專利名稱：高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電機領域，涉及開關磁阻電機，特別是一種高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機。
背景技術：
開關磁阻電機，簡稱SR(Switched Reluctance ；開關磁阻)電機或SRM(Switched Reluctance Motor ；開關磁阻電機)，最早文獻記載可追溯到1838年。當時蘇格蘭學者 Davidson制造了一臺用以推進蓄電池機車的驅(qū)動系統(tǒng)，由于當時采用的是機械開關，其運行特性、可靠性和機電能量轉(zhuǎn)換率都是很低的，難以引起人們的關注。本世紀20年代，英國學者C. L. Walker發(fā)明并取得步進電機的專利，初具了現(xiàn)代VR步進電機和開關磁阻電機的許多特征。60年代后，國外開始對SR電機進行深入的研究和論證。70年代左右，英國 Ieeds大學步進電機和磁阻電機小組首創(chuàng)了一臺現(xiàn)代開關磁阻電機的雛形，并進行了試驗研究，發(fā)表了許多論文。1989年Harris教授將SR電機與異步電動機做了詳細比較，結(jié)論表明，SR電機在效率、單位體積出力等方面均是優(yōu)勝者。從1984年開始，我國許多單位先后展開了 SR電機的研究工作，在借鑒國外經(jīng)驗的基礎上我國SRD的應用和理論研究已取得了較大的進展。由于其結(jié)構(gòu)簡單、效率高、調(diào)速范圍寬、控制方法靈活、高效無級調(diào)速、系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)良性能，近十年來受到電氣傳動界的關注。但作為一種新型的調(diào)速系統(tǒng)，由于研究歷史較短，并且其技術涉及到電機學、微電子、電力電子、控制理論等眾多學科領域，加之復雜的非線性特性，因此導致研究困難，在電機理論、性能分析和設計等方面還都不夠成熟完善，仍需要大量的工作。SR電機由裝有勵磁繞組的定子和無繞組的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，一般為雙凸極結(jié)構(gòu)，其定、轉(zhuǎn)子均由普通硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，定子齒極上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組可以串聯(lián)或并聯(lián)在一起，構(gòu)成“一相”。SR電機可以設計成單相、兩相、 三相、四相等不同相數(shù)的結(jié)構(gòu)，且定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。但是單相SR電動機無自起動能力，常規(guī)兩相SR電動機雖然在一定范圍內(nèi)能夠自起動，然而存在較大的起動“死區(qū)”。相數(shù)增加時，雖有利于減小轉(zhuǎn)矩波動，但會導致結(jié)構(gòu)復雜、主開關器件多、成本增高等缺點。因此目前應用較多的是三相6/4極結(jié)構(gòu)和四相8/6極結(jié)構(gòu)。
常規(guī)的三相開關磁阻6/4極結(jié)構(gòu)電機如附圖1所示，三相電機是具備正反方向自啟動能力最少相數(shù)的常規(guī)結(jié)構(gòu)SR電機。除了常見6/4極結(jié)構(gòu)之外，還有三相6/2極、6/8極、12/8 極(如附圖2所示)等結(jié)構(gòu)。三相12/8極電機，實際上為一種兩重6/4極電機。附圖2中， 粗實線為主磁通路徑，與兩極勵磁情況相比，這種4極的磁場為短磁路結(jié)構(gòu)。常規(guī)的四相8/6極開關磁阻結(jié)構(gòu)電機如附圖3所示，每轉(zhuǎn)有M個步距，步進角為 15°。此外，還有四相8/10極SR電機。但8/10極結(jié)構(gòu)電機電感率比8/6極低，能量轉(zhuǎn)換率不高，通常不大采用。與三相電機相比，四相電機的啟動性能要好得多，轉(zhuǎn)矩波動小，但電機控制成本有所增加。采用五相或更多相數(shù)的開關磁阻電機一般都采用短路結(jié)構(gòu)，這樣可獲得更平滑的電磁轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)矩波動，從而得到穩(wěn)定的開環(huán)工作狀態(tài)，但缺點也十分明顯，電機的控制成本和復雜性大大提高。常規(guī)結(jié)構(gòu)的開關磁阻電機多為柱式結(jié)構(gòu)，其工作方式均為徑向磁場工作方式，徑向磁場工作方式電機的體積易受安裝空間的制約，同時還具有齒根狹窄的“瓶頸效應”，轉(zhuǎn)子散熱不好，鐵芯利用率不高，只能達到70%-75%，這對安裝空間小，需要容量大的場所，問題就更為突出。除了常規(guī)結(jié)構(gòu)之外，還有盤式結(jié)構(gòu)(如附圖4所示)和直線式等特種開關磁阻電機。 與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，盤式結(jié)構(gòu)具有轉(zhuǎn)動慣量比高、軸向長度短、體積小和重量輕等優(yōu)點，可獲得與同功率徑向磁場電機相同的電氣性能，盤式結(jié)構(gòu)又分為徑向磁場和軸向磁場式結(jié)構(gòu)。 軸向磁場開關磁阻電機(如附圖5所示)，這種電機兼具盤式電機的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和開關磁阻電機的性能優(yōu)勢，非常適合應用到要求短軸、薄型安裝或低速、大轉(zhuǎn)矩的應用場合。然而，傳統(tǒng)的開關磁阻電機由于采用雙凸級結(jié)構(gòu)和開關形式供電電源，因此具有固有的轉(zhuǎn)矩脈動缺點，而轉(zhuǎn)矩脈動是造成開關磁阻電機噪聲問題的主要原因。傳統(tǒng)的軸向磁場盤式開關磁阻電機具有轉(zhuǎn)矩脈動大、振動和噪聲高等問題，同時由于定轉(zhuǎn)子極間漏磁嚴重，進而增大了繞組電感，使電流控制相應速度慢，特別是高速時，繞組換相困難，使電流難以達到目標值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的初衷在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種高效率、大轉(zhuǎn)矩的盤式開關磁阻電機，其能增大氣隙磁密、減少定轉(zhuǎn)子極間漏磁、提高電機高速運行時的電磁轉(zhuǎn)矩、降低電機運行時的噪聲和振動。為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案
一種高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機，包含通過轉(zhuǎn)軸固定的定子和轉(zhuǎn)子，所述定子和所述轉(zhuǎn)子均為軛式圓盤環(huán)狀，所述定子和所述轉(zhuǎn)子均包含圓盤和形成于該圓盤上的鐵芯， 所述定子的鐵芯上繞有集中式定子繞組，所述定子的鐵芯內(nèi)沿徑向開有間隔的隔磁窄槽。進一步地，所述轉(zhuǎn)子的鐵芯內(nèi)也可以沿徑向開有間隔的隔磁窄槽。進一步地，所述定子鐵芯內(nèi)的隔磁窄槽內(nèi)還可以嵌有金屬板，優(yōu)選銅板；所述轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)的隔磁窄槽內(nèi)也可以放有金屬板，也優(yōu)選銅板。進一步地，在一種實施方式中，所述定子的圓盤的厚度要寬到能配合所述隔磁窄槽降低電機的噪聲。進一步地，在另一種實施方式中，所述定子的圓盤的厚度要寬到能配合所述隔磁窄槽和所述銅板降低電機的噪聲。進一步地，所述高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機可以采用12/8極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果是
(1)本發(fā)明在定子磁極上沿徑向開設間隔的隔磁窄槽，能夠減少極間漏磁和繞組電感。 在轉(zhuǎn)子磁極上沿徑向開設間隔的隔磁窄槽，能進一步通過間隔的空氣隙窄槽的加入，可降低材料溫升，減小損耗，提高電機效率，有效的減少極間漏磁和繞組電感，可使磁通在定子或轉(zhuǎn)子上均勻分布，避免局部飽和，保持繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化率為常數(shù)，增大電機的結(jié)構(gòu)阻尼，提高高速運行時的電磁轉(zhuǎn)矩，因此可以減小轉(zhuǎn)矩脈動、降低電機的噪聲和振動。(2)在隔磁窄槽中放置金屬板，尤其是銅板，能夠減少極間漏磁和繞組電感，使磁通在定子或轉(zhuǎn)子上分布均勻，避免了局部飽和，從而能夠保持繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化率為常數(shù)，以此減小轉(zhuǎn)矩脈動、降低電機的噪聲和振動；另外，由于銅的電導率大于鐵磁材料的電導率，因此在電機所開的窄槽中加入銅板，不僅可以減少漏磁，而且使得定子的電阻減小，電阻率大大降低，電機損耗減小，轉(zhuǎn)化為熱能的能量減少，溫升較小，電機運行轉(zhuǎn)矩提高，電機效率提高。(3)電磁噪聲是開關磁阻電機噪聲的主要組成部分，徑向磁吸力的諧波頻率與定子固有頻率一定時，將會產(chǎn)生嚴重的噪聲和振動。而電機繞組通電時的徑向磁吸力是一個脈動的力波，在齒槽位置相對時最小，齒對齒位置最大，使殼體結(jié)構(gòu)的定子不可避免的形成壓縮、擴張振動，振動通過機殼向外發(fā)出噪聲。本發(fā)明通過將盤式開關磁阻電機的定子圓盤設置為一定厚度，使其能通過配合隔磁窄槽、進一步可以再配合金屬銅板，增大電機的結(jié)構(gòu)阻尼，從而有效地降低噪聲及振動。


附圖1是現(xiàn)有的一種三相6/4極開關磁阻電機的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是現(xiàn)有的一種三相12/8極開關磁阻電機的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3是現(xiàn)有的一種四相8/6極開關磁阻電機的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖4是現(xiàn)有的一種盤式開關磁阻電機的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖5是現(xiàn)有的一種軸向磁場盤式開關磁阻電機的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖6是本發(fā)明的高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖7是本發(fā)明的高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機的定子的立體結(jié)構(gòu)示意圖。附圖8是本發(fā)明的高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機的定子的正視示意圖。圖中涉及的附圖標記如下所示
10.定子11.定子圓盤
12.定子繞組13.定子齒鐵芯
14.隔磁窄槽20.轉(zhuǎn)子
21.轉(zhuǎn)軸22.轉(zhuǎn)子齒鐵芯
23.轉(zhuǎn)子圓盤。
具體實施例方式以下本發(fā)明以12/8極軸向磁場盤式開關磁阻電機為例，給出本發(fā)明的一種具體實施方式
。參見附圖6，一種高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機，包含通過轉(zhuǎn)軸21固定的定子 10和轉(zhuǎn)子20，即電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是在同一鋼軸上設置有單定子和單轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，所述定子 10和所述轉(zhuǎn)子20均為軛式圓盤環(huán)狀，均包含圓盤和形成于該圓盤上的鐵芯，也就是說，所述定子10包含定子圓盤11和形成于該圓盤11上的定子齒鐵芯13，所述轉(zhuǎn)子20包含轉(zhuǎn)子圓盤23和形成于該轉(zhuǎn)子圓盤22上的轉(zhuǎn)子齒鐵芯13。所述定子20的鐵芯13上繞有定子繞組12?？赏瑫r參見附圖7和附圖8，所述定子10的鐵芯13內(nèi)沿徑向開有間隔的隔磁窄槽14。具體實施時，定子10及轉(zhuǎn)子20，可以均是由環(huán)狀軛式的圓盤與方形齒鐵芯組裝成一體，其中環(huán)狀軛式圓盤可由帶狀硅鋼片在自動沖卷機上沖卷制成，或用沖制成型的片狀導磁材料疊成。方形齒鐵芯可以用帶狀材料卷繞成，或用沖制加工的片狀材料疊成。定子 10可以由定子圓盤11和若干個在盤面上的方形鐵芯13粘附組成，也可以直接加工成一個整體，然后在方形鐵芯13上繞定子繞組12構(gòu)成勵磁磁極。轉(zhuǎn)子20的疊片的形狀與一般開關磁阻電機的轉(zhuǎn)子形狀一樣?？梢岳^續(xù)參見附圖6，在所述定子10的圓盤平面上可以有12個均等距的固裝的方形齒鐵芯13，在所述轉(zhuǎn)子20的平面上可以有8個均等距的固裝的方形齒鐵芯22。參見附圖7，定子繞組12可以為集中繞組，以方形定子齒鐵芯13為骨架繞制，利用定子齒鐵芯13 等分形成可嵌繞組的定子槽，解決了以往線槽式嵌裝勵磁繞組的困難。本發(fā)明轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，無永磁體，可工作于極高轉(zhuǎn)速；定子線圈為集中繞組，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強振動環(huán)境。進一步地，可以參見附圖8，本發(fā)明凸極鐵芯的定子10由鐵芯13形成的磁極上沿徑向開有間隔的隔磁窄槽14，該隔磁窄槽中14可放置金屬板，優(yōu)選銅板。間隔的隔磁窄槽能夠減少極間漏磁和繞組電感，結(jié)合金屬銅板的嵌放能夠提高材料的電導率，降低溫升，減少電機的損耗，對漏磁具有阻礙作用，可使磁通在定子或轉(zhuǎn)子上分布均勻，避免局部飽和， 能夠保持繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化率為常數(shù)，提高電機效率，且能增大電機的結(jié)構(gòu)阻尼，提高高速運行時的電磁轉(zhuǎn)矩，因此可以減小轉(zhuǎn)矩脈動、降低電機的噪聲和振動。所述轉(zhuǎn)子20也可同時采用這種結(jié)構(gòu)。進一步地，在一種實施方式中，所述定子的圓盤的厚度可以寬到能配合定子鐵芯上的隔磁窄槽、或者定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯上均具有的隔磁窄槽，降低電機的噪聲，如果這些隔磁窄槽內(nèi)還有金屬板，所述定子的圓盤的厚度要寬到能配合所述隔磁窄槽和所述銅板降低電機的噪聲。繼續(xù)參見附圖6，本發(fā)明遵循磁阻最小原理進行工作，即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合。當定子10某相繞組通電時，由于定子鐵芯13和轉(zhuǎn)子鐵芯23的數(shù)量不等，因此會產(chǎn)生不等的徑向磁路與切向磁路，所產(chǎn)生的磁場由于磁力線扭曲而產(chǎn)生切向磁拉力，試圖使相近的轉(zhuǎn)子極旋轉(zhuǎn)到其軸線與該定子極軸線對齊的位置，即磁阻最小位置，形成轉(zhuǎn)子20與定子10互相追逐的狀態(tài)，這種互相追逐的狀態(tài)和不等的磁路形成了凸極轉(zhuǎn)矩，從而推動轉(zhuǎn)子20轉(zhuǎn)動。進一步的，本發(fā)明由于采用軸向勵磁，其磁路具有特殊性。磁場在兩個定子鐵芯和轉(zhuǎn)子盤之間形成回路，磁通平面與轉(zhuǎn)子的運動方向相垂直，一個磁通回路里包含2個氣隙。當轉(zhuǎn)子極處于與勵磁磁極非對齊位置時，磁通回路將在氣隙剖面上發(fā)生切向扭曲，定轉(zhuǎn)子之間會產(chǎn)生了切向磁拉力，從而形成電機工作的有效電磁轉(zhuǎn)矩。除上述實施方案以外，該電機還可以設計成單定子、雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，或為雙定子、單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，或為雙定子雙轉(zhuǎn)子等多個轉(zhuǎn)子，或多個定子組成的多級連體電機。也可以根據(jù)需要，將電機設計成單相、二相，三相6/4極、12/8極，四相8/2極、8/6極、12/8極等，以此根據(jù)不同的電路控制技術控制不同級別的電機，使轉(zhuǎn)子獲得不同的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。本發(fā)明啟動轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，轉(zhuǎn)矩波動小，繼承了普通開關磁阻電機的優(yōu)點 轉(zhuǎn)子無永磁體，可允許有較高的溫升，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強振動環(huán)境。 損耗主要產(chǎn)生在定子，電機易于冷卻；電機調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩-速度特性，具有較高的功率；能四象限運行，具有較強的再生制動能力。本發(fā)明在現(xiàn)有盤式開關磁阻電機的基礎上，通過改進定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，提出了一種高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機，其能可減少極間漏磁和繞組電感，提高高速運行時的電磁轉(zhuǎn)矩，減小電機損耗，提高電機效率，增大電機的結(jié)構(gòu)阻尼，減少噪聲和振動。具體來說， 本發(fā)明通過在盤式開關磁阻電機的定、轉(zhuǎn)子磁極上添加隔磁窄槽和金屬板，尤其是銅板，降低材料溫升，減小損耗，提高電機效率，有效的減少了極間漏磁和繞組電感，可使磁通在定子或轉(zhuǎn)子上均勻分布，避免了局部飽和，能夠保持繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化率為常數(shù)， 增大了電機的結(jié)構(gòu)阻尼，提高高速運行時的電磁轉(zhuǎn)矩，因此可以減小轉(zhuǎn)矩脈動、降低電機的噪聲和振動。進一步采用軸向勵磁的盤式結(jié)構(gòu)，能使電機具有短軸、薄型的外型特征和較高的轉(zhuǎn)動慣量比，非常適合低速、大轉(zhuǎn)矩或者要求短軸安裝的應用場合。本發(fā)明為盤式開關磁阻電機，兼具了盤式電機的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和開關磁阻電機的性能優(yōu)勢。具有轉(zhuǎn)動慣量比高、軸向長度短、體積小和重量輕等優(yōu)點，可獲得與同功率徑向磁場電機相同的電氣性能。且其結(jié)構(gòu)簡單、效率高、控制方法靈活，可實現(xiàn)高效無極調(diào)速，非常適合應用到要求短軸、薄型安裝或低速、大轉(zhuǎn)矩的應用場合。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改變、改進或潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機，包含通過轉(zhuǎn)軸固定的定子和轉(zhuǎn)子，所述定子和所述轉(zhuǎn)子均為軛式圓盤環(huán)狀，所述定子和所述轉(zhuǎn)子均包含圓盤和形成于該圓盤上的鐵芯，所述定子的鐵芯上繞有集中式定子繞組，其特征在于所述定子的鐵芯內(nèi)沿徑向開有間隔的隔磁窄槽。
2.根據(jù)權利要求1所述的高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子的鐵芯內(nèi)也沿徑向開有間隔的隔磁窄槽。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機，其特征在于，所述隔磁窄槽內(nèi)嵌有金屬板。
4.根據(jù)權利要求3所述的高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機，其特征在于，所述金屬板為銅板。
5.根據(jù)權利要求1所述的高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機，其特征在于，所述定子的圓盤的厚度要寬到能配合所述隔磁窄槽降低電機的噪聲。
6.根據(jù)權利要求3所述的高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機，其特征在于，所述定子的圓盤的厚度要寬到能配合所述隔磁窄槽和所述金屬板降低電機的噪聲。
7.根據(jù)權利要求1所述的高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機，其特征在于，所述高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機采用12/8極結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高效率、大轉(zhuǎn)矩盤式開關磁阻電機，包含定子和轉(zhuǎn)子，所述定子和所述轉(zhuǎn)子均為軛式圓盤環(huán)狀，所述定子和所述轉(zhuǎn)子均包含圓盤和形成于該圓盤上的鐵芯，所述定子的鐵芯上繞有集中式定子繞組，所述定子的鐵芯內(nèi)沿徑向開有間隔的隔磁窄槽。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、效率高、控制方法靈活，可實現(xiàn)高效無極調(diào)速，非常適合應用到要求短軸、薄型安裝或低速、大轉(zhuǎn)矩的應用場合。
文檔編號H02K1/24GK102545412SQ20111042501
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權日2011年12月19日
發(fā)明者張迪, 曹書豪, 李鍵, 袁龍生, 趙朝會, 陳壘, 項峰 申請人:上海電機學院