CN103532265A - 一种互感耦合型开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种互感耦合型开关磁阻电机，该电机为双凸极结构，定子和转子上均设有凸极齿，但定转子上凸极齿的个数不相等。定子齿上绕有集中式绕组线圈，形成多相对称绕组结构，线圈为双层圈边，即每个定子槽中放置属于不同线圈的两个圈边，绕组所有线圈保持相同的绕向，即通入同向电流后，所有定子极的磁链极性相同。电机每相绕组的自感和互感都会随转子位置改变而发生周期性变化，即电机可以同时依靠自感和互感变化产生的磁阻转矩工作。本发明同时介绍了此种互感耦合型开关磁阻电机的控制方法。该互感耦合型开关磁阻电机可以提高电机的材料利用率，有效抑制电机转矩脉动，电机的控制方式也更加灵活多样。

Description

一种互感耦合型开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及一种互感耦合型开关磁阻电机。属于电机制造与控制的技术领域。

背景技术

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展，开关磁阻电机的应用越来越广泛，尤其是稀土永磁材料的剧烈价格波动，使不需使用永磁体的开关磁阻电机备受瞩目。传统开关磁阻电机为双凸极结构，定转子均由普通硅钢片压叠制成，转子上既无永磁体也无绕组，定子上有集中式绕组，通过线圈的绕向和连接方式，使电机的互感不随转子位置变化而变化，但是自感会随转子位置变化而改变，其依据“磁阻最小”原理工作，即依靠自感变化产生的磁阻转矩驱动转子。开关磁阻电机具备制造简单、成本低、结构坚固、容错性能好、易于散热、适宜高速运行等优点，在工业驱动、电气调速、电动汽车、家用电器、纺织机械等领域中已显示出强大的竞争力与广阔的应用前景。

传统开关磁阻电机定子上若干个凸极齿均匀分布，齿形齿宽完全相同，集中式绕组线圈也均匀分布，即每个定子齿上都套有匝数相同且线径相同的集中式绕组线圈。多相对称绕组沿定子圆周均匀分布，若干个线圈根据性能需求串联或者并联或者串并混联组成一相绕组。上述传统绕组结构的开关磁阻电机采用集中式绕组结构，电机依靠自感变化产生的磁阻转矩工作，其每个时刻只有部分绕组通电，亦只有部分铁心直接参与电磁能量转换，剩余绕组和铁心材料被闲置，故材料利用率较低，且采用集中绕组工作的电机转矩脉动较大，不利于电机驱动***的平滑稳定工作。

因此，本发明从解决这一问题出发，在现有常规开关磁阻电机结构基础之上，通过改变电机的绕组结构，提出了一种采用互感耦合型绕组结构的新型开关磁阻电机，改变电机的运行方式，提高电机材料利用率，抑制电机转矩脉动。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提出一种互感耦合型开关磁阻电机，该开关磁阻电机同时依据自感和互感的变化产生磁阻转矩工作，提高了电机的材料利用率，有利于抑制电机转矩脉动并增大输出转矩，并且该结构适用于除单相结构外的任意相数、任意定转子齿槽配合的开关磁阻电机。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明的互感耦合型开关磁阻电机，包括定子和转子，所述的定子上设有偶数个定子齿，且定子齿上绕有集中绕组，每个定子齿被一个集中式绕组线圈嵌套，线圈个数等于定子齿个数，成为全齿绕结构，即该集中绕组为双层线圈结构，每个定子槽中放置属于不同线圈的两个圈边；每相绕组包括若干个线圈，属于一相绕组的各个线圈顺序串联或者并联或者串并混联构成一相绕组，最终形成多相对称集中绕组结构，转子上亦有若干个凸极齿，没有绕组或者永磁体。

所述的电机的绕组的所有线圈的进出线绕向相同，即通入同方向电流时，所有定子齿的磁链极性相同。

所述的电机定转子铁心由硅钢片叠压而成，整机不需要永磁体。

所述的电机定子和转子均为凸极结构，且转子为内转子，或者外转子。

所述的电机是旋转电机，或是直线电机或者直线旋转双自由度电机。

所述的电机为径向、轴向、横向磁场结构。

所述的互感耦合型开关磁阻电机定子铁心上的凸极齿沿圆周均匀分布，且各个凸极齿的齿形齿宽相同。每个定子槽中均放置有属于不同线圈的两个圈边。

所述的互感耦合型开关磁阻电机的绕组绕向不同于传统开关磁阻电机，其所有线圈的绕向相同，即当通入相同极性的电流时，所有定子齿上的磁链的极性相同。因此，当电机一相通电时，此相绕组的自感磁链方向相抵，无法在自身相绕组中顺利流通，磁链会流过其它相绕组，即电机会同时有明显的自感和互感值，且自感和互感均会随转子位置变化而改变，电机可以同时依靠自感和互感变化产生的磁阻转矩工作。

所述的互感耦合型开关磁阻电机可以作电动运行，也可以作发电运行。

所述的互感耦合型开关磁阻电机结构可以应用于除单相结构外的任意相数、任意定转子齿槽配合的开关磁阻电机。以三相定子12槽/转子8极开关磁阻电机结构为例，定子上设有12个对称的凸极齿，定子齿上绕有12个对称的集中式绕组线圈，按逆时针方向依次称为第一集中绕组线圈至第十二集中绕组线圈，其中：第一集中绕组线圈和第七集中绕组线圈径向相对，第四集中绕组线圈和第十集中绕组线圈径向相对，上述四个线圈可顺序串联或并联或串并混联组成A相绕组；第三集中绕组线圈和第九集中绕组线圈径向相对，第六集中绕组线圈和第十二集中绕组线圈径向相对，上述四个线圈可顺序串联或并联或串并混联后组成B相绕组；第二集中绕组线圈和第八集中绕组径线圈向相对，第五集中绕组线圈和第十一集中绕组线圈径向相对，上述四个线圈可顺序串联或并联或串并混联后组成C相绕组；转子上设有8个对称的凸极齿。与传统开关磁阻电机不同，本发明的互感耦合型开关磁阻电机的所有绕组线圈的绕向均相同，即当给所有的绕组通入同方向的电流时，电机的12个定子齿的磁链极性相同，会呈现12个“N”极的状态，从而导致每相绕组通电时，其产生的磁链将难以顺利在自身相绕组流通，而被迫在其它未通电相绕组流过，即电机会产生明显的互感效果。本发明的开关磁阻电机有明显增大的自感和互感，且自感和互感都会随转子位置的变化而变化，电机可以同时依靠自感和互感变化产生的磁阻转矩工作。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.材料利用率提高。本发明的电机同时依靠自感和互感变化产生的磁阻转矩工作，改善了传统开关磁阻电机每个时刻只有通电相绕组附近的铁心有电磁作用，大量铁心材料和绕组材料被空闲浪费的缺点，使电机的材料利用率得以提高。

2.更小的转矩脉动。本发明的电机为互感耦合型结构，可以依靠互感工作，每个时刻至少有两相绕组同时通电，转矩脉动可以得到明显抑制。

3.适宜高速运行。本发明的电机绕组设置在定子上，转子上既没有绕组，也没有永磁体，转子转动惯量小，适宜高速运行。

4.结构简单牢靠。本发明的电机中，定子和转子均由硅钢片压制而成。加工简单，结构牢靠，不需要使用永磁体，材料和制作成本较低。另外，绕组仍然为集中式绕组结构，端部短，用铜量少，铜耗小，嵌套难度低。

5.电机可以采用双极性供电。本发明的电机同时依靠自感和互感变化工作，在任意时刻两相绕组同时通电，可以采用双极性通电方式，增大了电机控制器的电流利用效率。

附图说明

图1是传统绕组结构的三相定子12槽/转子8极开关磁阻电机的横向剖视结构示意图。

图2是本发明实施例的三相定子12槽/转子8极结构的互感耦合型开关磁阻电机的横向剖视结构示意图。

图3是本发明实施例的互感耦合型开关磁阻电机的电感波形和几种典型驱动电流波形，图a、b、c分别为双极性120°方波驱动、双极性正弦波驱动和双极性不对称方波驱动等。

图4是本发明实施例采用的两种功率电路拓扑结构，图a、b分别为独立三相全桥电路和三相六管全桥逆变电路等。

图中有：定子1，互感耦合型集中绕组2、第一集中绕组线圈2A1、第二集中绕组线圈2C1、第三集中绕组线圈2B1、第四集中绕组线圈2A2、第五集中绕组线圈2C2、第六集中绕组线圈2B2、第七集中绕组线圈2A3、第八集中绕组线圈2C3、第九集中绕组线圈2B3、第十集中绕组线圈2A4、第十一集中绕组线圈2C4和第十二集中绕组线圈2B4，转子3。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明的一种互感耦合型开关磁阻电机，包括定子1、互感耦合型集中绕组2和转子3。定子1上设有偶数个定子齿，相邻定子齿之间形成定子槽，每个定子齿沿定子的径向都有另一个定子齿与其相对。定子齿上绕有集中绕组线圈2，其为双层绕组结构，嵌套于定子1的所有凸极齿上，每个定子槽中放置有属于不同线圈的两个圈边，即所有的定子齿都有线圈嵌套，线圈的个数等于定子齿的个数，每相绕组由若干个线圈通过串联或者并联或者串并混联组成。

进一步的，所述的集中绕组2的所有线圈的绕向相同，即若给所有相绕组通入相同方向的电流，它们在定子齿上产生的磁链极性相同（都指向径向内侧或者都指向径向外侧），这样，当电机的某一相绕组通电时，其产生的磁链将无法完全顺利地从自身相绕组流通，会被迫从其它相绕组流过，即电机会产生明显的互感。这样，电机的自感和互感都很明显，且都会随之转子位置的变化而改变。

进一步的，所述的定子1和转子3均为凸极结构，且转子3可以为内转子，或者外转子。当转子3为内转子时，定子1位于转子3的外侧。当转子3为外转子时，定子1位于转子3的内侧。转子3上无绕组和永磁体。

本发明的互感耦合型开关磁阻电机的工作机理是：遵循磁阻最小原理，即磁通总是沿磁阻最小（磁导最大）的路径闭合。当定子齿和转子齿中心线不重合时，即磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子3转到磁导最大的位置。

如图1所示，传统三相定子12槽/转子8极开关磁阻电机结构中，定子上有12个集中绕组线圈，按逆时针方向依次称为第一集中绕组线圈至第十二集中绕组线圈，其中：第一集中绕组线圈和第七集中绕组线圈径向相对，第四集中绕组线圈和第十集中绕组线圈径向相对，上述四个线圈可顺序串联或并联或串并混联后组成A相绕组，且一相绕组中的四个线圈通电后的磁链方向相顺；第三集中绕组线圈和第九集中绕组线圈径向相对，第六集中绕组线圈和第十二集中绕组线圈径向相对，上述四个线圈可顺序串联或并联或串并混联后组成B相绕组，且一相绕组中的四个线圈通电后的磁链方向相顺；第二集中绕组线圈和第八集中绕组线圈径向相对，第五集中绕组线圈和第十一集中绕组线圈径向相对，上述四个线圈可顺序串联或并联或串并混联后组成C相绕组，且一相绕组中的四个线圈通电后的磁链方向相顺。这样，电机利用自感变化产生的磁阻转矩工作，绕组和铁心利用率都较低。

本发明的互感耦合型开关磁阻电机的绕组结构与传统开关磁阻电机结构不同。传统开关磁阻电机中每相绕组的若干个线圈通电后的磁链方向相顺，即磁链可以在本身相绕组中顺利流通，不会流经其它相绕组。这样，电机的互感很小，几乎可以忽略，而电机的每相绕组自感则随转子位置变化而改变，电机依靠由于自感变化而产生的磁阻转矩工作。本发明的互感耦合型开关磁阻电机将绕组绕向改变，使每相绕组通电后各个线圈的磁链方向相抵，即一相绕组通电后，其产生的磁链将无法在本身相绕组顺利流通，会被迫从其它相绕组流过，这样，电机的互感会很大。实际上，本发明的互感耦合型开关磁阻电机的每相绕组的自感和互感都随转子位置变化而改变，电机同时依靠由于自感和互感变化而产生的磁阻转矩工作，其输出转矩公式为：

$T=\frac{1}{2}{i}_a^2\frac{{\mathrm{dL}}_a}{\mathrm{d\θ}}+\frac{1}{2}{i}_b^2\frac{{\mathrm{dL}}_b}{\mathrm{d\θ}}+\frac{1}{2}{i}_c^2\frac{{\mathrm{dL}}_c}{\mathrm{d\θ}}+i_a{i}_b\frac{{\mathrm{dM}}_{\mathrm{ab}}}{\mathrm{d\θ}}+i_b{i}_c\frac{{\mathrm{dM}}_{\mathrm{bc}}}{\mathrm{d\θ}}+i_a{i}_c\frac{{\mathrm{dM}}_{\mathrm{ca}}}{\mathrm{d\θ}}---\left(1\right)$

其中，i_a，i_b，i_c分别为电机三相绕组的相电流，L_a，L_b，L_c分别为电机的三相自感，M_ab，M_bc，M_ca分别为电机的三相绕组间互感，θ为转子位置。

本发明的关键为在不改变电机定转子铁心结构和尺寸的条件下，仅通过改变绕组结构，改变电机的运行方式，能使电机的材料利用率得到提高，又能使电机的转矩脉动得到抑制。

本发明可以应用于除单相结构外的任意相数、任意定转子齿槽极数组合的开关磁阻电机。下面以三相定子12槽/转子8极开关磁阻电机为实施例来具体说明本发明的技术方案及其工作原理。

如图2所示，本实施例的三相定子12槽/转子8极开关磁阻电机，定子1上设有12个均匀对称的定子齿，定子齿上嵌套有12个集中式绕组线圈，按逆时针方向依次称为：第一集中绕组线圈2A1、第二集中绕组线圈2C1、第三集中绕组线圈2B1、第四集中绕组线圈2A2、第五集中绕组线圈2C2、第六集中绕组线圈2B2、第七集中绕组线圈2A3、第八集中绕组线圈2C3、第九集中绕组线圈2B3、第十集中绕组线圈2A4、第十一集中绕组线圈2C4和第十二集中绕组线圈2B4，转子3上有8个均匀对称的凸极齿。

集中绕组2中，第一集中绕组和第七集中绕组径向相对，第四集中绕组和第十集中绕组径向相对，上述四个线圈可顺序串联或并联或串并混联后组成A相绕组；第三集中绕组和第九集中绕组径向相对，第六集中绕组和第十二集中绕组径向相对，上述四个线圈可顺序串联或并联或串并混联后组成B相绕组；第二集中绕组和第八集中绕组径向相对，第五集中绕组和第十一集中绕组径向相对，上述四个线圈可顺序串联或并联或串并混联后组成C相绕组；其中每相绕组中的各个线圈磁链方向相抵，如图2所示，当所有绕组通入某个同一方向电流时，12个定子齿的磁链极性可以都是“N”极或者都是“S”极。

该互感耦合型开关磁阻电机控制方式多样，可根据工况不同灵活选择。图3为可以应用于本发明的互感耦合型开关磁阻电机的几种常见驱动电流波形。

其中，L_a，L_b和L_c分别为电机的三相自感，M_ab、M_bc和M_ca分别电机的绕组间互感，I_a、I_b和I_c（虚线所示）分别为电机的三相驱动电流。对于该实施例的互感耦合型开关磁阻电机，自感和互感变化周期为45°机械角度，即电机极对数为8，45°机械角度对应于360°电气角度。

图3（a）所示为双极性120°方波驱动方式，这种驱动方式的电流周期为90°机械角度，每个周期内，每相有1/3时长导通正向电流，1/3时长导通反向电流，1/3时长无电流通过，电流为双极性，包括大于零、等于零和小于零的三个电平状态，三相电流分别有30°机械角度的相位差，该种驱动方式可以采用如图4（a）所示的独立三相全桥电路或图4（b）所示的三相六管全桥逆变电路。在这种导通方式下，包括在某相绕组自感上升区给该相绕组通入正向电流、或者在某相绕组自感上升区给该相绕组通入反向电流、或者在某两相绕组的互感下降区给此两相绕组通入极性相反的电流等方式，都可以产生正向转矩，为电机出力提供帮助，能有效的增加电机出力，抑制转矩脉动，提高材料利用率。

图3（b）所示为双极性正弦波驱动方式，这种驱动方式的电流周期亦为90°机械角度，每个周期内，每相绕组电流波形均为标准的双极性正弦波，三相电流分别有30°机械角度的相位差，该种驱动方式可以采用如图4（a）所示的独立三相全桥电路或图4（b）所示的三相六管全桥逆变电路。该种驱动方式抑制电机转矩脉动的效果十分明显。

图3（c）所示为双极性不对称方波驱动方式，这种驱动方式的电流周期为45°机械角度，不同于之前两种。每个周期内，每相绕组有1/3时长导通正向电流，有2/3时长导通反向电流，电流为双极性，包括大于零和小于零的两个电平状态，三相电流分别有15°机械角度的相位差，该种驱动方式可以采用如图4（a）所示的独立三相全桥电路或图4（b）所示的三相六管全桥逆变电路。在这种导通方式下，包括在某相绕组自感上升区给该相绕组通入正向电流、或者在某相绕组自感上升区给该相绕组通入反向电流、或者在某两相绕组的互感下降区给此两相绕组通入极性相反的电流、在某两相绕组的互感上升区给此两相绕组通入极性相同的电流等方式，都可以产生正向转矩，不过，采用此种导通方式时，也存在于自感下降区通入电流的情况，会产生负转矩，在一定程度上削弱出力情况。总的来说，此种驱动方式相比于双极性120°方波驱动方式，增加了在互感上升区给两相绕组通入极性相同电流而产生的正向转矩，但也带来了由于在自感下降区通入电流而产生的反向转矩，故其适用于某些特定场合。

需要说明的是，以上提出的典型驱动电流波形只是几种理想的相电流波形，而不是惟一的，不应认为是对本发明提出的互感耦合型开关磁阻电机的限制，任意相近的其它波形的电流也可以驱动本发明的电机。而且，以上提出的电流波形均是理想电流，实际控制中，会存在偏差。

图4（a）所示为适用于本发明互感耦合型开关磁阻电机的独立三相全桥功率电路拓扑结构，包括独立对称的三相结构，每相均有四个开关管。

图4（b）所示为适用于本发明互感耦合型开关磁阻电机的三相六管全桥逆变功率电路拓扑结构，包括六个开关管和六个续流二极管。

需要指出的，当采用图（a）所示的三相独立结构的功率电路时，电机的独立三相绕组可以独立连接到主电路上，采用这种功率电路结构的电机三相绕组电气隔离，可以独立运行，冗余性强、容错性好；而当采用图（b）所示的三相六管全桥逆变功率电路时，需要将电机的独立三相绕组星接或者角接在一起，再将它们各自的一端分别连接到主电路上，采用这种功率电路结构的电机控制器需要的开关管数量更少，成本较低。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (7)

1.一种互感耦合型开关磁阻电机，包括定子（1）和转子（3），其特征在于，所述的定子（1）上设有偶数个定子齿，且定子齿上绕有集中绕组（2），每个定子齿被一个集中式绕组线圈嵌套，线圈个数等于定子齿个数，成为全齿绕结构，即该集中绕组为双层线圈结构，每个定子槽中放置属于不同线圈的两个圈边；每相绕组包括若干个线圈，属于一相绕组的各个线圈顺序串联或者并联或者串并混联构成一相绕组，最终形成多相对称集中绕组结构，转子（3）上亦有若干个凸极齿，没有绕组或者永磁体。

2.按照权利要求1所述的互感耦合型开关磁阻电机，其特征在于，所述的电机的绕组（2）的所有线圈的进出线绕向相同，即通入同方向电流时，所有定子齿的磁链极性相同。

3.按照权利要求1所述的互感耦合型开关磁阻电机，其特征在于，所述的电机绕组（2）为双层线圈结构的集中绕组。

4.按照权利要求1所述的互感耦合型开关磁阻电机，其特征在于，所述的电机定转子铁心由硅钢片叠压而成，整机不需要永磁体。

5.按照权利要求1所述的互感耦合型开关磁阻电机，其特征在于，所述的电机定子（1）和转子（3）均为凸极结构，且转子（3）为内转子，或者外转子。

6.按照权利要求1所述的互感耦合型开关磁阻电机，其特征在于，所述的电机是旋转电机，或是直线电机或者直线旋转双自由度电机。

7.按照权利要求1所述的互感耦合型开关磁阻电机，其特征在于，所述的电机为径向、轴向、横向磁场结构。

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