CN114825828A - 一种混合磁通模块化双转子开关磁阻电机 - Google Patents

一种混合磁通模块化双转子开关磁阻电机 Download PDF

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王为超
陈昊
张东
李海龙
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Abstract

本发明公开了一种混合磁通模块化双转子开关磁阻电机，属于新型电机领域，包括多个相互独立的U型铁芯组成的模块化定子，每个定子缠绕有集中式的励磁绕组。所述电机是一种混合磁通结构，其内部有两种磁通路径，在两个齿的中间有均匀的分块转子，与U型定子形成一条轴向磁通路径，构成一种轴向磁通结构。在U型定子的顶端，同样分布着内外表面无凹凸的分块转子，与U型定子形成另一条横向磁通路径，构成横向磁通结构。内外分块转子磁通相互叠加使得混合磁通定转子均分块结构双转子开关磁阻电机具有较大的磁共能，从而具有更高的转矩密度、功率密度和能量传输比。本发明的定子和转子均为模块化结构，便于缩短磁通路径和减少相间的相互影响，同时电机具有启动转矩大、制造成本低、损耗低、功率密度高等优点，在许多工业领域有着巨大的应用价值。

Description

一种混合磁通模块化双转子开关磁阻电机
技术领域
本发明涉及一种新型电机领域，尤其涉及一种混合磁通模块化双转子开关 磁阻电机。
背景技术
当下，随着汽车数量不断地增加，造成石油资源的日渐匮乏和环境污染不 断加重，发展电动汽车迫在眉睫。开关磁阻电机具有结构简单的特点，其只在定 子上有绕组线圈，而转子上没有绕组或永磁，所以具有很多优点，包括容错性能 好、成本低、适用于高速和很好地适用于恶劣环境等优点，此外，随着电力电子 技术的飞速发展，导致电力电子开关器件不仅有着卓越的性能，其成本也在不停 地降低。正是由于这些优点，使得其成为国内外研究的主要热点。近年来，通过 国内外众多学者的不懈努力，在对开关磁阻电机结构和控制上取得显著的成果， 已成功地将开关磁阻电机应用于电动汽车、工矿纺织机械等众多领域。但是由于 开关磁阻电机定转子固有的双凸极结构，在运行时转矩脉动和振动噪声大，其主 磁路较长、铁耗较大，电机效率较低，加上功率密度低的缺点限制了其在电动汽车领域中的应用，因此在电机结构设计阶段，如何增大电机的输出转矩和抑制转 矩脉动及提升功率密度成为电机结构设计阶段的迫切解决的问题。
发明内容
针对上述技术中存在问题，本发明提出一种混合磁通模块化双转子开关磁 阻电机，设计简单，成本低廉，容易加工和便于维护用于电动汽车驱动电机。
为实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种混合磁通模块化双转子开关磁阻电机，包括定子铁心(1)、定子励磁 绕组(2)、模块化内转子(3)、模块化外转子(4)，其中定子铁心为U型结构， 定子励磁绕组(2)缠绕在定子铁心(1)的铁心柱上，电机定子部分由定子铁心 (1)和定子励磁绕组(2)组成，且电机定子部分沿圆周方向均匀分布，相邻定 子部分相互独立，相邻三个励磁绕组构成ABC三相；所述电机是一种混合磁通 结构，存在着两种磁通路径，模块化内转子(3)沿圆周方向均匀分布在定子中 间上，与U型定子部分相连，形成横向磁通路径，构成横向磁通开关磁阻电机； 模块化外转子(4)同样由分块转子组成，按圆周方向均匀分布在定子外侧，与 U型定子部分形成一种轴向磁通路径，构成轴向磁通开关磁阻电机；各模块化转 子安置在不导磁的固定套中，形成转子整体，并且与电机转轴相连接。
本发明在于，模块化定子为U型结构，模块化内转子、模块化外转子均为 分块结构。
本发明在于，所述电机定子铁心(1)的数量为NS个，且NS＝2mq，m为电 机相数，q为任意大于1的整数，构成m相电机，其中同一相电机励磁绕组沿圆 周方向间隔为m，且同一相电机励磁绕组首尾相连。所述电机的模块化内转子(3) 的数量为Nr，且Nr＝2q(m±1)，于此相同，电机模块化外转子(4)的数量也为 Nr＝2q(m±1)个。
本发明在于，定子铁心(1)采用硅钢片叠制，且尺寸大小相同。
本发明在于，模块化内转子(3)和模块化外转子(4)采用硅钢片叠制， 且尺寸大小分别相同。
本发明在于，采用不对称半桥电路结构的功率变换器对三相电机励磁绕组 通电。当按定子励磁绕组(2)A-B-C方向通电，则电机逆时针转动；当按定子 励磁绕组(2)C-B-A方向通电，则电机顺时针转动。
本发明在于，控制调速系统中功率变换器使用的电力电子器件采用全控型 器件MOSFET或IGBT。
有益效果：本发明所述的混合磁通模块化双转子开关磁阻电机，其中转子 部分是由很多个相同的呈扇形的独立转子体和不导磁的转子套组成，分块转子结 构与传统凸极形状的开关磁阻电机相比，具有更低的风阻，机械损耗更小，缩短 了电机的磁通路径，导致电机的铁心损耗减小，电机输出转矩增大，并且电机在 转动换相的过程中，磁通无逆转现象，不会产生负转矩的优点，所以电机的输出 效率提高，不导磁的转子套起到了磁场隔离的作用，相较于传统结构的SRM， 该结构磁路长度明显降低，且定子极间漏磁减少，电机功率密度进一步提升，因 此在航空航天应用及电动车驱动系统中具有广泛的前景；电机定子采用U型分 块结构，有较短的磁通路径，减少了相间的相互影响，可以有效降低电机的控制的复杂度和计算量。相对传统的开关磁阻电机，该电机的励磁绕组均匀缠绕在U 型定子结构的凹槽部分，这种结构有助于散热，且牢固可靠，存放空间更大，匝 数设计更加灵活。内外分块转子磁通相互叠加使得混合磁通定转子均分块结构双 转子开关磁阻电机具有较大的磁共能，从而具有更高的转矩密度、功率密度和能 量传输比。本发明的定子和转子均为模块化结构，便于模块化生产，同时电机具 有出力大、结构简单、容易维护、损耗低、效率高、可靠性高等优点，具有良好 的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明的混合磁通模块化双转子开关磁阻电机沿轴向爆炸结构示意 图。
图2是本发明的混合磁通模块化双转子开关磁阻电机定子铁心、模块化转 子和励磁绕组结构。
图3是本发明的混合磁通模块化双转子开关磁阻电机绕组结构示意图。
图4是本发明的混合磁通模块化双转子开关磁阻电机不对齐位置的主磁通 示意图。
图5是本发明的混合磁通模块化双转子开关磁阻电机对齐位置的主磁通示 意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
结合图1、图2和图3，本实施案例的混合磁通模块化双转子开关磁阻电 机，包括定子铁心(1)、定子励磁绕组(2)、模块化内转子(3)、模块化外转子 (4)，其中定子铁心为U型结构，定子励磁绕组(2)缠绕在定子铁心(1)的 铁心柱上，电机定子部分由定子铁心(1)和定子励磁绕组(2)组成，且电机定 子部分沿圆周方向均匀分布，相邻定子部分相互独立，如图相邻三个励磁绕组构 成ABC三相；所述电机是一种混合磁通结构，存在着两种磁通路径，模块化内 转子(3)沿圆周方向均匀分布在定子中间上，与U型定子部分相连，形成横向 磁通路径，构成横向磁通开关磁阻电机；模块化外转子(4)同样由分块转子组 成，按圆周方向均匀分布在定子外侧，与U型定子部分形成一种轴向磁通路径， 构成轴向磁通开关磁阻电机；各模块化转子安置在不导磁的固定套中，形成转子 整体，并且与电机转轴相连接。
混合磁通模块化双转子开关磁阻电机的极性分布与传统的开关磁阻电机 不同，因其定子铁心部分为U型结构，电机各相绕组相互独立，不存在磁场耦 合和漏磁现象。径向相对的定子绕组和横向相对的定子绕组串联形成一相，同一 相内定子绕组激励时，同一方向的定子极性相同，相邻的定子极性相反，对于B 相、C相与A相类似。定子采用NNN-SSS-NNN-SSS的3N3S3N3S的绕组配置， 或者采用NSN-SNS-NSN-SNS的6NS绕组配置。
混合磁通模块化双转子开关磁阻电机的磁极结构会因内部磁路形式的不 同而不同，但与传统的开关磁阻电机的工作原理一样，始终遵循着磁阻最小原理， 即磁链的路径总要沿着最小的磁阻闭合，电机通过变化的磁场，产生电磁转矩从 而带动电机转动。图4给出了电机在不对齐位置的主磁通示意图。从图4可以看 出，在不对齐位置定子产生的磁通穿过气隙，分别经过对着的模块化转子，最后 透过气隙回到U型定子，形成了如图4所形成的4条磁通路径，作为磁通抵消 的结果，因此不对齐位置具有较小的电感。图5给出了电机在对齐位置的主磁通 示意图。从图5可以看出，在对齐位置，混合磁通模块化双转子开关磁阻电机与 传统的分块转子相似，磁通路径为：定子极-气隙-模块化内(外)转子-气隙-定子极-定子轭部，内外模块化转子产生的磁通相互叠加。因此混合磁通模块化双 转子开关磁阻电机具有较大的磁共能，从而具有更高的转矩密度，电机的功率密 度进一步提高。

Claims (7)

1.一种混合磁通模块化双转子开关磁阻电机，其特征在于：包括定子铁心(1)、定子励磁绕组(2)、模块化内转子(3)、模块化外转子(4)，其中定子铁心为U型结构，定子励磁绕组(2)缠绕在定子铁心(1)的铁心柱上，电机定子部分由定子铁心(1)和定子励磁绕组(2)组成，且电机定子部分沿圆周方向均匀分布，相邻定子部分相互独立，相邻三个励磁绕组构成ABC三相；所述电机是一种混合磁通结构，存在着两种磁通路径，模块化内转子(3)沿圆周方向均匀分布在定子中间上，与U型定子部分相连，形成横向磁通路径，构成横向磁通开关磁阻电机；模块化外转子(4)同样由分块转子组成，按圆周方向均匀分布在定子外侧，与U型定子部分形成一种轴向磁通路径，构成轴向磁通开关磁阻电机；各模块化转子安置在不导磁的固定套中，形成转子整体，并且与电机转轴相连接。
2.根据权利要求1所述的一种混合磁通模块化双转子开关磁阻电机，其特征在于：模块化定子为U型结构，模块化内外转子为分块结构。
3.根据权利要求1所述的种混合磁通模块化双转子开关磁阻电机，其特征在于：所述电机定子铁心(1)的数量为NS个，且NS＝2mq，m为电机相数，q为任意大于1的整数，构成m相电机，其中同一相电机励磁绕组沿圆周方向间隔为m，且同一相电机励磁绕组首尾相连；所述电机的模块化内转子(3)的数量为Nr，且Nr＝2q(m±1)，于此相同，电机模块化外转子(4)的数量也为Nr＝2q(m±1)个。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种混合磁通模块化双转子开关磁阻电机，其特征在于：所述定子铁心(1)采用硅钢片叠制，且尺寸大小相同。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种混合磁通模块化双转子开关磁阻电机，其特征在于：所述模块化内转子(3)和模块化外转子(4)采用硅钢片叠制，且尺寸大小分别相同。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种混合磁通模块化双转子开关磁阻电机，其特征在于：采用不对称半桥电路结构的功率变换器对三相电机励磁绕组通电；当按定子励磁绕组(2)A-B-C方向通电，则电机逆时针转动；当按定子励磁绕组(2)C-B-A方向通电，则电机顺时针转动。
7.根据权利要求4所述的一种混合磁通模块化双转子开关磁阻电机，其特征在于：控制调速系统中功率变换器使用的电力电子器件采用全控型器件MOSFET或IGBT。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116260302A (zh) * 2023-05-15 2023-06-13 湖南大学 一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116260302A (zh) * 2023-05-15 2023-06-13 湖南大学 一种轴向-横向混合磁通的永磁同步电机
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