CN104795952A - 开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开关磁阻电机，包括定子和转子，所述定子包括外定子和内定子，所述外定子的齿部和所述内定子的齿部均绕设有线圈，所述外定子的线圈与所述内定子的线圈相互独立，所述转子设置在所述内定子和所述外定子之间，所述转子包括内层凸极齿和外层凸极齿；所述外层凸极齿与所述外定子的齿部相互作用，所述内层凸极齿与所述内定子的齿部相互作用。本发明的开关磁阻电机，通过外定子上的线圈和内定子上的线圈的独立连接、独立控制，提高了电机转矩的最小值，从而在不牺牲电机效率的前提下，将电机的转矩脉动降低了30%以上。同时，加强了电机控制的灵活性，提升了电机的功率密度。

Description

开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种开关磁阻电机。

背景技术

开关磁阻电机由于其结构简单，电机可靠性好，启动性能优良，综合效率高等优点得到了较为广泛的研究。但开关磁阻电机的转矩脉动大、径向磁拉力大造成的电机径向和切向力周期性变化幅值过大，产生激振力，作用在定子的轭部，使其振动并作用于附近空气，产生声波及噪音。

现有降低转矩脉动的手段主要有以下几种：

1、结构方面采用变气隙结构，使得定子齿部和转子齿部在接近过程中，气隙由大到小，有过渡阶段，使得其转矩脉动峰值减小。或者在转子齿顶部开V形槽等结构。但在气隙渐变的过程中，或者采用齿顶开槽的结构，使得其平均气隙增加，故而，产生相同磁能所需要的电流增加，电机整体效率降低。

2、采用双定子结构，定子错开一定的角度。其中，绕组同时关断或者导通，然而，内外定子和转子的角度关系是错开的，当外定子和转子外凸齿为最佳导通时刻时，内定子和转子内层凸齿必然不是最佳导通时刻，故而不是最优的降低转矩脉动的方式。

3、添加永磁体，在基于永磁体提供的磁通基础上，来降低转矩脉动。由于永磁体工作环境不能过于恶劣，因此，永磁体的添加使得开关磁阻电机的应用的鲁棒性得到了大大的降低。

4、采用双定子或者双转子结构，其轴向分为两端定子，且错开一定的角度。但由于电机端部的存在，两段定子间必然存在较大的距离，电机体积增加，电机功率密度下降。

发明内容

鉴于现有技术的现状，本发明的目的在于提供一种开关磁阻电机，在不牺牲电机效率的前提下，有效地降低了电机的转矩脉动。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种开关磁阻电机，包括定子和转子；

所述定子包括外定子和内定子，所述外定子的齿部和所述内定子的齿部均绕设有线圈，所述外定子的线圈与所述内定子的线圈相互独立；

所述转子设置在所述内定子和所述外定子之间，所述转子包括内层凸极齿和外层凸极齿；所述外层凸极齿与所述外定子的齿部相互作用，所述内层凸极齿与所述内定子的齿部相互作用。

在其中一个实施例中，所述外层凸极齿和所述内层凸极齿沿所述开关磁阻电机的径向向相反的方向凸出；

所述外定子的齿部和所述内定子的齿部沿所述开关磁阻电机的径向向相反的方向凸出。

在其中一个实施例中，所述外层凸极齿和所述内层凸极齿的数量相同且均为多个；

多个所述外层凸极齿均匀分布或离散分布在所述转子的外周，多个所述内层凸极齿均匀分布或离散分布在所述转子的内周。

在其中一个实施例中，所述外定子的齿部和所述内定子的齿部的数量相同且均为多个；

多个所述外定子的齿部均匀分布或离散分布在所述外定子的内周，多个所述内定子的齿部均匀分布或离散分布在所述内定子的外周。

在其中一个实施例中，所述开关磁阻电机的结构尺寸具有以下关系：

α-β=kτr， $\frac{2}{3}\mathrm{\τr}+\frac{1}{2}{\mathrm{\τr}}^{\′}\≥\frac{2\mathrm{\π}}{m{N}_r};$

其中，

k取0.5-0.7；

N_r为所述转子的外层凸极齿/内层凸极齿的数量，m为线圈的相数；

α为所述外层凸极齿和所述内层凸极齿对应的中心线之间的角度；

β为所述内定子的齿部和所述外定子的齿部对应的中心线之间的角度；

τr为所述外层凸极齿的极弧，τr′为所述内层凸极齿的极弧。

在其中一个实施例中，所述开关磁阻电机为6槽4极、12槽8极、24槽16极或24槽18极。

在其中一个实施例中，所述外定子固定在所述开关磁阻电机的壳体上，所述内定子与所述开关磁阻电机的静止轴固定连接，所述开关磁阻电机的静止轴与所述开关磁阻电机的壳体固定；

所述外定子、所述内定子和所述转子同心。

本发明的有益效果是：

本发明的开关磁阻电机，通过外定子上的线圈和内定子上的线圈的独立连接、独立控制，提高了电机转矩的最小值，从而在不牺牲电机效率的前提下，将电机的转矩脉动降低了30%以上。同时，加强了电机控制的灵活性，提升了电机的功率密度。

附图说明

图1为本发明的开关磁阻电机一实施例的剖视图；

图2为图1中的开关磁阻电机在角度1的剖视图；

图3为图1中的开关磁阻电机在角度2的剖视图；

图4为图1中的开关磁阻电机在角度3的剖视图；

图5为图1中的开关磁阻电机转矩输出曲线图；

图6为本发明的开关磁阻电机的角度关系标示图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚，以下结合附图，对本发明的开关磁阻电机作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明并不用于限定本发明。

参见图1至图6，如图1所示，本发明的开关磁阻电机包括定子和转子。其中，定子包括外定子10和内定子20，外定子10固定在开关磁阻电机的壳体上，内定子20与开关磁阻电机的静止轴固定连接，开关磁阻电机的静止轴与该开关磁阻电机的壳体固定连接，因此外定子10与内定子20均静止不动。外定子的齿部11和内定子的齿部21上绕设有线圈9。

优选地，外定子上的线圈与内定子上的线圈相互独立，即外定子上的线圈与内定子上的线圈独立连线、独立控制。其中，外定子的各相线圈以A，B，C进行表示（图中仅标注出一对极，其余线圈按此圆周循环），各相线圈之间串联或并联。内定子的各相线圈以a，b，c进行表示（图中仅标注出一对极，其余按此圆周循环），各相线圈之间串联或并联。

转子设置在内定子20和外定子10之间，优选地，转子、外定子和内定子同心。当外定子上的线圈通电后，外定子形成的磁场驱动转子的转动；当内定子上的线圈通电后，内定子形成的磁场驱动转子的转动。在本实施例中，转子包括两层凸极齿，分别为外层凸极齿31和内层凸极齿32。内层凸极齿32与内定子的齿部21相互作用，外层凸极齿31与外定子的齿部11相互作用。

通过外定子上的线圈和内定子上的线圈的独立连接、独立控制，提高了电机转矩的最小值，从而在不牺牲电机效率的前提下，将电机的转矩脉动降低了30%以上。

作为一种可实施方式，外层凸极齿31和内层凸极齿32的数量相同且均为多个。多个外层凸极齿均匀分布或离散分布在转子的外周，多个内层凸极齿均匀分布或离散分布在转子的内周。且外层凸极齿31和内层凸极齿32沿该开关磁阻电机的径向向相反的方向凸出，即外层凸极齿向背离开关磁阻电机的静止轴的方向凸出，内层凸极齿向开关磁阻电机的静止轴的方向凸出。

较优地，外定子的齿部11和内定子的齿部21的数量相同且均为多个。多个外定子的齿部11均匀分布或离散分布在外定子的内周，外定子的外周为圆弧面。多个内定子的齿部21均匀分布或离散分布在内定子的外周，内定子的内周为圆弧面。在本实施例中，外定子的齿部11和内定子的齿部21沿该开关磁阻电机的径向向相反的方向凸出。这样使得在转子转动的过程中，外定子的齿部与转子的外层凸极齿相互作用，内定子的齿部与转子的内层凸极齿相互作用。

优选地，该开关磁阻电机可以为6槽4极、12槽8极、24槽16极或24槽18极。在本实施例中，该开关磁阻电机为12槽8极。应当清楚的是，12槽是指外定子/内定子上的相邻齿部的间隔为12个，8极是指转子上的内层凸极齿/外层凸极齿的数量为8个。如图1所示，为了表述方便，多个外层凸极齿31分别以1、2、3、……8表示，多个内层凸极齿分32分别以1’、2’、3’、……8’表示。

本发明的开关磁阻电机的运行原理如下：

当定子和转子的相对位置如图2所示时，控制外定子的A相线圈导通，转子的外层凸极齿1和外定子的A相线圈所在的齿部互作用，转子受磁阻拉力作用开始沿逆时针转动。

当定子和转子的相对位置如图3所示时，此时控制内定子的a相线圈导通，转子的内层凸极齿1’和内定子的a相线圈所在的齿部开始相互作用，转子在磁阻拉力的作用下，继续沿逆时针方向转动。此时，外定子的A相线圈开始关断，外定子的B相线圈开始导通。

传统开关磁阻电机在换向的过程中，由于A相线圈关断，B相线圈处于初始导通状态，B相线圈的电流尚未达到稳定，造成了转矩下降过多。而本发明的开关磁阻电机在换向的过程中，由于具有内层凸极齿1’和内定子的a相线圈所在的齿部的相互作用，使得电机的最小转矩得以提升，降低了转矩脉动。

当定子和转子的相对位置如图4所示时，控制内定子的a相线圈关断，此时，外定子的B相线圈的电流达到稳定值，外定子的B相线圈所在的齿部与转子的外层凸极齿2相互作用，产生磁拉力以输出转矩，使得转子继续沿逆时针方向转动。

如重复图2至图4所示的位置，使得各相按照A-a-B-b-C-c的导通顺序导通，理论上，可以产生平滑的转矩曲线。相比于传统的开关磁阻电机，本发明的开关磁阻电机在各相换向时，中间加入了转子的内层凸极齿和内定子的相互作用，弥补转子外层凸极齿同外定子由于换向过程中所造成的转矩脉动。

如图5所示为上述开关磁阻电机转矩输出示意曲线图，虚线部分为原开关磁阻电机转矩输出示意图，该开关磁阻电机的转矩最小值得以提升，降低了转矩脉动。

为了能够更好的按照以上所述步骤使得该开关磁阻电机转矩脉动降低至最低，如图6所示，假定转子为逆时针转动，其角度描述如下：

1、外层凸极齿和内层凸极齿对应的中心线之间的角度为α（图中标示为外层凸极齿1和内层凸极齿1’之间的角度）；优选地，α为56°。

2、内定子的齿部和外定子的齿部对应的中心线之间的角度为β（图中标示为外定子A相线圈所在的齿部和内定子a相线圈所在的齿部之间的角度）；优选地，β为49°。

3、外层凸极齿的极弧为τr，内层凸极齿的极弧为τr′。优选地，τr为18°，τr′为17°。

该开关磁阻电机的结构尺寸应当具有以下关系：

（1）α-β=kτr，其中k取0.5-0.7；

（2）其中N_r为外层凸极齿/内层凸极齿的数量，m为线圈的相数。

本发明的开关磁阻电机，通过外定子上的线圈和内定子上的线圈的独立连接、独立控制，提高了电机转矩的最小值，从而在不牺牲电机效率的前提下，将电机的转矩脉动降低了30%以上。同时，加强了电机控制的灵活性，提升了电机的功率密度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种开关磁阻电机，包括定子和转子，其特征在于：

所述定子包括外定子和内定子，所述外定子的齿部和所述内定子的齿部均绕设有线圈，所述外定子的线圈与所述内定子的线圈相互独立；

所述转子设置在所述内定子和所述外定子之间，所述转子包括内层凸极齿和外层凸极齿；所述外层凸极齿与所述外定子的齿部相互作用，所述内层凸极齿与所述内定子的齿部相互作用。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机，其特征在于：

所述外层凸极齿和所述内层凸极齿沿所述开关磁阻电机的径向向相反的方向凸出；

所述外定子的齿部和所述内定子的齿部沿所述开关磁阻电机的径向向相反的方向凸出。

3.根据权利要求2所述的开关磁阻电机，其特征在于：

所述外层凸极齿和所述内层凸极齿的数量相同且均为多个；

多个所述外层凸极齿均匀分布或离散分布在所述转子的外周，多个所述内层凸极齿均匀分布或离散分布在所述转子的内周。

4.根据权利要求2所述的开关磁阻电机，其特征在于：

所述外定子的齿部和所述内定子的齿部的数量相同且均为多个；

多个所述外定子的齿部均匀分布或离散分布在所述外定子的内周，多个所述内定子的齿部均匀分布或离散分布在所述内定子的外周。

5.根据权利要求1-4任一项所述的开关磁阻电机，其特征在于：

所述开关磁阻电机的结构尺寸具有以下关系：

α-β=kτr， $\frac{2}{3}\mathrm{\τr}+\frac{1}{2}\mathrm{\τ}{r}^{\′}\≥\frac{2\mathrm{\π}}{m{N}_r};$

其中，

k取0.5-0.7；

N_r为所述转子的外层凸极齿/内层凸极齿的数量，m为线圈的相数；

α为所述外层凸极齿和所述内层凸极齿对应的中心线之间的角度；

β为所述内定子的齿部和所述外定子的齿部对应的中心线之间的角度；

τr为所述外层凸极齿的极弧，τr′为所述内层凸极齿的极弧。

6.根据权利要求5所述的开关磁阻电机，其特征在于：

所述开关磁阻电机为6槽4极、12槽8极、24槽16极或24槽18极。

7.根据权利要求5所述的开关磁阻电机，其特征在于：

所述外定子固定在所述开关磁阻电机的壳体上，所述内定子与所述开关磁阻电机的静止轴固定连接，所述开关磁阻电机的静止轴与所述开关磁阻电机的壳体固定；

所述外定子、所述内定子和所述转子同心。