CN211508744U - 一种具有异型极靴铁芯的高速永磁开关磁阻电动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有异型极靴铁芯的高速永磁开关磁阻电动机，其特点是，励磁凸极对的两个异型圆弧形极靴铁芯径向中心线之间的圆心角度为一百八十度，每个异型圆弧形极靴铁芯的中央部位为极靴宽部，极靴宽部两端延伸出去的为极靴窄部，两个异型圆弧形极靴铁芯极靴窄部相互交错设置，且相互之间存在间隙。本实用新型能增加激励电流换向导通时励磁线圈内的电感量，降低换向时的电流冲击和避免永磁体退磁，同时还能提高电流换向时的扭矩输出。转子上永磁体能平滑地经过极靴窄部的交错重叠区域，从而降低电机转矩波动。通过电机参数优化设计，可实现用较少地昂贵的永磁材料获得更高转矩输出，以提高永磁材料利用率。

Description

一种具有异型极靴铁芯的高速永磁开关磁阻电动机

技术领域

本实用新型涉及一种永磁开关磁阻电动机，尤其为一种励磁单元铁芯为异型极靴状的高速永磁开关磁阻电动机。

背景技术

高速电机是一种高功率密度电机，体积小、重量轻、功率输出大，在许多应用场合都能发挥极其重要的作用，但由于绕组的电感是随着转速的提高而快速上升，从而限制了电机转速的提高。目前，有些用牺牲一部分转矩的方法来实现转速的提高。所以，实现转速、转矩、电感和结构之间关系匹配，是高速电机需要解决和研究的途径。

高速大扭矩电动机在许多场合能发挥独到作用。电动机结构简单、激励控制方便是必须要考虑的因素。减少电动机励磁凸极个数，采用极靴状凸极都成为结构高速电动机的技术手段，但转子上永磁体在经过相邻励磁凸极之间的空隙时，因为磁场变化突然、剧烈，会形成波动，而这种微小的波动在高速状态下会被放大，从而影响到该高速电动机的性能进一步提升。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种新型高速永磁开关磁阻电动机，降低高速电机转矩波动。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是，一种具有异型极靴铁芯的高速永磁开关磁阻电动机，其构成包括有转子、定子、位置传感器、激励控制电源，定子由定子座和励磁凸极对构成，转子由转子支架和圆弧状永磁体构成，其特征在于：所述励磁凸极对是由两个异型圆弧形极靴铁芯和励磁线圈构成，两个异型圆弧形极靴铁芯径向中心线之间的圆心角度为一百八十度，每个异型圆弧形极靴铁芯的中央部位为极靴宽部，而从极靴宽部向两端延伸出去的为极靴窄部，两个异型圆弧形极靴铁芯极靴窄部相互交错设置，且相互之间存在间隙，励磁线圈绕制于两个异型圆弧形极靴铁芯的连接部，转子旋转时，固定于转子支架上的圆弧状永磁体则能在两个异型圆弧形极靴铁芯的外围经过。

在上述技术方案中，所述异型圆弧形极靴铁芯的窄部呈阶梯状，或呈斜坡状。

在上述技术方案中，所述两个异型圆弧形极靴铁芯的极靴窄部相互交错设置，两个极靴窄部之间间隙的范围为0.5毫米至5.0毫米。

在上述技术方案中，所述转子上圆弧形永磁体弧长等于或小于异型极靴铁芯的弧长，且等于或大于异型极靴铁芯宽部的弧长。

在上述技术方案中，所述两个异型圆弧形极靴铁芯之间采用卯榫结构结合成一体。

在上述技术方案中，所述定子座分为左侧定子座和右侧定子座，左侧定子座内固定有一个励磁凸极对，右侧定子座内也固定有一个励磁凸极对，两个励磁凸极对的结构完全相同且对称设置，单侧励磁凸极对中，两个异型圆弧形极靴铁芯的上下两个连接部外围分别绕制有两组励磁线圈，且连接部左侧的上下两个励磁线圈串联，连接部右侧的上下两组励磁线圈串联，所述转子支架为双侧悬臂结构，在转子支架左右两侧悬臂径向内表面固定有两个圆弧形永磁体，这两个永磁体的磁极性指向是径向的，且这两个永磁体的磁极性不相同，此外，转子支架悬臂左侧固定的两个永磁体的径向中心点连线呈垂直方向，而悬臂支架右侧固定的两个永磁体的径向中心点连线呈水平方向。

在上述技术方案中，所述位置传感器为两个霍尔传感器，两个霍尔传感器分别固定于两侧定子座上，位置传感器的径向距离与圆弧状永磁体内弧面的径向距离相同，当某一侧励磁凸极对异型极靴径向中心线与该侧圆弧状永磁体径向中心线重合，设置在该侧的霍尔传感器则正对该侧两个圆弧状永磁体之间缝隙的中央平分线上，当该侧两个圆弧状永磁体相继经过该霍尔传感器，该霍尔传感器输出电信号至激励控制电源，使激励控制电源改变该侧励磁凸极对励磁线圈中激励电流的方向。

在上述技术方案中，所述励磁凸极对与定子座之间采用高导热胶灌封固化，成为一个固态导热体，定子座外侧设置在有散热叶片。

本实用新型的优点是，1.采用最少励磁凸极对的个数，提供最大换向角度空间（180°）；2.降低励磁线圈激励电流换向的控制方法提高励磁线圈激励电流的换向速度；3.定子上励磁凸极对铁芯采用宽窄部特异形状，并将同一个励磁凸极对的极靴窄部做交错设置，此结构，第一、加大了励磁凸极对各个铁芯凸极极靴两端所对应的圆心角度，这使得处于重合位置永磁体与相邻铁芯极靴之间距离大大的缩小或已处于搭接状态，这不但能使处在重合位置励磁凸极对励磁线圈电流在换向导通时励磁线圈内电感量有所增加，从而降低了换向时的电流冲击和避免了使永磁体退磁的因素，而且也显著提高了励磁线圈激励电流换向时的扭矩输出。第二、极靴窄部做交错设置，形成了一个重叠区域，该重叠区域内的两个极靴窄部的磁极性相异，且因为激励电流换向而同时发生磁极性的改变，而当转子上的永磁体进入该重叠区域内，两个极靴窄部的磁极性虽然相异，但位于永磁体逆时针方向的励磁凸极对极靴凸极是排斥该永磁体的，而位于该永磁体顺时针方向的励磁凸极对极靴凸极则是吸引该永磁体的，进而使该永磁体在重叠区域形成了平滑地经过。能提高转矩，并明显降低电机的转矩波动性。第三、此结构电机还可以通过加大定子上各励磁凸极对铁芯凸极极靴弧长所对应圆心角度来降低转子上永磁体弧长对应角度，从而减少昂贵的永磁体材料使用量，降低成本。

附图说明

图1是本实用新型励磁凸极对极靴窄部（二阶梯状）交错的铁芯结构示意图。

图2是本实用新型励磁凸极对极靴窄部（三阶梯状）交错的铁芯结构示意图。

图3是本实用新型励磁凸极对极靴窄部（斜坡状）交错的铁芯结构示意图。

图4是本实用新型励由左右两个部分结构励磁凸极对的极靴窄部（二阶梯状）交错的铁芯结构示意图。

图5是图4中励磁凸极对的左侧部分铁芯结构示意图。

图6是图4中励磁凸极对的右侧部分铁芯结构示意图。

图7是本实用新型实施例一高速电动机结构剖面图。

图8是本实用新型实施例一高速电动机中，左侧励磁凸极对及永磁体与右侧励磁凸极对及永磁体相对安装位置示意图。

图9是本实用新型实施例一高速电动机中，单侧转子支架及永磁体顺时钟旋转，永磁体径向中心线与极靴铁芯径向中心线未重合时刻示意图。

图10是本实用新型实施例一高速电动机中，单侧转子支架及永磁体顺时钟继续旋转，永磁体径向中心线与极靴铁芯径向中心线处于重合位置时刻示意图。

图11是本实用新型实施例一高速电动机中，单侧转子支架及永磁体顺时钟继续旋转，永磁体径向中心线与极靴铁芯径向中心线离开重合位置时刻示意图。

图12是本实用新型实施例一高速电动机左侧部分位置传感器和右侧部分传感器的设置示意图。

图13是本实用新型励磁凸极对二阶梯状窄部交错设置的间隙范围和最大重叠区域示意图。

图14是本实用新型励磁凸极对二阶梯状窄部交错设置，最小重叠区域示意图。

图15是本实用新型永磁体最大尺寸与励磁凸极对二阶梯状窄部极靴尺寸的关系示意图。

图16是本实用新型永磁体最小尺寸与励磁凸极对二阶梯状窄部极靴尺寸的关系示意图。

图17是本实用新型励磁凸极对斜坡状极靴窄部交错设置间隙范围示意图。

以上附图中，31是二阶交错极靴励磁单元铁芯，31a是二阶交错极靴励磁单元铁芯的宽部，31b是二阶交错极靴励磁单元铁芯的阶梯状窄部，31c是二阶交错极靴励磁单元铁芯绕制励磁线圈的连接部，31d是二阶交错极靴励磁单元铁芯的宽部，31e是二阶交错极靴励磁单元铁芯的阶梯状窄部，31f是二阶交错极靴励磁单元铁芯绕制励磁线圈的连接部，32是三阶交错极靴励磁单元铁芯，32a是三阶交错极靴励磁单元铁芯的宽部，32b是三阶交错极靴励磁单元铁芯的阶梯状窄部，32c是三阶交错极靴励磁单元铁芯缠绕励磁线圈的部段，32d是三阶交错极靴励磁单元铁芯的宽部，32e是三阶交错极靴励磁单元铁芯的阶梯状窄部，32f是三阶交错极靴励磁单元铁芯缠绕励磁线圈的部段，33是斜坡交错极靴励磁单元铁芯，33a是斜坡交错极靴励磁单元铁芯的宽部，33b是斜坡交错极靴励磁单元铁芯的窄部，33c是斜坡交错极靴励磁单元铁芯缠绕励磁线圈的部段，33d是斜坡交错极靴励磁单元铁芯的宽部，33e是斜坡交错极靴励磁单元铁芯的窄部，33f是斜坡交错极靴励磁单元铁芯缠绕励磁线圈的部段，34是二阶交错极靴双部件组合励磁单元铁芯，34a是组合极靴励磁单元铁芯部件一的极靴宽部，34b是组合极靴励磁单元铁芯部件一的极靴窄部，34c是组合极靴励磁单元铁芯部件一的缠绕励磁线圈的部段，34d是组合极靴励磁单元铁芯部件一的突键，34e是组合极靴励磁单元铁芯部件二结的极靴宽部，34f是组合极靴励磁单元铁芯部件二的极靴窄部，34g是组合极靴励磁单元铁芯部件二的键槽。 301是动力输出轴，302是电机端盖，303是散热叶轮，304是左侧定子座，305是励磁凸极对铁芯的缠绕励磁线圈部段，306是励磁线圈，307是励磁凸极对铁芯的极靴窄部， 308是圆弧状永磁体， 309是非导磁限位块，310是转子座，311是非导磁限位块，312是电机右侧位置传感器，313是轴承，314是电机左侧极靴单元铁芯极靴宽部的径向中心线，315是电机右侧极靴单元铁芯极靴宽部的径向中心线，316是电机左侧两个永磁体的径向中心线，317是电机右侧两个永磁体的径向中心线，318是电机转动轴线，SA是电机左侧位置传感器，SB是电机右侧位置传感器，YA是电机左侧圆弧状永磁体，YB是电机右侧圆弧状永磁体，LK是极靴宽部，LZ是极靴窄部，LC是极靴窄部的重叠区域，LCM是极靴窄部的最大重叠区域，LCm是极靴窄部的最小重叠区域，LYM是永磁体最大长度，LYm是永磁体最小长度，LJ是极靴窄部交错设置的间隙，LJJ是极靴窄部交错设置的径向间隙， LJZ是极靴窄部交错设置的轴向间隙，LJX是极靴窄部交错设置的斜向间隙。

具体实施方式

实施例一，本实施例电机结构剖面如附图7所示。

在本实施例中，励磁凸极对采用二阶交错双部件组合极靴励磁单元铁芯34，如附图4至附图6所示，该组合极靴励磁单元铁芯左部件的极靴宽部34a与组合极靴铁芯右部件的极靴宽部34e相同，组合极靴铁芯左部件的极靴窄部34b与组合极靴铁芯右部件的极靴窄部34f交错，组合极靴铁芯左部件绕制励磁线圈部段34c的端部有突键34d，该突键34d与组合极靴铁芯右部件的键槽34g配合组装。

在本实施例中，电机左侧励磁凸极对和电机右侧励磁凸极对分别设置于左侧定子座和右侧定子座。两侧励磁凸极对的设置方向相同，即左侧励磁凸极对极靴宽部径向中心线连线314为水平直线，右侧励磁凸极对极靴宽部径向中心线连线315也为水平直线，参见附图8，而电机左侧两个永磁体的径向中心线连线316和电机右侧两个永磁体的径向中心线连线317相互垂直。

在本实施例中，电机左侧励磁线圈的接线如附图11所示。励磁线圈A0和励磁线圈A0′串联，励磁线圈A1和励磁线圈A1′串联。与电机左侧励磁线圈接线方式相同，电机右侧励磁线圈B0和励磁线圈B0′串联，励磁线圈B1和励磁线圈B1′串联。

在本实施例中，电机左侧和电机右侧各设置一个位置传感器，电机右侧位置传感器312设置在右侧定子座上方十二点位置处，参见附图7，位置传感器312的径向距离与圆弧状永磁体外弧面的径向距离相同，电机右侧两个永磁体旋转会相继经过该位置传感器312，若前一个永磁体尾端t1时刻离开该位置传感器312，后一个永磁体前端t2时刻到达该位置传感器312，该位置传感器312会在（t2-t1）/ 2时刻发出位置信号到激励控制电源，激励控制电源随即改变电机右侧励磁线圈中的电流方向，即，由输入正向激励电流改为输入反向激励电流，从而使电机右侧励磁凸极对的极靴磁极性发生改变。而电机左侧的位置传感器则设置在电机左侧定子座三点或九点位置处，该位置传感器的径向距离与圆弧状永磁体外弧面的径向距离相同，电机左侧的两个永磁体旋转相继经过该位置传感器，若前一个永磁体尾端t3时刻离开该位置传感器，后一个永磁体前端t4时刻到达该位置传感器，该位置传感器会发出位置信号到激励控制电源，激励控制电源随即改变电机左侧励磁线圈中的电流方向，即，由输入反向激励电流改为输入正向激励电流，从而使电机左侧励磁凸极对的极靴磁极性发生改变。电机左侧位置传感器SA和电机右侧位置传感器SB相互之间的圆心角度为九十度，参见附图12。

本实施例电机的运转及控制过程如下：

如附图9所示，此刻电机左侧两个永磁线径向中心线与左侧励磁凸极对极靴宽部径向中心线并未重合时，此刻，A0与A0′两端输入正向激励电流，励磁凸极对左端呈S极性，对左端永磁体有磁吸引作用，而励磁凸极对右端则呈N极性，对右端永磁体有磁吸引作用，形成沿转子顺时针方向的正向力矩。

当电机左侧两个永磁线径向中心线与左侧励磁凸极对极靴宽部径向中心线处于重合位置时，如附图10所示，此刻，A0与A0′两端输入激励电流为零，励磁凸极对左端和右端无磁极性，从而不再对永磁体有磁吸引作用。而此刻，电机右侧的励磁线圈B0与B0′两端输入有反向激励电流，右侧励磁凸极对的两个极靴对右侧两个永磁体具有磁吸引力，保持对电机转动轴的正向力矩。

当电机左侧两个永磁线径向中心线与左侧励磁凸极对极靴宽部径向中心线离开重合位置时，如附图11所示，此刻，A1与A1′两端输入反向激励电流，励磁凸极对左端呈N极性，对左端永磁体有磁排斥作用，而励磁凸极对右端则呈S极性，对右端永磁体有磁排斥作用，仍然能形成沿转子顺时针方向的正向力矩。

由于电机左侧两个永磁体的径向中心线连线与右侧两个永磁体径向中心线连线的圆心角度之差为九十度，故电机转子每旋转九十度，就会在电机的左侧和右侧交替出现附图10所示的状态，即两个永磁线径向中心线与励磁凸极对极靴宽部径向中心线处于重合位置。电机左侧和右侧励磁线圈交替改变输入激励电流的方向，使得电机转动轴上始终能获得正向力矩。

在本实施例中，由于励磁凸极对极靴窄部交错设置，形成重叠区域LC（参见附图13和附图14）。该重叠区域LC具体参数在电机产品设计阶段可做调整。而且，该重叠区域LC参数调整与励磁凸极对极靴的其它参数调整相关，参见附图15至附图17，相关的极靴参数有极靴宽部LK、极靴窄部LZ以及极靴窄部之间的轴向间隙LJZ和极靴窄部之间的径向间隙LJJ，若统筹调整上述励磁凸极对极靴各参数值，可以获得小于或等于最大重叠区域LCM和大于或等于最小重叠区域LCm的重叠区域LC参数值，若再将永磁体的尺寸在最大长度LYM和最小长度LYm之间做适当选择，并与上述极靴参数及重叠区域LC参数值结合，进行优化设计，即可实现性能优异的电机。

在上述极靴各参数中，如附图13、附图16和附图17所示，极靴窄部之间存在的轴向间隙LJZ 、径向间隙LJJ、斜向间隙LJX尤为关键。轴向间隙LJZ调节范围为0.5毫米至5.0毫米，径向间隙LJJ调节范围也为0.5毫米至5.0毫米，斜向间隙LJX调节范围也为0.5毫米至5.0毫米。轴向间隙LJZ、径向间隙LJJ、斜向间隙LJX既可以相同，也可以不相同。

励磁凸极对极靴窄部交错设置，形成重叠区域LC是本实施例电机的一个重要特点，当转子上永磁体旋转进入该重叠区域，会达到以下三个技术效果。

第一、能使处在重合位置励磁凸极对励磁线圈电流在换向导通时励磁线圈内电感量有所增加，从而降低换向时的电流冲击和避免使永磁体退磁的因素，而且也能显著提高励磁线圈激励电流换向时的扭矩输出。

第二、励磁凸极对窄部交错的重叠区域会使得永磁体（类似拉力棒）有前、后两个励磁凸极对的拉、推，从而更加平稳、平顺、有力地旋转，能明显降低电机的转矩波动性。

第三、可以利用较少的、昂贵的永磁材料获得更高的转矩输出，显著提高永磁材料利用率。

实施例二，本实施例与实施例一的区别仅在于励磁凸极对的结构不同。

本实施例中，励磁凸极对的铁芯结构如附图1所示，励磁凸极对铁芯为一个整体。励磁凸极对铁芯极靴窄部呈二阶梯状交错设置。本实施例电机转子结构、运转机制及激励控制方式同实施例一，不再重述。

实施例三，本实施例与实施例一的区别仅在于励磁凸极对的结构不同。

本实施例中，励磁凸极对的铁芯结构如附图2所示，励磁凸极对铁芯为一个整体。励磁凸极对铁芯极靴窄部呈三阶梯状交错设置。本实施例电机转子结构、运转机制及激励控制方式同实施例一，不再重述。

实施例四，本实施例与实施例一的区别仅在于励磁凸极对的结构不同。

本实施例中，励磁凸极对的铁芯结构如附图3所示，励磁凸极对铁芯为一个整体。励磁凸极对铁芯极靴窄部呈斜坡状交错设置。本实施例电机转子结构、运转机制及激励控制方式同实施例一，不再重述。

Claims (8)

1.一种具有异型极靴铁芯的高速永磁开关磁阻电动机，其构成包括有转子、定子、位置传感器、激励控制电源，定子由定子座和励磁凸极对构成，转子由转子支架和圆弧状永磁体构成，其特征在于：所述励磁凸极对是由两个异型圆弧形极靴铁芯和励磁线圈构成，两个异型圆弧形极靴铁芯径向中心线之间的圆心角度为一百八十度，每个异型圆弧形极靴铁芯的中央部位为极靴宽部，而从极靴宽部向两端延伸出去的为极靴窄部，两个异型圆弧形极靴铁芯极靴窄部相互交错设置，且相互之间存在间隙，励磁线圈绕制于两个异型圆弧形极靴铁芯的连接部，转子旋转时，固定于转子支架上的圆弧状永磁体则能在两个异型圆弧形极靴铁芯的外围经过。

2.根据权利要求1所述的一种具有异型极靴铁芯的高速永磁开关磁阻电动机，其特征在于：所述异型圆弧形极靴铁芯的窄部呈阶梯状，或呈斜坡状。

3.根据权利要求2所述的一种具有异型极靴铁芯的高速永磁开关磁阻电动机，其特征在于：所述两个异型圆弧形极靴铁芯的极靴窄部相互交错设置，两个极靴窄部之间间隙的范围为0.5毫米至5.0毫米。

4.根据权利要求1所述的一种具有异型极靴铁芯的高速永磁开关磁阻电动机，其特征在于：所述转子上圆弧形永磁体弧长等于或小于异型极靴铁芯的弧长，且等于或大于异型极靴铁芯宽部的弧长。

5.根据权利要求1所述的一种具有异型极靴铁芯的高速永磁开关磁阻电动机，其特征在于：所述两个异型圆弧形极靴铁芯之间采用卯榫结构结合成一体。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种具有异型极靴铁芯的高速永磁开关磁阻电动机，其特征在于：所述定子座分为左侧定子座和右侧定子座，左侧定子座内固定有一个励磁凸极对，右侧定子座内也固定有一个励磁凸极对，两个励磁凸极对的结构完全相同且对称设置，单侧励磁凸极对中，两个异型圆弧形极靴铁芯的上下两个连接部外围分别绕制有两组励磁线圈，且连接部左侧的上下两个励磁线圈串联，连接部右侧的上下两组励磁线圈串联，所述转子支架为双侧悬臂结构，在转子支架左右两侧悬臂径向内表面固定有两个圆弧形永磁体，这两个永磁体的磁极性指向是径向的，且这两个永磁体的磁极性不相同，此外，转子支架悬臂左侧固定的两个永磁体的径向中心点连线呈垂直方向，而悬臂支架右侧固定的两个永磁体的径向中心点连线呈水平方向。

7.根据权利要求6所述的一种具有异型极靴铁芯的高速永磁开关磁阻电动机，其特征在于：所述位置传感器为两个霍尔传感器，两个霍尔传感器分别固定于两侧定子座上，位置传感器的径向距离与圆弧状永磁体内弧面的径向距离相同，当某一侧励磁凸极对异型极靴径向中心线与该侧圆弧状永磁体径向中心线重合，设置在该侧的霍尔传感器则正对该侧两个圆弧状永磁体之间缝隙的中央平分线上，当该侧两个圆弧状永磁体相继经过该霍尔传感器，该霍尔传感器输出电信号至激励控制电源，使激励控制电源改变该侧励磁凸极对励磁线圈中激励电流的方向。

8.根据权利要求6所述的一种具有异型极靴铁芯的高速永磁开关磁阻电动机，其特征在于：所述励磁凸极对与定子座之间采用高导热胶灌封固化，成为一个固态导热体，定子座外侧设置在有散热叶片。

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