CN109643943B - 开关磁阻电机及应用开关磁阻电机的装置 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻电机及应用开关磁阻电机的装置，所述开关磁阻电机包括定子(11)和转子(12)，其中定子(11)包括多对定子齿(111)以及绕设于定子齿(111)上的绕组(112)，转子(12)包括至少一对转子齿(121)，其中转子齿(121)的极弧大于定子齿(111)的极弧，且相邻设置的至少两对定子齿(111)上的绕组(112)能够串联。通过上述方式，能够保证电流的连续性，能够减小转矩的脉动性，进而削弱在低速时开关磁阻电机的步进感，并且降低开关磁阻电机的振动与噪声。

Description

开关磁阻电机及应用开关磁阻电机的装置

技术领域

本发明实施例涉及电机技术领域，特别是涉及一种开关磁阻电机及应用开关磁阻电机的装置。

背景技术

现有的开关磁阻电机的基本原理是：在工作时遵循磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合的原理产生力矩，该电机的定子和转子均为凸极结构。其中，定子上设置有集中绕组，转子上没有设置绕组或永磁体。根据转子极和定子极的极数和尺寸，划分为不同的开关磁阻电机的结构形式，例如：6/4与8/6两种形式的开关磁阻电机。在定子的某相通电后，为了减少磁路的阻抗，离该定子最近的转子凸极向该定子运动。

在开关磁阻电机的转子换相时，由于绕组的线圈的电感作用，流经绕组的电流缓慢降到零之后又无法在瞬间到达目标值，从而导致开关磁阻电机的转矩波动较大，以至于开关磁阻电机的转矩出现脉动，而带来振动与噪声，甚至会在低速时的转矩脉动可能会使用户产生“步进感”，即振动感。

发明内容

本发明实施例提供一种开关磁阻电机及应用开关磁阻电机的装置，能够有效避免因转矩的脉动性带来的振动与噪声以及在低速时的步进感问题。

本发明实施例提供一种开关磁阻电机，包括定子和转子，其中，定子包括多对定子齿以及绕设于定子齿上的绕组，转子包括至少一对转子齿，其中转子齿的极弧大于定子齿的极弧，且相邻设置的至少两对定子齿上的绕组能够串联。

其中，转子齿的极弧大于或等于定子齿的极弧的2倍。

其中，定子齿上的绕组按照转子的转动方向串联，以使得相互串联绕组的位置沿转动方向变化。其中，定子齿的数量为转子齿的数量的至少4倍。

其中，开关磁阻电机进一步包括多个串联开关，其中串联开关在导通时串联绕组，以使得在通电时，电流经串联开关和绕组。

其中，开关磁阻电机进一步包括多个正向桥臂开关和多个负向桥臂开关，其中每对定子齿上的绕组的第一端通过对应的正向桥臂开关连接电源的正极、每对定子齿上的绕组的第二端通过对应的负向桥臂开关连接电源的负极，其中相邻设置的两对定子齿上的绕组的第一端和第二端通过串联开关进行连接。

其中，开关磁阻电机进一步包括多个正向续流二极管和多个负向续流二极管，多个正向续流二极管的负极与电源的正极连接，多个正向续流二极管的正极与绕组的第一端连接；多个负向续流二极管的正极与电源的负极连接，多个负向续流二极管的负极与绕组的第二端连接。

其中，转子包括转子中心，至少一对转子齿间隔设置于转子中心。

其中，在转子齿的对数为1时，转子齿设置为条形结构。

其中，在转子齿的对数大于1时，转子齿设置为伞形结构或U形结构。

本发明实施例还提供一种应用开关磁阻电机的装置，其包括开关磁阻电机，开关磁阻电机包括定子和转子，其中，定子包括多对定子齿以及绕设于定子齿上的绕组，转子包括至少一对转子齿，其中，转子齿的极弧大于定子齿的极弧，且相邻设置的至少两对定子齿上的绕组能够串联。

其中，转子齿的极弧大于或等于定子齿的极弧的2倍。

其中，定子齿的数量为转子齿的数量的至少4倍。

其中，开关磁阻电机进一步包括多个串联开关，其中串联开关用于串联绕组，以使得在通电时，电流经串联开关和绕组。

其中，开关磁阻电机进一步包括多个正向桥臂开关和多个负向桥臂开关，其中每对定子齿上的绕组的第一端通过对应的正向桥臂开关连接电源的正极、每对定子齿上的绕组的第二端通过对应的负向桥臂开关连接电源的负极，其中相邻设置的两对定子齿上的绕组的第一端和第二端通过串联开关进行连接。

其中，开关磁阻电机进一步包括多个正向续流二极管和多个负向续流二极管，多个正向续流二极管的负极与电源的正极连接，多个正向续流二极管的正极与绕组的第一端连接；多个负向续流二极管的正极与电源的负极连接，多个负向续流二极管的负极与绕组的第二端连接。

其中，转子包括转子中心，至少一对转子齿间隔设置于转子中心。

其中，在转子齿的对数为1时，转子齿设置为条形结构。

其中，在转子齿的对数大于1时，转子齿设置为伞形结构或U形结构。

其中，应用开关磁阻电机的装置为电动汽车，电动汽车应用开关磁阻电机驱动车轮转动。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：由于转子齿的极弧大于定子齿的极弧，并且相邻设置的至少两对定子齿上的绕组能够串联，从而能够保证流经相邻设置的至少两对定子齿上的绕组的电流的连续性，能够减小转矩的脉动性，进而削弱在低速时开关磁阻电机的步进感，并且降低开关磁阻电机的振动与噪声。

附图说明

图1是本发明一实施例的开关磁阻电机的结构示意图；

图2是图1中开关磁阻电机的逆变器拓扑结构图；

图3是本发明另一实施例的开关磁阻电机的结构示意图；

图4是本发明一实施例的应用开关磁阻电机的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1-2，图1是本发明一实施例的开关磁阻电机的结构示意图，图2是图1中开关磁阻电机的逆变器拓扑结构图。本实施例所揭示的开关磁阻电机包括定子11和转子12，如图1所示。

其中，定子11包括多对定子齿111以及绕设于定子齿上的绕组112。转子12包括至少一对转子齿121，其中转子齿121的极弧L1大于定子齿111的极弧L2，且相邻设置的至少两对定子齿111上的绕组112能够串联，以使相邻设置的至少两对定子齿111上的绕组112能够同时工作。

具体地，定子齿111的数量为转子齿121的数量的至少4倍。转子齿121的极弧L1大于或等于定子齿111的极弧L2的2倍，即转子齿121的极弧L1可为定子齿111的极弧L2的n倍，其中n为大于1的整数。

转子12进一步包括转子中心122，至少一对转子齿121间隔设置于转子中心122相对两侧。

本实施例以六相12/2极开关磁阻电机为例进行详细说明。

如图1所示，定子11包括6对定子齿111，即12个定子齿111，具体为定子齿A、定子齿B、定子齿C、定子齿D、定子齿E、定子齿F、定子齿A’、定子齿B’、定子齿C’、定子齿D’、定子齿E’以及定子齿F’。转子12包括一对转子齿121和转子中心122，即2个转子齿121，2个转子齿121间隔设置于转子中心122。定子齿111的数量为转子齿121的数量的6倍；转子齿121的极弧L1为定子齿111的极弧L2的2倍。

本实施例的转子齿121的对数为1，转子齿121设置为条形结构，如图1所示。在其他实施例中，在转子齿121的对数大于1时，转子齿121设置为伞形结构或U形结构。

其中，相邻设置的至少两对定子齿111的对数为2，即两对定子齿111的绕组112能够串联，例如定子齿A的绕组112和定子齿B的绕组112串联，定子齿A’的绕组112和定子齿B’的绕组112串联，或者定子齿B的绕组112和定子齿C的绕组112串联，定子齿B’的绕组112和定子齿C’的绕组112串联。

定子齿111上的绕组112按照转子12的转动方向串联，以使得相互串联绕组112的位置沿转动方向变化。即，在转子12的转动方向为顺时针，转子12的转子齿121与定子齿A和定子齿B位置对准时，定子齿B的绕组112和定子齿C的绕组112串联通电；转子12的转子齿121与定子齿B和定子齿C位置对准时，定子齿C的绕组112和定子齿D的绕组112串联通电，进而使得相互串联绕组112的位置沿顺时针方向变化。在转子12的转动方向为逆时针，转子12的转子齿121与定子齿C和定子齿D位置对准时，定子齿C的绕组112和定子齿B的绕组112串联通电；转子12的转子齿121与定子齿B和定子齿C位置对准时，定子齿B的绕组112和定子齿A的绕组112串联通电，进而使得相互串联绕组112的位置沿逆时针方向变化。

在定子齿A的绕组112、定子齿B的绕组112、定子齿A’的绕组112以及定子齿B’的绕组112通电后，定子齿A的绕组112、定子齿B的绕组112、定子齿A’的绕组112以及定子齿B’的绕组112产生磁场，对应内侧会产生一对磁极，N极的一侧会发出磁感线，S极的一侧会有磁感线流入，绕组112的通电方向和缠绕方式决定N极和S极。例如，如图1所示，定子齿A的绕组112和定子齿B的绕组112为N极，定子齿A’的绕组112和定子齿B’的绕组112为S极，则磁感线13由N极流出，并且流入S极。

如图2所示，开关磁阻电机进一步包括多个串联开关13，其中串联开关13用于串联相邻设置的至少两对定子齿111上的绕组112，以使得在通电时，电流流经串联开关13和绕组112。具体地，多个串联开关13可为串联开关Sab、串联开关Sbc、串联开关Scd、串联开关Sde、串联开关Sef以及串联开关Sfa。定子齿A的绕组112和定子齿A’的绕组112串联为a相；定子齿B的绕组112和定子齿B’的绕组112串联为b相；定子齿C的绕组112和定子齿C’的绕组112串联为c相；定子齿D的绕组112和定子齿D’的绕组112串联为d相；定子齿E的绕组112和定子齿E’的绕组112串联为e相，定子齿F的绕组112和定子齿F’的绕组112串联为f相。其中，多个串联开关13为开关磁阻电机的各个相之间的开关，能够允许开关磁阻电机的相与相之间串联，以使开关磁阻电机输出的功率更加稳定。

开关磁阻电机进一步包括多个正向桥臂开关14和多个负向桥臂开关15，其中每对定子齿111上的绕组112的第一端通过对应的正向桥臂开关14连接电源V的正极、每对定子齿111上的绕组112的第二端通过对应的负向桥臂开关15连接电源V的负极，其中相邻设置的两对定子齿111上的绕组112的第一端和第二端通过串联开关13进行连接。具体地，多个正向桥臂开关14为正向桥臂开关Sa1、正向桥臂开关Sb1、正向桥臂开关Sc1、正向桥臂开关Sd1、正向桥臂开关Se1以及正向桥臂开关Sf1；多个负向桥臂开关15为负向桥臂开关Sa2、负向桥臂开关Sb2、负向桥臂开关Sc2、负向桥臂开关Sd2、负向桥臂开关Se2以及负向桥臂开关Sf2。

其中，电源V的正极通过正向桥臂开关Sa1、正向桥臂开关Sb1、正向桥臂开关Sc1、正向桥臂开关Sd1、正向桥臂开关Se1以及正向桥臂开关Sf1分别与a相、b相、c相、d相、e相以及f相的第一端连接，电源V的负极通过负向桥臂开关Sa2、负向桥臂开关Sb2、负向桥臂开关Sc2、负向桥臂开关Sd2、负向桥臂开关Se2以及负向桥臂开关Sf2分别与a相、b相、c相、d相、e相以及f相的第二端连接。a相的第二端通过串联开关Sab与b相的第一端连接；b相的第二端通过串联开关Sbc与c相的第一端连接；c相的第二端通过串联开关Scd与d相的第一端连接；d相的第二端通过串联开关Sde与e相的第一端连接；以及e相的第二端通过串联开关Sef与f相的第一端连接。

开关磁阻电机进一步包括多个正向续流二极管16和多个负向续流二极管17。多个正向续流二极管16的负极与电源V的正极连接，多个正向续流二极管16的正极与每对定子齿111上的绕组112的第一端连接；多个负向续流二极管17的正极与电源V的负极连接，多个负向续流二极管17的负极与每对定子齿111上的绕组112的第二端连接。电源V的正极分别与正向续流二极管Da2的负极、正向续流二极管Db2的负极、正向续流二极管Dc2的负极、正向续流二极管Dd2的负极、正向续流二极管De2的负极以及正向续流二极管Df2的负极连接，正向续流二极管Da2的正极与a相的第一端连接，正向续流二极管Db2的正极与b相的第一端连接，正向续流二极管Dc2的正极与c相的第一端连接，正向续流二极管Dd2的正极与d相的第一端连接，正向续流二极管De2的正极与e相的第一端连接，正向续流二极管Df2的正极与f相的第一端连接。电源V的负极分别与负向续流二极管Da1的正极、负向续流二极管Db1的正极、负向续流二极管Dc1的正极、负向续流二极管Dd1的正极、负向续流二极管De1的正极以及负向续流二极管Df1的正极极连接，负向续流二极管Da1的负极与a相的第二端连接，负向续流二极管Db1的负极的正极与b相的第二端连接，负向续流二极管Dc1的负极与c相的第二端连接，负向续流二极管Dd1的负极与d相的第二端连接，负向续流二极管De1的负极与e相的第二端连接，负向续流二极管Df1的负极与f相的第二端连接。

开关磁阻电机根据磁共能的偏导数形式计算可得该开关磁阻电机的力矩：

根据公式(1)可知，力矩T仅与相电流i、绕组112的电感L对转子12位置角度θ的导数相关，在多个定子齿111的间距小于预设的阈值时，能够使得开关磁阻电机的转矩恒定。

由于绕组112的电感L的感性作用，电流i不能瞬间达到理论值，因此需要提前通电以建立电流i，以使得电流i恒定。以下详细描述开关磁阻电机的工作原理：

在开关磁阻电机的转子齿121按顺时针方向转动，转子齿121与定子齿A和定子齿B位置具有预设的角度时，开启正向桥臂开关Sb1、串联开关Sbc以及负向桥臂开关Sc2，以使b相和c相串联导通，切断a相，即定子齿B的绕组112和定子齿C的绕组112通过串联开关Sbc串联通电，切断定子齿A的绕组112。b相和c相串联通电，以提前建立c相的电流，进而流经b相和c相的电流具有连续性。此时开关磁阻电机的转子齿121向定子齿C转动，直至开关磁阻电机的转子齿121与定子齿B和定子齿C位置对准。在转子齿121换相点时，a相的力矩已经下降至较低的水平，b相稳定输出力矩，此时建立起来c相的电流来代替a相，而b相可持续输出力矩，因此每个相产生的力矩会更加稳定且持续输出。

在开关磁阻电机的转子齿121与定子齿B和定子齿C位置具有预设的角度时，开启正向桥臂开关Sc1、串联开关Scd以及负向桥臂开关Sd2，以使c相和d相通过串联开关Scd串联导通，切断b相，即定子齿C的绕组112和定子齿D的绕组112串联通电，切断定子齿B的绕组112。c相和d相串联通电，以提前建立d相的电流，进而流经c相和d相的电流具有连续性。此时开关磁阻电机的转子齿121向定子齿D转动，直至开关磁阻电机的转子齿121与定子齿C和定子齿D位置对准。在转子齿121换相点时，b相的力矩已经下降至较低的水平，c相稳定输出力矩，此时建立起来d相的电流来代替b相，而c相可持续输出力矩，因此每个相产生的力矩会更加稳定且持续输出。

通过上述方式，本实施例开关磁阻电机在换相点时能够保证电流的连续性，在绕组112的电感对转子位置角度的导数保持恒定时，开关磁阻电机稳定输出力矩，能够减小转矩的脉动性，进而削弱在低速时开关磁阻电机的步进感，并且降低开关磁阻电机的震动与噪声。

可选地，转子齿121设置为伞形结构或U形结构。

本发明进一步提供另一实施例的开关磁阻电机，其与上述实施例所揭示的开关磁阻电机不同之处在于：如图3所示，该开关磁阻电机包括12对定子齿311和2对转子齿321，即开关磁阻电机包括12为十二相24/4极结构。由于磁路会沿磁阻的最小路径闭合，为了避免循最近磁路向相邻绕组312内闭合，因此开关磁阻电机的转子齿321设置为U形结构。

定子31包括12对定子齿311，即24个定子齿311，具体为定子齿A、定子齿B、定子齿C、定子齿D、定子齿E、定子齿F、定子齿G、定子齿H、定子齿I、定子齿J、定子齿K、定子齿L、定子齿A’、定子齿B’、定子齿C’、定子齿D’、定子齿E’、定子齿F’、定子齿G’、定子齿H’、定子齿I’、定子齿J’、定子齿K’以及定子齿L’。转子32包括两对转子齿321和转子中心322，即4个转子齿321，4个转子齿321间隔设置于转子中心322。定子齿311的数量为转子齿321的数量的6倍；转子齿321的极弧为定子齿311的极弧的3倍。

相邻设置的至少两对定子齿311的对数为3，即三对定子齿311的绕组312能够串联，例如定子齿A的绕组312、定子齿B的绕组312和定子齿C的绕组312串联，定子齿G的绕组312、定子齿H的绕组312以及定子齿I的绕组312串联，或者定子齿A’的绕组312、定子齿B’的绕组312和定子齿C’的绕组312串联，定子齿G’的绕组312、定子齿H’的绕组312以及定子齿I’的绕组312串联。

在定子齿A的绕组312、定子齿B的绕组312、定子齿C的绕组312、定子齿G的绕组312、定子齿H的绕组312以及定子齿I的绕组312通电后，定子齿A的绕组312、定子齿B的绕组312、定子齿C的绕组312、定子齿G的绕组312、定子齿H的绕组312以及定子齿I的绕组312产生磁场，对应内侧会产生一对磁极，N极的一侧会发出磁感线，S极的一侧会有磁感线流入，绕组312的通电方向和缠绕方式决定N极和S极。例如，如图3所示，定子齿A的绕组312、定子齿B的绕组312和定子齿C的绕组312为N极，定子齿G的绕组312、定子齿H的绕组312以及定子齿I的绕组312为S极，则磁感线33由N极流出，并且流入S极。

相对于上述实施例的开关磁阻电机，本实施例的开关磁阻电机的磁阻小。

本发明进一步提供应用开关磁阻电机的装置，如图4所示，该应用开关磁阻电机的装置40包括开关磁阻电机41，该应用开关磁阻电机的装置40可为电动汽车，电动汽车应用开关磁阻电机41驱动车轮转动，该开关磁阻电机41为上述实施例所揭示的开关磁阻电机，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (15)

1.一种开关磁阻电机，其特征在于，所述开关磁阻电机包括定子和转子，其中，所述定子包括多对定子齿以及绕设于所述定子齿上的绕组，所述转子包括至少一对转子齿，其中，所述转子齿的极弧大于所述定子齿的极弧，且相邻设置的至少两对所述定子齿上的所述绕组能够串联，所述定子齿的数量为所述转子齿的数量的至少4倍；

所述开关磁阻电机进一步包括多个串联开关，其中，所述串联开关在导通时串联相邻设置的至少两对所述定子齿上的绕组，以使得在通电时，电流流经所述串联开关和所述绕组；

其中，所述串联开关为各个相之间的开关，能够允许所述开关磁阻电机的相与相之间串联，所述定子齿上的所述绕组按照所述转子的转动方向串联，以使得相互串联所述绕组的位置沿所述转动方向变化。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述转子齿的极弧大于或等于所述定子齿的极弧的2倍。

3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述开关磁阻电机进一步包括多个正向桥臂开关和多个负向桥臂开关，其中每对所述定子齿上的所述绕组的第一端通过对应的所述正向桥臂开关连接电源的正极、每对所述定子齿上的所述绕组的第二端通过对应的所述负向桥臂开关连接所述电源的负极，其中相邻设置的两对所述定子齿上的所述绕组的所述第一端和所述第二端通过所述串联开关进行连接。

4.根据权利要求3所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述开关磁阻电机进一步包括多个正向续流二极管和多个负向续流二极管，所述多个正向续流二极管的负极与所述电源的正极连接，所述多个正向续流二极管的正极与所述绕组的第一端连接；所述多个负向续流二极管的正极与所述电源的负极连接，所述多个负向续流二极管的负极与所述绕组的第二端连接。

5.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其特征在于，所述转子包括转子中心，所述至少一对转子齿间隔设置于所述转子中心。

6.根据权利要求5所述的开关磁阻电机，其特征在于，在所述转子齿的对数为1时，所述转子齿设置为条形结构。

7.根据权利要求6所述的开关磁阻电机，其特征在于，在所述转子齿的对数大于1时，所述转子齿为伞形结构或U形结构。

8.一种应用开关磁阻电机的装置，其特征在于，所述装置包括开关磁阻电机，所述开关磁阻电机包括定子和转子，其中，所述定子包括多对定子齿以及绕设于所述定子齿上的绕组，所述转子包括至少一对转子齿，其中，所述转子齿的极弧大于所述定子齿的极弧，且相邻设置的至少两对所述定子齿上的所述绕组能够串联，所述定子齿的数量为所述转子齿的数量的至少4倍；

所述开关磁阻电机进一步包括多个串联开关，其中，所述串联开关在导通时串联相邻设置的至少两对所述定子齿上的绕组，以使得在通电时，电流流经所述串联开关和所述绕组；

其中，所述串联开关为各个相之间的开关，能够允许所述开关磁阻电机的相与相之间串联，所述定子齿上的所述绕组按照所述转子的转动方向串联，以使得相互串联所述绕组的位置沿所述转动方向变化。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述转子齿的极弧大于或等于所述定子齿的极弧的2倍。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述开关磁阻电机进一步包括多个正向桥臂开关和多个负向桥臂开关，其中每对所述定子齿上的所述绕组的第一端通过对应的所述正向桥臂开关连接电源的正极、每对所述定子齿上的所述绕组的第二端通过对应的所述负向桥臂开关连接所述电源的负极，其中相邻设置的两对所述定子齿上的所述绕组的所述第一端和所述第二端通过所述串联开关进行连接。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述开关磁阻电机进一步包括多个正向续流二极管和多个负向续流二极管，所述多个正向续流二极管的负极与所述电源的正极连接，所述多个正向续流二极管的正极与所述绕组的第一端连接；所述多个负向续流二极管的正极与所述电源的负极连接，所述多个负向续流二极管的负极与所述绕组的第二端连接。

12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述转子包括转子中心，所述至少一对转子齿间隔设置于所述转子中心。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，在所述转子齿的对数为1时，所述转子齿设置为条形结构。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，在所述转子齿的对数大于1时，所述转子齿设置为伞形结构或U形结构。

15.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述应用开关磁阻电机的装置为电动汽车，所述电动汽车应用所述开关磁阻电机驱动车轮转动。

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