CN1937354B - 用于开关磁阻电机的转子 - Google Patents

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Abstract

用于开关磁阻电机的转子具有由软磁性组合物的两个模制物提供的主磁路。两个模制物基本上是相同的，并配合在一起形成磁路，利用这种设计，其在未对齐的位置具有很低的磁阻。磁路的部分位于转子极的有效长度以外，并三维地描述磁通路径。

Description

用于开关磁阻电机的转子
技术领域
本发明总体涉及用于可变磁阻电机的转子设计。
背景技术
开关磁阻电机(电动机或发电器)是可变磁阻电机的一种形式。开关磁阻系统的特征和操作在本领域是公知的，并且例如在这里引用作为参考的Stephenson和Blake的“The characteristics，design and application ofswitched reluctance motors and drives”，PCIM’93，Nürnberg，1993年6月21-24中描述。也可以在各种教科书中发现驱动的一般处理，例如TJEMiller的“Electronic control of Switched Reluctance Machines”，Newnes，2001。图1以示意的形式示出典型的开关磁阻驱动装置，其中开关磁阻电机连接到负载19。直流电源11可以是电池或整流滤波过的交流电源或一些其它形式的能量存储。电源11提供的直流电压通过电子控制单元14控制下的电力变换器13开关跨接电动机12的相绕组16。
为了驱动器的正确运行，开关切换必须和转子的旋转角度精确同步，且转子位置检测器15通常用于提供对应于转子角度位置的信号。用于确定转子位置的无传感技术对于本领域的普通技术人员也是公知的。因此，转子位置检测器15可以采用很多种形式，包括软件算法，也可以利用它的输出来产生速度反馈信号。设置位置检测器和完全依赖于转子即时位置的激励方法的使用导致了用于这些电机的“转子位置切换”的总体描述。
图2示出许多公知的变换器的拓扑结构，其中电机的相绕组16与两个切换设备21和22横跨总线26和27串联连接。将总线26和27统称为变换器的“直流链路”。能量恢复二极管23和24连接到绕组，以便使绕组电流在开关21和22打开时能够流回DC链路。被称为“直流链路电容器”的电容器25跨接DC链路以作为不能来源于或返回电源的DC链路电流的任何交流分量(即，所谓的“波纹电流”)的源或宿。实际上，电容器25可以包括串联或并联连接的几个电容器，其中使用并联连接时，一些元件可以分布在整个变换器中。电阻器28与下开关22串联连接以提供非孤立的电流反馈信号。图1中示出给出孤立信号的交流电测量装置18。多相系统通常使用并联连接的图2的几个“相脚”，以便激发电机的相。
开关磁阻电机的相位电感周期是每相的电感在例如当转子极和对应的各定子极完全对齐时的最大值之间的变化的时间。图3示出关于对应电机电流波形的典型电感曲线。如上面Stephenson论文中所述，在转子位置θon绕组切换到电源并在θoff从电源移开。以理想化的形式示出了电感，而实际上由于在空气中磁通的干扰和铁磁路径的饱和，曲线的角是圆的。
通常电机由电气钢板构成，所得的结构用于承载电机工作所依赖的磁通。将该结构层叠以减少涡流效应，涡流是由于磁通的时间变化率而产生的在钢中的流动。通常具有不变磁通的电机具有不层叠的结构。例如，直流电机的场结构可以不层叠(例如固态)，但是为了减少在新的操作条件下的瞬变响应，即使在这些电机中也经常采用层叠结构。通常由电机中磁通变化的频率决定层叠程度。例如，在由50或60Hz的电源直接激励、并例如以1500或1800转/分钟工作的电机中，经常采用0.50或0.65毫米的叠层厚度。对于在400Hz电源下工作并以10000转/分运转的电机来说，可以选择0.20毫米的叠层厚度。
当然，降低叠层厚度带来了许多缺点，不仅仅在材料成本和制造难度方面，但是为了获得减小的涡流损耗、较高的效率和较高的比输出，设计者通常愿意接受这些缺陷。
电机的输出还依赖于所用钢的所谓磁化特性。这是施加到钢的磁化作用(即磁动力，mmf)与因此产生的磁通之间的关系。尽管设计者可以选择的钢具有一系列的级别，但它们都具有的相同的一般特征在于，在mmf和磁通之间开始的一般为线性的关系随着到明显非线性的点的mmf的增加而逐渐变差。实际上，这表示钢可有效承载的磁通量的极限-通常称为“饱和”的状态，尽管这不是很贴切的词，因为在所述关系中没有明显的截止。
钢的磁化特性与使用所述钢的任何电机的理想特性具有不可分离的相互关联。例如，在开关磁阻电机中，理想的电感曲线(在上面的Stephenson论文中讨论并在图3中示出)呈现钢的特性并被明显地修改。这在图4中示出的磁通泄漏/角度/电流的关系中可以看出，其中磁通与电流的非线性立即很明显。
通常，电机的设计者在很大的压力下设计更小和成本更低的电机来满足日益更加需要的性能规定。尺寸是重要的，因为它通常涉及重量和成本，在其中燃料消耗日益成为主要问题的例如飞行器和汽车的领域中这些参数是重要的。首先，通过使钢更硬，即在给定的体积下使它承载更多的磁通简单地获得对于给定性能的尺寸减小。然而，观察图4的曲线表明该非线性的结果在mmf上增加，导致在电机的欧姆损耗上的非线性增加，因此导致了与冷却有关的热管理问题。有可能随后增加用于电机的电流变换器的成本。因此存在明显的用于电机的比输出的实际限制。
图5中示出典型开关磁阻电机的截面。电机是双凸的，即定子和转子叠层都具有磁性凸极。在图5(a)中，转子具有完全与A相定子极对齐的一对极。这表示相的最大电感位置，经常表示为Lmax，如图3所示。在图5(b)中，转子已经旋转到转子的内极轴与定子极对齐的位置。这表示最小电感位置，表示为Lmin。随着转子的旋转，电感在Lmax和Lmin的极值之间变化，假设图3中示出理想化的形式。通常，转子和定子具有相同的轴长，它们内部的磁通路径沿轴长在任何截面在理论上都相同。芯部的轴长经常表示为电机的‘有效长度’，绕组的端部线匝位于电机两端的有效长度之外。
图5示出示意性的磁通路径，尽管它大大简化了实际路径的复杂性，但它示出磁通通过转子背铁以及通过转子极，即转子的背铁区域是与相绕组有关的磁路的整体部分。磁通路径基本上是二维的。图5(b)也清楚地表明：最小电感在很大程度上依赖于从定子极到转子背铁的空气路径的长度。图6示出具有标记为区域A的背铁的两极转子的常规形状的草图。
简而言之，由开关磁阻电机产生的扭距与Lmax和Lmin之间的差成正比。引入了设计者的技术来实现通过增加Lmax和减小Lmin来使该差最大化。然而将可以看出：虽然减小转子背铁将趋向于减小Lmin，但它也减小了Lmax，因此对于该区域的改善具有有限的范围。
在此引入作为参考的美国专利No.5828153(McClelland)公开了一种由叠层材料形成的转子，其位于特定型号的具有外部转子的开关磁阻电机中。
通过改变磁通路径方向减小Lmin的尝试通常被用于容纳损耗而需要的层叠材料所阻碍。在此引入作为参考的美国专利申请No.2004/0070301(Mecrow)公开了一种必须组装在轴上的转子段的配置。这些系统不可避免地将机械复杂性引入到转子设计中。
所以需要一种成本合算的转子设计，它减小Lmin而不明显减小Lmax。
软磁性组合物(SMC)材料是基于铁粉的可磁化材料。通常它被压成所需的成品形状而不用冲压和/或机加工。在粉末冶金技术上的发展已经制造了粘合剂，它涂覆铁粉并保持高电阻系数，因此当材料暴露于随时间变化的磁通时，材料中的涡流减小。可以将材料置于模具中并在高达800Mpa的压力下压制以形成所需的元件。然后将所得元件在高达500℃的温度下经过热处理。在“Soft Magnetic Composites-Materials and Applications”，Hultman & Jack，IEMDC Conference，Madison，Wisconsin，USA，1-4 June2003，Vol 1，pp516-523中给出了材料性能的总结，其在此引入作参考。
近年来，对于在磁路的一些部分中使用SMC材料的永磁体、同步和磁阻电机已经提出了原型设计。例如，在此引入作为参考的“An IronComposite Based Switched Reluctance Machine”，Alakula et al，StockholmPower Tech，18-22 Jun 1995，Vol 3，pp251-255用SMC材料替代了常规叠层，而保持基本的磁体几何形状不变。然而该方案未能论证超过常规电机的任何优点。在此引入作为参考的“Design of a High Speed SwitchedReluctance Generator for Aircraft Applications”，Duhayon et al，ICEM2002，International Conference on Electrical Machines，25-28 Aug 2002，Brugge，Belgium中报告的工作中采用了类似的方法。通常，设计者希望制造至少部分为SMC的部件，它在机械和功能上和现有转子相同。但未曾尝试使用没有叠层限制的软磁材料来解决增加Lmax与Lmin之间的差的问题。
本发明由所附独立权利要求限定。在从属的权利要求中描述了本发明的优选特征。
发明内容
本发明人已经认识到，为了利用材料的性能和制造改善的转子，将SMC应用到开关磁阻结构要求在常规的转子形状上进行根本的改变。
本发明的实施例总体涉及用于可变磁阻电机例如开关磁阻电机的转子，其具有芯部和至少两个转子极，每个转子极从芯部轴向延伸，其中极由未层叠的可磁化材料制成。这种材料的一个实例是可以模制成所需形状的SMC。
在一种形式中，芯部是由未层叠的磁性材料制成。
本发明的一个实施例具有转子极，其关于旋转轴设置并从芯部延伸。通过移置芯部，转子极可以设置在自由空间。磁通路径具有三维，其中磁通通常沿转子极延伸并在转子极的一端或两端通过芯部。
芯部可以包括环形和/或一系列径向的臂，在其上设置有转子极。极本身可以和芯部整体形成(例如通过模制)或在制造后固定到芯部，例如通过键和槽的啮合形式。对于本领域技术人员显而易见的其它形式的固定方式也是可以的。例如，可以使用适当的粘合剂例如氰基丙烯酸酯粘合剂将元件固定到一起。
在一种形式中，转子由两个模制件形成，它们的每一个形成转子极总数的一部分。将两个模制件结合在一起，使得转子在任何一端都具有芯部。该转子的每个模制件具有基本相同的形状，并具有转子极总数的一半。
因为转子极之间的磁路被移置在转子极的有效范围外，因此降低了Lmin，从而本发明的实施例获得了较大的Lmin和Lmax之间的差。
附图说明
通过阅读下面的本发明典型实施例的具体描述并参考附图，本发明的其它方案和优点将变得显而易见，其中：
图1示出开关磁阻驱动系统的示意图；
图2示出图1驱动器的典型电源电路的拓扑图；
图3示出典型开关磁阻电机的电感曲线和电流波形；
图4示出典型开关磁阻电机的磁通泄漏和电流的关系；
图5(a)示出对齐位置的磁阻电机的典型截面；
图5(b)示出未对齐位置的磁阻电机的典型截面；
图6示出现有技术的开关磁阻电机的2极转子；
图7示出根据一个实施例的转子；
图8(a)示出图7转子的截面；
图8(b)示出与定子有关的图8(a)的转子；
图9(a)示出另一实施例的元件；
图9(b)示出图9(a)元件的组件；
图10(a)示出另一实施例的元件；
图10(b)示出图10(a)元件的组件；
图11(a)示出另一实施例的元件；
图11(b)示出图11(a)元件的组件；
图12(a)示出另一实施例的元件；
图12(b)示出图12(a)元件的组件；
图13示出用于图12(a)转子的可选的一组元件；
图14示出包括所述转子的可变磁阻电机；
图15示出6极转子实施例的元件；以及
图16示出转子的可选形式。
具体实施例
为了获得Lmin的大量减小(并因此增加对于给定激励产生的扭距)，本发明使用一个或多个‘背铁’芯部B来连接可变磁阻电机的转子的两个转子极30的端部，如图7所示。在该实施例中，通过环状圈32在转子极30对的轴端将其连接。在该实施例中转子由SMC压制而成。可以看出，芯部B位于转子极轴长度的外侧和它们之间直线的外侧。图8(a)示意性地示出磁通路径。图8(b)示出相对于具有绕组W的定子S设置的相同的转子。转子绕由线X-X表示的轴旋转。从图8(b)将清楚地看出，尽管在对齐位置中的空气间隙的磁通图形实际上没变，但在未对齐位置中的定子极之间的间隙是很大的，因为在转子极之间的直径方向上没有可磁化材料。现在磁通路径移到电机每端的芯部。如果转子在其上旋转的轴由非磁性材料制成，那么磁通，由此导致电感，在未对齐位置将很小，因此达到减小Lmin而不显著改变Lmax的目的。注意，现在以三维而不是二维来描述与相绕组有关的磁路。
可以将图7、8(a)和8(b)看作示出必要技术元件的实施例。将可以看出，实际上从技术难度上讲不可能由叠层制造出图7和8的形状，但是可以模制它。
图9(a)和9(b)示出用SMC材料模制的四极转子的实施例。为了该目的，适合形式的SMC是Somalloy 500，它由瑞士的Hoganas的Hoganas AB制成。它适合于在此描述的任何实施例。转子包括由相同的模具制造的图9(a)的两个同样的部分，并按图9(b)所示组装。每部分包括构成芯部的模制环状端圈34，，其还由一对直径上相对的转子极部件36形成，并具有朝外的弧形极面。使用适当的非磁性配件相对于轴保持它们，如技术人员所理解的。虽然根据用于任何设计的特殊需要选择元件的尺寸，特别是那些限定磁路截面和端圈之间的轴距的尺寸，但保持使转子极的连接元件位于定子或转子极的轴长的外侧的基本技术特征。
图10(a)和10(b)示出另一个实施例，再一次使用两个相同的元件提供四极转子。在本实施例中，背铁部件38为‘X’形，具有四个臂40，一对臂具有从其延伸的转子极42。现在芯部具有十字形，其允许有在模制中形成的孔44或其它安装装置，例如凸起。在本实施例中，孔44接收转子可以绕其旋转的不可磁化的轴46。
图11(a)和11(b)示出另一个实施例，其允许将模制的元件相互夹住。仅当转子组装时才完成芯部的十字形状。在本实施例中，每部分转子包括第一全长背铁元件48，相对的转子极50从其延伸。第二背铁元件52附接于每个转子极50的端部，使得一对面横跨间隙彼此面对，该间隙具有和相应的全长背铁元件48的侧面厚度相同的尺寸。
如图11(b)所示，当一对转子元件互相以直角匹配在一起时，全长和部分背铁元件的组合在转子极的每端产生完整的转子背铁。用于转子轴55的孔54形成在每个全长背铁元件48中，和前面的实施例具有的安装装置相同。
图12(a)和12(b)仍示出另一实施例，其中楔形榫形式的键56形成在个转子极42’的径向内表面。在芯部40’的臂的端部，它们与互补的键槽58啮合。这种设置能将转子极牢固固定以抵抗离心力。本实施例适合于高速使用。转子仍由两个相同的元件构成，元件形状可以在一次模制。替换或除了使用键槽将元件固定在一起，可以使用其它的固定形式，例如适当的粘合剂，如氰基丙烯酸酯粘合剂。
当然可以再分基本元件，例如图13所示。在本实施例中，转子极60与芯部62分开形成。如同以前的实施例，使用每个极的内表面上的楔形榫64，将极60键合到芯部62，楔形榫与在芯部62的每个相应臂上的槽66啮合。现在需要两个模具，一个用于制造极60，一个用于制造芯部62。在磁性上，本实施例将极和端部区域混合在一起。虽然这种方法增加了转子的组装时间，但它可以降低模具的成本，因为模具比要求制造例如图12的元件的模具更简单。
另一个实施例仅使用一个芯部，而所有的极都与其连接。这种实施例可以模制成一件。它可以采用一个例如图9(a)所示的元件或图10(a)所示的类似的一个元件。尽管这较难稳定地安装在轴上并在轴上保持对中，但它提供了一种低成本的选择，这特别适合于小的电机。
图16示出了本发明的另一种形式。在本实施例中，所示的转子具有单个芯部70。每个转子极72从芯部70轴向延伸。如图所示，每个转子极部分在芯部70任何一侧上相等延伸。在其它实施例中，每个转子可以延伸到一侧或在每侧延伸不同的量，这取决于材料的机械限制和工作条件。
图14示出一种可变磁阻电机，其中使用图13的转子。它使用由层叠钢制成的典型设置的定子68，其具有沿电机轴X设置的六个定子极70。每个定子极携带定子绕组74，为了清楚起见而省略了其中的四个。转子沿相同的轴X安装在非磁性轴72上，所述轴72例如为不锈钢。图14电机的工作是根据可变磁阻电机控制所建立的规则。例如，分别使用图1和2的系统和电路，它可以作为开关磁阻电机或发电机来运转。
往回参考图8(a)和8(b)，可以看出，转子轴向延伸超过定子轴长的距离基本等于转子芯部的轴向厚度。这在图14的电机两端是相同的。
本发明不限于转子极的具体数量。例如，图15示出适合于比如说4相系统的8极定子使用的6极转子。如同其它的实施例，极绕旋转轴等角分开。一次模制的转子极42”键合到另一次模制的芯部的臂。转子可以由如图所示的两个相同的元件或一对端盘和六个极件形成。根据本发明由未层叠的可磁化材料制成的转子可以使用在实际存在的任何常规层叠转子的情况中。
尽管将转子描述为模制的，但它可以用其它的方式形成，例如机加工。同样，材料可以是任何未层叠的可磁化材料，而不使用上述的Somalloy500。
转子可以可选地由模制和层叠材料的组合制成，例如极可以被模制而芯部由电气钢板的叠层形成。可以用公知的方式将极紧固到芯，例如利用在芯部的插孔接收极上的插头，反之亦然。
而且，尽管相对于旋转电机描述了本发明，但本发明也同样适用于线性电机，其具有轨道形式的定子和在其上移动的移动部分。在本领域中使用的词“转子”指的是旋转和线性电机的可移动部分并且在本文中也是如此解释。因此，上面描述的几个实施例仅用于示例而不用于限制到旋转系统的目的。
技术人员可以理解，在不脱离本发明的情况下可以对公开的配置进行变化。因此，上面描述的几个实施例仅用于示例而不用于限制目的。本领域的技术人员很清楚，在不明显改变上述操作的情况下可以对配置进行小的修改。本发明仅由下面权利要求书的范围限制。

Claims (16)

1.一种可变磁阻电机，其包括转子，所述转子包括第一芯部(32、34、38、48、52、40’、62)和至少两个转子极(30、36、42、50、42’、60)，每个所述转子极从所述第一芯部轴向延伸，其中至少所述转子极由未层叠的可磁化材料制成，所述电机还包括定子，所述第一芯部被设置在所述定子的一端，使得由所述转子和定子产生的磁路包括轴向延伸超过定子极的转子的磁通承载部分。
2.如权利要求1所述的电机，其中所述第一芯部还由未层叠的可磁化材料制成。
3.如权利要求1所述的电机，其中至少所述转子极由所述未层叠的可磁化材料模制成。
4.如权利要求1所述的电机，其中所述可磁化材料是软磁性组合物。
5.如权利要求1所述的电机，其中所述转子极被绕轴设置，并且每个所述转子极限定径向的面朝外的极面。
6.如权利要求5所述的电机，其中所述极面是关于所述轴对中的弧形面。
7.如权利要求1-6中任一项所述的电机，其中所述转子包括第二芯部，所述转子极在所述第一和第二芯部之间延伸，所述第二芯部被设置在所述定子的另一端。
8.如权利要求7所述的电机，其中至少一些所述转子极(50、42’)是具有所述第一芯部和所述第二芯部中的一个(48、40’)的整体部件。
9.如权利要求7所述的电机，其中所述转子极的第一部分是具有所述第一芯部的整体部件，所述转子极的第二部分是具有所述第二芯部的整体部件。
10.如权利要求7所述的电机，其中所述第一和第二芯部基本具有相同的形状。
11.如权利要求1-6中任一项所述的电机，其中所述转子包括单个芯部。
12.如权利要求1-6中任一项所述的电机，其中所述转子极(60)是被固定到所述第一芯部(62)的分离部件。
13.如权利要求1-6中任一项所述的电机，其中所述第一芯部是环状的。
14.如权利要求1-6中任一项所述的电机，其中所述第一芯部限定径向臂，所述转子极从所述径向臂轴向延伸。
15.如权利要求1-6中任一项所述的电机，还包括非磁性的转子旋转轴。
16.如权利要求1-6中任一项所述的电机，其被设置为作为旋转电机运转，从而所述转子在所述定子内旋转。
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