CN112054643A - 一种无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机，其包括定子和轴向双侧转子，电机定子由多个均匀分布的定子齿组成，并以非导磁结构连接，定子绕组沿径向绕于定子齿。转子采用分块式或非分块式结构。采用分块式结构时，转子由U型叠压铁芯和非导磁框架组成，其均匀分布在定子齿的轴向两侧，内嵌于非导磁框架内部；采用非分块式结构时，转子由整体的导磁铁芯组成。本发明所提电机相邻通电两相存在耦合，其不仅可缩短电机磁通路径长度，降低电机损耗、体积和成本，而且可增加各相导通时间，提高绕组利用率，减小转矩脉动，增大电机功率密度、转矩密度；同时轴向双侧的转子结构也可有效避免单边磁拉力，降低运行噪音，提高电机运行稳定性。

Description

一种无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机

技术领域

本发明提出了一种无定子轭部的相间耦合式轴向磁通磁阻电机。

背景技术

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，是目前最有前途的驱动电机。

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。

传统的径向磁通电机，定子绕组嵌入定子铁芯槽内，其齿槽效应会导致电机旋转时有较大的转矩脉动和涡流损耗，不仅降低了电机的动态响应速度而且会产生较大的振动和噪音。随着越来越多应用行业对电机性能要求的进一步提高，传统的径向磁通电机已不能满足行业需要，一种轴向磁通电机凭借其结构简单、体积小、重量轻、效率高等优势吸引了大量研究人员的广泛关注。

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。如果在磁阻电机中采用取向硅钢材料，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，降低电机控制器的成本和转矩波动，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，提出了一种无定子轭部相间合式轴向磁通磁阻电机。在传统开关磁阻电机的基础上，本发明采用无定子轭部的定子结构与双短齿极的U型转子来改变电机磁路路径，其不仅节省了电机材料而且缩短了磁通路径，可极大降低电机损耗和电机体积，从而提高电机的效率和功率密度。同时为了简化电机的控制回路增强电机运行时的容错能力，本电机采用相邻两相同时导通方式进行供电，即通过短齿极的转子与短端部的定子齿极构成短磁路回路；此时电机的磁通路径更短，且相邻导通相之间存在耦合，使绕组导通区间增大，电机输出转矩更大，转矩脉动更小，绕组利用率更高，大大提高了电机可靠性。另外该电机定子磁场无拐向，而且与传统无取向硅钢材料径向磁通电机相比，本发明电机可采用的取向硅钢材料，可增强导磁能力，极大减小电机损耗；轴向磁通电机也比传统径向磁通电机结构更加紧凑，可进一步降低了电机的体积，提高电机的功率密度。

为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种无定子轭部相间合式轴向磁通磁阻电机，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或非分块式结构，当转子采用分块式结构时，其包括转子叠压铁芯和非导磁框架，当采用非分块式转子结构时，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，集中式分布的定子绕组沿径向缠绕于定子齿上，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，其均匀分布在定子齿的轴向两侧，内嵌于非导磁框架内部，并将转轴设置于非导磁框架的中心处。在电机正常运行过程中，电机相邻两相同时导通，电机的磁通路径由相邻两相定子齿和轴向两侧转子叠压铁芯与定转子之间的轴向气隙共同组成。

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、轴向两侧的转子铁芯以及定转子铁芯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产生输出转矩，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。电机的定子结构中去除了定子轭部，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；与此同时，轴向的主磁通进一步减小了电机的径向体积，提高了电机的功率密度。

所述电机相数为奇数且大于等于5，所述电机定子极数为电机相数的整数倍，且两者不相等，电机相数和电机定子极数关系为N=K×M，K=2,3,4,5,6…M为电机相数。所述电机转子极数为偶数，H=K×0.5(M+1)，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。所述电机定子磁通沿轴向且定向，因此不仅可选用无取向硅钢材料制作电机定子，也可采用取向硅钢材料制造。

本发明的有益成果是：

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，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；

2.电机的定子无轭部，主磁通仅由转子与定子铁芯、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，降低了维护成本，有利于电机长期运行。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；

3.定子无定子轭部且定子磁通始终沿轴向，定子可采用取向硅钢材料，可极大降低电机损耗，提高电机性能；

4.所提电机相邻两相耦合导通，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，在减小转矩脉动的同时，增大了电机的功率密度和转矩密度；

5.电机的磁通路径短，铁耗小，效率更高；

6.轴向的主磁通可以减小电机的径向尺寸，进一步减小电机的整体体积，提高电机的功率密度，同时轴向双侧的转子结构避免了单边磁拉力，降低了运行噪音，提高了电机运行的稳定性；

7.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。

附图说明

图1为本发明的一种七相定转子极数比14/8的无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机的定子结构图；

图2为无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机定子的隔磁桥形式连接方式示意图；

图3（a）为本发明的一种七相定转子极数比14/8，转子叠压铁芯采用U形分块式结构的无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机的转子结构平面图；

图3（b）为本发明的一种七相定转子极数比14/8，转子叠压铁芯采用U形分块式结构的无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机的转子结构三维图；

图4为无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机在转子采用整体导磁铁芯时的转子结构图；

图5（a）为本发明的一种七相定转子极数比14/8，转子叠压铁芯采用U形的无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机的整体结构图；

图5（b）为本发明的一种五相定转子极数比10/6，转子叠压铁芯采用U形的无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机的整体结构图；

图6是本发明的一种无定子轭部相邻相间耦合式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7为七相定转子极数比14/8，转子叠压铁芯采用U形的无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机在相邻两相通电运行时的磁通回路图；

图8为七相定转子极数比14/8，转子叠压铁芯采用U形的无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机在相邻四相通电运行时内部整体的磁密云图；

其中，1-轴承 2-定子极铁芯 3-绕组 4-定子非导磁结构 5-隔磁桥 6-转子非导磁结构 7-转子铁芯 8-定转子铁芯间的气隙。

具体实施方式

无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机是一个多相电机，该电机定子极数为偶数，电机相数为M，电机定子极数为N，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M≥5且为奇数，转子极数H=K×(M+1)/2。

本发明以7相定转子极数比14/8的无定子轭部相间耦合式轴向磁通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，该电机定子结构由铁芯2，线圈绕组3组成，线圈绕组分别缠绕于相应定子齿上，其分相分别表示为A、B、C、D、E、F、G, 所有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，定子铁芯嵌装于定子非导磁结构4上并通过其固定，或者通过如图2所示的隔磁桥5将其连接起来；如图3（a）所示的转子结构中，转轴1安装于转子非导磁结构6的中心，转子铁芯7嵌装在非导磁结构6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如图4所示；最终的电机结构如图5所示，图5（a）为七相无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机的整体结构，图5（b）为五相无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机的整体结构，其中，电机的定转子铁芯之间沿轴向错开一小段距离，从而形成了气隙8。

图6（a）、图6（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6（a）所示，2-A采用类扇形结构，其中到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6（b）所示，每个U型结构导磁材料分为两个导磁齿2-B-1,2-B-2和导磁U型结构的轭部2-B组成，其中两导磁齿2-B-1,2-B-2的齿的径向中线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H=K×(M+1)/2；此时电机定子极数N为：N=K×M；K=2,3,4,5,6⋯

本发明的控制方法是：通电相根据电机定转子的相对位置确定，相邻两相通电使得两绕组单元的两极定子铁芯内形成的磁场互相串联，两极形成的主磁场方向相同，磁场通过导通相的两极定子铁芯、轴向双侧的转子铁芯、定转子铁芯之间的轴向气隙形成主磁通回路，如图7所示为本发明的一种七相定转子极数比14/8，转子叠压铁芯采用U形的无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机在任意两相导通时的磁通回路图，由图7可知，无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机的主磁通回路相比一般开关磁阻直线电机的磁路更短，且电机无定子轭部结构，电机的漏磁、铁耗与涡流损耗均明显减少，在提高电机效率的同时，也节省了大部分的定子制造材料，降低了电机成本。电机在运行过程中有可能出现四相同时导通的情况，图8所示为七相定转子极数比14/8，转子叠压铁芯采用U形的无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机在相邻四相通电运行时内部整体的磁密云图；同时，由于绕组一经给定排列后已经固定，只要处于导通状态，则定子铁芯中的磁通方向就始终处于轴向，这种特性使得分块式的定子铁芯可采用取向硅钢材料，相对于无取向的硅钢材料，其强磁性和低铁耗性的特点会大大减小电机损耗和体积。另外，轴向的磁场可以减小电机的径向体积，使得电机的结构更加紧凑，提高电机整体的功率密度，且本发明中双面气隙的结构可以平衡电机的轴向磁拉力，克服了轴向磁场电机单边磁拉力过大的问题。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，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。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但是并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机，其包括电机定子和电机轴向双侧转子，电机定子包括定子铁芯、绕组与非导磁连接结构或隔磁桥，且定子铁芯可采用取向硅钢材料；转子可采用分块式结构或非分块式结构，当转子采用分块式结构时，其包括转子叠压铁芯和非导磁框架，当转子采用非分块式结构时，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或直接通过隔磁桥形式连接，集中式分布的定子绕组沿径向缠绕于定子齿上，转子采用分块式结构时，转子叠压铁芯可采用类扇形或U形结构，其均匀分布于定子齿的轴向两侧，内嵌于非导磁框架内部，并将转轴设置于非导磁框架的中心处；在电机的运行过程中，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和两侧的转子叠压铁芯与定转子铁芯之间的气隙共同组成。

2.如权利要求1所述的一种无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机，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；所述电机转子极数为偶数，H=K×(M+1)/2，其中，K=2,3,4,5,6⋯，M为电机相数。

3.如权利要求1所述的一种无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机，其特征是：定子无轭部，其连接可用非导磁结构或隔磁桥形式。

4.如权利要求1所述的一种无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机，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。

5.如权利要求1所述的一种无定子轭部相间耦合轴向磁通磁阻电机，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所述的一种无定子轭部相间耦合轴向磁通磁阻电机，其特征是：所提电机属于轴向磁场电机，通电相根据电机定转子的相对位置确定，相邻两相通电使得两绕组单元的两极定子铁芯内形成的磁场互相串联，两极形成的主磁场方向相同，磁场通过导通相的两极定子铁芯、轴向双侧的转子铁芯、定转子铁芯的轴向气隙形成主磁通回路。

7.如权利要求1所述的一种无定子轭部相间耦合轴向磁通磁阻电机，其特征是：采用双边转子与单定子的夹层结构进而形成双面气隙。

8.一种无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机的定子结构，其特征是：包括如权利要求1所述嵌装于非导磁结构中连接或使用硅钢片连接的均匀分布的定子齿，磁场沿定子齿方向无拐向，因此电机定子不仅可用无取向硅钢材料制造，也可采用单向导磁材料如取向硅材料制作。

9.一种无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机系统，其包括如权利要求1-8中任一所述的无定子轭部相间耦合式轴向磁通磁阻电机和适用于权利要求6中控制方法的控制电路。

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