一种高速开关磁阻电机的制作方法

1.本实用新型涉及电机领域，具体是涉及一种开关磁阻电机。


背景技术：

2.开关磁阻电机不同于传统交直流电机，它的主要工作原理运用磁阻最小原理，依靠不同转子位置的磁阻及电感变化来产生电磁转矩。该类电机具有双凸极结构特点，根据定子和转子凸极数的不同可以将其做成两相、三相、四相以及更高相数的磁阻电机，如三相6/4结构的电机，常设计为6个卷绕有线圈的定子齿，径向相对的两个线圈连接在一起，分别构成a、b、c三相，转子在启动前的转角为0
°
，各相线圈由开关控制电流通断。当为其中一相线圈接通电源时，产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，靠定子齿与转子齿两者齿极之间的吸引力来拉动转子旋转。这种为各相线圈轮流通电看似简单，实际情况要复杂些，线圈切断电源后产生的自感电流不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流的时间会有部分重合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通与关断时间与转子定子间的相对位置直接相关。
3.可见，开关磁阻电机的开关频率和铁心损耗，与转子的齿数呈正比，即随着转子齿数增加，其铁心损耗和开关频率也随之增加。高速或超高速运行时，开关磁阻电机的铁损的增加，导致其效率下降温升变高；另外，由于线圈的通断需要根据转子转到的位置与控制参数决定，这些都需要控制器对功率变换器进行控制，控制器由微处理器(单片机)与接口电路组成，对于既定配置的微处理器而言，开关频率的增加，无疑会加剧微处理的计算难度，使得位置角度的捕获精度降低，进一步导致控制失效，电机易发生故障。


技术实现要素：

4.基于现有技术的不足，本实用新型设计了一种高速开关磁阻电机，可更好地适用于高速或者超高速运行领域。
5.本实用新型提供的技术方案之一为：
6.一种高速开关磁阻电机，包括定子，卷绕于所述定子上的绕组，转子，以及与所述转子固定连接的旋转轴；
7.其中，所述定子包括定子轭，以及固定设置在所述定子轭上的定子齿，且所述定子为c形结构，所述c形结构凸出的部分为所述定子齿。
8.在其他优化的技术方案中，所述转子包括导磁区域、不导磁区域以及自启动结构。
9.在其他优化的技术方案中，所述开关磁阻电机还包括气隙；
10.当所述定子齿与所述导磁区域相对时，所述定子齿表面与相对的所述导磁区域表面之间形成的间隙为所述气隙；所述开关磁阻电机启动前，所述导磁区域设置在靠近所述气隙的一侧。
11.在其他优化的技术方案中，所述自启动结构设置在所述导磁区域中，且所述自启动结构不导磁。
12.在其他优化的技术方案中，所述自启动结构设置在靠近所述气隙的一侧。
13.在其他优化的技术方案中，所述自启动结构设置在所述不导磁区域中，且所述自启动结构可导磁。
14.在其他优化的技术方案中，所述自启动结构设置在靠近所述气隙的一侧，且所述自启动结构的宽度小于所述导磁区域的宽度。
15.在其他优化的技术方案中，所述定子包括至少一个所述定子齿，所述绕组设置在所述定子轭和/或所述定子齿上。
16.在其他优化的技术方案中，所述转子为c形或者圆柱形结构中的任一种。
17.在其他优化的技术方案中，所述定子的两端与所述旋转轴轴心的连线之间形成的夹角不小于90
°
。
18.本实用新型的有益效果是：
19.相较于现有技术中的多齿定子，本实用新型的高速开关磁阻电机的定子设计为c形结构，电机的相数可以设计为单相或者两相，如此，转子旋转一圈，注入绕组的电流波形仅改变一次或者两次，对电流的计算频率和开关器件的开关频率要求较低，可更好地适用于高速领域。
20.进一步地，本实用新型也对转子地结构进行了优化，通过设计包括导磁区域、不导磁区域以及自启动结构的转子，解决了低于三相的开关磁阻电机没有自启动能力的问题。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为一实施例中开关磁阻电机的轴向截面图；
23.图2为一实施例中开关磁阻电机的径向截面图；
24.图3为一实施例中具有三齿定子的开关磁阻电机的径向截面图；
25.图4为一实施例中开关磁阻电机的绕组线圈在定子上的三种卷绕方式；
26.图5为一实施例中具有类扇形结构的导磁区域的开关磁阻电机的径向截面图；
27.图6为一实施例中转子的导磁区域的两种设计方案；
28.图7为一实施例中具有直形定子齿端面的开关磁阻电机的轴向截面图；
29.图8为一实施例中磁通走向与旋转轴平行的开关磁阻电机的轴向截面图；
30.图9为一实施例中具有不导磁自启动结构的开关磁阻电机的径向截面图；
31.图10为附图9中开关磁阻电机自启动方式的径向截面图；
32.图11为具有附图9中自启动结构的转子、且磁通走向与旋转轴平行的开关磁阻电机自启动方式的径向截面图；
33.图12为一实施例中具有可导磁自启动结构的开关磁阻电机的径向截面图；
34.图13为附图12中开关磁阻电机自启动方式的径向截面图；
35.图14为具有附图12中自启动结构的转子、且磁通走向与旋转轴平行的开关磁阻电机自启动方式的径向截面图。
36.附图标记说明：
37.1—定子，2—绕组，3—转子，4—旋转轴，5—气隙，11—定子轭，12—定子齿，31—导磁区域，32—不导磁区域，33—自启动结构。
具体实施方式
38.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，“第一”“第二”等描述仅仅用于描述目的，不应当理解为其指示或隐含指示所限定的技术特征的数量。本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定状态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定状态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。在本实用新型的描述中，“若干”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
40.实施例1：
41.如附图1所示，为本实用新型提供的一种高速开关磁阻电机的实施方式之一。
42.在本实施例中，该高速开关磁阻电机包括定子1，卷绕于所述定子1上的绕组2，转子3，以及与所述转子3固定连接的旋转轴4；
43.其中，所述定子1包括定子轭11，以及固定设置在所述定子轭11上的定子齿12，且所述定子1为c形结构，所述c形结构凸出的部分为所述定子齿12。所述转子2的结构也为c形，且该转子2包括导磁区域31和不导磁区域32。
44.所述开关磁阻电机还包括气隙5；当所述定子齿12与所述导磁区域31相对时，定子齿12表面与相对的所述导磁区域31表面之间形成的间隙为所述气隙5；所述开关磁阻电机启动前，所述导磁区域31设置在靠近所述气隙5的一侧。
45.进一步的设置，参见附图2，为本实施例中开关磁阻电机的径向截面图，其中，该c形定子1为单齿结构，且该定子1的定子齿12的两端与所述旋转轴4轴心的连线之间形成的夹角α大于90
°
，相较于现有技术中的定子，本实施例中的定子齿12的齿宽更宽，如此，单齿结构的定子1和转子2的导磁区域31的重合面积增加，有利于减小磁回路的磁阻，增加电机的转矩和功率。
46.在其他实施例中，转子2设计为圆柱形结构，导磁区域31及不导磁区域32呈类扇形结构，相较于传统的凸极结构的转子，该类圆柱形形结构的转子可以降低风损，提高电机的效率下降，并可以改善震动和噪声大等问题。
47.进一步的设计，定子1的定子齿12靠近导磁区域31的一侧为曲面结构，从而形成了均匀间距的气隙5。进一步的优化，在其他优选的实施例中，气隙5也可以设计为其他非均匀的形式，如阶梯气隙等，如此，在定子1和转子2进入部分重叠时因气隙5较大，则不会产生磁饱和。
48.在本实施例中，该高速开关磁阻电机磁通走向与旋转轴4垂直，电机的相数为一相，转子2每旋转一圈，注入绕组2的电流波形改变一次，对电流的计算频率和开关器件的开
关频率要求较低，适用于高速领域，同时，单相电机还具有结构简单、电机和控制器成本低，连接线少，槽空间大等优点，有利于减小绕组的铜耗。
49.在其他优选的实施例中，上述c形定子1也可以设计为多齿的形式，参见附图3，为具有三齿结构形式的c形定子1。
50.在其他优选的实施例中，上述绕组2可以设置在定子齿12上(参见附图4
‑
a)，也可以设置在定子轭11上(参见附图4
‑
b)，也可以同时设置在定子齿12与定子轭11上(参见附图4
‑
c)，以实际应用的需求为准。
51.在其他优选的实施例中，转子2的导磁区域31与不导磁区域32的形状设计也可以根据应用场景灵活设计，如附图5所示，为导磁区域31的另一种类扇形形状的设计方案，继续参见附图6，为导磁区域31的另外两种设计方案，其中，图6
‑
a中的导磁区域31为类半圆形，图6
‑
b中的导磁区域31面积较小，为扇环形。
52.在其他优选的实施例中，该c形定子的形状也可以根据实际应用场景中的空间结构特点等，设计成如附图7、附图8所示，其中，图7的定子齿12靠近导磁区域31的面为直型平面，图8进一步将该高速开关磁阻电机磁通走向设计成了与旋转轴4平行，同时对定子齿12的结构在附图7的基础上做了改进，图8中的定子齿12的端部与导磁区域31靠近的面与该导磁区域31的结构相适应，设置为了曲面，气隙5为均匀气隙，这些设计都是基于本实用新型的实用新型构思与基础方案所作的变形，均能够实现本实用新型的目的。
53.实施例2：
54.本实施例中的高速开关磁阻电机包括定子1，卷绕于所述定子1上的绕组2，转子3，以及与所述转子3固定连接的旋转轴4；其中，所述定子1包括定子轭11，以及固定设置在所述定子轭11上的定子齿12，且所述定子1为c形结构，所述c形结构凸出的部分为所述定子齿12。
55.在实施例1的基础上，本实施例对上述转子3做了进一步的优化设计，参照附图9，该转子3包括导磁区域31、不导磁区域32以及自启动结构33。其中，该自启动结构33设置在导磁区域31中靠近气隙5的一侧，且该自启动结构33不导磁，其他设置条件与实施例1相同。
56.本实施例中驱动该高速开关磁阻电机自启动的方法是基于上述对转子结构的设计，利用绕组2在通入小电流和大电流时存在转子位置差的特点，从而让电机转动起来，具体的过程如下：在绕组2中通入电流时，由于自启动结构33处不导磁，且与导磁区域31的边缘较近，从而使得自启动结构33附近的导磁区域31容易发生铁芯饱和。当绕组2中的电流较小(如在本实施例中，通入了10a的电流)时，导磁区域31的磁导率均较大，转子3的位置会定位到图10
‑
a处；而当绕组2中的电流较大(如在本实施例中，通入了30a的电流)时，自启动结构33处附近的导磁区域31先发生铁芯饱和，磁导率小于其他导磁区域，转子3产生向发生铁芯饱和的方向转动的趋势，即沿着顺时针方向朝向自启动结构33所在的一侧转动，随后转子3的位置定位到图10
‑
b处。
57.在其他实施例中，该高速开关磁阻电机磁通走向也可以设计成与旋转轴4平行，同时对定子齿12的结构进行改进，如附图11所示，定子齿12的端部与导磁区域31靠近的面与该导磁区域31的结构相适应，设置为了曲面，气隙5为均匀气隙，自启动方法同上，图11
‑
a是在绕组2中通入小电流时的转子3的位置，图11
‑
b是在绕组2中通入大电流时的转子3的位置。
58.实施例3：
59.本实施例的高速开关磁阻电机的结构与实施例2相似，区别在于：在本实施例中，该自启动结构33设置在不导磁区域32中，该自启动结构33可导磁，具体参见附图12，进一步地设置，该自启动结构33设置在靠近气隙5的一侧，且该自启动结构33沿转子3径向方向的宽度小于导磁区域31的宽度，其自启动方法同上，如附图13所示，图13
‑
a是在绕组2中通入小电流时的转子3的位置，图13
‑
b是在绕组2中通入大电流时的转子3的位置，在本实施例中，转子3是沿着逆时针方向朝向自启动结构33所在的一侧转动。
60.在其他实施例中，也可以基于本实施例对该高速开关磁阻电机做变形设计，将磁通走向设计成与旋转轴4平行，同时对定子齿12的结构进行改进，如附图14所示，定子齿12的端部与导磁区域31靠近的面与该导磁区域31的结构相适应，设置为了曲面，气隙5为均匀气隙，自启动方法同上，图14
‑
a是在绕组2中通入小电流时的转子3的位置，图14
‑
b是在绕组2中通入大电流时的转子3的位置。
61.本实施例中设计的具有c形定子结构的高速开关磁阻电机，可以将电机的相数设计为单相或者两相，如此，转子旋转一圈，注入绕组的电流波形仅改变一次或者两次，对电流的计算频率和开关器件的开关频率要求较低，可更好地适用于高速领域。另外，一般而言，低于3相的开关磁阻电机没有自启动能力，而且转矩波动也会变大。对此，本实用新型通过在转子上增加自启动结构，实现了单相或两相电机的自启动，此外，利用定子齿和转子齿之间不均匀的气隙，也可以实现电机的自启动。至于转矩波动的问题，由于高速工况下运行的电机转矩比较小，因此，转矩波动对电机性能的影响并不大。
62.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的技术构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的各种等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域，只要不脱离本实用新型的精神，均应属于本实用新型权利要求书中所定义的范围。