CN104079136A - 一种三相开关磁阻电机及正弦定子 - Google Patents

Abstract

一种三相开关磁阻电机及正弦定子，有若干个齿5、齿4按圆周状间隔排列且齿5齿身宽度是齿4齿身宽度的二倍或二倍以上。铁芯磁极分别由齿5为主、左右齿4为辅三齿排列组成，且三齿极弧面气隙呈正弦规律分布状。利用齿4是相与相磁极共有的特点，在换相中适时关断线圈中的电源电流所产生的有利的反电动势电流磁场，具有相与相极磁场融合交接的作用，产生相似于圆形旋转磁场的效果，从而进一步降低了电机的脉动现象，使得电机启动平稳，制造成本降低，噪声降低，能耗降低，效率、转矩进一步提高。

Description

一种三相开关磁阻电机及正弦定子

技术领域

本技术涉及电机领域，尤其是一种三相开关磁阻电机。 

背景技术

三相开关磁阻电机是电机的一种，其电机定子铁芯圆内设有凸形齿，单个凸齿绕成一个极，凸极在圆上均等分布。一相磁极为径向一对。一般是转子是4个凸极、定子是6个凸极或转子是6个凸极、定子是8个凸极或以上的双凸极开关磁阻电机，转子上仅仅是铁芯。通电时通过位置传感器、电子换向器对定子上的每一相线圈按顺序逐一通电，定子铁芯上产生三相对称的旋转磁场，分别带动转子旋转。 

目前对于采用位置传感器与电子换相器配套来控制运转的三相开关磁阻电机，由于电机双凸极结构的特点，相与相之间有一定距离，使电机产生脉动和噪音。其原因在于换相期间，尽管相上的开关已经关断，但由于电机绕组电感的存在，电流不可能一下减为零，总是会通过相应续流二极管进行续流，随之再衰减为零，产生负转矩。其次在非换相期间，电机相电流的变化也会引起电磁转矩脉动。 

目前对于电机转矩脉动减少的方法主要在增加定转子极数和优化控制策略上。 

发明内容

针对现有三相开关磁阻电机存在不足，本技术方案是通过改变电机定子形状，使极距变短、三齿极弧面气隙相似于呈正弦规律变化形状分布。利用齿4是相与相磁极之间共有的特点，换相中适时关断线圈中的电源电流所产生有利的反电动势电流磁场吸引转子转动，具有相与相极磁场融合交接的作用，产生相似于圆形旋转磁场的效果，使得三相磁阻电机在换相时电磁转矩不至于突变，电机运行平稳，噪声降低，效率、转矩有进一步提高。 

一种三相开关磁阻电机及正弦定子技术方案，包括定子9和转子凸极铁芯10。其中，有霍尔位置传感器安装于定子9机壳的一侧旁支架上与转子位置永久磁极12组成三相电子换相电路装置中的信号采样部分。 

请参考图1，一种三相开关磁阻电机及正弦定子技术方案，有若干个齿5与齿4按圆周状交替间隔排列且齿5齿身与齿4齿身轴中性线之间的圆弧距离相等，若干条A相槽6、B相槽7伴生于若干个齿5、齿4之间且槽面积相等，齿5齿身宽度是齿4齿身宽度的二倍或二倍以上。 

因为电机的功率大小不一样，齿5齿身宽度与齿4齿身宽度就根据电机功率大小形状确定。 

本技术方案中的定子9绕组铁芯磁极与转子凸极铁芯10之间的极弧面气隙14为非均匀气隙，是相似于按正弦规律变化的气隙。其中，定子中的齿5弧面是按正弦规律变化的机械形状弧面，齿5弧面气隙为中间气隙小、两端气隙大的正弦渐变气隙，即：以齿5齿身轴中性线为分界线沿齿5弧面向左右两端按正弦规律逐渐将气隙变大，齿4弧面气隙为均匀气隙且稍大于齿5弧面两端气隙。 

单个线圈的嵌法是极距一跨四包绕着以齿4、齿5、齿4三齿为一极，一相中若干单个线圈连接成一相绕组，每相绕组分别连接成若干对极对数相对称的磁极，每相中的每极铁芯分别由齿5为主、左右齿4为辅三齿排列组成且极弧面气隙呈正弦规律分布状。 

A相绕组1嵌在A相槽6里包绕着齿4、齿5、齿4三齿组成A相铁芯磁极11与相邻的B相绕组2嵌在B相槽7里包绕着齿4、齿5、齿4三齿组成B相铁芯磁极22与相邻的C相绕组3嵌在A相槽8里包绕着齿4、齿5、齿4三齿组成C相铁芯磁极33在空间位置上互为120°电角度。 

在齿4、齿5、齿4三齿排列组成的一极中，齿5为主齿，齿4为辅齿并为相与相磁极共有，齿5齿身宽度是齿4齿身宽度的二倍或二倍以上。增大齿5齿身、缩小齿4齿身宽度，一方面使极距变小，但一极总的铁芯磁密不变，极距变短，线圈就越小，定子线圈端部长度变短，线圈电阻小、损耗就减少；由于组成一极的齿数仅仅三齿，从电机整体来看，定子槽齿数越少，齿槽谐波量越少，损耗将进一步降低；由于采用齿5为主、左右齿4为辅三齿排列组成一极，极弧面气隙呈正弦规律分布状，使得在线圈通电中所产生的磁势波形更接近于正弦分布状。 

所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子，还配置三相电子换相电路控制装置，根据需要不同，可以采用闭环的、也可以采用开环的来控制。 

所述的定子9每相绕组连接成若干对极对数相对称的磁极，与转子凸极铁芯10极对数相同。凸极铁芯10上没有绕组和永久磁极。 

所述的转子位置永久磁极12是一个独立的永久磁极，与转子凸极铁芯10极对数相同且同轴同方位，其两者磁极在空间位置上互为0°电角度。 

所述的一种三相开关磁阻电机的构成可以有不同的定子槽数和转子极数。 

下表列出了几种定子槽数与转子极数的对应关系。 

定子齿槽数	12	24	36	48	60
						转子极数	2	4	6	8	10

不仅仅只有上述这些对应关系，还可以按照定子槽数是转子极数六倍的比例继续延伸定子与转子的对应关系。 

所述的定子9铁芯槽口宽度为2mm至3mm。 

转子凸极铁芯10上的一极极距为(0.38～0.42)×πD/P。D为转子直径，P为转子极数。 

为了确定转子凸极铁芯10位置，采用在三相互为120°电角度的极轴中性线处设一位置传感器。 

三个位置传感器分别依次设在A相铁芯磁极11、B相铁芯磁极22、C相铁芯磁极33的极轴中性线处。 

A相磁敏位置传感器控制B相绕组2，B相磁敏位置传感器控制C相绕组3，C相磁敏位置传感器控制A相绕组1，一环扣一环地控制。 

当电机转子旋转时，永久磁极N极和S极轮流通过霍尔元件H1、H2、H3，因而产生对应转子位置的三个正的和三个负的霍尔电势，经放大后控制场效应管导通，使三相定子绕组轮 流切换电流。 

位置传感器不仅仅是磁敏传感器；光敏位置传感器、或利用定子9每相绕组上的电感量大小同样可以确定转子凸极铁芯10的位置。 

所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子可以为内定子或外定子。 

所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子外形可以为方形或圆形。 

所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子可以为电动机或发电机。 

所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子可以为直线电机。 

所述的直线电机定子结构可以看成是一台旋转的一种三相开关磁阻电机按径向剖开并展成平面而成。 

基于这样一种设计方案，可以想象到三相与四相等多相开关磁阻电机及正弦定子设计的基本思路是一样的。 

在所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子中，齿4、齿5、齿4三齿组成一极，三齿机械极弧面呈正弦规律分布状，极弧面气隙亦呈正弦规律分布状，线圈通电时所产生的气隙磁势波形亦接近于正弦波形。增大齿5齿身、缩小齿4齿身宽度，使极距变短，但一极总的铁芯磁密不变，极距变短，线圈就越小，定子线圈端部长度变短，线圈电阻小、损耗就减少；由于组成一极的齿数仅仅三齿，从电机整体来看，定子槽齿数越少，齿槽谐波量越少，损耗将进一步降低，齿槽定位力矩将越小。 

在所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子中，齿5为主齿，齿4为辅齿并为相与相磁极共有。利用齿4是相与相磁极之间共有的特点，在换相时关断定子9绕组中的电源电流所产生的反电动势电流磁场吸引转子凸极铁芯10转动，具有相与相极磁场融合交接的作用。由于采用齿5为主、左右齿4为辅三齿排列组成一极，极弧面气隙呈正弦规律分布状，使得在线圈通电中所产生的电磁磁势波形更接近于正弦分布状，产生相似于圆形旋转磁场的效果。 

采用本技术方案优点在于：①每相每极以齿5为主、左右齿4为辅三齿排列组成且极弧面气隙呈正弦规律分布状，具有良好的正弦波磁势波形，利用齿4是相与相磁极之间共有的特点，在换相时关断定子9绕组中的电源电流所产生的反电动势电流磁场吸引转子凸极铁芯10转动，产生相似于圆形磁场的效果，具有相与相磁场融合交接的作用。相比于同规格的现有三相开关磁阻电机，进一步降低了电磁脉动和噪音，同时进一步降低了能耗。②线圈嵌线简单，可以用嵌线机整体嵌入，减少人工操作强度。 

附图说明

图1是一种三相开关磁阻电机及正弦定子的定子、转子展开结构示意图。 

图1A是一种三相开关磁阻电机及正弦定子四极实施例示意图。 

图1B是一种三相开关磁阻电机及正弦定子、转子四极实施例示意图。 

图2是一种三相开关磁阻电机及正弦定子三相换相主电路。 

图3是一种三相开关磁阻电机及正弦定子的电机总装结构示意图。 

图中：1是A相绕组、2是B相绕组、3是C相绕组、4是齿、5是齿、6是A相槽、7是B相槽、8是C相槽、9是定子、10是转子凸极铁芯、11是A相铁芯磁极、12是转子位置永久磁极、13是支架、14是气隙、22是B相铁芯磁极、33是C相铁芯磁极。 

具体实施例

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。 

请参考图3，一种三相开关磁阻电机及正弦定子，包括定子9、转子凸极铁芯10等。其中，有霍尔位置传感器安装于定子9铁芯机壳的一侧旁与转子位置永久磁极12组成三相电子换相电路装置中的信号采样部分。 

请参考图1A，一种三相开关磁阻电机及正弦定子四极模型，有二十四齿二十四槽，材料是高导磁矽钢片或硅钢片。 

二十四槽分为八条A相槽6、八条B相槽7、八条C相槽8且槽面积相等，槽中分别嵌有A相绕组1、B相绕组2、C相绕组3。 

二十四齿均分为十二个齿5、十二个齿4按圆周状交替间隔排列，齿5齿身与齿4齿身轴中性线之间的圆弧距离相等，齿5齿身宽度是齿4齿身宽度的二倍或二倍以上。 

本例中，以齿5齿身宽度为6mm、齿4齿身宽度为2.6mm设计。 

定子9绕组铁芯磁极与转子凸极铁芯10之间的极弧面气隙14为非均匀气隙，是相似于按正弦规律变化的气隙。其中，齿5弧面是按正弦规律变化的机械形状弧面，齿5弧面气隙为正弦渐变气隙，中间气隙最小、两端气隙最大，即：以齿5齿身轴线为分界线沿齿5弧面向左右两端逐渐将气隙变大，齿4弧面气隙为均匀气隙，比齿5弧面气隙稍大。 

单个线圈的嵌法是极距一跨四包绕着齿4、齿5、齿4三齿为一极，A相绕组1嵌在八个A相槽6里包绕着齿4、齿5、齿4三齿组成四个A相铁芯磁极11与相邻的B相绕组2嵌在八个B相槽7里包绕着齿4、齿5、齿4三齿组成四个B相铁芯磁极22与C相绕组3嵌在八个C相槽8里包绕着齿4、齿5、齿4三齿组成四个C相铁芯磁极33在空间位置上互为120°电角度，四个A相铁芯磁极11、四个B相铁芯磁极22、四个C相铁芯磁极33极弧面分别由齿5为主、左右齿4为辅三齿排列组成且极弧面气隙呈正弦规律分布状。 

所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子，还配置三相电子换相电路控制装置，根据需要不同，可以采用闭环的、也可以采用开环的来控制。 

所述的定子9每相绕组分别连接成对称的N/S/N/S四个磁极。 

所述的转子上设有四个凸极铁芯10，凸极铁芯10上没有绕组，也没有永久磁极。 

请参考图1B，所述的转子位置永久磁极12设有N/S/N/S四个磁极，与四个凸极铁芯10同轴同方位，即：在空间位置上互为0°电角度，并且极弧度相等。 

所述的一种三相开关磁阻电机的构成可以有不同的定子槽数和转子极数。 

下表列出了几种定子槽数与转子极数的对应关系。 

定子齿槽数	12	24	36	48	60
						转子极数	2	4	6	8	10

不仅仅只有上述这些对应关系，还可以按照定子槽数是转子极数六倍的比例继续延伸定子与转子的对应关系。 

所述的定子9槽口宽度为2mm至3mm。 

请参考图1B，所述的转子凸极铁芯10一极极距为(0.38～0.42)×πD/P。D为转子直径，P为转子极数。 

请参考图2，所述的定子绕组为三相三角形接法，采用三相电子换相开环或闭环电路装置控制。 

请参考图3，所述的定子9机壳上按有支架13，支架13上设三个霍尔元件H1、H2、H3，与三相霍尔元件径向所对应的是转子位置永久磁极12。 

所述的霍尔元件H1、H2、H3三者的轴中性线相隔机械角互为30°，与相隔机械角互为30°的A相铁芯磁极11、B相铁芯磁极22、C相铁芯磁极33轴中性线方位一致。 

这里所述的以齿5为主、左右齿4为辅三齿排列组成一极与以齿4、齿5、齿4三齿排列组成一极是指同一概念。 

所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子应用广泛，通用性较强，可用于工业自动化控制领域，如伺服电机，电动车电机，各种风机等等。 

需要说明的是：各种极数不同的电机有其工作的最佳点。 

需要说明的是：本所述实施例为本发明的优选项目，但发明并不仅限于实施例，任何在本发明实质内容下的改进、替换或变换均属于本发明保护的范围。 

Claims (7)

1.一种三相开关磁阻电机及正弦定子，包括三相互为120°电角的定子铁芯绕组、转子凸极铁芯及其位置传感器等电子换相装置，其特征在于：所述的转子上设有若干对凸极铁芯(10)和若干对N/S极转子位置永久磁极12，所述的定子(9)有若干个齿(5)与齿(4)按圆周状交替间隔排列且齿(5)齿身与齿(4)齿身轴中性线间的圆弧距离相等，若干条相等的槽伴生于齿(5)与齿(4)之间且在均等的槽里嵌有三相绕组，每相绕组分别连接成若干N/S极对称的磁极并在磁极铁芯上设有三相位置传感器，每相绕组中的每极铁芯分别由齿(4)、齿(5)、齿(4)三齿排列组成且极弧面气隙呈正弦规律分布状，其中，每相绕组磁极数与转子凸极铁芯(10)极数相同或定子(9)槽数是转子凸极铁芯(10)极数的六倍，即：定子槽齿数与转子极数有下列对应关系，

定子齿槽数 12 24 36 48 60 转子极数 2 4 6 8 10

2.根据权利要求1所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子，其特征在于：所述的三相绕组为A相绕组(1)嵌在A相槽(6)里包绕着齿(4)、齿(5)、齿(4)三齿组成A相铁芯磁极(11)与相邻的B相绕组(2)嵌在B相槽(7)里包绕着齿(4)、齿(5)、齿(4)三齿组成B相铁芯磁极(22)与相邻的C相绕组(3)嵌在C相槽(8)里包绕着齿(4)、齿(5)、齿(4)三齿组成C相铁芯磁极(33)在空间位置上互为120°电角度。

3.根据权利要求1或2所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子，其特征在于：所述的齿5弧面是按正弦规律变化的机械形状弧面，齿(5)弧面气隙为中间气隙小两端气隙大的正弦渐变气隙，齿(4)弧面气隙为均匀气隙且稍大于齿(5)弧面两端气隙。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子，其特征在于：所述的齿(5)齿身宽度是齿(4)齿身宽度的二倍或二倍以上。

5.根据权利要求1所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子，其特征在于：所述的转子凸极铁芯(10)一极极距为(0.38～0.42)×πD/P。

6.根据权利要求1所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子，其特征在于：所述的转子凸极铁芯(10)极对数与转子位置永久磁极(12)极对数相同且同轴，其两者磁极位置在空间上互为0°电角度。

7.根据权利要求1或7所述的一种三相开关磁阻电机及正弦定子，其特征在于：所述的三相位置传感器为霍尔位置传感器H1、H2、H3，在空间位置上互为120°电角度，其霍尔位置传感器H1、H2、H3轴中性线与空间位置互为120°电角度的A相铁芯磁极(11)、B相铁芯磁极(22)、C相铁芯磁极(33)的轴中性线方位一致。