专利名称：降低噪音和转矩脉动的开关磁阻电动机的制作方法
技术领域：
本实用新型总体上涉及一种开关磁阻电动机，具体地涉及一种用多层级联的开关磁阻电动机构成的降低噪音和转矩脉动的开关磁阻电动机。
技术背景如领域内所公知，开关磁阻电动机具有成本低、效率高、起动转矩大、控制灵活且简单等优点，有广阔的发展前景。但是，振动与噪音是开关磁阻电动机的一个比较突出的问题，从而限制了其在一定领域内的应用。开关磁阻电动机的磁极要受到变化的径向磁拉力，从而引起定子铁心形变和振动，这是产生噪音的主要原因。开关磁阻电动机产生噪音的另一个原因是转矩脉动或者说转矩起伏。
发明内容
本实用新型的目的是提出一种新的开关磁阻电动机的结构，以降低其噪音和转矩脉动。
为此，本实用新型提出一种由多层级联同轴安排的多个的单相开关磁阻电动机构成的开关磁阻电动机，其中，所述开关磁阻电动机的每个层由一个单相的开关磁阻电动机构成，各个层的开关磁阻电动机在轴向上依次上下间隔开安装，全部转子同轴地安装在同一个转动轴上，各层电动机的定子结构都相同并且围绕各自对应的转子同心地安排，与对应的转子在径向上形成很小的气隙，所述开关磁阻电动机的相邻相的定子磁极中心线、转子磁极中心线相交的交角关系在空间上相互错开相数分之一个转子极距，从而一个层的单个电动机构成总体电动机的一个相，所述开关磁阻电动机整机的相数等于全部单个电动机的和。这样全部单个电动机形成一个开关磁阻电动机整体或者说开关磁阻电动机总成。因此，各层的单个开关磁阻电动机的定子磁极数相对地少，定子极距相对地大。单个电动机的定子极距和转子极距大，有效导通角也大。由于电动机整机的相数多，所要求的步距角相对地小，各相转矩互补性强，有利于降低转矩波动。由于单个电机有效导通角大，电机整体所要求的步距角小，所以比现有技术的开关磁阻电动机更有通过缩小关断角而降低径向磁拉力减少定子铁芯形变引起的噪音余地。同时，本实用新型的单个电动机的相数少，有利于把一相的磁定子磁极做成一对以上，分散转子磁极与定子磁极极对极时产生的径向拉力，减少定子铁芯形变引起的振动。
本实用新型的一个优选实施方式是一种由多层级联同轴安排的三个单相开关磁阻电动机构成的三相开关磁阻电动机，其中，三个单相的开关磁阻电动机在轴向上依次上下间隔开安装，全部转子同心地固定地安装在同一个转动轴上，全部单相电动机的定子与对应的转子在径向上形成很小的气隙。三个单相开关磁阻电动机的转子磁极的中心线在电动机的轴向上相应地对齐，而定子磁极的中心线在空间上相互错开三分之一个转子极距，三个单相的开关磁阻电动机结合构成三相开关磁阻电动机整机的各个相。
优选地，本实用新型所述三相开关磁阻电动机的单个电动机转子极数与定子极数相同，并且是双数，例如4-4极、6-6极、8-8极，10-10极或者以上。
本实用新型不限于以上说明三相开关磁阻电动机，而是可以包括任意相数的开关磁阻电动机。
本实用新型所述开关磁阻电动机的有效导通角大于同比现有技术的开关磁阻电动机的有效导通角，因此有利于降低转矩波动，还为缩小关断角降低振动噪音提供了充分的余地。并且所述所述开关磁阻电动机的径向磁拉力圆周分散数个定子磁极上，而常规的三相开关磁阻电动机的径向磁拉力分布在直径上相对的两个定子磁极上。因此，本实用新型所述开关磁阻电动机由径向磁拉力所引起的定子磁轭形变都要常规开关磁阻电动机的径向磁拉引起的定子磁轭形变小得多，也就是说可以非常有利地减少由于振动引起的噪音。
本实用新型的一个优点是不增加相数而只增加定子磁极数和转子磁极数就可以缩小整机的步距角，同时基本上不降低电机出力，这有利于降低低速运转的转矩波动。增加定子极数可以把径向的磁拉力进一步地分散在定子圆周上，特别有利于降低振动噪音。同样地也可以方便地通过增加相数缩小步距角，同时提高电磁传动比。
本实用新型的另一个优点是可以通过增加相数缩小整相的步距角，与常规开关磁阻电动机不同的是相数的增加并不降低有效导通角，这有利于降低转矩脉动。
本实用新型的另一个优点是容易做到短磁路的磁极安排。
从下面参照附图对本实用新型的详细地说明可以进一步地理解本实用新型的其它特征和优点。在附图中图1a-1d示出一种现有技术的三相开关磁阻电动机的定子与转子相对位置平面示意图，分别地示出转子在不同转角位置时，各相定子磁极与转子磁极的相对关系；图2是半剖视图，用于示意一种根据本实用新型的三相开关磁阻电动机的一个实施方式的结构；图3a-3d示出图2所示的开关磁阻电动机在转子的不同转角时各层定子、转子相对位置示意图；图4是示意图，示出如本实用新型所述的三相开关磁阻电动机的另一个实施例的单层单相开关磁阻电动机的转子、定子铁芯冲片。
具体实施方式
图1示意地示出现有技术的三相开关磁阻电动机的定子与转子相对位置。图1表示一台典型的三相开关磁阻电动机的一个定子、转子的平面示意图，并且示出一相电路的原理。该开关磁阻电动机的定子101上有六个磁极，每个极上绕有一个线圈，每对直径方向上相对的磁极上的线圈相应地串(并)联连接，各自组成相应的一相绕组；转子102沿圆周有四个均匀分布的转子磁极，转子磁极上没有线圈；定子101与转子102之间有很小的气隙。Sa是一个相的电子开关，E是电源。在图中用AA`、BB`和CC`分别指代A相、B相和C相的磁极中心，并且用1-1`和2-2`分别指代经转子的两对直径上相对的磁极中心的两个磁极中心。并且只示出一相的定子绕组，电子开关、电源以及绕组连接线也只在图1a中示出。
下面参照图1a至图1c简要地说明现有技术开关磁阻电动机的工作原理。例如在图1a的位置，当定子101的A相磁极中心AA`与转子102的磁极中心1-1`不重合时，例如其交角为30度角时，开关Sa合上，A相绕组通电，电动机内建立起以AA`为轴线的磁场，磁通经过定子轭、定子磁极、气隙、转子磁极、转子轭等处闭合。在此时磁路的磁阻大于定子磁极、转子磁极的中心线重合时的磁阻，因此转子102将受到气隙中弯曲的磁力线的切向磁拉力产生的转矩作用，使转子102逆时针方向转动。当上例中转子102转动过30°角时，AA`与1-1`重合时，磁阻最小，转子102达到平衡位置，即A相的定子101、转子102极对极，这时切向力消失，如图1b所示。由图1b可见，此时B相定子磁极中心BB`与转子磁极中心线2-2`的相对位置正好与A相初始通电时相同。在此时刻打开A相开关S并且闭合图中未示的B相开关，建立起以BB`为轴线的磁场。与上述原理相同，B相通电时转子102逆时针转动，当转过30°角时，如图1c所示，B相定子101的磁极的中心BB`与转子102的磁极中心2-2`相对。依此类推，在B相断电时给C相通电，建立起以CC`为轴线的磁场。如此再转过一个30°角，当C相断电时电动机内定、转子的相对位置如图1d所示，与图1a所示形态完全一样，只不过定子A相定子磁极中心线AA`相对的转子磁极中心线是2-2`而不是1-1`。也就是说A-B-C三相转子绕组轮流通电一次转子逆时针转动一个转子极距90°。连续不断地按A-B-C-A的顺序分别给定子绕组轮流通电，转子即沿逆时针方向连续地转动。如果连续不断地按A-C-B-A的顺序分别给定子绕组轮流通电，转子即沿顺时针方向连续地转动。
从以上说明可以看出，当定子磁极与转子磁极中心线重合时，也就是极对极时，相邻的定、转子磁极中心线应当错开转子极距/相数的角度，也就是一个步距角。因此，现有技术开关磁阻电动机的定子磁极数与转子磁极数有一定的关系，譬如，转子磁极为4时，定子磁极数是6，而转子磁极数是6时，定子磁极数为8，总之转子极数与定子极数不相等。
下面参照图2和图3所示的一种根据本实用新型的开关磁阻电动机的一个实施方式说明根据本实用新型的开关磁阻电动机。
图2是半剖视图，示出一种根据本实用新型的三层级联的三相开关磁阻电动机。图3示意地示出图2中各个单相的开关磁阻电动机的定子、和转子平面上关系，并且在图3a-图3d中分别地示出转子的不同的转角位置上转子与定子之间的相对位置。图中示出的开关磁阻电动机包含三个单相开关磁阻电动机A、B和C，它们各自具有自己的定子201和转子202。其中，三个单相的开关磁阻电动机A、B和C在轴向上依次上下间隔开安装，三个转子同心地固定安装在同一个转动轴208上，可绕公共的转动轴208的轴线同步地转动。参见图3，三个单相电动机A、B和C的定子201a、201b、201c的结构相同，围绕各自对应的转子202a、202b和202c安装，与对应的转子202a、202b和202c在径向上形成很小的气隙。三个单相开关磁阻电动机的转子202a、202b和202c的径向的磁极中心线在电动机的轴向方向上对齐，也就是说转子磁极不在空间上错开角度。转子没有线圈。定子201a、201b和201c也各有四个磁极，每个磁极上都有一个线圈209。定子磁极201a、201b和201c的磁极中心线在电动机的轴向上的投影周向地相互错开30°角。单个定子201a、201b和201c的定子线圈串(并)联在一起分别构成A相定子绕组、B相定子绕组和C相定子绕组，各由一个电子开关Sa、Sb和Sc用领域内公知的方式控制。从而由三个电动机A、B和C一起构成一个电动机总成。为了表现清楚，图3中夸大了气隙，同时，电子开关、电源以及绕组连接线也只在图3a中示出。附图中略去了对于说明工作原理无关紧要的部件。
下面参照图3a-图3d说明如该实施方式所述的开关磁阻电动机的工作原理。为了简化说明，本文的说明以各相定子绕组按50％的占空比接通电流为基础。如图所示，当例如在图3a的位置时，A单相电动机的定子201a的磁极中心线与转子202a的磁极中心轴线不重合，例如其交角如图所示为45度角时，开关Sa合上，A相定子绕组通电，电动机内建立起以定子201a的直径上相对的磁极中心线为轴线的磁场，磁通经过定子轭、定子磁极、气隙、转子磁极、转子轭等处闭合。在此时磁路的磁阻大于定子201a、转子202a磁极中心线重合时的磁阻，因此转子202a将受到气隙中弯曲的磁力线的切向磁拉力产生的转矩作用，使转子202a逆时针方向转动。当转子202a转动过30°角时，由于转子202a、202b和202c同轴地固定地安装在同一个转动轴上，B相定子201b的磁极与转子202b的磁极的相对位置正好与A相开始通电时相同，如图3b所示。在此时刻闭合B相定子201b的开关Sb，B相电动机内建立起以B相定子201b的直径上相对的磁极中心线为轴线的磁场，与上述原理相同，转子202b受到气隙中弯曲的磁力线的切向磁拉力产生的转矩作用，使转子202b逆时针方向转动，与A相定子201a对转子202a产生的转矩相迭加。当此两相定子201a、201b同时通电共同使转子再转过15°角时，定子201a的磁极中心线与转子磁极中心线重合，这时磁阻最小，转子202a达到平衡位置，即A相定子201a与转子202a极对极时，A相电机贡献的切向力消失，如图3c所示。在此时刻打开A相定子绕组开关Sa，使之不对转子102a产生制动矩。B相定子201b单独通电再转过一个15°角，如图3d可见，此时C相定子201c的磁极中心线与转子202c的磁极的相对位置正好与A、B相绕组开始通电时相同，于是闭合C相绕组开关Sc，C相电动机内建立起以定子201c的磁极中心线为轴线的磁场。当C、B相绕组同时通电使转子转过15°角、接着C相绕组单独通电使转子再转过一个15°角时，整个电机即与图3a所示状态完全一样，只不过A相定子201a的磁极相对的转子202a的磁极转过了90°角。也就是说，三相绕组A-B-C轮流通电一次同轴的转子逆时针转动一个90°的转子极距。连续不断地按A-B-C-A的顺序分别给各相定子绕组轮流通电，同轴的转子即沿逆时针方向连续地转动。如果连续不断地按A-C-B-A的顺序分别给各相定子绕组轮流通电，转子即沿顺时针方向连续地转动。
图2和图3所示的三相开关磁阻电动机的同轴安装的转子202a、202b和202c的转子极距与图1所示的现有技术三相6-4极安排的开关磁阻电动机的转子102有相同的极距，因此有相同的步距角，在相同的转速下有相同的开关频率。
比较图1与图3，图3所示电动机的定子极距与转子极距相同，都是90°角，而图1所示的开关磁阻电动机的定子极距为60°角。在满足充分的绕线空间的条件下，图2和图3所示的开关磁阻电动机的最大定子极弧可以达到45°，而图1所示开关磁阻电动机的最大定子极弧为30°角。图2和图3所示的开关磁阻电动机的每相绕组的四个定子线圈分别同时地导通或关断，而图1所示的开关磁阻电动机每相径向相对的两个定子磁极同时导通或关断，所以，在总的定子铁芯叠厚相同的条件下，相同的安匝数时本实施方式的开关磁阻电动机的总磁通不低于同比6-4极安排的开关磁阻电动机总磁通。而且由于绕线空间大，图2和图3所示的开关磁阻电动机还可以通过增加匝数来提高安匝数。
在只产生驱动转矩的条件下，图1的开关磁阻电动机的有效导通角实质为30°左右，而图2和图3所示的开关磁阻电动机的有效导通角几乎可以达到45°，而如上所述，两者的步距角相同，都是30°。因此本实用新型提高了重复率，有利于降低转矩波动。这从前面的工作原理说明中也不难看出，在导通角为45°条件下，A、B和C任一相的一个导通周期内与其它两相共同导通的转角总和可以达到30°。换言之，各相转矩互补性强。
在本文中，“有效导通角”指得是，在只产生驱动转矩的前提下开关磁阻电动机的关断角与触发角之间的差值。如上面所述常规开关磁阻电动机的定子磁极数与转子磁极数是不相等的，因此有效导通角必然取决于定子极距与转子极距两者最小的一个，通常是取决于定子极距。而本实用新型各相电磁角度与机械角度错开与相数完全无关，有效导通角与相数无关甚至于总有效导通角与磁极数无关，而且定子磁极数与转子磁极数相等。由此不难理解本实用新型所述开关磁阻电动机的有效导通角大于常规开关磁阻电动机的有效导通角。
导通角与步距角的差值大也为领域内所公知的角度位置控制方式提供了充分的余地，可以更加合理地采用领域内所公知的控制策略。例如，如领域内普通技术人员所公知，适当缩小关断角或者说适当提前地关断对降低振动噪音极为有益。但是，缩小关断角要受到电机启动性能和电机出力等方面的制约。从以上说明不难理解，本实用新型的开关磁阻电动机缩小关断角而不影响出力的余地远大于现有技术的开关磁阻电动机。
另外，图2和图3所示的实施方式的每相电动机A、B和C的径向磁拉力圆周地分布在四个定子磁极上，而图1所示的开关磁阻电动机的径向磁拉力分布在直径上相对的两个定子磁极上。因此，图2和图3所示的开关磁阻电动机定子受到的径向磁拉力所引起的定子磁轭的形变比6-4极安排的开关磁阻电动机的径向磁拉引起的定子磁轭形变小得多，也就是说可以相当地减少由于开关动作时因为振动引起的噪音。
领域内普通技术人员可以理解，上述实施方式的三相开关磁阻电动机的各个层的单个电动机的定子磁极数和转子磁极数相同，并且可以是任意的，优选地是偶数。例如，在需要低的开关频率时，也可以是2-2极安排的。当然也可以有6-6极、8-8极、10-10极或者以上的安排。
图4示出一种各相的单个开关磁阻电动机是8-8极安排的实施例的一个单相开关磁阻电动机的转子、定子相对位置示意图。与4-4极安排相比较，8-8极安排的步距角降低到15°，有利于进一步降低转矩波动。从图4可以看出，同时导通的单个相的定子绕组可以有相邻磁极间都是短磁路的绕组接法，从而可以提高电磁性能。图4所示的实施例的径向磁拉力圆周地分散在4对定子磁极上。因此进一步减少了径向磁拉力所引起的定子磁轭形变。
以上实施例中，各层单相电动机的转子磁极线在空间上对齐，而相邻相的定子磁极线在空间上错开相数分之一的转子极距。当然可以有各层单相电动机的定子磁极线在空间上对齐，而相邻相的转子磁极线在空间上错开相数分之一的转子极距的实施方式，甚至有相邻相的转子磁极线和定子磁极线在空间上错开的总和为相数分之一的转子极距的实施方式。
以上说明了由三个单相电动机多层级联同轴安排构成的三相开关磁阻电动机，当然可以由任意数量的单相电动机构成相应相数的开关磁阻电动机。
领域内普通技术人员可以看出，本实用新型的开关磁阻电动机的磁极数和相数无关，具备相当大的灵活性，可以满足各种不同的转矩要求和转速要求，因此有广泛的应用前景。
不难看出，在以上实施方式中相与相之间的互感很小，因此磁路简单，可以对单个单相电机进行独立的电磁计算，方便了磁路结构优化设计。
本实用新型所涉及的控制方式是领域内所公知的，因比本文不加以说明。
应当理解以上参照附图进行的说明只是示例性的，而不构成对本实用新型的限制，因此，所有落入权利要求书所定义的精神和范围的任何修改和变例都应当涵盖在本实用新型中。
权利要求1.一种开关磁阻电动机，所述开关磁阻电动机由多层级联同轴安排的多个的单相开关磁阻电动机构成，其特征在于，各个层的开关磁阻电动机在轴向上依次上下间隔开安装，所述单相电动机的转子有相同的磁极数和实质上相同的结构，全部转子同轴地安装在同一个转动轴上，各层单相电动机的定子磁极与转子有相同的磁极数，所述定子结构都相同并且围绕各自对应的转子同心地安排，所述开关磁阻电动机的相邻相的定子、转子磁极径向中心线相交的交角在空间上总共相互错开总相数分之一个转子极距，所述总相数为构成所述开关磁阻电动机的所述多个单相开关磁阻电动机的总数。
2.如权利要求1所述开关磁阻电动机，其特征在于，各个单相开关磁阻电动机的转子磁极的中心线在电动机的轴向上相应地对齐，而相邻相的定子磁极的中心线在空间上相互错开总相数分之一个转子极距。
3.如权利要求1所述开关磁阻电动机，其特征在于，各个单相开关磁阻电动机的定子磁极的中心线在电动机的轴向上相应地对齐，而相邻相的转子磁极的中心线在空间上相互错开总相数分之一个转子极距。
4.如以上权利要求之一所述开关磁阻电动机，其特征在于，其磁路安排是短磁路的。
专利摘要一种开关磁阻电动机，所述开关磁阻电动机由多层级联同轴安排的多个的开关磁阻电动机构成，其中，所述开关磁阻电动机的每个层由一个单相开关磁阻电动机构成，各个层的开关磁阻电动机在轴向上依次上下间隔开安装。本文所揭示的开关磁阻电动机的相邻相的定子、转子磁极径向中心线相交的交角关系在空间上总共相互错开相数分之一个转子极距。通过加大有效导通角降低了转矩脉动，还可以通过在圆周上分散径向磁拉力降低由于定子磁轭形变造成的噪音。
文档编号H02K29/00GK2857322SQ200520130139
公开日2007年1月10日 申请日期2005年10月26日 优先权日2005年10月26日
发明者刘自芦 申请人:刘自芦