CN108809035A - 开关磁阻电机以及车辆动力电机总成 - Google Patents

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CN108809035A CN201810638154.1A CN201810638154A CN108809035A CN 108809035 A CN108809035 A CN 108809035A CN 201810638154 A CN201810638154 A CN 201810638154A CN 108809035 A CN108809035 A CN 108809035A
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Abstract

本发明提供一种开关磁阻电机以及车辆动力电机总成，开关磁阻电机包括定子和转子，定子包括沿周向均匀分布的多个定子磁极，每个定子磁极包括第一定子磁极单元和第二定子磁极单元，第一定子磁极单元包括沿轴向延伸的第一定子磁极根部以及从第一定子磁极根部沿径向朝向转子延伸的多个第一定子磁极齿部，第二定子磁极单元包括沿轴向延伸的第二定子磁极根部以及从第二定子磁极根部沿径向朝向转子延伸的多个第二定子磁极齿部，转子包括沿周向均匀分布的多个转子磁极，每个转子磁极包括转子磁极根部、多个第一转子磁极齿部和多个第二转子磁极齿部，第一转子磁极齿部从转子磁极根部的一侧沿周向延伸，第二转子磁极齿部从转子磁极根部的另一侧沿周向延伸。

Description

开关磁阻电机以及车辆动力电机总成
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机领域，具体地说，本发明涉及一种集成了空心转子结构的开关磁阻电机以及包括该开关磁阻电机的汽车动力电机总成。
背景技术
目前，越来越多的人们开始重视开关磁阻电机的应用。然而，传统的开关磁阻电机还存在以下不足：1、传统的开关磁阻电机在运行中所产生的径向振动以及定子、转子的凸极结构是导致开关磁阻电机噪声的主要原因；2、传统的开关磁阻电机在运行中所产生的转矩脉动是开关磁阻电机运行不平稳、效率不高的主要原因；3、传统的开关磁阻电机的功率密度不高；4、传统的四相或五相或更多相的开关磁阻电机的控制系统复杂；5、传统的开关磁阻电机还未有效应用于车辆中。
发明内容
本发明的目的在于至少部分克服传统的开关磁阻电机的上述不足，提供一种集成了空心转子结构的开关磁阻电机以及包括该开关磁阻电机的汽车动力电机总成。
所述开关磁阻电机包括同轴地设置的定子和转子，定子包括沿周向均匀分布的多个定子磁极，每个定子磁极包括沿轴向布置的第一定子磁极单元和第二定子磁极单元，第一定子磁极单元包括沿轴向延伸的第一定子磁极根部以及从第一定子磁极根部沿径向朝向转子延伸的多个第一定子磁极齿部，第二定子磁极单元包括沿轴向延伸的第二定子磁极根部以及从第二定子磁极根部沿径向朝向转子延伸的多个第二定子磁极齿部，转子包括沿周向均匀分布的多个转子磁极，每个转子磁极包括转子磁极根部、多个第一转子磁极齿部和多个第二转子磁极齿部，转子磁极根部沿轴向延伸，所述多个第一转子磁极齿部从转子磁极根部沿周向同曲率地延伸，所述多个第二转子磁极齿部从转子磁极根部沿周向同曲率地延伸，所述多个第二转子磁极齿部沿周向的延伸方向与所述多个第一转子磁极齿部沿周向的延伸方向相反，所述多个第一转子磁极齿部与所述多个第一定子磁极齿部沿轴向彼此对齐，所述多个第二转子磁极齿部与所述多个第二定子磁极齿部沿轴向彼此对齐，定子磁极的数量大于转子磁极的数量。
所述多个第一转子磁极齿部的轴向宽度从齿根向齿端逐渐变窄，所述多个第二转子磁极齿部的轴向宽度从齿根向齿端逐渐变窄。
第一定子磁极根部的径向厚度是第一定子磁极齿部的轴向厚度的至少一半，第二定子磁极根部的径向厚度是第二定子磁极齿部的轴向厚度的至少一半。
第一转子磁极齿部的径向厚度、第二转子磁极齿部的径向厚度、转子磁极根部的径向厚度为相等的径向厚度。
在第一定子磁极根部的位于相邻两个第一定子磁极齿部之间的部分缠绕有线圈，相邻两个线圈的缠绕方向相反；或者，在每个第一定子磁极齿部上缠绕线圈，缠绕在相邻两个第一定子磁极齿部上的线圈的缠绕方向彼此相反。在第二定子磁极根部的位于相邻两个第二定子磁极齿部之间的部分缠绕有线圈，相邻两个线圈的缠绕方向相反；或者，在每个第二定子磁极齿部上缠绕线圈，缠绕在相邻两个第二定子磁极齿部上的线圈的缠绕方向彼此相反。
针对每个定子磁极，在定子磁极上缠绕线圈的方式一致。
定子磁极的数量是转子磁极的数量的整数倍N，N≥2。
转子磁极根部沿周向的弧长与定子磁极沿周向的弧长大致相等，转子磁极根部连同第一转子磁极齿部沿周向的弧长与N-1个定子磁极连同N个定子磁极之间的气隙沿周向的总弧长大致相等，转子磁极根部连同第二转子磁极齿部沿周向的弧长与N-1个定子磁极连同N个定子磁极之间的气隙沿周向的总弧长大致相等。
在转子磁极根部的位于相邻两个第一转子磁极齿部之间的部分设置有永磁体，在转子磁极根部的位于相邻两个第二转子磁极齿部之间的部分设置有永磁体。
所述定子还包括由非磁性材料制成的空心定子安装筒体，所述多个定子磁极嵌装在所述空心定子安装筒体上，所述转子还包括由非磁性材料制成的空心转子安装筒体，所述多个转子磁极嵌装在所述空心转子安装筒体上，并且所述多个转子磁极的面向定子的表面与所述空心转子安装筒体的外周面齐平。
第一定子磁极单元和第二定子磁极单元被形成为分体式结构。
转子磁极根部包括沿轴向布置的第一转子磁极根部和第二转子磁极根部，第一转子磁极根部沿轴向与第一定子磁极单元彼此对齐，第二转子磁极根部沿轴向与第二定子磁极单元彼此对齐，所述多个第一转子磁极齿部从第一转子磁极根部沿周向同曲率地延伸，所述多个第二转子磁极齿部从第二转子磁极根部沿周向同曲率地延伸。
一种车辆动力电机总成包括如上所述的开关磁阻电机。
一种车辆包括如上所述的车辆动力电机总成。
本发明所提供的开关磁阻电机可提供如下优点：能够减少由于径向力波动而产生的径向振动以及产生的噪声，减少扭矩脉动，改善开关磁阻电机的性能，从而提高开关磁阻电机的效率；定子磁极励磁线圈电流的接通和关断控制的实现简单，可简化控制系统；可有效应用于车辆中。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的开关磁阻电机的结构示意图；
图2A和图2B是根据本发明的实施例的开关磁阻电机的各种气隙的尺寸的示意图；
图3是根据本发明的另一实施例的开关磁阻电机的转子磁极的示意图；
图4A和图4B是根据本发明的实施例的开关磁阻电机的自起动过程的示意图；
图5是包括根据本发明的实施例的开关磁阻电机的车辆动力电机总成的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1是根据本发明的实施例的开关磁阻电机的结构示意图。
参照图1，示出了根据本发明的实施例的开关磁阻电机的结构。在本实施例中，开关磁阻电机可以是内转子外定子结构或内定子外转子结构。为了便于描述，下面以具有内转子外定子结构的开关磁阻电机为例进行说明。
开关磁阻电机可包括同轴地布置的定子10和转子20，定子10可包括沿周向均匀分布的多个定子磁极11，在每个定子磁极11上均缠绕有线圈(未示出)。
转子20可包括沿周向均匀分布的多个转子磁极21。定子磁极11和转子磁极21均可由多层硅钢片叠置而成。定子磁极11和转子磁极21可分别嵌装在由非磁性材料制成的定子安装筒体18和转子安装筒体25上，非磁性材料可以是非磁性轻金属材料(例如铝镁合金)、高强度塑料等。两个安装筒体 18、25可同轴地设置，并且两个安装筒体18、25可以是空心的筒体。在转子安装筒体25上可安装有旋转轴(未示出)，以通过旋转轴对外出输出功率。在安装时，转子磁极21的面对定子的表面可与转子安装筒体25的外周面齐平，从而对于整个转子20来说，转子20的面对定子的表面为平滑的表面而不存在凹凸不平，以减少开关磁阻电机运行时的气流噪声。
每个定子磁极11以及其上缠绕的线圈可形成单独的一相。或者，根据定子磁极11的数量和转子磁极21的数量，在多个定子磁极11中的关于周向均匀间隔分布的一部分定子磁极11上缠绕的线圈彼此连接，由此所述一部分定子磁极11以及其上缠绕的线圈形成一相。
每个定子磁极11可包括沿轴向布置的第一定子磁极单元12和第二定子磁极单元13。第二定子磁极单元13可沿轴向与第一定子磁极单元12隔开预定距离。或者，第二定子磁极单元13也可与第一定子磁极单元12一体地形成，即，形成为一体式结构。
第一定子磁极单元12可包括第一定子磁极根部14以及从第一定子磁极根部14沿径向朝向转子20延伸的多个第一定子磁极齿部15，第一定子磁极根部15沿着轴向延伸。因而，从周向的切线方向看，第一定子磁极单元12 可大体上呈U形或扩展的U形，其中，扩展的U形可指多个连续的U形一体地形成，从而组成一体的单个部件。第一定子磁极根部14可嵌装在定子安装筒体18上。
可在第一定子磁极根部14上缠绕有多个线圈，具体地，可在第一定子磁极根部14的位于相邻两个第一定子磁极齿部15之间的部分缠绕有线圈，相邻两个线圈的缠绕方向相反。或者，可在每个第一定子磁极齿部15上缠绕有线圈，缠绕在相邻两个第一定子磁极齿部15上的线圈的缠绕方向彼此相反。针对各个第一定子磁极单元12，在第一定子磁极根部14或第一定子磁极齿部15上缠绕线圈的方式是一致的，从而使得每个第一定子磁极单元12沿轴向具有一致的N、S磁极分布。
第一定子磁极齿部15可在轴向上均匀地分布，相邻的两个第一定子磁极齿部15可分隔开相等的间距。处于最外侧的两个第一定子磁极齿部15的轴向宽度可小于其它第一定子磁极齿部15的轴向宽度，例如，最外侧的两个第一定子磁极齿部15的轴向宽度可大体上是其它第一定子磁极齿部15的一半。另外，第一定子磁极根部14的径向厚度可以是位于中间的第一定子磁极齿部 15的轴向厚度的至少一半，以便确保开关磁阻电机在运行时在第一定子磁极单元12上的各个磁路上的磁通量大体相等。第一定子磁极根部14与多个第一定子磁极齿部15可为一体成型部件。
第二定子磁极单元13的结构与第一定子磁极单元12类似。
具体地，第二定子磁极单元13可包括第二定子磁极根部16以及从第二定子磁极根部16沿径向朝向转子20延伸的多个第二定子磁极齿部17，第二定子磁极根部16沿着轴向延伸。因而，从周向的切线方向看，第二定子磁极单元13可大体上呈U形或扩展的U形，其中，扩展的U形可指多个连续的 U形一体地形成，从而组成一体的单个部件。第二定子磁极根部16可嵌装在定子安装筒体18上。优选地，第二定子磁极齿部17的数量可与第一定子磁极齿部15的数量相等。
可在第二定子磁极根部16上缠绕有多个线圈，具体地，可在第二定子磁极根部16的位于相邻两个第二定子磁极齿部17之间的部分缠绕有线圈，相邻两个线圈的缠绕方向相反。或者，可在每个第二定子磁极齿部16上缠绕有线圈，缠绕在相邻两个第二定子磁极齿部17上的线圈的缠绕方向彼此相反。针对各个第二定子磁极单元13，在第二定子磁极根部16或第二定子磁极齿部17上缠绕线圈的方式是一致的，从而使得每个第二定子磁极单元13沿轴向具有一致的N、S磁极分布。
第二定子磁极齿部17可在轴向上均匀地分布，相邻的两个第二定子磁极齿部17可分隔开相等的间距。处于最外侧的两个第二定子磁极齿部17的轴向宽度可小于其它第二定子磁极齿部17的轴向宽度，例如，最外侧的两个第二定子磁极齿部17的轴向宽度可大体上是其它第二定子磁极齿部17的一半。另外，第二定子磁极根部16的径向厚度可以是位于中间的第二定子磁极齿部 17的轴向厚度的至少一半，以便确保开关磁阻电机在运行时在第二定子磁极单元13上的各个磁路上的磁通量大体相等。第二定子磁极根部16与多个第二定子磁极齿部17可为一体成型部件。
每个转子磁极21可包括转子磁极根部22、多个第一转子磁极齿部23和多个第二转子磁极齿部24。转子磁极根部22沿轴向延伸，大体上呈长条状，其外轮廓大体上对应于第一定子磁极根部14和第二定子磁极根部16，转子磁极根部22的轴向长度大致等于第一定子磁极根部14和第二定子磁极根部 16连同它们之间的间距沿轴向的总长度。转子磁极根部22也可以是分体式结构。
多个第一转子磁极齿部23从转子磁极根部22的一侧沿周向同曲率地延伸，也就是说，第一转子磁极齿部23的面对定子10的表面与转子磁极根部 22的面对定子10的表面同在一个圆柱面上，并且第一转子磁极齿部23的径向厚度可大体上与转子磁极根部22的径向厚度相等。
多个第二转子磁极齿部24从转子磁极根部22的另一侧沿周向同曲率地延伸，也就是说，第二转子磁极齿部24的面对定子10的表面与转子磁极根部22的面对定子10的表面同在一个圆柱面上，并且第二转子磁极齿部23的径向厚度可大体上与转子磁极根部22的径向厚度相等。第二转子磁极齿部 24沿周向的延伸方向与第一转子磁极齿部23沿周向的延伸方向相反。多个第二转子磁极齿部24沿轴向与多个第一转子磁极齿部23隔开预定距离。优选地，第二转子磁极齿部24的数量可与第一转子磁极齿部23的数量相等。
多个第一转子磁极齿部23和多个第二转子磁极齿部24可与转子磁极根部22为一体成型的部件，从而构成转子磁极21。因此，从周向的法线方向看，转子磁极21的一侧可大体上呈U形或扩展的U形，转子磁极21的另一侧也可大体上呈U形或扩展的U形其中，扩展的U形可指多个连续的U形一体。
多个第一转子磁极齿部23可在轴向上可均匀地分布，相邻的两个第一转子磁极齿部23可分隔开相等的间距。多个第二转子磁极齿部24可在轴向上可均匀地分布，相邻的两个第二转子磁极齿部24可分隔开相等的间距。
多个第一转子磁极齿部23在轴向上的分布可大体上与多个第一定子磁极齿部15对应。也就是说，第一转子磁极齿部23的数量与第一定子磁极齿部15的数量相等，并且第一转子磁极齿部23的轴向长度可大体上等于第一定子磁极齿部15的轴向长度，多个第一转子磁极齿部23中的每个面对多个第一定子磁极齿部15中的对应一个，即，多个第一转子磁极齿部23与多个第一定子磁极齿部15沿轴向彼此对齐。
类似地，多个第二转子磁极齿部24在轴向上的分布可大体上与多个第二定子磁极齿部17对应。也就是说，第二转子磁极齿部24的数量与第二定子磁极齿部17的数量相等，并且第二转子磁极齿部24的轴向长度可大体上等于第二定子磁极齿部17的轴向长度，多个第二转子磁极齿部24中的每个面对多个第二定子磁极齿部17中的对应一个，即，多个第二转子磁极齿部24 与多个第二定子磁极齿部17沿轴向彼此对齐。
第一定子磁极齿部15的轴向宽度可与沿轴向和所述第一定子磁极齿部 15对齐的第一转子磁极齿部23的轴向宽度相等，第二定子磁极齿部17的轴向宽度可与沿轴向和所述第二定子磁极齿部17对齐的第二转子磁极齿部24 的轴向宽度相等。
在轴向上相邻的第一转子磁极齿部23和第二转子磁极齿部24之间沿轴向的距离大致等于第一定子磁极单元12和第二定子磁极单元13之间沿轴向的距离。
一个转子磁极20的第一转子磁极齿部23与另一转子磁极20的第二转子磁极齿部24在周向上可不重叠。同样地，一个转子磁极20的第二转子磁极齿部24与另一转子磁极20的第一转子磁极齿部23在周向上可不重叠。
应该理解，虽然图1示出了转子磁极根部22是一体式结构，然而本发明不限于此，转子磁极根部22也可以是分体式结构，即，转子磁极根部22可包括沿轴向布置的第一转子磁极根部和第二转子磁极根部，第一转子磁极根部沿轴向与第一定子磁极单元12彼此对齐，第二转子磁极根部沿轴向与第二定子磁极单元13彼此对齐。第一转子根部与第二转子根部可位于一条轴向直线上，也可以不在一条轴向直线上而在周向上彼此错开预定间隔。多个第一转子磁极齿部23从第一转子磁极根部沿周向同曲率地延伸，多个第二转子磁极齿部24从第二转子磁极根部沿周向同曲率地延伸，第二转子磁极齿部24 沿周向的延伸方向与第一转子磁极齿部23沿周向的延伸方向相反。
因此，通过设置多个第一转子磁极齿部23和多个第二转子磁极齿部24，可使得开关磁阻电机具有预定的开通角提前量和预定的关断角提前量，提供了电力利用效率，使得定子和转子上的切向力(转矩)始终保持在较高值的范围内而不会减小到零，同时使得径向力始终保持在较低值的范围内而不会增大到较高的值。进而通过减小径向力波动和幅值，可有效地减小电机的径向振动和噪声，并且通过使电机始终具有较高的转矩而能够显著提高电机效率。
电机的定子10受到的径向力和切向力可通过调节第一转子磁极齿部23 和第二转子磁极齿部24的尺寸而在一定的范围内变化。因而可显著改善定子 10和转子20的受力状况，减小径向力波动，进而可减少电机的振动和噪声，并且还显著提高电机的转矩。
图2A和图2B是根据本发明的实施例的开关磁阻电机的各种气隙的尺寸的示意图。
参照图2A和图2B，定子磁极11与转子磁极21之间的沿着径向的气隙的尺寸δ1为十分之一毫米的数量级，通常在0.1毫米至3.0毫米之间。相邻两个定子磁极11之间的气隙的尺寸δ2、在周向上相邻的两个转子磁极21之间的气隙的尺寸δ3、转子磁极21的两个相邻第一转子磁极齿部23(或两个相邻第二转子磁极齿部24)之间的气隙的尺寸δ4、以及定子磁极11的两个相邻第一定子磁极齿部15(或两个相邻第二定子磁极齿部17)之间的气隙的尺寸(未示出)均可大于δ1的20倍。由此，便于遵循磁阻最小原理而驱使在相应的定子磁极11与转子磁极21之间形成磁阻最小的闭合路径，使得相应转子磁极21转动而产生转矩，进而带动转子20转动。
图3是根据本发明的另一实施例的开关磁阻电机的转子磁极的示意图。
参照图3，转子磁极21的第一转子磁极齿部23的轴向宽度可从齿根向齿端逐渐变窄，第二转子磁极齿部24的轴向宽度可从齿根向齿端逐渐变窄。即，第一转子磁极齿部23的齿端的轴向宽度小于齿根的轴向宽度，第一转子磁极齿部24的齿端的轴向宽度小于齿根的轴向宽度。例如，第一转子磁极齿部23的齿端的轴向宽度可以为0(第一转子磁极齿部23的俯视截面变为三角形)，为第一转子磁极齿部23的齿根的轴向宽度的四分之一、三分之一、或二分之一等。类似地，第二转子磁极齿部24的齿端的轴向宽度可以为0(第二转子磁极齿部24的俯视截面变为三角形)，为第二转子磁极齿部24的齿根的轴向宽度的四分之一、三分之一、或二分之一等。可根据实际需要设置第一转子磁极齿部23和第二转子磁极齿部24的齿端的轴向宽度。
采用转子磁极21的上述设置，可进一步减小开关磁阻电机的扭矩脉动。
根据本发明的实施例，定子磁极11的数量S是大于1的自然数，转子磁极21的数量M是等于或大于1的自然数，S>M。
优选地，定子磁极11的数量S是转子磁极21的数量M的整数倍N，N≥2。因此，在周向上每间隔(N-1)个定子磁极11的M个定子磁极11上缠绕的线圈彼此连接，所述M个定子磁极11以及其上缠绕的线圈形成一相，由此一共形成N相。因此，开关磁阻电机的相数是N，可形成N相开关磁阻电机。例如，可形成两相、三相、四相、五相、六相、七相、八相等开关磁阻电机。
优选地，定子磁极11的数量S和转子磁极21的数量M均为偶数，S是 M的整数倍N(N≥2)。因此，定子磁极11和转子磁极21均可关于周向对称分布。
例如，S为4，M为2，N为2。或者，S为6，M为2，N为3。或者， S为8，M为2，N为4。或者，S为8，M为4，N为2(如下面的图2A、图4A和图4B所示)。或者，S为12，M为4，N为3。或者，S为16，M为4，N为4。或者，S为16，M为8，N为2(如图1所示)。可根据实际需要设置S、M的数值。
在S是M的整数倍N的情况下，转子磁极根部22沿周向的弧长与定子磁极11沿周向的弧长大致相等，转子磁极根部22连同第一转子磁极齿部23 沿周向的弧长与N-1个定子磁极11连同所述N个定子磁极11之间的气隙沿周向的总弧长大致相等，转子磁极根部22连同第二转子磁极齿部24沿周向的弧长与N个定子磁极11连同所述N-1个定子磁极11之间的气隙沿周向的总弧长大致相等。
根据本发明，转子磁极21具有沿相反方向延伸的第一转子磁极齿部23 和第二转子磁极齿部24，而转子磁极齿部沿圆周的延伸方向决定了开关磁阻电机的旋转方向。因此，当需要开关磁阻电机沿第一转子磁极齿部23的延伸方向旋转时，可单独控制与第一转子磁极齿部23对应的第一定子磁极单元 12上缠绕的线圈的通电/断电；当需要开关磁阻电机沿第二转子磁极齿部24 的延伸方向旋转时，可单独控制与第二转子磁极齿部24对应的第二定子磁极单元13上缠绕的线圈的通电/断电，由此可实现开关磁阻电机的双向旋转(正转和反转)。
下面简要描述开关磁阻电机的自起动旋转的过程(以第一转子磁极齿部 23所在的一侧的周向实现顺时针旋转为例，同样的原理适用于第二转子磁极齿部24所在的一侧的周向实现逆时针旋转)。
首先需要确定定子磁极11和转子磁极21的相对位置关系。可通过设置在开关磁阻电机中的位置传感器来检测定子磁极11和转子磁极21的相对位置关系。
具体地，确定转子磁极21的转子磁极根部22与哪一相/哪几相第一定子磁极单元12沿周向具有最大重合度，就对具有最大重合度的那一相/那几相第一定子磁极单元12断电(切断缠绕在那一相/那几相第一定子磁极单元12 上的线圈的电流)，同时对所有其它相第一定子磁极单元12通电(保持缠绕在所有其它相第一定子磁极单元12上的线圈的电流)。此时，根据磁阻最小原理，其它相第一定子磁极单元12与转子磁极根部22趋向于形成磁阻最小的闭合路径，而在周向上沿转子磁极21的第一转子磁极齿部23的延伸方向将转子磁极21拉向其它相第一定子磁极单元12(由此形成转矩)。开关磁阻电机的旋转方向取决于第一转子磁极齿部23的延伸方向，即，与第一转子磁极齿部23的延伸方向一致。在转子磁极21沿周向转动预定距离后，转子磁极21又将与相应的第一定子磁极单元12沿周向具有最大重合度，进而重复前述断电和通电控制，如此往复，可使得转子磁极21连续转动，带动转子 20转动，由此通过旋转轴对外出输出功率。总结来说，通电和断电的控制方式是，对沿周向与转子磁极根部22具有最大重合度的第一定子磁极单元12 断电，而对所有其它第一定子磁极单元12通电。可通过由开关器件(例如晶体管)形成的开关电路来实现上述断电和通电控制。
下面参照图4A和图4B以包括8个定子磁极11和4个转子磁极21的两相开关磁阻电机为例来说明上述自起动旋转的过程(以第一转子磁极齿部23 所在的一侧的周向实现顺时针旋转为例，同样的原理适用于第二转子磁极齿部24所在的一侧的周向实现逆时针旋转)。
图4A和图4B是根据本发明的实施例的开关磁阻电机的自起动过程的示意图。
参照图4A，4个转子磁极21的转子磁极根部22分别与A1-A2-A3-A4相第一定子磁极单元12沿周向具有最大重合度，此时对A1-A2-A3-A4相第一定子磁极单元12断电(切断缠绕在A1-A2-A3-A4相第一定子磁极单元12上的线圈的电流)，同时对所有其它相第一定子磁极单元12(在图4A中是B1-B2-B3-B4相第一定子磁极单元12)通电(保持缠绕在B1-B2-B3-B4相第一定子磁极单元 12上的线圈的电流)。此时，根据磁阻最小原理，B1-B2-B3-B4相第一定子磁极单元12与转子磁极根部22趋向于形成磁阻最小的闭合路径，而在周向上沿转子磁极21的第一转子磁极齿部23的延伸方向将转子磁极21拉向 B1-B2-B3-B4相第一定子磁极单元12(图4A中示出为顺时针方向)。此时，转子20顺时针转动。
在转子磁极21沿周向转动预定距离(即，转子磁极根部22沿顺时针方向转动到与下一个第一定子磁极单元12最大重合的位置)之后，参照图4B， 4个转子磁极21的转子磁极根部22分别与B1-B2-B3-B4相第一定子磁极单元 12沿周向具有最大重合度，此时对B1-B2-B3-B4相第一定子磁极单元12断电 (切断缠绕在B1-B2-B3-B4相第一定子磁极单元12上的线圈的电流)，同时对所有其它相第一定子磁极单元12(在图4A中是A1-A2-A3-A4相第一定子磁极单元12)通电(保持缠绕在A1-A2-A3-A4相第一定子磁极单元12上的线圈的电流)。此时，根据磁阻最小原理，A1-A2-A3-A4相第一定子磁极单元12与转子磁极根部22趋向于形成磁阻最小的闭合路径，而在周向上沿转子磁极21 的第一转子磁极齿部23的延伸方向将转子磁极21拉向A1-A2-A3-A4相第一定子磁极单元12。此时，转子20继续顺时针转动。
然后，在转子磁极21沿周向转动预定距离(即，转子磁极根部22沿顺时针方向转动到与再下一个第一定子磁极单元12最大重合的位置)之后，4 个转子磁极21的转子磁极根部22再次分别与A1-A2-A3-A4相第一定子磁极单元12沿周向具有最大重合度，此时再次根据参照图4A所描述的方式对 A1-A2-A3-A4相第一定子磁极单元12断电，并且对B1-B2-B3-B4相第一定子磁极单元12通电。重复前述断电和通电控制，如此往复，可使得转子磁极21 连续转动，带动转子20转动，由此通过旋转轴对外出输出功率。
如前所述，当需要开关磁阻电机沿第一转子磁极齿部23的延伸方向旋转时，可单独控制与第一转子磁极齿部23对应的第一定子磁极单元12上缠绕的线圈的通电/断电；当需要开关磁阻电机沿第二转子磁极齿部24的延伸方向旋转时，可单独控制与第二转子磁极齿部24对应的第二定子磁极单元13 上缠绕的线圈的通电/断电，由此可实现开关磁阻电机的双向旋转。然而，为了进一步提高开关磁阻电机的转动效率，可协同地控制(而非独立地控制) 第一定子磁极单元12上缠绕的线圈的通电/断电以及第二定子磁极单元13上缠绕的线圈的通电/断电。
具体地，仍然参照图4A，如前所述，4个转子磁极21的转子磁极根部22与A1-A2-A3-A4相第一定子磁极单元12沿周向具有最大重合度，为使得开关磁阻电机顺时针旋转，此时对A1-A2-A3-A4相第一定子磁极单元12断电，同时对所有其它相第一定子磁极单元12(B1-B2-B3-B4相第一定子磁极单元12) 通电。
当转子磁极根部22沿顺时针方向旋转到沿周向与A1-A2-A3-A4相第一定子磁极单元12刚刚脱离重合(刚刚变为完全不重合)时，转子磁极根部22 与B1-B2-B3-B4相第一定子磁极单元12部分重合(未达到完全重合)，而对于第二转子磁极齿部24所在的一侧来说，此时，对B1-B2-B3-B4相第二定子磁极单元13通电(保持缠绕在B1-B2-B3-B4相第二定子磁极单元13上的线圈的电流)，而对其它相第二定子磁极单元13(即，A1-A2-A3-A4相第二定子磁极单元13)断电。第二转子磁极齿部24沿周向的延伸方向(逆时针方向)与第一转子磁极齿部23沿周向的延伸方向(顺时针方向)相反，此时，根据磁阻最小原理，转子磁极根部22与B1-B2-B3-B4相第二定子磁极单元13趋向于形成磁阻最小的闭合路径(转子磁极根部22与B1-B2-B3-B4相第二定子磁极单元13趋向于处于最大重合度)，在周向上沿顺时针方向将转子磁极21拉向 B1-B2-B3-B4相第二定子磁极单元13，由此可进一步增加开关磁阻电机顺时针旋转的动力。当转子磁极根部22与B1-B2-B3-B4相第二定子磁极单元13处于最大重合度时，对B1-B2-B3-B4相第二定子磁极单元13断电(切断缠绕在 B1-B2-B3-B4相第二定子磁极单元13上的线圈的电流)，以防止阻碍开关磁阻电机顺时针旋转。
当转子磁极根部22沿顺时针旋转到与各相第一定子磁极单元12刚刚脱离重合(刚刚变为完全不重合)时的各个位置时，分别针对对应一相第二定子磁极单元13进行与上述操作类似的通电和后续的断电操作，以辅助开关磁阻电机的连续的顺时针旋转，提高开关磁阻电机的转动效率。
反过来，当主要利用各相第二定子磁极单元13与转子磁极根部22实现开关磁阻电机的逆时针旋转时，同样可针对对应的第一定子磁极单元12进行与上述操作类似的通电和后续的断电操作，以辅助开关磁阻电机的连续的逆时针旋转，提高开关磁阻电机的转动效率。
根据本发明，可在转子磁极根部22设置永磁体(例如，在转子磁极根部 22的位于相邻两个第一转子磁极齿部23之间和/或相邻两个第二转子磁极齿部24之间的部分设置永磁体)，可实现加强型开关磁阻电机结构，有助于提高电机效率。
根据本发明的开关磁阻电机可双向旋转，因此可用于实现车辆动力电机总成，进而可用在电动车辆(诸如纯电动车辆、混合动力电动车辆等)中。图5是包括根据本发明的实施例的开关磁阻电机的车辆动力电机总成的结构示意图。
参照图5，车辆动力电机总成包括根据本发明的实施例的开关磁阻电机，开关磁阻电机(包括定子10和转子20)设置在外壳50中。开关磁阻电机的转速通常可高于车辆所需要的转速，因此可将开关磁阻电机的旋转轴30连接到减速器40，减速器40连接到车辆的传动轴，以驱动车辆前进或后退。
本发明所提供的开关磁阻电机可提供如下优点：能够减少由于径向力波动而产生的径向振动以及由此产生的噪声，减少扭矩脉动，改善开关磁阻电机的性能，从而提高开关磁阻电机的效率；定子磁极励磁线圈电流的接通和关断控制的实现简单，可简化控制系统；可有效应用于车辆中。
上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和变型，这些修改和变型也应在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (14)

1.一种开关磁阻电机，包括同轴地设置的定子和转子，
定子包括沿周向均匀分布的多个定子磁极，每个定子磁极包括沿轴向布置的第一定子磁极单元和第二定子磁极单元，第一定子磁极单元包括沿轴向延伸的第一定子磁极根部以及从第一定子磁极根部沿径向朝向转子延伸的多个第一定子磁极齿部，第二定子磁极单元包括沿轴向延伸的第二定子磁极根部以及从第二定子磁极根部沿径向朝向转子延伸的多个第二定子磁极齿部，
转子包括沿周向均匀分布的多个转子磁极，每个转子磁极包括转子磁极根部、多个第一转子磁极齿部和多个第二转子磁极齿部，转子磁极根部沿轴向延伸，所述多个第一转子磁极齿部从转子磁极根部沿周向同曲率地延伸，所述多个第二转子磁极齿部从转子磁极根部沿周向同曲率地延伸，所述多个第二转子磁极齿部沿周向的延伸方向与所述多个第一转子磁极齿部沿周向的延伸方向相反，
所述多个第一转子磁极齿部与所述多个第一定子磁极齿部沿轴向彼此对齐，所述多个第二转子磁极齿部与所述多个第二定子磁极齿部沿轴向彼此对齐，
定子磁极的数量大于转子磁极的数量。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，所述多个第一转子磁极齿部的轴向宽度从齿根向齿端逐渐变窄，所述多个第二转子磁极齿部的轴向宽度从齿根向齿端逐渐变窄。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，第一定子磁极根部的径向厚度是第一定子磁极齿部的轴向厚度的至少一半，第二定子磁极根部的径向厚度是第二定子磁极齿部的轴向厚度的至少一半。
4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，第一转子磁极齿部的径向厚度、第二转子磁极齿部的径向厚度、转子磁极根部的径向厚度为相等的径向厚度。
5.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，在第一定子磁极根部的位于相邻两个第一定子磁极齿部之间的部分缠绕有线圈，相邻两个线圈的缠绕方向相反；或者，在每个第一定子磁极齿部上缠绕线圈，缠绕在相邻两个第一定子磁极齿部上的线圈的缠绕方向彼此相反，
在第二定子磁极根部的位于相邻两个第二定子磁极齿部之间的部分缠绕有线圈，相邻两个线圈的缠绕方向相反；或者，在每个第二定子磁极齿部上缠绕线圈，缠绕在相邻两个第二定子磁极齿部上的线圈的缠绕方向彼此相反。
6.根据权利要求5所述的开关磁阻电机，其中，针对每个定子磁极，在定子磁极上缠绕线圈的方式一致。
7.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，定子磁极的数量是转子磁极的数量的整数倍N，N≥2。
8.根据权利要求7所述的开关磁阻电机，其中，转子磁极根部沿周向的弧长与定子磁极沿周向的弧长大致相等，转子磁极根部连同第一转子磁极齿部沿周向的弧长与N-1个定子磁极连同N个定子磁极之间的气隙沿周向的总弧长大致相等，转子磁极根部连同第二转子磁极齿部沿周向的弧长与N-1个定子磁极连同N个定子磁极之间的气隙沿周向的总弧长大致相等。
9.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，在转子磁极根部的位于相邻两个第一转子磁极齿部之间的部分设置有永磁体，在转子磁极根部的位于相邻两个第二转子磁极齿部之间的部分设置有永磁体。
10.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，所述定子还包括由非磁性材料制成的空心定子安装筒体，所述多个定子磁极嵌装在所述空心定子安装筒体上，所述转子还包括由非磁性材料制成的空心转子安装筒体，所述多个转子磁极嵌装在所述空心转子安装筒体上，并且所述多个转子磁极的面向定子的表面与所述空心转子安装筒体的外周面齐平。
11.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，第一定子磁极单元和第二定子磁极单元被形成为一体。
12.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其中，转子磁极根部包括沿轴向布置的第一转子磁极根部和第二转子磁极根部，第一转子磁极根部沿轴向与第一定子磁极单元彼此对齐，第二转子磁极根部沿轴向与第二定子磁极单元彼此对齐，所述多个第一转子磁极齿部从第一转子磁极根部沿周向同曲率地延伸，所述多个第二转子磁极齿部从第二转子磁极根部沿周向同曲率地延伸。
13.一种车辆动力电机总成，包括如权利要求1-12中的任一项所述的开关磁阻电机。
14.一种车辆，包括如权利要求13所述的车辆动力电机总成。
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