CN201174648Y - 一种新型永磁式3相开关磁阻电动机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，包括定子和转子；转子有4N个凸极，其中N为大于2的正整数；定子有3N个硅钢片凸极，与圆形磁轭一体；定子磁轭的内部还镶嵌有N个永磁凸极；转子4N个凸极在圆周上均布，定子N个永磁凸极以及各相N个凸极也在圆周上均匀分布，并且具有相同的磁性。该永磁式3相开关磁阻电动机磁路结构有很大的改进，定子铁芯冲片是完整的一片，磁轭外形是个圆，比较简单、牢固和实用，有利于永磁式3相开关磁阻电动机产品的开发，也便于电动机的装配。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种永磁式3相开关磁阻电动机，具体地说，涉及一种永磁式3相开关磁阻电动机中的磁路结构。
背景技术
早在1995年国外就有文章提出一种永磁式3相开关磁阻电动机，后来国内浙江大学也有同行研究过，并且制作了一台功率为130瓦的小样机，其技术性能良好，初步取得了一些成果。
该永磁式3相开关磁阻电动机的磁路结构如图1所示。这是一台定/转子为6/4极的电动机，定/转子铁芯凸极在圆周上均布，但定子铁芯冲片被剖成上、下两半，每半有三个相邻的3相凸极，两半左右接缝中各嵌装着上下同一磁性朝向的永磁体，公共地向3相定子凸极注入磁通Φm。
假定Ga、Gb、Gc为3相定子凸极的磁导，随着转子转角θ的改变，它们作周期性的变化，周期是转子凸极的极距τ＝π/4。理想化时，磁导的波形如图2所示；线性上升段和下降段各占转角范围τ/3，磁导等于峰值GM的转角范围很小，接近于零，其余转角范围τ/3，磁导值近似地为零。
电动机3相凸极的磁导在相位上相差τ/3转角，任何时候3相凸极磁导之和等于Gm。当转子转角θ改变的时候，只要把磁导乘上WΦm/Gm就可得到该相凸极的磁链φa、φb、φc。此处W系凸极上线圈的匝数。
在永磁式开关磁阻电动机中，转子得到电动转矩依靠磁场反应转矩，这种转矩是磁链φ和线圈中电流i的作用下产生的。转矩的方向与φ和i的方向有关，不考虑铁芯饱和时转矩的大小正比于φ和i。
为了尽可能增大机/电能量转换比，一般在φ的上升段通以正向电流，在φ的下降段通以反向电流，让共磁能在周期τ内的这二段都有正的变化率。
按照这一策略，流过相绕组的电流应是周期性地交变的，所以功率逆变电路应当用全桥电路，例如采用三个单相桥式电路或一个三相桥式电路。
图2中对应于3相磁链φa、φb、φc，画出了3相电流ia、ib、ic的波形。仔细观察，可以看到ia、ib、ic的瞬时值之和等于零，因此如果把电动机3相绕组相的尾端连接起来，接成星形，功率逆变电路就可以用一个三相桥式电路。采用这种功率逆变电路后，不仅所用到的功率开关减少一半，而且功率逆变电路与相绕组的主电路连线也从六根减为三根。
电动机定子磁轭中所嵌入的永磁体材料的磁阻很大，与空气层的磁阻差不多，当定子凸极的相绕组通用电流时，本身所产生的磁通要经过别的相凸极才能构成回路。这就意味着各相绕组间存在着互感，如果这二相凸极的磁导分别为G和G′，则两相间的互感为M＝-W2(G/Gm)G′。式中负号表示互感磁通与本身线圈产生的磁通的方向相反。
与此同时，本相绕组的自感也不再是一般开关磁阻电动机中的W2G，而是还要乘上(Gm-G)/Gm。图2中已分别画出了3相自感La、Lb、Lc和3相间互感Mab、Mbc、Mca的大致波形。
从图2自感的波形可见，在定子凸极或者槽对准转子凸极时，自感值都接近于零，而在定子凸极与转子凸极重叠一半时，自感达到最大值W2Gm/4。自感的最大值比一般开关磁阻电动机小四倍，而且在电动机3相换相时恰好自感值接近于零，这对换相非常有利。
自感和互感的大小与转子转角有关，仍会产生原先的磁阻变化转矩，但在周期τ内，磁阻变化转矩的平均值等于零。另一方面在永磁开关磁阻电动机中，主磁场依靠永磁体建立，相绕组的匝数可以大为减少，这不仅可以减小磁阻变化转矩的脉动分量，也有利于减小电动机的铜电阻功耗。
除了存在着上述变化的自感、互感以外，永磁体开关磁阻电动机的技术性能接近于无换向器的直流电动机，永磁式开关磁阻电动机的优点则是转子的结构简单可靠，转动惯量比较小。
永磁式开关磁阻电动机有许多特点和优点，有很大的发展潜力，那么为什么至今未有大的进展而形成实际产品呢？这是个值得深思的问题，本实用新型在磁路结构方面作了改进，希望永磁式开关磁阻电动机能更加实用。
实用新型内容
本实用新型正是为了解决上述技术问题而设计的一种新型永磁式3相开关磁阻电动机。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，包括定子和转子；转子有4N个凸极，其中N为大于2的正整数；定子有3N个硅钢片凸极，与圆形磁轭一体；定子磁轭的内部还镶嵌有N个永磁凸极；4N个凸极在圆周上均布，极距为π/2N；齿形与一般开关磁阻电动机中的一样，极弧角比π/6N稍大；N个永磁凸极在圆周上均匀分布，永磁凸极的极弧角稍大于或等于π/2N；N个永磁凸极是同磁性的，朝向转子方向磁性都为N极，或者都为S极；N个永磁凸极镶好后，内圆的直径与硅钢片凸极构成的直径一致；磁轭上的3N个硅钢片凸极以相邻的三个为一组3相，组间中心线夹角为2π/N；每组3相凸极与永磁凸极间隔设置，其中心线与永磁凸极的中心线夹角为π/N；每个凸极的极弧角为π/6N，同组三个凸极中，相邻二个凸极间中心线的夹角也为π/3N。
所述一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，其3N个硅钢片凸极嵌有规格相同的线圈，属于同一相不同组的凸极在圆周上均布，它们的线圈连成相绕组；在相绕组通电流时，线圈中流过相等的电流，并且硅钢片凸极中得到的磁性相同，朝向转子的磁性都为N极。
所述一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，其3N个硅钢片凸极嵌有规格相同的线圈，属于同一相不同组的凸极在圆周上均布，它们的线圈连成相绕组；在相绕组通电流时，线圈中流过相等的电流，并且硅钢片凸极中得到的磁性相同，朝向转子的磁性都为S极。
所述一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，其三个相绕组首端连接功率逆变电路，三个相绕组尾端连接在一起构成星形，成为一个三相交流发电机，输出电压的大小正比于转子转速。
所述一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，其三个相绕组分别与各自的功率逆变电路相连成为三个单相交流发电机，输出电压的大小正比于转子转速。
所述一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，其驱动相绕组的功率逆变电路是全桥整流电路。
所述一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，其电动机为普通机座，定子铁芯冲片是整片结构，磁轭的外形为圆形。
本实用新型的有益效果是：磁路结构有很大的改进，定子铁芯冲片是完整的一片，磁轭外形是个圆，比较简单、牢固和实用，有利于永磁式3相开关磁阻电动机产品的开发，也便于电动机的装配。
附图说明
图1：一般永磁式3相开关磁阻电动机的磁路结构图；
图2：图1中3相自感La、Lb、Lc和3相间互感Mab、Mbc、Mca波形图；
图3：本实用新型永磁式3相开关磁阻电动机磁路结构图；
图4：三个单相全桥的永磁式3相开关磁阻电动机功率逆变电路图；
图5：三相全桥的永磁式3相开关磁阻电动机功率逆变电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
如图3所示是本实用新型实施例转子为8极的磁路结构图。定子有6个硅钢片凸极，2个永磁凸极。转子铁芯凸极极距为τ＝π/4，与一般开关磁阻电动机一样。下面来介绍一下定子的情况。
在圆形定子铁芯磁轭上，保留有上、下两组3相硅钢片凸极，左右两侧则镶嵌有两个永磁凸极，一组3相凸极的中心线与永磁凸极中心线的夹角为π/2。
两个永磁凸极在圆周上面对，它们朝向转子的磁性是相同的，或者为N极，或者为S极。图3中画的S极。永磁凸极的极弧角为π/4，或者再大些，以便保证永久磁场向定子3相硅钢片提供的总磁通不变。
另一方面，定子铁芯的6个硅钢片凸极上嵌有规格相同的线圈。属于同一相凸极在周围上面对，其凸极上两个线圈串联或并联，构成相绕组。在相绕组通有电流时，两个凸极中所产生的磁通对转子的流向相同，亦即朝向转子的磁性或者都为N极，或者都为S极，图3中画的是N极。
当转子转角改变时，如果某相定子硅钢片凸极的磁导增加，则上述安排下凸极上共磁能增加，就会产生使转子加速转动的转矩。与此同时，另一相定子硅钢片凸极的磁导在减小，如果在这相凸极的线圈中通有反向电流，则其负值共磁能的绝对值在减小，也会产生使转子加速的转矩。
驱动永磁式开关磁阻电动机相绕组的电流正负交变，功率逆变电路是全桥的。可以采用图4示三个单相桥式电路，这一方案便于分相控制，但所用功率开关较多，故本实用新型优先推荐使用一个三相桥式电路，其接法如图5所示。
在图5示电路中，电动机相绕组已先接成星形，功率逆变电路对电动机相绕组的连线也已减为3根，比较方便和经济。采用图5一个三相桥式逆变电路时，要求三个相电流的瞬时值之和须等于零，永磁式开关磁阻电动机恰好能满足这个条件。
在本实用新型永磁开关磁阻电动机中，永磁凸极的大磁阻仍迫使磁路处于“双相激励”状态，各相线圈之间存在着互感，本相线圈的自感也大大减小。这有利于换流，又有利于减小互感和自感随转子转角变化所引起的转矩脉动。
与一般开关磁阻电动机比较起来，相绕组中有较大的旋转反电势，这也非常有利于各相间的换流。另外如果把永磁式开关磁阻电动机作为发电机来运行，根据各相感应电势的波形，也能推测出该相凸极磁导的变化情况，为改进转子凸极的齿形提供依据。
本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下得出的其他任何与本实用新型相同或相近似的产品，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1、一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，包括定子和转子；其特征在于：转子有4N个凸极，其中N为大于2的正整数；定子有3N个硅钢片凸极，与圆形磁轭一体；定子磁轭的内部还镶嵌有N个永磁凸极；4N个凸极在圆周上均布，极距为π/2N；齿形与一般开关磁阻电动机中的一样，极弧角比π/6N稍大；N个永磁凸极在圆周上均匀分布，永磁凸极的极弧角稍大于或等于π/2N；N个永磁凸极是同磁性的，朝向转子方向磁性都为N极，或者都为S极；N个永磁凸极镶好后，内圆的直径与硅钢片凸极构成的直径一致；磁轭上的3N个硅钢片凸极以相邻的三个为一组3相，组间中心线夹角为2π/N；每组3相凸极与永磁凸极间隔设置，其中心线与永磁凸极的中心线夹角为π/N；每个凸极的极弧角为π/6N，同组三个凸极中，相邻二个凸极间中心线的夹角也为π/3N。
2、根据权利要求1所述的一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，其特征在于：3N个硅钢片凸极嵌有规格相同的线圈，属于同一相不同组的凸极在圆周上均布，它们的线圈连成相绕组；在相绕组通电流时，线圈中流过相等的电流，并且硅钢片凸极中得到的磁性相同，朝向转子的磁性都为N极。
3、根据权利要求1所述的一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，其特征在于：3N个硅钢片凸极嵌有规格相同的线圈，属于同一相不同组的凸极在圆周上均布，它们的线圈连成相绕组；在相绕组通电流时，线圈中流过相等的电流，并且硅钢片凸极中得到的磁性相同，朝向转子的磁性都为S极。
4、根据权利要求1所述的一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，其特征在于：三个相绕组首端连接功率逆变电路，三个相绕组尾端连接在一起构成星形，成为一个三相交流发电机。
5、根据权利要求1所述的一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，其特征在于：三个相绕组分别与各自的功率逆变电路相连成为三个单相交流发电机。
6、根据权利要求1所述的一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，其特征在于：驱动相绕组的功率逆变电路是全桥整流电路。
7、根据权利要求1所述的一种新型永磁式3相开关磁阻电动机，其特征在于：电动机为普通机座，定子铁芯冲片是整片结构，磁轭的外形为圆形。
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|---|---|---|---|---|
| CN103475112A (zh) * | 2013-08-22 | 2013-12-25 | 浙江双民科技有限公司 | 开关磁阻发电机 |
| CN105932793A (zh) * | 2016-06-08 | 2016-09-07 | 华中科技大学 | 一种定子极不等间距双凸极永磁同步电机 |
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2008
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|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
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|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
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| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20081231 |