CN202721589U

CN202721589U - 混合励磁轴向磁场盘式开关磁阻电机

Info

Publication number: CN202721589U
Application number: CN 201220282499
Authority: CN
Inventors: 徐衍亮
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2022-06-15

Abstract

本实用新型公开了一种混合励磁轴向磁场盘式开关磁阻电机，包括定子盘和转子盘，定子盘包括若干定子轭盘、定子极，转子盘包括转子轭盘、转子极，转子极均匀分布于转子轭盘上，定子极均匀分布于定子轭盘的圆周处，每个定子极上设有一个定子线圈，定子线圈之间连接组成多相绕组，在相邻的两个定子极之间设有槽口，在槽口处设有永磁体，永磁体位于定子线圈外部的上方，永磁体的充磁方向为切向，每个定子极两边的永磁体充磁方向相反，所述定子极设有六个，所述转子极设有四个；具有电机运行效率高，电机振动及噪声低，以及电机的功率密度和转矩密度高的优点。

Description

混合励磁轴向磁场盘式开关磁阻电机

技术领域

本实用新型属于开关磁阻电机，尤其涉及一种采用永磁励磁和电流励磁混合励磁轴向磁场盘式开关磁阻电机。

背景技术

开关磁阻电机是上世纪70年代开始研制的一种新型的交流调速系统，由于其结构简单、成本低廉、运行可靠、起动电流小、控制方法灵活、无级调速、调速范围广、可高速运行、可低速直接驱动运行等优良性能，已受到当代电气传动的关注，在工业调速系统中的应用也越来越广泛。轴向磁场盘式电机具有转动惯量比高、功率转矩比高、轴向长度短、体积小和重量轻的特点，特别适合于要求短轴、薄型安装或低速大转矩的应用场合，从本世纪70年代以来得到了大力发展。将轴向磁场盘式结构应用于开关磁阻电机，就构成了轴向磁场盘式开关磁阻电机，该种电机兼具盘式电机和开关磁阻电机的优势，具有很好的应用价值。轴向磁场盘式开关磁阻电机在本质上还是开关磁阻电机，不但具有开关磁阻电机的优点，同时具有开关磁阻电机固有的缺点，即转矩脉动大、震动噪声高、功率密度和转矩密度也相对较低，电流波形巅峰值大，这诸多缺点限制了该种电机的广泛应用。针对开关磁阻电机的缺陷，对径向磁场开关磁阻电机进行了诸多该进，文献1在定子槽口处加永磁体，提高了电机的功率密度和转矩密度，提高了电机的运行效率，降低了电机的振动及噪声，文献2在转子槽口处放置永磁体，提高了电机的功率密度和转矩密度。目前为止未见针对轴向磁场盘式开关磁阻电机通过放置永磁体进行性能改进的报道。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术的轴向磁场盘式开关磁阻电机存在的转矩脉动大、振动噪声高、功率密度和转矩密度也相对较低，电流波形巅峰值大的问题；提供一种混合励磁轴向磁场盘式开关磁阻电机；具有电机运行效率高，电机振动及噪声低，以及电机的功率密度和转矩密度高的优点。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种混合励磁轴向磁场盘式开关磁阻电机，包括定子盘和转子盘，定子盘包括定子轭盘、定子极，转子盘包括转子轭盘、转子极，转子极均匀分布于转子轭盘上，定子极均匀分布于定子轭盘的圆周处，每个定子极上设有一个定子线圈，定子线圈之间连接组成多相绕组，在相邻的两个定子极之间设有槽口，在槽口处设有永磁体，永磁体位于定子线圈外部的上方，永磁体的充磁方向为切向，每个定子极两边的永磁体充磁方向相反。

定子各相绕组电流大小和方向随转子位置的变化而变化。

本实用新型的工作原理：本实用新型包括定子盘和转子盘，定子盘包括定子轭盘、Ns个定子极及定子极上的定子线圈(Ns为自然数)，相邻定子极之间的槽口位置处设有相同结构尺寸的永磁体，永磁体置于线圈的上方，永磁体的充磁方向为切向充磁，每一定子极两边槽口处的磁体充磁方向相反，定子线圈之间相互连接组成m相绕组，因此线圈个数、永磁体个数及定子极数相同都是Ns。转子盘包括转子轭盘、Nr个转子极，定子绕组相数m、定子极数Ns和转子极数Nr三者按照普通开关磁阻电机三者之间关系匹配。本电机转子盘的转动靠定子极和转子极之间的磁场吸引力来实现，当定子极中的线圈通电时，该定子极与相应转子极之间的磁场不但由该定子线圈电流产生，而且由定子中的永磁体产生，相当于较小的定子线圈电流可以在电机定转子极间产生很大的磁场，从而产生一个很大的电磁吸力，使电机产生很大的转矩力；反过来，产生相等的转子齿驱动力，由于永磁磁场的作用，定子线圈中的电流可以很小。当转子齿转过一定的角度后，再断开当前线圈中的电流，接通相邻定子极上的线圈电流，该定子极又会通过电磁吸力吸引另一转子极。这样通过检测转子极转动的位置，实时导通、断开相关的定子极线圈中的电流，保证转子不同齿的连续电磁吸引力，从而保证电机的连续旋转。

本实用新型的有益效果：

1.能够实时导通、断开相关的定子极线圈中的电流，保证转子不同齿的连续电磁吸引力，保证电机的连续平稳旋转；

2.电机运行效率高，电机振动及噪声低，电机的功率密度和转矩密度高。

附图说明

图1为本实用新型3相6/4极混合励磁轴向磁场盘式开关磁阻电机整体结构示意图；

图2为图1定子盘结构示意图；

图3为图1转子盘结构示意图；

图4为图1平面展开示意图；

图5为现有技术3相6/4极轴向磁场盘式开关磁阻电机A相绕组通电转子受力转动示意图；

图6为图1A相绕组通电转子受力示意图；

图7为现有技术轴向磁场盘式开关磁阻电机磁场工作点范围示意图；

图8为本实用新型磁场工作点范围示意图；

图9为现有技术两关键位置处的磁链与电流关系曲线示意；

图10为本实用新型两关键位置处的磁链与电流关系曲线示意；

图中，1定子轭盘；2定子极，21定子极Ⅰ，22定子极Ⅱ，23定子极Ⅲ，24定子极Ⅳ，25定子极Ⅴ，26定子极Ⅵ；3定子线圈，311定子线圈Ⅰ，312定子线圈Ⅱ，321定子线圈Ⅲ，322定子线圈Ⅳ，331定子线圈Ⅴ，332定子线圈Ⅵ；4永磁体；41永磁体Ⅰ，42永磁体Ⅱ，43永磁体Ⅲ，44永磁体Ⅳ，45永磁体Ⅴ，46永磁体Ⅵ46；5，转子轭盘；6，转子极；61转子极Ⅰ，62转子极Ⅱ，63转子极Ⅲ，64转子极Ⅳ。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。

一种混合励磁轴向磁场盘式开关磁阻电机，结合图1至图10，包括定子盘和转子盘，定子盘包括定子轭盘1、定子极2，转子盘包括转子轭盘5、转子极6，转子极均匀分布于转子轭盘上，定子极均匀分布于定子轭盘的圆周处，每个定子极上设有一个定子线圈，定子线圈之间连接组成多相绕组，在相邻的两个定子极之间设有槽口，在槽口处设有永磁体，永磁体位于定子线圈外部的上方，永磁体的充磁方向为切向，每个定子极两边的永磁体充磁方向相反。定子极2包括定子极Ⅰ21，定子极Ⅱ22，定子极Ⅲ23，定子极Ⅳ24，定子极Ⅴ25，定子极Ⅵ26共六个；定子线圈3包括定子线圈Ⅰ311，定子线圈Ⅱ312，定子线圈Ⅲ321，定子线圈Ⅳ322，定子线圈Ⅴ331，定子线圈Ⅵ332共六个；永磁体4包括永磁体Ⅰ41，永磁体Ⅱ42，永磁体Ⅲ43，永磁体Ⅳ44，永磁体Ⅴ45，永磁体Ⅵ46共六个；转子极6包括转子极Ⅰ61，转子极Ⅱ62，转子极Ⅲ63，转子极Ⅳ64共四个。因此，该电机定子有六个定子极、六个定子线圈和六块永磁体，形成了3相6/4极混合励磁轴向磁场盘式开关磁阻电机定子盘，永磁体的充磁方向如图2中的箭头方向；3相6/4极混合励磁轴向磁场盘式开关磁阻电机转子盘由转子轭盘5及其上的四个转子极构成，如图3所示。定子六个定子线圈相对的两个线圈同时相互串联或同时相互并联组成3相绕组。3相6定子极、转子极符合常规开关磁阻电机相数、定子极数和转子极数之间的关系。定子各相绕组电流大小和方向随转子位置的变化而变化。

为了说明本实用新型的有效性，将本实用新型电机切开展平。图4为3相6/4极混合励磁轴向磁场开关磁阻电机的平面展开图。从图中看出六块永磁体位于定子盘的极口处，而且一个极两边的永磁体充磁方向相反，如图4中永磁体上的箭头方向。显然定子线圈Ⅰ311和定子线圈Ⅱ312属于一相绕组，定义为A相绕组；定子线圈Ⅲ321和定子线圈Ⅳ322属于一相绕组，定义为B相绕组；定子线圈Ⅴ331和定子线圈Ⅵ332属于一相绕组，定义为C相绕组，每一相的两个线圈可以串联或并联。

图5为普通3相6/4极轴向磁场盘式开关磁阻电机A相绕组通电转子受力转动示意图，图5中，n箭头方向为转子盘受力后的转动方向，此时电机定子中没有永磁体。如A相绕组通电，即定子线圈Ⅰ311和定子线圈Ⅱ312通电，线圈中的电流方向如图5线圈中的·和×（下同），因此会产生从定子极Ⅰ21到转子极Ⅰ61的磁场和从定子极Ⅳ24和转子极Ⅲ63之间的磁场，磁场方向如图5中定子极转子极之间的实线箭头方向，显然，在该磁场作用下，转子极Ⅰ61受到定子极Ⅰ21的电磁吸力，转子极Ⅲ63受到定子极Ⅳ24的电磁吸力，使转子盘按图5中n箭头的指示方向转动。在转子极Ⅰ61和转子极Ⅳ64的中心线移动到定子极Ⅰ21和定子极Ⅳ24的中心线时，定子A相绕组断电，即定子线圈Ⅰ311和定子线圈Ⅱ312断电，转子极Ⅰ61受到定子极Ⅰ21的电磁吸力消失，转子极Ⅲ63受到定子极Ⅳ24的电磁吸力消失，但此时其他相再通电，其他相绕组产生的磁场会吸引相应的转子极，保证转子的持续转动，这样根据转子的位置可以保证电机转子的连续旋转。

图6为混合励磁3相6/4极轴向磁场盘式开关磁阻电机A相通电转子受力示意图，图6和图5的区别在于图5没有永磁体4，图6有永磁体4。可以看出，在相同的定子绕组电流下，由于图6中永磁体的存在，定子极Ⅰ21和转子极Ⅰ61之间的磁场大于图5中的对应磁场，同样定子极Ⅳ24和转子极Ⅲ63之间的磁场大于图5中的对应磁场，图6中，定子极和转子极之间的实线箭头方向为电流产生的磁场方向，虚线箭头方向为永磁产生的磁场方向，这两个磁场方向相同，是磁场加强，因此图6中定子极Ⅰ21对转子极Ⅰ61的电磁吸力大于图5中对应的电磁吸力，同样定子极Ⅳ24对转子极Ⅲ63之间的电磁吸力大于图5中对应的电磁吸力，从而使电机有更大的电磁力和电磁转矩驱动电机转子盘转动，因此相同轴向磁场开关磁阻电机，有永磁体4时，电机的转矩密度和功率密度得到提高。反过来说，产生相同磁吸力，有永磁体时，绕组电流可以降低，因此降低了电机的铜耗，提高了电机效率。

图5中，由于定子盘中没有永磁体4，因此当转子盘由于A相定子线圈Ⅰ311和定子线圈Ⅱ312通电使其沿n箭头方向转动到转子极Ⅰ61的中心线与定子极Ⅰ21中心线重合时，只要定子绕组的定子线圈Ⅰ311和定子线圈Ⅱ312断电，定子极Ⅰ21和转子极Ⅰ61就没有电磁吸力，不会妨碍转子盘在其他相定子相通电时继续转动。但是在图6中，在定子永磁体Ⅰ41和永磁体Ⅵ46的作用、永磁体Ⅲ43和永磁体Ⅳ44的作用及A相定子线圈Ⅰ311和定子线圈Ⅱ312通电的作用，当转子盘沿n箭头方向转动到转子极Ⅰ61的中心线与定子极Ⅰ21中心线重合时，此时即使A相绕组断电，由于还有永磁体的作用，定子极Ⅰ21和转子极Ⅰ61之间还有电磁吸力，定子极Ⅳ24和转子极Ⅳ64还有电磁吸力，显然这一电磁吸力阻碍转子盘继续沿n箭头方向旋转，此时应在A相绕组中通以相反方向的电流，这一相反方向的电流产生的磁场与永磁体产生的磁场相互抵消，从而避免了相应永磁体的副作用。

根据转子盘和定子盘之间的相对位置，控制定子各相电流的大小和方向，不但可以避免永磁体的副作用，而且可以保证电磁吸力波动小，从而降低电机的转矩脉动，降低电机的振动和噪声。

电机的转矩密度和功率密度在一定程度上可以以电机磁场工作点的变化范围来表示，工作点的变化范围越大，则转矩密度和功率密度也就越大。图7为没有永磁体时轴向磁场开关磁阻电机磁场工作点的变化范围，图8为本实用新型混合励磁轴向磁场开关磁阻电机磁场工作点的变化范围，可以看出，本实用新型电机的磁场工作点的变化范围明显大于没有永磁体时电机，因此本实用新型电机的转矩密度和功率密度得到提高。

开关磁阻电机两关键位置处的磁链与电流变化关系曲线所包围的面积更能说明电机的功率密度和转矩密度大小。这两个关键位置一为定子极中心线与转子槽中心线对齐位置，其二为定转子极中心线对齐位置。图9为普通轴向磁场开关磁阻电机这两个位置处的磁链和绕组电流之间的变化关系，图10为本实用新型的混合励磁轴向磁场开关磁阻电机这两个位置处的磁链和绕组电流之间的变化关系。其中图9和图10中的曲线7和曲线9分别为普通轴向磁场开关磁阻电机和本实用新型混合励磁轴向磁场开关磁阻电机定子极中心线与转子槽中心线对齐时磁链与电流之间的变化关系，图9和图10中曲线8和曲线10分别为普通轴向磁场开关磁阻电机和本实用新型混合励磁轴向磁场开关磁阻电机定转子齿中心线对齐是磁链与电流之间的变化关系。在电流有相同的变化时，混合励磁轴向磁场开关磁阻电机两关键位置处磁链电流变化曲线间的面积远大于普通轴向磁场开关磁阻电机。说明本实用新型电机的功率密度和转矩密度远大于普通轴向磁场开关磁阻电机。

上述虽然结合附图对实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims

1.一种混合励磁轴向磁场盘式开关磁阻电机，包括定子盘和转子盘，定子盘包括若干定子轭盘、定子极，转子盘包括转子轭盘、转子极，其特征是，转子极均匀分布于转子轭盘上，定子极均匀分布于定子轭盘的圆周处，每个定子极上设有一个定子线圈，定子线圈之间连接组成多相绕组，在相邻的两个定子极之间设有槽口，在槽口处设有永磁体，永磁体位于定子线圈外部的上方，永磁体的充磁方向为切向，每个定子极两边的永磁体充磁方向相反。

2.如权利要求1所述的混合励磁轴向磁场盘式开关磁阻电机，其特征是，定子各相绕组电流大小和方向随转子位置的变化而变化。