CN1783670A - 改变磁阻电机漏磁的方法及其齿槽偏磁式磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改变磁阻电机漏磁的方法及其齿槽偏磁式磁阻电机，其特征是始终处于励磁绕组主磁路单向磁通的齿槽中放置充磁极性与磁通方向线性对应的永磁体，永磁体在定子和转子齿、槽对齐时可改变漏磁量。齿槽中的永磁体充磁极性可选择与主磁路励磁通方向相同或者相反，达到增加漏磁通量或者减少、或者成负向漏磁通。因此齿槽永磁体的正、反向磁场也即正、反向偏磁能有效增、减漏磁通变化量，改善电机力矩密度、功率密度，或产生弱磁效果，提高调速范围，改变磁阻电机的性能，大幅提高其性价比。

Description

改变磁阻电机漏磁的方法及其齿槽偏磁式磁阻电机
技术领域：
本发明属于机电领域，特别涉及一种可改变磁阻电机漏磁的方法及其齿槽偏磁式磁阻电机。
背景技术：
磁阻电机与普通电机结构基本相同，也包括有定子、转子和外壳，而区别在于磁阻电机的转子通常是不带磁的，利用安装在定子磁极上的激励绕组产生磁场，对转子产生吸力，驱动转子转动。因为转子不带磁，被动地被定子磁场作用，因此定、转子间，只能产生拉力而不产生斥力，既然是单纯磁拉力，便仅有大、小的量差，而没有正、负的区别，漏磁便成为难免。相比之下，无刷直流电机定、转子间的相互作用既有拉力，又有推力，正、反向导通的驱动电流对转子的作用是对称的，因而有较好的过渡磁场变化曲线，而定、转子间漏磁很少。磁阻电机的漏磁问题，长期以来都未找到有效的解决办法，致使磁阻电机的功率密度难以提高。
开关磁阻电机通过提高设计转速，降低转子齿数的办法来减少漏磁，仅适用于高速，限制了其应用场合。从电磁场理论可推导出：电机单位体积力矩，在其它条件不变的情况下，与磁通变化量成正比，与电机步距角成反比。由于漏磁原因，转子齿数大于一定数量后，随着转子齿数的增加，其漏磁也成倍增长，致使磁通幅值的减少量与步距角的减少量相当，输出力矩不能随齿数的增加而增加。
主磁路偏磁式磁阻电机在定子上下功夫，把驱动电流中的直流成份从中剥离，有效地降低了视在驱动功率，降低了驱动电路成本并使之与其它电机驱动电路相兼容，减少谐波与脉振成份，给磁阻电机的广泛应用创造了一个有利条件。按激励绕组的接法与磁路结构不同，偏磁式磁阻电机又可分为：星角连接偏磁式磁阻电机、极偶反接偏磁式磁阻电机、外磁路偏磁式磁阻电机、(叉指)永磁偏磁式磁阻电机等种类。但漏磁问题依然存在，并没得到改善。
当然漏磁有时也可以利用，如果漏磁方向与量值可控的话，作为电动机：启动时希望有较大的负漏磁，导致磁通变化量倍增，反电动势大，输出转矩大，力矩波动小；高速运转时，希望有较大的正漏磁，以降低反电动势，产生类似弱磁调速效果。作为发电机用时，改变漏磁的方向与量值时，可调节输出电压。如何改变或者调节电机的漏磁量即成为当今的主要研究课题。
发明内容：
本发明的目的是发明一种在磁阻电机齿槽中嵌设永磁体来改变漏磁量的方法及提供齿槽偏磁式磁阻电机。
本发明技术方案是这样实现的：一种改变磁阻电机漏磁的方法，其特征是始终处于励磁绕组主磁路单向磁通的齿槽中放置充磁极性与磁通方向线性对应的永磁体，永磁体在定子和转子齿、槽对齐时可改变漏磁量。
依据上述方法设计的齿槽偏磁式磁阻电机，是由带有励磁绕组的定子、转子和壳体组成，其特征是始终处于主磁路单向励磁磁通方向上的带齿磁极，至少局部齿槽中嵌设有充磁极性方向与主磁路励磁通方向线性对应的永磁磁体。在此结构中永磁体的充磁极性可选择与主磁路励磁通方向相同或者相反，达到增加漏磁通量或者减少、或者成负向漏磁通。在同一台磁组电机中要改变齿槽中永磁体的充磁极性难度大，但可通过改变励磁绕组的电流方向和大小来达到改变或者调节漏磁量。
当永磁体充磁极性与磁阻电机励磁主磁路的磁通方向相反，(因漏磁通方向与励磁通方向相同)齿槽永磁能阻碍漏磁通从齿槽中流过，而且当齿槽永磁体产生的反向偏磁大于一定量值后，还能产生反(负)向漏磁通。由于永磁体所处位置特殊：定、转子齿-槽相对位置时，对流过的漏磁通作用较大；定转子齿-齿相对时，对流过的主磁通副作用较小。因此齿槽永磁体的反向磁场也即齿槽反向偏磁能有效增加磁通变化量，提高电机力矩密度、功率密度。反之，若永磁体极性与主磁路励磁通方向相同时，便能增加漏磁通，使定转、子齿-齿对齐与齿-槽对齐两状态的主磁路励磁通变化量减小，反电动势减小，相当于直流电机的弱磁状态。通过改变主磁路的励磁方向，可以调节齿槽永磁体正、反向偏磁的效果，因此正、反向齿槽偏磁电机的结构基本上是一样的。
本发明方法独特，设计的磁阻电机具有结构合理，利用部分齿槽中嵌设入偏磁永磁体，达到改变或消除磁阻电机漏磁的目的，大大提高磁阻电机的性能及单位体积力矩，大幅提高其性价比。
附图说明：
下面结合具体图例对本发明做进一步说明：
图1星角连接偏磁式磁阻电机加齿槽偏磁剖面图
图2极偶反接偏磁式磁阻电机加齿槽偏磁剖面图
图3混合磁路步进电机加齿槽偏磁剖面图
图4外磁路偏磁式磁阻电机加齿槽偏磁剖面图
图5大步距角感应子电机加齿槽偏磁剖面图
图6(叉指)永磁偏磁式磁阻电机加齿槽偏磁剖面图
图7单纯齿槽偏磁式磁阻电机一剖面图
图8单纯齿槽偏磁式磁阻电机二剖面图
其中
1-定子        11-磁极         12-齿槽        2-转子
3-壳体        4-永磁体        5-主永磁体
具体实施方式：
以下通过具体实例主要描述在磁阻电机中如何实施齿槽偏磁技术的方案。
永磁体嵌设于齿槽中，可根据磁阻电机的具体种类选择嵌设于定子齿槽之中或者转子齿槽之中。所述的永磁磁体嵌设在定子磁极的齿槽中，其磁极性排列与该磁极的励磁磁通方向相反或者相同。此种方案适用于所有磁阻电机结构。
所述的永磁磁体也可嵌设在转子齿槽中，其磁极性排列方向与励磁磁通方向相反或者相同。此种方案仅可适应于对轴向分相磁阻电机或至少一对定子间施加偏磁的磁阻电机(如：多对定子外磁路偏磁式磁阻电机、混合式步进电机、感应子电机等)，在上述电机的转子转动过程中，流过定、转子气隙的合成磁通都是单向脉动磁通，此时永磁体嵌设于转子齿槽中，才能起到产生齿槽反向偏磁，降低漏磁的作用。
实施例一：星角连接偏磁式磁阻电机加齿槽偏磁
参照图1，星角连接偏磁式磁阻电机的机械结构、磁极分布与传统磁阻电机完全一样，包括带有励磁绕组的定子1、转子2和壳体3，图中省略激励绕组(下面所有图例也均省略)，转子2不带磁，利用安装在定子1磁极11上的激励绕组产生磁场，对转子2产生吸力，驱动转子转动，因此各个相邻磁极11的极性各异，根据齿槽反向偏磁原则，可将永磁体4置入定子齿槽12，且置入相邻磁极的永磁体4同样极性各异，如图所示。图中是一种典型的三相二极偏磁式磁阻电机，改变定子励磁电流方向，此例可变成齿槽正向偏磁式磁电机。利用这一方法，作电动机用时，可在低速启动时采用齿槽反偏磁方式获大力矩；高速运行时，采用正偏磁运行，达到弱磁调速效果，提升高速性能。此原理适用于除下列例6外的各例。此例方案也同样适用于普通磁阻电机、开关磁阻电机、叉指偏磁式磁阻电机等。
实施例二：极偶反接偏磁式磁阻电机加齿槽偏磁
参照图2，图示为二相四极极偶反接偏磁式磁阻电机，把极性相同的几个偏磁绕组统一，集中成一对绕组，形成上、下一对大的偏磁极性，为使置入齿槽12的永磁体4与主磁路极性相反，只能将永磁体置入定子，极性如图所示。此例作为发电机用时，只需改变偏磁绕组激磁电流方向和电流大小，可调节发电机电动势大、小，改变输出电压，克服永磁电机无励磁可调的缺陷。此原理同样适用于例一-例五。
实施例三：混合磁路步进电机加齿槽偏磁
参照图3，图中所示的是混合式步进电机其中一段定、转子加齿槽反向偏磁的结构，另一段转子上的极齿恰好落在前一段齿槽投影处，相互错开，前一段定子的激励绕组产生的磁场极性恰好与后一段相反，故而永磁体4可安装在定子1或者转子2的齿槽12中均可，安装在前一段齿槽12中的永磁体4极性与后一段相反。图中所示置入齿槽12的永磁体4极性全部相同，既可选择置入定子，也可选择置入转子。
实绝例四：外磁路偏磁式磁阻电机加齿槽偏磁
外磁路偏磁式磁阻电机有多种结构，图中仅示出其中一种杯形转子结构。虽然此例所用外磁路永磁偏磁电机原主磁路偏磁采用永磁，在此也可改为励磁偏磁，配合齿槽反偏磁，产生更好效果。此例功率密度较高，制造工艺不太难，可用于油、电混合式电动汽车作电动、发电两用电机，运行中随机改变主回路偏磁绕组电流方向、量值，可实现各种最佳运行。图中定子齿槽中的永磁体也可改置到转子齿槽中。
实施例五：大步距角感应子电机加齿槽偏磁
参照图5，感应子电机实际上就是大步距角的混合式步进电机，虽然定子1每极上的齿数已减至一齿，没有合适的齿槽可安置永磁体，但由于每段转子2气隙主磁通方问单一，因此可将永磁体4置入转子齿槽12中。
实施例六：(叉指)永磁偏磁式磁阻电机加齿槽偏磁
参照图6，叉指永磁偏磁式磁阻电机定子中已存在永磁体，为了表达方便称其为主永磁体5。为了避免主永磁体5与齿槽反向偏磁永磁体4间相互去磁，在齿槽12安装的齿槽反向偏磁永磁体4的厚度应比主永磁体较厚，矫顽力较高。以图中A相为例，A磁极11的齿槽永磁体4反向磁通被C相、B相磁极11上的齿旁路，经外转子2流回；a磁极11的齿槽永磁体4反向磁通，通过转子2、气隙被b、c磁极上的齿旁路。齿槽永磁体4虽具有较强的磁动势，但分别被其它磁极上的齿所旁路后，剩下的反向磁压降便不足以将定子1磁极的正向偏磁的主永磁体5去磁。此原理同样适用于混合(感应子)式永磁电机与外磁路永磁电机及永磁双凸极开关磁阻电机等。
实施例七：单纯齿槽偏磁式磁阻电机一
传统磁阻电机一般都用脉动直流驱动，偏磁电机与混合式步进电机等，用交流驱动，驱动方式与同步电机、异步电机基本相同。齿槽置入永磁体后，传统磁阻电机也可以采用交流驱动，与其它偏磁电机、混合式电机相同。图7所示便是其中一种典型外转子三相四极电机结构，驱动绕组可用直流脉冲驱动，也可用交流驱动。
实施例八：单纯齿槽偏磁式磁阻电机二
图8所示是内转子两相磁阻电机加齿槽永磁体后构成的电机，其中齿槽永磁体全是同一极性，可选择置入定子齿槽或转子齿槽，这样构成的电机也同样既能用直流脉冲也可用交流驱动。图8与图7不同之处在于：定、转子齿差数不同，图7齿差等于每相磁极数；图8齿差等于每相磁极对数。图8每相磁路的对称性比图7好。

Claims (7)

1、一种改变磁阻电机漏磁的方法，其特征是始终处于励磁绕组主磁路单向磁通的齿槽中放置充磁极性与磁通方向线性对应的永磁体，永磁体在定子和转子齿、槽对齐时可改变漏磁量。
2、根据权利要求1所述的改变磁阻电机漏磁的方法，其特征是漏磁量可通过励磁绕组的电流方向和大小来调节。
3、根据权利要求1所述方法设计的齿槽偏磁式磁阻电机，包括带有励磁绕组的定子、转子和壳体，其特征是始终处于励磁绕组主磁路单向磁通方向上的带齿磁极，至少局部齿槽中安装有充磁极性方向与磁通方向线性对应的永磁体。
4、根据权利要求3所述的齿槽偏磁式磁阻电机，其特征是永磁磁体嵌设在定子磁极的齿槽中，其磁通方向与磁极的漏磁通方向相同。
5、根据权利要求3所述的齿槽偏磁式磁阻电机，其特征是永磁磁体嵌设在定子磁极的齿槽中，其磁通方向与磁极的漏磁通方向相反。
6、根据权利要求3所述的齿槽偏磁式磁阻电机，其特征是永磁磁体嵌设在转子齿槽中，其磁通方向与定子漏磁通方向相同。
7、根据权利要求3所述的齿槽偏磁式磁阻电机，其特征是永磁磁体嵌设在转子齿槽中，其磁通方向与定子漏磁通方向相反。
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