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CN107240970A - 一种12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机 - Google Patents

一种12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机 Download PDF

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CN107240970A
CN107240970A CN201710355166.9A CN201710355166A CN107240970A CN 107240970 A CN107240970 A CN 107240970A CN 201710355166 A CN201710355166 A CN 201710355166A CN 107240970 A CN107240970 A CN 107240970A
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庞明琪
曲政
魏新生
张明举
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Beihang University
Shanghai Aerospace Control Technology Institute
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Abstract

本发明所设计的一种12/10永磁辅助励磁的开关磁阻电机，由定子背轭、定子铁心、转矩绕组线圈、辅助励磁线圈、永磁体、转子铁心、轴组成。定子铁心有12个磁极齿，上面绕有转矩绕组线圈，定子铁心的外侧是定子背轭，定子背轭与定子铁心相连。永磁体镶嵌在定子铁心轭部，辅助励磁线圈缠绕在定子铁心轭部的辅助励磁绕组安装槽内。定子铁心内部是转子铁心，定子铁心和转子铁心之间留有间隙，形成空气隙。转子铁心有10个沿圆周均匀分布的磁极齿，转子铁心的内部为轴。本发明通过永磁体和辅助励磁绕组线圈提供激励磁通，从而增加了电机的输出转矩。

Description

一种12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机
技术领域
本发明设计一种开关磁阻电机，特别是一种永磁辅助励磁的开关磁阻电机，可用于风力发电场合。
背景技术
近年来随着电力电子技术的发展以及微处理器的普遍应用，基于开关磁阻电机的调速驱动系统受到了国内外学者的广泛关注。开关磁阻电机特殊的定转子结构使其具有结构简单牢固、可靠性高和制造成本低等特点，这使得开关磁阻电机在纺织工业、航空工业、采矿行业、家电和电动汽车等领域得到广泛的应用。
但是开关磁阻电机也存在很多问题，限制了其进一步的发展，例如电机损耗高，运行过程中转矩脉动和噪声较大，电机模型较难获得，转子表面利用率低，造成体积大转矩小等。在专利201310263148.X中提出将6相12/10结构开关磁阻电机转化为3相电机，即将相邻两个定子铁心的磁极齿向相反方向偏移3°，获得定子内径非等间距的电机，可以缩短磁通闭合路径，减小磁通闭合过程中的磁阻，虽然降低电机了的能量损耗，但未能考虑提高电机输出转矩的问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服12/10结构开关磁阻电机的不足，提供一种利用永磁体和辅助绕组线圈辅助励磁的电机，增加气隙磁通，提高电机输出转矩。
本发明的技术解决方案是：一种12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机，由一个定子背轭、一个定子铁心、十二个绕组线圈、六个辅助励磁绕组线圈、六个永磁体、一个转子铁心、一个轴组成。定子背轭内侧是定子铁心和永磁体，定子背轭与定子铁心、永磁体相连。其中定子铁心有12个磁极齿，上面绕制有转矩绕组线圈，转矩绕组线圈为电机提供工作的磁场。定子铁心的外侧是定子背轭，定子背轭与定子铁心相连。定义定子铁心外径为r1，内径为r2，定子齿高为h1，定子齿根部弧长为λ，定子铁心的磁极齿内径所对应的圆弧为非等间距，相邻两个定子铁心的磁极齿向相反方向偏移3°，即磁极齿A’和磁极齿B’所对应的圆弧的圆心角为33°，磁极齿B’和磁极齿C’所对应的圆弧的圆心角为27°；磁极齿C’和磁极齿D’所对应的圆弧的圆心角为33°，磁极齿D’和磁极齿E’所对应的圆弧的圆心角为27°；磁极齿E’和磁极齿F’所对应的圆弧的圆心角为33°，磁极齿F’和磁极齿A’所对应圆弧的圆心角为27°；磁极齿A1’和磁极齿B1’所对应的定子圆弧角度为33°，磁极齿B1’和磁极齿C1’所对应的圆弧的圆心角为27°；磁极齿C1’和磁极齿D1’所对应的圆弧的圆心角为33°，磁极齿D1’和磁极齿E1’所对应的圆弧的圆心角为27°；磁极齿E1’和磁极齿F1’所对应的圆弧的圆心角为33°，磁极齿F1’和磁极齿A’所对应圆弧的圆心角为27°。相邻的两个定子齿根部之间的弧长为△，永磁体嵌入在定子背轭与定子铁心之间，其中心线与定子铁心槽中心线重合，相邻的两个永磁体之间的夹角为60°。永磁体为六面体结构，与电机轴向方向平行的两个面为拱形面，其余四个面为平面，其中有两个侧面与定子铁心的侧面相连。辅助励磁绕组线圈缠绕在辅助励磁绕组安装槽内，六对辅助励磁绕组安装槽分别位于定子铁心的轭部，每对安装槽为从定子铁心内、外两侧看过去的相对的方形凹槽，其中心线与定子铁心槽中心线重合，相邻的两对安装槽之间的夹角为60°。安装槽深度为h2，宽度为w，每对辅助励磁绕组安装槽相连部分的厚度为μ，则应满足μ≥1/3λ，1/2△≤w≤△。六个永磁体与六对辅助励磁绕组安装槽交替排列，均匀地分布在定子铁心的轭部。定子铁心内部是转子铁心，定子铁心和转子铁心之间留有间隙，形成空气隙，转子铁心有10个沿圆周均匀分布的磁极齿，均由导磁性良好的硅钢片冲制后叠成，转子铁心的内部为轴。
上述方案的原理是：本发明利用永磁体和辅助励磁线圈提供激励磁通，由于电机的励磁方式由传统的电励磁变成与永磁体共同作用的混合励磁，这就能在保持输入励磁电流不变的情况下增加电机磁路的饱和程度，从而增加电机的电磁转矩。本发明的磁通闭合回路为：转矩绕组线圈的磁通路径为：磁通从磁极齿的N极(所在的磁极齿缠绕线圈通电产生)出发，通过气隙、转子铁心、气隙又回到磁极齿的S极。以A’、B’两相为例，其磁路为：磁通从磁极齿B’出发，经过气隙、转子铁心、气隙，流经磁极齿A’，再经磁极齿A’与B’之间的定子轭回到磁极齿B’，形成闭合回路，如图3虚线所示。辅助励磁绕组线圈产生的磁通路径为与转矩绕组产生的磁通路径相同，以A’，B’两相之间的辅助励磁线圈为例，磁通从辅助励磁绕组线圈出发，经过定子轭，磁极齿B’，气隙，转子铁心，气隙，磁极齿A’，回到辅助励磁绕组线圈，形成闭合回路，如图4虚线所示。将永磁体分别标记为P1，P2，P3，P4，P5，P6，永磁体的磁通路径为：磁通从永磁体N极出发，环绕定子轭部一周，回到S极，形成闭合回路，如图5中虚线所示。但永磁体磁通会在辅助励磁绕组线圈的作用下，改变其原有的磁通路径，以A’，B’和A1’，B1’之间的辅助励磁绕组线圈通电为例，磁通从永磁体P1的N极出发，经过磁极齿B’，气隙，转子铁心，气隙，磁极齿A1’，永磁体P6，永磁体P5，永磁体P4，磁极齿B1’，气隙，转子铁心，气隙，磁极齿A1’，永磁体P3，永磁体P2，回到永磁体P1的S极，形成闭合回路，如图6中虚线所示。由此可知，转矩产生的原理为：转矩绕组线圈通电，产生磁场，在转子转动过程中，由于磁拉力的存在，产生转矩。永磁体产生的磁通在辅助励磁绕组线圈的作用下，改变其磁通路径，在保持输入励磁电流不变的情况下增加电机磁路的饱和程度，从而增加电机的电磁转矩。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明所述一种12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机，通过增加永磁体与辅助励磁绕组线圈，在保持输入励磁电流不变的情况下增加电机磁路的饱和程度，从而增加电机的电磁转矩。
附图说明
图1为本发明技术方案12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机轴向剖面图；
图2为本发明技术方案12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机定子结构图，其中图2a为三维立体结构图，图2b为图2a的定子端面图,图2c为定子齿结构图；
图3为本发明技术方案12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机转矩绕组线圈磁通路径图；
图4为本发明技术方案12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机辅助励磁绕组线圈磁通路径图；
图5为本发明技术方案12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机永磁体磁通路径图；
图6为本发明技术方案12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机永磁体在辅助励磁绕组线圈工作时的磁通路径图；
具体实施方式
如图1所示，一种12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机由定子背轭(1)、定子铁心(2)、转矩绕组线圈(3)、辅助励磁线圈(4)、永磁体(5)、转子铁心(6)、轴(7)组成。定子背轭(1)内侧是定子铁心(2)和永磁体(5)，定子背轭(1)与定子铁心(2)、永磁体(5)相连。其中定子铁心(2)有12个磁极齿，上面绕制有转矩绕组线圈(3)，转矩绕组线圈(3)为电机提供工作的磁场。定子铁心(2)的外侧是定子背轭(1)，定子背轭(1)与定子铁心(2)相连。定义定子铁心(2)外径为r1，内径为r2，定子齿高为h1，定子齿根部弧长为λ。其中，定子铁心(2)的磁极齿内径圆弧为非等间距，相邻两个定子铁心(2)的磁极齿向相反方向偏移3°；相邻的两个定子齿根部弧长为△，永磁体嵌入在定子背轭与定子铁心之间，其中心线与定子铁心槽中心线重合，相邻的两个永磁体之间的夹角为60°。永磁体为六面体结构，与电机轴向方向平行的两个面为拱形面，其余四个面为平面，其中有两个侧面与定子铁心的侧面相连。辅助励磁绕组线圈缠绕在辅助励磁绕组安装槽内，六对辅助励磁绕组安装槽分别位于定子铁心的轭部，每对安装槽为从定子铁心(2)内、外两侧看过去的相对的方形凹槽，其中心线与定子铁心槽中心线重合，相邻的两对安装槽之间的夹角为60°。设安装槽深度为h2，宽度为w，每对辅助励磁绕组安装槽相连部分的厚度为μ，则应满足μ≥1/3λ，1/2△≤w≤△。六个永磁体与六对辅助励磁绕组安装槽交替排列，均匀地分布在定子铁心的轭部。定子铁心(2)内部是转子铁心(6)，转子铁心(6)有10个沿圆周均匀分布的磁极齿，定子铁心(2)与转子铁心(6)均为凸极结构，定子铁心(2)与转子铁心(6)之间留有间隙，形成空气隙，转子铁心(6)的内部为轴(7)。
图2给出了本发明技术方案一种12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机定子结构图，图2a为定子铁心的三维立体结构图；图2b为定子铁心端面图，图2c是定子齿结构图。定子铁心(2)的磁极齿内径圆弧为非等间距，相邻两个定子铁心(2)的磁极齿向相反方向偏移3°，磁极齿A’和磁极齿B’(磁极齿A1’和磁极齿B1’)所对应的内径圆弧的圆心角为33°，磁极齿B’和磁极齿C’(磁极齿B1’和磁极齿C1’)所对应的内径圆弧的圆心角为27°，磁极齿C’和磁极齿D’(磁极齿C1’和磁极齿D1’)所对应的圆弧的圆心角为33°，磁极齿D’和磁极齿E’(磁极齿D1’和磁极齿E1’)所对应的圆弧的圆心角为27°；磁极齿E’和磁极齿F’(磁极齿E1’和磁极齿F1’)所对应的圆弧的圆心角为33°，磁极齿F’和磁极齿A’(磁极齿F1’和磁极齿A’)所对应圆弧的圆心角为27°；定子铁心(2)槽宽度△为等间距，永磁体嵌入在定子背轭与定子铁心之间，其中心线与定子铁心槽中心线重合，相邻两个永磁体之间的夹角为60°。永磁体为六面体结构，与电机轴向方向平行的两个面为拱形面，其余四个面为平面，其中有两个侧面与定子铁心的侧面相连。辅助励磁绕组线圈缠绕在辅助励磁绕组安装槽内，六对辅助励磁绕组安装槽分别位于定子铁心的轭部，每对安装槽为从定子铁心(2)内、外两侧看过去的相对的方形凹槽，其中心线与定子铁心槽中心线重合，相邻的两对安装槽之间的夹角为60°。设安装槽深度为h2，宽度为w，每对辅助励磁绕组安装槽相连部分的厚度为μ，则应满足μ≥1/3λ，1/2△≤w≤△。六个永磁体与六对辅助励磁绕组安装槽交替排列，均匀地分布在定子铁心的轭部。本发明中当取定子铁心(2)外径r1＝66mm，内径r2＝35mm，λ＝9mm，h1＝21mm时，根据关系式可得定子铁心(2)槽宽为△＝20mm，两个安装槽相连部分厚度为由此可得取安装槽宽度为
图3为本发明技术方案12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机转矩绕组线圈(3)磁通路径图，磁通从磁极齿的N极(所在的磁极齿缠绕线圈通电产生)出发，通过气隙、转子铁心、气隙又回到磁极齿的S极。以A’、B’两相为例，其磁路为：磁通从磁极齿B’出发，经过气隙、转子铁心、气隙，流经磁极齿A’，再经磁极齿A’与B’之间的定子轭回到磁极齿B’，形成闭合回路。
图4为本发明技术方案12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机辅助励磁绕组线圈(4)磁通路径图，辅助励磁绕组线圈(4)产生的磁通路径为与转矩绕组线圈(3)产生的磁通路径相同，以A’，B’两相之间的辅助励磁线圈(4)为例，磁通从辅助励磁绕组线圈(4)出发，经过定子轭，B’相，气隙，转子铁心，气隙，A’相，回到辅助励磁绕组线圈(4)，形成闭合回路。
图5为本发明技术方案12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机永磁体(5)磁通路径图，磁通从永磁体(5)N极出发，环绕定子轭部一周，回到S极，形成闭合回路。
图6为本发明技术方案12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机永磁体(5)在辅助励磁绕组线圈(4)工作时的磁通路径图，以A’，B’和A1’，B1’之间的辅助励磁绕组线圈(4)通电为例，磁通从永磁体P1的N极出发，经过B’相，气隙，转子铁心，气隙，A’相，永磁体P6，永磁体P5，永磁体P4，B1’相，气隙，转子铁心，气隙，A1’相，永磁体P3，永磁体P2，回到永磁体P1的S极。
上述发明方案所用轴(7)采用导磁性能良好的材料制成，如45号钢或40Cr等。定子铁心(2)可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350等磁性材料冲压迭制而成。永磁体(5)的材料为磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体。转矩绕组线圈(3)和辅助励磁绕组(4)可用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。

Claims (5)

1.一种12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机，其特征在于：由一个定子背轭(1)、一个定子铁心(2)、十二个转矩绕组线圈(3)、六个辅助励磁线圈(4)、六个永磁体(5)、一个转子铁心(6)、一个轴(7)组成；定子背轭(1)内侧是定子铁心(2)和永磁体(5)，定子背轭(1)与定子铁心(2)、永磁体(5)相连；其中定子铁心(2)有12个磁极齿，上面绕有转矩绕组线圈(3)，转矩绕组线圈(3)为电机提供工作的磁场；设定子铁心(2)外径为r1，内径为r2，定子齿高为h1，定子齿根部弧长为λ，定子铁心(2)的磁极齿内径所对应的圆弧为非等间距，相邻两个定子铁心(2)的磁极齿向相反方向偏移3°，即磁极齿A’和磁极齿B’所对应的圆弧的圆心角为33°，磁极齿B’和磁极齿C’所对应的圆弧的圆心角为27°；磁极齿C’和磁极齿D’所对应的圆弧的圆心角为33°，磁极齿D’和磁极齿E’所对应的圆弧的圆心角为27°；磁极齿E’和磁极齿F’所对应的圆弧的圆心角为33°，磁极齿F’和磁极齿A’所对应圆弧的圆心角为27°；磁极齿A1’和磁极齿B1’所对应的定子圆弧角度为33°，磁极齿B1’和磁极齿C1’所对应的圆弧的圆心角为27°；磁极齿C1’和磁极齿D1’所对应的圆弧的圆心角为33°，磁极齿D1’和磁极齿E1’所对应的圆弧的圆心角为27°；磁极齿E1’和磁极齿F1’所对应的圆弧的圆心角为33°，磁极齿F1’和磁极齿A’所对应圆弧的圆心角为27°，相邻两个定子齿根部之间的弧长为△，永磁体(5)嵌入在定子背轭(1)与定子铁心(2)之间，其中心线与定子铁心槽中心线重合，相邻两个永磁体(5)之间的夹角为60°；永磁体(5)为六面体结构，与电机轴向方向平行的两个面为拱形面，其余四个面为平面，其中有两个侧面与定子铁心(2)的侧面相连。辅助励磁绕组线圈(4)缠绕在辅助励磁绕组安装槽内，六对辅助励磁绕组安装槽分别位于定子铁心(2)的轭部，每对安装槽为从定子铁心(2)内、外两侧看过去的相对的方形凹槽，其中心线与定子铁心(2)槽中心线重合，相邻的两对安装槽之间的夹角为60°；设安装槽深度为h2，宽度为w，每对辅助励磁绕组安装槽相连部分的厚度为μ，则应满足μ≥1/3λ，1/2△≤w≤△；六个永磁体(5)与六对辅助励磁绕组安装槽交替排列，均匀地分布在定子铁心(2)的轭部；转矩绕组线圈匝数Nt与辅助励磁绕组线圈匝数Na之比满足0.5≤Nt/Na≤2；定子铁心(2)内部是转子铁心(6)，转子铁心(6)由10个沿圆周均匀分布的磁极齿构成；定子铁心(2)与转子铁心(6)均为凸极结构。定子铁心(2)与转子铁心(6)之间留有间隙，形成空气隙，转子铁心(6)的内部为轴(7)。
2.根据权利要求1所述的一种12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机，其特征在于：所述的磁极齿A’和B’、A1’和B1’的绕组线圈同时通电，形成一相；磁极齿C’和D’、C1’和D1’的绕组线圈同时通电，形成一相；磁极齿E’和F’、E1’和F1’的绕组线圈同时通电，形成一相。
3.根据权利要求1所述的一种12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机，其特征在于：所述的定子背轭(1)采用不导磁的材料制成，如铝。
4.根据权利要求1所述的一种12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机，其特征在于：所述的转矩绕组线圈(3)和辅助励磁绕组线圈(4)为集中式。
5.根据权利要求1所述的一种12/10永磁辅助励磁开关磁阻电机，其特征在于：所述的轴(7)采用导磁性能良好的材料制成，如45号钢或40Cr。
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