專利名稱：自風冷卻轉子雙定子低轉矩脈動磁阻類電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明為一種自風冷卻轉子雙定子低轉矩脈動磁阻類電機，包括開關磁阻電機、雙凸極 電機、感應子電機等，屬于電機技術領域。
背景技術：
磁阻類電機是通過磁阻的變化來實現機電能量的轉換。該類電機主要包括開關磁阻電 機、雙凸極電機、感應子電機等。以雙凸極電機為例，轉子采用硅鋼片沖制疊壓而成，轉子 上有凸極結構，無繞組，無電刷，因而該型電機具有結構簡單、運行可靠的突出優(yōu)點，尤其 適合于高速運行。另外，電勵磁雙凸極電機還具有其勵磁功率相對較低的優(yōu)點，因此雙凸極 電機在航空航天、艦船、綠色能源等各個領域的動力系統(tǒng)及電源系統(tǒng)有廣泛的應用前景。
一種磁阻類電機采用雙定子結構，即電機具有內外兩個定子，轉子位于兩個定子之間， 這種雙凸極電機有效地降低了轉矩脈動，擴大了該類電機的應用范圍。另外研究表明可以通 過釆用轉子斜齒結構來降低轉矩脈動，在此雙定子結構和轉子斜齒結構結合成轉子斜齒雙定 子雙凸極電機。然而，由于磁阻類電機是通過磁阻的變化來實現機電能量的轉換，且其定子、 轉子的磁通都是交變的，因此它存在明顯的渦流損耗，效率相對較低，定子、轉子溫升明顯。 這樣輕則會影響繞組壽命，重則會損壞繞組，使得電機無法運行。通常的方法是降低繞組電 流密度選取、減小導磁體磁通密度選取、增大外部散熱面積等方法來減小溫升，但是這會增 大電機的體積重量，造成生產浪費。這就限制了該類電機等的應用范圍，尤其是大功率場合 的應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明在雙定子磁阻類電機的基礎上，利用轉子凸極的結構特點，提出一種具有軸流風 機扇葉結構形狀自風冷卻功能轉子、能夠有效散除轉子熱量、低轉矩脈動的新型磁阻類電機。 該電機的轉子凸極齒根據軸流風機結構形狀設計，使之具有自風冷卻功能，定子凸極齒根據 轉子凸極齒形狀設計，使之產生降低轉矩^t動的功能。
利用本發(fā)明可以在電機設計時提高繞組電流密度選取、提高導磁體飽和磁密選取，減小 外部散熱面積，最大限度地降低電機的體積重量、優(yōu)化電機的尺寸，節(jié)省資源，降低消耗。 尤其適合于低轉速、大功率的應用場合。
本發(fā)明為一種自風冷卻轉子雙定子低轉矩脈動磁阻類電機。該電機有內外兩個定子、轉 子在兩個定子中間，包括開關磁阻電機、雙凸極電機、感應子電機等，適用于兩個定子凸極 齒之和與轉子凸極齒分別為6n/4n極、或8n/6n極、或10n/8n極結構，n為正整數，或其它 各種基本結構，此處所謂的各種結構名稱描述的是定子及轉子上凸極齒的個數，例如所謂 的6/4極是指兩個定子共有6個凸極齒，轉子有4個凸極齒，等等；同時適用于各種勵磁方式，包括電勵磁、永磁體勵磁及混合勵磁，和各種工作方式，包括電動工作及發(fā)電工作。 以6/4/4/6極結構雙定子雙凸極電機為例，該電機內外兩個定子都有6個凸極齒，轉子外
部及內部均具有4個凸極齒其它結構的磁阻類電機的設計與此完全相同，所不同的僅僅是
轉子以及定子上凸極齒的個數不一樣。
該電機除了具有自風冷卻功能軸流風機扇葉結構形狀凸極齒定子及轉子以外，在(其它)
電性能上與傳統(tǒng)的轉子斜齒結構內外雙定子雙凸極電機是一致的，從電機橫截面上看每一個
橫截面都是一致的，并且與傳統(tǒng)的轉子斜齒結構內外雙定子雙凸極電機的橫截面一致。
但是，該發(fā)明電機的轉子凸極齒為軸流鳳機扇葉結抅形狀，轉子凸極齒的傾斜情況符合
以下描述
對于轉子外側以轉子外側凸極齒高中心與轉子中心軸線的距離o (轉子外側外半徑與 轉子外側內半徑的平均值)為半徑，以轉子中心軸線為中心作與轉子長度相等的圓柱面，該 圃柱面與外側凸極齒側面形成空間交線。將該圓柱面展開成為平面，空間交線展成為平面圓 弧狀曲線，內外兩條平面圓弧狀曲線組成圓弧狀葉片，這樣即構成了平面葉柵。圓弧狀葉片 中心圓弧線，簡稱中弧線，其進氣口處切線與轉子中心軸線平行線之間的夾角稱為進氣口角
度A,其出氣口處切線與轉子中心軸線平行線之間的夾角稱為出氣口角度Cf3。所述的圓弧狀
曲線，由進口角度/ 和出口角度《3以及轉子長度決定，^二tan-'S, A^taiT1^^,
C2u=^"，式中的為C'進氣絕對速度，Cl為輪緣速度，幾為輪緣功。
當轉子轉動時，外側凸極產生對氣體的抽吸力，將氣體引入電機內部再由出口排出。在 平面葉柵和對應的電機進氣端速度三角形中，根據冷卻氣流量要求，確定進氣絕對速度G, 根據轉速計算出輪緣速度M,由速度三角形確定相對速度方向w。使轉子外側凸極進口角 / 尸m,避免進氣產生分離損失。圓弧狀中弧線出口角"3要經過氣動設計確定，長度根據電機 轉子長度確定。
對于轉子內側，凸極齒的描述及進、出氣口角度與上述轉子外側凸極齒相同，使轉子內 側凸極出進氣口角爲="2。圓弧狀中心線出氣口角《4要經過氣動設計確定,長度根據電機轉子 長度確定。
在進氣口凸極上加裝一個整流罩，減小進氣阻力。
內外兩個定子凸極齒的傾斜情況符合描述為了保持電機(其它)電性能與傳統(tǒng)轉子斜齒 結構內外雙定子雙凸極電機一致，以傳統(tǒng)的轉子斜一齒為例轉子外側凸極齒側面在以n為 半徑的圓柱切面平面展開困上形成的曲線LA,展開圖的寬度為2;rn;外定子凸極齒側面在 以外定子內半徑"為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線Lb,展開圖的寬度為2;r", 將該展開圖進行縮小，寬度縮小到2;rn，則原展開圖上所有的點都按比例變化，原展開圖上 的曲線LB變成縮小展開圖上的曲線LR;曲線U和曲線LE符合；將曲線U和曲線LE左邊 的端點重合在一起繪在 一張圖上并在該點處作一條水平線，該水平線與展開圖的側面垂直。
過曲線LA上的每一點可以做該水平線的垂線，該水平線與曲線U和曲線LE相交的兩個交
點形成一 一對應的關系，將曲線LA上的每一 點到展開圖底邊的距離與其在曲線LE上的對應 點到底邊的距離相減，得到差值，以該差值為到水平線的距離做一個點，將所有的這些點連 接起來形成一條曲線，該曲線是一條直線，與傳統(tǒng)的轉子斜齒結構內外雙定子電機的轉子斜 齒側面在以轉子外惻外半徑為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線完全 一 致。轉子內側 凸極齒與內定子凸極齒傾斜情況依據同理設計。在滿足上述條件下，可以做到對電機設計的優(yōu)化，既可以盡量多地帶走轉子產生的熱量,
又可以做到由于使空氣流動而損失的能量達到最小；同時電機結構改動小、沒有明顯增加其 復雜程度。


圖1為6/4/4/6極結構自風冷卻內外雙定子雙凸極電機轉子結構圖 圖2為6/4/4/6極結構自風冷卻內外雙定子雙凸極電機轉子結構圖 圖3為6/4/4/6極結構自風冷卻內外雙定子雙凸極電機內定子結構圖 圖4為6/4/4/6極結構自風冷卻內外雙定子雙凸極電機外定子結構圖 圖5為轉子外側以r2為半徑的圓柱剖面平面展開圖 圖6為轉子外側平面葉柵和對應的電機進氣端速度三角形示意圖 圖7為轉子外側以n為半徑的圓柱切面平面展開圖 圖8為轉子內側以"為半徑的圓柱剖面平面展開圖 圖9為轉子內側平面葉柵和對應的電機進氣端速度三角形示意圖 圖10為轉子內側以rs為半徑的圓柱切面平面展開圖 圖11為內定子以o為半徑的圓柱切面平面展開圖 圖12為外定子以^為半徑的圓柱切面平面展開圖
圖中標號及符號說明1、自風冷卻內外雙定子雙凸極電機轉子；2、轉子外側凸極齒; 3、轉子內側凸極齒；4、轉子中心軸線；5、轉子外側外半徑n; 6、轉子外側內半徑o; 7、 轉子外側凸極齒中心高"8、轉子內側外半徑q; 9、轉子內側內半徑"；10、轉子內側凸 極齒中心高^; 11、以^為半徑的圓柱面；12、以n為半徑的圓柱面；13、以"為半徑的圓 柱面；14、以"為半徑的圓柱面；15、內定子外半徑^; 16、以^為半徑的圓柱面；17、外 定子內半徑"18、以"為半徑的圓柱面；19、圓柱面11與外側凸極齒側面形成的空間交 線；20、空間交線19在展開平面上的平面曲線；21、圓弧狀平面曲線20的進口角度A; 22、 進氣絕對速度d; 23、輪緣速度CA; 24、相對速度方向a" 25、相對速度M; 26、轉子外 側凸極齒側面在以n為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線LA; 27、圓柱面13與內側 凸極齒側面形成的空間交線；28、空間交線27在展開平面上的平面曲線；29、圓弧狀平面 曲線28的進口角度應；30、進氣絕對速度C2; 31、輪緣速度t/2; 32、相對速度方向的；33、 相對速度『2; 34、轉子內側凸極齒側面在以r5為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線 Lc; 35、內定子凸極齒側面在以o為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線LD; 36、外 定子凸極齒側面在以rs為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線LB; 37、轉子外側圓弧 狀中弧線；38、轉子外側圓弧狀中弧線進氣口處切線；39、轉子內側圓弧狀中弧線；40、轉 子內側圓弧狀中弧線進氣口處切線；41、內定子中心安裝孔；42、內定子定位槽；43、轉子 定位槽；44、外定子定位槽；45、自風冷卻內外雙定子雙凸極電機內定子；46、自風冷卻內 外雙定子雙凸極電機外定子；47、內定子中心軸線；48、外定子中心軸線；49、轉子外側整 流罩截面；50、轉子內側整流罩截面；51、轉子外側圓弧狀中弧線出氣口處切線；52、轉子 中心軸線平行線；53、轉子外側圓弧狀中弧線37的出氣口角度化；54、轉子中心軸線平行 線；55、轉子內側圓弧狀中弧線出氣口處切線；56、轉子中心軸線平行線；57、轉子內側圓弧狀中弧線39的出氣口角度詢；58、轉子中心軸線平行線. 具體實施方案
以雙凸極電機為例，由于雙凸極電機的轉子上只有凸極齒和齒槽，沒有繞組，本發(fā)明在 轉子斜齒雙定子磁阻類電機基本原理和結構的基礎上提出利用凸極齒和齒槽這種結構特點， 將雙凸極電機轉子凸極齒設計成軸流風機的扇葉結構形狀，使轉子轉動時能夠抽吸轉子一端 (進氣端)周圍的空氣進入電機轉子齒槽，再從轉子另一端(出氣端)出去，直接帶走電機轉子 產生的熱量從而冷卻電機。為了達到這個目的，可以依據軸流風機扇葉的工作原理設計轉子 凸極齒的形狀。
圖1與圖2為6/4/4/6極結構自風冷卻內外雙定子雙凸極電機轉子結構圖，圖3為6/4/4/6極 結構自風冷卻內外雙定子雙凸極電機內定子結構圖，圖4為6/4/4/6極結構自風冷卻內外雙定 子雙凸極電機外定子結構圖，圖中的標號名稱1、自風冷卻內外雙定子雙凸極電機轉子；2、 轉子外側凸極齒；3、轉子內側凸極齒；4、轉子中心軸線；5、轉子外側外半徑n; 6、轉子 外側內半徑n; 7、轉子外側凸極齒中心高o; 8、轉子內側外半徑"；9、轉子內惻內半徑
10、轉子內側凸極齒中心髙f5; 11、以r2為半徑的圓柱面；12、以n為半徑的圓柱面； 13、以^為半徑的圓柱面；14、以"為半徑的圓柱面；15、內定子外半徑。；16、以/"7為半 徑的圓柱面；17、外定子內半徑"；18、以 為半徑的圓柱面；19、圓柱面ll與外側凸極 齒側面形成的空間交線；27、圓柱面13與內側凸極齒側面形成的空間交線；41、內定子中 心安裝孔；42、內定子定位槽；43、轉子定位槽；44、外定子定位槽；45、自風冷卻內外雙 定子雙凸極電機內定子；46、自風冷卻內外雙定子雙凸極電機外定子；47、內定子中心軸線； 48、外定子中心軸線。其中凸極齒2是傾斜的，傾斜情況符合圖5是將圖2所示的圓柱面 11展開成的平面圖，圖5中的平面圓弧狀曲線20是圖2中圓柱面11與轉子外側凸極齒側面 形成空間交線19的平面展開的圓弧曲線。內外兩條平面圓弧狀曲線構成平面圓弧狀葉片， 平面圓弧狀葉片的中心圓弧曲線37的進氣口處切線38與轉子中心軸線平行線52之間的夾 角為進氣口角度y921,平面圓弧狀葉片的中心圓弧曲線37的出氣口處切線51與轉子中心軸 線平行線54之間的夾角為出氣口角《353，圖中的標號49為整流罩截面。圖6為轉子外側平 面葉柵和對應的電機進氣端速度三角形示意圖，圖中的標號22、進氣絕對速度d; 23、輪 緣速度Q; 24、相對速度方向q; 25、相對速度『1;圖7為圖2中以轉子外側外半徑n為 半徑的圓柱切面12的平面展開圖，圖中的標號26是轉子外側凸極齒側面在以轉子外半徑n 為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線LA。圖12為圖4中以外定子內半徑"為半徑的 圓柱切面17的平面展開圖，圖中的標號36是定子凸極齒側面在以內定子外半徑r8為半徑的 圓柱切面16的平面展開圖上形成的曲線LB。圖8是將圖2所示的圓柱面14展開成的平面圖， 圖8中的平面圓弧狀曲線28是圖2中圓柱面14與轉子內側凸極齒側面形成空間交線27的 平面展開的圓弧曲線。內外兩條平面圓弧狀曲線構成平面圓弧狀葉片，平面圓弧狀葉片的中 心圓弧曲線39的進氣口處切線40與轉子中心軸線平行線56之間的夾角為進氣口角度/29， 平面圓弧狀葉片的中心圓弧曲線39的出氣口處切線55與轉子中心軸線平行線58之間的夾 角為出氣口角化57,圖中的標號50為整流罩截面。圖10為圖2中以轉子內側半徑^為半徑 的圓柱切面13的平面展開圖，困中的標號34是轉子外側凸極齒側面在以轉子外半徑r5為半 徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線Lc。圖11為圖3中以內定子外半徑o為半徑的圓柱 切面16的平面展開圖，圖中的標號35是定子凸極齒側面在以內定子外半徑r7為半徑的圓柱切面16的平面展開圖上形成的曲線LD。圖9為轉子內側平面葉柵和對應的電機進氣端速度 三角形示意圖，圖中的標號30、進氣絕對速度C2; 31、輪緣速度f/2; 32、相對速度方向 a2; 33、相對速度W。
對于該類電機在進行機電能量轉換計算、損耗計算時與傳統(tǒng)計算過程相同，請參考電機 設計手冊。在此僅給出轉子冷卻的設計計算方法。
首先根據電機設計,冊確定電機轉子的損耗A然后根據該損耗確定冷卻氣流量化
<formula>formula see original document page 7</formula>(1)
其中，Ca為空氣比熱容，Azk為空氣通過電機后的溫升。
在平面葉柵和對應的電機進氣端速度三角形中，如圖6所示，根據由公式(l)確定的冷 卻氣流量g的要求，由公式(2)確定進氣絕對速度C,22。<formula>formula see original document page 7</formula>(2)
叫
其中，p為進氣氣流密度，J為進氣端流道截面積。 根據轉速，由(3)式計算出輪緣速度^23。
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)
其中，r2為轉子外側凸極齒高中心高度(轉子外側外半徑與轉子外側內半徑的平均值)，w為 電機轉子角速度。再由速度三角形確定相對速度方向""4,即
<formula>formula see original document page 7</formula>(4)
使轉子凸極進口角/y尸化，避免進氣產生分離損失。 根據所產生的動能增量確定輪緣功A,，
即<formula>formula see original document page 7</formula> (5)
進一步由IfC7i(;;得<formula>formula see original document page 7</formula>及 <formula>formula see original document page 7</formula> (6) <formula>formula see original document page 7</formula> (7)
計算得出氣口角度A。
轉子內側凸極齒依據同理確定進氣口角度/ 2和出氣口角度詢。
確定了進氣口角度和出氣口角度，再結合電機轉子的長度，就確定了平面葉柵中圓弧狀 葉片中弧線的形狀。根據圓弧狀葉片中弧線的形狀和硅鋼片的厚度(包括絕緣漆)以及轉子的 長度，計算出轉子每片硅鋼片的偏轉角度。根據轉子計算出定子每片硅鋼片的偏轉角度，在 沖制定子、轉子時同時沖出每片硅鋼片的定位槽，在定子、轉子疊片式將每一片硅鋼片的根 據定位槽固定壓實成型即可。
在進氣端處為了減小氣阻，加裝一個整流罩，整流罩可以是半圓型、半橢圓形、弧狀曲 線或其它圓滑曲線。
權利要求
1、一種自風冷卻轉子雙定子低轉矩脈動磁阻類電機，包括轉子和內外定子，其特征在于轉子的內外凸極齒均為軸流風機扇葉結構形狀的傾斜齒，其中轉子外側的軸流風機扇葉結構形狀傾斜凸極齒是以轉子外側凸極齒高中心與轉子中心軸線的距離為半徑、以轉子中心軸線為中心作與轉子長度相等的圓柱面，該圓柱面與轉子外側凸極齒側面形成空間交線，將該圓柱面展開成平面，則空間交線被展開成為平面圓弧狀曲線，內外兩條平面圓弧狀曲線組成圓弧狀葉片，即構成平面葉柵，該圓弧狀葉片的平面圓弧狀曲線由轉子外側凸極齒進氣口角度β1和轉子外側凸極齒出氣口角度α3決定，所述轉子外側凸極齒進氣口角度β1是指圓弧狀葉片中心圓弧線的進氣口處切線與轉子中心軸線平行線之間的夾角，所述轉子外側凸極齒出氣口角度α3是指圓弧狀葉片中心圓弧線的出氣口處切線與轉子中心軸線平行線之間的夾角，轉子外側凸極齒進氣口角度轉子外側凸極齒出氣口角度所述的轉子內側的軸流風機扇葉結構形狀的傾斜凸極齒，是以轉子內側凸極齒中心高為半徑，以轉子中心軸線為中心作與轉子長度相等的圓柱面，該圓柱面與轉子內側凸極齒側面形成空間交線，將該圓柱面展成平面，則空間交線被展成平面圓弧狀曲線，內外兩條平面圓弧狀曲線組成圓弧狀葉片，即構成平面葉柵，該圓弧狀葉片的平面圓弧狀曲線由轉子內側凸極齒進氣口角度β2和轉子內側凸極齒出氣口角度α4決定，所述轉子內側凸極齒進氣口角度β2為圓弧狀葉片中心圓弧線的進氣口處切線與轉子中心軸線平行線之間的夾角，所述轉子內側凸極齒出氣口角度α4為圓弧狀葉片中心圓弧線的出氣口處切線與轉子中心軸線平行線之間的夾角，其中轉子內側凸極齒進氣口角度轉子內側凸極齒出氣口角度上述式中所述的C為進氣絕對速度，U為輪緣速度，Lu為輪緣功；為保持電機電性能與傳統(tǒng)轉子斜齒結構內外雙定子雙凸極電機一致，轉子外側凸極齒側面在以轉子外側外半徑r1為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線LA，展開圖的寬度為2πr1；所述的內外兩個定子的傾斜凸極齒符合外定子凸極齒側面在以外定子內半徑r8為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線LB，展開圖的寬度為2πr8，將該展開圖進行縮小，寬度縮小到2πr1，則原展開圖上的所有點都按比例變化，原展開圖上的曲線LB變成縮小展開圖上的曲線LE；曲線LA和曲線LE符合；將曲線LA和曲線LE左邊的端點重合在一起繪在一張圖上并在該點處作一條水平線，該水平線與展開圖的側面垂直，過曲線LA上的每一點可以做該水平線的垂線，該水平線與曲線LA和曲線LE相交的兩個交點形成一一對應的關系，將曲線LA上的每一點到展開圖底邊的距離與其在曲線LE上的對應點到底邊的距離相減，得到差值，以該差值為到水平線的距離做一個點，將所有的這些點連接起來形成一條曲線，該曲線是一條直線，與傳統(tǒng)的轉子斜齒結構內外雙定子電機的轉子斜齒側面在以轉子外側外半徑為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線完全一致，轉子內側凸極齒與內定子凸極齒傾斜情況依據同理設計。
全文摘要
一種自風冷卻轉子雙定子低轉矩脈動磁阻類電機，屬磁阻類電機。該電機包括轉子和內外定子，所述轉子內外凸極齒為軸流風機扇葉結構形狀傾斜齒，由進氣口角度β＝tan^-1(C/U)和出氣口角度α＝tan^-1(C/(U-C_2u))決定，式中C進氣絕對速度，U為輪緣速度，C_2u＝L_u/U，L_u為輪緣功。所述內外兩個定子的凸極齒結構應保持電機電性能與傳統(tǒng)的轉子斜齒內外雙定子雙凸極電機一致，當電機轉子轉動時，轉子內外凸極齒的軸流風機扇葉結構形狀和內外定子凸極齒的軸流風機扇葉結構形狀共同產生對氣體的抽吸力，將氣體吸入電機內，再由出氣口排出，帶走電機轉子的熱量，實現電機自風冷卻的目的，以優(yōu)化電機的設計，減小電機體積和重量。
文檔編號H02K9/00GK101436807SQ20081024341
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月23日 優(yōu)先權日2008年12月23日
發(fā)明者周正貴, 宏 楊, 爽 王, 王俊琦, 馬運東 申請人:南京航空航天大學