專利名稱：混合勵磁軸向磁場盤式開關磁阻電機的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于開關磁阻電機，尤其涉及一種采用永磁勵磁和電流勵磁混合勵磁軸向磁場盤式開關磁阻電機。
背景技術：
開關磁阻電機是上世紀70年代開始研制的一種新型的交流調速系統，由于其結構簡單、成本低廉、運行可靠、起動電流小、控制方法靈活、無級調速、調速范圍廣、可高速運行、可低速直接驅動運行等優良性能，已受到當代電氣傳動的關注，在工業調速系統中的應用也越來越廣泛。軸向磁場盤式電機具有轉動慣量比高、功率轉矩比高、軸向長度短、體積小和重量輕的特點，特別適合于要求短軸、薄型安裝或低速大轉矩的應用場合，從本世紀70年代以來得到了大力發展。將軸向磁場盤式結構應用于開關磁阻電機，就構成了軸向磁場 盤式開關磁阻電機，該種電機兼具盤式電機和開關磁阻電機的優勢，具有很好的應用價值。軸向磁場盤式開關磁阻電機在本質上還是開關磁阻電機，不但具有開關磁阻電機的優點，同時具有開關磁阻電機固有的缺點，即轉矩脈動大、震動噪聲高、功率密度和轉矩密度也相對較低，電流波形巔峰值大，這諸多缺點限制了該種電機的廣泛應用。針對開關磁阻電機的缺陷，對徑向磁場開關磁阻電機進行了諸多該進，文獻I在定子槽口處加永磁體，提高了電機的功率密度和轉矩密度，提高了電機的運行效率，降低了電機的振動及噪聲，文獻2在轉子槽口處放置永磁體，提高了電機的功率密度和轉矩密度。目前為止未見針對軸向磁場盤式開關磁阻電機通過放置永磁體進行性能改進的報道。
發明內容本實用新型的目的就是為了解決現有技術的軸向磁場盤式開關磁阻電機存在的轉矩脈動大、振動噪聲高、功率密度和轉矩密度也相對較低，電流波形巔峰值大的問題；提供一種混合勵磁軸向磁場盤式開關磁阻電機；具有電機運行效率高，電機振動及噪聲低，以及電機的功率密度和轉矩密度高的優點。為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案一種混合勵磁軸向磁場盤式開關磁阻電機，包括定子盤和轉子盤，定子盤包括定子軛盤、定子極，轉子盤包括轉子軛盤、轉子極，轉子極均勻分布于轉子軛盤上，定子極均勻分布于定子軛盤的圓周處，每個定子極上設有一個定子線圈，定子線圈之間連接組成多相繞組，在相鄰的兩個定子極之間設有槽口，在槽口處設有永磁體，永磁體位于定子線圈外部的上方，永磁體的充磁方向為切向，每個定子極兩邊的永磁體充磁方向相反。定子各相繞組電流大小和方向隨轉子位置的變化而變化。本實用新型的工作原理本實用新型包括定子盤和轉子盤，定子盤包括定子軛盤、Ns個定子極及定子極上的定子線圈(Ns為自然數)，相鄰定子極之間的槽口位置處設有相同結構尺寸的永磁體，永磁體置于線圈的上方，永磁體的充磁方向為切向充磁，每一定子極兩邊槽口處的磁體充磁方向相反，定子線圈之間相互連接組成m相繞組，因此線圈個數、永磁體個數及定子極數相同都是Ns。轉子盤包括轉子軛盤、Nr個轉子極，定子繞組相數m、定子極數Ns和轉子極數Nr三者按照普通開關磁阻電機三者之間關系匹配。本電機轉子盤的轉動靠定子極和轉子極之間的磁場吸引力來實現，當定子極中的線圈通電時，該定子極與相應轉子極之間的磁場不但由該定子線圈電流產生，而且由定子中的永磁體產生，相當于較小的定子線圈電流可以在電機定轉子極間產生很大的磁場，從而產生一個很大的電磁吸力，使電機產生很大的轉矩力；反過來，產生相等的轉子齒驅動力，由于永磁磁場的作用，定子線圈中的電流可以很小。當轉子齒轉過一定的角度后，再斷開當前線圈中的電流，接通相鄰定子極上的線圈電流，該定子極又會通過電磁吸力吸引另一轉子極。這樣通過檢測轉子極轉動的位置，實時導通、斷開相關的定子極線圈中的電流，保證轉子不同齒的連續電磁吸引力，從而保證電機的連續旋轉。本實用新型的有益效果I.能夠實時導通、斷開相關的定子極線圈中的電流，保證轉子不同齒的連續電磁吸引力，保證電機的連續平穩旋轉；2.電機運行效率高，電機振動及噪聲低，電機的功率密度和轉矩密度高。
圖I為本實用新型3相6/4極混合勵磁軸向磁場盤式開關磁阻電機整體結構示意圖；圖2為圖I定子盤結構示意圖；圖3為圖I轉子盤結構示意圖；圖4為圖I平面展開示意圖；圖5為現有技術3相6/4極軸向磁場盤式開關磁阻電機A相繞組通電轉子受力轉動示意圖；圖6為圖IA相繞組通電轉子受力示意圖；圖7為現有技術軸向磁場盤式開關磁阻電機磁場工作點范圍示意圖；圖8為本實用新型磁場工作點范圍示意圖；圖9為現有技術兩關鍵位置處的磁鏈與電流關系曲線示意；圖10為本實用新型兩關鍵位置處的磁鏈與電流關系曲線示意；圖中，I定子軛盤；2定子極,21定子極I , 22定子極II, 23定子極III, 24定子極IV,25定子極V，26定子極VI ；3定子線圈，311定子線圈I，312定子線圈II，321定子線圈III，322定子線圈IV, 331定子線圈V, 332定子線圈VI ；4永磁體；41永磁體I ,42永磁體II ,43永磁體III,44永磁體IV,45永磁體V,46永磁體VI46 ;5，轉子軛盤；6,轉子極；61轉子極I ,62轉子極II，63轉子極III，64轉子極IV。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明。一種混合勵磁軸向磁場盤式開關磁阻電機，結合圖I至圖10，包括定子盤和轉子盤，定子盤包括定子軛盤I、定子極2，轉子盤包括轉子軛盤5、轉子極6，轉子極均勻分布于轉子軛盤上，定子極均勻分布于定子軛盤的圓周處，每個定子極上設有一個定子線圈，定子線圈之間連接組成多相繞組，在相鄰的兩個定子極之間設有槽口，在槽口處設有永磁體，永磁體位于定子線圈外部的上方，永磁體的充磁方向為切向，每個定子極兩邊的永磁體充磁方向相反。定子極2包括定子極I 21，定子極II 22，定子極III23，定子極IV 24，定子極V 25，定子極VI 26共六個；定子線圈3包括定子線圈I 311,定子線圈II 312,定子線圈III 321,定子線圈IV 322,定子線圈V 331,定子線圈VI 332共六個；永磁體4包括永磁體I 41,永磁體
II42，永磁體III 43，永磁體IV 44，永磁體V 45，永磁體VI 46共六個；轉子極6包括轉子極I 61,轉子極II 62,轉子極III 63,轉子極IV 64共四個。因此,該電機定子有六個定子極、六個定子線圈和六塊永磁體，形成了 3相6/4極混合勵磁軸向磁場盤式開關磁阻電機定子盤，永磁體的充磁方向如圖2中的箭頭方向；3相6/4極混合勵磁軸向磁場盤式開關磁阻電機轉子盤由轉子軛盤5及其上的四個轉子極構成，如圖3所示。定子六個定子線圈相對的兩個線圈同時相互串聯或同時相互并聯組成3相繞組。3相6定子極、轉子極符合常規開關磁阻電機相數、定子極數和轉子極數之間的關系。定子各相繞組電流大小和方向隨轉子位置的變化而變化。為了說明本實用新型的有效性，將本實用新型電機切開展平。圖4為3相6/4極混合勵磁軸向磁場開關磁阻電機的平面展開圖。從圖中看出六塊永磁體位于定子盤的極口處，而且一個極兩邊的永磁體充磁方向相反，如圖4中永磁體上的箭頭方向。顯然定子線圈I 311和定子線圈II 312屬于一相繞組,定義為A相繞組；定子線圈III 321和定子線圈IV 322屬于一相繞組,定義為B相繞組；定子線圈V 331和定子線圈VI 332屬于一相繞組，定義為C相繞組，每一相的兩個線圈可以串聯或并聯。圖5為普通3相6/4極軸向磁場盤式開關磁阻電機A相繞組通電轉子受力轉動示意圖，圖5中，η箭頭方向為轉子盤受力后的轉動方向，此時電機定子中沒有永磁體。如A相繞組通電，即定子線圈1311和定子線圈II 312通電,線圈中的電流方向如圖5線圈中的 和X (下同)，因此會產生從定子極I 21到轉子極I 61的磁場和從定子極IV 24和轉子極III63之間的磁場，磁場方向如圖5中定子極轉子極之間的實線箭頭方向，顯然，在該磁場作用下，轉子極I 61受到定子極I 21的電磁吸力，轉子極III 63受到定子極IV 24的電磁吸力，使轉子盤按圖5中η箭頭的指示方向轉動。在轉子極I 61和轉子極IV 64的中心線移動到定子極I 21和定子極IV 24的中心線時,定子A相繞組斷電，即定子線圈I 311和定子線圈II 312斷電，轉子極I 61受到定子極I 21的電磁吸力消失，轉子極III 63受到定子極IV 24的電磁吸力消失，但此時其他相再通電，其他相繞組產生的磁場會吸引相應的轉子極，保證轉子的持續轉動，這樣根據轉子的位置可以保證電機轉子的連續旋轉。圖6為混合勵磁3相6/4極軸向磁場盤式開關磁阻電機A相通電轉子受力示意圖，圖6和圖5的區別在于圖5沒有永磁體4,圖6有永磁體4。可以看出，在相同的定子繞組電流下，由于圖6中永磁體的存在,定子極I 21和轉子極I 61之間的磁場大于圖5中的對應磁場，同樣定子極IV 24和轉子極III 63之間的磁場大于圖5中的對應磁場，圖6中，定子極和轉子極之間的實線箭頭方向為電流產生的磁場方向，虛線箭頭方向為永磁產生的磁場方向，這兩個磁場方向相同，是磁場加強，因此圖6中定子極I 21對轉子極I 61的電磁吸力大于圖5中對應的電磁吸力，同樣定子極IV 24對轉子極III 63之間的電磁吸力大于圖5中對應的電磁吸力，從而使電機有更大的電磁力和電磁轉矩驅動電機轉子盤轉動，因此相同軸向磁場開關磁阻電機，有永磁體4時，電機的轉矩密度和功率密度得到提高。反過來說，產生相同磁吸力，有永磁體時，繞組電流可以降低，因此降低了電機的銅耗，提高了電機效率。圖5中，由于定子盤中沒有永磁體4，因此當轉子盤由于A相定子線圈I 311和定子線圈II 312通電使 其沿η箭頭方向轉動到轉子極I 61的中心線與定子極I 21中心線重合時，只要定子繞組的定子線圈I 311和定子線圈II 312斷電,定子極I 21和轉子極I 61就沒有電磁吸力，不會妨礙轉子盤在其他相定子相通電時繼續轉動。但是在圖6中，在定子永磁體I 41和永磁體VI 46的作用、永磁體III 43和永磁體IV 44的作用及A相定子線圈I 311和定子線圈II 312通電的作用，當轉子盤沿η箭頭方向轉動到轉子極I 61的中心線與定子極I 21中心線重合時，此時即使A相繞組斷電，由于還有永磁體的作用，定子極I 21和轉子極I 61之間還有電磁吸力，定子極IV 24和轉子極IV 64還有電磁吸力，顯然這一電磁吸力阻礙轉子盤繼續沿η箭頭方向旋轉，此時應在A相繞組中通以相反方向的電流，這一相反方向的電流產生的磁場與永磁體產生的磁場相互抵消，從而避免了相應永磁體的副作用。根據轉子盤和定子盤之間的相對位置，控制定子各相電流的大小和方向，不但可以避免永磁體的副作用，而且可以保證電磁吸力波動小，從而降低電機的轉矩脈動，降低電機的振動和噪聲。電機的轉矩密度和功率密度在一定程度上可以以電機磁場工作點的變化范圍來表示，工作點的變化范圍越大，則轉矩密度和功率密度也就越大。圖7為沒有永磁體時軸向磁場開關磁阻電機磁場工作點的變化范圍，圖8為本實用新型混合勵磁軸向磁場開關磁阻電機磁場工作點的變化范圍，可以看出，本實用新型電機的磁場工作點的變化范圍明顯大于沒有永磁體時電機，因此本實用新型電機的轉矩密度和功率密度得到提高。開關磁阻電機兩關鍵位置處的磁鏈與電流變化關系曲線所包圍的面積更能說明電機的功率密度和轉矩密度大小。這兩個關鍵位置一為定子極中心線與轉子槽中心線對齊位置，其二為定轉子極中心線對齊位置。圖9為普通軸向磁場開關磁阻電機這兩個位置處的磁鏈和繞組電流之間的變化關系，圖10為本實用新型的混合勵磁軸向磁場開關磁阻電機這兩個位置處的磁鏈和繞組電流之間的變化關系。其中圖9和圖10中的曲線7和曲線9分別為普通軸向磁場開關磁阻電機和本實用新型混合勵磁軸向磁場開關磁阻電機定子極中心線與轉子槽中心線對齊時磁鏈與電流之間的變化關系，圖9和圖10中曲線8和曲線10分別為普通軸向磁場開關磁阻電機和本實用新型混合勵磁軸向磁場開關磁阻電機定轉子齒中心線對齊是磁鏈與電流之間的變化關系。在電流有相同的變化時，混合勵磁軸向磁場開關磁阻電機兩關鍵位置處磁鏈電流變化曲線間的面積遠大于普通軸向磁場開關磁阻電機。說明本實用新型電機的功率密度和轉矩密度遠大于普通軸向磁場開關磁阻電機。上述雖然結合附圖對實用新型的具體實施方式
進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。
權利要求1.一種混合勵磁軸向磁場盤式開關磁阻電機，包括定子盤和轉子盤，定子盤包括若干定子軛盤、定子極，轉子盤包括轉子軛盤、轉子極，其特征是，轉子極均勻分布于轉子軛盤上，定子極均勻分布于定子軛盤的圓周處，每個定子極上設有一個定子線圈，定子線圈之間連接組成多相繞組，在相鄰的兩個定子極之間設有槽口，在槽口處設有永磁體，永磁體位于定子線圈外部的上方,永磁體的充磁方向為切向，每個定子極兩邊的永磁體充磁方向相反。
2.如權利要求I所述的混合勵磁軸向磁場盤式開關磁阻電機，其特征是，定子各相繞組電流大小和方向隨轉子位置的變化而變化。
專利摘要本實用新型公開了一種混合勵磁軸向磁場盤式開關磁阻電機，包括定子盤和轉子盤，定子盤包括若干定子軛盤、定子極，轉子盤包括轉子軛盤、轉子極，轉子極均勻分布于轉子軛盤上，定子極均勻分布于定子軛盤的圓周處，每個定子極上設有一個定子線圈，定子線圈之間連接組成多相繞組，在相鄰的兩個定子極之間設有槽口，在槽口處設有永磁體，永磁體位于定子線圈外部的上方，永磁體的充磁方向為切向，每個定子極兩邊的永磁體充磁方向相反，所述定子極設有六個，所述轉子極設有四個；具有電機運行效率高，電機振動及噪聲低，以及電機的功率密度和轉矩密度高的優點。
文檔編號H02K29/03GK202721589SQ201220282499
公開日2013年2月6日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者徐衍亮 申請人:山東大學