CN101707428B - 三相单段和双段倍极开关磁阻电动机 - Google Patents

Abstract

三相单段双段倍极开关磁阻电动机，包括电机外壳置于底座上，外壳的中部设有电机吊环，前端盖和后端盖分别设置在转轴两端，前端盖与后端盖间设有转子，后端盖外设有风罩，风扇设在风罩内，后端盖与风扇间或与第二段转子间设有传感器；电动机包括双凸极结构的定子、转子，并由一段或两段组成，可单段运行又可双段运行；定转子铁芯均由单段或两段组成，两段定子、转子铁芯长度和直径相等；两段定子齿上分别装有两套集中绕组或分层绕组，每套绕组相同相位的两个齿上电枢绕组串或并联构成一相；两段定子磁极对齐，两段转子磁极互差1/2转子极距角；或两段转子磁极对齐，两段定子磁极互差1/2定子极距角；具有高效能，高启动转矩，易控制、低成本的特点。

Description

三相单段和双段倍极开关磁阻电动机

技术领域

本发明涉及一种三相单段倍极开关磁阻电机，具体地说涉及三相单段和双段倍极开关磁阻电动机。

背景技术

目前，开关磁阻电机系双凸极的开关型电机，其定子极上绕有集中绕组；该电机按相数可分为单相、三相、四相开关磁阻电机，其中又以三相6/4、12/8、四相8/6结构居多，开关磁阻电机具有结构简单、易于制造、易于调速、运行可靠、不易损坏、功率因数高、运行效率高、启动转矩大、启动电流小、过载能力强、能重载启动等优势，并且在高速恒功率区范围宽性能好。

开关磁阻电机随着相数和极数的增多，步距角就会减小，有利于减小转矩脉动，使电机的启动性能、运行稳定性能越好，噪声也越小，电机的振动就越小。但是增加相数就会增加控制成本，增加极数就使电机磁极面积减小，因此无论是增加相数还是增加极数都将使电机结构复杂、体积增大。

现有开关磁阻电机只有三相6/4、四相8/6、三相12/8，因为在理论上有二相4/2、二相8/4，但不能出产品，这是因为它们难于自起动，即使辅助起动也达不到运行转矩。而大于三相12/8的就是三相12/10、五相10/4、五相10/8、七相14/12、三相24/32、、、、、等组合，这些组合不但增加了相数，同时也增加了控制难度，相数的增加就等于成本的增加；而电机在换相过程中每相最多只有两对磁极进入作功状态(如三相12/8)，即只有电机总磁极的1/3的磁极在作功，有的甚至于是1/4、1/5在作功，这就形成了开关磁阻电机的体积大、单边磁拉力大、噪声振动大、磁能量转换Ψ-i所包围的面积减小、磁能面积小的原故。

本人已申请的发明专利，申请号200910117477.7，名称为《双定转子倍极开关磁阻电动机》，该项专利技术中电枢磁极数是转子磁极数的2倍，但是在单段状态下能启动运行，因为在单段状态下没有启动力距和运行转矩很小，所以不能做单段(单台)，而只能适用于双段(单台)。

开关磁阻电机与同等功率交流三相电机相比，普通开关磁阻电机比交流三相电机大一个机座号，高性能开关磁阻电机比交流三相电机大两个机座号，并且交流三相电机只需要简单的启动运行电气开关，控制成本低，而开关磁阻电机因属于电子开关型，增加相数就意味着增加电子开关，从而增加了控制成本，其电子开关控制设备依开关磁阻电机的相数不同占开关磁阻电机成本30％～40％，其售价比普通交流电机的售价高3～5倍以上，因此影响了开关磁阻电机的推广应用和普及。

目前，世界各国对开关磁阻电机这一新型电机都在研究，在控制技术上采用单片机控制技术，以及专用集成电路模块化方面有了较大的突破，但是产业化及应用性研究工作相对滞后，尤其是对开关磁阻电机本身而言没有什么进展。

发明内容

本发明的目的旨在避免所述现有技术存在的不足，经设计改进提供一种既可三相单段(单台一段)，又可三相双段(单台两段)的三相单段和双段倍极开关磁阻电动机；该装置突破了传统开关磁阻电机不能制造多槽多极数的难题，增加了磁共能面积，具有高效能，高启动转矩，低成本，易控制的特点。

实现本发明目的的解决技术方案是：本发明提供了一种三相单段倍极开关磁阻电动机，包括电机外壳(101)置于电机底座(128)上，在电机外壳(101)的中部设有电机吊环(120)，电机前端盖(116)和电机后端盖(121)分别设置在电机转轴(114)的两端，在电机前端盖(116)与电机后端盖(121)之间设置有转子，电机后端盖(121)外端设有电机风罩(126)，电机风扇(124)设置在电机风罩(126)内，电机后端盖(121)与电机风扇(124)之间设有电子传感器(123)；进一步电动机由硅钢片叠压成双凸极结构的定子、转子组成；其特征在于：定子铁芯包括第一段定子铁芯(118)，转子铁芯包括第一段转子铁芯(119)，在定子齿上装有三相绕组，绕组相同相位的两个齿上的电枢绕组串联或并联构成一相；所述的第一段定子铁芯(118)还包括第一段定子磁轭(102)、第一段定子磁极(104)和第一段定子电枢磁极绕组(103)；所述定子极数为转子极数的3倍，且定转子的极数为偶数组合，即6/2、12/4、18/6、24/8、30/10、36/12、42/14、、、、、、N_s/N_r的组合；其中N_s为N_r的3倍，且N_s和N_r均为偶数。

本发明还提供一种三相双段倍极开关磁阻电动机，包括电机外壳(101)置于电机底座(128)上，在电机外壳(101)的中部设有电机吊环(120)，电机前端盖(116)和电机后端盖(121)分别设置在电机转轴(114)的两端，在电机前端盖(116)与电机后端盖(121)之间设置有转子，电机后端盖(121)外端设有电机风罩(126)，电机风扇(124)设置在电机风罩(126)内，电机后端盖(121)与第二段转子之间设有电子传感器(123)；进一步电动机由硅钢片叠压成双凸极结构的定子、转子组成；其特征在于：定子铁芯包括第一段定子铁芯(118)和第二段定子铁芯(129)；转子铁芯包括第一段转子铁芯(119)和第二段转子铁芯(130)，第一段转子铁芯(119)包括第一段转子磁轭(105)和第一段转子磁极(106)，第二段转子铁芯(130)包括第二段转子磁轭(111)和第二段转子磁极(112)，第一段转子铁芯(119)和第二段转子铁芯(130)上分别设有带键槽的轴孔(107)和(113)；在两段定子齿上分别装有两套集中绕组或分层绕组，每套绕组相同相位的两个齿上的电枢绕组串联或并联构成一相；所述的第二段定子铁芯(129)包括第二段定子磁轭(108)、第二段定子磁极(110)和第二段定子电枢磁极绕组(109)；所述定子极数为转子极数的3倍，且定转子的极数为偶数组合，即6/2、12/4、18/6、24/8、30/10、36/12、42/14、、、、、、N_s/N_r的组合；其中N_s为N_r的3倍，且N_s和N_r均为偶数。

所述的两段定子磁极对齐，两段转子磁极互差1/2转子极距角；或两段转子磁极对齐，两段定子磁极互差1/2定子极距角。

所述单段的定子外壳为一个，每壳一定子一转子。

所述双段的定子外壳为一个，每壳二定子，一轴二转子，两壳两定子连接于一体，或两定子安装于一个电机座(128)上。

所述电动机可分为外电枢式和内电枢式，外电枢式只能作内转子运行，内电枢式适用于外转子运行。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)、由于采用定子极数是转子极数的3倍，且定转子的极数为偶数组合，突破了传统开关磁阻电机不能制造多槽多极数的难题，可制造为6/2、12/4、18/6、24/8、30/10、36/12、42/14、48/16、、、、、、N_s/N_r极等的电机，增加了磁共能面积。

2)、由于两段定子齿上分别装有两套集中绕组或分层绕组，即无论定子极数有多少极，单段只能三相，双段每段定子只有三相、两段共六相，但每相绕组可一路串联或多路串联，也可一路并联或多路串联输出，因此，可以灵活自如地根椐电机技术要求和功率容量、转速来改变极数及绕组接线。

3)、无论电机定转子极数多少，相数只能是三相，并且电机的极数由转子的极数确定，当转子的极数确定之后，定子的极数为转子极数的3倍；作为单段即一段电机启动或运行时启动力距和运行转矩都为正常开关磁阻电动机，只有在双段状态下启动力距大，运行转矩也大，双段的效果更为显著。

4)、由于采用每段定子只有三相、两段共六相，且两段定子磁极对齐或两段转子对齐的设置，可实现减小振动和噪音、减小单边磁拉力、减小磁能损失、增加磁能面积、增大磁共能区域的目的。

5)、两段定子磁极对齐时，两段转子磁极互差1/2转子极距角，此时的定子对齐方式易于散热、减小热负荷；转子不对齐方式易于减小转子磁埸相互干扰。两段转子对齐时，两段定子互差1/2定子极距角，此时的定子不对齐方式易于减小定子磁埸相互干扰；转子对齐方式易于做到机械静平衡和动平衡。

6)、本发明由于相数固定，因此，无论极数如何变化，电枢的磁极数是转子磁极数的3倍，并且定转子极数都是偶数；若在内电枢状态则刚相反，内电枢的磁极数是外转子磁极数的3倍。

7)、本发明调速范围宽、调速精度高、噪声小、振动小，过载能力强；同时，本发明的制造方法多，控制方法有多种其中包括机械式的方法；以适应不同的机电一体化的需要。

附图说明

图1是三相单段整体结构连接示意图

图2是三相双段整体结构连接示意图

图3是三相SRM-12/4的原理图

图3a是电机的第一段定转子对齐的原理图

图3b是电机的第二段定转子不对齐的原理图

图4是三相SRM-4/12内电枢的原理图

图4a是内电枢电机的第一段定转子磁极对齐的原理图

图4b是内电枢电机的第二段定转子磁极不对齐的原理图

图5是用于制造大中型时定子铁芯采用扇形片时燕尾搭接方式的示意图

图5a是定子铁芯采用扇形片时燕尾搭接的状态图

图5b是图5a的局部放大图

图中，101-电机外壳、102-第一段定子磁轭、103-第一段定子磁极绕组、104-第一段定子磁极、105-第一段转子磁轭、106-第一段转子磁极、107-第一段转子轴孔、108-第二段定子磁轭、109-第二段定子磁极绕组、110-第二段定子磁极、111-第二段转子磁轭、112-第二段转子磁极、113-第二段转子轴孔、114-电机轴、115-电机前轴承、116-电机前端盖117-电机端盖固定镙杆、118-第一段定子铁芯、119-第一段转子铁芯、120-电机吊环、121-电机后端盖、122-电机后轴承、123-电子传感器、124-电机风扇、125-电机非轴伸端、126-电机风罩、127-电机底座固定孔、128-电机底座、129-第二段定子铁芯、130-第二段转子铁芯、131-扇形片燕尾槽凸极、132-扇形片燕尾槽凹槽；A、B、C-电枢绕组各相的首端、X、Y、Z-电枢绕组各相的尾端；绕组中的数字101～104、201～204的第一位数字对应电机段数组数，中间0表示分隔号，第三位数字表示绕组个数。

图3、图4中，A101-A为A相首端，X101-X为A相的尾端；101-第一段定子电枢绕组A相第1磁极绕组，104-A相第4绕组。

B101-B为B相首端，Y101-Y为B相的尾端；101-第一段定子电枢绕组B相第1磁极绕组，104-B相第4绕组。

C101-C为C相首端，Z101-Z为C相的尾端；101-第一段定子电枢绕组C相第1磁极绕组，104-C相第4绕组。

A201-A为A相首端，X201-X为A相的尾端；201-第二段定子电枢绕组A相第1磁极绕组，204-A相第4绕组。

B201-B为B相首端，Y201-Y为B相的尾端；201-第二段定子电枢绕组B相第1磁极绕组，204-B相第4绕组。

C201-C为C相首端，Z201-Z为C相的尾端；201-第二段定子电枢绕组C相第1磁极绕组，204-C相第4绕组。

内电枢结构编号：201-电机外壳、202-第一段外(定子或转子)磁轭、203-第一段外(定子或转子)磁极、204-第一段内电枢磁极、205-第一段内电枢槽锲、206-第一段内电枢磁极绕组、207-第一段内电枢轴孔、208-第二段外(定子或转子)磁轭、209-第二段外(定子或转子)磁极、210-第二段内电枢磁极、211-第二段转子槽锲、212-第二段内电枢磁极绕组、213-第二段内电枢轴孔；A、B、C-电枢绕组各相的首端，X、Y、Z-电枢绕组各相的尾端，绕组中的数字101～104、201～204的第一位数字对应电机段数组数，中间0表示分隔号，第三位数字表示绕组个数。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述

参照图1，图中一种三相单段倍极开关磁阻电动机，包括电机外壳101置于电机底座128上，在电机外壳101的中部设有电机吊环120，电机前端盖116和电机后端盖121分别设置在电机转轴114的两端，在电机前端盖116与电机后端盖121之间设置有转子，电机后端盖121外端设有电机风罩126，在电机风罩126内设有电机风扇124，在电机后端盖121与电机风扇124之间设有电子传感器123，进一步电动机由硅钢片叠压而成的双凸极结构的定子、转子组成；其定子铁芯包括第一段定子铁芯118，定子铁芯由单段即一段组成，单段时定子外壳为一个，每壳一定子一转子；转子铁芯包括第一段转子铁芯119，在定子齿上装有三相绕组，绕组相同相位的两个齿上的电枢绕组串联或并联构成一相；所述的第一段定子铁芯118还包括第一段定子磁轭102、第一段定子磁极104和第一段定子电枢磁极绕组103。所述定子极数为转子极数的3倍，且定转子的极数为偶数组合，即6/2、12/4、18/6、24/8、30/10、36/12、42/14、、、、、、N_s/N_r的组合；其中N_s为N_r的3倍，且N_s和N_r均为偶数。

参照图2，图中一种三相双段倍极开关磁阻电动机，包括电机外壳101置于电机底座128上，在电机外壳101的中部设有电机吊环120，电机前端盖116和电机后端盖121分别设置在电机转轴114的两端，在电机前端盖116与电机后端盖121之间设置有转子，电机后端盖121外端设有电机风罩126，电机风扇124设置在电机风罩126内，电机后端盖121与第二段转子之间设有电子传感器123，传感器123可内置也可外置，内置时在后端盖121与第二段转子之间。进一步包括电动机由硅钢片叠压成双凸极结构的定子、转子组成，两段定子、转子铁芯长度和直径相等；其定子铁芯包括第一段定子铁芯118和第二段定子铁芯129，转子铁芯包括第一段转子铁芯119和第二段转子铁芯130；在两段定子齿上分别装有两套集中绕组或分层绕组，每套绕组相同相位的两个齿上的电枢绕组串联或并联构成一相；所述的第二段定子铁芯129包括第二段定子磁轭108、第二段定子磁极110和第二段定子电枢磁极绕组109。

所述的两段定子磁极对齐，两段转子磁极互差1/2转子极距角，或两段转子磁极对齐，两段定子磁极互差1/2定子极距角。

所述双段定子外壳为一个，每壳二定子，一轴两转子，两段转子共同一个电机转轴114，两壳两定子连接于一体，或两定子安装于一个电机座128上。

参照图3、图4，图中第一段转子铁芯119包括第一段转子磁轭105和第一段转子磁极106；第二段转子铁芯130包括第二段转子磁轭111和第二段转子磁极112；第一段转子铁芯119和第二段转子铁芯130均设置有带键槽的第一段转子轴孔107(见图3a所示)和第二段转子轴孔113(见图3b所示)。由于相数固定，定子极数是转子极数的3倍，且定转子的极数为偶数组合，即6/2、12/4、18/6、24/8、30/10、36/12、42/14、48/16、、、、、N_s/N_r的组合；其中N_s为N_r的3倍，且N_s和N_r均为偶数。

其电动机可分为外电枢式和内电枢式，外电枢式只能作内转子运行(如图3所示)，内电枢式适用于外转子运行，也可以内转子运行(如图4所示)。其中外电枢传感器信号取自内转子，内电枢传感器信号取自外转子。

转子可分为内转子和外转子式，当采用外转子式时，将电枢由外定子转换制造为内定子，以方便电枢绕组的制造和引出线；此时的内定子的极数必须是外转子极数3倍的数，并必须为偶数，即2/6、4/12、6/18、8/24、10/30、12/36、14/42、16/48、、、、、、N_r/N_s的组合。

本发明采用每段定子只有三相，两段共六相。两段定转子的对齐方法有二种，一种是两段定子磁极对齐而转子磁极不对齐；另一种是两段转子磁极对齐而定子磁极不对齐。如图1所示，两段定子铁芯磁极分段对齐；两段转子都不对齐；两转子互差1/2转子极距角，此时定子对齐方式易于散热，减小热负荷，转子不对齐方式易于减小转子磁场相互干扰。另一种则是两转子都对齐而两段定子互差1/2极距角，此时定子不对齐方式易于减小定子磁场相互干扰，转子对齐方式易于做到机械静平衡和动平衡。

本发明为大中型时，可采用两段转子共用一个电机转轴114，定子外壳为两个，每壳一定子，且两定子连接于一体，或两定子安装于一个机座上的方式来制造。

参照图5，图中定子铁芯在制造大中型电机时硅钢片面积大于硅钢片幅面时采用扇形片的燕尾槽凸极131，定子铁芯在制造大中型电机时硅钢片面积大于硅钢片幅面时采用扇形片的燕尾槽凹槽132；同时将定子铁芯按磁极数分段制成磁轭多段扇形片，并交叉叠压组装。

Claims (9)

1.一种三相单段倍极开关磁阻电动机，包括电机外壳(101)置于电机底座(128)上，在电机外壳(101)的中部设有电机吊环(120)，电机前端盖(116)和电机后端盖(121)分别设置在电机转轴(114)的两端，在电机前端盖(116)与电机后端盖(121)之间设置有转子，电机后端盖(121)外端设有电机风罩(126)，电机风扇(124)设置在电机风罩(126)内，电机后端盖(121)与电机风扇(124)之间设有电子传感器(123)；进一步电动机由硅钢片叠压成双凸极结构的定子、转子组成；其特征在于：在定子齿上装有三相绕组，绕组相同相位的两个齿上的电枢绕组串联或并联构成一相；所述定子极数为转子极数的3倍，且定转子的极数为偶数组合，即6/2、12/4、18/6、24/8、30/10、36/12、42/14、、、、、、N_s/N_r的组合；其中N_s为N_r的3倍，且N_s和N_r均为偶数。

2.根据权利要求1所述的三相单段倍极开关磁阻电动机，其特征在于，所述定子铁芯包括第一段定子铁芯(118)，转子铁芯包括第一段转子铁芯(119)；第一段定子铁芯(118)还包括第一段定子磁轭(102)、第一段定子磁极(104)和第一段定子电枢磁极绕组(103)。

3.根据权利要求1所述的三相单段倍极开关磁阻电动机，其特征在于，所述定子外壳为一个，每壳一定子一转子。

4.根据权利要求1所述的三相单段倍极开关磁阻电动机，其特征在于，所述电动机可分为外电枢式和内电枢式，外电枢式只能作内转子运行，内电枢式适用于外转子运行。

5.一种三相双段倍极开关磁阻电动机，包括电机外壳(101)置于电机底座(128)上，在电机外壳(101)的中部设有电机吊环(120)，电机前端盖(116)和电机后端盖(121)分别设置在电机转轴(114)的两端，在电机前端盖(116)与电机后端盖(121)之间设置有转子，电机后端盖(121)外端设有电机风罩(126)，电机风扇(124)设置在电机风罩(126)内，电机后端盖(121)与第二段转子之间设有电子传感器(123)；进一步电动机由硅钢片叠压成双凸极结构的定子、转子组成；其特征在于：在两段定子齿上分别装有两套集中绕组或分层绕组，每套绕组相同相位的两个齿上的电枢绕组串联或并联构成一相；所述定子极数为转子极数的3倍，且定转子的极数为偶数组合，即6/2、12/4、18/6、24/8、30/10、36/12、42/14、、、、、、N_s/N_r的组合；其中N_s为N_r的3倍，且N_s和N_r均为偶数。

6.根据权利要求5所述的三相双段倍极开关磁阻电动机，其特征在于，所述定子铁芯包括第一段定子铁芯(118)和第二段定子铁芯(129)；转子铁芯包括第一段转子铁芯(119)和第二段转子铁芯(130)，第一段转子铁芯(119)包括第一段转子磁轭(105)和第一段转子磁极(106)，第二段转子铁芯(130)包括第二段转子磁轭(111)和第二段转子磁极(112)，第一段转子铁芯(119)和第二段转子铁芯(130)上分别设有带键槽的轴孔(107)和(113)；第二段定子铁芯(129)包括第二段定子磁轭(108)、第二段定子磁极(110)和第二段定子电枢磁极绕组(109)。

7.根据权利要求5所述的三相双段倍极开关磁阻电动机，其特征在于，所述的两段定子磁极对齐，两段转子磁极互差1/2转子极距角；或两段转子磁极对齐，两段定子磁极互差1/2定子极距角。

8.根据权利要求5所述的三相双段倍极开关磁阻电动机，其特征在于，所述定子外壳为一个，每壳二定子，一轴二转子。

9.根据权利要求5所述的三相双段倍极开关磁阻电动机，其特征在于，所述电动机可分为外电枢式和内电枢式，外电枢式只能作内转子运行，内电枢式适用于外转子运行。

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