CN114421728B - 模块化定子非晶合金磁阻电机、系统以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化定子非晶合金磁阻电机、系统以及控制方法，模块化定子非晶合金磁阻电机包括：模块化定子铁心、电枢绕组和转子铁心；所述模块化定子铁心包括多个独立且对称的U型定子铁心单元，且U型定子铁心单元凸极齿朝向气隙，U型定子铁心单元由非晶合金材料卷叠制成；所述电枢绕组放置于模块化定子铁心上。本发明通过采用分离的U型定子铁心单元构成电机定子，每个独立的U型定子铁心单元结构小巧，加工简单，可以采用非晶合金材料卷叠制成，避免了大规模切割和叠压对非晶合金材料的不利影响，有助于充分发挥非晶合金材料低铁耗优势，提升高速非晶磁阻电机的运行效率，使电机适合高速运行。

Description

模块化定子非晶合金磁阻电机、系统以及控制方法

技术领域

本发明涉及磁阻电机领域，具体地，涉及模块化定子非晶合金磁阻电机、系统以及控制方法。

背景技术

电机在不同转子位置下可以具有不同的磁路，而当电机随着转子旋转而产生磁路变化进而得到不同的磁路磁阻时，电机可以依靠磁阻的变化而产生磁阻转矩，即遵循磁阻最小原理。相应的，通过加载合适的电枢电流而得到磁阻转矩的电机是一种常见的电机类型。一般来说，完全依赖磁阻转矩工作的电机被统称为磁阻电机，磁阻电机只具有一套放置于定子上的电枢绕组，而转子上无绕组或永磁体，电机结构简单、可靠性高、鲁棒性好。进一步的，磁阻电机依据加载电流波形的区别，可以进一步被划分为开关磁阻电机和同步磁阻电机。常见的开关磁阻电机的转子铁心为凸极齿结构，通常配合基于不对称半桥电路拓扑的功率变换器而加载单极性方波电流。常见的同步磁阻电机的转子铁心利用多极磁障结构而构成凸极，通常配合基于多相全桥电路拓扑的功率变换器而加载正弦电流；

值得注意的是，由于转子结构简单可靠，磁阻电机适合高速运行。但是，当磁阻电机高速运行时，电频率不可避免的铁耗大幅加大，影响电机的运行效率和整体运行性能。因此，降低高速运行的磁阻电机的铁耗是一个重要研究课题，受到了学术界和工业界的广泛关注；

近年来，非晶合金材料作为一种新型绿色铁心材料正崭露头角。非晶合金材料的生产从热钢液到薄带成品一次成型，省掉了一般传统冷轧硅钢片铁心制造工艺中的许多中间工序，相比于作为传统电机铁心材料的硅钢片的生产耗能大大降低。更重要的是，非晶合金材料和传统硅钢片相比，具有更高的电阻率和更薄的带材厚度，所以非晶合金用作铁心材料时可以使铁耗降低70％～90％左右。但是，非晶合金材料的硬度高，切割加工非常困难，且它对机械应力也十分敏感，复杂的加工过程容易对非晶合金材料的性能带来不利影响。基于以上原因，当前非晶合金材料在铁心形状简单的变压器领域中已有大量产品问世，但在铁心形状较为复杂的旋转电机领域中的非晶合金产品仍然较少；

综上，找到一种结构新颖、可以充分结合非晶合金材料特性和加工特性的非晶合金磁阻电机拓扑结构，是提升高速运行性能和大规模加工可行性的关键。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供模块化定子非晶合金磁阻电机、系统以及控制方法。

根据本发明提供的一种模块化定子非晶合金磁阻电机，包括：模块化定子铁心、电枢绕组和转子铁心；所述模块化定子铁心包括多个独立且对称的U型定子铁心单元，且U型定子铁心单元凸极齿朝向气隙，U型定子铁心单元由非晶合金材料采用卷叠方法制成；所述电枢绕组放置于模块化定子铁心上，电枢绕组的线圈分别嵌套于U型定子铁心单元两个朝向气隙方向的凸极齿上、或电枢绕组的线圈嵌套于U型定子铁心单元轭部；所述模块化定子铁心与所述转子铁心为同心布置；

优选的，所述模块化定子铁心为凸极结构，具有朝向气隙侧的凸极齿；

优选地，所述转子铁心具有朝向气隙的凸极齿结构、或具有构成凸极转子的磁障结构；

优选地，所述模块化定子铁心的凸极齿个数与转子铁心的凸极个数不相等；

优选地，所述U型定子铁心单元分别关于转子铁心的中心轴线上呈对称环形分布；

一种模块化定子非晶合金磁阻电机系统，包括权利要求1至7中任一项所述的模块化定子非晶合金磁阻电机以及控制器，所述控制器与模块化定子非晶合金磁阻电机电连接；

优选地，所述控制器包括功率变换器，该功率变换器能够采用多相全桥、H桥或不对称半桥电路拓扑结构，功率变换器与所述电枢绕组电连接；

一种模块化定子非晶合金磁阻电机的控制方法，在权利要求1至7中任意一项所述的模块化定子非晶合金磁阻电机中的所述电枢绕组加载正弦电流、单极性方波电流或双极性方波电流，以驱动电机完成机电能量转换；

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过采用分离的U型定子铁心单元构成电机定子，每个独立的U型定子铁心单元结构小巧，加工简单，可以采用非晶合金材料卷叠制成，避免了大规模切割和叠压对非晶合金材料的不利影响，有助于充分发挥非晶合金材料低铁耗优势，提升高速磁阻电机的运行效率，使电机适合高速运行；

2、本发明通过基于分离的U型定子铁心单元构成电机的非晶合金定子，U型定子铁心单元的加工不需要复杂模具和复杂工艺，加工成本低、速度快，适合大规模批量化生产；

3、本发明通过利用分离的U型定子铁心单元构成电机定子，每个U型定子铁心单元之间磁路耦合程度很低，各相绕组间具有良好的电、热、磁、物理隔离特性，即电机的容错运行能力极强，保证了电机在部分相绕组发生故障后仍然具有良好的带故障运行能力；

4、本发明通过继承了磁阻电机设计灵活的特点，电机相数、定转子极数、磁场类型的设计灵活多样，使得本案的模块化定子非晶合金磁阻电机的适应范围广。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的模块化定子非晶合金磁阻电机第一种实施方式下的横向剖视结构示意图结构示意图；

图2为本发明的模块化定子非晶合金磁阻电机第二种实施方式下的横向剖视结构示意图结构示意图；

图3为本发明的模块化定子非晶合金磁阻电机的非晶合金U型定子铁心单元的卷叠加工方法结构示意图；

图中示出：1、模块化定子铁心；定子铁心的U型单元(11、12、13)

2、电枢绕组；

电枢绕组2A相(包括电枢绕组线圈2A1、电枢绕组线圈2A2)，

电枢绕组2B相(包括电枢绕组线圈2B1、电枢绕组线圈2B2)，

电枢绕组2C相(包括电枢绕组线圈2C1、电枢绕组线圈2C2)；

3、转子铁心。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例一：

如图1所示，在本实施例中，模块化定子非晶合金磁阻电机为径向磁场旋转电机、内转子结构。电机定子六齿、转子五极、绕组三相且共有六个电枢绕组线圈。其包括模块化定子铁心1、电枢绕组2和转子铁心3，其中，转子铁心3位于模块化定子铁心1的内部(即内转子结构)。

进一步参考图1可以看出，模块化定子铁心1包括三个U型定子铁心单元(分别记为定子铁心单元11、12、13)，沿周向对称放置构成定子，它们均由非晶合金材料卷叠制成。为了更好地说明本案的模块化定子铁心的加工方法，图3示意性地显示了针对非晶合金材料的卷叠方法，将多层叠放好的非晶合金带材，在某个方向上挤压卷叠，得到U型的非晶合金定子铁心单元。进一步地，每个U型定子铁心单元的两个朝向气隙的凸极齿上分别嵌套电枢绕组线圈，且在同一个U型定子铁心单元上的两个电枢绕组线圈属于同一相。具体来看，U型定子铁心单元11上放置有电枢绕组线圈2A1和2A2，它们构成2A相绕组；U型定子铁心单元12上放置有电枢绕组线圈2B1和2B2，它们构成2B相绕组；U型定子铁心单元13上放置有电枢绕组线圈2C1和2C2，它们构成2C相绕组。转子铁心3为凸极齿结构，采用硅钢冲片叠压制成，具有明显的朝向气隙的凸极齿。此外，转子铁心也可以采用类似于同步磁阻电机转子的多极磁障凸极转子铁心。

在本实施例中，还提供了一种模块化定子非晶合金磁阻电机系统，其包括上述的模块化定子非晶合金磁阻电机以及与模块化定子非晶合金磁阻电机电连接的控制器。控制器包括功率变换器，功率变换器的相数与模块化定子非晶合金磁阻电机的电枢绕组相数相等，功率变换器与模块化定子非晶合金磁阻电机的电枢绕组作电连接，以加载电流、驱动电机；

实施例二：

如图2所示，在本实施例中，模块化定子非晶合金磁阻电机为径向磁场旋转电机、内转子结构。电机定子六齿、转子五极、绕组三相且有三个电枢绕组线圈。其包括模块化定子铁心1、电枢绕组2和转子铁心3，其中，转子铁心3位于模块化定子铁心1的内部(即内转子结构)。

进一步参考图2可以看出，模块化定子铁心1包括三个U型定子铁心单元(分别记为定子铁心单元11、12、13)，沿周向对称放置构成定子，它们均由非晶合金材料卷叠制成。每个U型定子铁心单元的轭部分别嵌套电枢绕组线圈，即每一个U型定子铁心单元上有一个电枢绕组线圈，该电枢绕组线圈即构成一相。具体来看，U型定子铁心单元11上放置有电枢绕组线圈2A，即构成2A相绕组；U型定子铁心单元12上放置有电枢绕组线圈2B，即构成2B相绕组；U型定子铁心单元13上放置有电枢绕组线圈2C，即构成2C相绕组。转子铁心3为凸极齿结构，采用硅钢冲片叠压制成，具有明显的朝向气隙的凸极齿。需要指出的是，与实施例1类似，实施例2中的模块化定子非晶合金磁阻电机与控制器的功率变换器作电连接，加载电流以完成机电能量转换。

需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

此外，本案中各技术特征的组合方。式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围；

本发明的工作原理如下：

模块化定子非晶合金磁阻电机遵循磁阻最小原理，当定子齿与转子极的中心线不重合、磁阻不为最小时，磁场就会产生切向磁拉力，形成磁阻转矩，使转子趋向于转到磁阻最小的位置。当向电机定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步一步地向一定方向转动。如果改变电机定子各相的通电次序，电机将改变转向，但相电流通电方向的改变不会影响转子的转向。在如图1所示转子位置，给放置于模块化定子铁心12上的电枢绕组2B相通入电流，相应的切向磁拉力将使电机转子趋向于逆时针转动以达到定转子齿与极对齐的最小磁阻位置。这样，依序给电枢绕组相2B-2C-2A通电，则电机转子可以稳定地逆时针转动起来。由于三相电枢绕组磁路隔离、电气隔离，可以灵活独立地进行控制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种模块化定子非晶合金磁阻电机，其特征在于，包括：模块化定子铁心(1)、电枢绕组(2)和转子铁心(3)；

所述模块化定子铁心(1)包括多个独立且对称的U型定子铁心单元，且U型定子铁心单元凸极齿朝向气隙；

每一个所述U型定子铁心单元由非晶合金带材卷叠制成；

所述电枢绕组(2)放置于模块化定子铁心(1)上，电枢绕组(2)的线圈分别嵌套于U型定子铁心单元两个朝向气隙方向的凸极齿上、或电枢绕组(2)的线圈嵌套于U型定子铁心单元轭部；

所述模块化定子铁心(1)与所述转子铁心(3)为同心布置；

所述模块化定子铁心(1)为凸极结构，具有朝向气隙侧的凸极齿；

所述转子铁心(3)具有朝向气隙的凸极齿结构、或具有构成凸极转子的磁障结构；

所述模块化定子铁心(1)的凸极齿个数与转子铁心(3)的凸极个数不相等。

2.根据权利要求1所述的模块化定子非晶合金磁阻电机，其特征在于，所述U型定子铁心单元分别关于转子铁心(3)的旋转轴线上呈对称环形分布。

3.根据权利要求1所述的模块化定子非晶合金磁阻电机，其特征在于，所述转子铁心(3)的凸极个数为偶数或奇数。

4.一种模块化定子非晶合金磁阻电机系统，其特征在于，包括权利要求1至3中任一项所述的模块化定子非晶合金磁阻电机以及控制器，所述控制器与模块化定子非晶合金磁阻电机电连接。

5.根据权利要求4所述的模块化定子非晶合金磁阻电机系统，其特征在于，所述控制器包括功率变换器，该功率变换器能够采用多相全桥、H桥或不对称半桥电路拓扑结构，功率变换器与所述电枢绕组(2)电连接。

6.一种模块化定子非晶合金磁阻电机的控制方法，其特征在于，在权利要求1至3中任意一项所述的模块化定子非晶合金磁阻电机中的所述电枢绕组(2)加载正弦电流、单极性方波电流或双极性方波电流，以驱动电机完成机电能量转换。