CN103475113A - 一种12/10结构开关磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种12/10结构开关磁阻电机,该电机由定子背轭、定子铁心、绕组线圈、转子铁心、轴组成,定子铁心的磁极齿上绕制有绕组线圈,定子铁心的外侧是定子背轭,定子背轭与定子铁心相连,定子铁心内部是转子铁心,定子铁心和转子铁心之间留有间隙,形成空气隙,定子铁心有12个磁极齿,转子铁心有10个沿圆周均匀分布的磁极齿,均由导磁性良好的硅钢片冲制后叠成,转子铁心的内部为轴。本发明在现有6相12/10结构开关磁阻电机基础上,通过调整定子铁心磁极齿的位置,将传统的6相电机转化为3相电机,简化了控制回路,缩短了磁通闭合路径,减小磁阻,降低能量损耗,提高电机的效率。
Description
技术领域
本发明设计一种开关磁阻电机,特别是一种新型12/10结构的开关磁阻电机,可用于风力发电场合。
背景技术
随着经济的迅猛发展,资源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题,以煤、石油、天然气为主的常规能源,不仅因无节制的开采而日益匮乏,而且造成严重的空气污染,风能作为清洁、高效的可再生资源,已受到人们的广泛关注。现有风力发电***主要采用永磁电机。由于永磁电机中的永磁体存在退磁现象,并且价格较高,从而使得开发采用新原理和新结构的低成本、高可靠的风力发电用电机任务迫在眉睫。
近几十年来随着功率电子学和微电子学迅速发展,开关磁阻电机得到了广泛应用,它具有结构简单、造价低廉、机体坚固、可靠性高、容错能力强、对恶劣工作环境适应性强等优点,这使得开关磁阻电机可应用于风力发电领域。传统的开关磁阻电机通常为12/10结构,其定子磁极齿通常标记为A1、B1、C1…D2、E2、F2,其中两个相对的磁极齿A1和A2上的绕组线圈串联构成A相、磁极齿B1和B2上的绕组线圈串联构成B相、磁极齿C1和C2上的绕组线圈串联构成C相、磁极齿D1和D2上的绕组线圈串联构成D 相、磁极齿E1和E2上的绕组线圈串联构成E相、磁极齿F1和F2上的绕组线圈串联构成F相,工作时每相单独通电,相数多,控制回路复杂,并且传统的开关磁电机的磁通闭合路径较长,以A相导通为例,由于磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合,磁通从定子磁极齿A1出发,经过一端的气隙、转子铁心、另一端的转子铁心气隙,经磁极齿A2,再经二分之一的定子轭回到磁极齿A1,如图5虚线所示,相同的条件下,磁通闭合过程中的能量损耗大,电机的效率低,这严重阻碍了开关磁阻电机的推广。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有6相12/10结构开关磁阻电机的不足,提供一种新型定子结构,将6相12/10结构开关磁阻电机转化为3相电机,缩短磁通闭合路径,相同条件下,减小磁通闭合过程中的磁阻,从而降低能量损耗,提高电机效率。
本发明的技术解决方案是:本发明所设计的12/10结构开关磁阻电机由定子背轭、定子铁心、绕组线圈、转子铁心、轴组成,定子铁心的磁极齿的内径圆弧为非等间距,即在现有6相12/10结构开关磁阻电机定子基础上,将相邻两个定子铁心的磁极齿向相反方向偏移3°,即将定子磁极齿A’逆时针偏移3°,定子磁极齿B’顺时针偏移3°;定子磁极齿C’逆时针偏移3°,定子磁极齿D’顺时针偏移3°;定子磁极齿E’逆时针偏移3°,定子磁极齿F’顺时针偏移3°,使得磁极齿A’和磁极齿B’所对应的圆弧的圆心角为33°,磁极齿B’和磁极齿C’所对应的圆弧的圆心角为27°;磁极齿C’和磁极齿D’ 所对应的圆弧的圆心角为33°,磁极齿D’和磁极齿E’所对应的圆弧的圆心角为27°;磁极齿E’和磁极齿F’所对应的圆弧的圆心角为33°,磁极齿F’和磁极齿A’所对应圆弧的圆心角为27°,磁极齿A1’和磁极齿B1’所对应的定子圆弧角度为33°,磁极齿B1’和磁极齿C1’所对应的圆弧的圆心角为27°;磁极齿C1’和磁极齿D1’所对应的圆弧的圆心角为33°,磁极齿D1’和磁极齿E1’所对应的圆弧的圆心角为27°;磁极齿E1’和磁极齿F1’所对应的圆弧的圆心角为33°,磁极齿F1’和磁极齿A’所对应圆弧的圆心角为27°,如图2a所示。定子铁心的磁极齿上绕制有绕组线圈,工作时,磁极齿A’和B’、A1’和B1’的绕组线圈串联,同时通电,形成一相,为电机提供工作的磁场;磁极齿C’和D’、C1’和D1’的绕组线圈串联,同时通电,形成一相,为电机提供工作的磁场;磁极齿E’和F’、E1’和F1’的绕组线圈串联,同时通电,形成一相,为电机提供工作的磁场(实现将6相电机转化为3相电机),定子铁心的外侧是定子背轭,定子背轭与定子铁心相连,定子铁心内部是转子铁心,定子铁心和转子铁心之间留有间隙,形成空气隙,定子铁心有12个磁极齿,转子铁心有10个沿圆周均匀分布的磁极齿,均由导磁性良好的硅钢片冲制后叠成,转子铁心的内部为轴。
上述方案的原理是:现有的12/10结构开关磁阻电机为6相电机,工作时每相单独通电,相数多,控制回路复杂,其转子极距其中Nr表示转子磁极齿齿极数,步进角q表示电机相数,即相邻两相电流所产生的电感曲线相位差为6°,即通电时,A相的电感曲线超前B相电感曲线6°,C相的电感曲线超前D相电感曲线6°,E相电感曲线超前F相电感曲线6°。本发明所设计的这种磁极齿内径圆弧为非等间距的定子结构,与现有6相电机相比,由于磁极齿A’逆时针偏移3°,通电时A’相导通时刻滞后3°,产生的电感曲线滞后3°;磁极齿B’顺时针偏移3°,通电时B’相导通时刻超前3°,产生的电感曲线超前3°;磁极齿C’逆时针偏移3°,通电时C’相导通时刻滞后3°,产生的电感曲线滞后3°;磁极齿D’顺时针偏移3°,通电时D’相导通时刻超前3°,产生的电感曲线超前3°;磁极齿E’逆时针偏移3°,通电时E’相导通时刻滞后3°,产生的电感曲线滞后3°;磁极齿F’顺时针偏移3°,通电时F’相导通时刻超前3°,产生的电感曲线超前3°。工作时,A’、B’两相同时通电,产生的电感曲线重合,即A相;C’、D’两相同时通电,产生的电感曲线重合,即B相,E’、F’两相同时通电,产生的电感曲线重合,即C相,实现将现有的6相12/10结构开关磁阻电机转化为3相电机,如图3所示。这种结构减少了电机的相数,简化了控制回路,缩短磁通闭合路径,相同条件下,减小了磁通闭合过程中的能量损耗,提高了电机的效率。本发明的磁通闭合回路为:磁通从磁极齿的N极(所在的磁极齿缠绕线圈通电产生)出发,通过气隙、转子铁心、气隙又回到磁极齿的S极(所在的磁极齿缠绕线圈通电产生)。 以A’、B’两相为例,其磁路为:磁通从磁极齿A’出发,经过气隙、转子铁心、气隙,流经磁极齿B’,再经约六分之一的定子轭回到磁极齿A’,如图3虚线所示。
本发明与现有技术相比的优点在于:本发明所述结构与图4给出的现有12/8三相开关磁阻电机的绕组线圈磁通路径相比(以A相导通为例,磁通从定子磁极齿A1出发,经过气隙、转子铁心、气隙,经磁极齿A4,再经过四分之一的定子轭回到磁极齿A1),磁路路径大大减小;与图5给出的现有12/10六相开关磁阻电机的绕组线圈的磁通路径相比(以A相导通为例,磁通从定子磁极齿A1出发,经过气隙、转子铁心、气隙流经磁极齿A2,再流经二分之一的定子轭圆回到磁极齿A1),本发明所设计的电机,同样大大减小了磁通闭合的路径,在相同的条件下,能量损耗也随之减小。本发明实现了将传统的6相12/10结构开关磁阻电机转化为3相电机,相邻两磁极齿的线圈同时通电,简化了控制回路,相比于现有的12/8结构3相电机和12/10结构6相电机,磁通闭合路径短,相同的条件下,能量损耗低,电机效率高。
附图说明
图1为本发明技术方案新型12/10结构开关磁阻电机轴向剖面图;
图2a、2b和2c为本发明技术方案新型12/10结构开关磁阻电机定子结构图,其中图2a为三维立体结构图,图2b为图2a的一种定子端面图(定子磁极齿外径圆弧为等间距),2c为图2a的另一种定子端面图(定子磁极齿外径圆弧为非等间距);
图3为本发明技术方案新型12/10结构开关磁阻电机绕组线圈磁通路径图;
图4为现有12/8结构3相开关磁阻电机的绕组线圈磁通路径图;
图5为现有12/10结构6相开关磁阻电机的绕组线圈磁通路径图。
具体实施方式
如图1所示,新型12/10结构开关磁阻电机由定子背轭1、定子铁心2、绕组线圈3、转子铁心4、轴5组成,其中,定子铁心2的磁极齿内径圆弧为非等间距,即在传统12/10结构开关磁阻电机定子基础上,将相邻两个定子铁心2的磁极齿向相反方向偏移3°,得到的定子结构如图2所示,其定子磁极齿的内径圆弧均为非等间距。定子铁心2磁极齿上绕制有绕组线圈3,绕组线圈3为电机提供工作的磁场,定子铁心3的外侧是定子背轭1,定子背轭1与定子铁心3相连,定子铁心3内部是转子铁心4,转子铁心4有10个沿圆周均匀分布的磁极齿,定子铁心3与转子铁心4均为凸极结构,定子铁心3与转子铁心4之间留有间隙,形成空气隙,转子铁心4的内部为轴5。
图2a给出了本发明技术方案新型12/10结构开关磁阻电机定子结构图,图2b、2c给出了本发明技术方案新型12/10结构开关磁阻电机的两种定子端面图。其中图2b给出的定子结构端面图,磁极齿A’和磁极齿B’磁极齿A1’和磁极齿B1’所对应的内径圆弧的圆心角为33°,磁极齿B’和磁极齿C’磁极齿B1’和磁极齿C1’所对应的内径圆弧的圆心角为27°;磁极齿C’和磁极齿D’磁极齿C1’和磁极齿D1’所对应的圆弧的圆心角为33°,磁极齿D’和磁极齿E’磁极齿D1’和磁极齿E1’所对应的圆弧的圆心角为27°;磁极齿E’和 磁极齿F’磁极齿E1’和磁极齿F1’所对应的圆弧的圆心角为33°,磁极齿F’和磁极齿A’磁极齿F1’和磁极齿A’所对应圆弧的圆心角为27°,从图中可以看出,定子磁极齿A’~F1’的外径所对应的圆弧为非等间距。图2c中给出了另外一种定子结构端面图,其与图2b的区别在于定子磁极齿A’~F1’的外径所对应的圆弧为等间距的,考虑到电机绕组下线时的槽满率问题,优选方案为图2c所示的定子结构。
上述发明方案所用的定子背轭1、轴5均用导磁性能良好的材料制成,如电工纯铁、各种碳素钢、铸铁、铸钢、合金钢、1J50和1J79等磁性材料等。定子铁心2可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压迭制而成。绕组线圈3可用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种12/10结构开关磁阻电机,由定子背轭(1)、定子铁心(2)、绕组线圈(3)、转子铁心(4)、轴(5)组成;定子铁心(2)磁极齿上绕制有绕组线圈(3),定子铁心(3)的外侧是定子背轭(1),定子背轭(1)与定子铁心(3)相连,定子铁心(3)有12个磁极齿,其内部是转子铁心(4),转子铁心(4)有10个沿圆周均匀分布的磁极齿,定子铁心(3)与转子铁心(4)均为凸极结构,定子铁心(3)与转子铁心(4)之间留有间隙,形成空气隙,转子铁心(4)的内部为轴(5),其特征在于:定子铁心的磁极齿的内径圆弧为非等间距,其中磁极齿A’和磁极齿B’所对应的圆弧的圆心角为33°,磁极齿B’和磁极齿C’所对应的圆弧的圆心角为27°;磁极齿C’和磁极齿D’所对应的圆弧的圆心角为33°,磁极齿D’和磁极齿E’所对应的圆弧的圆心角为27°;磁极齿E’和磁极齿F’所对应的圆弧的圆心角为33°,磁极齿F’和磁极齿A’所对应圆弧的圆心角为27°;磁极齿A1’和磁极齿B1’所对应的定子圆弧角度为33°,磁极齿B1’和磁极齿C1’所对应的圆弧的圆心角为27°;磁极齿C1’和磁极齿D1’所对应的圆弧的圆心角为33°,磁极齿D1’和磁极齿E1’所对应的圆弧的圆心角为27°;磁极齿E1’和磁极齿F1’所对应的圆弧的圆心角为33°,磁极齿F1’和磁极齿A’所对应圆弧的圆心角为27°;在工作时,极齿A’和B’、A1’和B1’的绕组线圈(3)串联,同时通电,为电机提供工作的磁场;磁极齿C’和D’、C1’和D1’的绕组线圈(3)串联,同时通电,为电机提供工作的磁场;磁极齿E’和F’、E1’和F1’的绕组线圈(3)串联,同时通电,为电机提供工作的磁场。
2.根据权利要求1所述的12/10结构开关磁阻电机,其特征在于:所述磁极齿A’和B’、A1’和B1’的绕组线圈串联,同时通电,形成一相;磁极齿C’和D’、C1’和D1’的绕组线圈串联,同时通电,形成一相;磁极齿E’和F’、E1’和F1’的绕组线圈串联,同时通电,形成一相。
3.根据权利要求1所述的12/10结构开关磁阻电机,其特征在于:所述的定子背轭(1)采用导磁性能良好的材料制成,包括电工纯铁、40Cr、1J50、硅钢。
4.根据权利要求1所述的12/10结构开关磁阻电机,其特征在于:所述的轴(5)采用导磁性能良好的材料制成,包括电工纯铁、1J50或40Cr。
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