进。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，提出了一种新型同步开关磁阻电机结构。该新型同步开关磁阻电机既保留了开关磁阻电机结构简单的优点和同步磁阻电机转矩脉动小、噪声低的优点，又克服了开关磁阻电机转矩脉动大和同步磁阻电机结构复杂的特点。

本发明采取的技术方案为：

一种同步开关磁阻电机，其特征在于，包括三相定子、凸极转子、转子位置传感器、机壳、电机控制器、轴；所述三相定子采用三相集中绕组或者三相分布式绕组，在电机控制器驱动控制下产生同步旋转磁场，所述同步旋转磁场的强度和旋转速度可以由电机控制器通过三相定子控制；所述凸极转子不含有永磁体，不含有鼠笼结构，不需要开磁阻槽，仅由硅钢片叠压而成为具有偶数个凸极的转子；所述三相定子安装在机壳的内部，凸极转子安装在轴上，并通过轴安装在机壳的上，轴的一端安装转子位置传感器；所述三相定子与凸极转子组成径向磁路。

所述的三相定子槽数为s＝3*n*2p，其中，n为每极每相槽数，n＝0.5,1,2,3,4,5…；p为极对数，p＝1,2,3,4,5…。

所述的三相定子包括四种绕组形式:槽极比为3:2的典型集中绕组、整数槽分布绕组、每对极槽数为整数的分数槽分布绕组、每对极槽数为分数的分数槽分布绕组。

所述凸极转子有偶数个凸极，极对数与三相定子相同。

所述凸极转子的极弧系数大于0.1，且小于0.8。

所述转子位置传感器安装在机壳端部，用于检测转子位置。

所述电机控制器采用三相桥式主电路，通过全控型功率器件输出幅值和频率均可控的三相正弦PWM电压。

所述凸极转子包括梯形结构的齿极，即齿极中齿顶的宽度小于齿根的宽度。

所述同步开关磁阻电机的凸极转子的齿极为正弦波结构，即凸极转子的边沿到转子轴心的距离满足公式R＝A sin(p*θ)+B θ∈[0,2π)，其中，R为凸极转子边沿到转子轴心的距离，A为正弦波的最大幅值，B为转子轭部的半径，θ为边沿点距离极坐标轴的角度，p为凸极转子的极数。

所述同步开关磁阻电机，当磁路为轴向时，其三相定子与凸极转子组成轴向磁路，并且多组定转子可以通过一个轴串联叠加，以增加输出功率；此时定转子的直径相同，定子与转子轴向相对，并且满足三相定子的槽数为s＝3*n*2p，其中，n为每极每相槽数，n＝0.5,1,2,3,4,5…；p为极对数，p＝1,2,3,4,5…。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明的一个效果在于，同步开关磁阻电机定子采用三相集中绕组或者分布式绕组结构简单，比传统开关磁阻电机的电流脉动小。

本发明的一个效果在于，同步开关磁阻电机转子采用凸极结构，避免了同步磁阻电机转子上开磁障槽引起的转子强度下降问题。

本发明的一个效果在于，同步开关磁阻电机转子采用凸极结构，避免了同步磁阻电机转子因导磁条引起的Lq增加问题，该问题会影响输出转矩的提高。

本发明的一个效果在于，同步开关磁阻电机转子采用凸极结构，避免了同步磁阻电机凸极比较小的问题。

本发明的一个效果在于，同步开关磁阻电机转子采用凸极结构，简化了电机结构，降低了电机生产制造成本。

附图说明

图1是本发明中一种同步开关磁阻电机采用集中式绕组示意图；

图2是本发明中一种同步开关磁阻电机采用分布式绕组的齿槽示意图；

图3是本发明中传统开关磁阻电机示意图；

图4是本发明中传统同步磁阻电机示意图；

图5是本发明中传统同步磁阻电机转子；

图6是本发明中同步开关磁阻电机转子；

图7是本发明中同步开关磁阻电机结构；

图8是本发明中同步开关磁阻电机控制器主电路；

图9是本发明中具有梯形齿的同步开关磁阻电机转子；

图10是本发明中具有正弦形齿的同步开关磁阻电机转子；

图11是本发明中两类具有正弦形齿的同步开关磁阻电机；

图12是本发明中轴向磁路的同步开关磁阻电机。

附图中，各标号所代表的部件：

1、三相定子，2、凸极转子，3、转子位置传感器，4、机壳，5、电机控制器，6、轴，7、同步磁阻电机转子，101、定子绕组，201、齿极，2011、齿顶，2012、齿根，202、齿槽，203、磁轭，204、转子轴A，701、磁障槽，702、磁块，703、磁桥，704、转子轴B

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的介绍。

图3为传统的开关磁阻电机，其电机结构非常简单，定子只有集中绕组，是一种双凸极结构，即定子和转子只有凸极齿极、齿槽结构。定子和转子的齿槽数Zs和Zr均为偶数，Zs≠Zr，但是它们尽量接近。通常设计Zs＝Zr+2。而开关磁阻电机的相数为m＝Zs/2，因此开关磁阻电机的相数m≥3。考虑到开关磁阻电机的相数大于等于3，且不对称半桥结构需要额外的两个二极管，因此开关磁阻电机的控制器成本会大于传统异步电机变频器的价格。由于开关磁阻电机的电流是脉冲形式的，加上双凸极结构，使得开关磁阻电机的转矩脉动和噪声非常大。

图4为传统同步磁阻电机，其定子与传统的异步电机相同，转子见图5。同步磁阻电机的定子为三相正弦波电流，因此可以采用传统的变频器驱动，其控制器的成本较低。同步磁阻电机是在同步电机的基础上增加转子凸极效应而发展起来的，为了增加转子的凸极效应即凸极率，除了转子轴B 704，在同步磁阻电机转子7中开了许多磁障槽701，在相邻磁障槽701之间为磁块702用于提供磁路，因此在磁块702垂直方向磁路的磁阻由于磁障槽701的存在而增加，因此产生凸极效应更加明显。磁块702的连接是靠磁桥703实现的，因此结构比较薄弱，容易饱和，因此也降低了凸极率。

为了解决上述开关磁阻电机和同步磁阻电机所带来的问题，本发明公布了一种新型电机结构，结合了开关磁阻电机转子结构简单的优点以及同步磁阻电机转矩平稳、控制器简单的优点，该新型电机结构为同步磁阻电机，见图1和图2。所发明的同步开关磁阻电机的定子绕组可以有四种形式：槽极比为3:2的典型集中绕组、整数槽分布绕组、每对极槽数为整数的分数槽分布绕组、每对极槽数为分数的分数槽分布绕组。由于采用三相集中绕组或者分布式绕组结构简单，比传统开关磁阻电机的电流脉动小。同步开关磁阻电机转子采用凸极结构，避免了同步磁阻电机转子上开磁障槽引起的转子强度下降问题。同步开关磁阻电机转子采用凸极结构，避免了同步磁阻电机转子因导磁条引起的Lq增加问题，该问题会影响输出转矩的提高。此外，同步开关磁阻电机转子采用凸极结构，避免了同步磁阻电机凸极比较小的问题。同步开关磁阻电机转子采用凸极结构，简化了电机结构，降低了电机生产制造成本。

实施例1：

径向磁路的同步开关磁阻电机，图1为同步开关磁阻电机采用集中式绕组示意图；图2为同步开关磁阻电机采用分布式绕组的齿槽示意图。从图1中可以看到定子绕组101直接绕在定子齿上。所述的三相定子1槽数为s＝3*n*2p，其中，n为每极每相槽数，n＝0.5,1,2,3,4,5…；p为极对数，p＝1,2,3,4,5…。

三相定子1安装在机壳4的内部，凸极转子2安装在轴6上，并通过轴6安装在机壳4的上，轴6的一端安装转子位置传感器3；

三相定子1与凸极转子2组成轴径向磁路，凸极转子2不含有永磁体，不含有鼠笼结构，不需要开磁阻槽，仅由硅钢片叠压而成为具有偶数个凸极的转子。与传统的开关磁阻电机不同，传统开关磁阻电机转子的极弧系数，即齿极201的弧度a与齿槽202的弧度b之比a/b，一般会小于0.5，而本发明的同步开关磁阻电机的凸极转子2极弧系数要接近0.5左右才会比较好的发挥其凸极效应，见图6。在齿槽202与转子轴A 204之间是转子的磁轭203，用于给磁场提供一个通路，见图6。

此外，为了降低转矩脉动，提高凸极效应，可以将同步开关磁阻电机的凸极转子2的齿极201设计为梯形结构，即齿顶2011的宽度小于齿根2012的宽度，如图9所示。

为了降低电机旋转时的转矩波动，本发明可以将同步开关磁阻电机的凸极转子2的齿极201设计为正弦波结构，即凸极转子2的边沿到转子轴心的距离满足公式R＝A sin(p*θ)+B θ∈[0,2π)，其中，R为凸极转子2边沿到转子轴心的距离，A为正弦波的最大幅值，B为转子轭部的半径，θ为边沿点距离极坐标轴的角度，p为转子极数，如图10所示。两类具有正弦形齿的同步开关磁阻电机见图11，其三相定子1参数与非正弦波转子的同步开关磁阻电机三相定子1相同。

同步开关磁阻电机的结构如图7所示，三相定子1安装在机壳4的内部，凸极转子2安装在轴6上，并通过轴6上的轴承安装在机壳4的端盖上。轴6的一端安装转子位置传感器3，转子位置传感器3可以是光耦、霍尔、磁编码器、旋转变压器、光电码盘等不同种类的位置传感器，能够检测出凸极转子2相对三相定子1的位置。

定子绕组101采用Y型接法，利用三相桥式逆变器进行控制，见图8。三相桥式逆变器加上数字式控制电路如DSP、MCU、FPGA等组成电机控制器5。利用电机控制器5可以产生SVPWM，从而实现对同步开关磁阻电机的矢量控制。三相定子1在电机控制器5驱动控制下产生同步旋转磁场，所述同步旋转磁场的强度和旋转速度可以由电机控制器5通过三相定子1控制。

实施例2：

本发明同步开关磁阻电机的另一实施例为轴向磁路的同步开关磁阻电机，见图12，三相定子1凸极转子2分为两半并相对安装，中间插入一个微小的气隙，通过电机控制器5使三相定子1所产生的磁场与轴6平行穿过气隙到达凸极转子2并形成磁力线回路。其控制效果与径向磁路的同步开关磁阻电机相同，见图1、图2。

当同步开关磁阻电机组成轴向磁路时，定转子的直径相同，定子与转子轴向相对，并且满足三相定子1槽数为s＝3*n*2p，其中，n为每极每相槽数，n＝0.5,1,2,3,4,5…；p为极对数，p＝1,2,3,4,5…。并且多组定转子可以通过一个轴6串联叠加，以增加输出功率。

对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种同步开关磁阻电机，其特征在于，包括三相定子(1)、凸极转子(2)、转子位置传感器(3)、机壳(4)、电机控制器(5)、轴(6)；

所述三相定子(1)采用三相集中绕组或者三相分布式绕组，在电机控制器(5)驱动控制下产生同步旋转磁场，所述同步旋转磁场的强度和旋转速度可以由电机控制器(5)通过三相定子(1)控制；

所述凸极转子(2)不含有永磁体，不含有鼠笼结构，不需要开磁阻槽，仅由硅钢片叠压而成为具有偶数个凸极的转子；

所述三相定子(1)安装在机壳(4)的内部，凸极转子(2)安装在轴(6)上，并通过轴(6)安装在机壳(4)的上，轴(6)的一端安装转子位置传感器(3)；

所述三相定子(1)与凸极转子(2)组成径向磁路。

2.如权利要求1所述的一种同步开关磁阻电机，所述的三相定子(1)槽数为s＝3*n*2p，其中，n为每极每相槽数，n＝0.5,1,2,3,4,5…；p为极对数，p＝1,2,3,4,5…。

3.如权利要求1所述的一种同步开关磁阻电机，其特征在于，所述的三相定子(1)包括四种绕组形式:槽极比为3:2的典型集中绕组、整数槽分布绕组、每对极槽数为整数的分数槽分布绕组、每对极槽数为分数的分数槽分布绕组。

4.如权利要求1所述的一种同步开关磁阻电机，其特征在于，所述凸极转子(2)有偶数个凸极，极对数与三相定子(1)相同。

5.如权利要求1所述的一种同步开关磁阻电机，其特征在于，所述凸极转子(2)的极弧系数大于0.1，且小于0.8。

6.如权利要求1所述的一种同步开关磁阻电机，其特征在于，所述转子位置传感器(3)安装在机壳(4)端部，用于检测转子位置。

7.如权利要求1所述的一种同步开关磁阻电机，其特征在于，所述电机控制器(5)采用三相桥式主电路，通过全控型功率器件输出幅值和频率均可控的三相正弦PWM电压。

8.如权利要求1所述的一种同步开关磁阻电机，其特征在于，所述凸极转子(2)包括梯形结构的齿极(201)，即齿极(201)中齿顶(2011)的宽度小于齿根(2012)的宽度。

9.如权利要求1所述的一种同步开关磁阻电机，其特征在于，所述同步开关磁阻电机的凸极转子(2)的齿极(201)为正弦波结构，即凸极转子(2)的边沿到转子轴心的距离满足公式R＝Asin(p*θ)+Bθ∈[0,2π)，其中，R为凸极转子(2)边沿到转子轴心的距离，A为正弦波的最大幅值，B为转子轭部的半径，θ为边沿点距离极坐标轴的角度，p为凸极转子(2)的极数。

10.如权利要求1所述的一种同步开关磁阻电机，其特征在于，磁路为轴向时，所述三相定子(1)与凸极转子(2)组成轴向磁路，并且多组定转子可以通过一个轴(6)串联叠加，以增加输出功率；此时定转子的直径相同，定子与转子轴向相对，并且满足三相定子(1)的槽数为s＝3*n*2p，其中，n为每极每相槽数，n＝0.5,1,2,3,4,5…；p为极对数，p＝1,2,3,4,5…。