一種互感耦合型開關磁阻電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種互感耦合型開關磁阻電機，該電機為雙凸極結(jié)構，定子和轉(zhuǎn)子上均設有凸極齒，但定轉(zhuǎn)子上凸極齒的個數(shù)不相等。定子齒上繞有集中式繞組線圈，形成多相對稱繞組結(jié)構，線圈為雙層圈邊，即每個定子槽中放置屬于不同線圈的兩個圈邊，繞組所有線圈保持相同的繞向，即通入同向電流后，所有定子極的磁鏈極性相同。電機每相繞組的自感和互感都會隨轉(zhuǎn)子位置改變而發(fā)生周期性變化，即電機可以同時依靠自感和互感變化產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩工作。本發(fā)明同時介紹了此種互感耦合型開關磁阻電機的控制方法。該互感耦合型開關磁阻電機可以提高電機的材料利用率，有效抑制電機轉(zhuǎn)矩脈動，電機的控制方式也更加靈活多樣。
【專利說明】一種互感耦合型開關磁阻電機
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種互感耦合型開關磁阻電機。屬于電機制造與控制的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發(fā)展，開關磁阻電機的應用越來越廣泛，尤其是稀土永磁材料的劇烈價格波動，使不需使用永磁體的開關磁阻電機備受矚目。傳統(tǒng)開關磁阻電機為雙凸極結(jié)構，定轉(zhuǎn)子均由普通硅鋼片壓疊制成，轉(zhuǎn)子上既無永磁體也無繞組，定子上有集中式繞組，通過線圈的繞向和連接方式，使電機的互感不隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化，但是自感會隨轉(zhuǎn)子位置變化而改變，其依據(jù)“磁阻最小”原理工作，即依靠自感變化產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子。開關磁阻電機具備制造簡單、成本低、結(jié)構堅固、容錯性能好、易于散熱、適宜高速運行等優(yōu)點，在工業(yè)驅(qū)動、電氣調(diào)速、電動汽車、家用電器、紡織機械等領域中已顯示出強大的競爭力與廣闊的應用前景。
[0003]傳統(tǒng)開關磁阻電機定子上若干個凸極齒均勻分布，齒形齒寬完全相同，集中式繞組線圈也均勻分布，即每個定子齒上都套有匝數(shù)相同且線徑相同的集中式繞組線圈。多相對稱繞組沿定子圓周均勻分布，若干個線圈根據(jù)性能需求串聯(lián)或者并聯(lián)或者串并混聯(lián)組成一相繞組。上述傳統(tǒng)繞組結(jié)構的開關磁阻電機采用集中式繞組結(jié)構，電機依靠自感變化產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩工作，其每個時刻只有部分繞組通電，亦只有部分鐵心直接參與電磁能量轉(zhuǎn)換，剩余繞組和鐵心材料被閑置，故材料利用率較低，且采用集中繞組工作的電機轉(zhuǎn)矩脈動較大，不利于電機驅(qū)動系統(tǒng)的平滑穩(wěn)定工作。
[0004]因此，本發(fā)明從解決這一問題出發(fā)，在現(xiàn)有常規(guī)開關磁阻電機結(jié)構基礎之上，通過改變電機的繞組結(jié)構，提出了一種采用互感耦合型繞組結(jié)構的新型開關磁阻電機，改變電機的運行方式，提高電機材料利用率，抑制電機轉(zhuǎn)矩脈動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術問題:本發(fā)明所要解決的技術問題是:提出一種互感耦合型開關磁阻電機，該開關磁阻電機同時依據(jù)自感和互感的變化產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩工作，提高了電機的材料利用率，有利于抑制電機轉(zhuǎn)矩脈動并增大輸出轉(zhuǎn)矩，并且該結(jié)構適用于除單相結(jié)構外的任意相數(shù)、任意定轉(zhuǎn)子齒槽配合的開關磁阻電機。
[0006]技術方案:為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:
[0007]本發(fā)明的互感耦合型開關磁阻電機，包括定子和轉(zhuǎn)子，所述的定子上設有偶數(shù)個定子齒，且定子齒上繞有集中繞組，每個定子齒被一個集中式繞組線圈嵌套，線圈個數(shù)等于定子齒個數(shù)，成為全齒繞結(jié)構，即該集中繞組為雙層線圈結(jié)構，每個定子槽中放置屬于不同線圈的兩個圈邊；每相繞組包括若干個線圈，屬于一相繞組的各個線圈順序串聯(lián)或者并聯(lián)或者串并混聯(lián)構成一相繞組，最終形成多相對稱集中繞組結(jié)構，轉(zhuǎn)子上亦有若干個凸極齒，沒有繞組或者永磁體。
[0008]所述的電機的繞組的所有線圈的進出線繞向相同，即通入同方向電流時，所有定子齒的磁鏈極性相同。
[0009]所述的電機定轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊壓而成，整機不需要永磁體。
[0010]所述的電機定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構，且轉(zhuǎn)子為內(nèi)轉(zhuǎn)子，或者外轉(zhuǎn)子。
[0011]所述的電機是旋轉(zhuǎn)電機，或是直線電機或者直線旋轉(zhuǎn)雙自由度電機。
[0012]所述的電機為徑向、軸向、橫向磁場結(jié)構。
[0013]所述的互感耦合型開關磁阻電機定子鐵心上的凸極齒沿圓周均勻分布，且各個凸極齒的齒形齒寬相同。每個定子槽中均放置有屬于不同線圈的兩個圈邊。
[0014]所述的互感耦合型開關磁阻電機的繞組繞向不同于傳統(tǒng)開關磁阻電機，其所有線圈的繞向相同，即當通入相同極性的電流時，所有定子齒上的磁鏈的極性相同。因此，當電機一相通電時，此相繞組的自感磁鏈方向相抵，無法在自身相繞組中順利流通，磁鏈會流過其它相繞組，即電機會同時有明顯的自感和互感值，且自感和互感均會隨轉(zhuǎn)子位置變化而改變，電機可以同時依靠自感和互感變化產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩工作。
[0015]所述的互感耦合型開關磁阻電機可以作電動運行，也可以作發(fā)電運行。
[0016]所述的互感耦合型開關磁阻電機結(jié)構可以應用于除單相結(jié)構外的任意相數(shù)、任意定轉(zhuǎn)子齒槽配合的開關磁阻電機。以三相定子12槽/轉(zhuǎn)子8極開關磁阻電機結(jié)構為例,定子上設有12個對稱的凸極齒，定子齒上繞有12個對稱的集中式繞組線圈，按逆時針方向依次稱為第一集中繞組線圈至第十二集中繞組線圈，其中:第一集中繞組線圈和第七集中繞組線圈徑向相對，第四集中繞組線圈和第十集中繞組線圈徑向相對，上述四個線圈可順序串聯(lián)或并聯(lián)或串并混聯(lián)組成A相繞組；第三集中繞組線圈和第九集中繞組線圈徑向相對，第六集中繞組線圈和第十二集中繞組線圈徑向相對，上述四個線圈可順序串聯(lián)或并聯(lián)或串并混聯(lián)后組成B相繞組；第二集中繞組線圈和第八集中繞組徑線圈向相對，第五集中繞組線圈和第十一集中繞組線圈徑向相對，上述四個線圈可順序串聯(lián)或并聯(lián)或串并混聯(lián)后組成C相繞組；轉(zhuǎn)子上設有8個對稱的凸極齒。與傳統(tǒng)開關磁阻電機不同，本發(fā)明的互感耦合型開關磁阻電機的所有繞組線圈的繞向均相同，即當給所有的繞組通入同方向的電流時，電機的12個定子齒的磁鏈極性相同，會呈現(xiàn)12個“N”極的狀態(tài)，從而導致每相繞組通電時，其產(chǎn)生的磁鏈將難以順利在自身相繞組流通，而被迫在其它未通電相繞組流過，即電機會產(chǎn)生明顯的互感效果。本發(fā)明的開關磁阻電機有明顯增大的自感和互感，且自感和互感都會隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，電機可以同時依靠自感和互感變化產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩工作。
[0017]有益效果:與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0018]1.材料利用率提高。本發(fā)明的電機同時依靠自感和互感變化產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩工作，改善了傳統(tǒng)開關磁阻電機每個時刻只有通電相繞組附近的鐵心有電磁作用，大量鐵心材料和繞組材料被空閑浪費的缺點，使電機的材料利用率得以提聞。
[0019]2.更小的轉(zhuǎn)矩脈動。本發(fā)明的電機為互感耦合型結(jié)構，可以依靠互感工作，每個時刻至少有兩相繞組同時通電，轉(zhuǎn)矩脈動可以得到明顯抑制。
[0020]3.適宜高速運行。本發(fā)明的電機繞組設置在定子上，轉(zhuǎn)子上既沒有繞組，也沒有永磁體，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，適宜高速運行。
[0021]4.結(jié)構簡單牢靠。本發(fā)明的電機中，定子和轉(zhuǎn)子均由硅鋼片壓制而成。加工簡單，結(jié)構牢靠，不需要使用永磁體，材料和制作成本較低。另外，繞組仍然為集中式繞組結(jié)構，端部短，用銅量少，銅耗小，嵌套難度低。[0022]5.電機可以采用雙極性供電。本發(fā)明的電機同時依靠自感和互感變化工作，在任意時刻兩相繞組同時通電，可以采用雙極性通電方式，增大了電機控制器的電流利用效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是傳統(tǒng)繞組結(jié)構的三相定子12槽/轉(zhuǎn)子8極開關磁阻電機的橫向剖視結(jié)構示意圖。
[0024]圖2是本發(fā)明實施例的三相定子12槽/轉(zhuǎn)子8極結(jié)構的互感耦合型開關磁阻電機的橫向剖視結(jié)構示意圖。
[0025]圖3是本發(fā)明實施例的互感耦合型開關磁阻電機的電感波形和幾種典型驅(qū)動電流波形，圖a、b、c分別為雙極性120°方波驅(qū)動、雙極性正弦波驅(qū)動和雙極性不對稱方波驅(qū)動等。
[0026]圖4是本發(fā)明實施例采用的兩種功率電路拓撲結(jié)構，圖a、b分別為獨立三相全橋電路和三相六管全橋逆變電路等。
[0027]圖中有:定子1，互感耦合型集中繞組2、第一集中繞組線圈2A1、第二集中繞組線圈2C1、第三集中繞組線圈2B1、第四集中繞組線圈2A2、第五集中繞組線圈2C2、第六集中繞組線圈2B2、第七集中繞組線圈2A3、第八集中繞組線圈2C3、第九集中繞組線圈2B3、第十集中繞組線圈2A4、第十一集中繞組線圈2C4和第十二集中繞組線圈2B4，轉(zhuǎn)子3。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術方案進行詳細的說明。
[0029]本發(fā)明的一種互感耦合型開關磁阻電機，包括定子1、互感耦合型集中繞組2和轉(zhuǎn)子3。定子I上設有偶數(shù)個定子齒，相鄰定子齒之間形成定子槽，每個定子齒沿定子的徑向都有另一個定子齒與其相對。定子齒上繞有集中繞組線圈2，其為雙層繞組結(jié)構，嵌套于定子I的所有凸極齒上，每個定子槽中放置有屬于不同線圈的兩個圈邊，即所有的定子齒都有線圈嵌套，線圈的個數(shù)等于定子齒的個數(shù)，每相繞組由若干個線圈通過串聯(lián)或者并聯(lián)或者串并混聯(lián)組成。
[0030]進一步的，所述的集中繞組2的所有線圈的繞向相同，即若給所有相繞組通入相同方向的電流，它們在定子齒上產(chǎn)生的磁鏈極性相同(都指向徑向內(nèi)側(cè)或者都指向徑向外側(cè))，這樣，當電機的某一相繞組通電時，其產(chǎn)生的磁鏈將無法完全順利地從自身相繞組流通，會被迫從其它相繞組流過，即電機會產(chǎn)生明顯的互感。這樣，電機的自感和互感都很明顯，且都會隨之轉(zhuǎn)子位置的變化而改變。
[0031]進一步的，所述的定子I和轉(zhuǎn)子3均為凸極結(jié)構，且轉(zhuǎn)子3可以為內(nèi)轉(zhuǎn)子，或者外轉(zhuǎn)子。當轉(zhuǎn)子3為內(nèi)轉(zhuǎn)子時，定子I位于轉(zhuǎn)子3的外側(cè)。當轉(zhuǎn)子3為外轉(zhuǎn)子時，定子I位于轉(zhuǎn)子3的內(nèi)側(cè)。轉(zhuǎn)子3上無繞組和永磁體。
[0032]本發(fā)明的互感耦合型開關磁阻電機的工作機理是:遵循磁阻最小原理，即磁通總是沿磁阻最小(磁導最大)的路徑閉合。當定子齒和轉(zhuǎn)子齒中心線不重合時，即磁導不為最大時，磁場就會產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子3轉(zhuǎn)到磁導最大的位置。
[0033]如圖1所示，傳統(tǒng)三相定子12槽/轉(zhuǎn)子8極開關磁阻電機結(jié)構中，定子上有12個集中繞組線圈，按逆時針方向依次稱為第一集中繞組線圈至第十二集中繞組線圈，其中:第一集中繞組線圈和第七集中繞組線圈徑向相對，第四集中繞組線圈和第十集中繞組線圈徑向相對，上述四個線圈可順序串聯(lián)或并聯(lián)或串并混聯(lián)后組成A相繞組，且一相繞組中的四個線圈通電后的磁鏈方向相順；第三集中繞組線圈和第九集中繞組線圈徑向相對，第六集中繞組線圈和第十二集中繞組線圈徑向相對，上述四個線圈可順序串聯(lián)或并聯(lián)或串并混聯(lián)后組成B相繞組，且一相繞組中的四個線圈通電后的磁鏈方向相順；第二集中繞組線圈和第八集中繞組線圈徑向相對，第五集中繞組線圈和第十一集中繞組線圈徑向相對，上述四個線圈可順序串聯(lián)或并聯(lián)或串并混聯(lián)后組成C相繞組，且一相繞組中的四個線圈通電后的磁鏈方向相順。這樣，電機利用自感變化產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩工作，繞組和鐵心利用率都較低。
[0034]本發(fā)明的互感耦合型開關磁阻電機的繞組結(jié)構與傳統(tǒng)開關磁阻電機結(jié)構不同。傳統(tǒng)開關磁阻電機中每相繞組的若干個線圈通電后的磁鏈方向相順，即磁鏈可以在本身相繞組中順利流通，不會流經(jīng)其它相繞組。這樣，電機的互感很小，幾乎可以忽略，而電機的每相繞組自感則隨轉(zhuǎn)子位置變化而改變，電機依靠由于自感變化而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩工作。本發(fā)明的互感耦合型開關磁阻電機將繞組繞向改變，使每相繞組通電后各個線圈的磁鏈方向相抵，即一相繞組通電后，其產(chǎn)生的磁鏈將無法在本身相繞組順利流通，會被迫從其它相繞組流過，這樣，電機的互感會很大。實際上，本發(fā)明的互感耦合型開關磁阻電機的每相繞組的自感和互感都隨轉(zhuǎn)子位置變化而改變，電機同時依靠由于自感和互感變化而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩工作，其輸出轉(zhuǎn)矩公式為:
【權利要求】
1.一種互感耦合型開關磁阻電機，包括定子(I)和轉(zhuǎn)子(3)，其特征在于，所述的定子(1)上設有偶數(shù)個定子齒，且定子齒上繞有集中繞組(2)，每個定子齒被一個集中式繞組線圈嵌套，線圈個數(shù)等于定子齒個數(shù)，成為全齒繞結(jié)構，即該集中繞組為雙層線圈結(jié)構，每個定子槽中放置屬于不同線圈的兩個圈邊；每相繞組包括若干個線圈，屬于一相繞組的各個線圈順序串聯(lián)或者并聯(lián)或者串并混聯(lián)構成一相繞組，最終形成多相對稱集中繞組結(jié)構，轉(zhuǎn)子(3)上亦有若干個凸極齒，沒有繞組或者永磁體。
2.按照權利要求1所述的互感耦合型開關磁阻電機，其特征在于，所述的電機的繞組(2)的所有線圈的進出線繞向相同，即通入同方向電流時，所有定子齒的磁鏈極性相同。
3.按照權利要求1所述的互感耦合型開關磁阻電機，其特征在于，所述的電機繞組(2)為雙層線圈結(jié)構的集中繞組。
4.按照權利要求1所述的互感耦合型開關磁阻電機，其特征在于，所述的電機定轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊壓而成，整機不需要永磁體。
5.按照權利要求1所述的互感耦合型開關磁阻電機，其特征在于，所述的電機定子(I)和轉(zhuǎn)子(3)均為凸極結(jié)構，且轉(zhuǎn)子(3)為內(nèi)轉(zhuǎn)子，或者外轉(zhuǎn)子。
6.按照權利要求1所述的互感耦合型開關磁阻電機，其特征在于，所述的電機是旋轉(zhuǎn)電機，或是直線電機或者直線旋轉(zhuǎn)雙自由度電機。
7.按照權利要求1所述的互感耦合型開關磁阻電機，其特征在于，所述的電機為徑向、軸向、橫向磁場結(jié)構。
【文檔編號】H02K3/28GK103532265SQ201310416706
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權日:2013年9月12日
【發(fā)明者】花為, 華浩, 趙桂書, 程明 申請人:東南大學