CN102412681B - 一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机，包括定子、中间转子、左侧转子、右侧转子、轴、电缆线，所述的中间转子安装在左侧转子和右侧转子中间，定子安装在中间转子、左侧转子和右侧转子组成的空间里，轴穿过定子的轴孔、左侧转子的通孔、右侧转子的通孔，轴与定子铁心相连，定子绕组的出线端与电缆线的一端连接，电缆线的另一端引至电机的外部。本发明功率密度高，定子绕组的利用率高，不仅输出的磁阻转矩大，而且由于充分利用了定子绕组的全部长度进行能量转换，因此在输出转速相同的前提下，具有本发明结构的电机的质量更轻、体积更小，进而更好地满足低速拖动场合的需求。

Description

一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及的是一种电气工程领域的电机。

背景技术

现有的各种开关磁阻电机，按其内部气隙磁场的分布特征可分为：径向磁场、轴向磁场和横向磁场等三种类型。在这三种不同类型的开关磁阻电机中，气隙磁场只具有单一的特征，限制住了电机功率密度的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供通过改进现有开关磁阻电机的结构、充分利用电机内部的磁路、进而提高开关磁阻电机的功率密度和整体性能的一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：包括定子、中间转子、左侧转子、右侧转子、轴、电缆线，所述的定子包括定子铁心、定子磁极、环形槽、定子绕组，定子铁心中间沿轴向开有轴孔，定子磁极分布在定子铁心的圆周上，定子磁极沿定子铁心的径向突出于其圆柱形侧面，定子磁极的侧面上开有环形槽，环形槽中安放有定子绕组；所述的中间转子包括中间转子铁心、中间转子磁极，中间转子铁心为中空的圆管形结构，中间转子磁极分布在转子铁心的内表面上，中间转子铁心的两个侧面都开设有均匀分布的螺孔；所述的左侧转子包括左侧转子铁心、左侧转子磁极，左侧转子铁心为圆盘状结构，在左侧转子铁心的内表面上沿圆周方向均匀分布左侧转子磁极，左侧转子磁极的数目与中间转子磁极的数目相同，左侧转子铁心的圆心处开设有轴承室和通孔，左侧转子铁心的边缘处沿周向开设均匀分布的螺孔，螺孔的数目与中间转子铁心上的螺孔的数目相同、且位置沿轴向对应；所述的右侧转子与左侧转子结构相同；所述的中间转子安装在左侧转子和右侧转子中间，定子安装在中间转子、左侧转子和右侧转子组成的空间里，轴穿过定子的轴孔、左侧转子的通孔、右侧转子的通孔，轴与定子铁心相连，定子绕组的出线端与电缆线的一端连接，电缆线的另一端引至电机的外部。

本发明还可以包括：

1、所述的定子磁极至少有四个，且所有定子磁极沿定子铁心的周向均匀分布。

2、所述的定子磁极沿定子铁心的轴向突出于其两个端面。

3、所述的中间转子磁极至少有四个，中间转子磁极径向突出且沿周向均匀分布在转子铁心的内表面上。

4、所述的轴上开有过线孔，电缆线经过轴上的过线孔引至电机的外部。

本发明的优势在于：

(1)具有本发明特征的开关磁阻电机，其定子绕组的利用率高。在其定子绕组中不存在有传统开关磁阻电机绕组中的端部，在电机的运行过程中，流经定子绕组的任意一个部分的电流都被用于形成气隙主磁场(包括定子与中间转子间的径向磁场、定子与左侧转子间的横向磁场、定子与右侧转子间的横向磁场)，全部的定子绕组都参与了电机的机电能量转换过程。

(2)具有本发明特征的开关磁阻电机，其功率密度高。在运行过程中，其总的磁阻转矩由三个分量构成：定子与中间转子间的磁阻转矩T1；定子与左侧转子间的磁阻转矩T2；定子与右侧转子间的磁阻转矩T3；因此与现有的其他电机相比，具有本发明结构的开关磁阻电机可以产生更大的转矩，拥有更高的功率密度。

(3)本发明提出的开关磁阻电机结构，适用低速开关磁阻电机的设计、开发。具有本发明结构的开关磁阻电机，不仅输出的磁阻转矩大，而且由于充分利用了定子绕组的全部长度进行能量转换，因此在输出转速相同的前提下，具有本发明结构的电机的质量更轻、体积更小，进而更好地满足低速拖动场合的需求。

附图说明

图1为本发明不包含有定子绕组的定子轴向视图；

图2图1的侧视图；

图3图1的俯视图；

图4图1的AA剖面图；

图5包含有定子绕组的定子轴向视图；

图6中间转子轴向视图；

图7左(右)侧转子轴向视图；

图8图7的BB剖面图；

图9本发明总体结构视图；

图10某相定子绕组通电时，某一时刻电机内部径向磁场分布示意图，虚线表示径向分布主磁通的路径，箭头表明方向，图中只划出了通电相定子绕组；

图11某相定子绕组通电时，某一时刻电机内部局部横向磁场分布示意图，虚线表示横向分布主磁通的路径，箭头表明方向，该图只显示了电机内部的局部结构，包括一个定子磁极的局部和横向分布主磁通同时交链的左(或右)侧转子磁极。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～11，本发明结构上包括有定子、中间转子、左侧转子、右侧转子、轴等几个部分组成。具体结构如下：

(1)定子结构。定子铁心1为圆柱形结构；定子铁心1中间沿轴向开有轴孔2；多个定子磁极3沿定子铁心1的周向均匀分布，每一个定子磁极3沿定子铁心1的径向突出于其圆柱形侧面，同时沿定子铁心1的轴向突出于其两个端面；定子磁极3的四个侧面上开有环形槽4；环形槽4中安放有定子绕组5，定子绕组5由多相绕组构成，绕组相数的选取与常规开关磁阻电机相同。

(2)中间转子结构。中间转子铁心6为中空的圆管形结构；在转子铁心6的内表面上，沿周向均匀分布有多个径向突出的中间转子磁极7，中间转子磁极7的数目与定子磁极3的数目的选取原则符合常规开关磁阻电机定、转子磁极数目的选取原则；中间转子铁心6的两个侧面都开设有均匀分布的螺孔8。

(3)左侧转子和右侧转子结构。左侧转子和右侧转子结构上完全相同。左(右)侧转子铁心9为圆盘状结构；在左(右)侧转子铁心9的内表面(即面向定子一侧)上，沿圆周方向均匀分布有多个左(右)侧转子磁极10，左(右)侧转子磁极10的数目与中间转子磁极7的数目相同；左(右)侧转子铁心9的圆心处开设有轴承室11和通孔12；左(右)侧转子铁心9的边缘处沿周向开设有多个均匀分布的螺孔13，螺孔13的数目与中间转子铁心6上的螺孔8的数目相同，且位置沿轴向对应。

(4)总体结构。轴15通过定子铁心1上的轴孔2与定子铁心1固定连接；轴15的两端安装有两个轴承14；同时两个轴承14分别安装在左侧和右侧转子铁心9上的轴承室11中；利用中间转子铁心6两个侧面上的螺孔8以及左侧和右侧转子铁心9上的螺孔13，使用螺钉将中间转子、左侧转子、右侧转子固定在一起；定子绕组5的出线端与电缆线16的一端连接，电缆线16的另一端经过轴15上的过线孔17引至电机的外部，与电机的外部控制器连接；外部控制器的结构形式，以及定子绕组5中每一相绕组与控制器的连接方式，都与现有的常规开关磁阻电机相同。

本发明工作原理：

具有本发明特征的开关磁阻电机(以电动工况为例)，通过轴15的两端与外部装置固定连接。其定子绕组5通过电缆线16与外部控制器连接。当定子绕组5中的某一相绕组通过外部控制器与外部电源接通时(或多相绕组同时与外部电源接通，通电绕组相数取决于电机的控制策略)，该相绕组内有电流流过，进而形成定子磁场，定子磁场的主磁通按照其磁通路径的特点可以分成三部分：第一部分定子磁场主磁通经过中间转子磁极7和中间转子铁心6形成闭合回路，这一部分磁通在电机内部的分布具有径向磁场开关磁阻电机的特征，由于中间转子为凸极结构，根据磁阻最小原理可知，在中间转子上会产生磁阻转矩T₁；第二部分定子磁场主磁通经过左侧转子磁极10形成闭合回路，这一部分磁通在电机内部的分布具有横向磁场开关磁阻电机的特征，同理根据磁阻最小原理可知，在左侧转子上会产生磁阻转矩T₂；第三部分定子磁场主磁通经过右侧转子磁极10形成闭合回路，这一部分磁通在电机内部的分布具有横向磁场开关磁阻电机的特征，同理根据磁阻最小原理可知，在右侧转子上会产生磁阻转矩T₃。磁阻转矩T₁、T₂、T₃方向相同，共同驱动转子(包括中间转子、左侧转子和右侧转子)转动，随着转子的旋转，定、转子间的位置发生变化，磁阻转矩T₁、T₂、T₃的大小也跟随变化，根据定、转子间的位置关系，外部控制器控制定子绕组5换相，使定子磁场的空间位置沿某一固定方向不断有序变化，进而实现在磁阻转矩T₁、T₂、T₃的作用下，电机转子能够不断转动，实现机电能量转换。

参照现有开关磁阻电机设计方法，选取定子磁极3和中间转子磁极7的数目(右侧和右侧转子磁极10的数目均等于中间转子磁极7的数目)，其他结构尺寸，可通过电磁计算获得。

定子铁心1采用铁磁材料制成。

定子磁极3采用铁磁材料制成。

定子铁心1和定子磁极3为整体结构。

定子绕组5采用漆包线绕制，各相绕组的绕制方法和空间放置位置与现有的径向磁场开关磁阻电机相同。

中间转子铁心6采用铁磁材料制成。

中间转子磁极7采用铁磁材料制成。

中间转子铁心6和中间转子磁极7为整体结构。

左(右)侧转子铁心9采用非导磁材料制成。

左(右)侧转子磁极10采用铁磁材料制成。

左(右)侧转子铁心9与左(右)侧转子磁极10采用焊接等方式固定连接在一起。

两个轴承14采用滚珠轴承，也可根据需要采用其他种类的轴承。

轴15采用机械强度、硬度等指标能够满足设计要求的金属材料制成。

定子铁心1与轴15之间采用紧配合、键连接等方式连接。

两个轴承14与轴15之间采用紧配合等方式连接。

轴承14与左(右)侧转子铁心9上的轴承室11之间采用紧配合等方式连接。

轴15的两端分别从左侧和右侧转子铁心9上的通孔12穿过，用于与外部设备连接。

电缆线16采用多芯电缆线，电缆线6一端的多个接头分别与定子绕组5的各相绕组接头连接在一起，另一端经过轴15上的过线孔17与外部控制器接在一起。

利用螺钉通过中间转子左侧面上的螺孔8和左侧转子上的螺孔13，将中间转子和左侧转子固定在一起。

利用螺钉通过中间转子左侧面上的螺孔8和右侧转子上的螺孔13，将中间转子和右侧转子固定在一起。

具有本发明特征的开关磁阻电机(以电动工况为例)，通过轴15的两端与外部装置固定连接。其定子绕组5通过电缆线16与外部控制器连接。当定子绕组5中的某一相绕组通过外部控制器与外部电源接通时(或多相绕组同时与外部电源接通，通电绕组相数取决于电机的控制策略)，该相绕组内有电流流过，进而形成定子磁场，定子磁场的主磁通按照其磁通路径的特点可以分成三部分：第一部分定子磁场主磁通经过中间转子磁极7和中间转子铁心6形成闭合回路，这一部分磁通在电机内部的分布具有径向磁场开关磁阻电机的特征，由于中间转子为凸极结构，根据磁阻最小原理可知，在中间转子上会产生磁阻转矩T1；第二部分定子磁场主磁通经过左侧转子磁极10形成闭合回路，这一部分磁通在电机内部的分布具有横向磁场开关磁阻电机的特征，同理根据磁阻最小原理可知，在左侧转子上会产生磁阻转矩T2；第三部分定子磁场主磁通经过右侧转子磁极10形成闭合回路，这一部分磁通在电机内部的分布具有横向磁场开关磁阻电机的特征，同理根据磁阻最小原理可知，在右侧转子上会产生磁阻转矩T3。磁阻转矩T1、T2、T3方向相同，共同驱动转子(包括中间转子、左侧转子和右侧转子)转动，随着转子的旋转，定、转子间的位置发生变化，磁阻转矩T1、T2、T3的大小也跟随变化，根据定、转子间的位置关系，外部控制器控制定子绕组5换相，使定子磁场的空间位置沿某一固定方向不断有序变化，进而实现在磁阻转矩T1、T2、T3的作用下，电机转子能够不断转动，实现机电能量转换。

本发明还可以有如下形式：

定子铁心1和定子磁极3分别独立加工，再采用焊接等方式固定连接在一起。

中间转子铁心6和中间转子磁极7分别独立加工，再采用焊接等方式固定连接在一起。

Claims (9)

1.一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：包括定子、中间转子、左侧转子、右侧转子、轴、电缆线，所述的定子包括定子铁心、定子磁极、环形槽、定子绕组，定子铁心中间沿轴向开有轴孔，定子磁极分布在定子铁心的圆周上，定子磁极沿定子铁心的径向突出于其圆柱形侧面，定子磁极的侧面上开有环形槽，环形槽中安放有定子绕组；所述的中间转子包括中间转子铁心、中间转子磁极，中间转子铁心为中空的圆管形结构，中间转子磁极分布在转子铁心的内表面上，中间转子铁心的两个侧面都开设有均匀分布的螺孔；所述的左侧转子包括左侧转子铁心、左侧转子磁极，左侧转子铁心为圆盘状结构，在左侧转子铁心的内表面上沿圆周方向均匀分布左侧转子磁极，左侧转子磁极的数目与中间转子磁极的数目相同，左侧转子铁心的圆心处开设有轴承室和通孔，左侧转子铁心的边缘处沿周向开设均匀分布的螺孔，螺孔的数目与中间转子铁心上的螺孔的数目相同、且位置沿轴向对应；所述的右侧转子与左侧转子结构相同；所述的中间转子安装在左侧转子和右侧转子中间，定子安装在中间转子、左侧转子和右侧转子组成的空间里，轴穿过定子的轴孔、左侧转子的通孔、右侧转子的通孔，轴与定子铁心相连，定子绕组的出线端与电缆线的一端连接，电缆线的另一端引至电机的外部。

2.根据权利要求1所述的一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：所述的定子磁极至少有四个，且所有定子磁极沿定子铁心的周向均匀分布。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：所述的定子磁极沿定子铁心的轴向突出于其两个端面。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：所述的中间转子磁极至少有四个，中间转子磁极径向突出且沿周向均匀分布在转子铁心的内表面上。

5.根据权利要求3所述的一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：所述的中间转子磁极至少有四个，中间转子磁极径向突出且沿周向均匀分布在转子铁心的内表面上。

6.根据权利要求1或2所述的一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：所述的轴上开有过线孔，电缆线经过轴上的过线孔引至电机的外部。

7.根据权利要求3所述的一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：所述的轴上开有过线孔，电缆线经过轴上的过线孔引至电机的外部。

8.根据权利要求4所述的一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：所述的轴上开有过线孔，电缆线经过轴上的过线孔引至电机的外部。

9.根据权利要求5所述的一种具有多方向磁场特征的开关磁阻电机，其特征是：所述的轴上开有过线孔，电缆线经过轴上的过线孔引至电机的外部。

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