专利名称：自风冷却转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。
但是该类电机也存在转矩脉动相对较高的缺点，在转速较低时严重影响正常运行。研究 表明可以通过采用转子斜齿结构来降低转矩脉动，在此称为传统的转子斜齿磁阻类电机，该 结构不能提供自风冷却功能。同时，由于该类电机是通过磁阻的变化来实现机电能量的转换， 尤其是双凸极电机，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。通常的方法是 降低绕组电流密度选取、减小导磁体工作磁通密度选取、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，造成浪费。这就限制了该类电机的应用范围，尤其是大 功率场合的应用。
发明内容
本发明在传统的转子斜齿磁阻类电机的基础上，利用转子凸极齿的结构特点，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，使之产生降低转矩脉动的功能。
利用本发明可以在电机设计时提高绕组电流密度选取、提高导磁体工作磁通密度选取， 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。
本发明的自风冷却转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，适用于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 是指定子有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；同时适用于各种斜齿 结构。以6/4极结构双凸极电机为例。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。
该发明电机除了具有轴流风机扇叶结构形状自风冷却功能转子以外，在(其它)电性能上 与传统转子斜齿结构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 且与传统转子斜齿结构双凸极电机的横截面一致。
但是，该发明电机转子的凸极齿是轴流风机扇叶结构形状的倾斜齿转子凸极齿按轴流 风机扇叶转动中吸气的原理设计，以转子凸极齿高中心与转子中心轴线的距离G(转子外半 径与转子内半径的平均值)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 圆柱面与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"2。所述的圆弧状曲线，
由进口角度P和出口角度"2以及转子长度决定，〃 =tan—'g， "2:tarT1 C ， C2u=#， 式中的c为进气绝对速度，"为轮缘速度，丄u为轮缘功。
当转子转动时，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c，根据
转速计算出轮缘速度f/，由速度三角形确定相对速度方向a。使转子凸极进口角^a,避免进 气产生分离损失。圆弧状中弧线出口角的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。
为了保持电机(其它)电性能与传统的转子斜齿双凸极电机一致，以传统的转子斜一齿为 例，其它的斜齿方式与此一致转子凸极齿侧面在以转子外半径r!为半径的圆柱切面平面展 开图上形成曲线LA,展开图的宽度为2Wl;定子凸极齿侧面在以定子内半径^为半径的圆 柱切面平面展开图上形成曲线LB,展开图的宽度为27ir4，将该展开图进行缩小，宽度缩小到 2兀n,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 LC;曲线LA与曲线Lc符合将曲线La和曲线Lc左边的端点重合在一起汇在一张图上并在 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上的每一点可以作该水平 线的垂线，该垂线与曲线LA、曲线Lc相交的两个交点形成一一对应关系，将曲线LA上的每 一点到展开图底边的距离与其在曲线Lc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作一个点，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双凸极电机的转子齿侧面在以转子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。
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: 6/4极结构自风冷却转子双凸极电机转子结构示意图 图2: 6/4极结构自风冷却转子双凸极电机转子结构示意3: 6/4极结构自风冷却转子双凸极电机定子结构示意图
图4:转子以凸极齿高中心高度O(转子外半径与转子内半径的平均值)为半径的圆柱剖面平 面展开图
图5:电机进气端速度三角形示意图
图6:转子以外半径n为半径的圆柱切面平面展开图
图7:定子以内半径r4为半径的圆柱切面平面展开图
图8:定子以内半径r4为半径的圆柱切面平面展开图缩小为宽度为2;rn的縮小图 图9:曲线LA、 Lc之间关系示意图
图中标号及符号说明1、双凸极电机转子；2、转子凸极齿；3、转子中心轴线；4、转 子外半径n; 5、转子内半径"6、转子凸极齿高中心高度r2(转子外半径与转子内半径的平 均值)；7、以转子凸极齿高中心高度o为半径的圆柱面；8、以转子外半径n为半径的圆柱 面；9、定子内半径"；10、以定子内半径&为半径的圆柱面；11、圆柱面7与凸极齿侧面 形成的空间交线；12、空间交线11在展开平面上的平面曲线；13、圆弧状中弧线20的进气 口角度席14、进气绝对速度C; 15、轮缘速度C/; 16、相对速度方向a; 17、相对速度『； 18、转子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; 19、 定子凸极齿侧面在以定子内半径,4为半径的圆柱切面平面展开图上形成的曲线LB; 20、圆 弧状中弧线；21、圆弧状中弧线进气口处切线；22、转子中心安装孔；23、转子定位槽；24、 双凸极电机定子；25、定子中心轴线；26、整流罩截面；27、定子定位槽；28、圆弧状中弧 线出气口处切线；29、转子中心轴线平行线；30、圆弧状中弧线20的出气口角度的；31、 转子中心轴线平行线；32、 LB缩成的曲线Lc; 33、水平线；34、 La与Lc的对应点到底边的 距离之差形成的直线。
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抅形 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极结构自风冷却转子双凸极电机转子结构示意图，图3为6/4极结构 自风冷却转子双凸极电机定子结构示意图，图中的标号名称1、双凸极电机转子，2、转子 凸极齿，3、转子中心轴线，4、转子外半径n, 5、转子内半径^， 6、转子凸极齿高中心高 度^(转子外半径与转子内半径的平均值)，7、以凸极齿高中心高度r2为半径的圆柱面，8、 以转子外半径n为半径的圆柱面，11、圆柱面7与凸极齿侧面形成的空间交线，18、转子凸 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, 22、转子中心 安装孔，23、转子定位槽，9、定子内半径 10、以定子内半径r4为半径的圆柱面，24、 双凸极电机定子，25、定子中心轴线，27、定子定位槽。其中凸极齿2是倾斜的，倾斜情况 符合图4是将图2所示的圆柱面7展开成的平面图，图4中的平面圆弧状曲线12是图2 中圆柱面7与转子凸极齿侧面形成空间交线11的平面展开的圆弧曲线。内外两条平面圆弧状曲线抅成平面圆弧状叶片，平面圆弧状叶片的中心圆弧曲线20的进气口处切线21与转子 中心轴线平行线29之间的夹角为进气口角度"3，平面圆弧状叶片的中心圆弧曲线20的出 气口处切线28与转子中心轴线平行线31之间的夹角为出气口角的30,图中的标号26为整 流罩截面。图5为电机进气端速度三角形示意图，图中的标号名称14、进气绝对速度C, 15、轮缘速度C/, 16、相对速度方向a, 17、相对速度『；图6为图2中以转子外半径n为 半径的圆柱切面8的平面展开图。图中的标号18是转子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7为图3中以定子内半径t4为半径的圆柱切
面IO的平面展开图，图中的标号19是定子凸极齿侧面在以定子内半径Q为半径的圆柱切面 10的平面展开图上形成的曲线LB。转子凸极齿侧面在以转子外半径n为半径的圆柱切面平 面展开图的宽度为2Trn;定子凸极齿侧面在以定子内半径/^为半径的圆柱切面平面展开图的 宽度为27rr4,将该展开图进行縮小，图8为定子以内半径r4为半径的圆柱切面平面展开图縮 小为宽度为2:tn的縮小图，图中的标号32是LB缩成的曲线Lc; LA与Lc符合图9为曲线 LA、 Lc之间关系示意图，将LA和Lc左边的端点重合在一起汇在一张图上，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LA上的每一点可以作该水平线的垂线，该垂 浅与La、 Lc相交的两个交点形成一一对应关系，将la上的每一点到展开图底边的距离与其 在Lc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作一个点，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。图中的标号18、转子凸极齿侧 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, 32、 LB缩成的曲线Lc; 33、水平线；34、 La与Lc的对应点到底边的距离之差形成的直线。
本发明适用于各种结构的磁阻类电机。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。
首先根据电机设计手册确定电机转子的损耗P。然后根据该损耗确定冷却气流量2:
ca.Ara
其中，Q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5所示，根据由公式(l)确定的冷 却气流量0的要求，由公式(2)确定进气绝对速度C14。
C = i (2)
其中，p为进气气流密度，^为进气端流道截面积。 根据转速，由(3)式计算出轮缘速度t/15。
[/ = ,2 . (3)
其中，r2为转子凸极齿高中心高度(转子外半径与转子内半径的平均值)，W为电机转子角速
度。再由速度三角形确定相对速度方向"16，即
a = tan-^ (4)
使转子凸极进口角/0=",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丄u,
即 Zu=|pC2 (5)进一步由i:u=f/c2u得 c2u = ， (6)
及 "2=tan—177^r~ (7)
计算得出气口角度"2。
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。根据转子凸极齿的形状计算定子凸极齿的形状， 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、一种自风冷却转子低转矩脉动磁阻类电机，包括转子和定子，其特征在于所述转子凸极齿为轴流风机扇叶结构形状的倾斜齿，具体形状是以转子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的圆柱面与凸极齿侧面形成空间交线，该交线在该圆柱面展开的平面图上展成的曲线是圆弧状曲线，内外两条圆弧状曲线组成圆弧状叶片，圆弧状叶片的中心圆弧线由进气口角度β和出气口角度α2决定；所述的进气口角度β是指以转子中心轴线为中心，以转子凸极齿高中心与转子中心轴线的距离r2为半径，作与转子长度相等的圆柱面(7)，该圆柱面(7)与凸极齿侧面形成空间交线(11)，并将该圆柱面(7)展开成为平面，则空间交线(11)展成为平面圆弧状曲线(12)，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(20)的进气口处切线(21)与转子中心轴线平行线(29)之间的夹角称为进气口角度β；所述的出气口角度α2是指平面圆弧状叶片中心圆弧线(20)的出气口处切线(28)与转子中心轴线平行线(31)之间的夹角称为出气口角度α2；进气口角度出气口角度式中的C为进气绝对速度，U为轮缘速度，Lu为轮缘功；所述的定子凸极齿的形状，应保持电机电性能与传统的转子斜齿双凸极电机一致，转子凸极齿侧面在以转子外半径r1为半径的圆柱切面平面展开图上形成曲线LA，展开图的宽度为2πr1；定子凸极齿侧面在以定子内半径r4为半径的圆柱切面平面展开图上形成曲线LB，展开图的宽度为2πr4，将该展开图进行缩小，宽度缩小到2πr1，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LC；曲线LA与曲线LC符合将曲线LA和曲线LC左边的端点重合在一起汇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上的每一点可以作该水平线的垂线，该垂线与曲线LA、曲线LC相交的两个交点形成一一对应关系，将曲线LΛ上的每一点到展开图底边的距离与其在曲线LC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作一个点，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双凸极电机的转子齿侧面在以转子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。
全文摘要
一种自风冷却转子低转矩脉动磁阻类电机，属磁阻类电机。该类电机包括转子和定子，所述转子凸极齿为轴流风机扇叶结构形状倾斜齿由进气口角度、出气口角度以及转子长度决定，所述定子凸极齿结构应保持电机电性能与传统的转子斜齿双凸极电机一致。当电机转子转动时，转子凸极齿产生对空气的抽吸力，将空气引入电机内部再由出气口排出，带走电机转子热量，实现自风冷却目的。本发明适用于各种结构的磁阻类电机，包括双凸极电机、开关磁阻电机、感应子电机等。本发明能自动散除磁阻类电机转子热量，降低电机体积重量、优化电机尺寸。
文档编号H02K9/00GK101442245SQ20081024341
公开日2009年5月27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, 芳 王, 马运东 申请人:南京航空航天大学