CN112054642A - 一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机及驱动电路。该电机定子包括铁芯、绕组与非导磁结构，双转子采用分块式或齿级结构。定子由均匀分布的定子齿组成并以非导磁结构连接，集中式分布绕组绕于定子齿上；分块式转子叠压铁芯采用类扇形或U形，内转子铁芯均匀分布于定子齿内侧，并内嵌于非导磁框架内部(中心处有转轴)；外转子铁芯均匀分布在定子齿外侧，并与内转子关于定子齿对称或错开一段距离。运行时控制至少两相通电且两相相邻。磁通路径由相邻两相定子齿、转子铁芯(或转子齿)与气隙组成。本发明能节省材料，减小磁通路径，提高效率和功率密度；增加绕组导通区间能减小转矩脉动；采用取向硅钢材料能增强导磁能力。

Description

一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机系统

技术领域

本发明提出了一种无轭部的相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机及其控制电路。

背景技术

开关磁阻电机遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理，由磁拉力作用产生具有磁阻性质的电磁转矩。因此，当转子与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力矩作用在转子上并产生转矩使其趋于磁阻最小的位置，这类似于磁铁吸引铁质物质的现象。开关磁阻电机定子只有几个集中绕组，定子线圈嵌装容易，端部牢固，可靠性高，而转子上无绕组，无永磁体，可容许较大温升，即电机具有结构简单，成本低机械弹性好，各相定子绕组可独立工作，电机高速运转不易变形且功率电路简单可靠等特点，被广泛应用于各种高速运转与高输出高效率场合，是目前最有前途的电动汽车驱动电机。

然而传统开关磁阻电机通过分别给各相绕组通电，磁通通过各相绕组形成回路，各相之间互不影响，输出转矩主要在各相绕组电感上升区产生。该种工作方式限制各绕组在各个转子极距期间的工作时间上限为50%。由于开关磁阻电机的双凸极结构、脉冲供电方式的控制特点以及磁路饱和非线性的影响，开关磁阻电机的噪声、振动及转矩脉动比永磁电机和异步电机都要高，其中三相开关磁阻电机转矩脉动可达到70%以上，四相可达到50%以上，转矩脉动大成为开关磁阻电机最为显著的特点。另外，常规开关磁阻电机大多采用定子集中绕组，齿级转子的结构，此结构的电机内部磁通回路较长，将造成较大的铁耗和涡流损耗，且各绕组磁通回路路径相互重叠，若定子或转子某处断裂对电机磁路影响较大，导致电机容错能力差；同时传统开关磁阻电机定子带有轭部，定子轭部内的磁通方向会根据不同相的导通而发生变化，进一步加大了电机的铁耗和涡流损耗，此时电机长时间运行容易使定子轭部发热，这是定子有轭部电机的不足之处。由于电机内磁路在定子和转子中存在拐向，目前市场中电机所用材料大部分都为无取向硅钢材料，其与取向硅钢材料相比，同样条件下取向硅钢单位体积的铁耗远远小于无取向硅钢，同时取向硅钢在轧制方向的导磁性能也明显优于无取向硅钢。然而由于开关磁阻电机的特殊磁路结构，取向硅钢材料还没有在开关磁阻电机中应用。如果可以在开关磁阻电机中采用取向硅钢材料，并充分利用取向硅钢材料的优良特性，这样不仅可以提高电机效率，减小电机的用料和体积，同时也将极大改善开关磁阻电机的性能。因此，对于开关磁阻电机来讲，如何在提高电机转矩密度、功率密度和效率的同时，降低电机转矩波动，是开关磁阻电机有待解决的主要问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机系统。相比于传统的开关磁阻电机，本发明采用了无轭部结构并改变了磁路结构。去除定子轭部节省电机材料的同时，减小了磁通路径，使得电机损耗和体积减小，从而提高电机效率和功率密度；通过改变磁路结构使电机相邻定子齿串联通磁缩短磁路，同时增加了绕组导通区间，从而提高了电机的能量密度，减小转矩脉动；绕组铁芯上磁通方向定向可以采用取向硅钢材料，极大减小电机损耗，增强导磁能力。为进一步提高该电机的性能，本发明提出一种适合该种电机的驱动控制电路。

为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机，其包括电机定子和电机双转子，定子包括定子铁芯、绕组与非导磁连接结构；转子可采用分块式结构，其包括转子叠压铁芯和非导磁框架，也可以采用非分块式结构，此时转子可由整体的导磁铁芯组成。其中，定子由均匀分布的含有绕组线圈的多个定子齿组成并以非导磁结构固定或直接通过隔磁桥形式连接，集中式定子绕组缠绕于定子齿上，转子采用分块式结构时内转子叠压铁芯均匀分布于定子齿内侧，内嵌于非导磁框架内部，非导磁框架的中心处设置有转轴，而外转子铁芯均匀分布在定子齿外侧，并与内转子关于定子齿对称或错开一段距离。在电机的运行过程中，相邻两相同时导通，电机的磁通路径是由相邻两相定子齿和内外转子叠压铁芯（或内外转子齿）与气隙共同组成。定子齿上的磁通均在定子齿方向上定向，转子采用分块式结构时转子叠压铁芯采用类扇形或U形结构。

本发明电机的工作原理是：根据磁阻最小原理，通过检测电机定转子的相对位置决定电机通电相，相邻两相通电使得形成的磁场互相串联，磁场通过导通相的定子齿、内转子以及与其相对的外转子、定转子间的气隙形成主磁通回路。电机运行时相邻相间各自的自感和互感形成输出转矩，当自感不变时可以通过互感输出转矩，从而增大各相在导通周期中导通时间的占比。双转子定子无轭部结构去除了定子轭部，铁耗与涡流损耗大大减小，而且节省了大量的定子制造成本，减小了电机的体积，增大了电机的力密度。

所述电机相数为奇数且大于等于5，所述定子极数为电机相数的整数倍，且两者不相等，电机相数M和电机定子极数N之间关系为：N=K×M，K=2,3,4,5,6…，M为电机相数。所述电机转子极数H=K×0.5(M+1) 且为偶数，其中，K=2,3,4,5,6…，M为电机相数。所述定转子含有非导磁材料，可通过非导磁材料密度改变转子特性。

一种用于控制上述电机的控制电路，包括多个桥臂，每个桥臂直接连接在电源母线或直流母线上，每个桥臂上的两个器件之间由导线和电机绕组的一端相连，一个桥臂引出两条导线，相邻两桥臂间连接一绕组，相应电机控制主电路的桥臂个数与电机相数相同。所述控制电路中包括两种桥臂，一种桥臂由两个相互串联的可控开关管构成，这种桥臂在主电路中共有两个，其间连接电流可逆相；另一种桥臂由相互串联的一个可控开关器件和一个二极管构成，这种桥臂连接剩余的单向电流相。进一步的，由一个可控制开关管和一个二极管串联组成的桥臂中，二极管正极与母线低电压端相连，或者负极与母线高电压端相连。

一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机系统，包括上述无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机和控制电路。

本发明的有益效果是：

1.电机转子采用分块式结构时，节约了导磁材料用量，减小了电机材料成本，定转子中的非导磁材料也可以减少电机的整体密度。

2.定子采用分块式铁芯且定子绕组为集中绕组，在端部无交叠，端部用铜量小，可靠性高，同时采用矩形截面铜线，可以极大提高槽满率、降低铜耗。

3.电机的定子无轭部，主磁通仅由内外转子与定子铁芯，气隙组成，铁耗与涡流损耗相较于传统电机大大减小，提高了效率，减小了维护成本，有利于长期运行。同时，无轭部的定子结构大大减小了制造定子结构时的用铁量，减小了电机整体的体积，提高了电机的力密度。

4.定子仅仅只有齿结构，且磁场只沿着齿部方向，磁场方向定向，可采用取向硅钢材料，提高电机性能。

5.相邻两相耦合导通，输出转矩利用了两相间的自感和互感，增加了电机各相的导通时间和绕组利用率，提高了各相电机输出转矩的范围，减小转矩脉动的同时，增加了电机的功率密度和转矩密度。

6.电机的多相数使得输出电流与输出转矩脉动小，动态特性好。

7. 驱动拓扑结构简单，与电机连接数少，采用的全压式桥式电路，相较于传统控制方式而言，不仅减小了平均每相的开关管数目，控制成本小，而且每相导通时绕组承受电源的全电压，提高了电源的利用效率。

附图说明

图1（a）为本发明的一种7相定转子极数比14/8，转子叠压铁芯采用U形的无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机开关磁阻电机的整体结构图；

图1（b）为本发明的一种5相定转子极数比10/6，转子叠压铁芯采用U形的无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机开关磁阻电机的整体结构图；

图2为无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机定子的导磁桥形式连接方式示意图；

图3为无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机在转子采用整体导磁铁芯时的主要结构图；

图4为一种7相定转子极数比14/8，转子叠压铁芯采用U形的无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机在任意相邻两相通电运行时的主磁通回路图；

图5为一种7相定转子极数比14/8，转子叠压铁芯采用U形的无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机在相邻四相通电运行时内部整体的磁通回路图；

图6为本发明的一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机的控制主电路拓扑结构与电机绕组连线的结构示意图；

图7是本发明的一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机的转子分块式导磁材料的结构示意图；

图8为一种7相定转子极数比14/8，转子叠压铁芯采用U形的无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机在一个电周期内的静态转矩仿真示意图；

图9为一种7相定转子极数比14/8，转子叠压铁芯采用U形的无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机在转速1500rpm时一个电周期内的输出转矩；

其中，1-轴承 2-内转子铁芯 3-定子铁芯 4-外转子铁芯 5-转子非导磁结构 6-绕组 7-定转子间气隙 8-定子非导磁结构

具体实施方式

无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机是一个多相电机，该电机定子极数N为偶数，电机相数为M，电机相数和电机定子极数关系为：N=K×M，K=2,3,4,5,6…，其中电机相数

5且为奇数。转子极数H=K×0.5(M+1) , K=2,3,4,5,6…，无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机的一种控制主电路包括若干个桥臂，桥臂是由两个相互串联的可控开关器件或一个可控开关器件串联一个二极管器件组成，桥臂直接连接在电源母线或直流母线上。电机控制主电路的桥臂个数W与相应电机相数M的关系为：W=M，其中至多W－2个桥臂由一个可控开关器件和一个二极管串联组成，二极管方向为正极与母线低电压端相连，或者负极与母线高电压端相连；至少两个桥臂由两个可控开关器件串联组成。每个桥臂上的两个器件中点与电机相绕组的一端通过导线相连，一个桥臂引出两条导线，两个桥臂间连接一相绕组。若某一桥臂通过可控开关器件与母线高压端相连，通过二极管与母线低压端相连，则该桥臂为电流输入桥臂（B2、D4、F6）；若某一桥臂通过二极管与母线高压端相连，通过可控开关器件与母线低压端相连，则该桥臂为电流输出桥臂（C3、F6）；若某一桥臂通过可控开关器件与母线高压端相连，同样通过可控开关器件与母线低压端相连，则该桥臂为电流可逆桥臂（A1、G7）。两个电流可逆桥臂在两侧，中间交替排列着两种单向电流的输入输出桥臂，使得相邻两相绕组导通时的电流与相应规定正方向的对应方向不一致，即不能同时为正或同时为负。在电机运行时，根据电机定转子的相对位置来决定给其中某相邻两相通电。两相通电电流大小相等，形成的磁场相互串联，即通电的两相产生的主磁通沿相同的路径形成回路，在回路中通电的两相产生的主磁场方向相同，电机的一个通电周期由M个部分组成。如果按转子旋转机械角度来计算，一个通电周期的M个部分中的每一部分的范围为：360/(M×H) ≤θ≤360/(2N)。

本发明以7相的短端部绕线的无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机为例进行介绍。该电机由7相组成，为14/8极集中绕组双转子分块式结构。

如图1所示，该电机定子由铁芯3，线圈绕组6组成。定子铁芯嵌装于定子非导磁结构8上并通过其固定，或者通过隔磁桥（图2）将其连接起来。转轴1安装于转子非导磁结构5的中心，内转子铁芯2嵌装在非导磁结构5上形成转子，转子采用分块式U型结构，也可采用整体导磁铁芯结构（图3）。电机内转子最大外径小于定子内径，定子最大外径小于外转子内径，从而形成气隙7。励磁绕组6分别缠绕于相应定子齿上，励磁绕组分别为A、B、C、D、E、F、G。所有励磁绕组缠绕在定子齿上时绕线方式不固定但是方向均相同，具体分组方式见图1。

由图4，任意相邻两相通电时，主磁路由定子铁芯，内外转子及定转子间的气隙组成。相较于一般的开关磁阻电机而言，所述电机去除了定子轭部，其优点显而易见。消除轭部使得磁路中的漏磁相比于有轭部时减小，铁耗与涡流损耗也都有所减小，从而提高电机效率，同时也节省了大部分的定子制造材料，减小了成本。电机在运行过程中有可能出现四相同时导通的情况，由图5可以看出在四相同时导通时电机内部的磁通回路情况。

图6为7相无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机结构及其一种控制主电路与电机绕组连接示意图。该电机由A、B、C、D、E、F、G七相组成，图中标出了各相绕组的同名端参考方向，当电流从参考方向流入即为正方向，电流不是从参考方向流入即为负方向。为保证电机相邻两相通电励磁时电流大小相等且形成的磁场相互串联，即在回路中通电的两相产生的主磁场方向相同以及主磁通沿相同的路径形成回路，则图中相邻两相电流不能均为正方向，必为一正一负。为保证电机相邻两相通电励磁时电流大小相等且电流方向一正一负，同时尽可能减少可控开关管的数量，因此采用图6所示的控制主电路，并与电机各相绕组相连。相邻两相通电组合有AB、BC、CD、DE、EF、FG、GA，即电机一个通电周期由7部分组成。7个导电时间段也可以用电机运行角度表示。从图6中可以看出，电机7相的各相电流方向有A+、A-、B+、C-、D+、E-、F+、G-八种情况，相邻两相电流必为一正一负，所以相邻两相通电组合有A-B+、B+C-、C-D+、D+E-、E-F+、F+G-、G-A+。如电机转子逆时针旋转，则电机导通次序依次为E-F+、G-A+、B+C-、D+E-、F+G-、A-B+、C-D+、；如电机转子顺时针旋转，则电机导通次序依次为B+C-、G-A+、E-F+、C-D+、A-B+、F+G-、D+E-。即相邻两相通电后，下一阶段导通的相为与该两相相邻的另外两相。相邻两相绕组流过电流方向不能同时为正或同时为负。

图7（a）、（b）所示为电机转子的两种分块式导磁材料结构示意图。这两种转子分块式导磁材料结构可分为类扇形和“U”型结构。类扇形结构如图7（a）所示，2-A采用类扇形结构，其中“T”形2-A-1起到固定类扇形和转子非导磁材料的作用。“U”型结构如图7（b）所示，每个“U”型结构导磁材料由两个导磁齿2-B-1、2-B-2和“U”型导磁结构的轭部2-B组成，其中两个导磁齿2-B-1、2-B-2径向中线2b-1、2b-2的弧度距离与对应的两相邻定子齿径向中线的弧度距离相同。该电机的转子分块式导磁材料个数，即转子极数H，与电机相数M之间的关系为：

。此时电机定子极数

为：N=K×M，K=2,3,4,5,6…。

在有限元仿真下，电机绕组匝数为56匝，静态转矩输入电流为20A。内转子外径124mm，内气隙0.5mm，定子外径184.78mm，外转子外径239.28mm，外气隙0.495mm。图8为电机旋转一个电周期内的静态转矩图，从图中可以看出，如果给开关器件设置合适的开通关断角，电机可以持续输出正转矩。

若要控制电机持续稳定运行，应该采取本发明所提供的控制方式，即为保证电机相邻两相通电时产生的主磁场方向相同，形成的磁场相互串联，则相邻两相电流必须一正一负。相邻两相通电后，下一阶段导通的相为与该两相相邻的另外两相，如需电机逆时针旋转则通电顺序按逆时针方向，反之则为顺时针方向。若以逆时针为电机旋转正方向，输出转矩正为驱动方向，负为制动方向。图9为电机在1500rpm时的输出转矩波形图。从图9中可以看出，电机在较高速旋转时，依然可以持续输出正转矩，从而持续正向转动。

Claims (10)

1.一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机，其包括电机定子和电机双转子，定子包括定子铁芯、绕组与非导磁连接结构；转子可采用分块式结构，其包括转子叠压铁芯和非导磁框架；也可以采用非分块式结构，此时转子可由整体的导磁铁芯组成；定子由均匀分布的含有绕组线圈的多个定子齿组成并以非导磁结构或直接通过隔磁桥形式连接，集中式分布的定子绕组缠绕于定子齿上；转子采用分块式结构时，内转子叠压铁芯均匀分布于定子齿内侧，内嵌于非导磁框架内部，非导磁框架的中心处设置有转轴；而外转子铁芯均匀分布在定子齿外侧，并与内转子关于定子齿对称或错开一段距离；在电机运行过程中，相邻两相同时导通形成磁通回路；电机的磁通路径是由相邻两相定子齿、内外转子叠压铁芯（或内外转子齿）与气隙共同组成；转子采用分块式结构时转子叠压铁芯采用类扇形或U形结构。

2.如权利要求1所述的一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机，其特征是：定子无轭部，使其连接可用非导磁结构或隔磁桥形式。

3.如权利要求1所述的一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机，其特征是：转子为U形或扇形的分块结构，或整体为导磁铁芯的非分块式结构。

4.如权利要求1所述的一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机，其特征是：定子铁芯采用分块式铁芯嵌装于非导磁结构中连接或使用硅钢片连接，采用集中绕组。

5.如权利要求1所述的一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机，其特征是：输出转矩由各相自感和相邻相互感产生，通过互感输出转矩可提高各相导通区间，增加绕组利用率。

6.如权利要求1所述的一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机，其特征是：任意相邻两相通电时，主磁通由定子铁芯，内外转子及定转子间的气隙组成；定子无轭部，磁场沿定子齿方向无拐向，可采用单向导磁材料如取向硅材料。

7.如权利要求1所述的一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机，其特征是：所述定子极数为电机相数的整数倍，且两者并不相同；所述电机转子极数H为偶数，H=K×(M+1)/2，其中，K=2,3,4,5,6⋯，M为电机相数。

8.一种用于控制如权利要求1-7中任一项所述电机的控制电路，其特征是：包括多个桥臂，每个桥臂直接连接在电源母线或直流母线上，每个桥臂上的两个器件之间由导线引出和电机绕组的一端相连，相应电机控制主电路的桥臂个数与电机相数相同，有一种桥臂包括两个相互串联的可控开关管，其他桥臂包括相互串联的一个可控开关器件和一个二极管。

9.如权利要求8所述的控制电路，其特征是：一种桥臂包括两个相互串联的可控开关器件，这种桥臂有两个，其间连接电流可逆相；另一种桥臂包括相互串联的一个可控开关器件和一个二极管，这种桥臂连接剩余的单向电流相；进一步的，由一个可控开关器件和一个二极管串联组成的桥臂中，二极管正极与母线低电压端相连，或者负极与母线高电压端相连。

10.一种无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机系统，其包括如权利要求1-7中任一所述的无轭部相邻定子齿间通磁型双转子开关磁阻电机和如权利要求8-9中任一所述的控制电路。

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