CN1306679C - 开关磁阻电机和开关磁阻驱动装置 - Google Patents

Abstract

开关磁阻电机具有一个定子，该定子绕其内周边具有一个交替的宽极和窄极的阵列。线圈只绕宽极缠绕。转子包括软磁材料的扇形段，这些扇形段安装在无磁铁芯上。扇形段在气隙处如此定比例，以使一个定子线圈所产生的磁通通过两个或两个以上扇形段并通过相邻的窄极返回。该电机能产生高的输出。

Description

开关磁阻电机和开关磁阻驱动装置

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机，特别涉及具有分成段的转子的开关磁阻电机。

背景技术

众所周知，开关磁阻电机中定子具有一连串在圆周上排列的软磁材料的定子极，上述定子具有缠绕在各极上的载流线圈。一个具有磁性材料转子极的转子相对于定子可旋转地安装，并设法使自身与由通电的一个或多个线圈所产生的磁场对准。激励定子极的线圈，以便在转子上按所希望的意义相对于定子产生转矩。

由这种电机所产生的转矩量取决于在对准(亦即转子和定子极对准)和非对准(亦即转子和定子极的最大未对准)条件下连接各匝激励线圈的磁通之间的差值。随着定子极弧的宽度增加，对准的和未对准的磁链按定子极距的比例增加，但一旦定子极的极弧变得大于相邻转子极之间间距的一半，即使在未对准的条件下，转子极和定子极之间也总是有重叠，这会引起未对准的电感迅速增加。结果，人们发现，当定子极宽与定子极距之比值约为0.42时，由这种电机所产生的峰值转矩增加。

人们在试图克服这种局限性时，生产出了一种开关磁阻电机，其中转子没有那些径向上延伸的极，而是设置了若干磁性材料的磁性分开的段(segment)，这些段在相邻定子极之间导向磁通。在这些电机中，只有很少量的磁通沿直径跨过转子。这类电机在“The design of switchedreluctance motors with segmental rotors”，Mecrow，BC，Finch，JW，El-Kharashi，EA & JACK，Proceedings of IECM 2002，InternationalConference on Electrical Machines，25-28 Aug.2002，Brugge，Belgium中作了介绍，该文件被结合到本申请中作为文献。

对于一种简化配置，其中定子极的弧等于转子段的弧，人们发现当定子极宽度与极距的比值增加到大于0.5时，由电机产生的有用转矩持续增加。然而，同时，随着极弧与极距的比值变得更高时，相邻定子极之间的缝隙变得更窄，结果可用来安放绕每个极的激励绕组的空间不足。

US 5,010,267(Lipo)和EP 0504093(Horst)中公开了试图克服这个问题的尝试，其中，每个载流绕组都具有大于一个定子极的极距，以致各交替状态的绕组(亦即不同时间通电的绕组)占据定子极之间相邻的缝隙。这具有这样的优点，即由任何绕组两边所产生的磁通不沿某一个齿，其结果是避免了该齿中的磁饱和。然而，这种类型的现有技术电机具有的缺点是，在一个以上定子极上延伸的绕组必需用长的端部连接进行连接，这种情况增加了总的绕组损耗并使电机占据更多的空间，这限制了电机可以用低成本制造的范围。

发明内容

本发明在所附独立权利要求中限定。某些优选的特征在从属权利要求中详述。

本发明的优选实施例设法克服现有技术的上述缺点。

根据本发明的一个实施例，提供一种开关磁阻电机，该开关磁阻电机包括：一个定子，具有多个在圆周上排列的软磁材料的定子极；一个转子，可旋转式安装在定子内部，并具有多个在圆周上排列的软磁材料的磁性分开的转子段，其中每个上述转子段适于在相邻定子极对之间导向磁通；及多个线圈，围绕交替定子极设置而不是设置在相邻的定子极上，并适于输送电流以便在上述定子极中产生磁通，其中每个上述线圈围绕一个定子极。

通过提供一种配置，其中每个线圈只围绕一个定子极，并且其线圈只设置在交替极上，可以将被线圈围绕的交替定子极制得更宽，以便容纳缠绕在极上的线圈所产生的磁通。相邻的极可以制得更细，以便在定子中产生空间来安放绕组和相邻的较宽的定子极。因此，这提供的优点是电机可以就其机械性能来说用比现有技术能达到的更小的尺寸制造。而且，由于线圈是短节距，围绕一个定子极，所以端部绕组短。这意味着通常与较长端部绕组有关的损耗被减至最小，因此能从一给定电机得到产生较大的输出。

在一优选实施例中，没有两个相邻的上述定子极具有上述线圈。

电机可以包括多组线圈，以适于在不同时间具有最大的激励作用。

优选的是线圈被设置成沿直径相对的线圈对。

定子极的数目最好不是转子段数目的整数倍。转子段的数目最好不是定子极数目的整数倍。

在一优选实施例中，至少一个转子段在其面向定子的相应部分处变宽。通过增加定子极弧和转子段的长度使最大电感位置处的磁阻减至最小。为此，至少一个上述定子极可以在其面向转子的相应部分处变宽。至少一个上述定子极的变宽部分可以具有一个在15和45之间，例如：20的锥角。

附图说明

下面将参照附图说明本发明的一个优选实施例，该优选实施例仅是作为例子，并且没有任何限制性意义，其中：

图1是体现本发明的三相开关磁阻电机的示意截面图，其中只示出一个相的线圈；

图2是图1电机中的定子示意透视图，示出所有三相的线圈；

图3(a)示出图1电机对准条件下的磁力线；

图3(b)示出图1电机未对准条件下的磁力线；

图4是根据本发明一个实施例的开关磁阻驱动装置的示意图；及

图5是适于与图4驱动装置一起使用的电力开关布局。

具体实施方式

参见图1和2，一个三相开关磁阻电机1包括一个定子2，该定子2具有若干交替式安排的较宽第一定子极3和较窄的第二定子极4。在所示实施例中，定子2具有六个第一定子极3和六个第二定子极4。每个第一定子极3都用供三相用的相应激励线圈5，6，7缠绕。线圈被安装成完沿直径相对的线圈对，以使沿直径相对的线圈对相互串联电连接。在另一可供选择的实施例中，完全沿直径相对的线圈并联连接。

转子8包括一个无磁铁芯9。十个磁性分开的磁性材料转子段10卡紧在铁芯9内的纵向键槽中，以便它们在圆周上排列并通过气隙11与定子极3，4分开。转子段10被设置成使来自第一定子极3的磁通朝向一相邻的第二定子极4或者反之亦然，如图3(a)中最清楚示出的。为清楚起见，图1中的各转子段用阴影线示出。还是为了清楚起见，将无磁铁芯9的外径示为小于各转子段的外径，虽然在实际上，这些外径全都落在一共同直径上，以便产生一光滑的转子表面，从而避免由于不均匀转子表面所形成的间隙而引起的噪音问题。

定子2和转子段10用一堆电钢片叠层而成，正如常规电机那样。应该注意，为保证有效使用叠层材料，所有转子段都可以用定子内孔内部的材料生产。

转子段10可以用各种已知方法中的任何一种固定在无磁铁芯9上的适当位置，对任何一种电机所选择的方法视这样一些因素而定，如电机的最大速度和转矩，环境条件等。上述方法包括机械燕尾排列(如图1所示)；采用止动杆，该止动杆压在扇形段上的一个零件上并用螺栓或其它合适的紧固件固定到铁芯上；将扇形段模制或铸造入位等。在装配转子之后，可以将外面机加工成产生所希望气隙的直径。

定子极随着它们接近气隙而变宽，变宽部分的侧面相对于磁极主体形成一个20的锥角。可以发现，根据特定设计的参数，锥角度值在15和45之间是有利的。

现在将参照图3(a)和3(b)说明电机1的运转。当一相中的线圈5被激励时，它们使磁通沿着相应的缠绕线圈的第一定子极3。图3(a)中示意性示出了磁通通路30和31。然后，磁通经过相邻的定子极对4返回。由于在两个极4之间共享磁通返回通路，所以这些极4可以比第一定子极3窄，而不会引起磁饱和。应该注意，磁通通路被限制在被激发线圈包围的极的位置。这对于不需要提供磁动势来驱动磁通围绕定子的长背铁区或沿直径跨越转子的电机来说，是有利的。

当一个转子段10与线圈5的一侧对准时，如图3(a)所示，一个第二相邻的段也与线圈第二侧对准。由线圈所产生的磁通的一半从第一定子极3穿过第一转子段10流向相邻的第二定子极4的其中之一，而上述磁通的另一半穿过第二转子段流向相应的相邻定子极。图3(a)中示意性地示出了磁力线。这种排列具有使耦合线圈5的磁通最大的效果，并因此是相位的最大电感位置。然而，正如从图3(b)中可以看到的，当转子段10与极3对准时，耦合线圈5的磁通量小得多，因为现在磁通必须跨过两个相邻的转子段以便穿过极4返回。现在转子磁通路包括一部分无磁铁芯9。因此，这是相位的最小电感位置。在最大电感位置(图3(a))处，从使磁阻最小的观点来看，其优点是使定子极和转子段的极面弧形长度达到最大。如图1所示，通过在极的端部处引入一喇叭状展开部分，定子极3的弧形在气隙处增加，而没有随着发生的极体宽度增加。然而，本领域的技术人员应该理解，通过喇叭状展开极来使磁阻最小导致增加了气隙附近磁通路的边缘效应，并且最终将导致不能接受的从一个定子极到另一个定子极的漏磁通程度。因此，对相邻的定子极弧可以扩展的程度有一个敏感的界限。

结果，当线圈被激励时，转子8设法自身对准成图3(a)所示的对准状态，正如与图3(b)的未对准状态相反的那样。因而，通过使三个相的线圈5、6、7定时激励，可以使转子8在所希望的意义上相对于定子2产生转矩。

例如，从图3(b)所示的位置，激发相B将引起朝顺时针方向产生转矩，而激发相C将产生逆时针的转矩。如果产生的转矩克服轴12上的负载，则导致运动。然后，励磁模式将按在开关磁阻电机技术领域中技术人员所熟知的方式进行。

因此，这种机器可以利用适合与常规构成的开关磁阻电机一起使用的电力变换器和控制系统工作。图4中示出了包括在本发明中的整个驱动系统。驱动系统包括一个直流(DC)电源41，该DC电源41可以是一种蓄电池或是整流和滤波的交流(AC)电源。由电源41所提供的DC电压可以在电子控制单元44的控制下通过一电力变换器43跨过电动机42的相绕组46转换。通常设置某种形式的电流传感器48以便产生相电流反馈。转子位置信息由传感器45提供。

图5一般性地示出了一种典型的开关电路，该开关电路可以用于控制相绕组46激励的电力变换器43中。电压干线56、57一般通称为DC连接线，而跨接在它们之间的电容器55通称为DC连接线电容器，上述电容器55的功能是处理DC连接线上的交流电流。当开关51和52闭合时，相绕组耦合到DC电源上并通电。

当开关磁阻电机的相绕组按上述方式被激励时，磁路中磁通所建立的磁场产生圆周力，该圆周力如上所述起作用以便将转子极与定子极对齐。设置能量返回二极管53和54，以便在通电周期结束时向绕组施加反向电压。可以包括一个电阻器58来起图4中电流传感器48的作用。

由于电机的线圈是短距式的，亦即只跨过一个极，所以它们具有短端绕组，如图2所示，与现有技术相比，它大大减少了电机的损耗并能从一给定的电机体积发出比迄今为止的情况更大的输出。

本领域的技术人员应该理解，上述实施例仅是作为例子说明并且没有任何限制的意思。例如，尽管上述实施例对电动机作了说明，但应该理解，本发明可以同等地涉及各种发电机。极和转子形段的数量可以改变。此外，每一相的线圈可以相互并联连接，并且对每一相可以提供多于或少于两个线圈。转子组件可以如此设计，以便在定子内部运转，或者可以采用所谓的倒置结构，即转子绕定子的外部运转。另外，定子被描述成是一组安装成从一接连的背铁部分径向向内延伸的构件的磁极轮廓。然而，由于相邻定子极之间磁通路的性质，背铁只需存在以便局部形成磁通路线。因此，能够制造一种根据本发明的电机，其中每个相邻的极组都安装成与它自己磁通路分开。

因此，在不脱离本发明所附权利要求所述范围的情况下，可以进行各种改变和修改。

Claims (11)

1.一种开关磁阻电机，包括：

一个定子，包括多个在圆周上排列的软磁材料的定子极；

一个转子，相对于定子可旋转地安装，并具有多个在圆周上排列的软磁材料的磁性分开的转子段，其中上述每个转子段都用于在相邻定子极对之间导通磁通；及

多个线圈，被设置在交替的定子极周围，而不是设置在相邻的定子极上，其中所述线圈适于输送电流，以便在上述定子极中产生磁通，其中上述每个线圈围绕一个定子极。

2.根据权利要求1的电机，其中线圈限定一组相位，每个都安装成在转子不同位置处具有最大电感。

3.根据权利要求1的电机，其中每一相的线圈都安装成沿直径相对的线圈对。

4.根据权利要求1的电机，其中定子极的数目不是转子段的数目的整数倍。

5.根据权利要求1的电机，其中转子段的数目不是定子极的数目的整数倍。

6.根据权利要求1的电机，其中至少一个上述定子极具有一个面向转子的端部，该端部比该极的其余部分宽。

7.根据权利要求6的电机，其中至少一个具有一个面向转子的端部的定子极具有一个在15°和45°之间的锥角，该端部比该定子极的其余部分宽。

8.根据权利要求6的电机，其中至少一个具有一个面向转子的端部的定子极具有一个20°的锥角，该端部比该定子极的其余部分宽。

9.根据权利要求1至8任意一项的电机，其中设置有线圈的定子极比其它定子极在磁性上宽。

10.根据权利要求9的电机，其中设置有线圈的定子极在磁性上是其它定子极的宽度的两倍。

11.一种开关磁阻驱动装置，包括一个如上述任意一个权利要求所述的电机，一个用于使上述电机每个线圈选择性通电的电力变换器和一个用于控制电力变换器的控制器，因而当转子位置相应于一个相绕组最大电感位置时，所产生的磁通通路包括转子段和一对相邻的定子极。

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