CN108933508B - 一种高速开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种高速开关磁阻电机。所述电机由定子、转子、绕组和非导磁支撑架构成；定子齿数为6，转子和非导磁支撑架的齿数均为2，相数为3；所述转子套在非导磁支撑架上，并布置在定子内，非导磁支撑架套在转轴上；所述电机采用分布式绕组结构，共有3个绕组，每个绕组的两个边，分别嵌在空间上相差180°的两个定子槽中；所述转子的外表面为圆柱结构，两个转子齿间布置有2个转子轭，转子轭的厚度较小，以减小两个转子齿间的磁路耦合，并起固定转子齿，增强转子强度的作用。本发明开关磁阻电机每相均为短磁路结构，铁心损耗小；另外，风阻损耗小，无转矩死区，特别适用高速或超高速应用场合。

Description

一种高速开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及一种高速开关磁阻电机，属于电机类的开关磁阻电机技术领域。

背景技术

开关磁阻电机定、转子为双凸极结构，转子无绕组和永磁体，具有结构简单坚固、低成本、耐高温和高速适应性强等特点，在航空航天、精密加工、电动汽车等军事和民用领域应用广泛。

开关磁阻电机的开关频率和铁心损耗，与转子的齿数呈正比，即随着转子齿数增加，其铁心损耗和开关频率也随之增加。高速或超高速运行时，开关磁阻电机的铁损的增加，导致其效率下降温升变高；另外，开关频率的增加，加剧微处理的计算难度，使得位置角度的捕获精度降低，进一步导致控制失效，电机系发生故障。再之，由于开关磁阻电机转子的凸极结构，使得风损更大，效率下降，并进一步加剧了震动噪声问题。

因此，本申请提出了一种6/2极高速开关磁阻电机，转子外圆为一圆柱结构，风阻损耗显著减小，并且克服了传统6/2极开关磁阻电机的转矩死区问题；另外，其具有短磁路结构，铁心损耗较小、有利于提升高速运行时的系统效率。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提出一种高速开关磁阻电机。所述电机由定子、转子、绕组和非导磁支撑架构成；定子齿数为6，转子和非导磁支撑架的齿数均为2，相数为3；所述转子套在非导磁支撑架上，并布置在定子内，非导磁支撑架套在转轴上；所述电机采用分布式绕组结构，共有3个绕组，每个绕组的两个边，分别嵌在空间上相差180°的两个定子槽中；所述转子的外表面为圆柱结构，两个转子齿间布置有2个转子轭，转子轭的厚度较小，以减小两个转子齿间的磁路耦合，并起固定转子齿，增强转子强度的作用；每相均为短磁路结构，铁心损耗小；另外，风阻损耗小，无转矩死区，特别适用高速或超高速应用场合。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高速开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子、绕组和非导磁支撑架；

所述定子为凸极结构，定子齿数为6；6个所述定子齿圆周上均匀布置，齿与齿相差60°，且齿宽相等；相邻两个定子齿间布置有1个定子槽，共6个；

所述转子为凸极结构，转子齿数为2；2个所述转子齿圆周上均匀布置，齿与齿相差180°，且齿宽相等；所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为2；

所述转子的外表面为圆柱结构，2个所述转子齿之间布置有2个转子轭，所述转子轭厚度小于转子齿厚度；所述转子轭具有两个作用：一是固定转子齿，增强转子的强度，二是减小两个转子齿间的磁路耦合；

所述转子套在非导磁支撑架上，并固定在一起，且所述转子的齿与非导磁支撑架的齿相互错开90°；

所述电机包括3个绕组，每个绕组的两个边，分别嵌放在空间上相差180°的两个定子槽中；每个绕组单独连接为一相绕组，共三相；

所述电机的控制方式，与传统开关磁阻电机一样，三相绕组轮流导通励磁以产生转矩。

本发明的有益效果：本发明提出了一种高速开关磁阻电机，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：

（1）转子外表面为圆柱结构，风阻小，且铁耗小；

（2）无转矩死区，特别适合高速和超高速运行。

附图说明

图1是本发明高速开关磁阻电机的二维结构示意图。

图2是本发明高速开关磁阻电机的转子处于不对齐位置时A相绕组电流产生的磁力线分布示意图。

图3是本发明高速开关磁阻电机的转子处于对齐位置时A相绕组电流产生的磁力线分布示意图。

图4是本发明高速开关磁阻电机的相电感有限元计算结果。

图5是本发明高速开关磁阻电机的相转矩有限元计算结果。

图6是本发明高速开关磁阻电机的三相合成转矩有限元计算结果。

附图标记说明：图1至图6中，1是定子，2是转子，3是绕组，4是非导磁支撑架，5是转子处于不对齐位置时A相绕组电流产生的磁力线示意图，6是转子处于对齐位置时A相绕组电流产生的磁力线示意图，7是相电感特性曲线，8是相转矩特性曲线，9是三相合成转矩特性曲线，101为定子槽，201为转子轭。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种高速开关磁阻电机的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是本发明高速开关磁阻电机的二维结构示意图，其中，1是定子，2是转子铁心，3是绕组，4是非导磁支撑架，101为定子槽，201为转子轭。

所述高速开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子、绕组和非导磁支撑架；

所述定子为凸极结构，定子齿数为6；6个所述定子齿圆周上均匀布置，齿与齿相差60°，且齿宽相等；相邻两个定子齿间布置有1个定子槽，共6个；

所述转子为凸极结构，转子齿数为2；2个所述转子齿圆周上均匀布置，齿与齿相差180°，且齿宽相等；所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为2；

所述转子的外表面为圆柱结构，2个所述转子齿之间布置有2个转子轭，所述转子轭厚度小于转子齿厚度；所述转子轭具有两个作用：一是固定转子齿，增强转子的强度，二是减小两个转子齿间的磁路耦合；因此，在满足转子强度要求的基础上，转子轭厚度尽可能取小，以最大限度削弱两个转子齿间的磁路耦合；

所述转子套在非导磁支撑架上，并固定在一起，且所述转子的齿与非导磁支撑架的齿相互错开90°；

所述电机包括3个绕组，每个绕组的两个边，分别嵌放在空间上相差180°的两个定子槽中；每个绕组单独连接为一相绕组，共三相，分别为A、B、C相，并且三相绕组的进线边和出线边交替排列；

所述A、B、C相绕组采用三相不对称半桥功率变换器驱动，三相绕组依次轮流导通产生转矩，以实现所述电机运行。

如图2和图3所示，分别是本发明高速开关磁阻电机转子处于不对齐位置和对齐位置时A相绕组电流产生的磁力线分布示意图。其中，5是转子处于不对齐位置时A相绕组电流产生的磁力线，6是转子处于对齐位置时A相绕组电流产生的磁力线。

定义转子齿与齿中心线与定子齿中心重合时为不对齐位置，即转子位置为零度；转子齿中心线与定子齿中心线重合时为对齐位置，即转子位置的机械角度为90°。

在不对齐位置，A相绕组电流产生的磁力线，包括两个闭合回路，每个回路均经过两个定子齿、一个转子轭和气隙形成闭合回路，磁路为短磁路结构；此时，相电感最小；

在对齐位置，A相绕组电流产生的磁力线，包括两个闭合回路，每个回路均经过两个定子齿、一个转子齿和气隙形成闭合回路，磁路也为短磁路结构；此时，相电感最大；

B、C相绕组导通时，产生的磁力线分布与A相相同，在空间上相差60°；

如图4、图5和图6所示，分别是本发明开关磁阻电机的相电感、相转矩和三相合成转矩的有限元计算结果。其中，7是相电感特性曲线，8是相转矩特性曲线，9是三相合成转矩特性曲线。

有限元仿真所用6/2极开关磁阻电机结构参数为：定子外径140mm，定子内径76.6mm，转子外径76mm，转轴32mm，轴向长度100mm，转子轭厚1mm，绕组匝数60；定子极弧角为36°，转子极弧角为90°，A相绕组电流为5A；

该电机的相电感与相转矩特性曲线与传统开关磁阻电机相似，转子轭的增加并未改变其电感和转矩特性。

电机起动时，每相导通区间为[0°，90°]，即每相导通宽度均为90°，当各相绕组电流为5A时，三相合成转矩如图6所示；三相合成转矩在任何位置的值均大于零，说明本发明电机的输出转矩无转矩死区，解决了传统6/2极开关磁阻电机起动转矩死区问题，输出性能更优。

综上所述，本发明一种高速开关磁阻电机，转子为外圆为连续平滑，无凸凹，风阻小，无转矩死区，高速适应性强。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。

Claims (1)

1.一种高速开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子、绕组和非导磁支撑架；其特征在于，

所述定子为凸极结构，定子齿数为6；6个所述定子齿圆周上均匀布置，齿与齿相差60°，且齿宽相等；相邻两个定子齿间布置有1个定子槽，共6个；

所述转子为凸极结构，转子齿数为2；2个所述转子齿圆周上均匀布置，齿与齿相差180°，且齿宽相等；所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为2；

所述转子的外表面为圆柱结构，2个所述转子齿之间布置有2个转子轭，所述转子轭厚度小于转子齿厚度；所述转子轭具有两个作用：一是固定转子齿，增强转子的强度，二是减小两个转子齿间的磁路耦合；

所述转子套在非导磁支撑架上，并固定在一起，且所述转子的齿与非导磁支撑架的齿相互错开90°；

所述电机包括3个绕组，每个绕组的两个边，分别嵌放在空间上相差180°的两个定子槽中；每个绕组单独连接为一相绕组，共三相；

所述三相绕组依次轮流导通，产生转矩，以实现所述电机运行。

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