CN205178807U - 一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机及其控制电路与系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机及其控制电路与系统，电机包括电机定子和分块式电机转子，定子包括定子铁芯和绕组，转子部分包括转子叠压铁芯和非导磁框架，其中，定子铁芯上均匀分布有多个定子齿，定子绕组为集中绕组结构,缠绕于定子齿上，转子叠压铁芯均匀分布于定子齿内侧，内嵌于非导磁框架内部，非导磁框架的中心处设置有转轴；在电机运行过程中，电机通电相至少有两相且该两相相邻，电机内磁场路径由这相邻两相定子齿和该两相定子齿之间的定子轭部、转子叠压铁芯和气隙组成。本实用新型电机运行时，相邻两相同时通电断电，提高电机气隙磁场宽度，提高电机输出转矩，增高电机力密度。

Description

一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机及其控制电路与系统

技术领域

本实用新型涉及一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机及其控制电路与系统。

背景技术

开关磁阻电机遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理，由磁拉力作用产生具有磁阻性质的电磁转矩。开关磁阻电机结构简单，坚固。定子线圈嵌装容易，端部牢固，热耗大部分在定子，易于冷却；转子无永磁体，可有较高的最大容许温升，转子上没有绕组，成本低，电动机可高速旋转而不会导致变形，转子的转动惯量小，易于加、减速度；绕组电流可通过续流二极管续流，并回馈电能给电源，具有再生作用；开关磁阻电机在宽广的转速和功率范围内均具有高输出和高效率，非常适合高速运行以及在恶劣的环境中。

常规开关磁阻电机定子绕组有整距绕组或集中绕组，转子采用齿极结构。此种结构的电机内部磁通回路长，铁耗和涡流损耗较大，各绕组的磁通回路的路径相互重叠，导致定子或转子某一处断裂时对电机磁路影响大，容错能力差；高速时，由于转子齿极结构，导致转子的风阻大，电机损耗增加。现有分块式开关磁阻电机不能在绕组利用率较高的情况下同时解决电机脉动大，绕组端部长和磁路长的问题。常规开关磁阻电机采用不对称半桥电路结构，每相需要的两个控制开关管和两个续流二极管，电机的平均每相的控制成本较高。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机及其控制电路与系统，本实用新型可以实现电机运行时磁通路径短，同时绕组端部短，而且能够比传统开关磁阻电机铁磁材料更加节省，电机损耗更少，效率更高，电机输出力波动更小，平均每相可控开关管和续流二极管的数目少，成本低。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机，包括电机定子和分块式电机转子，定子包括定子铁芯和绕组，转子部分包括转子叠压铁芯和非导磁框架，其中，定子铁芯上均匀分布有多个定子齿，定子绕组为集中绕组结构,缠绕于定子齿上，转子叠压铁芯均匀分布于定子齿内侧，内嵌于非导磁框架内部，非导磁框架的中心处设置有转轴；在电机运行过程中，电机通电相至少有两相且该两相相邻，电机内磁场路径由这相邻两相定子齿和该两相定子齿之间的定子轭部、转子叠压铁芯和气隙组成。

所述转子叠压铁芯可采用类扇形或U形结构。

进一步的，所述电机通电相根据电机定转子的相对位置确定，两相通电电流大小相等，形成的磁场相互串联即两通电相产生的主磁通沿相同的路径形成回路，在回路中两通电相产生的主磁场方向相同。

所述电机相数为奇数且大于等于5。

所述定子极数为电机相数的整数倍，且两者并不相同,电机相数和电机定子极数关系为：N＝K×M；K＝2,3,4,5,6…M为电机相数。

所述电机转子极数为整数，其中，K＝2,3,4,5,6…，M为电机相数。

所述定转子含有非导磁材料，可通过非导磁材料密度改变转子特性。

一种用于控制上述电机的控制电路，包括多个桥臂，每个桥臂直接连接在电源母线或直流母线上，每个桥臂上的两个器件之间由导线引出和电机绕组的一端相连，相应电机控制主电路的桥臂个数与电机相数相同，有一相桥臂包括两个相互串联的可控开关管，其他桥臂包括相互串联的一个可控开关器件和一个二极管。

进一步的，由一个可控制开关管和一个二极管串联组成的桥臂中，二极管正极与母线低电压端相连否则负极与母线高电压端相连。

由一个可控制开关管和一个二极管串联组成的桥臂中，二极管正极与母线低电压端相连的桥臂数和二极管负极与母线高电压端相连的桥臂数相同。

所述桥臂分为三类，两个相互串联的器件均为可控开关管的桥臂；一个可控制开关管和一个二极管串联组成的桥臂且二极管正极与母线低电压端相连；一个可控制开关管和一个二极管串联组成的桥臂且二极管负极与母线高电压端相连，与电机相邻绕组相连的桥臂不能是同一类桥臂。

一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机系统，包括上述短端部短磁路分块式开关磁阻电机和控制电路。

本实用新型的工作原理为：

根据磁阻最小原理，通过检测电机定转子相对位置来决定电机通电相，使电机绕组产生的磁场通过定转子形成回路并产生磁拉力。本实用新型采用集中绕组端部短，端部铜耗小，运行时，根据定转子位置，使电机相邻两相导通，产生磁场，磁场通过导通相的定子齿、两相定子齿之间的定子轭部、气隙、一个分块转子导磁结构形成主回路。由于磁场经过的为相邻的定子齿和转子的一个分块的导磁结构，磁路短，端部短，铁耗和端部铜耗同时得到较大的减小。

本实用新型的有益效果是：

1.电机转子采用分块式的结构，节约导磁材料的用量，减少电机材料成本。同时转子中采用了非导磁材料，可以减少电机的整体密度。在相同体积下，电机更加轻。

2.电机磁路短，铁耗小，效率更高。

3.本电机采用集中绕组，定子绕组在端部无交叠，端部用铜量较少，可靠性能更高。

4.电机运行时，相邻两相同时通电断电，提高电机气隙磁场宽度，提高电机输出转矩，增高电机力密度。

5.采用同三相桥式电路类似的M相桥式电路，减小平均每相的开关管数目，平均每相控制成本小。

6.电机相数较多，电机转矩脉动小。

附图说明

图1(a)是本实用新型的一种五相定子10极，转子的叠压铁芯采用类扇形的短端部短磁路分块式开关磁阻电机的整体结构图；

图1(b)是本实用新型的一种五相定子10极，转子的叠压铁芯采用U形结构的短端部短磁路分块式开关磁阻电机的整体结构图；

图2是本实用新型的一种五相短端部短磁路分块式开关磁阻电机的控制主电路拓扑结构示意图；

图3是本实用新型的一种五相10极，转子的叠压铁芯采用类扇形的短端部短磁路分块式开关磁阻电机的绕组电流参考方向标定结构示意图；

图4是本实用新型的一种五相短端部短磁路分块式开关磁阻电机的控制主电路拓扑结构与电机绕组连线的结构示意图；

图5是本实用新型的一种定子10极的短端部短磁路分块式开关磁阻电机的定子部分的结构示意图；

图6是本实用新型的一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机的转子分块式导磁材料的结构示意图；

图7(a)是本实用新型的一种五相定子10极，转子的叠压铁芯采用类扇形的短端部短磁路分块式开关磁阻电机在本实用新型的控制主电路拓扑结构的驱动下A、B两相导电时电流流向示意图；

图7(b)是本实用新型的一种五相定子10极，转子的叠压铁芯采用类扇形的短端部短磁路分块式开关磁阻电机在本实用新型的控制主电路拓扑结构的驱动下电机内部磁力线示意图；

图8是本实用新型的一种五相短端部短磁路分块式开关磁阻电机的一种各相导电方式的示意图；

图9(a)是本实用新型的一种七相定子14极，转子的叠压铁芯采用类扇形的短端部短磁路分块式开关磁阻电机的整体结构图；

图9(b)是本实用新型的一种七相定子14极，转子的叠压铁芯采用U形结构的短端部短磁路分块式开关磁阻电机的整体结构图

图10是本实用新型的一种七相定子14极，转子的叠压铁芯采用U形结构的短端部短磁路分块式开关磁阻电机的两相导电时的电机内部磁力线示意图；

图11是本实用新型的一种五相短端部短磁路分块式开关磁阻电机静态转矩仿真示意图；

图12是本实用新型的一种七相短端部短磁路分块式开关磁阻电机静态转矩仿真示意图；

其中，1、轴承，2、转子铁芯，3、转子非导磁结构框架，4、励磁绕组，5、定子铁芯，6、定子内径圆弧，7、转子外径圆弧，8、定转子间的气隙。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

短端部短磁路分块式开关磁阻电机是一个多相电机，该电机定子极数为偶数，电机相数为M，电机定子极数为N，电机相数和电机定子极数关系为：N＝K×M；K＝2,3,4,5,6…。其中电机相数M≥5且为奇数。转子分块式导磁材料个数即转子极数短端部短磁路分块式开关磁阻电机的一种控制主电路包括若干个桥臂，桥臂是由两个相互串联的可控开关器件或二极管器件组成，桥臂直接连接在电源母线或直流母线上，电机控制主电路的桥臂个数W与相应电机相数M的关系为：W＝M。其中至多W-1个桥臂由一个可控制开关管和一个二极管串联组成，其中二极管方向为正极与母线低电压端相连否则负极与母线高电压端相连，至少一个桥臂由两个可控制开关管组成。每个桥臂上的两个器件之间由导线引出和电机相绕组的一端相连，若该桥臂与母线高压端相连的为可控开关管与母线低压端相连的为二极管则为正向电流输出桥臂(A1、C3)，若该桥臂与母线高压端相连的为二极管与母线低压端相连的为可控开关管则为负向电流输出桥臂(B2、E5)，若该桥臂与母线高压端相连的为可控开关管与母线低压端相连的也为可控开关管则为正负向电流输出桥臂(D4)，相邻两相绕组不能连到相同的电流输出桥臂引出端上。在电机运行时，根据电机定转子的相对位置来决定给那相邻两项通电，两相通电电流大小相等，形成的磁场相互串联即两通电相产生的主磁通沿相同的路径形成回路，在回路中两通电相产生的主磁场方向相同，电机的一个通电周期由M部分组成。如果按转子旋转机械角度来计算，一个通电周期的M部分中的每一部分的范围为：本实用新型拟以定子10极结构、转子6极结构即6个分块导磁铁芯结构即10-6结构的五相短端部短磁路分块式开关磁阻电机为例进行说明。

如图1(a)、图1(b)、2所示即为两种五相短端部短磁路分块式开关磁阻电机结构及其一种控制主电路。该电机定子由铁芯5，线圈绕组4组成；转轴1安装在转子非导磁材料框架3的中心，转子铁芯2嵌装在非导磁材料框架3上形成转子。转子导磁铁芯2有两种结构，图1(a)所示的类扇形，图1(b)所示的U型结构。电机转子最大外径7小于定子内径6，从而形成气隙8。励磁绕组4分别绕制在相应定子齿上，其中励磁绕组分为A、B、C、D、E五相。图2所示为该五相电机控制主电路，其中正相电流输出桥臂两个(A1、C3)，负相电流输出桥臂两个(B2、E5)，正负向电流输出桥臂一个(D4)，及其导线引出10、11、12、13、14。

图3、图4为五相短端部短磁路分块式开关磁阻电机结构及其一种控制主电路与电机绕组连接示意图。该电机由A、B、C、D、E五相组成，图3所示为该电机结构和各相绕组的一端命名为参考方向，当电流从参考方向流入即为正方向，如图3所示电流方向，可标注为A+、B+、C+、D+、E+。当电流不是从参考方向流入即为负方向，可标注为A-、B-、C-、D-、E-。为保证电机相邻两相通电励磁时电流大小相等，且形成的磁场相互串联即两通电相产生的主磁通沿相同的路径形成回路，在回路中两通电相产生的主磁场方向相同。则图中相邻两相电流不能均为正方向，必有一正一负。为保证电机相邻两相通电励磁时电流大小相等且电流方向有一正一负的同时尽可能减少可控开关管的数量，采用图4所示的控制主电路，并与电机各相相连。相邻两相通电组合有AB、BC、CD、DE、EA组成。即电机一个通电周期由5部分组成即5个导电时间段也可以用电机运行角度表示。图4中可以看出电机五相的个相电流方向有A+、B-、C+、D+、D-、E-六种情况，相邻两相电流必有一正一负，所以相邻两相通电组合有A+B-、B-C+、C+D-、D+E-、E-A+。如电机转子逆时针旋转，则电机导通的次序依次为A+B-、C+D-、E-A+、B-C+、D+E-，如电机转子顺时针旋转，则电机导通的次序依次为A+B-、D+E-、B-C+、E-A+、C+D-；即相邻两相通电后，下一阶段导通的为与该两相相邻的另外两相。相邻两相绕组不能连到相同的电流输出桥臂引出端上。

图5所示为电机导磁部分的结构示意图。图5所示为电机定子结构，采用五相10极结构。图6(a)、图6(b)所示为电机转子的两种分块式导磁材料结构示意图，这两种转子分块式导磁材料结构可分为类扇形和“U”型结构。类扇形结构如图6(a)所示，2-A采用类扇形结构，其中到“T”形2-A-1起到固定类扇形和转子非导磁材料的作用。“U”型结构如图6(b)所示，每个“U”型结构导磁材料分为两个导磁齿2-B-1,2-B-2和导磁“U”型结构的轭部2-B组成，其中两导磁齿2-B-1,2-B-2的齿的径向中线2b-1,2b-2的弧度距离与对应的两相邻定子齿径向中线的弧度距离相同。该电机的转子分块式导磁材料个数即转子极数H与电机相数M之间的关系此时电机定子极数N为：N＝K×M；K＝2,3,4,5,6…。

图7(a)的控制主电路拓扑结构驱动对应的图7(b)所示的电机两相通电。电机内部磁力线如图7(b)所示，电机主电路拓扑结构和电流方向如图7(a)所示。

图8所示为图3、图4所示的五相短端部短磁路分块式开关磁阻电机结构及其一种控制主电路与电机绕组连接驱动电机匀速运行时各相电压的一种情况示意图，图3、图4中参考方向即为图8中的电压高电位端。如图3所示中，在电机沿着逆时针方向旋转，电机导通顺序为AB、CD、EA、BC、DE，由于电压参考方向为高电压指向低电压方向，因此各相电压如图8所示，图8所示电机导通周期中的5个导通部分，每个导通部分的长度为转子旋转12度的机械角度，其中每个导通部分还可以扩长为18度。

图9，图10为两种转子结构的14/8结构的七相短端部短磁路分块式开关磁阻电机和其中两相导通时的电机内部磁力线结构图。

图11，图12分别为10/6结构的五相短端部短磁路分块式开关磁阻电机和14/8结构的七相短端部短磁路分块式开关磁阻电机在专业电机有限元分析仿真软件Maxwell下分析得出的电机静态转矩波形图。其中图11为五相短端部短磁路分块式开关磁阻电机静态转矩波形图，图12为七相短端部短磁路分块式开关磁阻电机静态转矩波形图。静态转矩为分别给相邻两相绕组通恒定电流，转子在不同位置的电机电磁转矩，正为输出转矩，负为制动转矩，其中角度沿负时针为正值。仿真电机参数如下：定子外径220mm，定子内径125mm，转子外径124mm，定子齿极弧系数：0.5，转子分块式导磁材料极弧系数：0.8，每个绕组匝数：65，叠片厚度130mm。从图11和图12中可以看出电机相数越多，保证输出正转矩的情况下，同时导通的相数也会越多。

上述虽然结合附图对本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 (10)

1.一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机，其特征是：包括电机定子和分块式电机转子，定子包括定子铁芯和绕组，转子部分包括转子叠压铁芯和非导磁框架，其中，定子铁芯上均匀分布有多个定子齿，定子绕组为集中绕组结构,缠绕于定子齿上，转子叠压铁芯均匀分布于定子齿内侧，内嵌于非导磁框架内部，非导磁框架的中心处设置有转轴；在电机运行过程中，电机通电相至少有两相且该两相相邻，电机内磁场路径由这相邻两相定子齿和该两相定子齿之间的定子轭部、转子叠压铁芯和气隙组成。

2.如权利要求1所述的一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机，其特征是：所述转子叠压铁芯采用类扇形或U形结构。

3.如权利要求1所述的一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机，其特征是：所述电机通电相根据电机定转子的相对位置确定，两相通电电流大小相等，形成的磁场相互串联即两通电相产生的主磁通沿相同的路径形成回路，在回路中两通电相产生的主磁场方向相同。

4.如权利要求1所述的一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机，其特征是：所述电机相数为奇数且大于等于5。

5.如权利要求1所述的一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机，其特征是：所述定子极数为电机相数的整数倍，且两者并不相同；所述电机转子极数为整数，其中，K＝2,3,4,5,6…，M为电机相数。

6.一种用于控制如权利要求1-5中任一项所述的电机的控制电路，其特征是：包括多个桥臂，每个桥臂直接连接在电源母线或直流母线上，每个桥臂上的两个器件之间由导线引出和电机绕组的一端相连，相应电机控制主电路的桥臂个数与电机相数相同，有一相桥臂包括两个相互串联的可控开关管，其他桥臂包括相互串联的一个可控开关器件和一个二极管。

7.如权利要求6所述的控制电路，其特征是：由一个可控制开关管和一个二极管串联组成的桥臂中，二极管正极与母线低电压端相连否则负极与母线高电压端相连。

8.如权利要求6所述的控制电路，其特征是：由一个可控制开关管和一个二极管串联组成的桥臂中，二极管正极与母线低电压端相连的桥臂数和二极管负极与母线高电压端相连的桥臂数相同。

9.如权利要求6所述的控制电路，其特征是：所述桥臂分为三类，两个相互串联的器件均为可控开关管的桥臂；一个可控制开关管和一个二极管串联组成的桥臂且二极管正极与母线低电压端相连；一个可控制开关管和一个二极管串联组成的桥臂且二极管负极与母线高电压端相连，与电机相邻绕组相连的桥臂不能是同一类桥臂。

10.一种短端部短磁路分块式开关磁阻电机系统，其特征是：包括如权利要求1-5中任一项所述的短端部短磁路分块式开关磁阻电机和如权利要求6-9中任一项所述的控制电路。