一種整距繞組開關磁阻電的製造方法
2023-05-01 00:22:06
一種整距繞組開關磁阻電的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種整距繞組開關磁阻電機，該電機為雙凸極結構，定子和轉子上均設有凸極齒，但定轉子上凸極齒的個數不相等。定子齒上繞有分布式整距繞組線圈，形成多相對稱整距繞組結構，線圈為單層圈邊，即每個定子槽只放置一個定子繞組線圈的圈邊，電機每相繞組的自感大小保持恆定，不隨轉子位置而變化，但是互感大小會隨轉子位置而發生周期性變化，即電機依靠互感變化產生的磁阻轉矩工作。本發明同時介紹了該整距繞組開關磁阻電機的控制方法，其至少需要兩相繞組同時通電。該整距繞組開關磁阻電機結構可以提高電機的材料利用率，增加電機輸出轉矩並降低轉矩脈動。
【專利說明】—種整距繞組開關磁阻電機【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種整距繞組開關磁阻電機。屬於電機製造與控制的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發展，開關磁阻電機逐漸成為一種可以大規模應用的新電機類型，尤其是稀土永磁材料的劇烈價格波動，使不需使用永磁體的開關磁阻電機的應用越來越廣泛。傳統開關磁阻電機為雙凸極結構，定轉子均由普通矽鋼片壓疊製成，轉子上既無永磁體也無繞組，定子上有集中式繞組，其互感不隨轉子位置變化而變化，但是自感會隨轉子位置變化而改變，依據「磁阻最小」原理工作，即依靠自感變化產生的磁阻轉矩驅動轉子。開關磁阻電機具備製造簡單、成本低、結構堅固、容錯性能好、易於散熱、適宜高速運行等優點，在工業驅動、電氣調速、電動汽車、家用電器、紡織機械等領域中已顯示出強大的競爭力與廣闊的應用前景。
[0003]傳統開關磁阻電機定子上若干個凸極齒均勻分布，齒形齒寬完全相同，集中式繞組線圈也均勻分布，即每個定子齒上都套有匝數相同且線徑相同的集中式繞組線圈。一個定子槽被分為兩半，分屬於不同相的兩個線圈圈邊並列排布在同一個定子槽中。多相對稱繞組沿定子圓周均勻分布，若干個線圈根據性能需求串聯或者並聯或者串並混聯組成一相繞組。上述傳統繞組結構的開關磁阻電機採用集中式繞組結構，每個時刻只有部分繞組通電，亦只有部分鐵心直接參與電磁能量轉換，剩餘繞組和鐵心材料被閒置，故材料利用率較低，且採用集中繞組工作的開關磁阻電機轉矩脈動較大，不利於電機驅動系統的平滑穩定工作。
[0004]因此，本發明從解決上述兩個問題出發，在現有常規開關磁阻電機結構基礎之上，提出了一種採用整距繞組結構的新型開關磁阻電機，通過改變繞組結構，進而改變電機的運行方式，提高電機材料利用率，抑制電機轉矩脈動並增大電機輸出轉矩。
【發明內容】
[0005]技術問題:本發明所要解決的技術問題是:提出一種整距繞組開關磁阻電機，該開關磁阻電機依據互感變化產生的磁阻轉矩工作，提高了電機的材料利用率，有利於抑制電機轉矩脈動並增大輸出轉矩，並且該結構適用於任意相數、任意定轉子齒槽配合的開關磁阻電機。
[0006]技術方案:為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是:
[0007]本發明的整距繞組開關磁阻電機，包括定子和轉子，所述的定子上設有偶數個定子齒，且定子齒上繞有整距繞組線圈，該繞組為單層線圈結構，即每個定子槽中只放置有一個線圈圈邊，每個線圈的兩個圈邊跨過一個完整定子極距，每相繞組包括若干個線圈，屬於一相繞組的各個線圈順序串聯或者並聯或者串並混聯構成一相繞組，最終形成多相對稱整距繞組結構，轉子上亦有若干個凸極齒，但沒有繞組和永磁體。
[0008]所述的電機定轉子鐵心由矽鋼片疊壓而成，整機不需要永磁體。[0009]所述的電機定子和轉子均為凸極結構，且轉子為內轉子，或者外轉子。
[0010]所述的電機是旋轉電機，或是直線電機或者直線旋轉雙自由度電機。
[0011]所述的電機是徑向、軸向、或橫向磁場結構。
[0012]所述的整距繞組開關磁阻電機定子鐵心上的凸極齒沿圓周均勻分布，且各個凸極齒的齒形齒寬相同。每個定子槽中均放置有一個線圈圈邊。
[0013]所述的整距繞組開關磁阻電機的繞組自感為一個基本不變的常數，不會隨轉子位置的變化而改變，但是繞組間的互感會隨轉子位置變化而改變，電機依靠互感變化產生的磁阻轉矩工作，而且在相同條件下，該整距繞組開關磁阻電機的互感變化率會明顯大於同樣尺寸的傳統開關磁阻電機的自感變化率，因此，該整距繞組開關磁阻電機的功率密度會明顯增加。
[0014]所述的整距繞組開關磁阻電機結構可以應用於任意相數、任意定轉子齒槽配合的開關磁阻電機(單相2/2結構也可以，即成為單個線圈結構，但此時電機只有一相，不存在互感的概念)。以三相定子12槽/轉子8極開關磁阻電機結構為例，定子上設有12個對稱的凸極齒，相應地形成12個對稱的定子槽，包括第一定子槽、第二定子槽、第三定子槽、第四定子槽、第五定子槽、第六定子槽、第七定子槽、第八定子槽、第九定子槽、第十定子槽、第十一定子槽和第十二定子槽；轉子上設有8個對稱的凸極齒；總共6個分布式整距繞組線圈嵌套在定子齒上，包括第一整距繞組線圈、第二整距繞組線圈、第三整距繞組線圈、第四整距繞組線圈、第五整距繞組線圈和第六整距繞組線圈，其中:第一整距繞組線圈和第四整距繞組線圈徑向相對，第二整距繞組線圈和第五整距繞組線圈徑向相對，第三整距繞組線圈和第六整距繞組線圈徑向相對。每個整距繞組線圈的一個圈邊放置在一個定子槽中，且完整地佔據此定子槽。第一整距繞組線圈的兩個圈邊分別放置於第一定子槽和第四定子槽，第二整距繞組線圈的兩個圈邊分別放置於第二定子槽和第五定子槽，第三整距繞組線圈的兩個圈邊分別放置於第三定子槽和第六定子槽，第四整距繞組線圈的兩個圈邊分別放置於第七定子槽和第十定子槽，第五整距繞組線圈的兩個圈邊分別放置於第八定子槽和第十一定子槽，第六整距繞組線圈的兩個圈邊分別放置於第九定子槽和第十二定子槽，即每個線圈的跨距都等於定子極距，也就是線圈的兩個圈邊跨過的定子齒數等於電機相數。第一整距繞組線圈和第四整距繞組線圈串聯或者並聯組成A相整距繞組，第二整距繞組線圈和第五整距繞組線圈串聯或者並聯組成B相整距繞組，第三整距繞組線圈和第六整距繞組線圈串聯或者並聯組成C相整距繞組。
[0015]有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0016]1.材料利用率大大提高。本發明的電機依靠互感變化產生的磁阻轉矩工作，改善了傳統開關磁阻電機每個時刻只有通電相繞組附近的鐵心參與電磁能量轉換，大量鐵心材料和繞組材料被空閒浪費的缺點，使電機的材料利用率得以提聞。
[0017]2.更小的轉矩脈動和更大的轉矩。本發明的電機採用整距繞組結構，每個時刻至少有兩相繞組同時通電，且電機的互感變化率更大，在互感的上升區和下降區都可以產生轉矩，因此，通過合理的控制方式能夠明顯抑制電機的轉矩脈動，提高電機的輸出轉矩。
[0018]3.適宜高速運行。本發明的電機繞組設置在定子上，轉子上既沒有繞組，也沒有永磁體，轉子轉動慣量小，適宜高速運行。
[0019]4.結構簡單牢靠。本發明的電機中，定子和轉子均由矽鋼片壓制而成。加工簡單，結構牢靠，不需要使用永磁體，材料和製作成本較低。另外，整距繞組線圈為單層繞組，繞組難度較低，且不需槽內相間絕緣。
[0020]5.電機可以採用雙極性供電。本發明的電機依靠互感變化工作，在任意時刻需要至少兩相繞組同時通電，可以採用雙極性通電方式，增大了電機控制器的電流利用效率。
[0021]6.電機控制方式靈活多樣。電機的供電方式有多種，可以採用單極性供電，亦可以採用雙極性方波供電或者雙極性正弦波供電等方式。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是傳統繞組結構的三相定子12槽/轉子8極開關磁阻電機的橫向剖視結構示意圖。
[0023]圖2是本發明實施例採用的三相定子12槽/轉子8極結構的整距繞組開關磁阻電機的橫向剖視結構示意圖。
[0024]圖3是本發明實施例的整距繞組開關磁阻電機的電感波形和幾種典型驅動電流波形，其中圖a、b、c、d分別為單極性120°驅動、雙極性120°驅動、雙極性180°驅動和雙極性正弦波驅動。
[0025]圖4是本發明實施例採用的幾種功率電路拓撲結構，其中圖a、b、c分別為不對稱半橋電路、獨立三相全橋電路、三相六管全橋逆變電路。
[0026]圖中有:定子1，整距繞組2、第一整距繞組線圈2A1、第二整距繞組線圈2C1、第三整距繞組線圈2B1、第四整距繞組線圈2A2、第五整距繞組線圈2C2和第六整距繞組線圈2B2，轉子3。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖，對本發明的技術方案進行詳細的說明。
[0028]本發明的一種整距繞組開關磁阻電機，包括定子1、整距繞組2和轉子3。定子I上設有偶數個定子齒。相鄰定子齒之間形成定子槽，每個定子齒沿定子的徑向都有另一個定子齒與其相對。定子齒上繞有整距繞組線圈2，整距繞組2為單層繞組結構，嵌套於定子I的定子槽中，每個定子槽中只放置有一個線圈圈邊，且一個線圈的兩個圈邊跨過一個定子整極距，即線圈的兩個圈邊跨過的定子凸極齒的個數等於電機的相數。每相繞組由若干個線圈通過串聯或者並聯或者串並混聯組成。
[0029]進一步的，所述的定子I和轉子3均為凸極結構，且轉子3可以為內轉子，或者外轉子。當轉子3為內轉子時，定子I位於轉子3的外側。當轉子3為外轉子時，定子I位於轉子3的內側。轉子3上無繞組和永磁體。
[0030]本發明的整距繞組開關磁阻電機工作機理遵循磁阻最小原理，即磁通總是沿磁阻最小(磁導最大)的路徑閉合。當定子齒和轉子齒中心線不重合時，即磁導不為最大時，磁場就會產生磁拉力，形成磁阻轉矩，使轉子3轉到磁導最大的位置。
[0031]如圖1所示，傳統繞組結構的三相定子12槽/轉子8極開關磁阻電機中，定子上有12個集中繞組線圈，按逆時針方向依次稱為第一集中繞組線圈至第十二集中繞組線圈，其中:第一集中繞組線圈和第七集中繞組線圈徑向相對，第四集中繞組線圈和第十集中繞組線圈徑向相對，上述四個線圈可順序串聯或並聯或串並混聯後組成A相繞組；第三集中繞組線圈和第九集中繞組線圈徑向相對，第六集中繞組線圈和第十二集中繞組線圈徑向相對，上述四個線圈可順序串聯或並聯或串並混聯後組成B相繞組；第二集中繞組線圈和第八集中繞組線圈徑向相對，第五集中繞組線圈和第十一集中繞組線圈徑向相對，上述四個線圈可順序串聯或並聯或串並混聯後組成C相繞組。該傳統開關磁阻電機利用繞組自感的變化產生磁阻轉矩工作，繞組和鐵心利用率都較低，在理想線性條件下，其輸出轉矩公式為:
[0032]
【權利要求】
1.一種整距繞組開關磁阻電機，包括定子(I)和轉子(3)，其特徵在於，所述的定子(I)上設有偶數個定子齒，且定子齒上繞有整距繞組線圈(2)，該繞組為單層線圈結構，即每個定子槽中只放置有一個線圈圈邊，每個線圈的兩個圈邊跨過一個完整定子極距，每相繞組包括若干個線圈，屬於一相繞組的各個線圈順序串聯或者並聯或者串並混聯構成一相繞組，最終形成多相對稱整距繞組結構，轉子(3)上亦有若干個凸極齒，但沒有繞組和永磁體。
2.按照權利要求1所述的整距繞組開關磁阻電機，其特徵在於，所述的電機定轉子鐵心由矽鋼片疊壓而成，整機不需要永磁體。
3.按照權利要求1所述的整距繞組開關磁阻電機，其特徵在於，所述的電機定子(I)和轉子(3)均為凸極結構，且轉子(3)為內轉子，或者外轉子。
4.按照權利要求1所述的整距繞組開關磁阻電機，其特徵在於，所述的電機是旋轉電機，或是直線電機或者直線旋轉雙自由度電機。
5.按照權利要求1所述的整距繞組開關磁阻電機，其特徵在於，所述的電機是徑向、軸向、或橫向磁場結構。
【文檔編號】H02K1/24GK103532264SQ201310416639
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2013年9月12日
【發明者】花為, 華浩, 鹿泉峰, 程明 申請人:東南大學