横向磁通开关磁阻电机及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种横向磁通开关磁阻电机及其控制方法，其中电机部分包括定子铁心、转子铁心、定子绕组、非导磁转子套筒和轴承，定子包括Ns个定子铁心和Ns个嵌在定子铁心结构中的环形电枢绕组，Ns个定子绕组可以在圆周上对称分组，组成m相绕组，其中Ns＝2mk，其中k为任意大于1的整数；转子包括Nr个转子铁心，每个转子铁心都沿圆周方向均匀安置在非导磁转子套筒上，其中Nr＝Ns±2k；每相绕组根据计算出的导通和关断角按次序独立通入直流电，形成电机磁阻转矩，拖动电机转动。本发明专利技术的定子和转子排列方式及其主磁通路径构成横向磁通电机，使得电机不存在互感。此外，结合电机的每相绕组通电顺序和方式，实现电机磁阻的变化，拖动电机转动，提高了电机的功率密度。

【技术实现步骤摘要】
横向磁通开关磁阻电机及其控制方法
本专利技术属于电机领域，具体涉及一种横向磁通开关磁阻电机及其控制方法。
技术介绍
开关磁阻电机由于其结构简单、工作可靠、效率高、成本低等优点而成为国内外研究的主要热点。近年来，国内外众多学者在对开关磁阻电机结构和控制上取得了显著的成果，已成功地将开关磁阻电机应用于电动汽车、工矿机械、纺织机械等众多领域。由于该电机转子上没有永磁体或绕组，因此具有较高的可靠性，适合应用于恶劣的环境或场合。在性能方面，开关磁阻电机具有频繁正反转、调速性能好、过载能力强、在宽广的调速范围内效率高等优点。开关磁阻电机各相轮流导通，定子磁动势以—个较大的角度沿定子圆周步进运行，换相时刻瞬时转矩波动很大，且电机受磁路饱和、相电流非线性、转矩非线性的影响，在相导通期间，转矩依然存在波动，产生噪音。由于传统结构的开关磁阻电机的电感包含自感和互感两部分，且都为非线性。因此准确计算自感和互感，有利于建立准确的电机控制模型，降低电机的噪音和振动。此外，传统的开关磁阻电机一般采用长磁路结构，电机的磁利用率较低，铁心损耗较大。为了减小铁心损耗提高电机效率，可采用短磁路结构，但一般需采用较多的相数或较多的定转子极数，导致电机和控制器的成本增加，且不适宜高速运行([1]TakiguchiM,SugimotoH,KuriharaN等.AcousticNoiseandVibrationReductionofSRMbyEliminationofThirdHarmonicComponentinSumofRadialForces[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2015,30(3):883–891.)。Lipo首次给出了包含相间互感的等效磁网络模型，指出互感耦合一方面对关断相绕组电压有较大影响，可能使关断相绕组导通，产生不希望的转矩分量；另一方面还使绕组电流的关断时间延长，从而使输出转矩有所减小，损耗有所增加。A.Deihimi等采用有限元法对开关磁阻电机长磁路和短磁路的性能进行了分析。郭伟等给出了互感随电机定子电流和转子位置变化的规律，推导了两相开关磁阻电机的矩角特性。辜成林等基于传统横向磁通电机提出了一种横向磁通开关磁阻电机，该电机三相结构分别为三个独立的单元模块沿轴向排列，模块之间分别差120度电角度，然而该电机存在端部过长、漏磁较大等缺点。总之，现有的开关磁阻电机主要存在噪音振动或损耗较大等问题([2]宋受俊,葛乐飞,刘虎成等.开关磁阻电机设计的多目标优化方法[J].电工技术学报,2014,29(5):197–204.)，因此在电机结构和电机电感等参数的准确计算上还有提高的空间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种横向磁通开关磁阻电机及其控制方法，能够缩短电机的磁路，降低电机的铁损，并且不存在互感，降低了电机电感计算的复杂度。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种横向磁通开关磁阻电机，包括定子铁心、定子电枢绕组、转子铁心和非导磁转子套筒，其中定子铁心为U或C型结构，定子电枢绕组绕制在定子铁心的铁心柱上，定子铁心和定子电枢绕组构成电机定子单元，且电机定子单元沿圆周方向均匀设置，彼此不接触，构成定子机构，其中电机定子单元数量为Ns，且Ns＝2mk，m为电机相数、k为任意大于1的整数；转子铁心也为U或C型结构，并沿圆周方向均匀设置在非导磁转子套筒外侧，构成转子机构，转子铁心的数量为Nr，且Nr＝Ns±2k；所述定子机构同轴设置在所述转子机构外，构成内转子、外定子的结构形式，或者所述定子机构同轴设置在所述转子机构内，构成外转子、内定子的结构形式，从而构成横向磁通开关磁阻电机。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：(1)采用横向磁通电机原理，每相之间不存在互感，可以有效地减低电机的控制的复杂度和计算量。此外，其主磁路路径可以有效缩短电机的磁路长度，减小电机的损耗，从而提高了电机的效率，在一定程度上提高了电机的功率密度。通过三维有限元对本专利技术的电机结构进行建模，并进行仿真得出该电机的效率曲线，可以达到80％，如图8所示。(2)该电机的各定子铁心尺寸相同，各转子铁心尺寸也相同，且都可用硅钢片叠制而成。各定子铁心安装在非导磁材料机壳圆形套筒内，形成定子整体；各转子铁心安置在非导磁材料圆筒上，形成转子整体，并且与电机转轴相连。由于采用了硅钢片叠制，可以有效地减少电机的漏磁通，从而可以提高电机的功率因数。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是12/8横向磁通开关磁阻电机沿轴向爆炸结构示意图(定子12极、转子8极结构)。图2是12/8横向磁通开关磁阻电机定子铁心、转子铁心和电枢绕组结构。图3是12/8横向磁通开关磁阻电机A1相电枢绕组电感最小位置时的主磁通示意图。图4是12/8横向磁通开关磁阻电机A1相电枢绕组电感最大位置时的主磁通示意图。图5是12/8横向磁通开关磁阻电机主电路结构示意图。图6的(a)、(b)是12/8横向磁通开关磁阻电机转子两个典型的位置。图7是本专利技术的定子机构同轴设置在所述转子机构外的结构示意图。图8是本专利技术横向磁通开关磁阻电机的效率结果图。具体实施方式结合图1、图2、图3和图4，本专利技术横向磁通开关磁阻电机，包括定子铁心1、定子电枢绕组2、转子铁心3和非导磁转子套筒4，其中定子铁心1为U或C型结构，定子电枢绕组2绕制在定子铁心1的铁心柱上，定子铁心1和定子电枢绕组2构成电机定子单元，且电机定子单元沿圆周方向均匀设置，彼此不接触，构成定子机构，其中电机定子单元数量为Ns，且Ns＝2mk，m为电机相数、k为任意大于1的整数；转子铁心3也为U或C型结构，并沿圆周方向均匀设置在非导磁转子套筒4外侧，构成转子机构，转子铁心3的数量为Nr，且Nr＝Ns±2k，非导磁材料定子套筒4通过轴承与电机转轴相连，定子铁心1通过轴承与机壳相连；所述定子机构同轴设置在所述转子机构外，构成内转子、外定子的结构形式，如图7所示。或者所述定子机构同轴设置在所述转子机构内，构成外转子、内定子的结构形式，从而构成横向磁通开关磁阻电机。所述电机定子单元为Ns个，构成m相电机，其同一相电机电枢绕组沿圆周方向间隔为m，且同一相电机电枢绕组首尾相连。所述定子铁心1的圆周方向长度小于转子铁心3的圆周方向长度。本专利技术采用电力电子器件对m相电机电枢绕组通电，当按定子电枢绕组2顺时针方向通电，则电机顺时针转动；当按定子电枢绕组2逆时针方向通电，则电机逆时针转动，通电的时间由电机的电感决定。对m相电机电枢绕组通电的顺序是这样的，先对其中任意一相通电，然后依次对他相通电，循环往复。电力电子器件采用全控型MOSFET或IGBT。所述述转子铁心3采用硅钢片叠制，且尺寸相同。定子铁心1采用硅钢片叠制，且尺寸相同。结合图5，本专利技术利用上述横向磁通开关磁阻电机进行控制方法，实现电动运行或实现发电运行，其中实现电动运行的方法如下。Ns个定子电枢绕组构成Ns/m组定子组，以三相12个定子电枢绕组构成4组定子组为例进行说明，每一组的三个定子电枢绕组表示为第一定子电枢绕组A1、第二定子电枢绕组A2、第三定子电枢绕组A3；当转子机构的第一转子铁心R1转到两个相邻电机定子单元之间(图6(a)位置所示)，第一转子铁心R1位于第二定子电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种横向磁通开关磁阻电机，其特征在于包括定子铁心(1)、定子电枢绕组(2)、转子铁心(3)和非导磁转子套筒(4)，其中定子铁心(1)为U或C型结构，定子电枢绕组(2)绕制在定子铁心(1)的铁心柱上，定子铁心(1)和定子电枢绕组(2)构成电机定子单元，且电机定子单元沿圆周方向均匀设置，彼此不接触，构成定子机构，其中电机定子单元数量为Ns，且Ns＝2mk，m为电机相数、k为任意大于1的整数；转子铁心(3)也为U或C型结构，并沿圆周方向均匀设置在非导磁转子套筒(4)外侧，构成转子机构，转子铁心(3)的数量为Nr，且Nr＝Ns±2k；所述定子机构同轴设置在所述转子机构外，构成内转子、外定子的结构形式，或者所述定子机构同轴设置在所述转子机构内，构成外转子、内定子的结构形式，从而构成横向磁通开关磁阻电机。

【技术特征摘要】
1.一种横向磁通开关磁阻电机，其特征在于包括定子铁心(1)、定子电枢绕组(2)、转子铁心(3)和非导磁转子套筒(4)，其中定子铁心(1)为U或C型结构，定子电枢绕组(2)绕制在定子铁心(1)的铁心柱上，定子铁心(1)和定子电枢绕组(2)构成电机定子单元，且电机定子单元沿圆周方向均匀设置，彼此不接触，构成定子机构，其中电机定子单元数量为Ns，且Ns＝2mk，m为电机相数、k为任意大于1的整数；转子铁心(3)也为U或C型结构，并沿圆周方向均匀设置在非导磁转子套筒(4)外侧，构成转子机构，转子铁心(3)的数量为Nr，且Nr＝Ns±2k；所述定子机构同轴设置在所述转子机构外，构成内转子、外定子的结构形式，或者所述定子机构同轴设置在所述转子机构内，构成外转子、内定子的结构形式，从而构成横向磁通开关磁阻电机。2.根据权利要求1所述的横向磁通开关磁阻电机，其特征在于：所述电机定子单元为Ns个，构成m相电机，其同一相电机电枢绕组沿圆周方向间隔为m，且同一相电机电枢绕组首尾相连。3.根据权利要求1所述的横向磁通开关磁阻电机，其特征在于：所述定子铁心(1)的圆周方向长度小于转子铁心(3)的圆周方向长度。4.根据权利要求1、2或3所述的横向磁通开关磁阻电机，其特征在于：采用电力电子器件对m相电机电枢绕组通电，当按定子电枢绕组(2)顺时针方向通电，则电机顺时针转动；当按定子电枢绕组(2)逆时针方向通电，则电机逆时针转动，通电的时间由电机的电感决定。5.根据权利要求1、2或3所述的横向磁通开关磁阻电机，其特征在于：所述转子铁心(3)采用硅钢片叠制，且尺寸相同。6.根据权利要求1、2或3所述的横向磁通开关磁阻电机，其特征在于：所述定子铁心(1)采用硅钢片叠制，且尺寸相同。7.根据权利要求4所述的横向磁通开关磁阻电机，其特征在于：电力电子器件采用全控型MOSFET或IGBT。8.一种利用权利要求1、2或3所述的横向磁通开关磁阻电机的控制方法，其特征在于能够实现电动运行，即Ns个定子电枢绕组构成Ns/m组定子组，以三相12个定子电枢绕组构成4组定...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜建虎，汪盼，费晨，言钊，张尚坤，杨凯，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32