CN111740515B - 一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机 - Google Patents

一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机，主要包括定子铁心、励磁绕组线圈、永磁体和转子；混合励磁开关磁阻电机的工作原理同样遵循“磁阻最小原理”——磁通总是沿着磁阻最小的路径形成闭合回路，当电机的转子铁心靠近到磁阻最小的位置时，使电机的主中心轴线与磁场的轴线重合；通过改变定子励磁为混合励磁，增加了气隙磁密，降低了定子极部分铁心材料的饱和度，从而增强了电机的转矩输出能力。转子外表面为圆柱形，减小了电机高速运行时的风摩损耗，提升了电机能效。

Description

一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机
技术领域
本发明属于开关磁阻电机技术领域，更为具体地讲，涉及一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机。
背景技术
开关磁阻电机是20世纪80年代开始进入应用领域的机电一体化产品，是调速领域的一个新的分支。具有结构简单、成本低、控制灵活、对高温等恶劣环境适应性强等特点。基于上述优点，开关磁阻电机在电动车系统、航空航天、以及新能源系统等领域具有应用优势，成为各国研究和开发的主要热点。传统的开关磁阻电机的结构如图1所示，定转子铁心均是凸极结构，且每个定子极的大小相同，凸极的转子结构使得高速运行时风摩损耗较大；此外，传统的开关磁阻电机的工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是沿着磁阻最小的路径形成闭合回路，当电机的转子铁心靠近到磁阻最小的位置时，必然使自己的主中心轴线与磁场的轴线重合，然而这种传统的开关磁阻电机磁通路较长，削弱了电机的转矩输出能力。传统的模块化转子的开关磁阻的电机由于其磁通路径短，电磁利用率高。然而，定子齿部容易饱和，使得铁磁材料的磁导率大幅降低，电机等效气隙长度大大增加。这既限制了电机的功率密度，又引起励磁电流增加，增加了绕组铜损，导致电机能效降低。因此，如何在现有基础上进一步提高开关磁阻电机的功率密度和效率是开关磁阻电机系统的一个重要方向。
中国专利混合励磁分块定、转子开关磁阻电机(专利申请号：201010102546.X)提出了一种电子定子和转子均分块的开关磁阻电机。该电机的电励磁线圈安装在定子轭上，增加了漏磁，降低了电磁利用率。中国专利混合励磁短磁路变磁阻电机(专利申请号：20110100083.8)提出了一种采用了混合励磁方式的短磁路开关磁阻电机。该电机永磁体放置位置加大了等效气隙长度，既增加了电机体积，又减弱了气隙磁密，限制了电机转输出能力。转子上安装有永磁体时，存在散热困难的问题，导致永磁体存在退磁、失磁等风险，电机可靠性降低。将永磁体埋入转子段中，会影响转子的机械强度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机，该电机结构简单、坚固、损耗小、功率密度和能效高、容错能力强。
为实现上述发明目的，本发明一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机，其特征在于，包括：定子铁心、励磁绕组线圈、永磁体和转子；
所述定子铁心为凸极结构，包括定子极和定子轭；
其中，定子轭为圆环状，定子极由六组交替均匀分布在定子轭内侧的励磁极和辅助极构成；
所述励磁绕组线圈，缠绕在励磁极上，且相邻两块励磁极上的励磁绕组线圈的绕制方向相反，用于产生电励磁磁场，且与永磁体产生的永磁磁场并联；在整个混合励磁开关磁阻电机中6个励磁绕组线圈构成三相绕组，每一相绕组均由串联的两个励磁绕组线圈构成；
所述永磁体，固定在励磁极和辅助极之间，位置刚好位于励磁极和辅助极的矩形块与等腰梯形块相交处；在辅助极的两侧安装的永磁体极性相同，励磁极的两侧安装的永磁体极性相反，且励磁极上励磁绕组线圈的产生的励磁磁场方向与励磁极两侧的永磁体产生的永磁磁场方向相反；
所述转子，包括扇形转子块和转子套，转子的外表面为圆柱面，中心预留有电机轴承安装孔；
其中，转子套设置有固定扇形转子块的凹槽，凹槽根据扇形转子块的形状设计；转子套靠圆心一侧为圆弧，远离圆心的一侧设置有沿圆弧适当延长的凸起，且凸起的顶端同样为圆弧状，从而将扇形转子块固定在凹槽内。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机，主要包括定子铁心、励磁绕组线圈、永磁体和转子；混合励磁开关磁阻电机的工作原理同样遵循“磁阻最小原理”——磁通总是沿着磁阻最小的路径形成闭合回路，当电机的转子铁心靠近到磁阻最小的位置时，使电机的主中心轴线与磁场的轴线重合；通过改变定子励磁为混合励磁，增加了气隙磁密，降低了定子极部分铁心材料的饱和度，从而增强了电机的转矩输出能力。转子外表面为圆柱形，减小了电机高速运行时的风摩损耗，提升了电机能效。
同时，本发明一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机还具有以下有益效果：
(1)、本发明的电机的绕组和永磁体都位于定子侧，便于电机散热。
(2)、本发明的电机的永磁体安放在定子极间的极尖处，借助永磁磁场，对定子极铁磁材料的磁导进行一定的预置偏置，降低绕组励磁磁场的饱和程度，减小电机的等效气隙长度和绕组的励磁电流，从而提升电机的能效和功率密度。
(3)、本发明的电机的永磁体产生的磁场，只有在电励磁绕组通电时才会和转子铁心产生闭合回路。功率电路和控制策略和传统的开关磁阻电机一样。
(4)、本发明的电机相邻两主励磁极上绕组线圈匝链的磁链极性交替变换，当电机的相邻两主励磁极同时通电时，两者产生的电励磁磁场在中间辅助极上会相互抵消，有利于降低铁损。
(5)、本发明的电机的转子外表面为圆柱面结构，有利于减小风摩损耗。
(6)、本发明的电机采用模块化转子，不同的转子块被磁材料隔离，各独立的转子块和与它相邻的定子励磁极和辅助极构成独立的短磁通路，磁动势低，电磁利用率高，电机铁损低。
(7)、本发明的电机的每个定子槽只有一相绕组线圈，槽满率高，绕组横截面积大，铜耗小。
附图说明
图1是传统的开关磁阻电机的结构原理图；
图2是本发明一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机结构原理图；
图3是图1所示定子铁心结构原理图；
图4是电机的直线展开的尺寸示意图；
图5是励磁线圈单独励磁时的磁力线分布图；
图6是永磁体单独励磁时的磁力线分布图；
图7是图1所示转子套结构原理图；
图8是电机转子位于对齐位置，励磁绕组不通电时磁力线分布图；
图9是电机转子位于对齐位置，A相励磁绕组通电时磁力线分布图；
图10是电机转子位于非对齐位置，A相励磁绕组通电时磁力线分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机原理图。
在本实施例中，如图2所示，本发明一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机，包括：定子铁心1、励磁绕组线圈2、永磁体3、转子4；
如图3所示，定子铁心1为凸极结构，包括定子极和定子轭1-3；
其中，定子轭1-3为圆环状，定子极由六组交替均匀分布在定子轭内侧的励磁极1-1和辅助极1-2构成，励磁极和辅助极的下端为矩形块，上端为等腰梯形块，但等腰梯形块的上底是以电机轴心为圆心的圆弧；在本实施例中，励磁极1-1和辅助极1-2共计12个，如图4所示，励磁极1-1的宽度t)是辅助极1-2(t/2)和定子轭1-3的宽度(t/2)的2倍。
如图2所示，励磁绕组线圈2缠绕在励磁极1-1上，且相邻两块励磁极上的励磁绕组线圈的绕制方向相反，用于产生的励磁磁场，且与永磁体3产生的永磁磁场并联，其中，励磁绕组线圈单独励磁时的磁力线分布，如图5所示；在整个混合励磁开关磁阻电机中6个励磁绕组线圈2构成三相绕组，每一相绕组均由两个励磁绕组线圈2串联构成，如图2所示，即A1A2，B1B2，C1C2。
如图2所示，永磁体3固定在励磁极和辅助极之间，共计12个，位置刚好位于励磁极1-1和辅助极的矩形块与等腰梯形块相交处；在辅助极的两侧安装的永磁体极性相同，励磁极的两侧安装的永磁体极性相反，且励磁极上励磁绕组线圈的产生的励磁磁场方向与励磁极两侧的永磁体产生的永磁磁场方向相反；永磁体单独励磁时的磁力线分布，如图6所示。
转子4，包括10个扇形转子块4-1和转子套4-2，转子的外表面为圆柱面，中心预留有电机轴承安装孔；
其中，如图7所示，转子套4-2设置有固定扇形转子块的凹槽4-2-1和4-2-2，凹槽根据扇形转子块的形状设计；转子套4-2靠圆心一侧为圆弧，远离圆心的一侧设置有沿圆弧适当延长的凸起，且凸起的顶端同样为圆弧状，从而将扇形转子块固定在凹槽内。
在本实施例中，如图4所示，励磁极和辅助极顶端间隙的宽度(x)等于相邻两个扇形转子块之间的间隙宽度(x)。
在本实施例中，将扇形转子块的中心线与定子极中心线对齐时定义为转子的非对齐位置，此时绕组电感最小；将扇形转子块的中心线与定子槽中心线对齐时定义为对齐位置，此时绕组电感最大。
那么，当电机转子位于对齐位置，励磁绕组不通电时磁力线分布如图8所示，永磁体产生的磁场不经过气隙，沿定子极、定子轭部闭合，无转矩输出；当电机转子位于对齐位置，A相励磁绕组通电时磁力线分布如图9所示，永磁体磁力线一部分通过气隙、转子闭合，增强气隙磁密，另一部分磁力线经过定子极、定子轭，降低绕组励磁磁场的在定子上的饱和程度，减小电机的等效气隙长度和绕组的励磁电流，从而提升电机的能效和功率密度。
电机转子处于非对齐位置时的磁力线分布如图10所示。此时，仅A相绕组导通，有励磁电流，B、C两相无励磁电流。A相绕组电励磁磁力线经由转子闭合，B、C两相永磁体励磁磁力线经由定子齿和轭部进行闭合。
电机转子处于对齐位置时的磁力线分布如图9所示。此时，仅A相绕组导通，有励磁电流，B、C两相无励磁电流。A相绕组电励磁磁力线经由转子闭合，B、C两相永磁体励磁磁力线经由定子齿和轭部进行闭合。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机，其特征在于，包括：定子铁心、励磁绕组线圈、永磁体和转子；
所述定子铁心为凸极结构，包括定子极和定子轭；
其中，定子轭为圆环状，定子极由六组交替均匀分布在定子轭内侧的励磁极和辅助极构成；
所述励磁绕组线圈，缠绕在励磁极上，且相邻两块励磁极上的励磁绕组线圈的绕制方向相反，用于产生电励磁磁场，且与永磁体产生的永磁磁场并联；在整个混合励磁开关磁阻电机中6个励磁绕组线圈构成三相绕组，每一相绕组均由串联的两个励磁绕组线圈构成；
所述永磁体，固定在励磁极和辅助极之间，位置刚好位于励磁极和辅助极的矩形块与等腰梯形块相交处；在辅助极的两侧安装的永磁体极性相同，励磁极的两侧安装的永磁体极性相反，且励磁极上励磁绕组线圈的产生的励磁磁场方向与励磁极两侧的永磁体产生的永磁磁场方向相反；
所述转子，包括扇形转子块和转子套，转子的外表面为圆柱面，中心预留有电机轴承安装孔；
其中，转子套设置有固定扇形转子块的凹槽，凹槽根据扇形转子块的形状设计；转子套靠圆心一侧为圆弧，远离圆心的一侧设置有沿圆弧适当延长的凸起，且凸起的顶端同样为圆弧状，从而将扇形转子块固定在凹槽内；
其中，所述励磁极和辅助极的下端为矩形块，上端为等腰梯形块，但等腰梯形块的上底是以电机轴心为圆心的圆弧。
2.根据权利要求1所述的一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机，其特征在于，所述励磁极的宽度是辅助极和定子轭宽度的2倍。
3.根据权利要求1所述的一种转子模块化的混合励磁开关磁阻电机，其特征在于，所述励磁极和辅助极间槽口的宽度等于相邻两个扇形转子块之间的间隙宽度。
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