CN113659748A - 一种交流磁阻电机 - Google Patents

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李运忠
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Abstract

本发明属于电机领域，公开了一种交流磁阻电机，包含定子铁芯、分布式绕组和转子铁芯，定子铁芯按交流异步电机的定子铁芯结构形式设置定子齿和定子槽，定子槽为半闭口槽，定子齿朝向定子铁芯轴心的端面中间部分为齿顶，两侧部分为齿翼，齿翼与定子铁芯轴心的距离大于齿顶与定子铁芯轴心的距离；分布式绕组按交流异步电机的绕组布置方式安装在定子槽内，转子铁芯按开关磁阻电机的转子铁芯结构形式设置转子凸极和转子槽，转子凸极数量、转子槽数量与分布式绕组励磁形成的磁极数量的两倍相等。本发明创造了交流磁阻电机，相比开关磁阻电机，实现了三相交流通电，提高了功率密度；相比交流异步电机，实现了磁阻启动，降低了启动电流。

Description

一种交流磁阻电机
技术领域
本发明涉及电机领域，尤其涉及一种交流磁阻电机。
背景技术
开关磁阻电机的通电方式是各相绕组轮流单独通电，各相不能同时通电，因而功率密度较小；开关磁阻电机的工作原理是利用磁阻变小产生正向转矩，不产生感应电流，因而启动电流较小。
交流异步电机的通电方式是各相绕组交流组合通电，各相能够同时通电，因而功率密度较高；交流异步电机的工作原理是利用感应电流产生正向转矩，工作全过程产生感应电流，刚启动时转差率最大感应电流最大，因而启动电流较高。
常规开关磁阻电机定子铁芯常设计为开口槽，便于安装绕组，但同时导致绕组难以固定，需要宽度较大较厚的槽楔辅助固定，普遍认为简化了绕组安装工艺，但实际操作过程并不是如此，而异步电机定子铁芯为半闭口槽，绕组安装后仅需比槽口略大的槽楔来辅助固定，甚至可省略槽楔直接由绝缘纸固定，实际工艺更加简单，成本更低。
开关磁阻电机和交流异步电机性能上各有优缺点，能否将两种电机的优势结合，弥补不足，是现有技术急需解决的问题。
发明内容
为了改进现有技术的不足，本发明的目的是提供一种交流磁阻电机，通过采用交流异步电机定子和开关磁阻电机转子结合设计，开创了一种新的电机，即交流磁阻电机，电机既能保证较高的功率密度，又能保证较低的启动电流。
本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是：
一种交流磁阻电机，包括定子铁芯、分布式绕组和转子铁芯，所述定子铁芯按交流异步电机的定子铁芯结构形式设置定子齿和定子槽，即所述定子槽设置为半闭口槽，所述定子齿朝向定子铁芯轴心的端面中间部分为齿顶，两侧部分为齿翼，所述齿翼与定子铁芯轴心的距离大于所述齿顶与定子铁芯轴心的距离，进而使定子铁芯和转子铁芯之间形成阶梯气隙；所述分布式绕组按交流异步电机的绕组布置方式安装在定子槽内，所述转子铁芯按开关磁阻电机的转子铁芯结构形式设置转子凸极和转子槽，所述转子凸极数量、转子槽数量与所述分布式绕组励磁形成的磁极数量的两倍相等。
优选地，所述定子铁芯齿数和槽数均等于分布式绕组数与励磁极数的乘积，即同一相的分布式绕组的同一极线圈的边数为1个，对应安装的槽数为1个。
优选地，所述转子凸极远离转子铁芯轴心的端面为极顶，所述转子凸极的极顶的周向宽度均大于或等于所述定子铁芯的齿顶的周向宽度、且小于或等于1.2倍的齿顶周向宽度。
本发明交流磁阻电机的工作原理是：分布式绕组通以交流电，定子齿励磁为旋转磁场形成旋转磁极，转子凸极被定子磁极吸引，并有对齐趋势使磁路磁阻最小，进而产生转矩，在旋转磁场的作用下，转子凸极跟随定子磁极旋转。在启动阶段某一瞬时，转差率还很大，定子磁极可能在转子凸极的后方靠近转子凸极，则此时转子旋转方向与定子旋转磁场方向相反，但很快，定子磁极旋转至转子凸极的前方靠近转子凸极，则此时转子旋转方向与定子旋转磁场方向相同，当定子旋转磁极与转子凸极的吸引力大于负载时，定子旋转磁极与转子凸极将保持相对固定的前后位置，则此时转子凸极将跟随定子磁极旋转，最后实现同步转速。定子磁极和转子旋转过程中，定子磁极旋转至定子铁芯的当前定子齿，当前转子凸极正在趋向于与该当前定子齿对齐，而同时磁极将旋转至下一定子齿，下一转子凸极将与下一定子齿对齐，使齿间转矩传递连续，实现跟随旋转；本发明设置齿翼，转子凸极与定子齿对齐过程中形成阶梯气隙，进而形成阶梯磁阻，从而改善转矩脉动。
本发明由于转子的结构采用开关磁阻电机转子的结构，在启动时，不产生感应电流，因此使得本发明的启动电流较小；在工作过程中，各相绕组交流组合通电，各相能够同时通电，因而能保留功率密度较高的优点。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明通过结合交流异步电机定子结构和开关磁阻电机转子结构，通过设置齿翼形成阶梯气隙，改善磁阻电机转矩脉动，并通过设置分布式绕组采用交流励磁形成旋转磁场，并设置同一相同一极线圈边数为1个，从而形成逐齿变换励磁磁极的旋转磁场，创造了交流磁阻电机，相比开关磁阻电机，实现了三相交流通电，提高了功率密度；相比交流异步电机，实现了磁阻启动，降低了启动电流。本发明的交流磁阻电机可直接接交流电源启动，也可使用交流变频器变频启动。
2、通过采用半闭口槽的定子铁芯，简化了生产工艺和降低了材料成本，并设置齿翼使定子铁芯和转子铁芯之间形成阶梯气隙改善转矩脉动。
附图说明
图1是本发明实施例1的一种交流磁阻电机的结构示意图。
图2是本发明实施例1的一种交流磁阻电机的定子铁芯结构示意图。
图3是本发明实施例1的一种交流磁阻电机的转子铁芯结构示意图。
图中标记的含义是：10-定子铁芯，11-定子齿，11a-齿顶，11b-齿翼，12-定子槽，20-A相分布式绕组，30-B相分布式绕组，40-C相分布式绕组，50-转子铁芯，51-转子凸极，51a-极顶，52-转子槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过具体实施例并结合附图1-3，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种交流磁阻电机，包括定子铁芯10、分布式绕组和转子铁芯40，所述定子铁芯10按交流异步电机的定子铁芯10结构形式设置定子齿11和定子槽12，即所述定子槽12设置为半闭口槽，所述定子齿11朝向定子铁芯10轴心的端面中间部分为齿顶11a，两侧部分为齿翼11b，所述齿翼11b与定子铁芯10轴心的距离大于所述齿顶11a与定子铁芯10轴心的距离，进而使定子铁芯10和转子铁芯40之间形成阶梯气隙；所述分布式绕组按交流异步电机的绕组布置方式安装在定子槽12内，所述转子铁芯40按开关磁阻电机的转子铁芯40结构形式设置转子凸极51和转子槽52，所述转子凸极51数量、转子槽52数量与所述分布式绕组励磁形成的磁极数量的两倍相等。
本发明该设计的电机区别于现有的异步电机、同步磁阻电机、永磁同步电机。现有的异步电机、同步磁阻电机、永磁同步电机均没有转子槽52，现有开关磁阻电机均为集中式绕组。现有异步电机、同步磁阻电机、永磁同步电机原理上为保证通磁效率，转子外圆必须为整圆，转子上不允许设置转子槽。
通过该定子和转子结构的设置，在启动时，转子不产生感应电流，因此使得本发明的启动电流较小；在工作过程中，各相绕组交流组合通电，各相能够同时通电，因而能保留功率密度较高的优点。
通过齿翼11b的设置，使得转子凸极51与定子齿齿顶11a之间的气隙为阶梯气隙，即形成阶梯磁阻，旋转磁场在定子铁芯10上逐齿旋转，转子凸极51跟随旋转磁场与定子铁芯10磁极逐齿对齐，对齐过程中形成阶梯变化磁阻，磁阻波动更小，转矩脉动更小，使电机运行噪音更小。齿翼11b加宽定子齿11朝向定子铁芯10轴心的端面的周向宽度，在定子磁极和转子凸极51旋转过程中，定子磁极旋转至定子铁芯10的当前定子齿11，当前转子凸极极顶51a正在趋向与该当前定子齿11对齐，而同时定子磁极将旋转至下一定子齿11，设置齿翼11b后，加宽定子齿11端面的周向宽度，下一转子凸极51可同时趋向下一定子齿11对齐，使齿间转矩传递连续，实现跟随旋转。
在一些优选的实施例中，定子铁芯10齿数和槽数均等于分布式绕组数与励磁极数的乘积，即同一相的分布式绕组的同一极线圈的边数为1个，对应安装的槽数为1个。同一相分布式绕组同一极线圈边数为1个，使定子铁芯10励磁后同一极磁化的最大齿数为2个、最小齿数为1个，最大磁化齿数与最小磁化齿数比值最小，便于定子齿11设置阶梯气隙，磁极转化齿数跨度小，气隙值跨度也小，使最大气隙也能设置成较小的合理值。而现有的异步电机原理上需要一定的转差率才能保证励磁磁极变换旋转时切割转子导体，同时由于定子槽12数大于转子导体数，因此现有的异步电机同一相分布式绕组同一极线圈边数均大于1个，与本发明存在本质不同。
在一些优选的实施例中，所述转子凸极51远离转子铁芯40轴心的端面为极顶51a，转子凸极51的极顶51a的周向宽度均大于或等于定子齿11的齿顶11a的周向宽度、且小于或等于1.2倍的齿顶11a的周向宽度。
实施例1
参见图1，示出了一种交流磁阻电机的定转子结构示意图，该电机包括定子铁芯10、分布式绕组和转子铁芯40，继续参考图2，定子铁芯10按交流异步电机的定子铁芯10结构形式设置定子齿11和定子槽12，即定子槽12设置为半闭口槽，定子齿11朝向定子铁芯10轴心的端面中间部分为齿顶11a，两侧部分为齿翼11b，齿翼11b与定子铁芯10轴心的距离大于齿顶11a与定子铁芯10轴心的距离，进而使定子铁芯10和转子铁芯40之间形成阶梯气隙。分布式绕组按交流异步电机的绕组布置方式安装在定子铁芯10的定子槽12内，本实施例中设为3相，包括A相分布式绕组20，B相分布式绕组30，C相分布式绕组40，3相分布式绕组通电后励磁形成4个定子磁极。继续参见图3，转子铁芯40按开关磁阻电机的转子铁芯40结构形式设置转子凸极51和转子槽52，转子凸极51为常规的矩形凸极，转子凸极51数量、转子槽52数量与所述分布式绕组励磁形成的磁极数量的两倍相等，即转子凸极51数量、转子槽52数量均为8个；
定子齿11齿数和定子槽12槽数均等于分布式绕组数与励磁极数的乘积，即同一相的分布式绕组的同一极线圈的边数为1个，对应安装的槽数为1个，定子齿11齿数和定子槽12槽数均等于12个。
本实施例中，三相分布式绕组，两相有电流一相无电流励磁磁极为两齿，三相有电流励磁磁极为一齿，两相有电流一相无电流为瞬时状态，其余时间均为三相有电流为长时状态，因此励磁磁极相当于逐齿变换逐齿旋转，同一相分布式绕组同一极线圈边数为1个是实现励磁磁极逐齿变换逐齿旋转的必要条件，同时也是最优条件。因此，本实施例的电机区别于现有的异步电机、同步磁阻电机、永磁同步电机。
转子凸极51远离转子铁芯40轴心的端面为极顶51a，所述转子凸极51的极顶51a的周向宽度均大于或等于定子齿11的齿顶11a的周向宽度、且小于或等于1.2倍的齿顶11a的周向宽度。本实施例优选转子凸极51的极顶51a的周向宽度均等于定子齿11的齿顶11a的周向宽度。
该交流磁阻电机的工作原理：分布式绕组通以交流电，定子齿11励磁为旋转磁场形成旋转磁极，转子凸极51被定子磁极吸引，并有对齐趋势使磁路磁阻最小，进而产生转矩，在旋转磁场的作用下，转子凸极51跟随定子磁极旋转。在启动阶段某一瞬时，转差率还很大，定子磁极可能在转子凸极51的后方靠近转子凸极51，则此时转子旋转方向与定子旋转磁场方向相反，但很快，定子磁极旋转至转子凸极51的前方靠近转子凸极51，则此时转子旋转方向与定子旋转磁场方向相同，当定子旋转磁极与转子凸极51的吸引力大于负载时，定子旋转磁极与转子凸极51将保持相对固定的前后位置，则此时转子凸极51将跟随定子磁极旋转，最后实现同步转速。定子磁极和转子旋转过程中，定子磁极旋转至定子铁芯10的当前定子齿11，当前转子凸极51极顶51a正在趋向于与该当前定子齿11对齐，而同时磁极将旋转至下一定子齿11，故本发明设置齿翼11b，增加定子齿11端面的周向宽度，下一转子凸极51可同时趋向下一定子齿11对齐，使定子齿11间转矩传递连续，实现跟随旋转。
任何发明创造均是通过对现有技术的运用和组合以创造出新的事物，对于众多技术问题的主次判断，以及对于众多技术手段的运用组合，是存在无限可能的，以上所述仅是本发明优选的实施方式的描述，应当指出由于文字表达的有限性，而在客观上存在无限的具体结构，对于本领域普通的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种交流磁阻电机，其特征在于：所述交流磁阻电机包括定子铁芯、分布式绕组和转子铁芯，所述定子铁芯按交流异步电机的定子铁芯结构形式设置定子齿和定子槽，即所述定子槽设置为半闭口槽，所述定子齿朝向定子铁芯轴心的端面中间部分为齿顶，两侧部分为齿翼，所述齿翼与定子铁芯轴心的距离大于所述齿顶与定子铁芯轴心的距离，进而使定子铁芯和转子铁芯之间形成阶梯气隙；所述分布式绕组按交流异步电机的绕组布置方式安装在定子槽内，所述转子铁芯按开关磁阻电机的转子铁芯结构形式设置转子凸极和转子槽，所述转子凸极数量、转子槽数量与所述分布式绕组励磁形成的磁极数量的两倍相等。
2.根据权利要求1所述的一种交流磁阻电机，其特征在于：所述定子齿齿数和定子槽槽数均等于分布式绕组数与励磁极数的乘积，即同一相的分布式绕组的同一极线圈的边数为1个，对应安装的槽数为1个。
3.根据权利要求1所述的一种交流磁阻电机，其特征在于：所述转子凸极远离转子铁芯轴心的端面为极顶，所述转子凸极的极顶的周向宽度均大于或等于所述定子齿的齿顶的周向宽度、且小于或等于1.2倍的齿顶的周向宽度。
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