CN110768407A - 一种梯形凸极开关磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯形凸极开关磁阻电机，属于开关磁阻电机领域。所述梯形凸极开关磁阻电机，各相凸极集中布置，并且凸极设计为梯形，增加了凸极轴向投影截面积，进而增加了凸极上通电绕组的磁能积和电机功率密度；定子铁芯相内相邻的凸极之间的凹槽为小凹槽，相邻相之间相邻的凸极之间的凹槽为大凹槽，绕组安装与拆卸时紧贴凸极一侧，巧妙利用大的凹槽让位，从而使绕组安装与拆卸简单，提高了生产效率和维修效率。
Description
【技术领域】
本发明涉及开关磁阻电机领域，尤其涉及一种梯形凸极开关磁阻电机。
【背景技术】
开关磁阻电机自发明以来，凸极通常设计为矩形，凹槽通常设计为梯形，由于结构简单，数十年以来从未改变。
传统结构开关磁阻电机定子凸极数与转子凸极数之比，比较常用的，三相为6/4极，四相为8/6极。最新结构的开关磁阻电机定子凸极数与转子凸极数之比，三相为6/7极，四相为8/9极，具体见专利号CN201710586200.3“各相凸极集中布置的定子铁芯及各相凸极集中布置的电机”。凸极极弧角与相数和凸极数相关，其理论值等于360°/相数与转子凸极数之积，易知凸极极弧角，对于三相6/4极的电机凸极极弧角为30°，四相8/6极的电机凸极极弧角为15°，三相6/7极的电机凸极极弧角为17.14°，四相8/9极的电机凸极极弧角为10°，容易推出新结构的比传统结构的凸极极弧角要小，如果凸极按常规思维设计为矩形，则新结构的凸极轴向投影截面积比传统结构的截面积就要小，进而导致通电绕组的磁能积偏小，电机功率密度下降。
因此，如何增加凸极轴向投影截面积和提高通电绕组的磁能积，是进一步提高最新结构开关磁阻电机电机功能密度需要面临的问题。
【发明内容】
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种梯形凸极开关磁阻电机，其通过将定子铁芯的凸极轴向投影截面设置为梯形，增加了定子铁芯凸极截面积，进而增加了定子铁芯凸极上通电绕组的磁能积和电机功率密度。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种梯形凸极开关磁阻电机，包含定子铁芯、转子铁芯和绕组，所述定子铁芯为各相凸极集中布置的定子铁芯，所述转子铁芯设置有凸极，定子铁芯的凸极与凸极之间均设有凹槽，所述定子铁芯的凸极分q相n组布置，每组每相有z个凸极且z个凸极相邻集中布置，其中q、n、z均为自然数，且q≥2，z≥2；所述凸极在定子铁芯的圆周方向上的布置顺序为第1组凸极、第2组凸极、…、第n组凸极，每组内的凸极的布置顺序为第1相凸极、第2相凸极、…、第q相凸极；所述定子铁芯凸极数为x＝nqz，所述转子铁芯凸极数为y＝n(qz+1)，相邻相相间机械角均为A＝360°/nq；定子铁芯相内相邻的凸极之间的夹角均为B＝360°/y，且相内相邻的凸极之间的凹槽为小凹槽；定子铁芯相邻相之间相邻的凸极之间的夹角均为C＝A-B(z-1)，相邻相之间相邻的凸极之间的凹槽为大凹槽；所述定子铁芯的凸极轴向投影截面是下底部宽、前端逐渐变窄的梯形结构。
优选地，所述定子铁芯的凸极的轴向投影截面上，两腰之间的夹角为D，所述凸极靠所述小凹槽一侧的腰与梯形高的夹角为第一夹角D1，所述凸极靠所述大凹槽一侧的腰与梯形高的夹角为第二夹角D2，D＝D1+D2，所述凸极极弧角设置为d，D1≥d，D2≥d。
优选地，所述凸极极弧角d＝360°/qy。
优选地，所述小凹槽包括小槽口、小槽身和小槽底，所述小槽口、小槽身和小槽底的宽度均相等；所述大凹槽包括大槽口、大槽身和大槽底，所述大槽口、大槽身和大槽底的宽度均相等；且D1＝B/2，D2＝C/2。
优选地，所述绕组在梯形凸极外周，所述绕组的内周面贴合所述梯形凸极，所述绕组的外周面与内周面平行。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1、本发明将定子铁芯的凸极设计成轴向投影截面为底部宽、前端逐渐变窄的梯形，从而增大凸极的轴向投影截面积，进而增加了凸极上通电绕组的磁能积和电机功率密度。
2、本发明通过进一步创造性改进，将梯形凸极的两个底角大小进行优化，使得D1＝B/2，D2＝C/2，最大可能地增加了梯形凸极的轴向投影截面积，使轴向投影截面积相对轴向投影截面为矩形的凸极，截面积增加了50％，绕组磁能积和电机功率密度可提高22％左右。
3、本发明通过将相应的凹槽轴向投影截面由梯形转变接近为矩形，以小凹槽空间保证绕组槽满率，以大凹槽空间保证安装让位。在安装绕组的过程中，先将绕组通过简单的机器绕制到线架上，再将绕组和线架一起套装到凸极上，套装过程中，线架紧贴凸极小凹槽一侧，利用大凹槽一侧让位，则能轻松安装，拆卸的原理一样。
4、本发明的绕组内周面贴合所述梯形凸极，所述绕组的外周面与内周面平行，使得绕组各部分厚度要求一致，便于绕制。
【附图说明】
图1是本发明提供的梯形凸极开关磁阻电机的定子、转子的一种结构示意图。
图2是本发明提供的梯形凸极开关磁阻电机的定子和绕组的一种安装结构示意图。
图3是一种现有技术的定子铁芯和转子铁芯的一种结构示意图。
图4是一种现有技术的定子铁芯和绕组的一种安装结构示意图。
图5是另一种现有技术的定子铁芯和转子铁芯的一种结构示意图。
图6是另一种现有技术的定子铁芯和绕组的一种安装结构示意图。
图中标记的含义是：10-定子铁芯，11-凸极，12-小凹槽，13-大凹槽，20-转子铁芯，21-凸极，30-绕组。
【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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制，为了更好地说明本发明的具体实施方式，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸，对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构、部件及其说明可能省略是可以理解的，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。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的一种梯形凸极开关磁阻电机，包含定子铁芯10、转子铁芯20和绕组30，定子铁芯10为各相凸极集中布置的定子铁芯，转子铁芯20设置有凸极，定子铁芯的凸极11与凸极11之间均设有用于容纳绕组30的凹槽。各相凸极11集中布置，是指定子铁芯10的凸极11分q相n组布置，每组每相有z个凸极11且z个凸极11相邻集中布置，其中q、n、z均为自然数，且q≥2，z≥2；凸极11在定子铁芯10的圆周方向上的布置顺序为第1组凸极、第2组凸极、…、第n组凸极，每组内的凸极11的布置顺序为第1相凸极、第2相凸极、…、第q相凸极；通过该设计，可以减少相与相之间的相间互感。在上述设置的前提下，定子铁芯10凸极数为x＝nqz，转子铁芯20凸极数为y＝n(qz+1)，相邻相相间机械角均为A＝360°/nq；定子铁芯相内相邻的凸极11之间的夹角均为B＝360°/y，且相内相邻的凸极11之间的凹槽为小凹槽12；定子铁芯相邻相之间相邻的凸极11之间的夹角均为C＝A-B(z-1)，相邻相之间相邻的凸极11之间的凹槽为大凹槽13；定子铁芯10的凸极11轴向投影截面是下底部宽、前端逐渐变窄的梯形结构。本发明通过将定子铁芯10的凸极11设置为梯形，其前端的宽度与现有技术的凸极11相同的情况下，使其底部和侧面的宽度增大，从而实现了增加了凸极11的轴向投影截面积，进而增加了凸极11上通电绕组的磁能积和电机功率密度的目的。
该梯形凸极11是在矩形凸极的基础上进行改进，使得凸极11的底部变宽，如果底部变宽的幅度较小，并不能明显地提高磁能积和电机功率密度，因此，本发明在上述技术方案的基础之上，还提供更优的方案：假设定子铁芯的凸极11的轴向投影截面上，两腰之间的夹角为D，凸极11靠小凹槽12一侧的腰与梯形高的夹角为第一夹角D1，凸极11靠大凹槽一侧的腰与梯形的高的夹角为第二夹角D2，凸极极弧角设置为d，则D＝D1+D2，D1≥d，D2≥d，以保证明显地提高磁能积和电机功率密度。
本发明中，凸极极弧角d＝360°/qy，凸极底部的宽度不能过宽，否则用于填放绕组30的凹槽空间过小，不利于绕组30的绕制和影响电机的性能。因此，本发明在上述技术方案的基础之上，还提供更优的方案：小凹槽12包括小槽口、小槽身和小槽底，优选小槽口、小槽身和小槽底的宽度均相等；所述大凹槽13包括大槽口、大槽身和大槽底，优选大槽口、大槽身和大槽底的宽度均相等，且D1＝B/2，D2＝C/2。通过该设计，使得在允许的范围内，凸极11的轴向投影截面最大，可以相对于凸极11为矩形的情况，轴向投影截面积增大50％，绕组磁能积和电机功率密度提高22％左右。
本发明中，绕组30在梯形凸极11外周，绕组30的内周面贴合所述梯形凸极11，绕组30的外周面与内周面平行，使得绕组30各部分厚度要求一致，便于制作。
采用本发明的技术方案，各参数取值不同时，该磁阻电机部分实例设计参数参考表1，本领域技术人员可以根据相关参数设计制作不同的磁阻电机。
表1
| 相数q | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | … |
| 每组每相凸极数z | 2 | 2 | 2 | 2 | 3 | 2 | 2 | … |
| 分组数n | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 1 | 2 | … |
| 定子凸极数x＝nqz | 4 | 8 | 6 | 12 | 9 | 8 | 16 | … |
| 转子凸极数y＝n(qz+1) | 5 | 10 | 7 | 14 | 10 | 9 | 18 | … |
| 相间机械角A＝360/nq | 180.0 | 90.0 | 120.0 | 60.0 | 120.0 | 90.0 | 45.0 | … |
| 相内相邻凸极夹角B＝360/y | 72.0 | 36.0 | 51.4 | 25.7 | 36.0 | 40.0 | 20.0 | … |
| 相外相邻凸极夹角C＝A-B(z-1) | 108.0 | 54.0 | 68.6 | 34.3 | 48.0 | 50.0 | 25.0 | … |
| 最优梯形角D1＝B/2 | 36.0 | 18.0 | 25.7 | 12.8 | 18.0 | 20.0 | 10 | … |
| 最优梯形角D2＝C/2 | 54.0 | 27.0 | 34.3 | 14.2 | 24.0 | 25.0 | 12.5 |
以下通过具体实施例对本发明进行说明，见图1和2，为本发明提供的梯形凸极开关磁阻电机的定子铁芯、转子铁芯的一种结构示意图以及定子和绕组的一种安装结构示意图。本实施例中，示出的是相数q为3，定子铁芯10的凸极分组数n为2，每组每相凸极数z为2的开关磁阻电机；其定子铁芯10的凸极数x为12，转子铁芯20的凸极数y为14，相间机械角A＝60.0°，定子铁芯相内相邻凸极11的夹角B＝25.7°，相内相邻的凸极11之间的凹槽为小凹槽12，定子铁芯相外相邻凸极11夹角C＝34.3，相邻相之间相邻的凸极11之间的凹槽为大凹槽13；定子铁芯10的凸极11的轴向投影截面是下底部宽、前端逐渐变窄的梯形结构。凸极极弧角＝360°/qy＝8.6°；小凹槽12包括小槽口、小槽身和小槽底，小槽口、小槽身和小槽底的宽度均相等；大凹槽13包括大槽口、大槽身和大槽底，大槽口、大槽身和大槽底的宽度均相等，使得小凹槽和大凹槽的轴向投影截面都形成一个接近为矩形的结构，安装绕组时，以小凹槽空间保证绕组槽满率，以大凹槽空间保证安装让位。在安装绕组的过程中，先将绕组通过简单的机器绕制到线架上，再将绕组和线架一起套装到凸极上，套装过程中，线架紧贴凸极小凹槽一侧，利用大凹槽一侧让位，则能轻松安装。凸极11靠小凹槽12一侧的腰与梯形高的夹角为第一夹角D1＝B/2＝12.8°，凸极11靠大凹槽13一侧的腰与梯形的高的夹角为第二夹角D2＝C/2＝14.2°，定子铁芯的梯形两腰之间的夹角为D＝D1+D2＝27°，可以看出，D1≥d，D2≥d，此时定子凸极的形状大小即得到确定，且该确定的形状大小使得其轴向投影截面积相对于形状为矩形的凸极得到大大增加。绕组在梯形凸极外周，绕组的内周面贴合所述梯形凸极，绕组的外周面与内周面平行，绕组的各部分厚度要求一致，便于绕制。
为了更清楚本发明跟现有技术相比的优势，现将本发明跟现有技术进行对比。
参见图3和图4，为一种现有技术的定子铁芯和转子铁芯的结构示意图以及对应的定子铁芯和绕组的安装结构示意图。该开关磁阻电机与本发明的不同之处在于，其定子铁芯的轴向投影截面为常规的矩形，矩形宽度与本发明中梯形凸极的上底(较短的底)的长度相同。
参见图5和图6，是另一种现有技术的定子铁芯和转子铁芯的,结构示意图以及对应的定子铁芯和绕组的安装结构示意图。该开关磁阻电机与本发明的不同之处在于，其定子凸极数与转子凸极数之比为常规的三相6/4极，且其其定子铁芯的轴向投影截面为常规的矩形，矩形宽度与本发明中梯形凸极的上底(较短的底)的长度相同。
对本发明和上述两种现有技术的开关磁阻电机的参数进行比较，其结果见表2。
表2
| 项目\图号 | 图1、图2 | 图3、图4 | 图5、图6 |
| 相数q | 3 | 3 | 3 |
| 定子外径(mm) | 110 | 110 | 110 |
| 定子内径(mm) | 74 | 74 | 74 |
| 定子凸极数x | 12 | 12 | 12 |
| 转子凸极数y | 14 | 14 | 8 |
| 凸极极弧角＝360°/qy(°) | 8.6 | 8.6 | 15.0 |
| 凸极形式 | 梯形 | 矩形 | 矩形 |
| D1、D2(°) | 12.8/14.2 | / | / |
| 凸极轴向投影截面积(mm<sup>2</sup>) | 96.0 | 64.0 | 88.0 |
| 凹槽轴向投影截面积(mm<sup>2</sup>) | 58.0 | 64.0 | 42.0 |
从表2可以看出，虽然本发明的凸极极弧角比常规的三相6/4极电机小，但通过本发明的创造性改进，可以将凸极轴向投影截面积设计得更大，甚至大于常规三相6/4极电机凸极轴向投影截面积的9.1％，且相对于凸极为矩形、其他结构与本发明相同的定子铁芯，凸极轴向投影截面积甚至可增加50％，取得了显著的进步。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (5)
1.一种梯形凸极开关磁阻电机，包含定子铁芯、转子铁芯和绕组，其特征在于：所述定子铁芯为各相凸极集中布置的定子铁芯，所述转子铁芯设置有凸极，定子铁芯的凸极与凸极之间均设有凹槽，所述定子铁芯的凸极分q相n组布置，每组每相有z个凸极且z个凸极相邻集中布置，其中q、n、z均为自然数，且q≥2，z≥2；所述凸极在定子铁芯的圆周方向上的布置顺序为第1组凸极、第2组凸极、…、第n组凸极，每组内的凸极的布置顺序为第1相凸极、第2相凸极、…、第q相凸极；所述定子铁芯凸极数为x＝nqz，所述转子铁芯凸极数为y＝n(qz+1)，相邻相相间机械角均为A＝360°/nq；定子铁芯相内相邻的凸极之间的夹角均为B＝360°/y，且相内相邻的凸极之间的凹槽为小凹槽；定子铁芯相邻相之间相邻的凸极之间的夹角均为C＝A-B(z-1)，相邻相之间相邻的凸极之间的凹槽为大凹槽；所述定子铁芯的凸极的轴向投影截面是下底部宽、前端逐渐变窄的梯形结构。
2.根据权利要求1所述的一种梯形凸极开关磁阻电机，其特征在于：所述定子铁芯的凸极的轴向投影截面上，两腰之间的夹角为D，所述凸极靠所述小凹槽一侧的腰与梯形高的夹角为第一夹角D1，所述凸极靠所述大凹槽一侧的腰与梯形高的夹角为第二夹角D2，D＝D1+D2，所述凸极极弧角设置为d，D1≥d，D2≥d。
3.根据权利要求2所述的一种梯形凸极开关磁阻电机，其特征在于：所述凸极极弧角d＝360°/qy。
4.根据权利要求2所述的一种梯形凸极开关磁阻电机，其特征在于：所述小凹槽包括小槽口、小槽身和小槽底，所述小槽口、小槽身和小槽底的宽度均相等；所述大凹槽包括大槽口、大槽身和大槽底，所述大槽口、大槽身和大槽底的宽度均相等；且D1＝B/2，D2＝C/2。
5.根据权利要求2所述的一种梯形凸极开关磁阻电机，其特征在于：所述绕组在梯形凸极外周，所述绕组的内周面贴合所述梯形凸极，所述绕组的外周面与内周面平行。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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