CN209488422U - 非平衡转子单相永磁开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非平衡转子单相永磁开关磁阻电机，包括定子铁芯、磁极绕组、转子铁芯，定子铁芯包括定子轭和定子磁极，各个定子磁极上绕制磁极绕组，由磁极绕组连接组成相绕组；转子铁芯包括转子轭、转子磁极、永磁体，转子轭外圈上设置有转子磁极，相邻两个转子磁极间形成转子槽，永磁体按相邻永磁体极性相同的方法嵌入转子槽中，所述转子磁极由圆弧段、斜坡段和转子极突台三段组成。本实用新型根据转子圆弧段中心线与定子磁极中心线对齐为相绕组AX的换流原则，按照相绕组换流规律改变相绕组AX的电流方向，达到全部定转子磁极间产生同旋转方向的排斥电磁力和吸引电磁力，共同形成电磁转矩，实现将电能转换为机械能。

Description

非平衡转子单相永磁开关磁阻电机

技术领域

本实用新型涉及电机领域，特别涉及一种非平衡转子单相永磁开关磁阻电机。

背景技术

常规的开关磁阻电机定转子均为双凸磁极，且定转子磁极不能相等，依据磁阻效应(磁路磁阻最小)产生电磁转矩，达到将电能转换为机械能。

普通单相开关磁阻电机结构简单，电机和控制器的成本低，但由于存在无起动能力和转矩死区问题，以及运行效率低、功率密度小使得该种电机在应用中受到很大限制。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、运行效率高的非平衡转子单相永磁开关磁阻电机。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种非平衡转子单相永磁开关磁阻电机，包括定子铁芯、磁极绕组、转子铁芯、转子轴和双极性转子位置传感器，所述定子铁芯包括定子轭和设置在定子轭内圈上的定子磁极，各个定子磁极上绕制磁极绕组，由磁极绕组连接组成相绕组；所述转子铁芯包括转子轭、转子磁极、永磁体，转子轭外圈上设置有转子磁极，相邻两个转子磁极间形成转子槽，永磁体按相邻永磁体极性相同的方法嵌入转子槽中，磁化后的转子磁极呈N.S.N.S…磁极性分布；所述转子磁极由圆弧段、斜坡段和转子极突台三段组成，定子磁极数等于转子磁极数；电机运行中，根据双极性转子位置传感器检测到与定子磁极对齐的转子磁极的磁极性，确定相绕组中的电流方向，建立具有与对齐的转子磁极同极性的电励磁极，所有定转子磁极间产生同旋转方向的排斥电磁力，同时，所有与各定子磁极相邻且磁路最短、磁阻最小的定转子磁极间产生同旋转方向的吸引电磁力，从而形成电磁转矩，将电能转换为机械能。

上述非平衡转子单相永磁开关磁阻电机，各定子磁极极弧角与定子槽口角度相等，各定子磁极的三分之一处的极靴上嵌入短路环，短路环将各定子磁极励磁磁通裂变成不同相位的两个磁场，形成椭圆旋转电励磁磁场。

上述非平衡转子单相永磁开关磁阻电机，供+I_A电励磁后定子磁极极性呈N.S.N.S…交替分布，供-I_A电励磁后，定子磁极极性呈S.N.S.N…交替分布，通过调节励磁电流I_A的大小来调节励磁磁场的强弱，通过调节励磁电流I_A的极性来改变定子电励磁磁极的磁极性。

上述非平衡转子单相永磁开关磁阻电机，转子磁极总的弧角小于定子磁极极距角，转子磁极圆弧段弧角小于或等于定子磁极未被短路环罩住部分弧角，转子磁极斜坡段角度加转子极突台角度等于定子磁极极距角的一半。

上述非平衡转子单相永磁开关磁阻电机，转子轴与转子磁极、永磁体之间装有隔磁衬套，以防漏磁现象。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型的转子磁极由圆弧段、斜坡段和转子极突台三段组成，定子磁极数等于转子磁极数，根据转子圆弧段中心线与定子磁极中心线对齐为相绕组AX的换流原则，按照相绕组换流规律改变相绕组AX的电流方向，达到全部定转子磁极间产生同旋转方向的排斥电磁力和吸引电磁力，共同形成电磁转矩，实现将电能转换为机械能。

2、本实用新型在各定子磁极的三分之一处的极靴上嵌入短路环，短路环将各定子磁极励磁磁通裂变成不同相位的两个磁场，形成椭圆旋转电励磁磁场。

附图说明

图1是本实用新型实施例中6/6定转子极非平衡转子单相永磁开关磁阻电机的径向截面图。

图2是转子总成轴向剖视图。

图3是本实施例中电机定转子磁极结构示意图。

图4是本实施例中电机定子绕组展开图。

图5是本实施例中电机定子绕组连接图，其中5a)是串联原理图，5b)是并联原理图。

图6是本实施例中电机功率电路图。

图7是本实施例中电机定转子定位，相绕组AX供-I_A电流状态图。

图8是本实施例中电机A₁N₁对齐，相绕组AX供+I_A电流状态图(第一节拍)。

图9是本实施例中电机A₁S₃对齐，相绕组AX供-I_A电流状态图(第二节拍)。

图10是本实施例中电机经过第二工作节拍后，A₁S₃对齐状态图。

图中：10是定子铁芯，11是定子轭，12是定子磁极，13是磁极绕组，14是短路环，15是永磁体，16是圆弧段，17是斜坡段，18是转子极突台，19是转子铁芯，20是隔磁衬套，21是转子磁极，22是转子轴，23是气隙δ，24是轴平台，25是前压板，26是后压板，27是紧固螺帽，28是双极性转子位置传感器；A₁至A₆是分别代表定子的6个磁极；N₁、S₁、N₂、S₂、N₃、S₃分别代表转子的6个被磁化后的磁极，既表征了转子极的极性，又反映了转子极序号；+I_A是指从相绕组A端流入，X端流出，反之为-I_A；“*”是极绕组的同名端符号；ψ₀是定子磁极极距角(机械角)；ψ₁是定子极未被短路环罩住的极弧角(机械角)；ψ₂是被短路环罩住的极弧角(机械角)；ψ₃是转子极圆弧段极弧角(机械角)；ψ₄是转子极斜坡段圆心角(机械角)；ψ₅是转子极突台段圆心角(机械角)；ψ₆是定子槽口弧角(圆心角)；φ₁是短路环未罩住部分铁芯中的磁通；φ₂是短路环罩住部分铁芯中的磁通。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

需要说明的是：下文中所指的定转子磁极对齐，是指转子磁极圆弧段中心线与定子磁极中心线对齐。双极性转子位置传感器，当N极性的转子磁极与定子磁极A₁对齐时，输出“1”电平，反之输出“0”电平。

如图1-图6所示，一种定子6极、转子6极非平衡转子单相永磁开关磁阻电机，包括定子铁芯10、磁极绕组13、短路环14、转子铁芯19、转子轴22和双极性转子位置传感器28，所述定子铁芯10包括定子轭11和设置在定子轭11内圈上的定子磁极12，各个定子磁极12上绕制磁极绕组13，由磁极绕组13连接组成相绕组AX，相绕组AX以单相IGBT(或MOSFET)H桥为功率电路；所述转子铁芯19包括转子轭、转子磁极21、永磁体15，转子轭外圈上设置有转子磁极21，相邻两个转子磁极21间形成转子槽；永磁体15厚度方向充磁，永磁体15按相邻永磁体15极性相同的方法嵌入转子槽中，磁化后的转子磁极21呈N.S.N.S…磁极性分布；所述转子磁极21由圆弧段16、斜坡段17和转子极突台18三段组成，定子磁极数N_S等于转子磁极数N_r(即N_s＝N_r)；电机运行中，根据转子圆弧段中心线与定子磁极(A₁极)中心线对齐为相绕组AX的换流原则，按照相绕组换流规律改变相绕组AX的电流方向，达到全部定转子磁极间产生同旋转方向的排斥电磁力和吸引电磁力，共同形成电磁转矩，实现将电能转换为机械能。

非平衡转子单相永磁开关磁阻电机中，各定子磁极极弧角(ψ₁+ψ₂)与定子槽口角度相等，即(ψ₀是定子极距机械角)，各定子磁极的三分之一极弧(ψ₂)的极靴上嵌入铜制短路环14，短路环14将各定子磁极励磁磁通裂变成具有α角度相位差的φ₁和φ₂磁场，形成椭圆旋转电励磁磁场。

各个磁极绕组13同匝数、同线径、同绕制方向绕制，按照图5所示将各磁极绕组13连接成相绕组AX，相绕组AX通电励磁后定子磁极呈N.S.N.S…交替分布；各个磁极绕组13也可按照相邻磁极绕组绕制方向相反的方法绕制，如图4所示。

供+I_A电励磁后定子磁极极性呈N.S.N.S…交替分布，供-I_A电励磁后，定子磁极极性呈S.N.S.N…交替分布，通过调节励磁电流I_A的大小来调节励磁磁场的强弱，通过调节励磁电流I_A的极性来改变定子电励磁磁极的磁极性。

转子磁极总的弧角(ψ₃+ψ₄+ψ₅)小于定子磁极极距角ψ₀。转子极圆弧段弧角ψ₃≤ψ₁(ψ₁是定子极未被短路环14罩住部分弧角)，斜坡段角度ψ₄加转子极突台角度ψ₅等于(即)。

转子轴22与转子磁极21、永磁体15之间装有隔磁衬套20，以防漏磁现象。在图2转子总成中的前后压板25,26均用非导磁的金属材料加工而成。

本实用新型电机的工作机理和工作过程，依据图4至图10作详细分析如下：

由于起动前，转子磁极21可能处于任意位置，因此电机起动运行前，要求控制器发驱动脉冲信号，使图6中功率管T₂和T₃瞬时导通(小于一秒时间然后自行关断)，相绕组AX中短时内流过-I_A，根据图5中相绕组图，将各磁极绕组中的电流方向和定子磁极的极性在图7中标出，根据右手螺旋定则可知：定子磁极A₁、A₃、A₅都为S极性，A₂、A₄、A₆都为N极性，根据异极性相吸电磁特性，A₁、A₃和A₅三个定子磁级分别与转子的三个N极性转子磁极对齐，同理，定子的A₂、A₄和A₆三个定子磁极分别与转子的三个S极性转子磁极对齐，如图7所示。设双极性转子位置传感器28装在定子磁极A₁的中心线上，且转子磁极N₁与A₁对齐，传感器输出“1”(“0”代表与转子S极性的转子磁极对齐)，电机转子旋转方向为顺时针方向(唯一转向，由电机结构确定了)，在上述基础上电机可以起动运行:

第一节拍，通过图7中起动前的准备，转子磁极N₁与定子磁极A₁对齐，位置传感器输出有效位置信号“1”，控制器根据位置信息“1”，输出驱动脉冲，使T₁和T₄两功率管导通(T₂、T₃关断)，相绕组AX中流过+I_A，各磁极绕组中的电流方向在图8中标出，根据右手螺旋定则和电磁力定律可知：

定子磁极A₁、A₃、和A₅都是N极性，A₂、A₄、和A₆都是S极性，定子磁极A₁、A₂、A₃、A₄、A₅和A₆分别与对齐的转子磁极N₁、S₁、N₂、S₂、N₃和S₃同极性，都产生排斥电磁力，由于转子磁极的不平衡结构(倾向于顺时针方向)和定子极靴上的短路环14对励磁磁场的裂相而形成的椭圆旋转磁场的共同作用，转子旋转体顺时针方向旋转(电机结构确定了转向)。

与此同时，具有N极性的定子磁极A₁对相邻的转子磁极S₃产生顺时针方向的吸引电磁力，同理，A₂对N₁，A₃对S₁，A₄对N₂，A₅对S₂和A₆对N₃对应地产生顺时针方向吸引电磁力(即相邻极且磁路最短、磁阻最小的定转子极间产生吸引电磁力)。这些同为顺时针方向的电磁力，合成产生电磁转矩，转子顺时针方向旋转，直到转子磁极S₃与定子磁极A₁对齐为止，如图9所示，A₁S₃对齐后，双极性转子位置传感器28输出“0”电平位置信息，控制器接收到此信号，关断T₁和T₄两管，准备进入第二节拍。

第二节拍，在图9的基础上，定子磁极A₁与转子磁极S₃对齐后，双极性转子位置传感器28输出“0”电平信息，控制器根据位置信息，输出驱动脉冲，使T₂和T₃两功率管导通(T₁、T₄关断)，相绕组AX中流过-I_A，各磁极绕组中的电流方向在图9中标出，根据右手螺旋定则和电磁力定律可知：

定子磁极A₁、A₃、和A₅都是S极性，A₂、A₄、和A₆都是N极性，定子磁极A₁、A₂、A₃、A₄、A₅和A₆分别与对齐的转子磁极S₃、N₁、S₁、N₂、S₂和N₃同极性，都产生排斥电磁力，由于转子磁极的不平衡结构(倾向于顺时针方向)和定子极靴上的短路环14对励磁磁场的裂相而形成的椭圆旋转磁场的共同作用，转子旋转体顺时针方向旋转。

与此同时，具有S极性的定子磁极A₁对相邻的转子磁极N₃产生顺时针方向的吸引电磁力，同理，A₂对S₃，A₃对N₁，A₄对S₁，A₅对N₂和A₆对S₂对应地产生顺时针方向吸引电磁力，这些同为顺时针方向的电磁力，合成产生电磁转矩，转子顺时针方向旋转，直到转子磁极N₃与定子磁极A₁对齐为止，如图10所示，A₁N₃对齐后，双极性转子位置传感器28输出“1”电平信息，控制器接收到此信号，首先关断T₂和T₃两功率管，准备进入下一工作节拍。后续工作节拍是第一节拍和第二节拍的顺序循环重复过程，上述过程周而复始，电机连续将电能转换为机械能，带动负载而做功。

Claims (5)

1.一种非平衡转子单相永磁开关磁阻电机，其特征在于：包括定子铁芯、磁极绕组、转子铁芯、转子轴和双极性转子位置传感器，所述定子铁芯包括定子轭和设置在定子轭内圈上的定子磁极，各个定子磁极上绕制磁极绕组，由磁极绕组连接组成相绕组；所述转子铁芯包括转子轭、转子磁极、永磁体，转子轭外圈上设置有转子磁极，相邻两个转子磁极间形成转子槽，永磁体按相邻永磁体极性相同的方法嵌入转子槽中，磁化后的转子磁极呈N.S.N.S…磁极性分布；所述转子磁极由圆弧段、斜坡段和转子极突台三段组成，定子磁极数等于转子磁极数；电机运行中，根据双极性转子位置传感器检测到与定子磁极对齐的转子磁极的磁极性，确定相绕组中的电流方向，建立具有与对齐的转子磁极同极性的电励磁极，所有定转子磁极间产生同旋转方向的排斥电磁力，同时，所有与各定子磁极相邻且磁路最短、磁阻最小的定转子磁极间产生同旋转方向的吸引电磁力，从而形成电磁转矩，将电能转换为机械能。

2.根据权利要求1所述的非平衡转子单相永磁开关磁阻电机，其特征在于：各定子磁极极弧角与定子槽口角度相等，各定子磁极的三分之一处的极靴上嵌入短路环，短路环将各定子磁极励磁磁通裂变成不同相位的两个磁场，形成椭圆旋转电励磁磁场。

3.根据权利要求1所述的非平衡转子单相永磁开关磁阻电机，其特征在于：供+I_A电励磁后定子磁极极性呈N.S.N.S…交替分布，供-I_A电励磁后，定子磁极极性呈S.N.S.N…交替分布，通过调节励磁电流I_A的大小来调节励磁磁场的强弱，通过调节励磁电流I_A的极性来改变定子电励磁磁极的磁极性。

4.根据权利要求2所述的非平衡转子单相永磁开关磁阻电机，其特征在于：转子磁极总的弧角小于定子磁极极距角，转子磁极圆弧段弧角小于或等于定子磁极未被短路环罩住部分弧角，转子磁极斜坡段角度加转子极突台角度等于定子磁极极距角的一半。

5.根据权利要求1所述的非平衡转子单相永磁开关磁阻电机，其特征在于：转子轴与转子磁极、永磁体之间装有隔磁衬套，以防漏磁现象。