专利名称：自风冷却转子双定子低转矩脉动磁阻类电机的制作方法
技术领域：
本发明为一种自风冷却转子双定子低转矩脉动磁阻类电机，包括开关磁阻电机、双凸极 电机、感应子电机等，属于电机技术领域。
背景技术：
磁阻类电机是通过磁阻的变化来实现机电能量的转换。该类电机主要包括开关磁阻电 机、双凸极电机、感应子电机等。以双凸极电机为例，转子采用硅钢片冲制叠压而成，转子 上有凸极结构，无绕组，无电刷，因而该型电机具有结构简单、运行可靠的突出优点，尤其 适合于高速运行。另外，电励磁双凸极电机还具有其励磁功率相对较低的优点，因此双凸极 电机在航空航天、舰船、绿色能源等各个领域的动力系统及电源系统有广泛的应用前景。
一种磁阻类电机采用双定子结构，即电机具有内外两个定子，转子位于两个定子之间， 这种双凸极电机有效地降低了转矩脉动，扩大了该类电机的应用范围。另外研究表明可以通 过釆用转子斜齿结构来降低转矩脉动，在此双定子结构和转子斜齿结构结合成转子斜齿双定 子双凸极电机。然而，由于磁阻类电机是通过磁阻的变化来实现机电能量的转换，且其定子、 转子的磁通都是交变的，因此它存在明显的涡流损耗，效率相对较低，定子、转子温升明显。 这样轻则会影响绕组寿命，重则会损坏绕组，使得电机无法运行。通常的方法是降低绕组电 流密度选取、减小导磁体磁通密度选取、增大外部散热面积等方法来减小温升，但是这会增 大电机的体积重量，造成生产浪费。这就限制了该类电机等的应用范围，尤其是大功率场合 的应用。
发明内容
本发明在双定子磁阻类电机的基础上，利用转子凸极的结构特点，提出一种具有轴流风 机扇叶结构形状自风冷却功能转子、能够有效散除转子热量、低转矩脉动的新型磁阻类电机。 该电机的转子凸极齿根据轴流风机结构形状设计，使之具有自风冷却功能，定子凸极齿根据 转子凸极齿形状设计，使之产生降低转矩^t动的功能。
利用本发明可以在电机设计时提高绕组电流密度选取、提高导磁体饱和磁密选取，减小 外部散热面积，最大限度地降低电机的体积重量、优化电机的尺寸，节省资源，降低消耗。 尤其适合于低转速、大功率的应用场合。
本发明为一种自风冷却转子双定子低转矩脉动磁阻类电机。该电机有内外两个定子、转 子在两个定子中间，包括开关磁阻电机、双凸极电机、感应子电机等，适用于两个定子凸极 齿之和与转子凸极齿分别为6n/4n极、或8n/6n极、或10n/8n极结构，n为正整数，或其它 各种基本结构，此处所谓的各种结构名称描述的是定子及转子上凸极齿的个数，例如所谓 的6/4极是指两个定子共有6个凸极齿，转子有4个凸极齿，等等；同时适用于各种励磁方式，包括电励磁、永磁体励磁及混合励磁，和各种工作方式，包括电动工作及发电工作。 以6/4/4/6极结构双定子双凸极电机为例，该电机内外两个定子都有6个凸极齿，转子外
部及内部均具有4个凸极齿其它结构的磁阻类电机的设计与此完全相同，所不同的仅仅是
转子以及定子上凸极齿的个数不一样。
该电机除了具有自风冷却功能轴流风机扇叶结构形状凸极齿定子及转子以外，在(其它)
电性能上与传统的转子斜齿结构内外双定子双凸极电机是一致的，从电机横截面上看每一个
横截面都是一致的，并且与传统的转子斜齿结构内外双定子双凸极电机的横截面一致。
但是，该发明电机的转子凸极齿为轴流凤机扇叶结抅形状，转子凸极齿的倾斜情况符合
以下描述
对于转子外侧以转子外侧凸极齿高中心与转子中心轴线的距离o (转子外侧外半径与 转子外侧内半径的平均值)为半径，以转子中心轴线为中心作与转子长度相等的圆柱面，该 圃柱面与外侧凸极齿侧面形成空间交线。将该圆柱面展开成为平面，空间交线展成为平面圆 弧状曲线，内外两条平面圆弧状曲线组成圆弧状叶片，这样即构成了平面叶栅。圆弧状叶片 中心圆弧线，简称中弧线，其进气口处切线与转子中心轴线平行线之间的夹角称为进气口角
度A,其出气口处切线与转子中心轴线平行线之间的夹角称为出气口角度Cf3。所述的圆弧状
曲线，由进口角度/ 和出口角度《3以及转子长度决定，^二tan-'S, A^taiT1^^,
C2u=^"，式中的为C'进气绝对速度，Cl为轮缘速度，几为轮缘功。
当转子转动时，外侧凸极产生对气体的抽吸力，将气体引入电机内部再由出口排出。在 平面叶栅和对应的电机进气端速度三角形中，根据冷却气流量要求，确定进气绝对速度G, 根据转速计算出轮缘速度M,由速度三角形确定相对速度方向w。使转子外侧凸极进口角 / 尸m,避免进气产生分离损失。圆弧状中弧线出口角"3要经过气动设计确定，长度根据电机 转子长度确定。
对于转子内侧，凸极齿的描述及进、出气口角度与上述转子外侧凸极齿相同，使转子内 侧凸极出进气口角爲="2。圆弧状中心线出气口角《4要经过气动设计确定,长度根据电机转子 长度确定。
在进气口凸极上加装一个整流罩，减小进气阻力。
内外两个定子凸极齿的倾斜情况符合描述为了保持电机(其它)电性能与传统转子斜齿 结构内外双定子双凸极电机一致，以传统的转子斜一齿为例转子外侧凸极齿侧面在以n为 半径的圆柱切面平面展开困上形成的曲线LA,展开图的宽度为2;rn;外定子凸极齿侧面在 以外定子内半径"为半径的圆柱切面平面展开图上形成的曲线Lb,展开图的宽度为2;r", 将该展开图进行缩小，宽度缩小到2;rn，则原展开图上所有的点都按比例变化，原展开图上 的曲线LB变成缩小展开图上的曲线LR;曲线U和曲线LE符合；将曲线U和曲线LE左边 的端点重合在一起绘在 一张图上并在该点处作一条水平线，该水平线与展开图的侧面垂直。
过曲线LA上的每一点可以做该水平线的垂线，该水平线与曲线U和曲线LE相交的两个交
点形成一 一对应的关系，将曲线LA上的每一 点到展开图底边的距离与其在曲线LE上的对应 点到底边的距离相减，得到差值，以该差值为到水平线的距离做一个点，将所有的这些点连 接起来形成一条曲线，该曲线是一条直线，与传统的转子斜齿结构内外双定子电机的转子斜 齿侧面在以转子外恻外半径为半径的圆柱切面平面展开图上形成的曲线完全 一 致。转子内侧 凸极齿与内定子凸极齿倾斜情况依据同理设计。在满足上述条件下，可以做到对电机设计的优化，既可以尽量多地带走转子产生的热量,
又可以做到由于使空气流动而损失的能量达到最小；同时电机结构改动小、没有明显增加其 复杂程度。
图1为6/4/4/6极结构自风冷却内外双定子双凸极电机转子结构图 图2为6/4/4/6极结构自风冷却内外双定子双凸极电机转子结构图 图3为6/4/4/6极结构自风冷却内外双定子双凸极电机内定子结构图 图4为6/4/4/6极结构自风冷却内外双定子双凸极电机外定子结构图 图5为转子外侧以r2为半径的圆柱剖面平面展开图 图6为转子外侧平面叶栅和对应的电机进气端速度三角形示意图 图7为转子外侧以n为半径的圆柱切面平面展开图 图8为转子内侧以"为半径的圆柱剖面平面展开图 图9为转子内侧平面叶栅和对应的电机进气端速度三角形示意图 图10为转子内侧以rs为半径的圆柱切面平面展开图 图11为内定子以o为半径的圆柱切面平面展开图 图12为外定子以^为半径的圆柱切面平面展开图
图中标号及符号说明1、自风冷却内外双定子双凸极电机转子；2、转子外侧凸极齿; 3、转子内侧凸极齿；4、转子中心轴线；5、转子外侧外半径n; 6、转子外侧内半径o; 7、 转子外侧凸极齿中心高"8、转子内侧外半径q; 9、转子内侧内半径"；10、转子内侧凸 极齿中心高^; 11、以^为半径的圆柱面；12、以n为半径的圆柱面；13、以"为半径的圆 柱面；14、以"为半径的圆柱面；15、内定子外半径^; 16、以^为半径的圆柱面；17、外 定子内半径"18、以"为半径的圆柱面；19、圆柱面11与外侧凸极齿侧面形成的空间交 线；20、空间交线19在展开平面上的平面曲线；21、圆弧状平面曲线20的进口角度A; 22、 进气绝对速度d; 23、轮缘速度CA; 24、相对速度方向a" 25、相对速度M; 26、转子外 侧凸极齿侧面在以n为半径的圆柱切面平面展开图上形成的曲线LA; 27、圆柱面13与内侧 凸极齿侧面形成的空间交线；28、空间交线27在展开平面上的平面曲线；29、圆弧状平面 曲线28的进口角度應；30、进气绝对速度C2; 31、轮缘速度t/2; 32、相对速度方向的；33、 相对速度『2; 34、转子内侧凸极齿侧面在以r5为半径的圆柱切面平面展开图上形成的曲线 Lc; 35、内定子凸极齿侧面在以o为半径的圆柱切面平面展开图上形成的曲线LD; 36、外 定子凸极齿侧面在以rs为半径的圆柱切面平面展开图上形成的曲线LB; 37、转子外侧圆弧 状中弧线；38、转子外侧圆弧状中弧线进气口处切线；39、转子内侧圆弧状中弧线；40、转 子内侧圆弧状中弧线进气口处切线；41、内定子中心安装孔；42、内定子定位槽；43、转子 定位槽；44、外定子定位槽；45、自风冷却内外双定子双凸极电机内定子；46、自风冷却内 外双定子双凸极电机外定子；47、内定子中心轴线；48、外定子中心轴线；49、转子外侧整 流罩截面；50、转子内侧整流罩截面；51、转子外侧圆弧状中弧线出气口处切线；52、转子 中心轴线平行线；53、转子外侧圆弧状中弧线37的出气口角度化；54、转子中心轴线平行 线；55、转子内侧圆弧状中弧线出气口处切线；56、转子中心轴线平行线；57、转子内侧圆弧状中弧线39的出气口角度询；58、转子中心轴线平行线. 具体实施方案
以双凸极电机为例，由于双凸极电机的转子上只有凸极齿和齿槽，没有绕组，本发明在 转子斜齿双定子磁阻类电机基本原理和结构的基础上提出利用凸极齿和齿槽这种结构特点， 将双凸极电机转子凸极齿设计成轴流风机的扇叶结构形状，使转子转动时能够抽吸转子一端 (进气端)周围的空气进入电机转子齿槽，再从转子另一端(出气端)出去，直接带走电机转子 产生的热量从而冷却电机。为了达到这个目的，可以依据轴流风机扇叶的工作原理设计转子 凸极齿的形状。
图1与图2为6/4/4/6极结构自风冷却内外双定子双凸极电机转子结构图，图3为6/4/4/6极 结构自风冷却内外双定子双凸极电机内定子结构图，图4为6/4/4/6极结构自风冷却内外双定 子双凸极电机外定子结构图，图中的标号名称1、自风冷却内外双定子双凸极电机转子；2、 转子外侧凸极齿；3、转子内侧凸极齿；4、转子中心轴线；5、转子外侧外半径n; 6、转子 外侧内半径n; 7、转子外侧凸极齿中心高o; 8、转子内侧外半径"；9、转子内恻内半径
10、转子内侧凸极齿中心髙f5; 11、以r2为半径的圆柱面；12、以n为半径的圆柱面； 13、以^为半径的圆柱面；14、以"为半径的圆柱面；15、内定子外半径。；16、以/"7为半 径的圆柱面；17、外定子内半径"；18、以 为半径的圆柱面；19、圆柱面ll与外侧凸极 齿侧面形成的空间交线；27、圆柱面13与内侧凸极齿侧面形成的空间交线；41、内定子中 心安装孔；42、内定子定位槽；43、转子定位槽；44、外定子定位槽；45、自风冷却内外双 定子双凸极电机内定子；46、自风冷却内外双定子双凸极电机外定子；47、内定子中心轴线； 48、外定子中心轴线。其中凸极齿2是倾斜的，倾斜情况符合图5是将图2所示的圆柱面 11展开成的平面图，图5中的平面圆弧状曲线20是图2中圆柱面11与转子外侧凸极齿侧面 形成空间交线19的平面展开的圆弧曲线。内外两条平面圆弧状曲线构成平面圆弧状叶片， 平面圆弧状叶片的中心圆弧曲线37的进气口处切线38与转子中心轴线平行线52之间的夹 角为进气口角度y921,平面圆弧状叶片的中心圆弧曲线37的出气口处切线51与转子中心轴 线平行线54之间的夹角为出气口角《353，图中的标号49为整流罩截面。图6为转子外侧平 面叶栅和对应的电机进气端速度三角形示意图，图中的标号22、进气绝对速度d; 23、轮 缘速度Q; 24、相对速度方向q; 25、相对速度『1;图7为图2中以转子外侧外半径n为 半径的圆柱切面12的平面展开图，图中的标号26是转子外侧凸极齿侧面在以转子外半径n 为半径的圆柱切面平面展开图上形成的曲线LA。图12为图4中以外定子内半径"为半径的 圆柱切面17的平面展开图，图中的标号36是定子凸极齿侧面在以内定子外半径r8为半径的 圆柱切面16的平面展开图上形成的曲线LB。图8是将图2所示的圆柱面14展开成的平面图， 图8中的平面圆弧状曲线28是图2中圆柱面14与转子内侧凸极齿侧面形成空间交线27的 平面展开的圆弧曲线。内外两条平面圆弧状曲线构成平面圆弧状叶片，平面圆弧状叶片的中 心圆弧曲线39的进气口处切线40与转子中心轴线平行线56之间的夹角为进气口角度/29， 平面圆弧状叶片的中心圆弧曲线39的出气口处切线55与转子中心轴线平行线58之间的夹 角为出气口角化57,图中的标号50为整流罩截面。图10为图2中以转子内侧半径^为半径 的圆柱切面13的平面展开图，困中的标号34是转子外侧凸极齿侧面在以转子外半径r5为半 径的圆柱切面平面展开图上形成的曲线Lc。图11为图3中以内定子外半径o为半径的圆柱 切面16的平面展开图，图中的标号35是定子凸极齿侧面在以内定子外半径r7为半径的圆柱切面16的平面展开图上形成的曲线LD。图9为转子内侧平面叶栅和对应的电机进气端速度 三角形示意图，图中的标号30、进气绝对速度C2; 31、轮缘速度f/2; 32、相对速度方向 a2; 33、相对速度W。
对于该类电机在进行机电能量转换计算、损耗计算时与传统计算过程相同，请参考电机 设计手册。在此仅给出转子冷却的设计计算方法。
首先根据电机设计,册确定电机转子的损耗A然后根据该损耗确定冷却气流量化
<formula>formula see original document page 7</formula>(1)
其中，Ca为空气比热容，Azk为空气通过电机后的温升。
在平面叶栅和对应的电机进气端速度三角形中，如图6所示，根据由公式(l)确定的冷 却气流量g的要求，由公式(2)确定进气绝对速度C,22。<formula>formula see original document page 7</formula>(2)
叫
其中，p为进气气流密度，J为进气端流道截面积。 根据转速，由(3)式计算出轮缘速度^23。
<formula>formula see original document page 7</formula> (3)
其中，r2为转子外侧凸极齿高中心高度(转子外侧外半径与转子外侧内半径的平均值)，w为 电机转子角速度。再由速度三角形确定相对速度方向""4,即
<formula>formula see original document page 7</formula>(4)
使转子凸极进口角/y尸化，避免进气产生分离损失。 根据所产生的动能增量确定轮缘功A,，
即<formula>formula see original document page 7</formula> (5)
进一步由IfC7i(;;得<formula>formula see original document page 7</formula>及 <formula>formula see original document page 7</formula> (6) <formula>formula see original document page 7</formula> (7)
计算得出气口角度A。
转子内侧凸极齿依据同理确定进气口角度/ 2和出气口角度询。
确定了进气口角度和出气口角度，再结合电机转子的长度，就确定了平面叶栅中圆弧状 叶片中弧线的形状。根据圆弧状叶片中弧线的形状和硅钢片的厚度(包括绝缘漆)以及转子的 长度，计算出转子每片硅钢片的偏转角度。根据转子计算出定子每片硅钢片的偏转角度，在 冲制定子、转子时同时冲出每片硅钢片的定位槽，在定子、转子叠片式将每一片硅钢片的根 据定位槽固定压实成型即可。
在进气端处为了减小气阻，加装一个整流罩，整流罩可以是半圆型、半椭圆形、弧状曲 线或其它圆滑曲线。
权利要求
1、一种自风冷却转子双定子低转矩脉动磁阻类电机，包括转子和内外定子，其特征在于转子的内外凸极齿均为轴流风机扇叶结构形状的倾斜齿，其中转子外侧的轴流风机扇叶结构形状倾斜凸极齿是以转子外侧凸极齿高中心与转子中心轴线的距离为半径、以转子中心轴线为中心作与转子长度相等的圆柱面，该圆柱面与转子外侧凸极齿侧面形成空间交线，将该圆柱面展开成平面，则空间交线被展开成为平面圆弧状曲线，内外两条平面圆弧状曲线组成圆弧状叶片，即构成平面叶栅，该圆弧状叶片的平面圆弧状曲线由转子外侧凸极齿进气口角度β1和转子外侧凸极齿出气口角度α3决定，所述转子外侧凸极齿进气口角度β1是指圆弧状叶片中心圆弧线的进气口处切线与转子中心轴线平行线之间的夹角，所述转子外侧凸极齿出气口角度α3是指圆弧状叶片中心圆弧线的出气口处切线与转子中心轴线平行线之间的夹角，转子外侧凸极齿进气口角度转子外侧凸极齿出气口角度所述的转子内侧的轴流风机扇叶结构形状的倾斜凸极齿，是以转子内侧凸极齿中心高为半径，以转子中心轴线为中心作与转子长度相等的圆柱面，该圆柱面与转子内侧凸极齿侧面形成空间交线，将该圆柱面展成平面，则空间交线被展成平面圆弧状曲线，内外两条平面圆弧状曲线组成圆弧状叶片，即构成平面叶栅，该圆弧状叶片的平面圆弧状曲线由转子内侧凸极齿进气口角度β2和转子内侧凸极齿出气口角度α4决定，所述转子内侧凸极齿进气口角度β2为圆弧状叶片中心圆弧线的进气口处切线与转子中心轴线平行线之间的夹角，所述转子内侧凸极齿出气口角度α4为圆弧状叶片中心圆弧线的出气口处切线与转子中心轴线平行线之间的夹角，其中转子内侧凸极齿进气口角度转子内侧凸极齿出气口角度上述式中所述的C为进气绝对速度，U为轮缘速度，Lu为轮缘功；为保持电机电性能与传统转子斜齿结构内外双定子双凸极电机一致，转子外侧凸极齿侧面在以转子外侧外半径r1为半径的圆柱切面平面展开图上形成的曲线LA，展开图的宽度为2πr1；所述的内外两个定子的倾斜凸极齿符合外定子凸极齿侧面在以外定子内半径r8为半径的圆柱切面平面展开图上形成的曲线LB，展开图的宽度为2πr8，将该展开图进行缩小，宽度缩小到2πr1，则原展开图上的所有点都按比例变化，原展开图上的曲线LB变成缩小展开图上的曲线LE；曲线LA和曲线LE符合；将曲线LA和曲线LE左边的端点重合在一起绘在一张图上并在该点处作一条水平线，该水平线与展开图的侧面垂直，过曲线LA上的每一点可以做该水平线的垂线，该水平线与曲线LA和曲线LE相交的两个交点形成一一对应的关系，将曲线LA上的每一点到展开图底边的距离与其在曲线LE上的对应点到底边的距离相减，得到差值，以该差值为到水平线的距离做一个点，将所有的这些点连接起来形成一条曲线，该曲线是一条直线，与传统的转子斜齿结构内外双定子电机的转子斜齿侧面在以转子外侧外半径为半径的圆柱切面平面展开图上形成的曲线完全一致，转子内侧凸极齿与内定子凸极齿倾斜情况依据同理设计。
全文摘要
一种自风冷却转子双定子低转矩脉动磁阻类电机，属磁阻类电机。该电机包括转子和内外定子，所述转子内外凸极齿为轴流风机扇叶结构形状倾斜齿，由进气口角度β＝tan<sup>-1</sup>(C/U)和出气口角度α＝tan<sup>-1</sup>(C/(U-C<sub>2u</sub>))决定，式中C进气绝对速度，U为轮缘速度，C<sub>2u</sub>＝L<sub>u</sub>/U，L<sub>u</sub>为轮缘功。所述内外两个定子的凸极齿结构应保持电机电性能与传统的转子斜齿内外双定子双凸极电机一致，当电机转子转动时，转子内外凸极齿的轴流风机扇叶结构形状和内外定子凸极齿的轴流风机扇叶结构形状共同产生对气体的抽吸力，将气体吸入电机内，再由出气口排出，带走电机转子的热量，实现电机自风冷却的目的，以优化电机的设计，减小电机体积和重量。
文档编号H02K9/00GK101436807SQ20081024341
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者周正贵, 宏 杨, 爽 王, 王俊琦, 马运东 申请人:南京航空航天大学