一种永磁式开关磁阻电机及其控制方法

摘要

本发明公开了一种永磁式开关磁阻电机及其控制方法，属于开关磁阻电机领域。该永磁式开关磁阻电机的定子铁芯的凸极数为m，转子铁芯的凸极数为n，n＞m且n为偶数，n在取值范围内取最小偶数，电机的相数为q，q≥3并为自然数；定子铁芯上属于同一相的定子铁芯的凸极相邻集中设置，并安装该相绕组，并使该相绕组在励磁电流作用下，该相内的相邻凸极形成相邻磁极对；转子铁芯的凸极极身内设置轴向通孔，轴向通孔内安装永磁体，永磁体的磁极方向为径向，并使相邻转子铁芯凸极内的永磁体磁极方向相反。本发明通过结合电机磁阻特性和永磁特性，显著提高开关磁阻电机的功率密度。

说明书

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机领域，尤其涉及一种永磁式开关磁阻电机及其控制方法。

背景技术

开关磁阻电机各相轮流通电，功率密度较低。永磁电机各相组合通电，功率密度较高。因此，如何结合电机磁阻特性和永磁特性，提高开关磁阻电机的功率密度，是现有开关磁阻电机需要解决的技术问题。

公开号为CN106130277A的发明专利公开了一种永磁式开关磁阻电机，包括电机壳、定子铁芯、绕组、转子铁芯、永磁体、电机轴，所述一种永磁式开关磁阻电机包含k个定子铁芯和k个转子铁芯，每个定子铁芯均只安装1相绕组，并通过铁芯凸极错位安装构成相间机械角，相间机械角为360°/nk，并在转子铁芯凸极上安装永磁体。该永磁式开关磁阻电机，任一相绕组在电感上升区和电感下降区均能通电工作，在一个通电周期内，各相绕组通电时间可接近整个通电周期的100％，解决了传统开关磁阻电机各相绕组通电利用率低的问题。但该永磁式开关磁阻电机中的永磁体安装在转子铁芯凸极顶部，属于表面粘贴永磁体，考虑到高速离心力的影响，粘贴强度要求较高；工作过程中在定子齿对转子槽时，由于边缘气隙过大，会导致电机效率不高。另外，该永磁式开关磁阻电机的每个定子铁芯均只安装1相绕组，并且相邻凸极绕组绕向相反，一个定子铁芯和一个转子铁芯对齐为一对并沿着电机轴向成对分布，该种结构的铁芯间需预留绕组端部空间，浪费了电机内部空间，造成功率密度下降。公开号为CN207021783U的中国实用新型专利公开了一种各相凸极集中布置的定子铁芯及各相凸极集中布置的电机，该电机作为永磁电机时，是一种单纯的永磁式电机，如果永磁体失去磁性，该电机并不能按开关磁阻电机的原理正常运转。

因此，现有的永磁式开关磁阻电机还有待进一步改进。

发明内容

为了改进现有技术的不足，本发明的目的是提供一种永磁式开关磁阻电机，通过结合电机磁阻特性和永磁特性，并通过定子铁芯的各相凸极集中布置、设置定转子凸极数关系、永磁体位置等因素从而显著提高开关磁阻电机的功率密度。

本发明为解决其技术问题而采用的技术方案是：

一种永磁式开关磁阻电机，包括定子铁芯、转子铁芯，所述电机的相数为q，q≥3并为自然数；所述定子铁芯的凸极数为m，所述定子铁芯的凸极在圆周方向上的布置顺序为第1组凸极、第2组凸极、…、第k组凸极，k为自然数，每组内的凸极的布置顺序为第1相凸极、第2相凸极、…、第q相凸极，m/kq≥2并为自然数，即同一组内属于同一相的定子铁芯的凸极相邻集中设置，并安装该相绕组，并使该相绕组在励磁电流作用下，该相内的相邻凸极形成相邻磁极对；所述转子铁芯的凸极数为n，n＞m且n为偶数；所述转子铁芯的凸极极身内设置轴向通孔，所述轴向通孔内安装永磁体，永磁体的磁极方向为径向，并且转子铁芯的相邻凸极内的永磁体磁极方向相反，进而使相邻凸极形成相邻磁极对。

本发明中，优选地，所述转子铁芯的凸极数为n，n＞m且n在取值范围内取最小偶数。由于凸极的理论弧角为360°/qn，n越小，凸极弧角越大，同样的绕组参数下，磁能越大；n越小，同样转速下，开关频率越小，效率越高。

本发明中，优选地，属于同一相的定子铁芯的凸极之间的夹角为360°/n，相邻相相间机械角为360°/kq；转子铁芯的凸极之间的夹角为360°/n。

本发明中，优选地，所述轴向通孔的径向外侧壁厚不小于极身宽度的1/3，轴向通孔周向两侧壁厚不大于极身宽度的1/4。

本发明中，优选地，所述转子铁芯的凸极均设置有极身和极翼，即转子铁芯凸极的中部定义为极身，所述极身的径向内端部连接转子铁芯轭部，所述极身的径向外端部的左侧和右侧分别连接所述极翼，所述极翼向远离极身的外侧延伸，所述极翼与定子铁芯的凸极之间的气隙大于极身与定子铁芯的凸极之间的气隙，永磁体径向外侧面与轴心的距离小于极翼径向外侧面与轴心的距离。

本发明中，优选地，所述极翼与极身之间呈极身高极翼低的阶梯状，在极翼的延伸方向上，极翼的径向外侧面与转子铁芯中心的距离按阶梯式递减变化。

一种永磁式开关磁阻电机的控制方法，包括以下步骤：

(1)接收旋转方向指令：接收顺时针旋转指令，或者接收逆时针旋转指令；

(2)检测转子铁芯凸极的极性：检测旋转方向后方，与定子铁芯凸极相邻的转子铁芯的凸极极性；或者检测旋转方向前方，与定子铁芯凸极相邻的转子铁芯的凸极极性；

(3)根据转子铁芯凸极的极性确定各相的励磁电流方向：每相通以励磁电流，使定子铁芯的励磁凸极的极性，与旋转方向后方相邻的转子铁芯凸极的极性相反，进而产生磁吸力；与旋转方向前方相邻的转子铁芯凸极的极性相同，进而产生磁斥力；

(4)重复上述步骤。

本发明中，优选地，如果q＝3，n＝8，m＝6，定子铁芯A相包括A1和A2凸极，B相包括B1和B2凸极,C相包括C1和C2凸极，转子铁芯的上的磁极包括S1、N1、S2、N2、S3、N3、S4、N4；

在所述步骤(2)中，若顺时针旋转某一瞬时，A1后方为S1，前方为N1，A2后方为N1，前方为S2；B1后方为N2，前方为S3，B2后方为S3，前方为N3；C1后方为N3，前方为S4，C2后方为S4，前方为N4；

则步骤(3)中，顺时针旋转该一瞬时，通电后A1励磁为N极，A2励磁为S极；B1励磁为S极，B2励磁为N极；C1励磁为S极，C2励磁为N极。

本发明中，n＞m，定子凸极数少于转子凸极数，是定子铁芯满足每相凸极相邻集中布置的必要条件。由于转子铁芯凸极的理论弧角为360°/qn，n越小，则转子铁芯凸极弧角越大，同样的绕组参数下，磁能越大；n越小，同样转速下，开关频率越小，效率越高。因此n在取值范围内取最小偶数。

本发明中，同一相的定子铁芯的凸极之间的夹角为360°/n，与转子铁芯的凸极之间的夹角相等，同一相中的定子铁芯凸极能同时与转子铁芯的凸极同时对齐，使磁能最大化，而通过控制通电方式，使转子凸极靠近通电的定子凸极时，变化磁极，使两者产生磁性相吸作用，加快转子的转动，提高功率，在转子凸极即将离开通电的定子凸极时，变化磁极，使两者产生磁性相斥的作用，加快转子的转动，提高功率。因此，本发明能有效地提高功率密度。

关于永磁体的设置位置，现有的永磁式开关磁阻电机，永磁体有些是设在转子轭部上，在轭部空间有限的情况下，导致永磁体与电机轴形成自闭合磁路，影响永磁体与定子磁能交换能力，这是一般的技术人员常犯的错误；有些设置在转子凸极的极顶，由于绝大部分磁路是从永磁体磁极端部进出的，侧面几乎无磁路，导致磁能交换能力下降，因而必须加宽永磁体宽度，既增加了永磁体的用量，又降低了磁阻电机的特性，已经背离了开关磁阻电机的设计原理，这是一般的技术人员常犯的错误，严格上说这样的设计只能算是永磁电机；有些设置在定子铁芯上，这是完全不科学的设计，定子主要是通过励磁产生变化的磁场，而永磁体是固定磁场，二者结合在一起设计上有矛盾，这是一般的技术人员常犯的错误。本发明中永磁体设置的位置是在凸极极身内，这样设计相比设置在极顶处的好处是可降低粘结要求，甚至不用粘结，便可满足使用要求，提高了生产效率；而且假设永磁体失磁或永磁体没有安装，本发明的电机仍然能够按开关磁阻电机的原理正常运转。本发明进一步将永磁体设置的位置限制在转子凸极极身的特定位置，即轴向通孔的径向外侧壁厚不小于极身宽度的1/3，轴向通孔周向两侧壁厚不大于极身宽度的1/4，其原因在于，周向侧壁在满足强度的情况下尽可能小(1～3mm)，可避免形成过大的自闭合磁路；径向侧壁不能过小边缘气隙不能过大，从而保留极顶磁路和极翼磁路，才能保证永磁体与定子励磁凸极有足够的通磁能力。

另外，本发明设置极翼，则同时增加了极翼磁路，使工作气隙在合理范围内，保留了磁阻特性，增加了永磁特性，相当于间隔布置永磁体，相对于永磁电机，永磁体用量降低了一半，降低了成本。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、传统开关磁阻电机只能在电感上升区通电，本发明每相均可在电感上升区和下降区通电，通电区间增加一倍，并且各相可以同时通电，同时做功，通过结合电机的磁阻特性和永磁特性，可使功率密度得到有效增加。

2、本发明由于同一相中的定子铁芯凸极能同时与多个转子铁芯的凸极对齐，且永磁体的设置方式使得定子铁芯凸极的磁场和转子铁芯中永磁体的正对，进而提高功率密度，工作过程中有充磁作用，永磁体不容易失磁，电机可靠性得到了提高。

3、本发明的电机每一相都是独立励磁形成独立磁路，在运转过程中，缺相也能运行，电机控制方法简单，容易设计。而永磁电机各相是共同励磁形成共同磁路的，缺相便不能运行。

【附图说明】

图1是本发明永磁式开关磁阻电机的结构示意图。

图中标记的含义是：10-定子铁芯，11-定子铁芯的凸极，20-转子铁芯，21-极身，22-永磁体；23-轴向通孔；24-极翼。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过具体实施例并结合附图1，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种永磁式开关磁阻电机，包括定子铁芯10、转子铁芯20，电机的相数为q，q≥3并为自然数；定子铁芯10的凸极数为m，所述定子铁芯10的凸极在圆周方向上的布置顺序为第1组凸极、第2组凸极、…、第k组凸极，k为自然数，每组内的定子铁芯的凸极11的布置顺序为第1相凸极、第2相凸极、…、第q相凸极，m/kq≥2并为自然数，即同一组内属于同一相的定子铁芯的凸极11相邻集中设置，并安装该相绕组，并使该相绕组在励磁电流作用下，该相内的相邻凸极形成相邻磁极对；所述转子铁芯20的凸极数为n，n＞m且n为偶数；所述转子铁芯的凸极极身21内设置轴向通孔23，所述轴向通孔23内安装永磁体22，永磁体22的磁极方向为径向，并且转子铁芯20的相邻凸极内的永磁体22磁极方向相反，进而使相邻凸极形成相邻磁极对。

在一些优选的实施例中，所述转子铁芯20的凸极数为n，n＞m且n在取值范围内取最小偶数。由于转子铁芯凸极的理论弧角为360°/qn，n越小，凸极弧角越大，同样的绕组参数下，磁能越大；n越小，同样转速下，开关频率越小，效率越高。

在一些优选的实施例中，属于同一相的定子铁芯的凸极11之间的夹角为360°/n，相邻相相间机械角为360°/kq；转子铁芯20的凸极之间的夹角为360°/n。同一相中的定子铁芯的凸极11能同时与转子铁芯的凸极极身21同时对齐，共同作用，使磁能最大化。

在一些优选的实施例中，所述轴向通孔23的径向外侧壁厚不小于极身21宽度的1/3，轴向通孔23周向两侧壁厚不大于极身21宽度的1/4。保证永磁体22与定子励磁凸极有足够的通磁能力。

在一些优选的实施例中，本发明一些优选的实施例中，所述转子铁芯20的凸极均设置有极身21和极翼24，即转子铁芯凸极的中部定义为极身21，所述极身21的径向内端部连接转子铁芯轭部，所述极身21的径向外端部的左侧和右侧分别连接所述极翼24，所述极翼24向远离极身21的外侧延伸，所述极翼24与定子铁芯的凸极11之间的气隙大于极身21与定子铁芯的凸极11之间的气隙，永磁体22径向外侧面与轴心的距离小于极翼24径向外侧面与轴心的距离。更优选地，极翼24与极身21之间呈极身21高极翼24低的阶梯状，在极翼24的延伸方向上，极翼24的径向外侧面与转子铁芯20中心的距离按阶梯式递减变化。

上述永磁式开关磁阻电机的控制方法，包括以下步骤：

(1)接收旋转方向指令：接收顺时针旋转指令，或者接收逆时针旋转指令；

(2)检测转子铁芯凸极的极性：检测旋转方向后方，与定子铁芯的凸极相邻的转子铁芯的凸极极性；或者检测旋转方向前方，与定子铁芯的凸极相邻的转子铁芯的凸极极性；

(3)根据转子铁芯凸极的极性确定各相的励磁电流方向：每相通以励磁电流，使定子铁芯的励磁凸极的极性，与旋转方向后方相邻的转子铁芯凸极的极性相反，进而产生磁吸力；与旋转方向前方相邻的转子铁芯凸极的极性相同，进而产生磁斥力；

(4)重复上述步骤。

实施例1

参见图1，一种永磁式开关磁阻电机，包括定子铁芯10、转子铁芯20，所述电机的相数为3,所述定子铁芯10的凸极数为6，组数k＝1；定子铁芯10上，属于同一相的定子铁芯的凸极11相邻集中设置，见图中所示，属于A相的定子铁芯的凸极11相邻集中设置，属于B相的定子铁芯的凸极11相邻集中设置，属于C相的定子铁芯的凸极11相邻集中设置，并安装该相绕组，使该相绕组在励磁电流作用下，该相内的相邻凸极形成相邻磁极对；所述转子铁芯20的凸极数为8，转子铁芯的凸极极身21内设置轴向通孔23，所述轴向通孔23内安装永磁体22，永磁体22的磁极方向为径向，并使相邻转子铁芯凸极内的永磁体22磁极方向相反。轴向通孔23的径向外侧壁厚不小于极身宽度的1/3，从而保留极顶磁路，才能保证永磁体与定子励磁凸极有足够的通磁能力；轴向通孔23周向两侧壁厚不大于极身宽度的1/4，可避免形成过大的自闭合磁路。转子铁芯20的凸极极身21两侧设置极翼24，所述极翼24的气隙大于极身21的气隙，永磁体22径向外侧面与轴心的距离小于极翼24径向外侧面与轴心的距离，极翼24与极身21之间呈极身21高极翼24低的阶梯状，在极翼24的延伸方向上，极翼24的径向外侧面与转子铁芯20中心的距离按阶梯式递减变化。属于同一相的定子铁芯的凸极11之间的夹角为45°；相邻相相间机械角为120°，转子铁芯20的凸极之间的夹角为45°。

参见图1，定子铁芯10的A相包括A1和A2凸极，B相包括B1和B2凸极,C相包括C1和C2凸极，转子铁芯20的上的磁极包括S1、N1、S2、N2、S3、N3、S4、N4；该永磁式开关磁阻电机的控制方法，包括以下步骤：

(1)接收旋转方向指令：接收顺时针旋转指令；

(2)检测转子铁芯凸极的极性：检测旋转方向后方，与定子铁芯凸极相邻的转子铁芯的凸极极性；参见图1，顺时针旋转某一瞬时，A1后方为S1，前方为N1，A2后方为N1，前方为S2；B1后方为N2，前方为S3，B2后方为S3，前方为N3；C1后方为N3，前方为S4，C2后方为S4，前方为N4；

(3)根据转子铁芯凸极的极性确定各相的励磁电流方向：每相通以励磁电流，使定子铁芯的励磁凸极的极性，与旋转方向后方相邻的转子铁芯凸极的极性相反，进而产生磁吸力；与旋转方向前方相邻的转子铁芯凸极的极性相同，进而产生磁斥力；参见图1，顺时针旋转该一瞬时，通电后A1励磁为N极，A2励磁为S极；B1励磁为S极，B2励磁为N极；C1励磁为S极，C2励磁为N极。

(4)重复上述步骤。

从上述控制方法可以看出，本发明每相均可在电感上升区和下降区通电，通电区间增加一倍，并且各相可以同时通电，同时做功，通过结合电机的磁阻特性和永磁特性，可使功率密度得到有效增加。

任何发明创造均是通过对现有技术的运用和组合以创造出新的事物，对于众多技术问题的主次判断，以及对于众多技术手段的运用组合，是存在无限可能的，以上所述仅是本发明优选的实施方式的描述，应当指出由于文字表达的有限性，而在客观上存在无限的具体结构，对于本领域普通的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。