一種新型橫向磁通結構的磁阻電機的制作方法

本發明屬于電機領域，具體涉及一種高速橫向磁通磁阻電機。

背景技術：

sr電機的基本概念可追溯到19世紀40年代，1842年，英國的aberdeen和dafidson用兩個u型電磁鐵制造了由蓄電池供電的機車電動機。但因電路斷開時沒有釋放能量的續流二極管電路，以及采用機械開關控制電磁鐵的輪流通電，電動機的性能(效率、功率因數和利用系數等)不高。近幾年雖然國內外眾多機構對橫向磁通磁阻電機進行了大量的研究工作，但是還存在一些問題亟待改進和解決。例如，意大利的albertotenconi等學者基于電磁、機械和溫度這三個方面研究了現今高速和超高速電機，著重介紹了這三個設計部分與電機大小設計之間的聯系，在考慮了材料特性和加工工藝的情況下，比較了高速電機和開關磁阻電機技術工藝的優缺點，但是忽略了損耗對電機影響；美國喬治亞理工學院的jiedang提出了一種新型的開關磁阻電機的轉子結構，解決了電機在超高速運行時的風阻損耗太大的問題，并且因為產生了不對稱的氣隙提高了轉矩，但是忽略不對稱氣隙對轉子運行穩定的影響；韓國三星公司的sung-ilkim等人針對傳統的表貼式pmsm提出了一種新型轉子結構，傳統的表貼式pmsm為了保持高速旋轉下轉子的機械完整性使用了一種非磁性的套筒，這將導致額外的渦流損耗，同時會增加磁隙的長度和制造的成本，而使用新的轉子結構將消除這些問題并能夠很大程度上減少制造時永磁體的數量。總之，現有的橫向磁通磁阻電機空間利用率偏低，或制造工藝復雜、材料成本較高，或電機電樞繞組有效長度比例不高，在功率密度和加工制造上還有提高的空間。針對上述情況，本發明提出一種新型的橫向磁通磁阻電機技術方案。

技術實現要素：

新型橫向磁通磁阻電機技術方案如下：

1.一種新型橫向磁通結構的磁阻電機，其組成包括：兩塊定子鐵心1、一塊轉子鐵心2和電樞繞組3，將轉子鐵心2通過鍵11安裝固定于轉軸4上，再將電機電樞繞組3通過繞線模繞制并安裝于定子鐵心1的齒上，在繞組繞制完成后將兩塊定子鐵心1分別安裝于轉子鐵心2兩側，并通過軸承12安裝在轉軸4上，其特征在于：定子鐵心1在徑向上呈e-形，其中內外齒呈環形，定子齒6等間距嵌于內外齒環之間，電樞繞組3置于定子齒6上。

2.根據權利要求1所述的磁阻電機，其特征在于：所述定子鐵心1由定子軛部8和定子齒6組成，定子齒6位于定子軛部鐵心盤的一側面上。

3.根據權利要求1或2所述的磁阻電機，其特征在于：所述定子鐵心1其結構將采用分段拼接的方式，即將定子外齒環5、定子內齒環7、定子齒6和定子軛部8分段拼接。

4.根據權利要求1所述的磁阻電機，其特征在于：所述的轉子鐵心2由扇形極面的轉子齒9和圓柱環形的轉子軛部10組成。

5.根據權利要求4所述的磁阻電機，其特征在于：所述的扇形極面的轉子齒9等間距圍繞在轉子軛部10上。

6.根據權利要求1所述的磁阻電機，其特征在于：所述的電樞繞組3包括繞線和繞線模。

7.根據權利要求1或6所述的磁阻電機，其特征在于：所述的電樞繞組3，通過手工繞線的方式將線圈繞制于繞線模上，并在線圈繞制完成后將繞線模嵌套于定子齒6上。

8.根據權利要求1、2、4、5、6任一權利要求所述的磁阻電機，其特征在于：所述的定子鐵心1和電樞繞組3，兩者組成電機整體。

該新型結構的橫向磁通磁阻電機結合了橫向磁通電機與一般磁阻電機的優點，具有以下優勢：

1.該電機采用橫向磁通結構，解決了徑向磁通電機齒槽的固有矛盾，實現了空間上的電磁解耦，利于轉矩密度的提高；

2.定子繞組線圈位于轉子兩側，可利用繞線模手工嵌線，且嵌放繞組線圈容易，制造工藝簡單，成本低；

3.轉子上無永磁體，全部由硅鋼片疊壓而成，因而能適用于各種高溫的惡劣環境中；

4.該電機采用e-形定子鐵心，定子e-形結構上3個齒通過氣隙與轉子齒形成多路磁通回路(如圖3所示)，可充分利用繞組漏磁，使之形成磁通回路，解決了一般開關磁阻電機繞組端部的漏磁問題，且有助于增加電機出力，提高電機的轉矩密度；

5.采用較小的長徑比的轉子結構和扇形面積較大的轉子齒，具有良好的散熱能力。

附圖說明

圖1是橫向磁通磁阻電機全剖結構示意圖；

圖2是橫向磁通磁阻電機的結構示意圖；

圖3是橫向磁通磁阻電機的主磁通；

圖4是橫向磁通磁阻電機的定子平面圖；

圖5是橫向磁通磁阻電機的轉子平面圖；

圖6是是橫向磁通磁阻電機的爆破圖；

圖7是線性模型中相電感與轉子位置角θ的關系曲線圖；

圖8是磁鏈與位置角的關系曲線圖；

圖9是繞組相電流和轉子位置角的關系曲線圖；

圖10是電磁轉矩隨轉子位置角變化曲線圖；

圖11是分段線性磁化曲線圖。

圖中：1為定子鐵心，2為轉子鐵心，3為電樞繞組，4為轉軸，5為定子外齒環，6為定子齒，7為定子內齒環，8為定子軛部，9為扇形極面的轉子齒，10為轉子軛部，11為鍵，12為軸承。

具體實施方式

一種新型橫向磁通結構的磁阻電機，其組成包括：兩塊定子鐵心1、一塊轉子鐵心2和定子繞組3，將轉子鐵心2通過鍵11安裝固定于轉軸上，再將電機三相繞組3通過繞線模繞制并安裝于定子鐵心1齒上，將繞制繞組后的兩塊定子鐵心1分別安裝于轉子鐵心2兩側，并通過軸承12安裝在轉軸4上，其特征在于：定子鐵心1在徑向上呈e-形，其中內外齒呈環形，定子齒6等間距嵌于內外齒環之間，環形繞組3置于定子齒6外圈。該技術方案具體實施如下：

1.主要參數計算

1.1負荷和磁負荷

開關磁阻電機的電負荷a是指定子內徑表面每單位長度上導體中的總電流，表達式為

i為繞組電流有效值，dsi為定子內徑，nph為每相繞組串聯匝數，q為相數。

每極主磁通均出入一個轉子齒截面積的范圍，定義磁負荷為

一般情況下，bδ取0.3～0.6t之間，a取15000～50000a/m。

1.2繞組端電壓

開關磁阻電機可以直接采用直流電流或采用交流經整流得到的直流電源。當采用單相或三相交流電源整流，設ud為全波整流后的直流電壓，則

式中，u2為交流電源的相電壓。

1.3氣隙

開關磁阻電機實際上存在著兩個氣隙。第一氣隙g是指定、轉子磁極表面之間空氣隙的距離，其影響最大電感lmax的值。第二氣隙gi是指定子磁極表面到轉子槽底之間空氣隙的距離，其影響最小電感lmin值。

為了取得較大的電磁轉矩，減小功率變換器伏安容量的要求，應盡可能減小氣隙g，但受到裝配工藝和加工工藝的約束，氣隙g也不能太小，小型電機氣隙一般不應小于0.25mm。

為了取得較低的最小電感lu，提高電機的輸出功率，第二氣隙gi應該盡可能大一點，但不能過度，否則會導致電機軸徑不夠或轉子軛高度不夠。

1.4轉子軛高

轉子軛高hcr應該保證軛部鐵芯出現最大磁通密度時不會發生過飽和，因此應該取

在不影響轉軸強度情況下，hcr可以取大一些。

1.5軸徑

軸徑di不能過小，否則會影響機械強度，導致轉子振動、動偏心、電機噪聲增大等問題，如果有必要，應該校核軸的擾度、臨界轉速和強度。

1.6定子軛高

定子軛高hcs應保證軛部鐵芯出現最大磁通密度時不發生過飽和現象，較大的hcs可以有效抑制電機的振動和噪聲。

1.7定子槽深

為了提供較大的繞組空間，采用大的導線截面以減小電機銅耗，定子槽深ds應該盡可能大一點。

1.8電流密度和槽滿率

對于給定的電機幾何尺寸，繞組的有效空間是一定的，槽滿率為ks，一般取0.35～0.5，在保證額定輸出功率且繞組空間允許的情況下，匝數越多，繞組電流峰值越小，對降低開關管的伏安容量有利。確定繞組匝數之后，在決定導線截面時需要校核導線電流密度j，對于連續工作制電機，一般取j＝4～5.5a/mm²。

1.9損耗計算

開關磁阻電機的損耗主要有銅耗、鐵耗、機械損耗和雜散損耗。銅耗正比于電流有效值的平方，鐵耗主要是渦流損耗和磁滯損耗，機械損耗由軸承損耗和通風損耗組成，雜散損耗比較復雜，一般按照銅耗、鐵耗和機械損耗的7％來計算。

銅耗的計算公式為

pcu＝qi²rp(1-5)

式中，i為相繞組電流的有效值，rp為相繞組的電阻。

鐵耗的計算公式為

式中，ρ為硅鋼片電阻率，e為硅鋼片厚度，g為經驗系數。

機械損耗的計算公式為

pfw＝5.4×10^-5n^0.7pn(1-7)

式中，n為電機轉速，pn為額定功率。

2.數學模型

2.1線性模型

開關磁阻電機內部的電磁關系和運行特性都非常復雜，對了不陷入復雜煩瑣的數學推導，突出其基本物理特性，必須對模型進行一定簡化。

在線性模型中，為了簡化，作出如下假設：

①不計磁路飽和影響，繞組的電感與電流大小無關

②忽略磁路非線性和磁通邊緣效應

③忽略鐵芯的磁滯和渦流效應，忽略所有的功率損耗

④半導體開關器件為理想開關，開關動作是瞬時完成的

⑤電機轉速恒定

⑥電源電壓恒定

(1)繞組電感

當轉子轉動時，轉子的位置角θ不斷變化，繞組電感就在最大電感量lmax和最小電感量lmin著兩個特定電感值之間周期變化。最大電感是指轉子磁極與定子磁極軸線相重合時的電感值；最小電感是指轉子磁極軸線與定子磁極間中心線相重合時的電感值。電感變化頻率與轉子極對數成正比，電感變化周期為一個轉子極距τr。在線性模型中，繞組相電感隨轉子位置θ周期性變化如圖7所示。

坐標原點θ＝0是位置角參考點，定義為轉子凹槽中心與定子磁極軸線重合的位置，此時相電感為最小值lmin。θ3為轉子和定子前極邊重合的位置，θ4為轉子和定子后極邊重合的位置，θ1和θ5為轉子后極邊和定子前極邊重合的位置，θ2為轉子前極邊和定子后極邊重合的位 置。電感l(θ)和轉子位置角θ的關系，可以用以下函數形式表示。

式中，βs為定子磁極極弧，

(2)繞組磁鏈

電機第k相電壓平衡方程式為

當相繞組電阻壓降rkik與dψk/dt相比很小，根據假設，忽略電阻壓降，可以簡化為

進一步整理可以得到

當該相主開關器件導通時，uk＝us(us為電源電壓)，相繞組磁鏈將以一個恒定斜率us/ωr隨轉子位置角的增大而線性增大；當該相主開關器件關斷瞬間，即θ＝θoff時，磁鏈達到最大值，關斷后，uk＝-us，磁鏈以恒定斜率-us/ωr隨轉子位置角的增大而線性減小，如圖8所示。

用函數形式可以表示

(3)繞組電流

將ψ＝l(θ)i(θ)代入式，可以得到

兩邊同時乘以繞組相電流i，可以得到功率平衡方程

表明當開關磁阻電機通電時，若不計相繞組的損耗，輸入電功率一部分用于增加繞組的儲能，一部分轉換為機械功率輸出。

在電感上升區域θ2≤θ＜θ3內繞組通電，旋轉電動勢為正，產生電動轉矩，電源提供的電能一部分轉換為機械能輸出，一部分以磁能的形式儲存在繞組中；通電繞組在θ2≤θ＜θ3內斷電，儲存的磁能一部分轉化為機械能，另一部分反饋給電源，此時轉軸上仍獲得電動轉矩；在θ3≤θ＜θ4，旋轉電動勢為零，如果電流繼續流動，磁能僅反饋給電源，轉軸上沒有電磁轉矩；若電流在θ4≤θ＜θ5內流動，因旋轉電動勢為負，產生制動轉矩，運行在發電狀態。

為了得到較大的有效轉矩，應在θ1≤θ＜θ2內觸發導通主開關，在θ2≤θ＜θ3內關斷主開關，這樣可以得到一個電感變化周期內的電流波形，如圖9所示。

繞組相電流i(θ)和轉子位置角θ的函數關系式為

(4)電磁轉矩分析

根據機電關系方程式，有

在線性模型中，根據線性假設，可以對方程進行簡化

因此可得

電磁轉矩的函數表達式為

電磁轉矩隨轉子位置角變化曲線如圖10所示。

2.2準線性模型

準線性模型是將實際的非線性磁化曲線分段線性化，同時不考慮相間耦合效應，近似地考慮了磁路的飽和效應和邊緣效應，對于求解開關磁阻電機問題，具有一定的精度和可靠性。由于特殊的雙凸極結構及磁路的高度飽和，產生了很強的邊緣效應、渦流效應、磁滯效應及飽和效應。在分段線性化的多種方法中，最常用的一種方法是用兩段線性特性來近似一系列非線性磁化曲線，其中一段為磁化特性曲線的非飽和段，非飽和曲線斜率為電感l(i，θ)的不飽和值；另一段為磁化特性曲線的飽和段，飽和段曲線與θ＝0位置的特性曲線平行，斜率為lmin，如圖11所示。

基于準線性模型，可以寫出繞組電感l(θ)的分段解析式

將ψ(θ)＝l(θ)·i代入，可以得到繞組磁鏈的分段解析式

根據機電關系方程式，可以得到瞬時電磁轉矩的分段解析式

2.3非線性模型

要準確計算開關磁阻電機性能，對穩態運行特性進行仿真，必須采用非線性方法。非線性方法大致可以分為兩大類。

1、以數值計算方法或實驗方法所獲得的電機磁化曲線為基礎，建立數據庫對磁化曲線進行模化，從而計算電機的運行性能。這類方法計算準確，但速度較慢，依賴于特定方案的磁化曲線數據庫。

2、第二類是利用電機幾個特殊位置的磁化曲線，將電流或磁鏈作為轉子位移角的函數進行模化，查值求取中間位置磁特性。這類方法計算快速，但準確性不夠，并且需要引用經驗公式，因此限定了其應用范圍。