CN109149800B - 一种9n/10n极分段转子开关磁阻电机 - Google Patents

一种9n/10n极分段转子开关磁阻电机 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种9n/10n极分段转子开关磁阻电机。所述电机定子齿数为9n，转子齿数为10n，相数为3，n为自然数；所述定子齿包括3n个宽齿和6n个窄齿，每个宽齿上绕有1个线圈，窄齿上无线圈；所述宽齿圆周上均匀分布，且相差120°/n；宽齿与宽齿之间布置有2个窄齿，每个窄齿与之相邻的宽齿相差36°/n，相邻2个窄齿相差48°/n；所述转子由10n个转子铁心和1个非导磁支撑架构成，转子铁心固定到非导磁支撑架上；每相磁路均为短磁路结构，铁心损耗小，且相间磁路无耦合，各绕组间相互隔离。本发明具有起动能力强，转矩脉动小，风阻损耗小，震动噪声小、可靠性和容错性能高等优点。

Description

一种9n/10n极分段转子开关磁阻电机
技术领域
本发明涉及一种9n/10n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9n/10n极分段转子开关磁阻电机，每相绕组相互隔离，相与相间的磁路无耦合，可靠性和容错性显著提升；另外，由于短磁路结构，铁心损耗较小；以及转子极数高于定子极数有利于改善输出转矩，减小转矩脉动和提高起动能力。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提出一种9n/10n极分段转子开关磁阻电机。所述电机定子齿数为9n，转子齿数为10n，相数为3，n为自然数；所述定子齿包括3n个宽齿和6n个窄齿，每个宽齿上绕有1个线圈，窄齿上无线圈；所述宽齿圆周上均匀分布，且相差120°；宽齿与宽齿之间布置有2个窄齿，每个窄齿与之相邻的宽齿相差36°/n，相邻2个窄齿相差48°/n；所述转子由10n个转子铁心和1个非导磁支撑架构成，转子铁心固定到非导磁支撑架上；每相磁路均为短磁路结构，铁心损耗小，且相间磁路无耦合；本发明具有起动能力强，转矩脉动小，风阻损耗小，震动噪声小、可靠性和容错性能高等优点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种9n/10n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9n，n为自然数；所述定子齿包括3n个宽齿和6n个窄齿；3n个所述宽齿的齿宽相等，6n个所述窄齿的齿宽相等，且所述宽齿的齿宽大于窄齿的齿宽；
所述宽齿圆周上均匀分布，且相差120°/n；宽齿与宽齿之间布置有2个窄齿，每个窄齿与之相邻的宽齿相差36°/n，相邻2个窄齿相差48°/n；
每个宽齿上绕有1个线圈，共3n个线圈；n=1时，每个宽齿上的线圈单独连接为一相绕组，共三相，且三相绕组在空间上相差120°；n≥2时，相差360°/n宽齿上的n个线圈，采用串联或并联方式，连接为一相绕组，共三相；
所述转子包括10n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10n；非导磁支撑架的10n个齿均匀分布，齿与齿相差36°/n；所述非导磁支撑架的相邻两齿间固定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=1时，定子齿数为9，包括3个宽齿和6个窄齿，转子铁心数为10，非导磁支撑架的齿数为10；每个宽齿上的线圈单独连接为一相绕组，共三相绕组，三相相绕组在空间上相差120°；
n=2时，定子齿数为18，包括6个宽齿和12个窄齿，转子铁心数为20，非导磁支撑架的齿数为20；相差180°宽齿上的2个线圈，采用串联或并联方式，连接为一相绕组，共三相，三相绕组在空间上相差60°；
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9n/10n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）风阻损耗小，铁心损耗小，起动能力强；
（2）相间无耦合，且各相绕组相互隔离，可靠性和容错性高。
附图说明
图1是本发明实施例一的9/10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18/20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6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9/10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9/10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9/10极分段转子开关磁阻电机的相电感特性曲线，8是9/10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9n/10n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9/10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9/10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，定子齿数为9；所述定子齿包括3个宽齿和6个窄齿；3个所述宽齿的齿宽相等，6个所述窄齿的齿宽相等，且所述宽齿的齿宽大于窄齿的齿宽；
所述宽齿圆周上均匀分布，且相差120°；宽齿与宽齿之间布置有2个窄齿，每个窄齿与之相邻的宽齿相差36°，相邻2个窄齿相差48°；
每个宽齿上绕有1个线圈，共3个线圈；每个宽齿上的线圈单独连接为一相绕组，共三相，分别为A、B和C相，且三相绕组在空间上相差120°，三相绕组在空间上相互隔离；
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；
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9/10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18°。
在不对齐位置，A相绕组电流产生的磁力线，经过宽齿、与该宽齿相邻的两个窄齿、两个转子铁心和气隙等路径形成闭合回路，为短磁路结构；
在对齐位置，A相绕组电流产生的磁力线，经过宽齿、与该宽齿相邻的两个窄齿、三个转子铁心和气隙等路径形成闭合回路，也为短磁路结构，有利减小铁心损耗和相间耦合；
由于经过宽齿的磁通是两个窄齿磁通之和，故宽齿的齿宽须大于窄齿的齿宽，以减小宽齿的饱和；
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9/10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9/10极分段转子开关磁阻电机的相电感特性曲线，8是9/10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。
如图6所示，是本发明实施例二的18/20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18/20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18；所述定子齿包括6个宽齿和12个窄齿；6个所述宽齿的齿宽相等，12个所述窄齿的齿宽相等，且所述宽齿的齿宽大于窄齿的齿宽；
所述宽齿圆周上均匀分布，且相差60°；宽齿与宽齿之间布置有2个窄齿，每个窄齿与之相邻的宽齿相差18°，相邻2个窄齿相差24°；
每个宽齿上绕有1个线圈，共3个线圈；相差180°的宽齿上的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和C相，且三相绕组在空间上相差60°，三相绕组在空间上相互隔离；
所述转子包括20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20；非导磁支撑架的20个齿均匀分布，齿与齿相差18°；所述非导磁支撑架的相邻两齿间固定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；
综上所述，本发明一种三相9n/10n极分段转子开关磁阻电机，其每相磁路均为短磁路结构，铁心损耗小，且相间磁路无耦合，各相绕组相互隔离；本发明具有风阻损耗小，震动噪声小、可靠性和容错性能高等优点。
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9n/10n极分段转子开关磁阻电机，为三相工作制电机，其特征在于，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9n，n为自然数；所述定子齿包括3n个宽齿和6n个窄齿；3n个所述宽齿的齿宽相等，6n个所述窄齿的齿宽相等，且所述宽齿的齿宽大于窄齿的齿宽；
所述宽齿圆周上均匀分布，且空间上相差120°/n；宽齿与宽齿之间布置有2个窄齿，每个窄齿与之相邻的宽齿相差36°/n，相邻2个窄齿相差48°/n；
每个宽齿上绕有1个线圈，共3n个线圈；n=1时，每个宽齿上的线圈单独连接为一相绕组，共三相，且三相绕组在空间上相差120°；n≥2时，相差360°/n宽齿上的n个线圈，采用串联或并联方式，连接为一相绕组，共三相；
所述转子包括10n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，非导磁支撑架的齿数为10n；非导磁支撑架的10n个齿均匀分布，齿与齿相差36°/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；
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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