CN108964391B - 一种6n/5n极分段转子开关磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种6n/5n极分段转子开关磁阻电机。所述电机由定子、转子和线圈构成；定子齿数为6n，转子齿数为5n，相数为3，n为自然数；所述转子由5n个转子铁心和1个非导磁支撑架构成，且转子铁心固定到非导磁支撑架上；6n个定子齿均匀布置，5n个转子铁心均匀分布；n为奇数时，线圈为集中式结构，n为偶数时，线圈为集中式或分布式结构；每相磁路均为短磁路结构，铁心损耗小，且相间磁路无耦合。本发明电机输出转矩大、风阻损耗小、震动噪声小、可靠性高且容错性强。

Description

一种6n/5n极分段转子开关磁阻电机
技术领域
本发明涉及一种6n/5n极分段转子开关磁阻电机，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。
然而，由于转子的凸极结构，使得开关磁阻电机的风损更大，并进一步加剧了震动噪声问题，削弱了其在低噪领域的应用。为此，人们提出了一种名为分段转子开关磁阻电机（Segmented Switched Reluctance Motor），以减小风阻损耗和减小噪声。该电机的转子为圆柱型结构，外圆面光滑平整，可有效减小风摩损耗。不过，传统分段转子开关磁阻电机，通常采用6/4、8/6、12/8、12/10极等经典结构，基于运行机理要求，这些结构的相间磁路存在较强的耦合，相间互感较大，由互感产生的互感转矩也较大，导致转矩脉动增加；另外，相间耦合也导致电机的容错性和可靠性降低。
因此，本申请提出了一种6n/5n极分段转子开关磁阻电机，其具有短磁路结构，不仅铁心损耗较小、输出转矩大，而且由于相间磁路无耦合，可有效削除互感转矩对输出性能的影响，并可提高系统的可靠和容错性能。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提出一种6n/5n极分段转子开关磁阻电机。所述电机由定子、转子和线圈构成；定子齿数为6n，转子齿数为5n，相数为3，n为自然数；所述转子由5n个转子铁心和1个非导磁支撑架构成，且转子铁心固定到非导磁支撑架上；6n个定子齿均匀布置，5n个转子铁心均匀分布；n为奇数时，线圈为集中式结构，n为偶数时，线圈即可为集中式，也可为分布式结构；每相磁路均为短磁路结构，铁心损耗小，且相间磁路无耦合；本发明电机输出转矩大、风阻损耗小、震动噪声小、可靠性高且容错性强。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种6n/5n极分段转子开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子和线圈；所述转子由转子铁心和非导磁支撑架构成；
所述定子为凸极结构，定子齿数为6n，n为自然数；6n个所述定子齿圆周上均匀布置，且齿宽相等；
所述转子包括5n个转子铁心和1个非导磁支撑架；所述转子铁心为扇形结构，所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为5n；非导磁支撑架的5n个齿均匀分布，齿与齿相差72°/n；所述非导磁支撑架的相邻两个齿间固定1个所述转子铁心；所述转子铁心与非导磁支撑架的外面形成1个光滑连续的圆柱面；
n为奇数时，每个定子齿上绕有1个线圈，共6n个；n=1时，相邻两个定子齿上的2个线圈，采用串联或并联方式，连接为一相绕组，共三相；n≥3时，相邻两个定子齿上的2个线圈，采用串联或并联方式，连接为1个线圈串，共3n个；3n个所述线圈串在空间上相差120°/n；空间上相差360°/n的n个线圈串，采用串联或并联方式，连接为一相绕组，共三相；
n为偶数时，所述电机的线圈有2种布置方式；
布置方式1：每个定子齿上绕有1个线圈，共6n个；相邻两个定子齿上的2个线圈，采用串联或并联方式，连接为1个线圈串，共3n个；3n个所述线圈串在空间上相差120°/n；空间上相差360°/n的n个线圈串，采用串联或并联方式，连接为一相绕组，共三相；
布置方式2：每个线圈的一个边嵌放在相邻两个定子齿之间，另一边嵌放在相差360°/n的另两个相邻定子齿之间，共3n/2个线圈；3n/2个线圈的中轴线在空间上相差120°/n；n=2时，所述电机共3个线圈，每个线圈单独连接为一相绕组，共三相；n≥4时，中轴线空间上相差360°/n的n/2个线圈，采用串联或并联方式，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6n/5n极分段转子开关磁阻电机，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：
（1）输出转矩大，风摩小，铁耗小；
（2）相间磁路无耦合，可靠性高，且容错性强。
附图说明
图1是本发明实施例一的6/5极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图。
图2是本发明实施例一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是本发明实施例一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是本发明实施例一的相电感有限元计算结果。
图5是本发明实施例一的相转矩有限元计算结果。
图6是本发明实施例二的12/10极分段转子开关磁阻电机的集中式绕组结构示意图。
图7是本发明实施例二的12/10极分段转子开关磁阻电机的分布式绕组结构示意图。
图8是本发明实施例三的18/15极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图。
附图标记说明：图1至图8中，1是定子，2是转子铁心，3是线圈，4是非导磁支撑架，5是6/5极分段转子开关磁阻电机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6/5极分段转子开关磁阻电机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6/5极分段转子开关磁阻电机的相电感特性曲线，8是6/5极分段转子开关磁阻电机的相转矩特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种6n/5n极分段转子开关磁阻电机的技术方案进行详细说明：
如图1所示，是本发明实施例一的6/5极分段转子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是线圈，4是非导磁支撑架。
所述6/5极分段转子开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子和线圈；所述转子由转子铁心和非导磁支撑架构成；
所述定子为凸极结构，此时n=1，定子齿数为6；6个所述定子齿圆周上均匀布置，且齿宽相等；
所述转子包括5个转子铁心和1个非导磁支撑架；所述转子铁心为扇形结构，所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为5；非导磁支撑架的5个齿均匀分布，齿与齿相差72°；所述非导磁支撑架的相邻两个齿间固定1个所述转子铁心；所述转子铁心与非导磁支撑架的外面形成1个光滑连续的圆柱面；
每个定子齿上绕有1个线圈，共6个；相邻两个定子齿上的2个线圈，采用串联或并联方式，连接为一相绕组，共三相，分别为A、B、C相；
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6/5极分段转子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电枢定子齿中心重合时为不对齐位置，即转子位置为零度；转子齿中心线与电枢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36°。
在不对齐位置，A相绕组电流产生的磁力线，经过两个定子齿、两个转子铁心和气隙形成闭合回路，磁路为短磁路结构；
在对齐位置，A相绕组电流产生的磁力线，经过两个定子齿、一个转子铁心和气隙形成闭合回路，磁路也为短磁路结构；
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120°，且相与相间的磁路无耦合。
如图4和图5所示，分别是6/5极分段转子开关磁阻电机的相电感和相转矩有限元计算结果。其中，7是6/5极分段转子开关磁阻电机的相电感特性曲线，8是6/5极分段转子开关磁阻电机的相转矩特性曲线。
该电机的相电感与相转矩特性曲线与传统分段转子开关磁阻电机相似，电感随转子位置角度的变化率有所提升，有利于提升输出转矩，减小转矩死区；另外转矩特性曲线显示，在[6°，18°]区间，输出转矩有明细提升，使得三相合成转矩的最小转矩也明细增加，起动能力增强。
如图6所示，是本发明实施例二的12/10极分段转子开关磁阻电机的集中式绕组结构示意图，其中，1是定子，2是转子铁心，3是线圈，4是非导磁支撑架。
所述12/10极分段转子开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子和线圈；所述转子由转子铁心和非导磁支撑架构成；
所述定子为凸极结构，此时n=2，定子齿数为12；12个所述定子齿圆周上均匀布置，且齿宽相等；
所述转子包括10个转子铁心和1个非导磁支撑架；所述转子铁心为扇形结构，所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为10；非导磁支撑架的10个齿均匀分布，齿与齿相差36°；所述非导磁支撑架的相邻两个齿间固定1个所述转子铁心；所述转子铁心与非导磁支撑架的外面形成1个光滑连续的圆柱面；
绕组采用布置方式1，具体为：每个定子齿上绕有1个线圈，共12个；相邻两个定子齿上的2个线圈，采用串联或并联方式，连接为1个线圈串，共6个；6个所述线圈串在空间上相差60°；空间上相差180°的2个线圈串，采用串联或并联方式，连接为一相绕组，共三相；
如图7所示，是本发明实施例二的12/10极分段转子开关磁阻电机的分布式绕组结构示意图，其中，1是定子，2是转子铁心，3是线圈，4是非导磁支撑架。
绕组采用布置方式2，具体为：每个线圈的一个边嵌放在相邻两个定子齿之间，另一边嵌放在相差180°的另两个相邻定子齿之间，共3个线圈；3个线圈的中轴线在空间上相差60°；每个线圈单独连接为一相绕组，共三相；
当n为偶数，且n≥4时，绕组连接方式为：中轴线空间上相差360°/n的n/2个线圈，采用串联或并联方式，连接为一相绕组，共三相；
如图8所示，是本发明实施例三的18/15极分段转子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是线圈，4是非导磁支撑架。
所述定子为凸极结构，此时n=3，定子齿数为18；18个所述定子齿圆周上均匀布置，且齿宽相等；
所述转子包括15个转子铁心和1个非导磁支撑架；所述转子铁心为扇形结构，所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为15；非导磁支撑架的15个齿均匀分布，齿与齿相差24°；所述非导磁支撑架的相邻两个齿间固定1个所述转子铁心；所述转子铁心与非导磁支撑架的外面形成1个光滑连续的圆柱面；
每个定子齿上绕有1个线圈，共18个；相邻两个定子齿上的2个线圈，采用串联或并联方式，连接为1个线圈串，共9个；9个所述线圈串在空间上相差40°；空间上相差120°的3个线圈串，采用串联或并联方式，连接为一相绕组，共三相；
综上所述，本发明一种三相6n/5n极分段转子开关磁阻电机，其每相均为短磁路结构，铁耗小，风摩小，相间磁路无耦合，输出转矩大，可靠性和容错性高。
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6n/5n极分段转子开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子和线圈；所述转子由转子铁心和非导磁支撑架构成；其特征在于，
所述定子为凸极结构，定子齿数为6n，n为自然数；6n个所述定子齿圆周上均匀布置，且齿宽相等；
所述转子包括5n个转子铁心和1个非导磁支撑架；所述转子铁心为扇形结构，所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为5n；非导磁支撑架的5n个齿均匀分布，齿与齿相差72°/n；所述非导磁支撑架的相邻两个齿间固定1个所述转子铁心；所述转子铁心与非导磁支撑架的外面形成1个光滑连续的圆柱面；
n为奇数时，每个定子齿上绕有1个线圈，共6n个；n=1时，相邻两个定子齿上的2个线圈，采用串联或并联方式，连接为一相绕组，共三相；n≥3时，相邻两个定子齿上的2个线圈，采用串联或并联方式，连接为1个线圈串，共3n个；3n个所述线圈串在空间上相差120°/n；空间上相差360°/n的n个线圈串，采用串联或并联方式，连接为一相绕组，共三相；
n为偶数时，所述电机的线圈有2种布置方式；
布置方式1：每个定子齿上绕有1个线圈，共6n个；相邻两个定子齿上的2个线圈，采用串联或并联方式，连接为1个线圈串，共3n个；3n个所述线圈串在空间上相差120°/n；空间上相差360°/n的n个线圈串，采用串联或并联方式，连接为一相绕组，共三相；
布置方式2：每个线圈的一个边嵌放在相邻两个定子齿之间，另一边嵌放在相差360°/n的另两个相邻定子齿之间，共3n/2个线圈；3n/2个线圈的中轴线在空间上相差120°/n；n=2时，所述电机共3个线圈，每个线圈单独连接为一相绕组，共三相；n≥4时，中轴线空间上相差360°/n的n/2个线圈，采用串联或并联方式，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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