CN212784913U - 一种阻尼式开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种阻尼式开关磁阻电机，其包括电机外壳、定子和转子，转子套设在定子内。定子包括定子磁轭和设置于定子磁轭的内圆周上的定子磁极。定子磁极上设置有成对设置的第一磁极和第二磁极，第一磁极和第二磁极之间设置有隔磁槽，定子磁极上有磁极绕组，第一磁极上有第一绕组，第二磁极上有第二绕组，第一绕组与第二绕组的绕制方向相反。转子磁极在转子磁轭的外圆周上，转子磁极上无需设置永磁体或绕组，通过在定子磁极上设置第一磁极和第二磁极，是定子磁极呈N、S交替分布或呈S、N交替分布，在定子磁极的作用下，所有的定子磁极和转子磁极间共同发生电磁作用，产生磁阻转矩，电磁机构的使用率高，电机运行高效且节能。

Description

一种阻尼式开关磁阻电机

技术领域

本实用新型涉及磁阻电机技术领域，尤其涉及一种阻尼式开关磁阻电机。

背景技术

开关磁阻电机作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机以其结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性，愈来愈得到人们的认可和应用。已成功应用于在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域中，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力竞争者。

常规的开关磁阻电机一般定子、转子均采用凸极结构。通过对定子励磁绕组依次通电，定子磁极与转子磁极相互作用产生转矩。但是开关磁阻电机由于其转子上没有设置永磁体或者绕组，导致开关磁阻电机的磁阻转矩效应低迷，开关磁阻电机力能指标差，电磁转矩小且效率低。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本实用新型提供一种阻尼式开关磁阻电机，其解决了开关磁阻电机电磁转矩小且效率低的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括，

一种阻尼式开关磁阻电机，其包括电机外壳、定子和转子，所述定子和所述转子均设置于所述电机外壳内，所述转子套设在所述定子内；

所述定子包括定子磁轭和定子磁极，所述定子磁极设置于所述定子磁轭的内圆周上；

所述定子磁极上设置有成对设置的第一磁极和第二磁极，所述第一磁极和所述第二磁极之间设置有隔磁槽；

所述定子磁极上绕制有磁极绕组，所述第一磁极上绕制有第一绕组，所述第二磁极上绕制有第二绕组，所述第一绕组绕制方向与所述第二绕组的绕制方向相反；

所述转子包括转子磁轭和转子磁极，所述转子磁极设置于所述转子磁轭的外圆周上。

可选地，所述第一磁极和所述第二磁极均与所述定子磁极的端面垂直连接，所述第一磁极和所述第二磁极以对称面对称，所述对称面为所述转子的中轴线与所述定子磁极的径向中心线所在的平面。

可选地，所述定子磁极的极弧宽度是转子磁极的极弧宽度的1.5倍，所述转子磁极的极数是所述定子磁极的极数的1.5倍。

可选地，所述定子磁极的极数为偶数。

可选地，所述第一绕组和所述第二绕组为同线径、同匝数的励磁绕组，所述第一绕组与所述第二绕组串联。

可选地，多个所述定子磁极上的所述励磁绕组依次串联。

可选地，所述磁极绕组为同线径、同匝数且同绕制方向的绕组；同一相的所述磁极绕组反向串联连接形成相绕组。

可选地，所述相绕组连接成单相绕组，所述单相绕组采用单相H桥作为功率电路进行供电。

可选地，多个所述相绕组串联成所述单相绕组，或者，多个所述相绕组并联后等效为所述单相绕组。

可选地，所述阻尼式开关磁阻电机还包括两个位置传感器，所述两个位置传感器设置于任意两个相邻的所述定子磁极的径向中心线上。

(三)有益效果

本实用新型的有益效果是，本实用新型的阻尼式开关磁阻电机，转子磁极上无需设置永磁体或绕组，通过在定子磁极上设置第一磁极和第二磁极，是定子磁极呈N、S交替分布或呈S、N交替分布，在定子磁极的作用下，所有的定子磁极和转子磁极间共同发生电磁作用，产生磁阻转矩，电磁机构的使用率高，电机运行高效且节能。

附图说明

图1为本实用新型的阻尼式开关磁阻电机的实施例中8/12极阻尼式开关磁阻电机截面图；

图2为本实用新型的阻尼式开关磁阻电机的实施例中励磁绕组的连接电路图；

图3为本实用新型的阻尼式开关磁阻电机的实施例中磁极绕组的连接电路图；

图4为本实用新型的阻尼式开关磁阻电机的实施例中单相H桥功率电路的电路图；

图5为本实用新型的阻尼式开关磁阻电机的实施例中电机起动前初始状态图；

图6为本实用新型的阻尼式开关磁阻电机的实施例中第一节拍的状态图；

图7为本实用新型的阻尼式开关磁阻电机的实施例中第二节拍的状态图；

图8为本实用新型的阻尼式开关磁阻电机的实施例中经过第一节拍和第二节拍后的电机状态图。

【附图标记说明】

02：定子磁轭；03：定子磁极；04：磁极绕组；05：励磁绕组；06：第一磁极；07：第二磁极；09：转子磁极；10：转子磁轭；11：转轴；12：磁力线路径；T1：第一功率管；T2：第二功率管；T3：第三功率管；T4：第四功率管。

具体实施方式

为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”方位名词以图1的定向为参照。

本实用新型实施例提出的一种阻尼式开关磁阻电机，其包括电机外壳、定子和转子，定子和转子均设置于电机外壳内，转子套设在定子内，解决了开关磁阻电机电磁转矩小且效率低的技术问题。定子包括定子磁轭02和设置于定子磁轭02的内圆周上的定子磁极03。定子磁极03上设置有成对设置的第一磁极06和第二磁极07，第一磁极06和第二磁极07之间设置有隔磁槽，定子磁极03上绕制有磁极绕组04，第一磁极06上绕制有第一绕组，第二磁极07上绕制有第二绕组，第一绕组绕制方向与第二绕组的绕制方向相反。转子包括转子磁轭10和设置于转子磁轭10的外圆周上的转子磁极09。转子磁极09上无需设置永磁体或绕组，通过在定子磁极03上设置第一磁极06和第二磁极07，使定子磁极03呈N、S交替分布或呈S、N交替分布，在定子磁极03的作用下，所有的定子磁极03和转子磁极09间共同发生电磁作用，产生磁阻转矩，电磁机构的使用率高，电机运行高效且节能。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在具体的实施例中，以定子磁极03的极数为8个(分别用A1到A8表示)而转子磁极09的极数为12(分别用1到12表示)个的实施方式为例。如图1所示，定子磁极03上设置有成对设置的第一磁极06和第二磁极07，第一磁极06和第二磁极07之间设置有隔磁槽。定子磁极03上绕制有磁极绕组04，第一磁极06上绕制有第一绕组，第二磁极07上绕制有第二绕组，第一绕组绕制方向与第二绕组的绕制方向相反。第一绕组和第二绕组通电后产生径向的磁场，第一绕组和第二绕组产生的磁场方向相反，磁极绕组04通电后产生径向的磁场，第一磁极06和第二磁极07中具有与定子磁极03同向的磁场的磁极被增磁，反之则被去磁，定子磁极03整体呈N、S交替分布或呈S、N交替分布。励磁绕组05产生的磁力线路径12从第一磁极06发出，进入第一磁极06下的气隙后到转子磁极，再由转子磁极09发出，进入第二磁极07下的气隙后到达同一定子磁极03的第二磁极07，再回到第一磁极06，形成闭合的磁力线路径12。励磁绕组05产生磁场是阻尼式开关磁阻电机产生磁阻转矩必备磁场，其极性可控，强弱可调，具备良好的恒转矩和恒功率调速特性，不存在因高温和振动影响而导致退磁现象。

如图1所示，第一磁极06和第二磁极07均与定子磁极03的端面垂直连接，第一磁极06和第二磁极07以对称面对称，其中，对称面为转子的中轴线与定子磁极03的径向中心线所在的平面。所有的定子磁极03上设置的第一磁极06和第二磁极07的端面均为弧面且共圆心，圆心为转子的转轴11的轴心，保证转子在转动过程中转子磁极09与第一磁极06和第二磁极07之间保持均等的气隙。

进一步地，定子磁极03的极弧宽度是转子磁极09的极弧宽度的1.5倍，转子磁极09的极数是定子磁极03的极数的1.5倍，定子磁极03的极数为偶数。转子磁极09的可以是偶数，也可以是奇数。

优选地，第一绕组和第二绕组为同线径、同匝数的励磁绕组05，第一绕组与第二绕组串联。如图2所示，多个定子磁极03上的励磁绕组05依次串联，第一绕组和第二绕组绕制方向相反，串联后的励磁绕组05通电后第一绕组和第二绕组产生沿径向且方向相反的磁场，从而使第一磁极06和第二磁极07呈N、S或者S、N。

如图3所示，磁极绕组04为同线径、同匝数且同绕制方向的绕组；同一相的磁极绕组04反向串联连接形成相绕组。相绕组连接成单相绕组，单相绕组采用单相H桥作为功率电路进行供电。如图4所示，单相H桥包括第一功率管T1、第二功率管T2、第三功率管T3和第四功率管T4，第一功率管T1和第三功率管T3串联，第二功率管T2和第四功率管T4串联后再与第一功率管T1和第三功率管T3的串联电路并联，串联后的励磁绕组05的一端与第一功率管T1的发射极连接，串联后的励磁绕组05的另一端与第二功率管T2的发射极连接。

优选地，多个相绕组串联成单相绕组，或者，多个相绕组并联后等效为单相绕组，采用单相H桥作为功率电路进行供电。相绕组是电动机主要能量转换绕组，通过的电流大、线径粗，相对于励磁绕组05而言匝数少；励磁绕组05通过电流小、线径细、匝数多，是一种产生磁阻转矩的必备辅助磁场。

参考图1，阻尼式开关磁阻电机还包括两个位置传感器，两个位置传感器包括第一位置传感器B1和第二位置传感器B2，第一位置传感器B1和第二位置传感器B2分别与任意两个相邻的定子磁极03的径向中心线一一对应设置，第一位置传感器B1和第二位置传感器B2均用于判断转子磁极09的当前位置。

本实用新型电机工作原理和工作过程的分析以图2、图3和图4为例，依据图5、图6、图7以及图8作详细描述如下：

需要说明的是，本实施例中，单相绕组AX的+IA是指由A端流向X端，反向为-IA。ΦA1到ΦA8分别是定子磁极A1到A8各极电枢磁场的磁力线方向。各极绕组的同名端用“*”表示，并分别标注首端符号a1,a2...an，末端分别用x1,x2...xn表示。

由于起动前，转子磁极09可能处于任意位置，因此电机起动运行前，先进行定子磁极03和转子磁极09自动定位，励磁绕组05(F+/F-)通入+IF励磁电流，建立第一磁极06和第二磁极07的励磁磁场，且保持不变发出图4中第一功率管T1和第四功率管T4短时间导通(第二功率管T2和第三功率管T3关断)或者第二功率管T2和第三功率管T3短时间导通(第一功率管T1和第四功率管T4关断)的驱动脉冲进行转子定位。关断已经导通的功率管，电机起动准备就绪，进入第一节拍。

第一节拍：当实施例电机起动前初始状态如图5所示，电机逆时针方向旋转时，1、4、7、10号转子磁极09分别与A1、A3、A5、A7号定子磁极03的中心线对齐。图4中第一功率管T1和第四功率管T4导通(第二功率管T2和第三功率管T3关断)，单相绕组AX中流过+IA，根据右手螺旋定则判断出各磁极绕组04产生的电枢磁场方向以及各励磁绕组05产生的磁场方向已在图6中标出。

定子磁极03与转子磁极09对齐时磁极间的电磁转矩的产生：在图6中，1、4、7和10号转子磁极09分别与A1、A3、A5和A7号定子磁极03对齐：A1号定子磁极03上的磁极绕组04的ΦA1与A1号定子磁极03上的第一磁极06的磁力线同方向而助磁，而与第二磁极07的磁力线反方向而去磁，从而在A1号定子磁极03的极弧下合成的气隙磁场第一磁极06下的磁通密度大，而第二磁极07下的磁通密度小，A1号定子磁极03的极弧下磁通密度分布不均，导致磁通密度波形畸变，磁力线扭曲变形，极弧合成气隙磁场对1号转子磁极09产生逆时针方向的磁阻转矩。同理，A3、A5和A7号定子磁极03均在极弧下合成的气隙磁场分别对4、7和10号转子磁极09产生逆时针方向的磁阻转矩。

与此同时，定子磁极03和转子磁极09非对齐时磁极间的电磁转矩同时在产生，在图6中，A2、A4、A6和A8号定子磁极03与转子磁极09不对齐：A2号定子磁极03极上的磁极绕组04的ΦA2与A2号定子磁极03上的第二磁极07的磁力线同方向而助磁；与A2号定子磁极03上的第一磁极06的磁力线反方向而去磁，A2号定子磁极03的极弧下合成气隙磁场第二磁极07下磁通密度大，第一磁极06下磁通密度小，A2号定子磁极03的极弧下的磁通密度分布不均，导致磁通密度波形畸变，磁力线扭曲变形，极弧合成气隙磁场对2、3号转子磁极09产生逆时针方向的磁阻转矩。同理，A4号定子磁极03的极弧下合成的气隙磁场对5、6号转子磁极09产生逆时针方向的磁阻转矩。A6号定子磁极03的极弧下合成的气隙磁场对8、9号转子磁极09产生逆时针方向的磁阻转矩。A8号定子磁极03的极弧下合成的气隙磁场对11、12号转子磁极09产生逆时针方向的磁阻转矩。

综上所述，由于存在第一节拍中8个定子磁极03下各极磁场(N、S极)对各极电枢磁场ΦA1至ΦA8的影响，导致极下合成气隙磁场的磁通密度分布不均，气隙磁密波形畸变，极下磁力线发生扭曲形变，从而在双凸极结构的开关磁阻电机中产生逆时针方向的磁阻转矩。在磁阻转矩的拖动下，电机转子逆时针方向旋转一个机械角度，直到3号转子磁极09与A2号定子磁极03的中心线对齐为止，如图7所示。此时，关断第一功率管T1和第四功率管T4，停止相绕组AX供电，励磁绕组05保持供电，进入第二节拍。

第二节拍，如图7所示，3、6、9、12号转子磁极09分别与A2、A4、A6、A8号定子磁极03对齐。图4中第二功率管T2和第三功率管T3导通(第一功率管T1和第四功率管T4关断)，电机绕组AX中流过-IA，根据右手螺旋定则判断出各磁极绕组04产生的电枢磁场方向以及各励磁绕组05的磁场方向已在图7中标出。

定子磁极03和转子磁极09对齐时磁极间的电磁转矩的产生：在图7中，3、6、9和12号转子磁极09分别与A2、A4、A6和A8号定子磁极03对齐：A2号定子磁极03上的磁极绕组04的ΦA2与A2号定子磁极03上的第一磁极06的磁力线同方向而助磁；与A2号定子磁极03上的第二磁极07的磁力线反方向而去磁，A2号定子磁极03弧下合成气隙磁场第一磁极06的下磁通密度大，第二磁极07的下磁通密度小，A2号定子磁极03弧下磁通密度分布不均，导致磁通密度波形畸变，磁力线扭曲变形，极弧合成气隙磁场对3号转子磁极09产生逆时针方向的磁阻转矩。同理，A4、A6和A8号定子磁极03分别在极弧下合成的气隙磁场分别对6、9和12号转子磁极09产生逆时针方向的磁阻转矩。

与此同时，定子磁极03和转子磁极09非对齐时磁极间的电磁转矩同时在产生：在图7中，A1、A3、A5和A7号定子磁极03与转子磁极09不对齐：A1号定子磁极03的磁极绕组04的ΦA1与A1号定子磁极03上的第二磁极07的磁力线同方向而助磁；与A1号定子磁极03上的第一磁极06的磁力线反方向而去磁，A1号定子磁极03的极弧下合成气隙磁场第二磁极07的下磁通密度大，第一磁极06的下磁通密度小，A1号定子磁极03的极弧下磁通密度分布不均，导致磁通密度波形畸变，磁力线扭曲变形，极弧合成气隙磁场对1、2号转子磁极09产生逆时针方向的磁阻转矩。同理，A3号定子磁极03极弧下合成的气隙磁场对4、5号转子磁极09产生逆时针方向的磁阻转矩。A5号定子磁极03的极弧下合成的气隙磁场对7、8号转子磁极09产生逆时针方向的磁阻转矩。A7号定子磁极03的极弧下合成的气隙磁场对10、11号转子磁极09产生逆时针方向的磁阻转矩。

综上所述，由于存在第二节拍中8个定子磁极03下各极的磁场(N、S极)对各极电枢磁场ΦA1到ΦA8的影响，导致极下合成气隙磁场的磁通密度分布不均，气隙磁密波形畸变，极下磁力线发生扭曲形变，从而在双凸极结构的开关磁阻电机中产生逆时针方向的磁阻转矩。在磁阻转矩的拖动下，电机转子逆时针方向旋转一个机械角度，直到2号转子磁极09与定子A1号定子磁极03的极中心线对齐为止，如图8所示。关断图4中T2和T3功率管，停止相绕组AX供电，励磁绕组05保持供电，进入下一个节拍。

在本实用新型电机中，以第一节拍和第二节拍为换相周期，电机连续运行过程中，其换相规律是依次重复第一和第二节拍，周而复始，电机将电能转换为机械能。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种阻尼式开关磁阻电机，其特征在于，所述阻尼式开关磁阻电机包括电机外壳、定子和转子，所述定子和所述转子均设置于所述电机外壳内，所述转子套设在所述定子内；

所述定子包括定子磁轭和定子磁极，所述定子磁极设置于所述定子磁轭的内圆周上；

所述定子磁极上设置有成对设置的第一磁极和第二磁极，所述第一磁极和所述第二磁极之间设置有隔磁槽；

所述定子磁极上绕制有磁极绕组，所述第一磁极上绕制有第一绕组，所述第二磁极上绕制有第二绕组，所述第一绕组绕制方向与所述第二绕组的绕制方向相反；

所述转子包括转子磁轭和转子磁极，所述转子磁极设置于所述转子磁轭的外圆周上。

2.如权利要求1所述的阻尼式开关磁阻电机，其特征在于，所述第一磁极和所述第二磁极均与所述定子磁极的端面垂直连接，所述第一磁极和所述第二磁极以对称面对称，所述对称面为所述转子的中轴线与所述定子磁极的径向中心线所在的平面。

3.如权利要求1所述的阻尼式开关磁阻电机，其特征在于，所述定子磁极的极弧宽度是转子磁极的极弧宽度的1.5倍，所述转子磁极的极数是所述定子磁极的极数的1.5倍。

4.如权利要求3所述的阻尼式开关磁阻电机，其特征在于，所述定子磁极的极数为偶数。

5.如权利要求1所述的阻尼式开关磁阻电机，其特征在于，所述第一绕组和所述第二绕组为同线径、同匝数的励磁绕组，所述第一绕组与所述第二绕组串联。

6.如权利要求5所述的阻尼式开关磁阻电机，其特征在于，多个所述定子磁极上的所述励磁绕组依次串联。

7.如权利要求1所述的阻尼式开关磁阻电机，其特征在于，所述磁极绕组为同线径、同匝数且同绕制方向的绕组；同一相的所述磁极绕组反向串联连接形成相绕组。

8.如权利要求7所述的阻尼式开关磁阻电机，其特征在于，所述相绕组连接成单相绕组，所述单相绕组采用单相H桥作为功率电路进行供电。

9.如权利要求8所述的阻尼式开关磁阻电机，其特征在于，多个所述相绕组串联成所述单相绕组，或者，多个所述相绕组并联后等效为所述单相绕组。

10.如权利要求1-9中任一项所述的阻尼式开关磁阻电机，其特征在于，所述阻尼式开关磁阻电机还包括两个位置传感器，所述两个位置传感器设置于任意两个相邻的所述定子磁极的径向中心线上。

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