CN107769411B - 一种高功率密度的磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高功率密度的磁阻电机,包括转子、转子外壳以及绕组,所述转子设于转子外壳内,所述绕组包括复数个线圈,线圈均绕设在转子外壳上;所述转子包括圆环形转子本体和齿轮组;所述转子外壳为非导磁材料的圆环形结构;所述圆环形转子本体由N个瓦型硅钢弧形块和N个非导磁填充弧形块交替布置并衔接而成;所述齿轮组包括齿圈和齿轮轴,所述齿圈固定在圆环形转子本体的一端面并与所述圆环形转子本体同圆心布置,所述齿轮轴的齿轮端与所述齿圈相互啮合,轴端则通过伸出于转子外壳之外;所述瓦型硅钢弧形块与所述齿圈固定连接后构成单相铁芯。本发明解决现有开关磁阻电机功率密度低的问题,同时这种结构也使得***噪声减小。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种磁阻电机。
【背景技术】
对开关磁阻电机的理论研究和实践证明,该***具有许多显著的优点:电机结构简单、坚固,制造工艺简单,成本低,可工作于极高转速;定子线圈嵌放容易,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。损耗主要产生在定子,电机易于冷却;转子无永磁体,可允许有较高的温升。转矩方向与电流方向无关,从而可最大限度简化功率变换器,降低***成本。功率变换器不会出现直通故障,可靠性高。起动转矩大,低速性能好,无感应电动机在起动时所出现的冲击电流现象。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。在宽广的转速和功率范围内都具有高效率能四象限运行,具有较强的再生制动能力。容错能力强,开关磁阻电机的容错体现在电机某一相损坏,电机照样可以运行。
但是,传统的开关磁阻电机调速***却存在着几个固有的缺点:
电机绕组利用率较低,影响了开关磁阻电机转矩密度和功率密度的提高;由于电机绕组的最大电感较大,而换流常在最大电感区域附近发生,功率开关管在大电感下关断,无疑将影响功率变换器和驱动***运行的可靠性,这一点在大功率电机中尤为突出;电机的转矩脉动和噪声较大;相绕组电流中必须提供激磁分量,输入的能量并非全部转化为机械能输出,因此电机的铜耗较大,影响了***效率的进一步提高。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题,在于提供一种高功率密度的磁阻电机,解决现有开关磁阻电机功率密度低的问题,同时这种结构也使得***噪声减小。
本发明是这样实现的:一种高功率密度的磁阻电机,包括转子、转子外壳以及绕组,所述转子设于转子外壳内,所述绕组包括复数个线圈,线圈均绕设在转子外壳上;其特征在于:所述转子包括圆环形转子本体和非导磁的齿轮组;所述转子外壳为非导磁材料的圆环形结构;
所述圆环形转子本体由N个瓦型硅钢弧形块和N个非导磁填充弧形块交替布置并衔接而成,2≤N≤8,且每个瓦型硅钢弧形块的圆心角相等;
所述齿轮组包括齿圈和齿轮轴,所述齿圈固定在圆环形转子本体的一端面并与所述圆环形转子本体同圆心布置,所述齿轮轴的齿轮端与所述齿圈相互啮合,轴端则通过伸出于转子外壳之外并高于线圈绕线高度;所述瓦型硅钢弧形块与所述齿圈固定连接后构成单相铁芯。
较佳的,N个非导磁填充弧形块的总体积占圆环形转子本体体积的60-80%。
较佳的,所述齿圈为内齿圈或外齿圈,所述齿轮组的齿轮轴为S 个,1≤S≤8,且相对所述内齿圈均匀分布。
较佳的,所述齿轮轴的轴端上设有一铜制轴套,所述转子外壳相对轴端设有圆管凸起,所述轴端则依次通过铜制轴套、圆管凸起伸出于转子外壳之外。
较佳的,所述转子外壳上设有M个径向挡板,所述径向挡板将所述转子外壳平均分隔成M个弧形段,每个弧形段均绕设一线圈, M=k*N,k代表单相铁芯对应的线圈个数,k=3~10。
较佳的,每两个处于中心对称的线圈通过一个桥路连接MCU,以控制通断该两线圈。
较佳的,本发明还包括中心硅钢空心圆柱填充体,该中心硅钢空心圆柱填充体设于所述转子外壳的中心。
较佳的,本发明还包括中空圆柱硅钢外壳,该中空圆柱硅钢外壳围设于所述转子外壳的外圈。
较佳的,所述内齿圈与齿轮轴选用7075合金材料;所述内齿圈与齿轮轴的齿轮模数为1mm;所述内齿圈与齿轮轴齿宽为3.5mm。
本发明的优点在于:
1、本发明的转子包括圆环形转子本体和齿轮组,且所述转子外壳为圆环形结构;所述圆环形转子本体由N个瓦型硅钢弧形块和N 个非导磁填充弧形块交替布置并衔接而成,瓦型硅钢弧形块两端的磁通方向相反,通过非导磁填充弧形块预留出用于磁通走向的空间,避免磁通短路;电机运行时相当于多个线圈相连,即多个绕组线圈共同产生磁场,保证输出力矩的情况下,可以使电机体积减小,增加了电机的功率密度。
2、传统开关磁阻电机产生的电磁力可分解为径向和切向,径向分量使定子铁芯产生的振动变形是其噪声的主要来源。而本发明电机的硅钢外壳是圆环形的不易发生形变;少部分磁通从电机中心硅钢空心圆柱填充体通过,抵消了一部分径向分力,也降低了噪音;稳定状态时,硅钢外壳径向分力主要受力点为N(瓦型硅钢弧形块两端为主要受力点)*2个,多于传统开关磁阻电机两点受力(因其原理),且分布均匀,因而不易发生形变。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明磁阻电机的分解结构示意图;
图2是本发明磁阻电机的外部结构示意图;
图3是本发明磁阻电机的轴向剖视结构示意图;
图4是本发明磁阻电机一实施例的转子示意图;
图5是本发明磁阻电机一实施例绕线后示意图;
图6是本发明磁阻电机的线圈驱动原理框图;
图7是本发明磁阻电机一实施例的线圈通电时序图;
图8是本发明磁阻电机的定子和转子处于稳定状态线圈通电时的理想磁通走向示意图;
图9是本实例电机通过ansoft maxwell仿真得到的稳定状态时的磁通路线图;
图10是图9稳定状态时磁通路线图对转子铁芯一端的局部放大图;
图11是图9稳定状态的磁场顺时针旋转一个线圈所占圆心角度时的磁通路线图。
【具体实施方式】
请参阅图1至图11所示,在下文中,将照附图来详述根据本发明的实施例的磁阻电机,此外,在下列实施例中所述的组件可以被替换为本领域技术人员能易于设想的组件,或者可以被替换为大体上与下列实施例中的那些相同的组件。
主要如图1至图5所示,本发明的高功率密度的磁阻电机,包括转子1、转子外壳2以及绕组3,所述转子1设于转子外壳2内,所述绕组3包括复数个线圈32,线圈32均绕设在转子外壳2上;
所述转1子包括圆环形转子本体11和齿轮组12;所述转子外壳 2为非导磁材料的圆环形结构;转子外壳2可由上下两部分组成,采用非导磁材料可以避免磁通短路。
所述圆环形转子本体11由N个瓦型硅钢弧形块111和N个非导磁填充弧形块112交替布置并衔接而成,2≤N≤8,且每个瓦型硅钢弧形块111的圆心角相等,且N个非导磁填充弧形块111的总体积占圆环形转子本体11体积的60-80%。
所述齿轮组12包括齿圈121、S个齿轮轴122和一铜制轴套123, 1≤S≤8,图中显示的实施中S=3,所述齿圈121可以为内齿圈,也可以为外齿圈,图中以内齿圈为例,所述内齿圈121通过销131固定在圆环形转子本体11的一端面的孔132内并与所述圆环形转子本体11同圆心布置,所述齿轮轴122的齿轮端1221与所述内齿圈121相互啮合,且相对所述内齿圈121均匀分布,轴端1222则通过伸出于转子外壳2之外并高于线圈32绕线高度;且齿轮组12引入的气隙长度占转子长度的10%以下;所述转子外壳2相对轴端1222设有圆管凸起21,所述轴端1222则依次通过铜制轴套123、圆管凸起21伸出于转子外壳之外,方便被驱动,铜制轴套123设于转子1的内侧用以减小转子1与转子外壳2内侧摩擦力。其中,齿轮组12需选用非导磁材料,否则会导致磁通短路。由于内齿圈121与S个齿轮轴122啮合,分担了承受力,内齿圈121的齿宽可以适当减少。这种结构相当于增加了电机轴向气隙(本发明电机中气隙是磁通回路中非导磁材料部分的集合,在这里,轴向的磁通回路会经过齿轮组,且齿轮组是非导磁材料,齿轮组齿宽越大,则磁通回路轴向距离越长,相当于气隙变大),在一定程度上也可降低噪音。
所述瓦型硅钢弧形块111与所诉内齿圈121固定连接后构成单相铁芯。
所述转子外壳2上设有M个径向挡板22,所述径向挡板22将所述转子外壳2平均分隔成M个弧形段,每个弧形段均绕设一线圈32, M个轴向挡板,用于分隔绕组线圈,M=k*N,k代表单相铁芯对应的线圈32个数,k=3~10。图中实施例中,N=2,k=6,M=12,因此绕设了12个线圈32。这是由于,经过仿真分析,铁芯移动1/3时铁芯受力最大,同时转子2与转子外壳2的间距离较远,应留出一个线圈长度用于磁通走向,并且考虑到磁场旋转时对临近铁芯的影响,应再留出一个线圈的距离,所以本实施例每次步进1/4个铁芯长度,选用 12个线圈作为电机绕组,单侧铁芯由4个线圈32覆盖。左右两端磁通方向相反,避免磁通短路。
如图6所示,结构上对称的两个线圈产生磁场总是相反的,即励磁电流的方向总是相反的,则12个线圈需要6个桥路控制通断,每两个处于中心对称的线圈通过一个桥路连接MCU,以控制通断该两线圈,12个线圈中,第1个线圈与第7个线圈对称,其通过H桥1 连接MCU,以此类推。其中,MCU选用低成本的stm8,使用12个 io控制6个H桥。本实施例线圈通电时序图如图7所示,其中每个线圈2/3的时钟周期是工作的。
所述的内齿圈121与齿轮轴122选用7075合金材料制作;所述内齿圈121与齿轮轴122的齿轮模数为1mm;所述内齿圈121与齿轮轴122齿宽为3.5mm。。
本发明还包括中心硅钢空心圆柱填充体5和中空圆柱硅钢外壳 4,该中心硅钢空心圆柱填充体5设于所述转子外壳2的中心,该中空圆柱硅钢外壳4围设于所述转子外壳2的外圈。即绕线后的整体置于硅钢材质的外壳内,其中心也使用硅钢形圆柱体填充,形成闭合磁路。中空圆柱硅钢外壳4全覆盖可以减少电机 漏磁通,提高效率,若电机设计成细长型结构,可以节省轴向外壳,若设计成盘形结构,则可以节省径向外壳以减少成本。
如图8所示,本发明一实例中定子和转子处于稳定状态时绕组线圈通电状态及理想的磁通走向。图中2个瓦型硅钢弧形块111和2个非导磁填充弧形块112组成上述电机转子中的圆环结构,非导磁填充弧形块112是非导磁材料部分,瓦型硅钢弧形块111是硅钢材料部分。转子外壳2上绕设有12个线圈321-3212,此时线圈322-325正向励磁,线圈328-3211反向励磁,即图中左右两端产生磁通方向相反。
若将左边瓦型硅钢弧形块111视为铁芯,其磁场由4个线圈322-325 共同作用产生。由上述计算,输出力矩正比于安匝数的平方,在励磁电流恒定且单个线圈匝数不变时,共同作用的绕组线圈个数增加至原有的2倍,输出力矩变为原有的4倍。单端如左边瓦型硅钢弧形块 111,共同作用的绕组线圈所占总的圆周角度不能大于半个圆周,否则会导致磁通延另半个较短的圆周短路,所以本发明采用了上述两端对称的结构。仿真中,由四个线圈共同产生的磁感应强度高达几个特斯拉,大于同等体积汝铁硼永磁体产生的磁场,其输出力矩也强于永磁体,但并不像永磁体那样受到温度,物理性质,稀土资源等条件的限制。
本发明电机单相与推拉式电磁铁类似,电流经过线圈时,磁能储存在线圈周围的磁场中,若线圈的磁动势Fm=NI,N为线圈匝数,I 为线圈通过的电流,则由此满足的磁通Φ遵循:Fm=NI=ΦRm,Rm是磁通路径的磁阻,在空心线圈中,Rm是常量,Φ与NI的关系是线性的,由此直线围成的面积便是储存的磁能Wm:
式中,B为磁感应强度,H为磁场强度,S为磁路截面积,L为磁路长度,dV为对磁场空间内任一点磁能密度的积分,磁能在运动方向上微分就是铁芯所受电磁力Fp,带入磁阻普通表达式:
上式中,μ0为真空磁导率,μr为相对磁导率,lm是磁路长度, Am是磁路截面积。由于磁阻几乎都在气隙上且磁通两次经过气隙 lm=2g,当铁芯在线圈中心时,面积Am正好是直径为dm,且长度为 1/2ls的圆柱的表面积,其中,dm是铁芯直径,ls是铁芯长度,并考虑空气的μr=1,g为气隙长度,计算电机输出电磁力FP得:
式中,dx为沿中轴线上的运动距离x微分,相当于ls成为变量,求微分,另外,需要说明的是:上述电磁力FP的公式是对推拉式电磁铁拉力的近似计算式,本发明电机输出力矩与上式类似,由于是环形计算更为复杂,列举上式只为说明输出转矩与线圈安匝数的平方成正比。
由此可见电机输出转矩与线圈安匝数NI的平方成正比,本发明电机运行时相当于多个线圈相连,即由多个线圈共同产生磁场,保证输出力矩的情况下,可以使电机体积减小,增加了电机的功率密度。
如图9所示,是本实例电机通过ansoft maxwell仿真得到的稳定状态时的磁通路线图,由图像可以看出,磁通路从转子铁芯,经过此时未通电的绕组,再通过硅钢的外壳,最后回归到转子铁芯,有少部分磁通路通过电机中心的硅钢圆柱。同时有部分磁通路未同时经过电机定子,转子铁芯两端,为电机的漏磁通,其主要分布在硅钢外壳与绕组线圈中间。图10是仿真得到的稳定状态时的磁通路线图的局部放大,由此图像可看出漏磁通较少,对***整体影响不大。
图11是图9所述稳定状态的磁场顺时针旋转一个线圈的角度时的磁通路线图,由于磁场的旋转,则有部分转子铁芯上没有励磁绕组,导致整体磁通路的磁场强度降低,从幅值上看,旋转后瞬间的磁场占稳定状态下磁场的85%,考虑到绕组的电感效应,实际磁通的变化应更为平滑,则对电机转动时转矩脉动有一定抑制能力。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式,但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解,我们所描述的具体的实施例只是说明性的,而不是用于对本发明的范围的限定,熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化,都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (9)
1.一种高功率密度的磁阻电机,包括转子、转子外壳以及绕组,所述转子设于转子外壳内,所述绕组包括复数个线圈,线圈均绕设在转子外壳上;其特征在于:所述转子包括圆环形转子本体和非导磁的齿轮组;所述转子外壳为非导磁材料的圆环形结构;
所述圆环形转子本体由N个瓦型硅钢弧形块和N个非导磁填充弧形块交替布置并衔接而成,2≤N≤8,且每个瓦型硅钢弧形块的圆心角相等;
所述齿轮组包括齿圈和齿轮轴,所述齿圈固定在圆环形转子本体的一端面并与所述圆环形转子本体同圆心布置,所述齿轮轴的齿轮端与所述齿圈相互啮合,轴端则通过伸出于转子外壳之外并高于线圈绕线高度;
所述瓦型硅钢弧形块与所述齿圈固定连接后构成单相铁芯。
2.如权利要求1所述的一种高功率密度的磁阻电机,其特征在于:所述N个瓦型硅钢弧形块的总体积占圆环形转子本体体积的60-80%。
3.如权利要求1所述的一种高功率密度的磁阻电机,其特征在于:所述齿圈为内齿圈或外齿圈,所述齿轮组的齿轮轴为S个,1≤S≤8,且相对所述齿圈均匀分布。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种高功率密度的磁阻电机,其特征在于:所述齿轮轴的轴端上设有一铜制轴套,所述转子外壳相对轴端设有圆管凸起,所述轴端则依次通过铜制轴套、圆管凸起伸出于转子外壳之外。
5.如权利要求1所述的一种高功率密度的磁阻电机,其特征在于:所述转子外壳上设有M个径向挡板,所述径向挡板将所述转子外壳平均分隔成M个弧形段,每个弧形段均绕设一线圈,M=k*N,k代表单相铁芯对应的线圈个数,k=3~10。
6.如权利要求1所述的一种高功率密度的磁阻电机,其特征在于:每两个处于中心对称的线圈通过一个桥路连接MCU,以控制通断该两线圈。
7.如权利要求1所述的一种高功率密度的磁阻电机,其特征在于:还包括中心硅钢空心圆柱填充体,该中心硅钢空心圆柱填充体设于所述转子外壳的中心。
8.如权利要求1所述的一种高功率密度的磁阻电机,其特征在于:还包括中空圆柱硅钢外壳,该中空圆柱硅钢外壳围设于所述转子外壳的外圈。
9.如权利要求1所述的一种高功率密度的磁阻电机,其特征在于:
所述齿圈与齿轮轴选用7075合金材料;
所述齿圈与齿轮轴的齿轮模数为1mm;
所述齿圈与齿轮轴齿宽为3.5mm。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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