CN109149810A - 一种具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机，包括两块定子铁心、一块转子铁心、电枢绕组和转轴，所述转子铁心通过建固定于转轴上，两块定子铁心分别设置在转子铁心两侧，并各自通过对应的轴承设置在转轴上，定子铁心上装有电枢绕组，转子铁心的两个表面沿圆周方向错开角度。本发明的电机能够增强磁链的平稳性，减小电机的转矩脉动；定子绕组线圈位于转子两侧，可利用绕线模手工嵌线，且嵌放绕组线圈方便，制造工艺简单，成本低。

Description

一种具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机

技术领域

本发明属于电机领域，特别是一种具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机。

背景技术

SR电机的基本概念可追溯到19世纪40年代，1842年，英国的Aberdeen和Dafidson用两个U型电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动机。但因电路断开时没有释放能量的续流二极管电路，以及采用机械开关控制电磁铁的轮流通电，电动机的性能(效率、功率因数和利用系数等)不高。近几年虽然国内外众多机构对轴向磁通盘式开关磁阻电机进行了大量的研究工作，但是还存在一些问题亟待改进和解决。例如，意大利的Alberto Tenconi等学者基于电磁、机械和温度这三个方面研究了现今高速和超高速电机，着重介绍了这三个设计部分与电机大小设计之间的联系，在考虑了材料特性和加工工艺的情况下，比较了高速电机和开关磁阻电机技术工艺的优缺点，但是忽略了损耗对电机影响；美国乔治亚理工学院的Jie Dang提出了一种新型的开关磁阻电机的转子结构，解决了电机在超高速运行时的风阻损耗太大的问题，并且因为产生了不对称的气隙提高了转矩，但是忽略不对称气隙对转子运行稳定的影响；韩国三星公司的Sung-Il Kim等人针对传统的表贴式PMSM提出了一种新型转子结构，传统的表贴式PMSM为了保持高速旋转下转子的机械完整性使用了一种非磁性的套筒，这将导致额外的涡流损耗，同时会增加磁隙的长度和制造的成本，而使用新的转子结构将消除这些问题并能够很大程度上减少制造时永磁体的数量。但是现有技术中尚无相关描述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机，包括两块定子铁心、一块转子铁心、电枢绕组和转轴，所述转子铁心通过建固定于转轴上，两块定子铁心分别设置在转子铁心两侧，并各自通过对应的轴承设置在转轴上，定子铁心上装有电枢绕组，转子铁心的两个表面沿圆周方向错开角度。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的电机转子的斜槽结构能够增强磁链的平稳性，减小电机的转矩脉动；2)该电机采用轴向磁通盘式结构，轴向长度较小，在相同功率的情况下，体积和重量都比较小，功率密度较大；3)该电机中无永磁材料，全部由硅钢片叠压而成，因此能够适用于高温高压环境，并且加工方便，价格较低；4)该电机采用较小的长径比的转子结构和扇形面积较大的转子齿，具有良好的散热能力。

附图说明

图1是具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机全剖结构示意图。

图2是具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机结构示意图。

图3是具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机主磁通。

图4是具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机定子平面图。

图5是具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机转子平面图。

图6是具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机爆破图。

图7是线性模型中相电感与转子位置角θ的关系曲线图。

图8是磁链与位置角的关系曲线图。

图9是绕组相电流和转子位置角的关系曲线图。

图10是电磁转矩随转子位置角变化曲线图。

图11是分段线性磁化曲线图。

图中编号所代表的含义为：1为定子铁心，2为转子铁心，3为电枢绕组，4为转轴，5为定子轭部，6为定子齿，7为转子齿，8为转子轭部，9为键，10为轴承。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机，包括两块定子铁心1、一块转子铁心2、电枢绕组3和转轴4，所述转子铁心2通过建9固定于转轴4上，两块定子铁心1分别设置在转子铁心2两侧，并各自通过对应的轴承10设置在转轴4上，定子铁心1上装有电枢绕组3，转子铁心2的两个表面沿圆周方向错开角度。

所述两个定子铁心1结构相同，并对称设置在转子铁心2的两侧，每个定子铁心1均包括定子轭部5和定子齿6，所述定子齿6位于定子轭部5的一个侧面上，并等间距嵌在定子轭部5上，两个定子铁心1的定子轭部5相对设置。

所述每个定子铁心1上设置六个定子齿6。

所述转子铁心2包括转子齿7和转子轭部8，转子轭部8为环状圆盘，转子齿7周向均匀设置在转子轭部8的外环上。

所述转子齿7的数量为四个。

所述转子铁心2的两个表面沿圆周方向错开角度的度数为1°～45°。

所述的转子齿7焊接在转子轭部8外圆环上。

所述的电枢绕组3包括绕线和绕线模，绕线设置在绕线模中，绕线模嵌在定子齿6上。

所述定子铁心、转子铁心均由硅钢片叠压而成。

所述定子、转子磁极表面之间空气隙的距离大于等于0.25mm。

本发明的电机转子的斜槽结构能够增强磁链的平稳性，减小电机的转矩脉动；该电机采用轴向磁通盘式结构，轴向长度较小，在相同功率的情况下，体积和重量都比较小，功率密度较大。

下面进行更详细的描述。

本发明的具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机的主要参数如下：

1.主要参数计算

1.1负荷和磁负荷

开关磁阻电机的电负荷A是指定子内径表面每单位长度上导体中的总电流，表达式为

I为绕组电流有效值，D_si为定子内径，N_ph为每相绕组串联匝数，q为相数。

每极主磁通均出入一个转子齿截面积的范围，定义磁负荷为

一般情况下，B_δ取0.3～0.6T之间，A取15000～50000A/m。

1.2绕组端电压

开关磁阻电机可以直接采用直流电流或采用交流经整流得到的直流电源。当采用单相或三相交流电源整流，设U_d为全波整流后的直流电压，则

式中，U₂为交流电源的相电压。

1.3气隙

开关磁阻电机实际上存在着两个气隙。第一气隙g是指定、转子磁极表面之间空气隙的距离，其影响最大电感L_max的值。第二气隙g_i是指定子磁极表面到转子槽底之间空气隙的距离，其影响最小电感L_min值。

为了取得较大的电磁转矩，减小功率变换器伏安容量的要求，应尽可能减小气隙g，但受到装配工艺和加工工艺的约束，气隙g也不能太小，小型电机气隙一般不应小于0.25mm。

为了取得较低的最小电感L_u，提高电机的输出功率，第二气隙g_i应该尽可能大一点，但不能过度，否则会导致电机轴径不够或转子轭高度不够。

1.4转子轭高

转子轭高h_cr应该保证轭部铁芯出现最大磁通密度时不会发生过饱和，因此应该取

在不影响转轴强度情况下，h_cr可以取大一些。

1.5轴径

轴径D_i不能过小，否则会影响机械强度，导致转子振动、动偏心、电机噪声增大等问题，如果有必要，应该校核轴的扰度、临界转速和强度。

1.6定子轭高

定子轭高h_cs应保证轭部铁芯出现最大磁通密度时不发生过饱和现象，较大的h_cs可以有效抑制电机的振动和噪声。

1.7定子槽深

为了提供较大的绕组空间，采用大的导线截面以减小电机铜耗，定子槽深d_s应该尽可能大一点。

1.8电流密度和槽满率

对于给定的电机几何尺寸，绕组的有效空间是一定的，槽满率为K_s，一般取0.35～0.5，在保证额定输出功率且绕组空间允许的情况下，匝数越多，绕组电流峰值越小，对降低开关管的伏安容量有利。确定绕组匝数之后，在决定导线截面时需要校核导线电流密度J，对于连续工作制电机，一般取J＝4～5.5A/mm²。

1.9损耗计算

开关磁阻电机的损耗主要有铜耗、铁耗、机械损耗和杂散损耗。铜耗正比于电流有效值的平方，铁耗主要是涡流损耗和磁滞损耗，机械损耗由轴承损耗和通风损耗组成，杂散损耗比较复杂，一般按照铜耗、铁耗和机械损耗的7％来计算。

铜耗的计算公式为

P_cu＝qI²R_P (1-5)

式中，I为相绕组电流的有效值，R_P为相绕组的电阻。

铁耗的计算公式为

式中，ρ为硅钢片电阻率，e为硅钢片厚度，G为经验系数。

机械损耗的计算公式为

P_fw＝5.4×10^-5n^0.7P_N (1-7)

式中，n为电机转速，P_N为额定功率。

2.数学模型

2.1线性模型

开关磁阻电机内部的电磁关系和运行特性都非常复杂，对了不陷入复杂烦琐的数学推导，突出其基本物理特性，必须对模型进行一定简化。

在线性模型中，为了简化，作出如下假设：

①不计磁路饱和影响，绕组的电感与电流大小无关

②忽略磁路非线性和磁通边缘效应

③忽略铁芯的磁滞和涡流效应，忽略所有的功率损耗

④半导体开关器件为理想开关，开关动作是瞬时完成的

⑤电机转速恒定

⑥电源电压恒定

(1)绕组电感

当转子转动时，转子的位置角θ不断变化，绕组电感就在最大电感量L_max和最小电感量L_min着两个特定电感值之间周期变化。最大电感是指转子磁极与定子磁极轴线相重合时的电感值；最小电感是指转子磁极轴线与定子磁极间中心线相重合时的电感值。电感变化频率与转子极对数成正比，电感变化周期为一个转子极距τ_r。在线性模型中，绕组相电感随转子位置θ周期性变化如图7所示。

坐标原点θ＝0是位置角参考点，定义为转子凹槽中心与定子磁极轴线重合的位置，此时相电感为最小值L_min。θ₃为转子和定子前极边重合的位置，θ₄为转子和定子后极边重合的位置，θ₁和θ₅为转子后极边和定子前极边重合的位置，θ₂为转子前极边和定子后极边重合的位置。电感L(θ)和转子位置角θ的关系，可以用以下函数形式表示。

式中，β_s为定子磁极极弧，

(2)绕组磁链

电机第k相电压平衡方程式为

当相绕组电阻压降R_ki_k与dψ_k/dt相比很小，根据假设，忽略电阻压降，可以简化为

进一步整理可以得到

当该相主开关器件导通时，u_k＝U_s(U_s为电源电压)，相绕组磁链将以一个恒定斜率U_s/ω_r随转子位置角的增大而线性增大；当该相主开关器件关断瞬间，即θ＝θ_off时，磁链达到最大值，关断后，u_k＝-U_s，磁链以恒定斜率-U_s/ω_r随转子位置角的增大而线性减小，如图8所示。

用函数形式可以表示

(3)绕组电流

将ψ＝L(θ)i(θ)代入式，可以得到

两边同时乘以绕组相电流i，可以得到功率平衡方程

表明当开关磁阻电机通电时，若不计相绕组的损耗，输入电功率一部分用于增加绕组的储能，一部分转换为机械功率输出。

在电感上升区域θ₂≤θ<θ₃内绕组通电，旋转电动势为正，产生电动转矩，电源提供的电能一部分转换为机械能输出，一部分以磁能的形式储存在绕组中；通电绕组在θ₂≤θ<θ₃内断电，储存的磁能一部分转化为机械能，另一部分反馈给电源，此时转轴上仍获得电动转矩；在θ₃≤θ<θ₄，旋转电动势为零，如果电流继续流动，磁能仅反馈给电源，转轴上没有电磁转矩；若电流在θ₄≤θ<θ₅内流动，因旋转电动势为负，产生制动转矩，运行在发电状态。

为了得到较大的有效转矩，应在θ₁≤θ<θ₂内触发导通主开关，在θ₂≤θ<θ₃内关断主开关，这样可以得到一个电感变化周期内的电流波形，如图9所示。

绕组相电流i(θ)和转子位置角θ的函数关系式为

(4)电磁转矩分析

根据机电关系方程式，有

在线性模型中，根据线性假设，可以对方程进行简化

因此可得

电磁转矩的函数表达式为

电磁转矩随转子位置角变化曲线如图10所示。

2.2准线性模型

准线性模型是将实际的非线性磁化曲线分段线性化，同时不考虑相间耦合效应，近似地考虑了磁路的饱和效应和边缘效应，对于求解开关磁阻电机问题，具有一定的精度和可靠性。由于特殊的双凸极结构及磁路的高度饱和，产生了很强的边缘效应、涡流效应、磁滞效应及饱和效应。在分段线性化的多种方法中，最常用的一种方法是用两段线性特性来近似一系列非线性磁化曲线，其中一段为磁化特性曲线的非饱和段，非饱和曲线斜率为电感L(i,θ)的不饱和值；另一段为磁化特性曲线的饱和段，饱和段曲线与θ＝0位置的特性曲线平行，斜率为L_min，如图11所示。

基于准线性模型，可以写出绕组电感L(θ)的分段解析式

将ψ(θ)＝L(θ)·i代入，可以得到绕组磁链的分段解析式

根据机电关系方程式，可以得到瞬时电磁转矩的分段解析式

2.3非线性模型

要准确计算开关磁阻电机性能，对稳态运行特性进行仿真，必须采用非线性方法。非线性方法大致可以分为两大类。

1、以数值计算方法或实验方法所获得的电机磁化曲线为基础，建立数据库对磁化曲线进行模化，从而计算电机的运行性能。这类方法计算准确，但速度较慢，依赖于特定方案的磁化曲线数据库。

2、第二类是利用电机几个特殊位置的磁化曲线，将电流或磁链作为转子位移角的函数进行模化，查值求取中间位置磁特性。这类方法计算快速，但准确性不够，并且需要引用经验公式，因此限定了其应用范围。

由上可知，本发明的电机中无永磁材料，全部由硅钢片叠压而成，因此能够适用于高温高压环境，并且加工方便，价格较低；该电机采用较小的长径比的转子结构和扇形面积较大的转子齿，具有良好的散热能力。

Claims (10)

1.一种具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机，其特征在于，包括两块定子铁心(1)、一块转子铁心(2)、电枢绕组(3)和转轴(4)，所述转子铁心(2)通过建(9)固定于转轴(4)上，两块定子铁心(1)分别设置在转子铁心(2)两侧，并各自通过对应的轴承(10)设置在转轴(4)上，定子铁心(1)上装有电枢绕组(3)，转子铁心(2)的两个表面沿圆周方向错开角度。

2.根据权利要求1所述的具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机，其特征在于，所述两个定子铁心(1)结构相同，并对称设置在转子铁心(2)的两侧，每个定子铁心(1)均包括定子轭部(5)和定子齿(6)，所述定子齿(6)位于定子轭部(5)的一个侧面上，并等间距嵌在定子轭部(5)上，两个定子铁心(1)的定子轭部(5)相对设置。

3.根据权利要求2所述的具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机，其特征在于，每个定子铁心(1)上设置六个定子齿(6)。

4.根据权利要求1所述的具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机，其特征在于，所述转子铁心(2)包括转子齿(7)和转子轭部(8)，转子轭部(8)为环状圆盘，转子齿(7)周向均匀设置在转子轭部(8)的外环上。

5.根据权利要求4所述的具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机，其特征在于，转子齿(7)的数量为四个。

6.根据权利要求1所述的具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机，其特征在于，转子铁心(2)的两个表面沿圆周方向错开角度的度数为1°～45°。

7.根据权利要求5所述的具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机，其特征在于，所述的转子齿(7)焊接在转子轭部(8)外圆环上。

8.根据权利要求1所述的具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机，其特征在于，所述的电枢绕组(3)包括绕线和绕线模，绕线设置在绕线模中，绕线模嵌在定子齿(6)上。

9.根据权利要求1所述的具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机，其特征在于，所述定子铁心、转子铁心均由硅钢片叠压而成。

10.根据权利要求1所述的具有转子斜槽结构的轴向磁通盘式开关磁阻电机，其特征在于，定子、转子磁极表面之间空气隙的距离大于等于0.25mm。