專利名稱：一種帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的制作方法
一種帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，涉及是一種帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
開關(guān)磁阻電機(jī)不同于傳統(tǒng)交直流電機(jī)，它的主要工作原理是遵循“磁阻最小原 理”，依靠不同轉(zhuǎn)子位置的磁阻及電感變化來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。電機(jī)本體具有雙凸極結(jié)構(gòu)特 點，根據(jù)定轉(zhuǎn)子凸極數(shù)的不同可以將其做成兩相、三相、四相以及更高相數(shù)的磁阻電機(jī)，而 兩相4/2極、開關(guān)磁阻電機(jī)更適于應(yīng)用于高速和超高速驅(qū)動領(lǐng)域。
與其他類型高速電機(jī)比較，高速開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單堅固、可靠性高、容錯 能力強(qiáng)、調(diào)速性能優(yōu)異等顯著特點，非常適合應(yīng)用于高速驅(qū)動領(lǐng)域。由于兩相4/2極、開關(guān) 磁阻電機(jī)是轉(zhuǎn)子凸極數(shù)量最少的磁阻電機(jī)，而且具有最簡單的外部控制器結(jié)構(gòu)，使其更容 易實現(xiàn)高速和超高速運行。但是，現(xiàn)有兩相4/2極、開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)均不具有雙向 自啟動能力，而且具有較為突出的轉(zhuǎn)矩脈動問題，限制了它的應(yīng)用范圍。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題在于提供一種帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，采用該轉(zhuǎn) 子可實現(xiàn)兩相電機(jī)的雙向自啟動、減小轉(zhuǎn)矩脈動。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
一種帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，包括軸、轉(zhuǎn)子凸極和轉(zhuǎn)子軛，在兩個轉(zhuǎn) 子凸極上各開設(shè)一個凸極凹槽，兩個凸極凹槽相對稱，凸極凹槽由兩個相對稱的凹槽構(gòu)成， 在凸極凹槽內(nèi)設(shè)置其體積40 50%的軟磁材料。
當(dāng)轉(zhuǎn)子高速運行時，利用離心力使軟磁材料保持在凸極凹槽的一個凹槽內(nèi)；當(dāng)電 機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時，軟磁材料隨離心力方向而改變位置，保持在凸極凹槽的另一個凹槽內(nèi)。
所述的軟磁材料為高磁導(dǎo)率的軟磁材料顆粒。
所述的高磁導(dǎo)率的軟磁材料顆粒如高磁導(dǎo)率的軟磁合金材料、高磁導(dǎo)率的軟磁鐵 氧體或鐵鎳合金等。
所述通過軟磁材料影響轉(zhuǎn)子凸極邊緣氣隙部位的磁導(dǎo)和磁通變化，增加轉(zhuǎn)矩輸 出。
所述凸極凹槽的周向尺寸不小于轉(zhuǎn)子與定子凸極弧度之差。
所述凸極凹槽的截面為圓弧形，其外圓弧線的圓心與轉(zhuǎn)子凸極(2)的外圓弧線的 中心有一定的偏差，偏差量為1/2. 5 1/2倍的兩圓弧半徑差。
所述當(dāng)帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行疊片組裝時，其最兩端的轉(zhuǎn)子的 凸極凹槽用端蓋密封；或者最兩端的轉(zhuǎn)子不開凸極凹槽。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果
在定轉(zhuǎn)子凸極重合區(qū)域范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的高速開關(guān)磁阻電機(jī)定轉(zhuǎn)子間的氣隙磁導(dǎo)基 本不變或變化很小，致使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩很小，形成轉(zhuǎn)矩死區(qū)。若要使其具有更寬的電流導(dǎo)通區(qū)域，即實現(xiàn)任何轉(zhuǎn)子位置的自啟動，就必須盡量增加定轉(zhuǎn)子凸極重合位置的磁通變化， 以增加轉(zhuǎn)矩輸出。
現(xiàn)有改進(jìn)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大多通過改變轉(zhuǎn)子凸極形狀來增加定轉(zhuǎn)子重合區(qū)域的氣隙 磁導(dǎo)變化，盡管能夠起到一定作用，但很難實現(xiàn)電機(jī)正反向的對稱運行，而且不具有雙向自 啟動能力。
而本發(fā)明提供的帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，是在轉(zhuǎn)子凸極部位開設(shè)兩 個對稱的凸極凹槽，凸極凹槽中充滿約二分之一體積的高磁導(dǎo)率軟磁材料顆粒，軟磁材料 具有磁導(dǎo)率高、渦流效應(yīng)小等優(yōu)點，與普通硅鋼片配合利用，能夠?qū)崿F(xiàn)在適當(dāng)位置改變磁通 路徑和大小的作用。這樣通過軟磁材料影響轉(zhuǎn)子凸極邊緣氣隙部位的磁導(dǎo)和磁通變化，進(jìn) 而增加轉(zhuǎn)矩輸出。同時，在電機(jī)在高速運行時，這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠利用強(qiáng)離心力使軟磁材料 保持在半個凹槽內(nèi)，當(dāng)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時，軟磁材料隨離心力方向而改變位置，保持在另半個 凹槽內(nèi)。因此，軟磁材料在轉(zhuǎn)子凸極上的位置隨電機(jī)轉(zhuǎn)向變化而自動轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)雙向自啟動 能力。
本發(fā)明提供的帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子沒有改變凸極外圓尺寸，因此 不會影響其它電磁參數(shù)，如極弧系數(shù)等，因而不會降低平均輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)定子繞組通電 流后，會產(chǎn)生氣隙磁場，由于轉(zhuǎn)子凸極部位存在不同磁導(dǎo)率的三種材質(zhì)空氣、硅鋼材料、高 磁導(dǎo)率軟磁材料，使得在定轉(zhuǎn)子凸極重疊時的氣隙磁導(dǎo)時刻在變化，從而不斷產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這 樣電流導(dǎo)通范圍可以隨之?dāng)U大，同時一定程度上提高了轉(zhuǎn)矩波形的下限值，減小了轉(zhuǎn)矩脈 動。
使用本發(fā)明提供的轉(zhuǎn)子的高速開關(guān)磁阻電機(jī)在兩相、4/2極結(jié)構(gòu)下就能夠?qū)崿F(xiàn)雙 向自啟動能力，而且能夠增加輸出轉(zhuǎn)矩，提高運行效率，同時能夠降低轉(zhuǎn)矩脈動，減小電磁 振動和噪聲。這種特性能夠增加電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，更容易實現(xiàn)低噪聲和超高速運行，非常適合 于高速電主軸加工及離心壓縮機(jī)用電機(jī)。
使用本發(fā)明提供的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠大大簡化控制器結(jié)構(gòu)，降低控制系統(tǒng)的成本。


圖1為帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)示意圖2是帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)示意圖3是帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配示意圖。
其在，I為軸，2為轉(zhuǎn)子凸極，3為凸極凹槽，4為軟磁材料，5為轉(zhuǎn)子軛。
圖4是氣隙磁密波形的對比分析結(jié)果圖5是電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩波形分析結(jié)果圖6是電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩波形分析結(jié)果圖。
具體實施方式
下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而 不是限定。
參見圖1、圖2和圖3，一種帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，包括軸1、轉(zhuǎn)子凸 極2和轉(zhuǎn)子軛5，在兩個轉(zhuǎn)子凸極2上各開設(shè)一個凸極凹槽3，兩個凸極凹槽3相對稱(相對軸I對稱)，凸極凹槽3由兩個相對稱的凹槽構(gòu)成，在凸極凹槽3內(nèi)設(shè)置其體積40 50%的 軟磁材料4。
這樣，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速運行時，利用離心力使軟磁材料保持在凸極凹槽3的一個凹槽 內(nèi)；當(dāng)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時，軟磁材料隨離心力方向而改變位置，保持在凸極凹槽3的另一個凹 槽內(nèi)。
具體的，所述的軟磁材料4為高磁導(dǎo)率的軟磁材料顆粒(如高磁導(dǎo)率的軟磁合金 材料、高磁導(dǎo)率的軟磁鐵氧體或鐵鎳合金等)，通過軟磁材料影4響轉(zhuǎn)子凸極2邊緣氣隙部 位的磁導(dǎo)和磁通變化，增加轉(zhuǎn)矩輸出。
具體的，不改變現(xiàn)有轉(zhuǎn)子凸極2的外圓尺寸，凸極凹槽3的周向尺寸不小于轉(zhuǎn)子與 定子凸極弧度之差；
所述凸極凹槽3的截面弧形，進(jìn)一步為圓弧形，其外圓弧線的圓心與轉(zhuǎn)子凸極2的 外圓弧線的中心有一定的偏差，偏差量為1/2. 5 1/2倍的兩圓弧半徑差。
當(dāng)電機(jī)定子繞組通電流后，會產(chǎn)生氣隙磁場，由于轉(zhuǎn)子凸極部位存在不同磁導(dǎo)率 的三種材質(zhì)空氣、硅鋼材料、高磁導(dǎo)率軟磁材料，使得在定轉(zhuǎn)子凸極重疊時的氣隙磁導(dǎo)時 刻在變化，從而不斷產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這樣電流導(dǎo)通范圍可以隨之?dāng)U大，同時一定程度上提高了轉(zhuǎn) 矩波形的下限值，減小了轉(zhuǎn)矩脈動。
而當(dāng)帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行疊片組裝時，其最兩端的轉(zhuǎn)子的凸 極凹槽3用端蓋密封；或者最兩端的轉(zhuǎn)子不開凸極凹槽3，以免軟磁顆粒材料外漏。
高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配如下
將開設(shè)好凸極凹槽的轉(zhuǎn)子鐵芯疊片進(jìn)行表面絕緣處理后，疊裝后壓制成鐵芯，在 弧形槽內(nèi)填充一定量的軟磁顆粒，最后將端部兩片開設(shè)凸極凹槽的轉(zhuǎn)子沖片進(jìn)行疊裝，即 完成了轉(zhuǎn)子裝配。
將疊壓好的轉(zhuǎn)子裝入相應(yīng)開關(guān)磁阻電機(jī)定子中，即完成了電機(jī)的裝配。所裝配的 高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)用的兩相電機(jī)轉(zhuǎn)速高、具有雙向自啟動能力，且轉(zhuǎn)矩脈動小、控制 器結(jié)構(gòu)簡單，易維護(hù)，成本低。
通過有限元方法對所裝配的電機(jī)模型進(jìn)行了數(shù)值仿真計算。得到了與前述中一致 的效果。具體如下圖4為傳統(tǒng)4/2極、高速開關(guān)磁阻電機(jī)的氣隙磁密與采用本發(fā)明轉(zhuǎn)子裝 配的電機(jī)的氣隙磁密比較，可以看出，本發(fā)明的電機(jī)氣隙磁密波形有了很大的改善。
圖5、圖6分別為傳統(tǒng)4/2極、高速開關(guān)磁阻電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩波形與本發(fā)明轉(zhuǎn) 子裝配的電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩波形的比較，容易看出本發(fā)明轉(zhuǎn)子裝配的電機(jī)正轉(zhuǎn)時平均轉(zhuǎn) 矩輸出有所加大，而且轉(zhuǎn)矩脈動較??；反轉(zhuǎn)時，傳統(tǒng)電機(jī)存在轉(zhuǎn)矩死區(qū)；本發(fā)明轉(zhuǎn)子裝配的 電機(jī)不存在轉(zhuǎn)矩死區(qū)，而且轉(zhuǎn)矩脈動較小。
權(quán)利要求
1.一種帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，包括軸(I)、轉(zhuǎn)子凸極(2) 和轉(zhuǎn)子軛(5)，在兩個轉(zhuǎn)子凸極(2)上各開設(shè)一個凸極凹槽(3)，兩個凸極凹槽(3)相對稱， 凸極凹槽(3)由兩個相對稱的凹槽構(gòu)成，在凸極凹槽(3)內(nèi)設(shè)置其體積40 50%的軟磁材料⑷。
2.如權(quán)利要求1所述的帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速運行時，利用離心力使軟磁材料保持在凸極凹槽(3)的一個凹槽內(nèi)；當(dāng)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時， 軟磁材料隨離心力方向而改變位置，保持在凸極凹槽(3 )的另一個凹槽內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述的軟磁材料(4)為高磁導(dǎo)率的軟磁材料顆粒。
4.如權(quán)利要求3所述的帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述的軟磁材料(4)為高磁導(dǎo)率的軟磁鐵氧體或高磁導(dǎo)率的軟磁鐵鎳合金。
5.如權(quán)利要求1所述的帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，通過軟磁材料影(4)響轉(zhuǎn)子凸極(2)邊緣氣隙部位的磁導(dǎo)和磁通變化，增加轉(zhuǎn)矩輸出。
6.如權(quán)利要求1所述的帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述凸極凹槽(3)的周向尺寸不小于轉(zhuǎn)子與定子凸極弧度之差。
7.如權(quán)利要求1所述的帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述凸極凹槽(3)的截面弧形。
8.如權(quán)利要求1所述的帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述凸極凹槽(3)的截面為圓弧形，其外圓弧線的半徑小于轉(zhuǎn)子凸極(2)的外圓弧的半徑，且凸極凹槽(3)圓弧的圓心與轉(zhuǎn)子凸極(2)的外圓弧線的中心有一定的偏差，偏差量為1/2. 5 1/2 倍的兩圓弧半徑差。
9.如權(quán)利要求1所述的帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，其特征在于，當(dāng)帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行疊片組裝時，其最兩端的轉(zhuǎn)子的凸極凹槽(3)用端蓋密封；或者最兩端的轉(zhuǎn)子不開凸極凹槽(3)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶軟磁材料的高速開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子，包括軸、轉(zhuǎn)子凸極和轉(zhuǎn)子軛，在兩個轉(zhuǎn)子凸極上各開設(shè)一個凸極凹槽，兩個凸極凹槽相對稱，凸極凹槽由兩個相對稱的凹槽構(gòu)成，在凸極凹槽內(nèi)設(shè)置其體積40～50%的軟磁材料。本發(fā)明通過軟磁材料影響轉(zhuǎn)子凸極邊緣氣隙部位的磁導(dǎo)和磁通變化，進(jìn)而增加轉(zhuǎn)矩輸出。同時，在電機(jī)在高速運行時，這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠利用強(qiáng)離心力使軟磁材料保持在半個凹槽內(nèi)，當(dāng)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時，軟磁材料隨離心力方向而改變位置，保持在另半個凹槽內(nèi)。因此，軟磁材料在轉(zhuǎn)子凸極上的位置隨電機(jī)轉(zhuǎn)向變化而自動轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)雙向自啟動能力。
文檔編號H02K1/24GK103066722SQ20121053890
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者張海軍, 王曙鴻 申請人:西安交通大學(xué)