軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機的製作方法

2024-02-09 20:25:15

專利名稱：軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機的製作方法
技術領域：
本發明屬開關磁阻電機技術領域，特別是涉及一種採用軸向分相，同時具有軸向、 徑向的三維混合磁路，併兼有電動、發電回饋和電磁製動多功能的高效雙凸極變磁阻電機。
背景技術：
電動機所耗電能佔整個電網的60%以上，隨節能減排要求的深入，改善電機功效意義重大，尤其對調速電機控制領域更是如此。電動汽車作為節能減排的交通工具，已得到世界各國廣泛重視，並被公認為節能環保的未來汽車。所包含的任一類電動汽車都需要用電機作為執行機構來驅動車輪行駛。 因此改善電機性能、降低成本，是提高各類電動汽車性價比，促使普及推廣的首要任務之一。鑑於汽車行駛多變工況和節能的要求，特別需要電機能同時兼有電動、發電回饋和電磁製動多項功能。且發電回饋與電磁製動相結合的制動過程，類似於現代轎車中的防抱死制動系統ABS及驅動防滑轉控制ASR的制動過程，即不僅實現了能量回收，更主要還提高了車輛行駛穩定性和轉向操縱性。為此，發明人利用開關磁阻電機的雙凸極結構和獨特的工作原理，先後提出了兩項多功能電機的專利技術。第一項可參考中國專利號為ZL200810062784. 5的發明專利，所公開的兼有電動、 發電回饋和電磁製動功能的可調速旋轉電機。由於電動汽車採用多功能輪轂電機具有傳輸效率最高、響應直接而最快，使得多種汽車性能優化控制易於實現；並採用輪轂電機不僅節省了大量機械部件成本，減輕汽車自重，還能騰出許多有效空間便於汽車結構布局，有利於降低汽車質心與車身高度。但由於輪轂電機受其結構體積限制，對電機的單位體積功率提出了更高要求。鑑於單相開關磁阻式電機具有單位體積功率高，且結構更簡單、堅固可靠，電機與其驅動控制器的綜合成本低等優點。為解決單相開關磁阻電機沒有自啟動功能的最大缺點，提出了在其轉子上增加啟動繞組，利用直流電機原理啟動，而後再按雙凸極變磁阻電機原理運行。參考中國專利號為 ZL 200920196871. X的實用新型專利，所公開的具有啟動繞組的單相開關磁阻式多功能電機。該電機雖然較大地提高了電磁製動效果和其單位體積功率，但單相磁阻電機運行過程中由於存在一定的轉矩死區，增加了轉矩脈動所引起的電機振動和噪聲。也由於轉子的啟動繞組通電時需要，增加了電刷而存在其相應弊端。

發明內容
為能同時兼顧電機驅動、發電回饋和電磁製動多項功能均能高效發揮，充分提高開關磁阻電機的單位體積功率(即提高磁路利用率)，需設法增加產生磁阻轉矩作用的電機定、轉子間的氣隙磁路面積，儘可能縮短磁路以提高磁通量。並克服前述「具有啟動繞組的單相開關磁阻式多功能電機」的轉矩脈動大和存在電刷等缺陷，本發明提供一種軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機，而且同樣具有電機和驅動控制器的綜合成本低、電機堅固可靠、效率高等優點。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機，所述高效磁阻式多功能電機採用軸向分相的變磁阻雙凸極電機，每相同時具有軸向、徑向的三維混合磁路，所述高效磁阻式多功能電機包括定子和轉子，定子和轉子上均布有η個凸極，η為大於5的正整數，每相的定子為具有η個凸極的獨立式定子圓盤結構，定子上安裝有勵磁繞組，每相的轉子由具有η個凸極的左右兩個轉子圓盤和中間的一個具有η個凸極的圓筒構成，所述圓筒的兩端與左右兩個轉子圓盤固定連接，從軸向看，所述轉子圓盤與圓筒的各極的凸極距角和凹槽距角分別一致對齊，各相的定、轉子再以軸向串接而成。本發明中，極距角包括凸極距角和凹槽距角，所述凸極距角為凸極對應的角度，所述凹槽距角為凹槽對應的角度。進一步，各相以軸向串接過程中，左右相鄰兩相之間公用同一個轉子圓盤，各相轉子的凸極距角均一致對齊，各相定子的凸極距角互為錯開(0.5 1.5) θ/rn度，其中，θ為極距角，m為相數。或者是各相以軸向串接過程中，左右相鄰兩相的轉子圓盤之間由非導磁材料隔開，各相轉子的凸極距角均一致對齊，各相定子的凸極距角互為錯開(0. 5 1. 5) θ /m度， 其中，θ為極距角，m為相數。或者是各相以軸向串接過程中，左右相鄰兩相的轉子圓盤之間由非導磁材料隔開，各相轉子的凸極距角互為錯開(0.5 1.5) θ/m度，其中，θ為極距角，m為相數，各相定子的凸極距角均一致對齊。再進一步，所述高效磁阻式多功能電機為輪轂式電機，所述電機為外轉子內定子結構。更進一步，所述高效磁阻式多功能電機為伺服控制電機，所述電機為內轉子外定子結構。本發明的技術構思為通過軸向分相以確保電機的整個圓周僅供一相布局，提高每相均布的凸極齒距角，各相通電勵磁所產生的磁場與其轉子的所有凸極均能起作用，又通過軸向、徑向三維混合磁路來成倍提高產生磁阻轉矩所需的定、轉子間氣隙磁路面積和縮短其磁路(可減少電機鐵耗)，即通過提高磁路利用率和磁通量來提高開關磁阻電機的單位體積功率。定、轉子間起作用的凸極面積增加也使得實現電磁製動將其繞組持續通電時，其定、轉子圓周上的凸極以電磁相吸而重合的各極弧相加後的總極弧邊距得到增加，以提高電磁製動效果，即同時兼顧了電機驅動、發電回饋和電磁製動多項功能均能高效發揮。由於採用多相結構，使電機即可自啟動，又不存在單相磁阻電機運行過程中所存在的轉矩死區，同時通過較多地增加每相的凸極數、改進雙凸極齒形結構和驅動電流波形三項措施來極大地減小轉矩脈動所引起的電機振動和噪聲，分別說明如下增加每相極數即可細分步距角，由於採用軸向分相，每相定子均為一獨立圓盤，整個圓周僅供一相的凸極布局，即可成倍地增加每相的凸極數，各凸極齒在整個圓周均布，繞組通電勵磁時也使整個圓周受力均勻對稱，並且其繞組即可在圓盤槽內以環形線圈繞制， 同相定子的各個凸極均由一個環形線圈勵磁，如此即可較多地增加凸極數。而常規的徑向分相磁阻電機的整個圓周需供各相凸極布局，並在每個凸極上嵌入勵磁線圈，凸極數的增加受到電機圓周弧長的限制，並且繞組兩頭的端部對凸極的勵磁作用甚小，極數增加時也將成倍地增加繞組銅線長度和其銅耗。改進雙凸極齒形結構主要是通過改變定、轉子兩凸極重疊相交時的前、後沿凸極弧形，即適當增大相交時前、後沿氣隙以減小其突變來縮小電機轉矩脈動。因該法會一定程度地減小電機的單位體積功率，所最好能通過實驗來改進。改進驅動電流波形主要是用於低速時的電流斬波控制(CCC)，即通過斬波控制使電流呈階梯波，減小電流突變來縮小電機轉矩脈動，由於開關磁阻電機的轉矩脈動主要在低速運行時較大，而此法受開關頻率的限制，也正好適合於低速控制用。由於採用軸向分相，要求各相的定子或轉子的凸極位置互為錯開相應角度，而電機定、轉子的極數η均可相同，使得某相定子通電勵磁時，該相定子凸極與其轉子的所有凸極均能產生磁阻轉矩。而常規徑向分相的電機定、轉子極數絕對不能相等，通常要求滿足凡 =為轉子凸極數、Ns為定子凸極數、k為正整數)，所以某相定子通電勵磁時，該相定子凸極僅與不到一半的轉子凸極產生磁阻轉矩。又由於本發明具有軸向、徑向三維混合磁路，同時有一個徑向弧面和二個軸向扇形面的定、轉子間的氣隙共同作用，所以產生磁阻轉矩所需的定、轉子間氣隙磁路面積可比常規徑向分相的電機大數倍。作為一種實施例參考說明書附圖，附圖1、2、3、4、5分別為同一種軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機的軸向剖面、徑向AA剖面、徑向BB剖面、徑向CC剖面和徑向DD剖面的結構示意圖，按圖所示為一種外轉子結構的三相開關磁阻式電機。附圖所示的電機極數為η =12，即定、轉子的凸極數和凹槽數均為12。極數的增加有利於減小開關磁阻電機的轉矩波動所引起的噪聲和振動，但在相同脈衝頻率下電機轉速也相應降低。即可根據電機的最高轉速要求和控制電路可執行的最高開關控制頻率，以及定、 轉子凸極齒根部機械強度和製造工藝來儘可能增加電機極數以改善電機的轉矩波動。定、轉子的凸極距與凹槽距按極數η在整個圓周上等分後，還需結合設置各相定子凸極位置互為錯開的角度作相應的合理調整增加凸極距即會減小凹槽距，這有利於提高電磁製動時的制動力矩，但也相應減小單位體積功率，既要根據該兩者關係來權衡；還要確保電機均能較好地正反轉啟動和被制動停止，遵循開關磁阻電機的結構原理(定子凸極距須小於轉子凹槽距)，同時對各相定子凸極位置互為錯開的角度，和定、轉子的凸極距與凹槽距進行合理的微調設置。每相的定子極數和結構形狀均為相同的獨立圓盤，這也簡化製作工藝，而在裝配時需將各相定子的凸極互為錯開相應角度。每相定子的繞組為一個環形線圈，可直接繞制在定子鐵芯外圓的槽內，可極大簡化定子繞組製作工藝，並如前所述可大大節省常規的徑向分相磁阻電機在增加極數時，需成倍增加繞組的銅線長度，即同時降低了電機的銅耗和材料成本。繞組通電後形成軸向與徑向的混合磁通，即通過軸向、徑向三維混合磁路能有效提高產生磁阻轉矩所需的定、轉子間的氣隙磁路面積，並縮短所閉合的磁路來提高其磁通量和減少其鐵耗。因此該三維混合磁路的結構能較大提高同體積的電機功效，並也特別適合於輪轂電機的外轉子內定子結構。每相的轉子由具有相同凸極數的左右兩個圓盤和中間的一個圓筒構成，相鄰兩相間的轉子圓盤為左右兩相互為兼用的公用轉子圓盤，轉子上無需繞組和永磁體，各相的轉子以軸向串接而成，軸向串接的轉子凸極距角均一致對齊。作為圖示的外轉子內定子結構實施例，每相轉子中間的圓筒位於定子圓盤的外圈，圓筒外徑與轉子圓盤的外徑相等，並圓筒的凸極朝向內圈，與定子圓盤外圈的凸極形成徑向氣隙磁路，每相的定子圓盤兩側與其轉子左右兩個圓盤的凸極齒均為繞其圓周均布的扇形，以形成軸向氣隙磁路。本發明的有益效果主要表現在1、電機的單位體積功效高；2、電機製作方便、耗材省；3、控制方式簡單可靠。


圖1是一種軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機的軸向剖面結構示意圖。圖2是圖1的徑向AA剖面結構示意圖。圖3是圖1的徑向BB剖面結構示意圖。圖4是圖1的徑向CC剖面結構示意圖。圖5是圖1的徑向DD剖面結構示意圖。圖6是另一種軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機的軸向剖面結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對其實施例作進一步說明。參照附圖1 圖5，一種軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機，所述高效磁阻式多功能電機為三相變磁阻雙凸極電機，所述三相變磁阻雙凸極電機包括A相定子1、B相定子2、C相定子3和轉子5，A相定子1、B相定子2和C相定子3 的鐵芯外圓槽內分別安裝有勵磁繞組4，轉子5由左、中、右共四個沿圓周均布有扇形凸極的圓盤6和其間的三個沿圓周均布有朝向內的凸極齒的圓筒7以軸向串接而成，所述圓筒的兩端與左右兩個轉子圓盤連接，所述圓筒的外徑與所述轉子圓盤的外徑相等，從軸向看， 所述轉子圓盤與圓筒的各極的凸極距角和凹槽距角分別一致對齊。A相定子1、B相定子2 和C相定子3的三個獨立圓盤的凸極齒角互為錯開合適角度。作為三相磁阻電機的一種實施例，因極數η設為12，定、轉子的極距角即為360/12 =30°，圖示的定子凸極距設為10°，凹槽距即為30-10 = 20° ；轉子凸極距設為16°，凹槽距即為30-16 = 14° ；設置B相定子凸極相對A相定子凸極的位置向順時針方向錯開三分之一極距即為30/3 = 10°，同樣C相定子凸極相對A相定子凸極的位置向逆時針方向錯開 10°。所述高效磁阻式多功能電機為輪轂式電機，所述電機為外轉子內定子結構，所述定子鐵芯與中心軸8緊密固定，Α、B、C三相定子繞組的引線可從中心軸8中間的孔引出。 轉子5的左、中、右四個圓盤6通過四個軸承9以可旋轉方式與中心軸8連接，考慮到電機運行時同時存在軸向、徑向磁力，其軸承需採用向心推力滾動軸承，以減小機械振動。現以附圖1 圖5所示的電機為例來具體說明電機運行在電動驅動、發電回饋和電磁製動各狀態的工作過程。運行時遵循開關磁阻電機的結構原理，需根據轉子凸極相對各相凸極的轉角位置或其繞組電感變化所檢測的數值，來及時控制切換各相開關管的通
6斷。電動驅動工作過程電機驅動時按開關磁阻電機的結構原理，需每當轉子凸極將趨近於某相定子凸極時，即刻接通該相繞組勵磁，所產生磁場力求以磁阻最小途徑閉合，即在磁阻轉矩的作用下，轉子凸極趨向於與該相定子凸極重合的方向旋轉，當轉子凸極即將與該相定子凸極重合前，即刻切斷該相繞組，以免產生電磁製動。啟動時按所要求的旋轉方向，並按電機實際停止位置所檢測到的各相定子凸極相對於轉子凸極的位置關係，來控制某相繞組通電勵磁啟動。如按附圖3、4、5所示的電機所停位置，當要求外轉子向順時針旋轉時，則首先須接通 B相定子2 (參照圖4)的繞組4通電啟動；當要求外轉子向逆時針旋轉時，則首先須接通C 相定子3(參照圖5)的繞組4通電啟動。按前述對各相繞組控制切換原則，當轉子按順時針啟動後，以B — C — A — B順序循環通斷電，電機就按順時針方向連續運轉；而當轉子按逆時針啟動後，以C — B — A — C順序循環通斷電，電機就按逆時針方向連續運轉。同樣為滿足電機有較寬的調速範圍，須在低速時採用電流斬波控制(CCC)以得到恆轉矩調速控制特性；在高速時採用角度位置控制(APC)以實現恆功率調速控制特性。發電回饋工作過程當需要減速停車時，尤其對於電動汽車在降速制動或下坡運行時，可利用其動能慣性來進行發電回饋制動，實現能量回收，以提高續駛裡程。根據開關磁阻電機的電磁轉矩基本表達式可知，當電感L隨著轉角θ的增加而減少(即轉子的凹槽趨向定子繞組凸極) 時，繞組內流過電流則產生負的電磁轉矩，即電磁轉矩為制動性的，電機運行於發電機狀態。通過轉角位置檢測裝置當檢測到外轉子的凹槽即將趨向於某相定子繞組凸極時，即刻接通該相定子繞組電路進行勵磁，定子繞組所產生的磁場將對轉子產生反方向的阻力矩， 而轉子上的動能將轉化成磁能儲存在磁場中，直至轉子的凸極即將趨離該相定子凸極前， 即刻切斷該相繞組開關管，於是儲存在磁場中的磁能將轉化成電能通過續流二極體回饋給蓄電池。如此反覆即能以脈衝形式給蓄電池充電。根據蓄電池充電過程原理分析可知採用適當參數的脈衝充電法，有利於恢復蓄電池極板原來的晶體結構和消除記憶效應，即可提高蓄電池性能和其使用壽命。電磁製動工作過程當電機經上述發電回饋降速後需制動停止時，可按轉角位置檢測，當所測轉子凸極與某相定子凸極重疊時，就接通該相定子繞組並持續保持通電，所產生磁場即使定、轉子各對凸極齒均被電磁力相互吸住。如圖3、4、5所示分別為同時給A相繞組持續通入較大電流，而給B、C兩相繞組持續通入較小電流後，所產生的電磁製動使A相定子1的整個凸極與轉子5的凸極相吸，使B相定子2和C相定子3凸極的部分齒距與轉子5的凸極相吸所保持的位置，如圖所示電機轉子的整個圓周12個凸極齒均被電磁力沿圓周均勻對稱地吸住而制動，因轉子每個凸極距為16度，所以整個轉子圓周的凸極以電磁相吸與定子凸極相重合的總極弧邊距達16 X 12 = 192度。如當電機由於動能慣性較大時，需根據轉角位置檢測信號，採用與發電回饋制動相結合的方法反覆進行，即根據開關磁阻電機的磁阻轉矩方向變化過程，轉子以動能慣性自轉動時，當某相定子凸極趨離轉子凹槽時，即刻接通該相繞組進行發電回饋，隨該相定子凸極趨近轉子凸極時，仍持續逐漸增大繞組電流以實現電磁製動，隨該相定子凸極趨離轉子凸極時，需逐漸減小繞組電流，到該相定子凸極將離開轉子凸極前，即刻切斷該相繞組電流。如此各相繞組根據其轉角位置檢測均按此過程通斷切換電流，直至轉角θ的位置檢測無變化即停止為止。這對於汽車來說，該種電磁製動與發電回饋制動反覆進行的制動過程，類似於現代轎車中的防抱死制動系統ABS及驅動防滑轉控制ASR的制動過程，即可提高車輛行駛穩定性和轉向操縱性。而對於需要精確定位的數控伺服來說，可通過位置檢測反饋控制，經三級降速後， 再通過上述發電回饋與電磁製動相結合的方式即可較好地實現精確定位控制。參照附圖6為另一種軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機，它與附圖1 圖5所述實施例的主要結構區別是各相以軸向串接過程中，左右相鄰兩相的轉子圓盤不被兩相公用，為兩個獨立的轉子圓盤，並且之間由非導磁材料隔開，如圖 6所示由非導磁材料製成的圓盤10將左右相鄰兩相的兩個獨立轉子圓盤6隔開，其餘圖示的各部件編號均與附圖1所示一致。如此使各相的磁路均互為獨立，這有利於需多相同時勵磁的控制，但也增加了電機的軸向尺寸。對該類各相磁路互為獨立的結構，又可以有兩種結構形式各相轉子的凸極距角均一致對齊，各相定子的凸極距角互為錯開(0. 5 1. 5) θ/m度，其中，θ為極距角，m為相數；或各相轉子的凸極距角互為錯開(0.5 1.5)e/m 度，各相定子的凸極距角均一致對齊。對於該類電機運行於電動驅動、發電回饋和電磁製動各狀態的工作原理與前附圖1 圖5所述實施例均類同，並對開關磁阻電機領域的技術人員來說均易推想得到，在此就不必贅述。
權利要求
1.一種軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機，其特徵在於 所述高效磁阻式多功能電機採用軸向分相的變磁阻雙凸極電機，每相同時具有軸向、徑向的三維混合磁路，所述高效磁阻式多功能電機包括定子和轉子，定子和轉子上均布有η個凸極，η為大於5的正整數，每相的定子為具有η個凸極的獨立式定子圓盤結構，定子上安裝有勵磁繞組，每相的轉子由具有η個凸極的左右兩個轉子圓盤和中間的一個具有η個凸極的圓筒構成，所述圓筒的兩端與左右兩個轉子圓盤固定連接，從軸向看，所述轉子圓盤與圓筒的各極的凸極距角和凹槽距角分別一致對齊，各相的定、轉子再以軸向串接而成。
2.如權利要求1所述的軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機，其特徵在於各相以軸向串接過程中，左右相鄰兩相之間公用同一個轉子圓盤，各相轉子的凸極距角均一致對齊，各相定子的凸極距角互為錯開(0.5 1.5) θ/m度，其中，θ為極距角，m為相數。
3.如權利要求1所述的軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機，其特徵在於各相以軸向串接過程中，左右相鄰兩相的轉子圓盤之間由非導磁材料隔開，各相轉子的凸極距角均一致對齊，各相定子的凸極距角互為錯開(0. 5 1. 5) θ /m度， 其中，θ為極距角，m為相數。
4.如權利要求1所述的軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機，其特徵在於各相以軸向串接過程中，左右相鄰兩相的轉子圓盤之間由非導磁材料隔開，各相轉子的凸極距角互為錯開(0.5 1.5) θ/m度，其中，θ為極距角，m為相數，各相定子的凸極距角均一致對齊。
5.如權利要求1 4之一所述的軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機，其特徵在於所述高效磁阻式多功能電機為輪轂式電機，所述電機為外轉子內定子結構。
6.如權利要求1 4之一所述的軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機，其特徵在於所述高效磁阻式多功能電機為伺服控制電機，所述電機為內轉子外定子結構。
全文摘要
一種軸向分相具有軸向、徑向三維混合磁路的高效磁阻式多功能電機，所述高效磁阻式多功能電機採用軸向分相，每相同時具有軸向、徑向的三維混合磁路，所述高效磁阻式多功能電機包括定子和轉子，定子和轉子上均布有n個凸極，n為大於5的正整數，每相的定子為具有n個凸極的獨立式定子圓盤結構，定子上安裝有勵磁繞組；每相的轉子由具有n個凸極的左右兩個轉子圓盤和中間的一個具有n個凸極的圓筒構成，所述圓筒的兩端與左右兩個轉子圓盤固定連接，從軸向看，轉子圓盤與圓筒的各極的凸極距角和凹槽距角分別一致對齊；各相的定、轉子再以軸向串接而成。本發明以提高磁路利用率來極大提高電機的單位體積功效，又有轉矩脈動小、成本低等優點。
文檔編號H02K29/03GK102170215SQ20111010363
公開日2011年8月31日 申請日期2011年4月25日 優先權日2011年4月25日
發明者王貴明, 王金懿, 陳捷雷 申請人:浙江工業大學