CN102545412A - 高效率、大转矩盘式开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效率、大转矩盘式开关磁阻电机，包含定子和转子，所述定子和所述转子均为轭式圆盘环状，所述定子和所述转子均包含圆盘和形成于该圆盘上的铁芯，所述定子的铁芯上绕有集中式定子绕组，所述定子的铁芯内沿径向开有间隔的隔磁窄槽。本发明结构简单、效率高、控制方法灵活，可实现高效无极调速，非常适合应用到要求短轴、薄型安装或低速、大转矩的应用场合。

Description

高效率、大转矩盘式开关磁阻电机

技术领域

本发明属于电机领域，涉及开关磁阻电机，特别是一种高效率、大转矩盘式开关磁阻电机。

背景技术

开关磁阻电机，简称SR(Switched Reluctance；开关磁阻) 电机或SRM(Switched Reluctance Motor；开关磁阻电机)，最早文献记载可追溯到1838年。当时苏格兰学者Davidson制造了一台用以推进蓄电池机车的驱动***，由于当时采用的是机械开关，其运行特性、可靠性和机电能量转换率都是很低的，难以引起人们的关注。本世纪20年代，英国学者C.L.Walker发明并取得步进电机的专利，初具了现代VR步进电机和开关磁阻电机的许多特征。60年代后，国外开始对SR电机进行深入的研究和论证。70年代左右，英国leeds大学步进电机和磁阻电机小组首创了一台现代开关磁阻电机的雏形，并进行了试验研究，发表了许多论文。1989年Harris教授将SR电机与异步电动机做了详细比较，结论表明，SR电机在效率、单位体积出力等方面均是优胜者。从1984年开始，我国许多单位先后展开了SR电机的研究工作，在借鉴国外经验的基础上我国SRD的应用和理论研究已取得了较大的进展。由于其结构简单、效率高、调速范围宽、控制方法灵活、高效无级调速、***可靠性高等优良性能，近十年来受到电气传动界的关注。但作为一种新型的调速***，由于研究历史较短，并且其技术涉及到电机学、微电子、电力电子、控制理论等众多学科领域，加之复杂的非线性特性，因此导致研究困难，在电机理论、性能分析和设计等方面还都不够成熟完善，仍需要大量的工作。

SR电机由装有励磁绕组的定子和无绕组的转子构成，一般为双凸极结构，其定、转子均由普通硅钢片叠压而成。 转子上既无绕组也无永磁体，定子齿极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组可以串联或并联在一起，构成“一相”。 SR电机可以设计成单相、两相、三相、四相等不同相数的结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。但是单相SR电动机无自起动能力，常规两相SR电动机虽然在一定范围内能够自起动，然而存在较大的起动“死区”。相数增加时，虽有利于减小转矩波动，但会导致结构复杂、主开关器件多、成本增高等缺点。因此目前应用较多的是三相6/4极结构和四相8/6极结构。  

常规的三相开关磁阻6/4极结构电机如附图1所示，三相电机是具备正反方向自启动能力最少相数的常规结构SR电机。除了常见6/4极结构之外，还有三相6/2极、6/8极、12/8极(如附图2所示)等结构。三相12/8极电机，实际上为一种两重6/4极电机。附图2中，粗实线为主磁通路径，与两极励磁情况相比，这种4极的磁场为短磁路结构。

常规的四相8/6极开关磁阻结构电机如附图3所示，每转有24个步距，步进角为15°。此外，还有四相8/10极SR电机。但8/10极结构电机电感率比8/6极低，能量转换率不高，通常不大采用。与三相电机相比，四相电机的启动性能要好得多，转矩波动小，但电机控制成本有所增加。

采用五相或更多相数的开关磁阻电机一般都采用短路结构，这样可获得更平滑的电磁转矩，降低转矩波动，从而得到稳定的开环工作状态，但缺点也十分明显，电机的控制成本和复杂性大大提高。

常规结构的开关磁阻电机多为柱式结构，其工作方式均为径向磁场工作方式，径向磁场工作方式电机的体积易受安装空间的制约，同时还具有齿根狭窄的“瓶颈效应”，转子散热不好，铁芯利用率不高，只能达到70%-75%，这对安装空间小，需要容量大的场所，问题就更为突出。

除了常规结构之外，还有盘式结构（如附图4所示）和直线式等特种开关磁阻电机。与常规结构相比，盘式结构具有转动惯量比高、轴向长度短、体积小和重量轻等优点, 可获得与同功率径向磁场电机相同的电气性能，盘式结构又分为径向磁场和轴向磁场式结构。轴向磁场开关磁阻电机（如附图5所示），这种电机兼具盘式电机的结构优势和开关磁阻电机的性能优势，非常适合应用到要求短轴、薄型安装或低速、大转矩的应用场合。

然而，传统的开关磁阻电机由于采用双凸级结构和开关形式供电电源，因此具有固有的转矩脉动缺点，而转矩脉动是造成开关磁阻电机噪声问题的主要原因。传统的轴向磁场盘式开关磁阻电机具有转矩脉动大、振动和噪声高等问题，同时由于定转子极间漏磁严重，进而增大了绕组电感，使电流控制相应速度慢，特别是高速时，绕组换相困难，使电流难以达到目标值。

发明内容

本发明的初衷在于克服现有技术的不足，提供一种高效率、大转矩的盘式开关磁阻电机，其能增大气隙磁密、减少定转子极间漏磁、提高电机高速运行时的电磁转矩、降低电机运行时的噪声和振动。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高效率、大转矩盘式开关磁阻电机，包含通过转轴固定的定子和转子，所述定子和所述转子均为轭式圆盘环状，所述定子和所述转子均包含圆盘和形成于该圆盘上的铁芯，所述定子的铁芯上绕有集中式定子绕组，所述定子的铁芯内沿径向开有间隔的隔磁窄槽。

进一步地，所述转子的铁芯内也可以沿径向开有间隔的隔磁窄槽。

进一步地，所述定子铁芯内的隔磁窄槽内还可以嵌有金属板，优选铜板；所述转子铁芯内的隔磁窄槽内也可以放有金属板，也优选铜板。

进一步地，在一种实施方式中，所述定子的圆盘的厚度要宽到能配合所述隔磁窄槽降低电机的噪声。

进一步地，在另一种实施方式中，所述定子的圆盘的厚度要宽到能配合所述隔磁窄槽和所述铜板降低电机的噪声。

进一步地，所述高效率、大转矩盘式开关磁阻电机可以采用12/8极结构。

本发明的有益效果是：

（1）本发明在定子磁极上沿径向开设间隔的隔磁窄槽，能够减少极间漏磁和绕组电感。在转子磁极上沿径向开设间隔的隔磁窄槽，能进一步通过间隔的空气隙窄槽的加入，可降低材料温升，减小损耗，提高电机效率，有效的减少极间漏磁和绕组电感，可使磁通在定子或转子上均匀分布，避免局部饱和，保持绕组电感随转子位置角的变化率为常数，增大电机的结构阻尼，提高高速运行时的电磁转矩，因此可以减小转矩脉动、降低电机的噪声和振动。

（2）在隔磁窄槽中放置金属板，尤其是铜板，能够减少极间漏磁和绕组电感，使磁通在定子或转子上分布均匀，避免了局部饱和，从而能够保持绕组电感随转子位置角的变化率为常数，以此减小转矩脉动、降低电机的噪声和振动；另外，由于铜的电导率大于铁磁材料的电导率，因此在电机所开的窄槽中加入铜板，不仅可以减少漏磁，而且使得定子的电阻减小，电阻率大大降低，电机损耗减小，转化为热能的能量减少，温升较小，电机运行转矩提高，电机效率提高。

（3）电磁噪声是开关磁阻电机噪声的主要组成部分，径向磁吸力的谐波频率与定子固有频率一定时，将会产生严重的噪声和振动。而电机绕组通电时的径向磁吸力是一个脉动的力波，在齿槽位置相对时最小，齿对齿位置最大，使壳体结构的定子不可避免的形成压缩、扩张振动，振动通过机壳向外发出噪声。本发明通过将盘式开关磁阻电机的定子圆盘设置为一定厚度，使其能通过配合隔磁窄槽、进一步可以再配合金属铜板，增大电机的结构阻尼，从而有效地降低噪声及振动。

附图说明

附图1是现有的一种三相6/4极开关磁阻电机的结构示意图。

附图2是现有的一种三相12/8极开关磁阻电机的结构示意图。

附图3是现有的一种四相8/6极开关磁阻电机的结构示意图。

附图4是现有的一种盘式开关磁阻电机的结构示意图。

附图5是现有的一种轴向磁场盘式开关磁阻电机的结构示意图。

附图6是本发明的高效率、大转矩盘式开关磁阻电机的结构示意图。

附图7是本发明的高效率、大转矩盘式开关磁阻电机的定子的立体结构示意图。

附图8是本发明的高效率、大转矩盘式开关磁阻电机的定子的正视示意图。

图中涉及的附图标记如下所示：

10.定子                         11. 定子圆盘

12.定子绕组                     13.定子齿铁芯

14.隔磁窄槽                     20.转子

21.转轴                         22.转子齿铁芯

23.转子圆盘。

具体实施方式

以下本发明以12/8极轴向磁场盘式开关磁阻电机为例，给出本发明的一种具体实施方式。

参见附图6，一种高效率、大转矩盘式开关磁阻电机，包含通过转轴21固定的定子10和转子20，即电机的内部结构是在同一钢轴上设置有单定子和单转子的结构，所述定子10和所述转子20均为轭式圆盘环状，均包含圆盘和形成于该圆盘上的铁芯，也就是说，所述定子10包含定子圆盘11和形成于该圆盘11上的定子齿铁芯13，所述转子20包含转子圆盘23和形成于该转子圆盘22上的转子齿铁芯13。所述定子20的铁芯13上绕有定子绕组12。可同时参见附图7和附图8，所述定子10的铁芯13内沿径向开有间隔的隔磁窄槽14。

具体实施时，定子10及转子20，可以均是由环状轭式的圆盘与方形齿铁芯组装成一体，其中环状轭式圆盘可由带状硅钢片在自动冲卷机上冲卷制成，或用冲制成型的片状导磁材料叠成。方形齿铁芯可以用带状材料卷绕成，或用冲制加工的片状材料叠成。定子10可以由定子圆盘11和若干个在盘面上的方形铁芯13粘附组成，也可以直接加工成一个整体，然后在方形铁芯13上绕定子绕组12构成励磁磁极。转子20的叠片的形状与一般开关磁阻电机的转子形状一样。

可以继续参见附图6，在所述定子10的圆盘平面上可以有12个均等距的固装的方形齿铁芯13，在所述转子20的平面上可以有8个均等距的固装的方形齿铁芯22。参见附图7，定子绕组12可以为集中绕组，以方形定子齿铁芯13为骨架绕制，利用定子齿铁芯13等分形成可嵌绕组的定子槽，解决了以往线槽式嵌装励磁绕组的困难。

本发明转子由硅钢片叠压而成，无永磁体，可工作于极高转速；定子线圈为集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。

进一步地，可以参见附图8，本发明凸极铁芯的定子10由铁芯13形成的磁极上沿径向开有间隔的隔磁窄槽14，该隔磁窄槽中14可放置金属板，优选铜板。间隔的隔磁窄槽能够减少极间漏磁和绕组电感，结合金属铜板的嵌放能够提高材料的电导率，降低温升，减少电机的损耗，对漏磁具有阻碍作用，可使磁通在定子或转子上分布均匀，避免局部饱和，能够保持绕组电感随转子位置角的变化率为常数，提高电机效率，且能增大电机的结构阻尼，提高高速运行时的电磁转矩，因此可以减小转矩脉动、降低电机的噪声和振动。所述转子20也可同时采用这种结构。进一步地，在一种实施方式中，所述定子的圆盘的厚度可以宽到能配合定子铁芯上的隔磁窄槽、或者定子铁芯和转子铁芯上均具有的隔磁窄槽，降低电机的噪声，如果这些隔磁窄槽内还有金属板，所述定子的圆盘的厚度要宽到能配合所述隔磁窄槽和所述铜板降低电机的噪声。

继续参见附图6，本发明遵循磁阻最小原理进行工作，即磁通总是沿磁阻最小的路径闭合。当定子10某相绕组通电时，由于定子铁芯13和转子铁芯23的数量不等，因此会产生不等的径向磁路与切向磁路，所产生的磁场由于磁力线扭曲而产生切向磁拉力，试图使相近的转子极旋转到其轴线与该定子极轴线对齐的位置，即磁阻最小位置，形成转子20与定子10互相追逐的状态，这种互相追逐的状态和不等的磁路形成了凸极转矩，从而推动转子20转动。进一步的，本发明由于采用轴向励磁, 其磁路具有特殊性。磁场在两个定子铁芯和转子盘之间形成回路， 磁通平面与转子的运动方向相垂直，一个磁通回路里包含2个气隙。当转子极处于与励磁磁极非对齐位置时，磁通回路将在气隙剖面上发生切向扭曲，定转子之间会产生了切向磁拉力，从而形成电机工作的有效电磁转矩。

除上述实施方案以外，该电机还可以设计成单定子、双转子结构，或为双定子、单转子结构，或为双定子双转子等多个转子，或多个定子组成的多级连体电机。也可以根据需要，将电机设计成单相、二相，三相6/4极、12/8极,四相8/2极、8/6极、12/8极等，以此根据不同的电路控制技术控制不同级别的电机，使转子获得不同的转矩和转速。

本发明启动转矩大，低速性能好，转矩波动小，继承了普通开关磁阻电机的优点：转子无永磁体，可允许有较高的温升，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。损耗主要产生在定子，电机易于冷却；电机调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性，具有较高的功率；能四象限运行，具有较强的再生制动能力。

本发明在现有盘式开关磁阻电机的基础上，通过改进定转子的结构，提出了一种高效率、大转矩盘式开关磁阻电机，其能可减少极间漏磁和绕组电感，提高高速运行时的电磁转矩，减小电机损耗，提高电机效率，增大电机的结构阻尼，减少噪声和振动。具体来说，本发明通过在盘式开关磁阻电机的定、转子磁极上添加隔磁窄槽和金属板，尤其是铜板，降低材料温升，减小损耗，提高电机效率，有效的减少了极间漏磁和绕组电感，可使磁通在定子或转子上均匀分布，避免了局部饱和，能够保持绕组电感随转子位置角的变化率为常数，增大了电机的结构阻尼，提高高速运行时的电磁转矩，因此可以减小转矩脉动、降低电机的噪声和振动。进一步采用轴向励磁的盘式结构, 能使电机具有短轴、薄型的外型特征和较高的转动惯量比，非常适合低速、大转矩或者要求短轴安装的应用场合。

本发明为盘式开关磁阻电机，兼具了盘式电机的结构优势和开关磁阻电机的性能优势。具有转动惯量比高、轴向长度短、体积小和重量轻等优点, 可获得与同功率径向磁场电机相同的电气性能。且其结构简单、效率高、控制方法灵活，可实现高效无极调速，非常适合应用到要求短轴、薄型安装或低速、大转矩的应用场合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改变、改进或润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高效率、大转矩盘式开关磁阻电机，包含通过转轴固定的定子和转子，所述定子和所述转子均为轭式圆盘环状，所述定子和所述转子均包含圆盘和形成于该圆盘上的铁芯，所述定子的铁芯上绕有集中式定子绕组，其特征在于：所述定子的铁芯内沿径向开有间隔的隔磁窄槽。

2.根据权利要求1所述的高效率、大转矩盘式开关磁阻电机，其特征在于，所述转子的铁芯内也沿径向开有间隔的隔磁窄槽。

3.根据权利要求1或2所述的高效率、大转矩盘式开关磁阻电机，其特征在于，所述隔磁窄槽内嵌有金属板。

4.根据权利要求3所述的高效率、大转矩盘式开关磁阻电机，其特征在于，所述金属板为铜板。

5.根据权利要求1所述的高效率、大转矩盘式开关磁阻电机，其特征在于，所述定子的圆盘的厚度要宽到能配合所述隔磁窄槽降低电机的噪声。

6.根据权利要求3所述的高效率、大转矩盘式开关磁阻电机，其特征在于，所述定子的圆盘的厚度要宽到能配合所述隔磁窄槽和所述金属板降低电机的噪声。

7.根据权利要求1所述的高效率、大转矩盘式开关磁阻电机，其特征在于，所述高效率、大转矩盘式开关磁阻电机采用12/8极结构。

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