CN1502161A - 分段定子开关磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
开关磁阻电机(10)包括一个具有多个周向间隔开的定子段组件(18)的定子(14)，所述定子段组件包括突出的定子极和极间定子缝隙。每个定子段组件(18)包括一个由堆叠在一起的多个定子板形成的定子段铁芯(20)、一个端帽组件(22)和缠绕在所述定子段铁芯(20)及端帽组件(22)上的绕组线(24)。转子(16)限定了多个定子极(56)。转子趋向相对于定子旋转到一个使得被激励绕组的电感最大化的旋转位置。一个驱动电路根据转子的旋转位置激励所述定子段组件上的绕组线。每个定子板包括一个第一径向外轮缘部分和一个从所述第一径向外轮缘部分的中心部分径向向内延伸的齿状部分。
Description
发明领域
本发明涉及电机，更具体地说涉及具有分段定子的开关磁阻电机。
发明背景
磁阻电机，如：电动机和发电机，通常包括一个安装在机架内侧部分的定子和一个被支撑着的相对于定子旋转的转子。当转子试图旋转到使得磁电路的磁阻最小化和被激励的定子绕组电感最大化的位置时，磁阻电机就会产生转矩。一个驱动电路产生一组定子绕组电流，将其输出至定子绕组并产生一个磁场。转子在这个磁场的作用下进行转动，试图使得定子被激励绕组的电感最大化。
在同步磁阻电机中，以一个被控频率激励绕组。用控制电路和/或变换器来检测转子的角位置。驱动电路根据所检测到的转子位置激励定子绕组。开关磁阻电机的设计和操作在本领域中是已知的，T.J.E.Miller在文章“Switched Reluctance Motors and Their Control”，Magna PhysicsPublishing and Clarendon Press，Oxford，1993年中对开关磁阻电机进行了论述，该文在此处作为参考被引入。
传统开关磁阻电机通常包括一个具有一个固体定子芯的定子或者一个具有多个由导磁物质冲压而成并堆叠在一起的环形定子板的堆叠式定子。定子板限定径向向内突出的定子极和位于临近定子极之间的极间缝隙。定子通常包括径向相对的定子极对。转子也通常包括径向相对的转子极对。绕组或者线圈缠绕在定子极周围。缠绕在一对径向相对的转子周围的绕组互相连接，以形成一个相位线圈。
当对相位线圈施加电流时，在定子极内就会建立磁场，并且吸引一个转子极对。相位线圈中的电流是按照预先设定的顺序产生的，以便在转子上生成转矩。将电流施加给相位线圈的周期，将转子极与定子极对齐的过程，被称作相位线圈的活跃阶段。
在预定点，当转子极与定子极对齐或者在其之前的某一点，相位线圈中的电流被转换，以防止负转矩作用在转子极上。一旦到达转换点，电流将不再被输出到相位线圈并允许被耗散。这种允许电流在相位线圈中耗散的阶段称为非活跃阶段。
为了维持在转子极上的转矩，从而优化机器的效率，重要的是维持转子位置和每个相位线圈的活跃阶段的恰当的关系。如果相对于转子位置活跃阶段被过早或过迟的启动和/或转换，转子上的持续转矩就不能得到保持，机器将不会以最优效率工作。传统开关磁阻电机用不断感应转子位置的方法来尝试维持相位线圈的活跃阶段和转子位置。
有两种不同的用于检测转子角位置的方法。在“感应”法中，用一个外侧部分物理传感器来感应转子的位置。例如，一个具有霍尔效应传感器或者一个光传感器的转子位置传感器(RPT)用物理的方法感应转子的角位置。在“无传感器”法中，与驱动电路相连的电子仪器在没有外侧部分物理传感器的情况下得到转子的角位置。例如，可以用测量未被激励的绕组中的反电动势(EMF)的方法来得到转子位置。在Kalpathi等人的美国专利6,011,368、6,107,772、Taylor等人的美国专利5,982,117、Tang等人的美国专利5,929,590、Mehlhom等人的美国专利5,883,485、Maes等人的美国专利5,877,568、Kolomeitsev的美国专利5,777,416、和MacMinn的美国专利4,772,839(在本文中都作为参考引入)中，驱动电路根据相位线圈中的电感来估计出转子位置。
另一种无传感器方法将诊断脉冲输出给未被激励的绕组，并感应由此产生的电响应。例如，在MacMinn等人的美国专利4,959,596、和Vitunic的美国专利5,589,518(在本文中作为参考引入)中，驱动电路采用了输出到相位线圈的电压感应脉冲。
在使用“感应”法的开关磁阻电机中，RPT检测转子相对于定子的角位置。RPT提供给驱动电路一个角位置信号，然后由这个驱动电路来对开关磁阻电机的绕组进行激励。RPT通常包括一个传感器板，在其上具有一个或多个传感器和一个连接在转子转轴上并与转轴一起旋转的光闸。这个光闸包括多个光闸齿，这些光闸齿随转子旋转而通过光传感器。
由于转子角位置信息对开关磁阻电机的正常工作非常关键，采用复杂的对齐技术能够确保RPT的传感器板相对于机架和定子的恰当的位置。传感器板没有对齐，将会影响到电机的操作。但是，这些复杂对齐技术的采用增加了带有RPT的开关磁阻电机的制造成本。
RPT还增加了开关磁阻电机的整体尺寸，这就影响了对机器和产品的包装要求。PRT的成本使得开关磁阻电机在适合于不需要RPT的开环感应电机的应用中经常处于不利的竞争位置。
另一个关于RPT的缺点和开关磁阻电机的现场维护相关。位于封闭的转子机架内的磨损元件，如轴承，可能需要维修或者替换。为了取出磨损的元件，必须取下机架一端的挡板。由于传感器板对齐的重要性，在取下挡板的时候通常需要采用复杂的对齐技术。如果服务工程师不恰当的使用了对齐技术，那么传感器板就不会对齐，并且电动机的性能也会受到影响。
当采用“无传感器”法感应转子角位置时，每个定子极绕组电气特性的不同会极大的影响无传感器驱动电路正确得到转子角位置的能力。大多数的无传感器方法测量绕组的电阻和/或电感。如果一个绕组的电阻和/或电感与其他的不同，那么无传感器驱动电路就可能不能正确的得到转子的角位置。
有几种将绕组线安装在开关磁阻电机定子上的传统方法。绕组线可以先绕好然后再转移到定子极上。转移线圈往往在定子轴向端周围留出额外的绕组线或者线圈匝。转移线圈通常可以利用几乎60-65％的可用的定子缝隙区域。针式绕线采用一个针，直接将线缠绕在定子极上。然而，这个针占用了一些定子极缝隙区域的空间，这就使得缝隙的填充减少到了将近50％。采用这些方法形成的绕组使得绕组线在定子上的位置依各个定子极而不同。绕组蠕动或者其他的组装差别也随时间而影响绕组线的电感和电阻，这样由于定子突出部分的非一致性而导致“无传感器”控制的精确执行变得非常困难。
在绕组的缠绕和形成期间，将绕组线保持在位是非常困难的。尤其是对于通常具有不能很好的将绕组线很好保持的平行侧边的齿状突出定子极的磁阻电机。柄脚(tang)或者圆形的突出已经被应用到突出定子极的放射状内端，以便提供用来将绕组线保持在位的限制表面。柄脚突出在临近突出电极之间限制了缝隙开口的尺寸。当具有柄脚体积增大时，保持绕组线的能力也会得到改善。然而，当柄脚体积增大时，缝隙开口的尺寸也就相应的缩小，这就使得采用传统针式和转移绕组的方法变得非常困难或不可能。柄脚的变宽还可能牺牲电机的性能。除了保持绕组线，加宽柄脚还有其他的电气原因，这些缠绕方法可以防止这些问题。
当采用针式和转移绕组法时，定子极上缠绕线的位置随着定子极和电机的不同而不同。也就是说，各绕组的匝放置位置不同，而且定子极绕组的横截面图形不同。结果，尽管都采用了相同的绕组匝数，定子极绕组的电感和电阻经常随着定子极的不同而不同。
尽管开关磁阻电机的设计已经比较成熟，但是仍然有几个地方需要改进。具体的，需要改进开关磁阻电机的转矩密度。通过提高转矩密度，对于给定的转矩输出，可以减小开关磁阻电机的尺寸和/或在保持原有体积的情况下增加转矩输出。电机实现了高转矩密度将赋予设计者在设计产品中更大的灵活性，并通过产品差别化和/或改善利润率来提高产品的销售。
还希望排除在开关磁阻电机中对RPT的需要。还希望用一种具有更高的一致性和可重复性的方式来组装开关磁阻电机，以通过减少定子的电感和电阻的差别来改善无传感器开关磁阻电机的性能。
发明概述
根据本发明的开关磁阻电机包括一个转子和一个具有多个定子段组件的分段定子。定子段组件限定了突出的定子以及极间的定子缝隙。每个定子段组件包括一个定子段铁芯，一个安装在定子段铁芯的相对轴向端表面上的端帽组件，和缠绕在定子段铁芯和端帽组件周围的绕组线。转子限定多个的转子极。转子趋向相对于定子旋转使得被激励的绕组的电感最大化。驱动电路根据转子位置激励缠绕在定子段组件周围的绕组线。
根据本发明的其他特点，每个定子板都具有外轮缘部分和齿状极部分。端帽组件包括一对安装在定子段铁芯的相对轴向端表面上的端帽组件，和一对与安装在定子段铁芯的相对侧的端帽相连接的固定器板。端帽组件定义了一个其中缠绕着绕组线的环形保持通道。保持通道方便了缠绕过程中精度的提高，并且往往减少使用中的绕组蠕动。
通过提供一个分段定子，本发明改善了开关磁阻电机的转矩密度。从而，对于给定的转矩输出，能够提高开关磁阻电机的转矩输出和/或减少开关磁阻电机的的尺寸。另外，可以在制造中使定子段组件具有更强的电气一致性，并具有更小的电感和电阻差别。可以使用无传感器转子位置感应技术，以极大的降低开关磁阻电机的制造成本，并改善可靠性。
从说明书、权利要求和附图可以更加清楚的理解其他的目的、特征和优点。
附图说明
图1示出了开关磁阻电机的分段定子和转子；
图2A给出了一个定子板；
图2B给出了图7B中定子板的齿宽度、投影宽度和定子极弧；
图3是一个与定子关联的定子段组件的立体图；
图4示出了驱动电路和用于将驱动电路连接至定子段组件终端的电路板；
图5A示出了定子段组件，为了更好的示出定子板堆和端帽组件，取下了组件上的绕组线和绝缘物质；
图5B是图5A中所示端帽组件的平视图；
图5C是图5B中所示端帽组件的端视图；
图6A类似于图5A，其区别在于采用了另一种端帽；
图6B是图6A中所示另一种端帽组件的平视图；
图6C是图6B中所示另一种端帽组件的端视图；
优选实施例的详细说明
如下的详细说明只提供了优选示例性实施例，但并不打算限制本发明的范围、应用、或者配置。相反，该优选示例性实施例的详细说明给本领域技术人员提供了可以用于实现本发明优选范例实施例的描述。应该明白，在不背离所加权利要求中列出的本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明中要素的功能和配置进行不同的修改。
参见附图，图中示出了一个开关磁阻电机10包括一个机架12、一个安装在机架12上的分段定子14、和一个被支撑着相对于分段定子旋转的转子16。根据本发明，分段定子14包括多个定子段组件18，这些组件可以独立组装并且随后与其它定子段组件进行组合，以提供一个分段定子14。正如下面将要详细说明的，每个定子段组件18包括一个定子段铁芯20、一个支持定子段铁芯20的端帽组件22、和一个缠绕在定子段铁芯20和端帽组件22上的绕组线24。
参见图1、2A和2B，定子段铁芯20包括一个固体核或者一堆独立定子板26。每个定子板26包括一个弧形外轮缘部分28和一个齿状电极部分30。外轮缘部分28的外轮缘表面32被成型以安装在机架12的内壁表面34上。每个外轮缘部分28具有一个形成于其一个端表面38的舌状突出36和一个形成于相对的端表面42的凹槽40。这种舌形和凹槽的设置在生产过程中使定子段组件的对齐。定子板26的每个电极部分30具有一个弧形的内边缘表面44和一对周向扩展突出46。
如前所述，定子段铁芯20是由多个的堆叠在一起的定子板26限定的。定子板26是用导磁物质的薄片冲切而成的。在冲切过程中，第一对切口50被切在外轮缘部分28，第二对切口52被切在齿状电极部分30。切口50横向地相对于切口52对齐。在将形成定子段铁芯20的定子板26是堆叠在一起之后，要用一个冲压过程来使切口50和52之间的中间部分变形。这样的操作使得定子板26之间可松开地互相连接来定义定子段铁芯20。
从图中可以看出，转子16包括一个环形轮缘部分54和多个的从边缘部分54向外径向突出的齿状极部分56。环形孔58成型于转子16上并且可以包括键槽60。转子16的环形孔58接收转子轴(图中没有示出)。在这个特定的实施例中，转子16具有八个等间距隔开的转子极部分56，分段定子14具有十二个等间距隔开的齿状电极部分30。还可以有其它定子极和转子极的组合。另外，每个转子极部分56具有一个弓形的外轮缘表面62，在这个外轮缘表面和定子板26的齿状电极部分30上的弓形内边缘表面44之间形成一个空气缝隙63。
参见图2B，图中示出了齿宽W1，突起宽度W2和定子极弧Bs。作为对定子进行分段的结果，开关磁阻电机的设计者在设计定子分段组件尺寸时具有更大的灵活性。当采用针式和传输绕组方法时，突起宽度W2受到定子齿状突出的径向内端之间缝隙张开尺寸的约束。当采用分段定子组件时，可以消除这种约束，这是因为在组装到定子上之前，定子齿可以被分别缠绕。
齿宽W1决定了定子齿中的磁通密度，以及在极之间的定子缝隙有多大区域是可以被绕组线利用的。开关磁阻电机的设计者可以选择齿宽W1，这样就可以充分调节定子极中的最大预定磁通，但并不超过需要的宽度。通过优化齿宽W1，可以增大缝隙区域，可以容纳额外的绕组线。通过在并不引起热度过高的前提下提高电流的载荷能力，可以改善开关磁阻电机的转矩密度。定子板的设计还依赖于其他的因素，例如：所选择的钢的类型、定子堆的轴向长度、工作速度、电动机的整体尺寸和所需的定子齿中的磁通密度。
参见图3，其中所示了完全组装的定子段组件18，包括定子段铁芯20、端帽组件22和绕组线24。端帽组件22由透磁物质制成，并且包括第一端帽64A、第二端帽64B和一对长的绕组固定器部分66。第一端帽64A位于定子段铁芯20的一端，第二端帽64B位于定子段铁芯20的相对一端。绕组固定器部分66连接第一和第二端帽64A和64B，并且位于临近突起46、靠近定子板26的电极部分30的径向内端的附近。端帽64A和64B的结构最好相似。同样，固定器部分66在结构上也最好相似。可以采用接插件来将每个固定器66的另一端连接到端帽64A和64B上。另外，可以采用粘合剂来将端帽64A和64B粘合在定子段铁芯20的相对端上，还可以用粘合剂将固定器部分粘合在定子段铁芯20的侧面。端帽64A和64B以及固定器部分66也可以铸造成为一个完整的端帽组件22。由于第一端帽64A和与第二端帽64B相类似，下面对组成部分的说明中将采用带有后缀“A”的参考号来表示第一端帽64A，用带有后缀“B”的参考号来表示相似的第二端帽64B。
在图3和图5A中所示的终端70和72将要安装在形成在第一端帽64A的一个端表面78A中的缝隙74和76(图5C)中。绕组线24的一端连接在第一末端70上，绕组线24的另一相对端连接在第二末端72上。在绕组线24和定子段铁芯20的侧面覆盖有绝缘物质77。在定子段铁芯20和绕组线24之间也有绝缘物质77(但没有示出)。
参见图4，驱动电路80通过连接线82、84和86与印刷电路板88相连接。印刷电路板88是环形的，并且具有多个的径向向外突出的终端片90。每个终端片90具有用于安装每个定子段组件18的终端70和72的传导终端槽92和94。驱动电路80用于控制对定子段组件18上的绕组线24的激励。
为了更加清楚的示出端帽组件22的结构，图5A示出了在缠绕上绕组线24之前的定子段组件18。第一端帽64A包括用中心部分102A相互连接的一个外侧部分98A和一个内侧部分100A，共同定义了公共表面104A。表面104A邻接并且与定子段铁芯20的端表面106相接合。类似地，第二端帽68B表面104B邻接并且与定子段铁芯20的端表面108相接合。当第一端帽64A被固定在定子段铁芯20上时，其外侧部分98A相对于外轮缘部分28稍微径向向内连接，并且同时保持与外轮缘部分28相平行。中心部分102A与齿状电极部分30对齐，内侧部分100A与内边缘表面44和突起46对齐并沿它们的侧面延伸超过它们。当第二端帽64B被固定在定子段铁芯20的另一端表面108上时，提供一种相似的对齐。此外，中心部分102A和102B的宽度要小于或等于定子段铁芯20的齿状电极部分30的宽度。固定器部分66的相对端分别与端帽64A和64B的表面104A和104B相连，与内侧部分100A与100B相邻。这样，端帽组件22具有连续的环形通道，在其中绕组线24可以被精确的安装和保持。
图5B示出了第一端帽64A的内侧部分100A和第二端帽64B的内侧部分100B，他们都是矩形的。然而，可以采用其他的形状(即，半园形、方形、锥形等)。作为进一步的选择，固定器部分66可以被做成悬臂部分，与端帽64A和/或64B形成整体，并适用于连接相对的端帽的内侧部分。为了减小端帽组件22的重量，侧面轴向凹槽110和中心轴向凹槽112可以形成在端帽64A和64B的外侧部分。类似地，也可以形成空腔114来进一步减少重量。
现在参见图6A、6B和6C，图中示出了可选的用于连接定子段铁芯20并支撑绕组线24的帽组件122。图5A、5B和5C中的参考号将用于适当的标识相同的元件。具体地，第一端帽124A通常与第一端帽64A类似。该可选端帽组件122包括一对附加的固定器部分。一个外固定器部分126A在临近外侧部分98A处从公共表面104A轴向伸展，以便用于连接第二端帽124B的外侧部分98B。外固定器部分126B类似的从其公共表面104B轴向伸展，以便用于连接第一端帽124A的公共表面104A。外固定器部分126A和126B为端帽组件22提供额外的支撑。此外，外固定器部分126A和126B填充定子段铁芯20的冲切下的部分，并且消除内壁表面130上的可能在缠绕过程中刮擦绕组线的锋利边缘。外固定器部分126A和126B具有锥形的剖面，以紧密的配合外轮缘部分28的内侧部分弓形表面130(图2)。
从前面的描述可以看出，根据本发明的开关磁阻电机的分段定子改善了转矩密度，这部分是通过提高缝隙的填充、允许更加精确的定子段组件缠绕(这改善了绕组和缝隙之间的热交换)和提供一个对于整体长度来说更加活跃的终端匝数长度(由于减小了终端匝数)。
可以以很大的电气一致性和很小的电感和电阻的变化制造电机的定子段组件。结果，可以采用无传感器转子位置感应技术，这极大的降低了制造成本并改善了可靠性和适用性。由于定子段的制造公差已经得到了改善，可以采用低成本驱动电路和/或可以实现更加精确的控制。另外，根据本发明的端帽组件能够防止绕组蠕动，并且还有助于改善定子段组件在使用中的电气一致性。
本领域的技术人员可以从前面的说明看出，本发明的主要内容可以用多种形式来实现。因此，虽然对本发明的描述是与具体例子相结合的，但是本发明的实际范围不应受此局限，这是因为在研究了附图、说明书和所附权利要求之后，本领域的从业人员就会理解对本发明的其他修改。
Claims (21)
1.一种开关磁阻电机，包括：
一个包括多个周向间隔开的定子段组件的定子，定子段组件包括定子段铁芯和缠绕在该定子段铁芯上的绕组线；
限定多个的转子极的转子，其中所述转子趋向相对于所述定子旋转，以使得被激励绕组的电感最大化；以及
一个驱动电路，用于根据所述转子的旋转位置激励缠绕在定子段组件周围的绕组线。
2.根据权利要求1的开关磁阻电机，其中所述的定子段铁芯包括堆叠在一起的定子板。
3.根据权利要求2的开关磁阻电机，其中所述的定子板包括：
一个径向的外轮缘部分；以及
一个从所述径向外轮缘部分的中心部分径向向内延伸的齿状部分。
4.根据权利要求3的开关磁阻电机还包括：位于所述绕组线和所述定子段铁芯之间的绝缘层。
5.根据权利要求3的开关磁阻电机还包括：从所述齿状部分的一个径向内端相对的两侧伸展出的突出。
6.根据权利要求5的开关磁阻电机还包括：
连接到所述定子段铁芯的对相表面的第一和第二端帽；以及
第一和第二端帽固定器部分，沿所述突起伸展，并连接所述第一和第二端帽相，
其中所述第一和第二端帽以及所述第一和第二端帽固定器部分减小在使用中所述绕组的移动。
7.根据权利要求2的开关磁阻电机，其中所述的定子段铁芯的定子板包括径向和横向的切口以及由冲压机使之形变以将定子板堆叠在一起的第一和第二中心部分。
8.根据权利要求1的开关磁阻电机，其中所述的驱动电路用无传感器技术感应转子位置。
9.在一个包括一个定子、一个转子和一个机架的开关磁阻电机中，改进的定子包括：
多个周向间隔开的定子段组件，被沿所述机架的内表面设置；
每个所述的定子段组件限定一个径向向内伸展的突出定子极，其中在临近定子段组件之间定义了极间定子缝隙，以及
所述的定子段组件包括一个定子段铁芯和缠绕在所述定子段铁芯上的绕组线。
10.根据权利要求9的改进的定子，其中所述定子段铁芯包括堆叠在一起的定子板。
11.根据权利要求10的改进的定子，其中所述的定子板包括：
一个径向的外轮缘部分；以及
一个从所述径向外轮缘部分的中心部分径向向内延伸的齿状部分。
12.根据权利要求11的改进的定子还包括：位于所述绕组线和所述定子段铁芯之间的绝缘层。
13.根据权利要求9的改进的定子还包括：从所述齿状部分的径向内端相对的两侧伸展出的突出。
14.根据权利要求11的改进的定子还包括：
连接到所述定子段铁芯的对相轴向末端的第一和第二端帽；
第一和第二端帽固定器部分，沿所述突起伸展，并连接所述第一和第二端帽，
其中所述第一和第二端帽以及所述第一和第二轴向端帽固定器部分减小在使用中所述绕组的移动。
15.根据权利要求8的改进的定子，其中所述的定子段铁芯的定子板包括径向和横向的切口以及被形变以将定子板堆叠在一起的第一和第二中心部分。
16.一种开关磁阻电机包括：
一个机架；
一个相对于所述机架旋转的转子；
一个安装在所述机架内表面上的定子，所述定子包括多个周向间隔来的定子段组件，其中所述的定子段组件包括形成定子段铁芯的堆叠在一起的多个定子板和缠绕在所述定子段铁芯上的绕组线，
其中每个定子板都具有基本上“T”形的横截面、一个径向外轮缘部分和一个从所述径向外轮缘部分的中心部分径向向内延伸的齿状部分。
17.根据权利要求14的开关磁阻电机还包括：位于所述绕组线和所述定子段铁芯之间的绝缘层。
18.根据权利要求14的开关磁阻电机还包括：从所述齿状部分的径向内端相对的两侧伸展出的突出。
19.根据权利要求16中开关磁阻电机还包括：
连接到所述定子段铁芯的对相轴向末端的第一和第二端帽；以及
第一和第二端帽固定器部分，沿所述突起伸展，并连接所述第一和第二端帽，
其中所述第一和第二端帽以及所述第一和第二轴向端帽固定器部分减小在使用中所述绕组的移动。
20.根据权利要求14的开关磁阻电机，其中所述的定子段铁芯的定子板包括径向和横向的切口以及被形变以将定子板堆叠在一起的第一和第二中心部分。
21.根据权利要求14的开关磁阻电机还包括：一个与所述定子段组件的所述绕组线相连的驱动电路，其中所述驱动电路利用无传感器转子技术感应转子位置。
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