混合短磁路開關磁阻電機及其轉子結構的製作方法

2023-07-13 00:16:46

專利名稱：混合短磁路開關磁阻電機及其轉子結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電機，尤其涉及一種混合勵磁的短磁路開關磁阻電機及其轉子結構。
背景技術：
開關磁阻電機是一種新型調速電機，調速系統兼具直流、交流兩類調速系統的優點，是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統的最新一代無極調速系統。它的結構簡單堅固，調速範圍寬，調速性能優異，且在整個調速範圍內都具有較高效率，系統可靠性高。通常開關磁阻電機包括一個安裝在機座內的定子和一個相對於定子旋轉的轉子， 定子和轉子上有按照一定間距間隔開的突出磁極，定子和轉子的磁極數以一定的規律相對放置。當轉子試圖旋轉到使磁路磁阻最小化的位置或定子繞組電感最大化的位置時，開關磁阻電機就會有磁阻力並產生轉矩。當定子相對相位繞組通以電流，就會定子磁極內建立磁場，當轉子在這個磁場下旋轉時，由於磁路磁阻的變化，轉子上將產生力，而這個力並不是全部為有效力(對於旋轉式電機，有效力為沿圓周切線方向之力)，這個力分為徑向力和旋轉力(此處以「旋轉力」表示圓周切線方向的力)，在這個力中，只有圓周切線方向的旋轉力用以工作，驅動轉子旋轉， 而徑向力對轉子的工作並沒有貢獻。為提高開關磁阻電機的體積能量比，中國發明專利短磁路混合勵磁開關磁阻電機(專利申請號200510010551. 7)和混合勵磁分塊定、轉子開關磁阻電機(專利申請號201010102M6.X)分別採用混合勵磁磁路的方式，其中在所述專利申請號為 201010102546. X的發明專利中採用分段定子式混合短磁路形式的技術方案來減少磁路損耗，該發明雖利用了短磁路，但是由於線圈安裝在定子軛上，使得漏磁增加，另外，這兩種技術方案雖然採用了短磁路，卻都沒有考慮到對磁路的處理，而且永磁體放置於槽口，存在消磁或者充磁的現象，影響到電磁的使用壽命，進而影響到電機的性能，本質上，和傳統開關磁阻電機的工作方式基本一樣，都具有徑向力和旋轉力之比偏大的問題，而過大的徑向力會造成嚴重的振動與噪聲問題。

實用新型內容本實用新型解決的技術問題是提供一種混合短磁路開關磁阻電機及其轉子結構， 以提高旋轉力、減小徑向力、降低製造成本、提高容錯能力。為解決上述問題，本實用新型採用如下技術方案一種混合短磁路開關磁阻電機，包括有定子部分、轉子部分和勵磁繞組，其中所述定子部分包括多個定子段及放置在各個定子段間的第一永磁體，各個定子段兩側的第一永磁體極性相反；勵磁繞組放置於各個定子段的定子槽中；轉子部分包括轉子體、安裝在轉字體上的多個環形轉子段以及第二永磁體，該第二永磁體放置在環形轉子段與轉子體的安裝部位的開口處，並與環形轉子段軛部形成回字形結構。其中，各個定子段槽口放置有抗磁性材料製成的隔磁塊。其中，定子段可為C型定子段或其他類型的定子段。其中，定子段及環形轉子段均可由軟磁材料製作的薄片疊壓而成。一種混合短磁路開關磁阻電機的轉子結構，其包括轉子體；安裝在該轉字體上的多個環形轉子段以及第二永磁體，該第二永磁體放置在環形轉子段與轉子體的安裝部位的開口處，並與環形轉子段軛部形成回字形結構。其中，環形轉子段可由軟磁材料製作的薄片疊壓而成。與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果本實用新型的混合短磁路開關磁阻電機，其定子部分包括多個定子段及放置在各個定子段間的第一永磁體，各個定子段兩側的第一永磁體極性相反；勵磁繞組放置於各個定子段的定子槽中；其轉子部分包括轉子體、安裝在轉字體上的多個環形轉子段以及第二永磁體，該第二永磁體放置在環形轉子段與轉子體的安裝部位的開口處，並與環形轉子段軛部形成回字形結構，當空載時，定子部分的第一永磁體和轉子部分的第二永磁體產生的磁場分別通過轉子段和定子段形成迴路，不產生工作力；當負載時，勵磁繞組通電，產生磁通，迫使定子部分第一永磁體產生的磁場改道通過轉子形成迴路，磁通通過轉子段時，破壞轉子段上固有的第二永磁體的閉合迴路，一部分與轉子段上的第二永磁體產生的磁通形成閉合迴路，同時產生旋轉力，由於回字形結構的轉子迫使來自定子段組件的磁場沿著轉子圓柱外層通過，增大旋轉力的同時也有利於減小徑向力，且採用回字形結構使得轉子磁路磁阻具有柔性變化的特徵，與傳統轉子相比，其有利於減少扭矩波動和振動，另外，第一永磁體用於定子段組件之間，容易安裝，而且受繞組影響小，漏磁也同時減少，因此擁有更大的能量密度，更小的振動噪聲，而且與現有技術的電機相比，在同等輸出扭矩要求下，本實用新型擁有更高的能量密度，更小的體積。而且方面安裝，製造成本也得到很大降低。

圖1是本實用新型第一具體實施例的8/6開關磁阻電機結構示意圖；圖2A是根據本實用新型第一具體實施例開關磁阻電機採用的標準C型定子段結構示意圖；圖2B是根據本實用新型第一具體實施例開關磁阻電機採用的轉子段結構示意圖；圖3是本實用新型第二具體實施例的8/6開關磁阻電機結構示意圖；圖4是本實用新型第三具體實施例的8/6開關磁阻電機結構示意圖；圖4A是根據本實用新型第三具體實施例開關磁阻電機採用的定子段結構示意圖；圖4B是根據本實用新型第三具體實施例開關磁阻電機採用的轉子段結構示意圖；圖5是本實用新型第四具體實施例的外轉子8/6開關磁阻電機結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型核心在於採用破壞、然後重建的思想，對磁路重新進行布置，與現有技術相同，本實用新型的混合短磁路開關磁阻電機包括有定子部分、轉子部分和勵磁繞組，但關鍵地，本實用新型中定子部分包括多個定子段及放置在各個定子段間的第一永磁體，各個定子段兩側的第一永磁體極性相反；勵磁繞組放置於各個定子段的定子槽中。而轉子部分包括轉子體、安裝在轉字體上的多個環形轉子段以及第二永磁體，該第二永磁體放置在環形轉子段與轉子體的安裝部位的開口處，並與環形轉子段軛部形成類似於「回」字形的結構(下述簡稱為回字形結構)。這樣，當空載時，定子部分的第一永磁體和轉子部分的第二永磁體產生的磁場分別通過轉子段和定子段形成迴路，不產生工作力；而當負載時，勵磁繞組通電，產生磁通，迫使定子部分第一永磁體產生的磁場改道通過轉子形成迴路，磁通通過轉子段時，破壞轉子段上固有的第二永磁體的閉合迴路，一部分與轉子段上的第二永磁體產生的磁通形成閉合迴路，同時產生旋轉力，由於轉子段磁阻實際上是變化的，隨著繞組電流的增加，對於繞組和定子段的永磁體磁場來說，轉子段的磁阻將逐漸變小，使得產生的力矩更加平穩。也同時消除了永磁體對繞組的影響，也避免繞組對永磁體消磁或者充磁的副作用，經久耐用，能夠廣泛應用於電動汽車等電驅動系統，下面以優選實施例進行說明。參考圖1，本實施例為四相標準C型定子8/6結構開關磁阻電機，四相勵磁線圈為 A1-A2，B1-B2, C1-C2，D1-D2，該開關磁阻電機具體包括勵磁繞組1、標準C型定子段2、永磁體3(分為定子部分的第一永磁體及轉子部分的第二永磁體)、極靴極尖4、隔磁塊5、環形轉子段6、機座突出塊7、軸心8及轉子體9。需要說明的，本實施例中轉子部分的永磁體3(即第二永磁體)放置在環形轉子段 6與轉子體9的安裝部位的開口處，並與環形轉子段6軛部形成回字形結構。通過所述的回子形結構可讓通過其上的磁路與轉子圓柱面相切，永磁體3的極性布置參見圖1中標註所示。上述結構使得在轉子靠近定子極靴極尖4時，旋轉力增大，徑向力減少；另外，實驗結果也顯示，轉子段組件的兩側面靠近外表面1/3厚度以上部位對磁力並沒有實際影響，因此，可在其側面開槽固定於轉子體9上，永磁體3放置於C型定子段2之間，由於在C 型定子段2兩邊的永磁體3極性相反而相吸，當線圈不通電即空載時，C型定子段2兩邊的永磁體3及轉子段6上的永磁體3通過定子段軛和轉子段軛構成閉合迴路；當通電即負載時，由於定子段軛磁阻增加，使得定子段兩邊的永磁體磁力線改道通過氣隙、轉子段、氣隙而閉合，同時由於轉子段磁阻增加，轉子段原有的永磁體磁力線閉合迴路遭到破壞，與定子段永磁體磁力線閉合，產生的磁力線通過氣隙而閉合，並與電勵磁磁力線形成並聯。如圖1所示，此時B相與轉子段重合，即將進入下一個循環，於是A相通電，永磁體的極性布置如圖上標註的S、N所示，A相中的A2、A1線匝中的電流方向應垂直圖面向外，即向讀者方向，即一相中的兩繞組電流應並聯，這樣定子軛中的磁阻增加，並與永磁體的磁力線反向，迫使永磁體的磁力線改道通過氣隙和轉子段，在通過轉子段時，一部分與轉子永磁體磁極形成迴路，一部分通過轉子段軛部，再通過氣隙形成迴路。參考圖2A，為本實施例採用的標準C型定子段示意圖。標準C型定子段的開口處往裡凸出的為極靴極尖4 (參考圖1)，其上安裝有非導磁的隔磁塊5 (參考圖1)，以實現固定勵磁繞組並增大定子段開口處磁阻，具體實現時C型定子段可通過安裝機座突出塊7固定於基座上(參考圖1)。參考圖2B，為本實施例採用的一個轉子段示意圖，轉子段軛部由軟磁材料製成的薄片疊壓而成，轉子段的開口處放置有永磁體，永磁體與環形轉子段軛部形成回字形結構， 其中回字的中間部分11為氣隙或者抗磁性材料。參考圖3，該圖是本實用新型第二具體實施例的8/6開關磁阻電機結構示意圖，本實施例中定子段採用標準C型定子段，同樣的，本實施例中轉子部分的永磁體3放置在環形轉子段6與轉子體9的安裝部位的開口處，並與環形轉子段6軛部形成回字形結構。安裝有上述回字形結構的轉子體9處於定子的外部，定子段2之間放置有永磁體 3，其極性如圖中標註S、N所示。轉子部分的永磁體3通過回字型的轉子段軛部形成閉合迴路，轉子軛固定於機座中。其工作原理與圖1第一具體實施例類似，這裡不再贅述。如圖3 所示，此時A(A1-A2)相重合併斷電，B(B1-B2)相導通並開始產生磁阻扭矩，對於定子部分的永磁體3而言，此時定子軛部磁阻增加，當定子軛部的磁阻增加到大於轉子軛部的磁阻時，定子永磁體產生的磁場將經過氣隙、回字形結構轉子段軛形成迴路。當磁場達到一定程度時，回字形結構轉子段上永磁體的閉合磁路被破壞，從而其兩磁極磁場通過氣隙與定子磁場形成閉合迴路。由於此過程是逐步完成，所以能獲得更平穩的扭矩，增大旋轉扭矩的同時，也獲得了更平穩的動力輸出。回字形結構轉子段可通過側面開槽安裝與轉子體上，定子永磁體能很好的固定於C型定子段之間，安裝方便。參考圖4，該圖為本實用新型第三具體實施例的8/6開關磁阻電機結構示意圖，本實施例中定子段採用特殊C型定子段(參考圖4A)，同樣的，轉子部分的永磁體3放置在環形轉子段6與轉子體9的安裝部位的開口處，並與環形轉子段6軛部形成回字形結構(參考圖4B)。環形轉子段6安裝於轉子體9上，環形轉子段組件同樣起著讓磁力線沿轉子圓柱切線方向，產生更高的磁阻旋轉力，更小的振動，本實施例中電機的工作原理及永磁體極性的布置與第一、第二具體實施例類似，這裡不再贅述。參考圖5，該圖是本實用新型第四具體實施例的外轉子8/6開關磁阻電機結構示意圖。本實施例中定子段採用特殊C型定子段，同樣地，轉子部分的永磁體3放置在環形轉子段6與轉子體9的安裝部位的開口處，並與環形轉子段6軛部形成回字形結構，本實施例中電機的工作原理及永磁體極性的布置與前述具體實施例類似，這裡不再贅述。需要說明的，上述實施例中通過提供一個分段標準或特殊C型定子和轉子段與其上的永磁體組成的回字形結構，定子段間放置有永磁體，其目的在於增大電機能量密度的同時，與轉子上的永磁體形成閉合迴路；回字形結構中轉子段由軟磁材料製作的薄片疊壓而成，與轉子體安裝的相應位置有開口，在開口處放置有永磁體，其目的在於迫使從定子段出來的磁場沿著轉子段軛部的外層通過，同時也增加轉子段的磁阻，使得轉子段具有變磁阻的功能(實際中，這種磁阻並不帶來能量的損失)，從而達到提高力矩密度、用於工作的旋轉力增加、同時力矩的波動和徑向力減小的目的，也提高了電機的動態響應能力；定子段開口處放置有抗磁材料的隔磁塊，其目的在於增大定子段開口處的磁阻。對於給定轉矩輸出，該種開關磁阻電機能量密度得到很大改善和/或電機尺寸減小並且有更小的振動；分段定子段組件使得該種電機製造成本降低；同時，短磁路降低了磁路損耗，提高了磁能利用率。轉子體用抗磁材料設計成任何滿足強度要求的結構，可減輕轉子重量，提高電機的動態性能，同時該種電機解決了普遍開關磁阻電機槽滿率低的問題。而永磁體只是在工作時才產生力矩，工作時，與繞組線匝產生的磁場構成並聯的混合勵磁磁場使得電機輸出扭矩增加，能量密度增大，除此，永磁體放置於C型定子段之間和轉子的軛部，方便安裝製造，對繞組線匝的影響也將降低；固定永磁體的機座突出塊有助於減少永磁體磁場的端部損耗。另外，還需要說明的，本實用新型同樣可應用其他形式的開關磁阻電機，例如其他6/4、12/10、12/8等結構應用本實用新型的內外轉子開關磁阻電機實施方式均與以上的 8/6結構開關磁阻電機類似，這裡不再贅述。雖然本實用新型的較佳實施例已揭露如上，本實用新型並不受限於上述實施例， 任何本技術領域內的技術人員，在不脫離本實用新型所揭露的範圍內，當可作些許的改動
與調整。
權利要求1.一種混合短磁路開關磁阻電機，包括有定子部分、轉子部分和勵磁繞組，其特徵在於，所述定子部分包括多個定子段及放置在各個定子段間的第一永磁體，各個定子段兩側的第一永磁體極性相反；勵磁繞組放置於各個定子段的定子槽中；轉子部分包括轉子體、安裝在轉字體上的多個環形轉子段以及第二永磁體，該第二永磁體放置在環形轉子段與轉子體的安裝部位的開口處，並與環形轉子段軛部形成回字形結構。
2.根據權利要求1所述的開關磁阻電機，其特徵在於，各個定子段槽口放置有隔磁塊。
3.根據權利要求1所述的開關磁阻電機，其特徵在於，定子段為C型定子段。
4.根據權利要求1所述的開關磁阻電機，其特徵在於，定子段及環形轉子段均由軟磁材料製作的薄片疊壓而成。
5.一種混合短磁路開關磁阻電機的轉子結構，其特徵在於，包括轉子體；安裝在該轉字體上的多個環形轉子段以及相應的第二永磁體，所述第二永磁體放置在環形轉子段與轉子體的安裝部位的開口處，並與環形轉子段軛部形成回字形結構。
6.根據權利要求5所述的轉子結構，其特徵在於，環形轉子段由軟磁材料製作的薄片疊壓而成。
專利摘要本實用新型公開一種混合短磁路開關磁阻電機及其轉子結構，其中該混合短磁路開關磁阻電機的定子部分包括多個定子段及放置在各個定子段間的第一永磁體，各個定子段兩側的第一永磁體極性相反；勵磁繞組放置於各個定子段的定子槽中；其轉子部分包括轉子體、安裝在轉字體上的多個環形轉子段以及第二永磁體，該第二永磁體放置在環形轉子段與轉子體的安裝部位的開口處，並與環形轉子段軛部形成回字形結構。本實用新型可以增大變磁阻電機旋轉力，提高能量密度，減小振動，在同等輸出扭矩要求下，其尺寸更小。
文檔編號H02K1/17GK201994818SQ20112009109
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月31日 優先權日2011年3月31日
發明者何嘉穎, 周智慶 申請人:周智慶