CN212588246U - 一种永磁型单相绕组同步磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种永磁型单相绕组同步磁阻电机，包括电机外壳、定子和转子，所述电机外壳固定在机座上，左段转子位置传感器安装在左段A₁极中心线上和右段转子位置传感器安装在右段B₂极中心线上。本实用新型采用左右两段极绕组和相绕组AB的特殊结构，电机虽然是单相绕组AB绕组，但能实现任一工作节拍中的任一瞬时，电机的所有绕组同时进行能量转换，其功率密度得到有效提高。

Description

一种永磁型单相绕组同步磁阻电机

技术领域

本实用新型属于机电技术领域，涉及一种永磁型单相绕组同步磁阻电机。

背景技术

永磁型两相开关磁阻电机，因其磁极绕组和A.B两相绕组结构，以及供电模式，使得该电机在任一瞬时只有某一相绕组供电而进行能力转换，因此影响了电机的功率密度。

实用新型内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本实用新型提供一种永磁型单相绕组同步磁阻电机，采用左右两段(A和B段)的极绕组和相绕组AB的特殊结构，电机虽然是单相绕组(AB绕组)，但能实现任一工作节拍中的任一瞬时，电机的所有绕组同时进行能量转换，其功率密度得到有效提高。

其技术方案为：

一种永磁型单相绕组同步磁阻电机，包括电机外壳、定子和转子，所述电机外壳固定在机座上，左段转子位置传感器安装在左段A₁极中心线上和右段转子位置传感器安装在右段B₂极中心线上。

进一步，所述定子包括结构相同的左右两段定子铁芯和位于左右两段定子铁芯之间的段间磁轭，左段定子铁芯包括左段定子磁轭、均匀分布在左段定子磁轭内侧的左段定子磁极和设置在左段定子磁极上的左段定子磁极绕组；右段定子铁芯包括右段定子磁轭、均匀分布在右段定子磁轭内侧的右段定子磁极和设置在右段定子磁极上的右段定子磁极绕组；左右两段定子铁芯结构完全相同。

进一步，所述转子包括转轴、结构相同的左右两段转子铁芯、嵌入在左右两段转子铁芯之间的永磁体。左段转子铁芯包括左段转子磁轭和均匀分布在左段转子磁轭外侧的左段转子磁极，左段转子磁极由左段大圆弧段和左段小圆弧段两部分组成；右段转子铁芯包括右段转子磁轭和均匀分布在右段转子磁轭外侧的右段转子磁极，右段转子磁极由右段大圆弧段和右段小圆弧段组成。

进一步，采用单相IGBT或MOSFET H桥作为功率电路。

本实用新型的有益效果：

①定子极数是转子极数的两倍，转子极总宽度是定子极宽度的两倍。定子极弧角Ψ₁等于定子槽口角Ψ₂等于转子极大圆弧段弧角Ψ₃，同时等于小圆弧段弧角Ψ₄，即Ψ₁＝Ψ₂＝Ψ₃＝Ψ₄。

②极绕组组成的段绕组(A和B段绕组)供电励磁后，产生的定子极磁极性N.S(或者S.N)交替对称分布，有益于转子极的大圆弧段与对齐的同性定子极产生电磁排斥力，而小圆弧段与异极性的定子极产生同方向吸引力。

③左段绕组和右段绕组按图7c)(或图7d)组成单相AB绕组后，由单相H桥作为功率电路，电流换相根据转子位置传感器信息进行，相绕组(AB绕组)中电流由+I_AB换相为-I_AB。或者由-I_AB换相为+I_AB，续流过程短，换相快捷，能量转换率高。所述永磁型单相绕组同步磁阻电机，运行中任何瞬时全部定转子电磁机构(磁极/绕组)共同做功，效率和功率密度得到进一步提高。

④所述永磁型单相绕组同步磁阻电机其结构保证了运行过程中除产生磁阻转矩外，同时还产生转子轴向磁化后形成的永磁转矩，合成力矩大，功率密度高。

附图说明

图1是本实用新型的实施例8/4极永磁型单相绕组同步磁阻电机轴向剖视图；

图2为图1的轴向左视电机截面示意图；

图2a)是轴向左视左段定转子截面图；

图2b)是轴向左视右段定转子截面图；

图3是实施例电机左右定子铁芯硅钢片结构示意图；

图4是实施例电机段间磁轭硅钢片结构示意图；

图5是实施例电机转子铁芯硅钢片结构示意图；

图6是图2中左右段定子磁极绕组绕制示意图；

图6a)是左段轴向左视定子极绕组绕制示意图；

图6b)是右段轴向左视定子磁极绕组绕制示意图；

图7是实施例电机绕组连接图；

图7a)是左段绕组连接图；

图7b)是右段绕组连接图；

图7c)是串联型单相AB绕组图；

图7d)是并联型单相AB绕组图；

图8是实施例电机功率电路图；

图8a)是串联型单相AB绕组功率电路图；

图8b)是并联型单相绕组AB绕组功率电路图；

图9是实施例电机A₁N₁对齐后，(第一节拍)相绕组AB供+I_AB电流电机模型图；

图9a)是左段模型图；

图9b)是右段模型图；

图10是实施例电机B₂S₁对齐后，(第二节拍)相绕组AB供-I_AB电流电机模型图；

图10a)是左段模型图；

图10b)是右段模型图；

图11是经过第一节拍和第二节拍后的定转磁极状态图；其中，定转子对齐，是指转子极大圆弧段中心线与定子极中心线对齐。左段转子位置传感器装在左段定子A₁磁极中心线上；右段转子位置传感器安装在右段定子B₂磁极中心线上。

104是左段定子磁极，105是左段定子磁极绕组，

106是定子段间磁轭，107是右段定子磁极，

108是右段定子磁极绕组，201是永磁体，202是非导磁转子轴，205是左段转子磁极，206是右段转子磁极，115是左段定子轭，116是右段定子轭，209是左段转子磁轭，210是右段转子磁轭，207是左段转子极大圆弧段，217是右段转子极大圆弧段，208是左段转子极小圆弧段，218是右段转子极小圆弧段，Ψ₁是定子极磁极弧角(机械角)，Ψ₂是定子槽口弧角(机械角)，Ψ₃是转子极大圆弧段角(机械角)，Ψ₄是小圆弧段角(机械角)，Ψ₁＝Ψ₂＝Ψ₃＝Ψ₄，τ是定子极距角：τ＝Ψ₁+Ψ₂。

“*”同名端符号，用首端符号a_i，b_i表示，末端符号为x_i，y_i表示。

+I_AB电流是指电流从单相绕组的A端流入，B端流出的电流，反之为-I_AB。

A₁至A₈表示实施例电机左段定子磁极。

B₁至B₈表示实施例电机右段定子磁极。

a₁x₁至a₈x₈表示A₁至A₈定子极上的极绕组。

b₁y₁至b₈y₈表示B₁至B₈定子极上的极绕组。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步详细地说明。

如图1、图2所示，一种永磁型单相绕组同步磁阻电机，包括电机外壳、定子和转子，所述电机外壳固定在机座上，左段转子位置传感器安装在左段A₁极中心线上和右段转子位置传感器安装在右段B₂极中心线上。

所述定子包括结构相同的左右两段定子铁芯和位于左右两段定子铁芯之间的段间磁轭106。左右两段定子铁芯的结构如图3所示，左段定子铁芯包括左段定子磁轭115、均匀分布在左段定子磁轭115内侧的左段定子磁极104和设置在左段定子磁极104上的左段定子磁极绕组105；右段定子铁芯包括右段定子磁轭116、均匀分布在右段定子磁轭116内侧的右段定子磁极107和设置在右段定子磁极107上的右段定子磁极绕组108；左右两段定子铁芯结构完全相同，定子铁芯安装时，要保证左右两段定子铁芯上对应的定子磁极中心线对齐，定子磁极弧度角Ψ₁等于定子槽口弧度角Ψ₂，即Ψ₁＝Ψ₂。

所述段间磁轭106是与定子磁轭同内外径的无磁极柱形圆环，其硅钢片结构如图4所示，段间磁轭106的厚度与永磁体的厚度相同。段间磁轭106是永磁体和励磁磁场共同的磁通路径。

永磁型单相绕组同步磁阻电机，左右两段定子铁芯上的左段定子磁极104和右段定子磁极107结构尺寸完全相同。左段定子极用A₁，A₂…A_N表示，右段定子极用B₁，B₂…B_N表示；左段定子极A_i号极完全对应对称右段定子极B_i号极(即A₁对应B₁…A_N对应B_N)，且左右段定子各个磁极的极弧角Ψ₁等于定子槽口弧角Ψ₂(即Ψ₁＝Ψ₂)，Ψ₁+Ψ₂是定子的极距角τ(τ＝Ψ₁+Ψ₂)。左段转子磁极205和右段转子磁极206结构完全相同，左段转子205由大圆弧段207和小圆弧段208构成，右段转子206由大圆弧段217和小圆弧段218构成。大圆弧段弧角Ψ₃等于小圆弧段弧角Ψ₄(Ψ₃＝Ψ₄)。同时定子极弧角Ψ₁与转子圆弧角Ψ₃相等，即Ψ₁＝Ψ₂＝Ψ₃＝Ψ₄＝1/2τ。小圆弧段在转子极上的位置确定电机单向运转方向。

左段和右段定子极(104,107)上绕制同匝数，同线径，同方向的各个极绕组(105,108)，各极的极绕组同名端用“*”表示，用首端符号a_i和b_i表示，末端(异名端)用x_i和y_i表示，因此左段极绕组为a₁x₁,a₂x₂…a_Nx_N。左段极绕组(a_ix_i)和右段极绕组(b_iy_i)在段内首端连接首端，末端连接末端如图7a)和b)所示连接法，分别连接成左段绕组(a_ix_i)绕组和右段绕组(b_iy_i)。相绕组(AB绕组)的组成：①按图7c)连接法，将AB两段绕组串联成单相绕组(AB绕组)；②按图7d)连接法，将段绕组并联成单相绕组(AB绕组)。

所述转子包括转轴202、结构相同的左右两段转子铁芯、嵌入在左右两段转子铁芯之间的永磁体201。左段转子铁芯包括左段转子磁轭209和均匀分布在左段转子磁轭209外侧的左段转子磁极205，左段转子磁极205由左段大圆弧段207和左段小圆弧段208两部分组成；右段转子铁芯包括右段转子磁轭210和均匀分布在右段转子磁轭210外侧的右段转子磁极206，右段转子磁极206由右段大圆弧段217和右段小圆弧段218组成，转子磁极弧度角(机械角)是定子磁极弧度角(机械角)的两倍。其中大圆弧段的弧度角与定子磁极的弧度角相同。在图5中给出了转子磁极小圆弧段A点至C点落差为K_o(K_o<1mm)。左右段各转子磁极的轴线对齐，小圆弧段所处位置确定了电机的旋转方向，转子磁极数Nr(偶数)是定子磁极数Ns极的二分之一。

左右两段转子铁芯均用图5中凸极转子铁芯硅钢片叠压而成。其结构形状，结构尺寸完全相同。安装转子时，在左右两段转子铁芯之间嵌入轴向充磁的圆柱形永磁体201，要求左右段转子各磁极中心线对齐，转子铁芯被轴向磁化后，其转子一端为N极，另一端为S极，如图1所示，转子为两磁极极性的转子。

所述转轴202采用非导磁的不锈钢制作，或者在普钢转轴外表套装隔磁衬套管。

本实用新型所述的永磁型单相绕组同步磁阻电机，采用单相IGBT(或MOSFET)H桥作为功率电路，如图8所示，相绕组A端和B端分别接在两桥臂中的W端V端。功率管T₁和T₄导通(其他截止)，相绕组AB中流过+I_AB；功率管T₂和T₃导通(其他截止)，相绕组流过-I_AB，电流换相依据转子位置信息进行。

本实用新型所述的永磁型单相绕组同步磁阻电机，左段定子A₁极中心线上装有左段转子位置传感器(A传感器)，右段定子B₂极中心线上装有右段转子位置传感器(B传感器).电机运行中，当左段转子极大圆弧段中心线与左段定子A₁极中心线对齐时，A传感器发出电流换相指令，相绕组AB通以+I_AB电流；当右段转子极大圆弧段中心线与右段定子B₂极中心线对齐时，B传感器发出电流换相指令，相绕组AB通-I_AB电流。上述过程周而复始，电机连续运行。

本实用新型工作原理如下:依据如图9至图11本实施例电机轴向左视模型图，进一步分析永磁型单相绕组同步磁阻电机的工作过程，为简单起见，实施例电机以8/4极永磁型单相绕组同步磁阻电机为例：

设实施例电机初始状态图如图9所示，图9a)左段转子极都为N极，图9b)右段转子极都为S极；单相绕组(AB绕组)如图7c)串联接法，功率电路如图8a)所示。单相绕组在没供电前，左段(A段)定转子磁极所处状态如图9a)所示，左段定子A₁极与左转子N₁极的大圆弧段对齐，左段位置传感器输出位置信息。右段(B段)定转子极所处状态如图9b)所示，右段定子B₂极与右转子极S₁的大圆弧段不对齐，右段位置传感器无输出。在上述初始状态下，给实施例电机供电进入第一工作节拍：

第一节拍，根据左段位置信息，触发图8a)中T₁和T₄功率管而导通(T₂和T₃关断)。给电机供+I_AB电流，左段(A段)和右段(B段)各极绕组电流的方向已在图9a)和图9b)中标出，根据右手螺旋定则和电磁力定律可知:①左段(A段)定子极A₂，A₄，A₆和A₈极都为S磁极性，且分别对N₁，N₂，N₃和N₄产生顺时针方向的吸引电磁力；同时左定子A₁，A₃，A₅和A₇极都为N磁极性，它们分别对转子的N₁，N₂，N₃和N₄产生排斥电磁力，在转子旋转体中，由于受吸引电磁力和结构的影响，所以此排斥电磁力与吸引力同方向；②右段(B段)定子极B₂，B₄，B₆和B₈极都为N磁极性，且分别对右转子极S₁，S₂，S₃和S₄产生顺时针方向的吸引电磁力；同时右定子B₁，B₃，B₅和B₇极都为S磁极性，它们分别对右转子转子的S₁，S₂，S₃和S₄极产生排斥电磁力，左右两段定转子磁极间共同产生同向的电磁力而形成电磁力矩，拖动电机顺时针方向旋转，直到右段转子S₁极的大圆弧段中心线与右段定子B₂极对齐为止(此时电机转子已转过了一个极距)如图10所示，右段位置传感器发出电流换相指令，先关断T₁和T₄功率管，然后进入第二节拍。

第二节拍，在图10的定转子磁极状态的基础上，依据右段位置传感器的信息，触发图8a)中功率管T₂和T₃而导通(T₁和T₄关断)。电机相绕组(AB绕组)流过-I_AB电流。左段和右段各极绕组中的电流方向在图10a)和图10b)中标出。根据右手螺旋定则和电磁力定律可知：①左段(A段)定子极A₁，A₃，A₅和A₇极都为S磁极性，且分别对N₄，N₁，N₂和N₃产生顺时针方向的吸引电磁力；同时左定子A₂，A₄，A₆和A₈极都为N磁极性，它们分别对转子的N₁，N₂，N₃和N₄产生顺时针方向的排斥电磁力。②右段(B段)定子极B₁，B₃，B₅和B₇极都为N磁极性，且分别对右段转子极S₄，S₁，S₂和S₃极产生顺时针方向的吸引电磁力；同时右定子B₂，B₄，B₆和B₈极都为S磁极性，它们分别对右转子转子的S₁，S₂，S₃和S₄极产生顺时针方向(其理由与前述相同)排斥电磁力，左右两段定转子磁极间共同产生同向的电磁力而形成电磁力矩，在此电磁转矩拖动下，电机顺时针方向旋转，直到左段转子N₄极的大圆弧段中心线与左段定子A₁极对齐为止,如图11所示。左段位置传感器发出电流换相指令，进入下一工作节拍。后续工作节拍顺序重复第一和第二节拍，周而复始。电机连续工作，将电能转换为机械能，带动生产负载而做功。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，本实用新型的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种永磁型单相绕组同步磁阻电机，其特征在于：包括电机外壳、定子和转子，所述电机外壳固定在机座上，左段转子位置传感器安装在左段A₁极中心线上和右段转子位置传感器安装在右段B₂极中心线上。

2.根据权利要求1所述的永磁型单相绕组同步磁阻电机，其特征在于：所述定子包括结构相同的左右两段定子铁芯和位于左右两段定子铁芯之间的段间磁轭，左段定子铁芯包括左段定子磁轭、均匀分布在左段定子磁轭内侧的左段定子磁极和设置在左段定子磁极上的左段定子磁极绕组；右段定子铁芯包括右段定子磁轭、均匀分布在右段定子磁轭内侧的右段定子磁极和设置在右段定子磁极上的右段定子磁极绕组；左右两段定子铁芯结构完全相同。

3.根据权利要求1所述的永磁型单相绕组同步磁阻电机，其特征在于：所述转子包括转轴、结构相同的左右两段转子铁芯、嵌入在左右两段转子铁芯之间的永磁体；左段转子铁芯包括左段转子磁轭和均匀分布在左段转子磁轭外侧的左段转子磁极，左段转子磁极由左段大圆弧段和左段小圆弧段两部分组成；右段转子铁芯包括右段转子磁轭和均匀分布在右段转子磁轭外侧的右段转子磁极，右段转子磁极由右段大圆弧段和右段小圆弧段组成。

4.根据权利要求1所述的永磁型单相绕组同步磁阻电机，其特征在于：采用单相IGBT或MOSFET H桥作为功率电路。

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