一種短端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種短端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 開關(guān)磁阻電機(jī)遵循磁通總是要沿著磁導(dǎo)最大的路徑閉合的原理，由磁拉力作用產(chǎn) 生具有磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固。定子線圈嵌裝容易，端部牢固， 熱耗大部分在定子，易于冷卻；轉(zhuǎn)子無永磁體，可有較高的最大容許溫升，轉(zhuǎn)子上沒有繞組， 成本低，電動(dòng)機(jī)可高速旋轉(zhuǎn)而不會(huì)導(dǎo)致變形，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，易于加、減速度；繞組電流 可通過續(xù)流二極管續(xù)流，并回饋電能給電源，具有再生作用；開關(guān)磁阻電機(jī)在寬廣的轉(zhuǎn)速和 功率范圍內(nèi)均具有高輸出和高效率，非常適合高速運(yùn)行W及在惡劣的環(huán)境中。
[0003] 常規(guī)開關(guān)磁阻電機(jī)定子繞組有整距繞組或集中繞組，轉(zhuǎn)子采用齒極結(jié)構(gòu)。此種結(jié) 構(gòu)的電機(jī)內(nèi)部磁通回路長，鐵耗和滿流損耗較大，各繞組的磁通回路的路徑相互重疊，導(dǎo)致 定子或轉(zhuǎn)子某一處斷裂時(shí)對(duì)電機(jī)磁路影響大，容錯(cuò)能力差；高速時(shí)，由于轉(zhuǎn)子齒極結(jié)構(gòu)，導(dǎo) 致轉(zhuǎn)子的風(fēng)阻大，電機(jī)損耗增加?，F(xiàn)有分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)不能在繞組利用率較高的情況 下同時(shí)解決電機(jī)脈動(dòng)大，繞組端部長和磁路長的問題。常規(guī)開關(guān)磁阻電機(jī)采用不對(duì)稱半橋 電路結(jié)構(gòu)，每相需要的兩個(gè)控制開關(guān)管和兩個(gè)續(xù)流二極管，電機(jī)的平均每相的控制成本較 局。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種短端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)及其控 制電路，本發(fā)明可W實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)磁通路徑短，同時(shí)繞組端部短，而且能夠比傳統(tǒng)開關(guān)磁 阻電機(jī)鐵磁材料更加節(jié)省，電機(jī)損耗更少，效率更高，電機(jī)輸出力波動(dòng)更小，平均每相可控 開關(guān)管和續(xù)流二極管的數(shù)目少，成本低。 陽〇化]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 一種短端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)，包括電機(jī)定子和分塊式電機(jī)轉(zhuǎn)子，定子 包括定子鐵忍和繞組，轉(zhuǎn)子部分包括轉(zhuǎn)子疊壓鐵忍和非導(dǎo)磁框架，其中，定子鐵忍上均勻分 布有多個(gè)定子齒，定子繞組為集中繞組結(jié)構(gòu)，纏繞于定子齒上，轉(zhuǎn)子疊壓鐵忍均勻分布于 定子齒內(nèi)側(cè)，內(nèi)嵌于非導(dǎo)磁框架內(nèi)部，非導(dǎo)磁框架的中屯、處設(shè)置有轉(zhuǎn)軸；在電機(jī)運(yùn)行過程 中，電機(jī)通電相至少有兩相且該兩相相鄰，電機(jī)內(nèi)磁場路徑由運(yùn)相鄰兩相定子齒和該兩相 定子齒之間的定子輛部、轉(zhuǎn)子疊壓鐵忍和氣隙組成。
[0007] 所述轉(zhuǎn)子疊壓鐵忍可采用類扇形或U形結(jié)構(gòu)。
[0008] 進(jìn)一步的，所述電機(jī)通電相根據(jù)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置確定，兩相通電電流大小 相等，形成的磁場相互串聯(lián)即兩通電相產(chǎn)生的主磁通沿相同的路徑形成回路，在回路中兩 通電相產(chǎn)生的主磁場方向相同。
[0009] 所述電機(jī)相數(shù)為奇數(shù)且大于等于5。
[0010] 所述定子極數(shù)為電機(jī)相數(shù)的整數(shù)倍，且兩者并不相同，電機(jī)相數(shù)和電機(jī)定子極數(shù) 關(guān)系為：N = KXM ;K = 2, 3, 4, 5, 6"'M為電機(jī)相數(shù)。 W11]所述電機(jī)轉(zhuǎn)子極數(shù)為整數(shù)，H二KX其中，K=2, 3, 4, 5,6…，M為電機(jī)相數(shù)。
[0012] 所述定轉(zhuǎn)子含有非導(dǎo)磁材料，可通過非導(dǎo)磁材料密度改變轉(zhuǎn)子特性。
[0013] 一種用于控制上述電機(jī)的控制電路，包括多個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂直接連接在電源母 線或直流母線上，每個(gè)橋臂上的兩個(gè)器件之間由導(dǎo)線引出和電機(jī)繞組的一端相連，相應(yīng)電 機(jī)控制主電路的橋臂個(gè)數(shù)與電機(jī)相數(shù)相同，有一相橋臂包括兩個(gè)相互串聯(lián)的可控開關(guān)管， 其他橋臂包括相互串聯(lián)的一個(gè)可控開關(guān)器件和一個(gè)二極管。
[0014] 進(jìn)一步的，由一個(gè)可控制開關(guān)管和一個(gè)二極管串聯(lián)組成的橋臂中，二極管正極與 母線低電壓端相連否則負(fù)極與母線高電壓端相連。
[0015] 由一個(gè)可控制開關(guān)管和一個(gè)二極管串聯(lián)組成的橋臂中，二極管正極與母線低電壓 端相連的橋臂數(shù)和二極管負(fù)極與母線高電壓端相連的橋臂數(shù)相同。
[0016] 所述橋臂分為=類，兩個(gè)相互串聯(lián)的器件均為可控開關(guān)管的橋臂；一個(gè)可控制開 關(guān)管和一個(gè)二極管串聯(lián)組成的橋臂且二極管正極與母線低電壓端相連；一個(gè)可控制開關(guān)管 和一個(gè)二極管串聯(lián)組成的橋臂且二極管負(fù)極與母線高電壓端相連，與電機(jī)相鄰繞組相連的 橋臂不能是同一類橋臂。
[0017] 一種短端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)，包括上述短端部短磁路分塊式開關(guān) 磁阻電機(jī)和控制電路。
[0018] 本發(fā)明的工作原理為：
[0019] 根據(jù)磁阻最小原理，通過檢測電機(jī)定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置來決定電機(jī)通電相，使電機(jī)繞 組產(chǎn)生的磁場通過定轉(zhuǎn)子形成回路并產(chǎn)生磁拉力。本發(fā)明采用集中繞組端部短，端部銅耗 小，運(yùn)行時(shí)，根據(jù)定轉(zhuǎn)子位置，使電機(jī)相鄰兩相導(dǎo)通，產(chǎn)生磁場，磁場通過導(dǎo)通相的定子齒、 兩相定子齒之間的定子輛部、氣隙、一個(gè)分塊轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)形成主回路。由于磁場經(jīng)過的為 相鄰的定子齒和轉(zhuǎn)子的一個(gè)分塊的導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，磁路短，端部短，鐵耗和端部銅耗同時(shí)得到較 大的減小。
[0020] 本發(fā)明的有益效果是：
[0021] 1.電機(jī)轉(zhuǎn)子采用分塊式的結(jié)構(gòu)，節(jié)約導(dǎo)磁材料的用量，減少電機(jī)材料成本。同時(shí)轉(zhuǎn) 子中采用了非導(dǎo)磁材料，可W減少電機(jī)的整體密度。在相同體積下，電機(jī)更加輕。
[0022] 2.電機(jī)磁路短，鐵耗小，效率更高。
[0023] 3.本電機(jī)采用集中繞組，定子繞組在端部無交疊，端部用銅量較少，可靠性能更 局。
[0024] 4.電機(jī)運(yùn)行時(shí)，相鄰兩相同時(shí)通電斷電，提高電機(jī)氣隙磁場寬度，提高電機(jī)輸出轉(zhuǎn) 矩，增高電機(jī)力密度。
[00對(duì) 5.采用同S相橋式電路類似的M相橋式電路，減小平均每相的開關(guān)管數(shù)目，平均 每相控制成本小。 陽0%] 6.電機(jī)相數(shù)較多，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。
【附圖說明】
[0027] 圖1(a)是本發(fā)明的一種五相定子10極，轉(zhuǎn)子的疊壓鐵忍采用類扇形的短端部短 磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0028] 圖1化）是本發(fā)明的一種五相定子10極，轉(zhuǎn)子的疊壓鐵忍采用U形結(jié)構(gòu)的短端部 短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)圖； 陽029] 圖2是本發(fā)明的一種五相短端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)的控制主電路拓?fù)?結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖3是本發(fā)明的一種五相10極，轉(zhuǎn)子的疊壓鐵忍采用類扇形的短端部短磁路分塊 式開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組電流參考方向標(biāo)定結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖4是本發(fā)明的一種五相短端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)的控制主電路拓?fù)?結(jié)構(gòu)與電機(jī)繞組連線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖5是本發(fā)明的一種定子10極的短端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)的定子部分 的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖6是本發(fā)明的一種短端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子分塊式導(dǎo)磁材料 的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖7(a)是本發(fā)明的一種五相定子10極，轉(zhuǎn)子的疊壓鐵忍采用類扇形的短端部短 磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)在本發(fā)明的控制主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下A、B兩相導(dǎo)電時(shí)電流 流向示意圖；
[0035] 圖7(b)是本發(fā)明的一種五相定子10極，轉(zhuǎn)子的疊壓鐵忍采用類扇形的短端部短 磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)在本發(fā)明的控制主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下電機(jī)內(nèi)部磁力線示意 圖；
[0036] 圖8是本發(fā)明的一種五相短端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)的一種各相導(dǎo)電方 式的不意圖；
[0037] 圖9(a)是本發(fā)明的一種屯相定子14極，轉(zhuǎn)子的疊壓鐵忍采用類扇形的短端部短 磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0038] 圖9(b)是本發(fā)明的一種屯相定子14極，轉(zhuǎn)子的疊壓鐵忍采用U形結(jié)構(gòu)的短端部 短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)圖
[0039] 圖10是本發(fā)明的一種屯相定子14極，轉(zhuǎn)子的疊壓鐵忍采用U形結(jié)構(gòu)的短端部短 磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)的兩相導(dǎo)電時(shí)的電機(jī)內(nèi)部磁力線示意圖；
[0040] 圖11是本發(fā)明的一種五相短端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩仿真示意 圖；
[0041] 圖12是本發(fā)明的一種屯相短端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩仿真示意 圖；
[0042] 其中，1、軸承，2、轉(zhuǎn)子鐵忍，3、轉(zhuǎn)子非導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)框架，4、勵(lì)磁繞組，5、定子鐵忍，6、 定子內(nèi)徑圓弧，7、轉(zhuǎn)子外徑圓弧，8、定轉(zhuǎn)子間的氣隙。
【具體實(shí)施方式】：
[0043] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0044] 短端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)是一個(gè)多相電機(jī)，該電機(jī)定子極數(shù)為偶數(shù)， 電機(jī)相數(shù)為M，電機(jī)定子極數(shù)為N，電機(jī)相數(shù)和電機(jī)定子極數(shù)關(guān)系為：N=KXM;K= 2,3,4,5,6…。其中電機(jī)相數(shù)M>5且為奇數(shù)。轉(zhuǎn)子分塊式導(dǎo)磁材料個(gè)數(shù)即轉(zhuǎn)子極數(shù)
;廂端部短磁路分塊式開關(guān)磁阻電機(jī)的一種控制主電路包括若干個(gè)橋臂，橋 臂是由兩個(gè)相互串聯(lián)的可控開關(guān)器件或二極管器件組成，橋臂直接連接在電源母線或直流 母線上，電機(jī)控制主電路的橋臂個(gè)數(shù)W與相應(yīng)電機(jī)相數(shù)M的關(guān)系為：W = M。其中至多W-I 個(gè)橋臂由一個(gè)可控制開關(guān)管和一個(gè)二極管串聯(lián)組成，其中二極管方向?yàn)檎龢O與母線低電壓 端相連否則負(fù)極與母線高電壓端相連，至少一個(gè)橋臂由兩個(gè)可控制開關(guān)管組成。每個(gè)橋臂 上的兩個(gè)器件之間由導(dǎo)線引出和電機(jī)相繞組的一端相連，若該橋臂與母線高壓端相連的為 可控開關(guān)管與母線低壓端相連的為二極管則為正向電流輸出橋臂（AU C3)，若該橋臂與母 線高壓端相連的為二極管與母線低壓端相連的為可控開關(guān)管則為負(fù)向電流輸出橋臂度2、 E5)，若該橋臂與母線高壓端相連的為可控開關(guān)管與母線低壓端相連的也為可控開關(guān)管則 為正負(fù)向電流輸出橋臂