CN111817455B - 一种三相开关磁阻电机定子结构及对应电机和驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相开关磁阻电机定子结构及对应电机和驱动方法。目前的开关磁阻电动机由于工作原理所致，电动机的输出转矩中存在明显的脉动转矩。本发明一种三相开关磁阻电机定子结构，包括定子铁心和三相绕组。三相绕组分为①‑①’绕组、②‑②’绕组和③‑③’绕组。①‑①’绕组由A齿上的第一线圈、a齿上的第一线圈、B齿上的第一线圈、b齿上的第一线圈依次串联形成。②‑②’绕组由B齿上的第二线圈、b齿上的第二线圈、C齿上的第二线圈、c齿上的第二线圈依次串联形成。③‑③’绕组由C齿上的第一线圈、c齿上的第一线圈、A齿上的第二线圈、a齿上的第二线圈依次串联形成。本发明对转子铁心每相产生的电磁转矩具有平顶波的转矩特性，从而达到有效降低脉动转矩的目的。

Description

一种三相开关磁阻电机定子结构及对应电机和驱动方法

技术领域

本发明属于开关磁阻电动机技术领域，具体涉及一种三相开关磁阻电机定子结构及对应电机和驱动方法。

背景技术

开关磁阻电动作为一种基于磁阻力矩的调速电动机，由于其具有结构简单坚固、调速方便、运行可靠、高效等特点，已广泛应用于矿山、油田、纺织、汽车等领域。但目前的开关磁阻电动机由于工作原理所致，电动机的输出转矩中存在明显的脉动转矩，三相开关磁阻电动机是使用最广的开关磁阻电动机，其脉动转矩的波形与正弦波相似，具体如图1所示。严重时脉动转矩可达到额定转矩的25％左右，因此，电动机运行时会产生明显的振动与噪声，影响到该电动机在其他领域的进一步广泛应用。

为减小开关磁阻电动机的脉动转矩，申请号为“201911229568X”的专利“一种低脉动转矩开关磁阻电动机及其驱动方法”提供了一种通过设置双绕组，并用两个调速控制系统错开180°电角度分别控制双绕组的开关磁阻电动机，其通过相位相差180°电角度的两个正弦波相互抵消的方式，大大减小了开关磁阻电动机的脉动转矩；但是，该开关磁阻电动机也存在明显的缺陷，即需要两个调速控制系统分别控制两组绕组，控制较为复杂，明显提高了开关磁阻电动机的使用成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三相开关磁阻电机定子结构及对应电机和驱动方法。

本发明一种三相开关磁阻电机定子结构，包括定子铁心和三相绕组。定子铁心上设置有6n个齿槽；n为极对数。6n个齿槽等分为n组；每组的六个齿槽分别定义为A齿、B齿、C齿、a齿、b齿、c齿。A齿与a齿相对设置；B齿与b齿相对设置；C齿与c齿相对设置。每组的六个齿槽上均设置有三相绕组。三相绕组包括六个第一线圈和六个第二线圈。六个齿槽上均绕置有相互独立的一个第一线圈和一个第二线圈。

三相绕组分为①-①’绕组、②-②’绕组和③-③’绕组。①-①’绕组由A齿上的第一线圈、a齿上的第一线圈、B齿上的第一线圈、b齿上的第一线圈依次串联形成。②-②’绕组由B齿上的第二线圈、b齿上的第二线圈、C齿上的第二线圈、c齿上的第二线圈依次串联形成。③-③’绕组由C齿上的第一线圈、c齿上的第一线圈、A齿上的第二线圈、a齿上的第二线圈依次串联形成。

作为优选，同一组的6个齿槽沿着定子铁心1的周向均布。n组齿槽依次错开60°/n。

作为优选，所述第一线圈与第二线圈的参数相同。

本发明一种三相低脉动转矩的开关磁阻电动机，包括定子结构、转子铁心、转轴和机座。定子结构采用前述的三相开关磁阻电机定子结构。转轴支承在机座内。定子结构内的定子铁心固定于机座的内侧。转子铁心固定在转轴上，且位于定子铁心的内侧。定子铁心与转子铁心的齿槽比为6n:4n，形成三相开关磁阻电动机。

作为优选，本发明一种三相低脉动转矩的开关磁阻电动机还包括位置传感器。位置传感器设置在后端盖的外侧。位置传感器包括光栅盘和光电传感器。光栅盘与转轴固定。光栅盘上设置有光栅轨迹。光栅轨迹的中心轴线均与转轴的轴线重合；光电传感器与后端盖固定，且朝向光栅盘上的光栅轨迹。

作为优选，本发明一种三相低脉动转矩的开关磁阻电动机还包括冷却风扇和风扇罩。风扇罩与机座的后端固定。冷却风扇设置在风扇罩内，且与转轴固定。

作为优选，本发明一种三相低脉动转矩的开关磁阻电动机还包括调速控制系统。定子结构内的①-①’绕组、②-②’绕组、③-③’绕组与调速控制系统的三相输出接口分别连接。

该三相低脉动转矩开关磁阻电动机的驱动方法如下：

步骤一、①-①’绕组通电。转子铁心转过120°电角度后，进入步骤二。

步骤二、①-①’绕组断电，②-②’绕组通电。转子铁心转过120°电角度后，进入步骤三。

步骤三、转子铁心再次转过120°电角度后，②-②’绕组断电，③-③’绕组通电。转子铁心转过120°电角度后，进入步骤四。

步骤四、持续步骤一至三循环。每个步骤一至三的循环转子铁心均转过机械角。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明提出的三相低脉动转矩开关磁阻电动机结构，在现有普通开关磁阻电动机结构的基础上，把原来的一组三相对称绕组，改成了每个定子铁芯上均绕有两个相互的独立的绕组线圈的新型三相对称绕组；新型三相对称绕组经过电压斩波调脉宽调压控制，每相绕组通电时均有两对齿槽产生相同强度的磁场，两对齿槽的磁场对转子铁心产生的转矩叠加后，大大减小了开关磁阻电机的脉动转矩。

2、本发明由于采用了新型三相对称绕组依次通电运行的情况下定子极分别按照AB-BC-CA-AB(正向旋转)或CA－CB－BA－CA(反向旋转)顺序组合励磁，使产生的转矩为二个单极产生的转矩的叠加合成，因此，当控制电流为如图5所示的波形情况下，产生的转矩仅具有脉动很小的接近平顶波(实验波形)，从而达到有效降低脉动转矩的目的。

3、本发明虽然每个定子齿槽上均绕置有两个相互独立的绕组线圈，但仅通过一个调速控制系统按照三相单三拍的方法即可在保证低脉动转矩的前提下驱动电机。

4、本发明对于三相对称，2n极(n为自然数)开关磁阻电动机均适用，且均能够实现抑制脉动转矩的目的。

附图说明

图1是常规开关磁阻电动机脉动转矩实测波形图；

图2是本发明实施例1的结构示意图；

图3a是本发明实施例1中①-①’绕组的接线示意图；

图3b是本发明实施例1中②-②’绕组的接线示意图；

图3c是本发明实施例1中③-③’绕组的接线示意图；

图4是本发明实施例3的结构示意图；

图5是本发明实施例3中电机工作时其中一相的电流波形图；

图6是本发明对应于图5中电流波形的其中一相产生的转矩波形；

图7是现有三相开关磁阻电机对应于图5中电流波形的其中一相产生的转矩波形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图2所示，一种三相开关磁阻电机定子结构，包括定子铁心1和新型的三相绕组。定子铁心1的极对数为1，具有沿自身周向均布的六个齿槽。三相绕组包括六个第一线圈2和六个第二线圈3(合计十二个绕组线圈)。定子铁心1的六个齿槽上均绕置有相互独立的一个第一线圈2和一个第二线圈3。第一线圈2与第二线圈3的参数相同。线圈的参数包括匝数、材料和线径；将定子铁心1的六个齿槽分别定义为A齿、B齿、C齿、a齿、b齿、c齿。A齿与a齿相对设置；B齿与b齿相对设置；C齿与c齿相对设置。A极、B极、C极在空间互差120°电角度。

三相绕组按照图3a-3c所所示的连接方式，连接成新的三相对称绕组。三相绕组分为①-①’绕组、②-②’绕组和③-③’绕组。①-①’绕组由A齿上的第一线圈、a齿上的第一线圈、B齿上的第一线圈、b齿上的第一线圈依次串联形成，如图3a所示。②-②’绕组由B齿上的第二线圈、b齿上的第二线圈、C齿上的第二线圈、c齿上的第二线圈依次串联形成，如图3b所示。③-③’绕组由C齿上的第一线圈、c齿上的第一线圈、A齿上的第二线圈、a齿上的第二线圈依次串联形成，如图3c所示。

本实施例与现有三相定子结构的区别在于：本实施例中的①-①’绕组通电时，A齿、B齿、a齿、b齿均产生磁场；②-②’绕组、③-③’绕组通电时，产生的磁场同理可以类推；

因此，当本实施例按照三相单三拍的控制策略进行驱动时，各齿槽产生磁场的次序是AB→BC→CA→AB。由于同一相绕组内所有的线圈均为串联，故通电时同一相绕组内的电流完全一致，各齿槽产生的磁场也就完全一致，形成的对转子铁心的相互叠加，转子铁心输出转矩的波谷被填充，形成一个相对稳定的输出转矩如图7所示，有效抑制了脉动转矩。

本发明驱动时产生磁场齿槽位置与现有三相开关磁阻电机以三相双三拍驱动时产生磁场齿槽位置相同，起到的结果完全不同，现有三相开关磁阻电机以三相双三拍驱动无法起到抑制脉动转矩的技术效果。原因在于：

以A齿、B齿、a齿、b齿上的线圈通电为例进行说明，在通过三相双三拍驱动现有三相开关磁阻电机的过程中，当A齿、B齿、a齿、b齿通电时，作用在“A齿-a齿”上的电压与“B齿-b齿”上的电压相等。A齿-a齿”及“B齿-b齿”均形成闭合的磁回路。“A齿-a齿”形成磁回路如下：A齿→定、转铁心之间的间隙→转子铁心→定、转铁心之间的间隙→a齿→定子铁心→A齿。“B齿-b齿”形成磁回路如下：B齿→定、转铁心之间的间隙→转子铁心→定、转铁心之间的间隙→b齿→定子铁心→B齿。

由于转子铁心的齿槽数与定子铁心的齿槽数不相同，A齿、B齿与转子铁心之间的相对位置关系必然有所区别，导致“A齿-a齿”所成磁回路中的定、转铁心之间的间隙与“B齿-b齿”所成磁回路中的定、转铁心之间的间隙不相等。定、转铁心之间的间隙的磁阻远大于定、转子铁心本身的磁阻(大1000倍以上)。

因此，在相同的输入电压下，由于两个磁回路的磁阻显著不同，故“A齿-a齿”产生的磁场强度与“B齿-b齿”产生的磁场强度的大小有显著不同，进而导致“A齿-a齿”对转子铁心产生的转矩波形和“B齿-b齿”对转子铁心产生的转矩波形完全不同，难以起到填充输出转矩波谷的效果。

而本发明中A齿、B齿、a齿、b齿上的线圈串联，①-①’绕组通电时，A齿、B齿、a齿、b齿上的线圈通过相等的电流，产生强度相同的磁场磁势，A齿、a齿对转子铁芯产生转矩波形与B齿、b齿对转子铁芯产生转矩波形相同，相位错开，相互叠加后能够很好的起到填充波谷的技术效果。

实施例2

一种三相开关磁阻电机定子结构，本实施例与实施例1的区别在于：定子铁心1的极对数为n，极对数n≥2。定子铁心1具有沿自身周向均布的6n个齿槽。6n个齿槽等分为n组；同一组的6个齿槽沿着定子铁心1的周向均布。n组齿槽依次错开60°/n。同一组的6个齿槽按照实施例1中的记载绕置三相绕组。n组齿槽上同一相绕组串联(即n组齿槽上①-①’绕组串联在一起，②-②’绕组串联在一起，③-③’绕组串联在一起)。

实施例3

如图4所示，一种三相低脉动转矩的开关磁阻电动机，包括定子结构、转子铁心4、转轴5、前端盖6、前端盖轴承7、机座8、后端盖轴承9、后端盖10、位置传感器11、冷却风扇12、风扇罩13和调速控制系统。定子结构采用实施例1或2中记载的一种三相开关磁阻电机定子结构。前端盖6、后端盖10与机座8的两端分别固定。前端盖轴承7、后端盖轴承9的外圈分别嵌入前端盖6、后端盖10的内侧面中部。转轴5的两端分别嵌入前端盖轴承7、后端盖轴承9的内圈。定子结构内的定子铁心1固定于机座8的内侧。转子铁心4固定在转轴5上，且位于定子铁心1的内侧。转子铁心相对于定子铁心可作旋转运行。定子铁心1与转子铁心4的齿槽比(即定子转子铁心齿数比)为6n:4n，形成三相开关磁阻电动机，n为极对数。

位置传感器11设置在后端盖10的外侧。位置传感器11包括光栅盘和光电传感器。光栅盘与转轴5固定。光栅盘上设置有光栅轨迹。光栅轨迹的中心轴线均与转轴的轴线重合；光电传感器与后端盖10固定，且朝向光栅盘上的光栅轨迹。光电传感器的信号输出接口与调速控制系统连接。定子结构内的三相绕组①-①’、②-②’、③-③’与调速控制系统的三相输出接口分别连接。调速控制系统用于开关磁阻电动机的调速控制。风扇罩13与机座8的后端固定。冷却风扇12设置在风扇罩13内，且与转轴固定。

该三相低脉动转矩开关磁阻电动机的制备过程如下：

先分别加工好定子铁心1、第一线圈2、第二线圈3、转子铁心4、转轴5、前端盖6、前端盖轴承7、机座8、后端盖轴承9、后端盖10、位置传感器11、冷却风扇12和风扇罩13。

然后进行安装装配，具体如下：将6n个第一线圈2及6n个第二线圈3安装在定子铁心1的6n个齿槽上，并按图3a-3c所示的绕组接线图及前述的说明进行重新连接，构成新的三相绕组①-①’、②-②’、③-③’；

将装有绕组的定子固定安装于机座8内；将转子铁心4固定安装在转轴5上；将前端盖轴承7和后端盖轴承9分别嵌入前端盖6、后端盖10。将转轴5插入前端盖轴承7和后端盖轴承9；把转子铁心放入定子铁心内。将前端盖6及后端盖10与机座固定，使得转子铁心可相对于定子旋转；把位置传感器11的感应部分(光栅盘)与转轴固定，把位置传感器的信号接收部分(光电传感器)与后端盖10固定，并引出位置信号线；将冷却风扇12与转轴固定。最后用风扇罩13罩住冷却风扇12后，固定在机座8的后端。至此，即完成了电动机的安装。然后将电动机与控制系统连接供电，三相低脉动转矩的开关磁阻电动机即可运行。

本发明三相低脉动转矩开关磁阻电动机的驱动方法如下：

电动机的位置传感器输出与调速控制系统相连，控制系统的主电路输出端与三相绕组①-①’、②-②’、③-③’相连，按三相单三拍的方法驱动电机，具体过程如下：

步骤一、调速控制系统控制①-①’绕组通电运行。图3a中虚线的转子铁芯为①-①’绕组通电前的转动起始位置，实线的转子铁芯为①-①’绕组通电后的转动结束位置。

步骤二、转子转过120°电角度(机械角)，位置传感器向控制系统发出下一相开启信号，调速控制系统控制①-①’绕组关断，然后控制②-②’绕组通电运行。图3b中虚线的转子铁芯为②-②’绕组通电前的转动起始位置，实线的转子铁芯为②-②’绕组通电后的转动结束位置。

步骤三、转子再转过120°电角度，位置传感器向控制系统发出下一相开启信号，调速控制系统控制②-②’绕组关断，然后控制③-③’绕组通电运行。图3c中虚线的转子铁芯为③-③’绕组通电前的转动起始位置，实线的转子铁芯为③-③’绕组通电后的转动结束位置。

步骤四、持续步骤一至三循环。每个步骤一至三的循环转子均转过机械角。

当电动机需要反向旋转运行时，则控制系统对于三相绕组的控制顺序相反，即①--①’、③-③’、②-②’三相绕组轮流循环供电。各绕组导通的导通电角度由控制器根据不同负载自动调节，最大不超过120°电角度。

本发明电机工作时其中一相绕组的电流波形图如图5所示，该波形与控制现有开关磁阻电机的电流波形相同；转轴输出的转矩波形如图6所示，具有平顶波的转矩特性，脉动转矩被有效抑制。现有开关磁阻电机以三相单三拍带的驱动驱动时输出转矩的波形图如图7所示，可以看出现有技术中开关磁阻电机的输出转矩存在较大的波动，不利于稳定输出。

Claims (6)

1.一种三相开关磁阻电机定子结构包括定子铁心和三相绕组；其特征在于：所述的定子铁心上设置有6n个齿槽；n为极对数；6n个齿槽等分为n组；每组的六个齿槽分别定义为A齿、B齿、C齿、a齿、b齿、c齿；A齿与a齿相对设置；B齿与b齿相对设置；C齿与c齿相对设置；每组的六个齿槽上均设置有三相绕组；三相绕组包括六个第一线圈和六个第二线圈；六个齿槽上均绕置有相互独立的一个第一线圈和一个第二线圈；同一组的6个齿槽沿着定子铁心(1)的周向均布；n组齿槽依次错开60°/n；所述第一线圈与第二线圈的参数相同；

所述的三相绕组分为①-①’绕组、②-②’绕组和③-③’绕组；①-①’绕组由A齿上的第一线圈、a齿上的第一线圈、B齿上的第一线圈、b齿上的第一线圈依次串联形成；②-②’绕组由B齿上的第二线圈、b齿上的第二线圈、C齿上的第二线圈、c齿上的第二线圈依次串联形成；③-③’绕组由C齿上的第一线圈、c齿上的第一线圈、A齿上的第二线圈、a齿上的第二线圈依次串联形成。

2.一种包括权利要求1所述的定子结构的三相开关磁阻电机，包括定子结构、转子铁心、转轴和机座；其特征在于：所述的转轴支承在机座内；定子结构内的定子铁心固定于机座的内侧；转子铁心固定在转轴上，且位于定子铁心的内侧；定子铁心与转子铁心的齿槽比为6n:4n。

3.根据权利要求2所述的三相开关磁阻电机，其特征在于：还包括位置传感器；位置传感器设置在后端盖的外侧；位置传感器包括光栅盘和光电传感器；光栅盘与转轴固定；光栅盘上设置有光栅轨迹；光栅轨迹的中心轴线均与转轴的轴线重合；光电传感器与后端盖固定，且朝向光栅盘上的光栅轨迹。

4.根据权利要求2所述的三相开关磁阻电机，其特征在于：还包括冷却风扇和风扇罩；风扇罩与机座的后端固定；冷却风扇设置在风扇罩内，且与转轴固定。

5.根据权利要求2所述的三相开关磁阻电机，其特征在于：还包括调速控制系统；定子结构内的①-①’绕组、②-②’绕组、③-③’绕组与调速控制系统的三相输出接口分别连接。

6.如权利要求3所述的三相开关磁阻电机的驱动方法，其特征在于：步骤一、①-①’绕组通电；转子铁心转过120°电角度后，进入步骤二；

步骤二、①-①’绕组断电，②-②’绕组通电；转子铁心转过120°电角度后，进入步骤三；

步骤三、转子铁心再次转过120°电角度后，②-②’绕组断电，③-③’绕组通电；转子铁心转过120°电角度后，进入步骤四；

步骤四、持续步骤一至三循环；每个步骤一至三的循环转子铁心均转过机械角。