CN102739000A - 偏心滚动转子变磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种偏心椭圆形、卵形或圆柱形滚动转子变磁阻电机(1)，其由定子(2)、滚动转子(3)及输出曲轴(8)组成，其中该滚动转子变磁阻电机的转子与输出轴轴颈(5-2)同心，而与输出轴主轴(5-1)偏心。定子部分由分段的E型定子段组件(2-1～2-6)沿机座(6)内圆均匀固定安装而成；扭矩输出曲轴(8)，转子(3)可绕曲轴轴颈(8-2)自由转动；由于气隙为梯变结构、径向力做功以及滚动转子更好的集磁能力，从而减小输出扭矩波动、振动与噪声水平以及漏磁，获得更高的效率和扭矩输出；由于转子转动的速度大于曲轴转动的速度，从而实现低速高扭矩输出。

Description

偏心滚动转子变磁阻电机

技术领域

本发明涉及一种电机，尤其涉及一种偏心的滚动转子变磁阻电机，属于变磁阻电机技术领域。

背景技术

变磁阻电机是一种结构简单、成本低，适用于高速运行，并且其各相独立工作，可靠性高，相比其他普遍电机，更有耐高温、易散热以及适于高速运行的优点；然而，由于其结构特点，也存在诸多缺点，比如扭矩波动、振动与噪声水平比一般电机大、铁损过大等。

传统的变磁阻电机包括一个安装在机座内的定子和一个相对于定子旋转的转子，定子和转子上有按照一定间距间隔开的突出磁极，定子和转子的磁极数以一定的规律相对放置。当转子试图旋转到使磁路磁阻最小化或定子绕组电感最大化的位置时，变磁阻电机产生磁阻力并产生转矩对外做功。

由于双凸极的结构，导致传统电机具有扭矩波动、振动和噪声大的缺陷，除此，由于传统电机的定转子双凸极之间产生的力分为径向力和旋转力，而旋转力远小于径向力，径向力对电机工作并没有贡献，并为电机躁动与噪声的来源，因为传统变磁阻电机的能量密度相对较低，并有大的进一步发展的潜力。

关于已有变磁阻电机定转子磁极间力的分布问题Cai，W；Pillay，P；Reichert，K；在文章《Accurate computation of electromagnetic forces in switchedreluctance motors》，Electrical Machines and Systems，2001.ICEMS 2001.Proceedings of the Fifth International Conference，page(s)：1065-1071 vol.2中进行了详细的研究说明，此处，该文作为参考引入。

为了减小已有变磁阻电机输出扭矩波动过大的问题，业界学者及研究人员除了从控制优化视角以获得特殊的激励电流波形达致减少扭矩波动以外，还更多地从优化定转子极结构的视角以减少输出扭矩波动，梯变气隙结构也是其中的优化方向，而Jin Woo Lee，Hong Seok Kim，Byung Kwon，and ByungTaek Kim在文章《New Rotor Shape Design for Minimum Torque Ripple of SRMUsing FEM》IEEE TRANSACTION MAGNETICS VOL.40 NO.2，MARCH 2004page(s)：754-758中对转子极侧面开口进行有效的研究，结果表明同样获得了扭矩波动减少4.4％的效果。该文在此处也一致作为参考引入。

开关磁阻电机的设计和控制原理，这里也不予论述，T.J.E.Miller在专著《Switched Reluctance Motors and Their Control》，Magna Physics publishing andClarendon Press，oxford，1993中对开关磁阻电机进行了论述，该文在此处作为参考引入。

为提高开关磁阻电机的体积能量比，中国发明专利(申请号：200510010551.7)和(申请号：201010102546.X)分别采用混合励磁磁路的方式，其中申请号为201010102546.X的发明专利采用分段定子式混合短磁路形式来减少磁路损耗，但是这两种发明专利都没有考虑对径向力的处理，本质上，和传统开关磁阻电机的工作方式基本一样，都具有径向力和旋转力之比偏大的问题，而过大的径向力造成严重的振动与噪声问题。而中国发明专利(申请号：2006680043128.X)通过优化转子极尖结构以获得梯变气隙以减少传统开关磁阻电机扭矩波动及噪声的影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种偏心的滚动转子变磁阻电机及其转子和曲轴结构，以提高能量密度和效率、减小振动和噪声、提高电机的动态响应能力以及改善电机的使用寿命。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种偏心的滚动转子变磁阻电机，包括有机座、定子部分、转子部分和励磁绕组以及曲轴，其中所述定子部分包括多个沿机座内圆周向均匀安装固定的E型定子段组件，各个定子段之间有或/和没有间隙，E型定子段朝向曲轴的端面为椭圆形、卵形或圆柱形的一部分，这样的多个沿机座内圆周向安装固定的定子段面组成的定子内圆面为椭圆型、卵型或圆柱型；励磁绕组嵌入于各个E型定子段的定子槽中组成定子段组件，当为单偏心转子时，单个定子段组件组成本发明电机的一相。当为两偏心转子时，两个定子段组件组成一相。

机座的两端或端盖中固定有内齿圈。

转子部分两端或内圆柱环体两端或轴颈两端固定有外齿圈，并与机座两端或端盖中的内齿圈保持啮合；当为转子由有内环和外环组成时，内环体内部压装有轴瓦或者轴承。

曲轴部分包括轴颈和主轴，主轴安装于端盖的轴承中，轴颈安装于转子内圆柱环体内，这样转子通过轴承或者轴瓦可绕曲轴轴颈自由转动，形成转子的自转。

当负载时，励磁绕组通电，产生磁通，迫使转子绕曲轴轴颈转动，由于转子与定子内圆面之间受到摩擦或者齿轮的约束而没有滑动，这样转子转动的过程中，驱动曲轴轴颈往相反方向转动，从而输出旋转扭矩。

其中，各个定子段槽口放置有隔磁材料制成的锲块。

其中，定子段为E型定子段，其朝向曲轴的端面为椭圆形、卵形或者圆柱形的一部分。

其中，定子段及转子外环均由软磁材料制作的薄片叠压而成。

其中，机座两端或端盖中固定有内齿圈。

其中，曲轴由轴颈和主轴组成。

其中，转子两端固定有外齿圈，其与机座两端或端盖中的内齿圈保持啮合。

一种偏心滚动转子变磁阻电机的转子结构，其包括：

外环和内圆柱环；

外环的外侧面为椭圆形、卵形或圆柱形，内圆柱环为圆柱形，外环和内圆柱环通过花键或者其他机械结构固定组成滚动转子部分，滚动转子与定子内圆面线接触，滚动转子外侧面和定子内圆面固定有由高摩擦系数材料制成的薄层作为摩擦层以约束定子和转子之间的滑动。

其中，转子内圆柱环外侧面为花键或其他结构以便安装固定转子外环。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的偏心滚动转子变磁阻电机，其定子部分包括多个沿机座内圆周向安装固定的E型定子段，各个定子段之间有或/和没有气隙，各个定子段朝向曲轴的端面组成的定子内圆面为椭圆形、卵形或者圆柱形；励磁绕组放置于各个E型定子段的定子槽中，当为偏心转子时，每个E型定子段构成本一相，当为两个偏心转子时，每相对的两个E型定子段构成一相；机座两端或端盖上固定有内齿圈；转子部分包括外环和内圆柱环，并相互固定形成转子，外环的外侧面为椭圆形、卵形或者圆柱形，内圆柱环两端固定有外齿圈，其与机座两端或端盖中固定的内齿圈保持啮合；曲轴包括轴颈和主轴，转子可绕曲轴轴颈自由转动形成自转；当负载时，励磁绕组通电，产生磁通，迫使转子绕曲轴轴颈转动，进而驱动曲轴输出旋转扭矩。

通过提供一个滚动转子，本发明变磁阻电机的工作气隙为梯变结构，使输出扭矩更加平稳，同时改善了传统变磁阻电机中的振动与噪音问题；由于径向力做功，使得能量密度得到很大提高；借助于外环的集磁能力，漏磁及损耗减少，效率提升；分段的定子结构使得制造成本降低并安装方便，减轻生产过程中的劳动强度；另外，较轻的转子质量使得本发明电机具有优异的动态响应性能。

从说明书、权利要求书以及附图可以更加清楚地理解其他特征、目的和特点。

综上所述，本发明电机在各种要求低速高扭的电驱动系统中具有广阔的应用前景，尤其适用于电动汽车电动助力转向、电动驻车、电动助力制动、机器人等要求低速高扭并具有快速响应能力的电驱动场合。

附图说明

附图作为本说明书的一部分并结合本说明书对发明提供进一步的理解，并与说明书一起用以解释本发明的原理。

图1示出了本发明第一具体实施例的6相偏心滚动转子磁阻电机结构示意图；

图2示出了图1的A-A剖视图；

图2-1示出了(5-6)相导通后转子和定子的位置图；

图3示出了本发明第二具体实施例的双偏心滚动转子变磁阻电机结构示意图；

图4示出了图3的B-B剖视图；

图4-1示出了(5-1)相导通后转子与定子的位置图；

图5示出了本发明第三具体实施例的三偏心滚动转子变磁阻电机结构示意图；

图6示出了本发明第四具体实施例单偏心圆柱形转子变磁阻电机结构示意图；

图7示出了图6中的C-C剖视图。

具体实施方式

本发明的偏心滚动转子变磁阻电机包括有机座、分段的定子部分、偏心的滚动转子部分和励磁绕组以及曲轴，但关键地，本发明中的曲轴包括主轴和轴颈，而偏心的滚动转子与轴颈同心，与主轴偏心；转子外环面为椭圆形、卵形或者圆柱形，定子内圆面为椭圆形、卵形或者圆柱形；励磁绕组放置于各个定子段的定子槽中；

而滚动转子部分包括两部分，分别为内环和外环，外环的外侧面为椭圆形、卵形或者圆柱形，内环为圆柱环，内环和外环通过花键或其他机械结构固定安装形成滚动转子；转子通过内环的轴承或者轴瓦绕曲轴轴颈可自由转动。

这样，当负载时，励磁绕组通电，产生磁通，迫使转子绕轴颈转动，从而驱动曲轴往转子自转方向相反的方向转动，通过滚动转子的集磁能力，减少漏磁通；由于曲轴的旋转速度小于转子转动速度，从而获得高效低速高扭输出，能够广泛应用于要求低速高扭以及高控制精度的伺服或步进电驱动系统中，下面以优选实施例进行说明。

参考图1，本实施例为6相滚动转子变磁阻电机，6相励磁线圈为：5-1，5-2，5-3，5-4，5-5，5-6，变磁阻电机(1)具体包括定子(2)及分段定子组件(2-1～2-6)、励磁绕组(5)、滚动转子(3)及滚动转子的外环(3-1)和内环圆柱环体(3-2)以及安装固定于内环两端的外齿圈(3-3)、输出曲轴(8)、固定于端盖或机座上的内齿圈(10)、E型定子口锲块(7)、压装曲轴轴颈上轴瓦或者轴承(13)以及安装与端盖上的轴承(14)。

需要说明的，本实施例中滚动转子部分的外圆面为椭圆形或者卵形或圆柱形(11)，而定子内圆面同时为椭圆形或者卵形(12)，其朝向定子轭部凹陷，转子两端与定子内圆面两端是紧密接触，而中间有一很小气隙，同时通过转子两端的外齿轮(3-3)与端盖或机座上的内齿轮(10)的啮合，约束转子与定子之间的滑动；转子(3)可绕曲轴轴颈(8-2)自由转动。

上述结构使得在滚动转子在定子内圆面内滚动时，消除了转子和定子之间相对滑动而带来的扭矩损失；由于滚动转子与定子内圆面之间接触面小并保持紧密接触，所以降低了振动和噪声水平；借助于滚动转子的集磁性能，使得漏磁减少，效率增加；同时部分消除谐波的影响，而由于曲轴的转速小于滚动转子的转速，即实现低速高扭输出，梯变的气隙结构获得了平稳的扭矩输出，控制简单。具体实施时，转子(3)由软磁材料支撑的薄片叠压而成，其可通过轴承或者轴瓦与曲轴的轴颈(8-2)紧配合或松配合安装，使转子(3)可绕曲轴轴颈(8-2)自由转动；为约束转子与定子内圆面之间的滑动，转子两端固定安装有外齿圈(3-3)，其与固定于机座两端或者端盖上的内齿圈(10)始终保持啮合；曲轴的主轴(8-1)安装与端盖中的轴承(14)中。

参考图2，此时相(5-1)与滚动转子处于重合，即将进入下一个循环，假设曲轴(8)逆时针方向旋转输出扭矩，于是(5-6)相中的励磁绕组(5)通电，其产生的磁通经由滚动转子(3)形成闭合回路，迫使滚动转子朝着使励磁绕组电感最大或者磁路磁阻最小的位置转动，(5-6)相绕组通电后，转子运动结果可参考图2-1，由图中可知看出，转子与(5-1)相已不重合，即将进入与(5-6)相重合的位置。在此过程，曲轴(8)被驱动逆时针旋转一个小角度。

参考图3，该图是本发明第二具体实施例的4相双偏心滚动转子变磁阻电机(1)结构示意图，本实施例中转子由双滚动转子(3)组成，双滚动转子分别安装于两根轴(8-1)上，其相对的两个定子段组件中的励磁绕组构成本实施例双偏心滚动转子变磁阻电机的一相，参考图3的B-B截面图图4，相对的两个(5-1)励磁绕组构成一相，此时与滚动转子处于(5-2)相重合，同样的，本实施例中滚动转子的外侧面为椭圆形、卵形或者圆柱形(11)，而定子内圆面也为椭圆形、卵形或圆柱形(12)，而滚动转子与输出主轴(8)偏心，构成本具体实施例的双偏心滚动转子变磁阻电机。其工作原理同图1的具体实施例，这里不再赘述。

参考图4，此时滚动转子与(5-2)相重合，逆时针旋转输出，则(5-1)相开始导通，滚动转子顺时针旋转，驱动轴颈(8-1)逆时针方向旋转，导通一段很小的时间段后转子和定子位置参考图4-1；此时滚动转子已离开与相(5-2)重合的位置，而即将进入到与(5-1)相重合的位置，由于滚动转子的转速大于轴(8)的输出转速，从而实现低速高扭输出。

需要说明的是，本实施例中，用以约束滚动转子与定子内圆面滑动的外齿圈(8-3)安装于轴(8-1)的两端，其与固定于机座两端或端盖上的内齿圈(10)啮合，而滚动转子(3)与轴(8-1)通过键(3-2)固定安装。

参考图5，该图为本发明第三具体实施例的四相三偏心滚动转子变磁阻电机(1)结构示意图，本实施例中定子由12个E型定子段(2)沿机座(6)内圆面周向均匀安装固定而成，其内圆面(12)为椭圆形、卵形或者圆柱形，E型定子段组件的槽口安装固定有隔磁材料或者永磁体制成的锲块(7)，而偏心滚动转子的外圆面(11)也为椭圆形、卵形或者圆柱形；此时三偏心滚动转子处于与(5-2)相重合的位置，假设逆向旋转输出扭矩，则(5-3)相通电，而转子将绕轴(8-1)顺时针旋转，从而驱动轴(8-1)逆时针旋转输出轴扭矩；电机的工作原理及滚动转子的安装以及与定子内圆面之间的约束与第一、第二具体实施例类似，这里不再赘述。

参考图6，该图为本发明的第四具体实施例6相偏心滚动转子变磁阻电机，其偏心滚动转子(3)为圆柱形，其外侧面(11)为圆柱面，定子内圆面(12)也为圆柱形，其结构和工作原理与图1中的具体实施例1类同，这里不再赘述。

需要说明的，虽然本发明的较佳实施例已揭露如上，本发明并不受限于上述实施例，任何本技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的范围内，当可作些许的改动与调整。

Claims (10)

1.一种偏心滚动转子变磁阻电机，包括机座、定子部分、转子部分和励磁绕组以及曲轴，其特征在于，转子与输出轴主轴以及定子内圆偏心，与轴颈同心；转子外面圆与定子内圆面为椭圆形、卵形或圆柱形；从而当负载工作时，滚动转子的转速大于输出轴的转速，实现低速高扭做功。

2.根据权利要求1所述的变磁阻电机，其转子与定子内圆面接触部分的中间有一小间隙，而两端无间隙。

3.根据权利要求1所述的曲轴部分包括主轴和轴颈，主轴安装入端盖上的轴承中，而轴颈与主轴之间的约束为固定或转动，但轴颈和主轴的轴线平行而不共线。

4.根据权利要求1所述的转子由两部分组成，分别为外环和内环，两者相互固定安装在一起形成所述的滚动转子。当转子由单体组成时，其固定于输出轴轴颈上。

5.根据权利要求4所述的转子部分，其外环有软磁材料制成的薄片叠压而成，并固定于转子内环上，形成所述的转子部分。当转子由单体构成时，其由软磁材料制成的薄片叠压而成，并固定于输出轴轴颈上。

6.根据权利要求5所述的转子部分，滚动转子两端安装有外齿圈，当转子由两部分组成时，其外齿圈安装于内环或外环的两端，当转子由单体组成时，其外齿圈安装于单体转子的两端或轴颈的两端。

7.根据权利要求1所述的定子部分由分段的E型定子段组件沿机座内圆面周向均匀安装固定而成，其朝向曲轴的端面组成定子内圆面。

8.根据权利要求7所述的E型定子段组件由软磁材料制成的薄片叠压而成，其槽口固定安装有由隔磁材料或者永磁体制成的锲块。

9.根据权利要求7所述的E型定子段组件的两个槽口嵌入了励磁绕组。

10.根据权利要求1所述的机座包括机座和端盖，其特征在于在机座两端或两端的端盖上固定有内齿圈，其与滚动转子两端的外齿圈保持啮合。

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