CN102497077B - 一种转子无齿槽开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明一种转子无齿槽开关磁阻电机属于机电类的开关磁阻电机领域，特别涉及一种转子无齿槽结构的开关磁阻电机。转子无齿槽开关磁阻电机的定子采用主磁极和辅助磁极组合的磁极结构，转子采用各向异性轴向叠片结构，转子叠成4极结构，定子主磁极为6极，轴向叠片结构包括转轴、非导磁支架、轴向叠片、非导磁填充材料和非导磁紧固环组成。轴向叠片磁极是由高导磁材料硅钢片和非导磁绝缘材料叠片沿轴向交替叠压而成的，本发明采用组合定子磁极和轴向叠片转子使磁路长度大大缩短，可减小开关磁阻电机的铁损耗，并有效地减小开关磁阻电机的转矩脉动；仅主磁极上绕有绕组，嵌放绕组方便，不需考虑相间绝缘问题，槽利用率高。

Description

一种转子无齿槽开关磁阻电机

技术领域

本发明属于机电类的开关磁阻电机领域，特别涉及一种由组合式磁极定子与轴向叠片转子组成的转子无齿槽开关磁阻电机。

背景技术

开关磁阻电动机传动系统是一种机电一体化交流调速系统，具有结构简单、工作可靠、系统控制灵活、调速性能好、运行效率高等诸多优点，它特别适合在恶劣环境和要求超高速的场合下运行，因此广泛应用于煤矿、航空、汽车等领域，功率范围从几瓦到几兆瓦，转速范围从几转到几万转。传统的开关磁阻电动机为双凸极结构，转子上既无绕组也无永磁体，定子上绕有集中绕组，径向相对的磁极上的绕组串联成为一相。开关磁阻电动机可以设计成单相、两相、三相及多相等不同结构，且有每极单齿和每极多齿结构，传统开关磁阻电机的双凸极结构和开关供电导致了它具有一定的缺点：一是定子齿和转子齿交叠前产生的边缘磁通引起电流非线性；二是开关磁阻电机转子上的转矩是由一系列脉冲转矩叠加而成的，合成转矩不是恒定值。这些将导致开关磁阻电机存在固有的转矩脉动，尤其电机低速运行时转矩脉动较大。所以从电机本体上最大限度地减小转矩脉动成为开关磁阻电机领域的重要研究内容。

发明内容

本发明要解决的技术难题是发明一种转子无齿槽的开关磁阻电机，从结构上突破传统开关磁阻电机的双凸极范畴，从特性上改变传统开关磁阻电机转矩脉动的缺陷，从使开关磁阻电机成为一种高性能的伺服驱动系统。

本发明采用的技术方案是一种转子无齿槽开关磁阻电机，转子无齿槽开关磁阻电机的定子采用主磁极和辅助磁极组合的磁极结构，转子采用各向异性轴向叠片结构，转子无齿槽开关磁阻电机的转子叠成4极结构，定子主磁极为6极，定子辅助磁极也为6极，定、转子极数为12/4极，电机为3相；定子铁心1的6个主磁极1-U1、1-U2、1-V1、1-V2、1-W1、1-W2上分别绕有6个绕组2-U1、2-U2、2-V1、2-V2、2-W1、2-W2，为了改善磁路结构特性，有6个辅助磁极1-a1、1-a2、1-a3、1-a4、1-a5、1-a6；U相绕组由在空间径向相对的2个主磁极1-U1、1-U2上的2个绕组2-U1、2-U2串联而成，V相绕组由在空间径向相对的2个主磁极1-V1、1-V2上的2个绕组2-V1、2-V2串联而成，W相绕组由在空间径向相对的2个主磁极1-W1、1-W2上的2个绕组2-W1、2-W2串联而成，从而构成定子U、V、W三相绕组；电机的转子采用各向异性轴向叠片结构，轴向叠片结构包括转轴3、非导磁支架4、轴向叠片5、非导磁填充材料6和非导磁紧固环7组成；轴向叠片5是由高导磁材料硅钢片和非导磁绝缘材料叠片沿轴向交替叠压而成，控制导磁叠层与非导磁叠层的厚度比为10∶1。

设辅助磁极的极弧角为βs2，主磁极极弧角为βs1、单位为度；辅助磁极和主磁极的极弧角关系满足下式条件：

β_s2＝(0.5～0.8)β_s1    (1)

设定子磁极的总极弧角为β_s，则，β_s＝β_s1+β_s2    (2)

转子和定子磁极的总极弧角的关系为β_r＞β_s    (3)

轴向叠片的最大凹槽深h应满足h≥20δ    (4)

式中δ为气隙长度，单位为mm。

本发明具有以下显著效果：

1)采用组合式定子磁极和各向异性轴向叠片转子可有效地减小开关磁阻电机的体积与转矩脉动，并使磁路长度大大缩短，可减小开关磁阻电机的铁损耗。

2)由于定子磁极分为主磁极和辅助磁极，仅主磁极上绕有绕组，故嵌放绕组比较方便，不用考虑相间绝缘问题，槽利用率高。

3)由于转子采用各向异性轴向叠片转子结构，转子的凸极比高，可有效减小电机的体积。

附图说明

图1为转子无齿槽开关磁阻电机的定子结构图，其中，1为定子铁心，1-U1、1-U2、1-V1、1-V2、1-W1、1-W2为6个主磁极，1-a1、1-a2、1-a3、1-a4、1-a5、1-a6为6个辅助磁极，βs1、βs2分别为主磁极和辅助磁极弧所对的圆心角，称为极弧角，单位为度；2-U1、2-U2、2-V1、2-V2、2-W1、2-W2为6个定子绕组。

图2为转子无齿槽开关磁阻电机的转子子结构图，其中，3为转轴，4为非导磁支架、5为轴向叠片磁极，5a为轴向叠片磁极顶部，6为非导磁填充材料，7为非导磁紧固环；βr为转子磁极的极弧角，单位为度，h为转子磁极的凹槽深，单位为m。

图3为U相绕组通电时，无齿槽开关磁阻电机中的主磁极和轴向叠片磁极5的轴向叠片磁极顶部5a在不对齐位置下的磁场分布。

图4为U相绕组通电时，无齿槽开关磁阻电机中的主磁极和轴向叠片磁极5的轴向叠片磁极顶部5a在对齐位置下的磁场分布。

图5为一台200W 3相12/4极转子无齿槽开关磁阻电机的矩角特性曲线，其中，横坐标为转子位置角θ，单位为度，定义定子主磁极1-U1、1-U2与转子轴向叠片磁极5的轴向叠片磁极顶部5a不对齐位置为θ＝0°；纵坐标为电机的电磁转矩T，单位为N·m。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。转子无齿槽开关磁阻电机的定子采用组合磁极结构，转子采用各向异性轴向叠片结构，转子考虑轴向叠片的工艺性，转子叠成4极结构。根据开关磁阻电机的定、转子磁极数的约束关系，定子主磁极选为6极，定子辅助磁极数随之确定，也为6极，因此定、转子极数为12/4极。根据极数与相数的关系，电机为3相。所发明的3相12/4极转子无齿槽开关磁阻电机由定子和转子组成，其定子包括定子铁心1和定子绕组2两部分。定子铁心1具有6个主磁极1-U1、1-U2、1-V1、1-V2、1-W1、1-W2和6个辅助磁极1-a1、1-a2、1-a3、1-a4、1-a5、1-a6；6个主磁极1-U1、1-U2、1-V1、1-V2、1-W1、1-W2上分别绕有6个绕组2-U1、2-U2、2-V1、2-V2、2-W1、2-W2；U相绕组由在空间径向相对的2个主磁极1-U1、1-U2上的2个绕组2-U1、2-U2串联而成，V相绕组由在空间径向相对的2个主磁极1-V1、1-V2上的2个绕组2-V1、2-V2串联而成，W相绕组由在空间径向相对的2个主磁极1-W1、1-W2上的2个绕组2-W1、2-W2串联而成，从而构成U、V、W三相绕组。6个辅助磁极1-a1、1-a2、1-a3、1-a4、1-a5、1-a6上没有绕组，见附图1。如图2所示，转子为各向异性轴向叠片结构，由转轴3、非导磁支架4、轴向叠片5、非导磁填充材料6和非导磁紧固环7组成，其中，βr为转子磁极的极弧角，单位为度；h为转子磁极的凹槽深，单位为m。轴向叠片5是由高导磁材料硅钢片和非导磁绝缘材料叠片沿轴向交替叠压而成的，控制导磁叠层与非导磁叠层的厚度比为10∶1，使所发明的转子无齿槽开关磁阻电机的凸极比与传统双凸极开关磁阻电机的凸极比相近。

如图3所示，无齿槽开关磁阻电机中的主磁极和轴向叠片磁极5的轴向叠片磁极顶部5a在不对齐位置下，使U相绕组通电，U相绕组2-U1产生的磁力线经U相磁极1-U1以及与其相临的辅助磁极1-a1、1-a6和主磁极1-V1、1-W2通过气隙，进入轴向叠片转子，形成闭合回路。U相绕组2-U2产生的磁力线经U相磁极1-U2以及与其相临的辅助磁极1-a3、1-a4和主磁极1-V2、1-W1通过气隙，进入轴向叠片转子，形成闭合回路。磁力线经气隙从定子进入转子时发生扭曲，扭曲磁力线产生的切向力带动转子转动。辅助磁极1-a1、1-a6、1-a3、1-a4使U相通电时的磁力线闭合路径变短；同时，轴向叠片转子磁极经过辅助磁极时，由于轴向叠片转子磁极的各向异性导磁特性，使磁力线发生扭曲，从而使电机产生转矩的区间加大；当电机逆时针旋转时，辅助磁极1-a1和1-a4起作用；当电机顺时针旋转时，辅助磁极1-a3和1-a6起作用；持续使U相绕组通电，电机将旋转到对齐位置，即无齿槽开关磁阻电机中的主磁极和轴向叠片磁极5的轴向叠片磁极顶部5a在对齐位置下，如图4所示。此时，切断U相绕组的电流，给其他相绕组通电，电机继续产生切向电磁力旋转；如此轮流改变各相绕组的通电状态，就使电机连续旋转；如通电顺序为U-V-W-U时，电机逆时针旋转；如通电顺序为U-W-V-U时，电机顺时针旋转。

定子磁极的总极弧角为β_s＝β_s1+β_s2，对于定子为12极的电机，定子极弧角βs取值为

定、转子极弧角的关系为β_r＞β_s，取

β_r≥32°    (6)

为了使电机的磁密合理分布，定子辅助磁极的宽度应等于主磁极的宽度，但从加大产生转矩区域的角度和控制槽满率的角度看，辅助磁极的宽度不能太宽，综合考虑这两方面的因素，应使辅助磁极和主磁极的极弧角满足β_s2＝(0.5～0.8)β_s1，故

β_s1＝16°～20°    (7)

β_s2＝10°～16°    (8)

对于轴向叠片转子，为了保证磁力线合理分布，轴向叠片的最大凹槽深h应满足如下关系

h≥20δ    (9)

式中δ为气隙长度，单位为mm。

所发明的转子无齿槽开关磁阻电机的主要尺寸选取与传统的开关磁阻电机相近，对于额定功率为200W，额定转速为1500r/min的转子无齿槽开关磁阻电机，取定子外径D_s＝120mm，转子外径D_r＝60mm，气隙长度δ＝0.3mm，取定子极弧角分别为β_s1＝20°，β_s2＝10°，β_s＝30°，转子极弧角为β_r＝32°。与采用相同的尺寸的传统6/4极开关磁阻电机相比，其输出转矩相近，见表1。图5为一台200W3相12/4极转子无齿槽开关磁阻电机的矩角特性曲线，从图中的曲线可见，其输出转矩平顶部分加宽，且随位置角变化较小，因此，可以大大减小转矩的脉动。

表1 200W样机对比

采用本发明的轴向叠片转子开关磁阻电机使转矩脉动得到了改善，并极大地提高电机的效率。利用本发明的结构可制成两相、三相、四相或五相等不同相数的转子无齿槽开关磁阻电机。

Claims (1)

1.一种转子无齿槽开关磁阻电机，其特征是，转子无齿槽开关磁阻电机的定子采用主磁极和辅助磁极组合的磁极结构，转子采用各向异性轴向叠片结构，转子无齿槽开关磁阻电机转子叠成4极结构，定子主磁极为6极，定子辅助磁极也为6极，定、转子极数为12/4极，电机为3相；定子铁心（1）的6个主磁极（1-U1、1-U2、1-V1、1-V2、1-W1、1-W2）上分别绕有6个绕组（2-U1、2-U2、2-V1、2-V2、2-W1、2-W2），还有为了改善磁路结构的6个辅助磁极（1-a1、1-a2、1-a3、1-a4、1-a5、1-a6）；U相绕组由在空间径向相对的2个主磁极（1-U1、1-U2）上的2个绕组（2-U1、2-U2）串联而成，V相绕组由在空间径向相对的2个主磁极（1-V1、1-V2）上的2个绕组（2-V1、2-V2）串联而成，W相绕组由在空间径向相对的2个主磁极（1-W1、1-W2）上的2个绕组（2-W1、2-W2）串联而成，从而构成U、V、W三相绕组；电机的转子采用各向异性轴向叠片结构，轴向叠片结构由转轴（3）、非导磁支架（4）、轴向叠片（5）、非导磁填充材料（6）和非导磁紧固环（7）组成；轴向叠片（5）是由高导磁材料硅钢片和非导磁绝缘材料叠片沿轴向交替叠压而成的，控制导磁叠层与非导磁叠层的厚度比为10：1；

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