专利名称：一种双速绕组开关磁阻电机的制作方法
一种双速绕组开关磁阻电机技术领域
本发明属于电机制造的技术领域，具体来说，涉及一种双速绕组开关磁阻电机。
背景技术：
随着电力电子器件技术、微电子技术和自动控制技术的发展，尤其是稀土永磁材料出口限制所引起的价格上涨，开关磁阻电机的应用将越来越广泛。开关磁阻电机为双凸极结构，定转子均由普通硅钢片压叠制成，转子上既无永磁体也无绕组，定子上只有集中式绕组线圈，其依据“磁阻最小”原理工作。开关磁阻电机具备制造工艺简单、成本低、结构坚固、容错性能好、适宜高速运行等优点，在工业驱动、电气调速、搅拌系统、电动汽车、家用电器、纺织机械等领域中已显示出强大的竞争力与广阔的应用前景。
以电动汽车驱动系统为代表的应用场合要求电机系统能够实现恒转矩区的大转矩输出与恒功率区的宽调速运行。然而，对常规的电机驱动系统而言，这两个要求很难同时满足。其原因在于低速区的大转矩输出与高速区的恒功率运行是一对很难调和的矛盾，在设计电机与控制器时通常只能尽量兼顾两个区域的性能需求，而无法充分发挥各自区域的最佳能力。具体而言，传统的开关磁阻电机定子上若干个凸极齿均勻分布，齿形完全相同，绕组均匀分布，即每个定子齿上都套有匝数相同且线径相同的集中式线圈，将一个定子槽分为两半，分属于不同相的两个线圈圈边并列排布在同一个定子槽中。多相对称绕组线圈沿定子圆周均匀分布，若干个线圈根据性能需求串联、并联或者混联组成一相绕组，且电机某相导通时该相绕组的所有线圈均通电。采用上述传统绕组结构的开关磁阻电机只能在低速区或者高速区中的某一个运行区域内呈现出较好的性能，很难同时满足整个运行范围内的高性能要求，限制了其在电动汽车等既要求短时低速大转矩输出能力强、又要求高速调速范围宽的应用场合的进一步推广和发展。
因此，本发明从解决这一矛盾出发，在现有常规开关磁阻电机结构基础之上，提出了一种新型绕组结构的双速开关磁阻电机，通过两套绕组的切换运行可以兼顾电机的低速大转矩输出和宽转速范围恒功率输出，保证驱动系统在整个运行工况内的高性能工作。此夕卜，该新型绕组结构可以进一步提高开关磁阻电机的可靠性与容错性能，两套绕组具备冗余性，更有利于在对安全性、可靠性要求高的领域应用。发明内容
技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种双速绕组开关磁阻电机，该开关磁阻电机既能在低速运行时输出大转矩，又能在高速运行时具有宽广的调速范围，并且适用于任意相数、任意定转子齿槽配合。
技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
—种双速绕组开关磁阻电机，包括定子和转子，所述的定子上设有偶数个定子齿，且定子齿上设有集中绕组，该集中绕组包括适合低速运行的低速集中绕组和适合高速运行的高速集中绕组，低速集中绕组的匝数比高速集中绕组的匝数多,低速集中绕组的线径比高速集中绕组的线径小；在相邻两个定子齿中，一个定子齿上绕有低速集中绕组，另一个定子齿上绕有高速集中绕组，且每个低速集中绕组沿定子径向相对的另一侧为一个低速集中绕组，且该两个低速集中绕组顺序串联或并联组成一相低速绕组；每个高速集中绕组沿定子径向相对的另一侧为一个高速集中绕组，且该两个高速集中绕组顺序串联或并联组成一相高速绕组。
进一步，所述的开关磁阻电机采用三相定子12槽转子8极开关磁阻电机结构，定子上设有12个定子齿，低速集中绕组包括第一低速集中线圈、第二低速集中线圈、第三低速集中线圈、第四低速集中线圈、第五低速集中线圈和第六低速集中线圈，第一低速集中线圈与第四低速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成A相低速绕组；第二低速集中线圈与第五低速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成B相低速绕组；第三低速集中线圈与第六低速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成C相低速绕组；高速集中绕组包括第一高速集中线圈、第二高速集中线圈、第三高速集中线圈、第四高速集中线圈、第五高速集中线圈和第六高速集中线圈，第二高速集中线圈与第五高速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成A相高速绕组；第三高速集中线圈与第六高速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成B相高速绕组；第一高速集中线圈与第四高速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成C相高速绕组。
进一步，所述的开关磁阻电机采用四相定子8槽转子6极开关磁阻电机结构，定子上设有8个定子齿，低速集中绕组包括第一低速集中线圈、第二低速集中线圈、第四低速集中线圈和第五低速集中线圈，第一低速集中线圈与第四低速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成A相低速绕组；第二低速集中线圈与第五低速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成B相低速绕组；高速集中绕组包括第二高速集中线圈、第三高速集中线圈、第五高速集中线圈和第六高速集中线圈，第二高速集中线圈与第五高速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成A相高速绕组；第三高速集中线圈与第六高速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成B相高速绕组。
进一步，所述的开关磁阻电机采用两相定子4槽转子6极开关磁阻电机结构，定子上设有4个定子齿，低速集中绕组包括第一低速集中线圈和第四低速集中线圈，该两个低速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成A相低速绕组；高速集中绕组包括第二高速集中线圈和第五高速集中线圈，该两个高速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成A相高速绕组。
有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
1.电机既能在低速运行时输出大转矩，又能在高速运行时具有宽广的调速范围。与传统的开关磁阻电机相比，本发明的新型开关磁阻电机定子与转子铁心都不需要改变，由硅钢片冲片叠压构成，但绕组绕法有了较大改变。传统结构中所有定子齿平均分配给每相绕组，且沿着定子圆周依次分布，每一个定子槽被分为两半，分属于不同相的两个匝数相等、线径相同的线圈圈边并列排布在同一个定子槽中。而本发明的电机的定子齿设为低速齿和高速齿，低速齿上套有适合低速运行的低速集中绕组，高速齿上套有适合高速运行的高速集中绕组，低速集中绕组的匝数比高速集中绕组的匝数多,低速集中绕组的线径比高速集中绕组的线径小。在不增加成本和制造难度的条件下，可分别控制低速集中绕组和高速集中绕组的电流与开通关断角，以使电机既能在低速运行时输出大转矩，又能在高速运行时具有宽广的调速范围。
2.适宜高速运行。本发明的电机中，绕组设置在定子上，转子上既没有绕组，也没有永磁体。转子转动惯量小，适宜高速运行。
3.实现整个运行范围内的高性能输出。本发明通过控制低速集中绕组和高速集中绕组的匝数与线径，使得电机分别单独工作于低速集中绕组和高速集中绕组下的机械特性曲线无缝连接，实现整个运行范围内的高性能输出。
4.结构简单牢靠，降低制造成本。本发明的电机中，定子和转子均由硅钢片压制而成。加工简单，结构牢靠，不需要使用永磁体，材料和制作成本较低。另外，低速集中绕组和高速集中绕组均为集中式线圈，绕制难度低，端部较短，有效的减少了铜耗，并且利于电机的散热。
5.电机工作安全性和可靠性高。本发明的电机中，存在低速集中绕组和高速集中绕组两套绕组，即使其中一套绕组发生故障，仍然可以利用剩余的一套绕组输出一定的功率与转矩，保证电机驱动系统的安全可靠。另外，低速集中绕组和高速集中绕组两套绕组相互独立工作，每套绕组各相间的互感都较小，具有较强的容错运行能力，有效地提高了系统的可靠性。
6.电机参数灵活多样。套有低速集中绕组的低速齿和套有高速集中绕组的高速齿承担的磁路不同，可以分别对待。通过优化低速齿和高速齿的形状和尺寸，进一步提高电机性能。
图1是传统绕组结构的三相定子12槽转子8极开关磁阻电机的横向剖视结构示意图。
图2是本发明实施例1采用三相定子12槽转子8极结构的双速开关磁阻电机的横向剖视结构示意图。
图3是本发明实施例1采用一套三相功率电路配合单刀双掷切换开关的双速绕组开关磁阻电机不对称半桥式主电路图。
图4是本发明实施例1采用两套三相功率电路的双速绕组开关磁阻电机不对称半桥式主电路图。
图5是本发明实施例2采用四相定子8槽转子6极结构的双速开关磁阻电机的横向剖视结构示意图。
图6是本发明实施例2采用一套两相功率电路配合单刀双掷切换开关的双速绕组开关磁阻电机不对称半桥式主电路图。
图7是本发明实施例3采用两相定子4槽转子6极结构的双速开关磁阻电机的横向剖视结构示意图。
图8是本发明实施例3采用一套单相功率电路配合单刀双掷切换开关的双速绕组开关磁阻电机不对称半桥式主电路图。
图中有:定子1、低速集中绕组2、第一低速集中线圈2A1、第二低速集中线圈2B1、第三低速集中线圈2C1、第四低速集中线圈2A2、第五低速集中线圈2B2、第六低速集中线圈2C2、高速集中绕组3、第一高速集中线圈3C1、第二高速集中线圈3A1、第三高速集中线圈3B1、第四高速集中线圈3C2、第五高速集中线圈3A2、第六高速集中线圈3B2、转子4、切换开关5、三相功率开关6、三相续流二极管7、六路功率开关8、六路续流二极管9。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
本发明的一种双速绕组开关磁阻电机，包括定子I和转子4。定子I上设有偶数个定子齿。相邻定子齿之间形成定子槽。每个定子齿沿定子的径向都有一个定子齿与其相对。定子齿上设有集中绕组，该集中绕组包括适合低速运行的低速集中绕组2和适合高速运行的高速集中绕组3。集中绕组套于定子I的定子槽中，将定子齿缠绕。低速集中绕组2的匝数比高速集中绕组3的匝数多，低速集中绕组2的线径比高速集中绕组3的线径小。在相邻两个定子齿中，一个定子齿上绕有低速集中绕组2，另一个定子齿上绕有高速集中绕组3。也就是说，低速集中绕组2和高速集中绕组3沿着定子的周向交替布置。每个低速集中绕组2沿定子I径向相对的另一侧为一个低速集中绕组2，且该两个低速集中绕组2顺序串联或并联组成一相低速绕组。每个高速集中绕组3沿定子I径向相对的另一侧为一个高速集中绕组3，且该两个高速集中绕组3顺序串联或并联组成一相高速绕组。
进一步，所述的定子I和转子4均为凸极结构，且转子4为内转子，或者外转子。根据电机的实际需要，转子4可以设置为内转子，也可以设置为外转子。当转子4为内转子时，定子I位于转子4的外侧。当转子4为外转子时，定子I位于转子4的内侧。转子4上无绕组和永磁体。
本发明的双速绕组开关磁阻电机的工作机理是:遵循磁阻最小原理，即磁通总是沿磁阻最小(磁导最大)的路径闭合。当定子齿和转子齿中心线不重合，即磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子4转到磁导最大的位置。当向电机定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子4将一步一步向特定方向转动。如果改变电机定子各相绕组的通电次序，电机将改变转向，但相电流通电方向的改变并不会影响转子4的转向。
本发明的双速绕组开关磁阻电机的绕组结构与传统结构完全不同。本发明将定子齿平均分为两组，一组为低速齿，一组为高速齿，在两组不同的定子齿上绕有不同匝数、不同线径的线圈。低速齿和高速齿既可为相同齿形、齿宽，亦可为不同齿形、齿宽。其中，低速齿上的线圈串联、并联或者串并混联组成多相对称分布的低速绕组，高速齿上的线圈串联、并联或者串并混联组成多相对称分布的高速绕组。因此，在每一个定子槽内将放置两个匝数不等、线径不同的线圈圈边。其中:一半的定子齿上套有适合低速运行的低速绕组线圈(匝数较多以产生较大转矩)，而另一半的定子齿上套有适合高速运行的高速绕组线圈(匝数较少以实现较高转速)。通过该种绕组结构，使原本无差别的定子齿有了低速齿(套有适合低速运行的绕组)与高速齿(套有适合高速运行的绕组)之分。通过控制信号的分配，可以实现在低速运行与高速运行之间的绕组切换。低速绕组与高速绕组正常运行时彼此独立，低速恒转矩区内低速绕组单独通电，高速恒功率区内高速绕组单独通电。当低速绕组和高速绕组中的一套绕组发生故障时，剩余的一套绕组仍可正常工作，保证故障状态下电机输出一定的转矩与功率。采用本发明绕组结构的开关磁阻电机，可以使电机既能在低速运行时输出大转矩，又能在高速运行时具有宽广的调速范围，满足驱动系统的性能需求。
本发明的关键为在不改变电机定转子铁心尺寸的条件下，仅通过改变绕组结构，既可使电机既能在低速运行时输出大转矩，又能在高速运行时具有宽广的调速范围。
本发明可以应用于任意相数、任意定转子齿槽极数组合的开关磁阻电机。下面例举三个实施例来具体说明本发明的技术方案及其工作原理。
实施例1:以三相定子12槽转子8极开关磁阻电机结构为例进行说明。
如图2所示，本实施例的三相定子12槽转子8极开关磁阻电机，定子I上设有12个定子齿。在相邻两个定子齿中，一个套有适合低速运行的低速绕组线圈，另一个套有适合高速运行的高速绕组线圈，即定子上仍有12个绕组线圈，按逆时针方向依次称为:第一低速集中线圈2A1、第一高速集中线圈3C1、第二低速集中线圈2B1、第二高速集中线圈3A1、第三低速集中线圈2C1、第三高速集中线圈3B1、第四低速集中线圈2A2、第四高速集中线圈3C2、第五低速集中线圈2B2、第五高速集中线圈3A2、第六低速集中线圈2C2和第六高速集中线圈3B2。
低速集中绕组2包括第一低速集中线圈2A1、第二低速集中线圈2B1、第三低速集中线圈2C1、第四低速集中线圈2A2、第五低速集中线圈2B2和第六低速集中线圈2C2，第一低速集中线圈2A1与第四低速集中线圈2A2径向相对，顺序串联或并联组成A相低速绕组，且该两低速集中线圈通电后的磁链流向相顺；第二低速集中线圈2B1与第五低速集中线圈2B2径向相对，顺序串联或并联组成B相低速绕组，且该两低速集中线圈通电后的磁链流向相顺；第三低速集中线圈2C1与第六低速集中线圈2C2径向相对，顺序串联或并联组成C相低速绕组，且该两低速集中线圈通电后的磁链流向相顺；高速集中绕组3包括第一高速集中线圈3C1、第二高速集中线圈3A1、第三高速集中线圈3B1、第四高速集中线圈3C2、第五高速集中线圈3A2和第六高速集中线圈3B2，第二高速集中线圈3A1与第五高速集中线圈3A2径向相对，顺序串联或并联组成A相高速绕组，且该两高速集中线圈通电后的磁链流向相顺；第三高速集中线圈3B1与第六高速集中线圈3B2径向相对，顺序串联或并联组成B相高速绕组，且该两高速集中线圈通电后的磁链流向相顺；第一高速集中线圈3C1与第四高速集中线圈3C2径向相对，顺序串联或并联组成C相高速绕组，且该两高速集中线圈通电后的磁链流向相顺。
该开关磁阻电机中存在两套绕组，即低速ABC三相绕组与高速ABC三相绕组。该双速开关磁阻电机控制方式多样，可根据工况不同灵活选择，通过对功率开关的合理控制使电机分别单独工作于低速绕组和高速绕组时的机械特性曲线无缝连接，从而进一步提高采用新式绕组结构的双速开关磁阻电机在整个转速范围内的性能。该电机控制器的主电路有不同的形式，可以使用两套三相功率变换电路，分别连接至三相低速绕组和三相高速绕组，各自独立工作，从而实现两套绕组完全独立、互为冗余，提高了整个驱动系统的可靠性和容错运行能力；另一种方式是使用一套三相功率变换电路，根据不同工况需要发出不同控制信号，作用于单刀双掷开关切换动作，自主选择连接到三相低速绕组或者三相高速绕组，该方式可以降低控制器的成本和体积。
本实施例的开关磁阻电机，当双速开关磁阻电机低速运行时，给A相第一低速集中线圈2A1和第四低速集中线圈2A2通电时，产生的磁拉力将力图使电机转子转到相应转子齿与绕组线圈2A1、2A2所包含的定子齿重合的位置。因此，若依次给A-B-C三相低速绕组线圈连续通电，转子就能逆时针转动起来，此时电机可工作于低速大转矩输出状态。若改变通电相序，则转子就能反方向旋转。当双速开关磁阻电机高速运行时，给A相第二高速集中线圈3A1和第五高速集中线圈3A2通电时，转子能逆时针转动起来，产生的磁拉力将力图使电机转子转到相应转子齿与绕组线圈3A1、3A2所包含的定子齿重合的位置。因此，若依次给A-B-C三相高速绕组线圈连续通电，则转子就能逆时针转动起来，此时电机可工作于高速恒功率输出状态。若改变通电相序，则转子就能反方向旋转。
实施例1电机功率电路如图3和图4所示。图3和图4中均包括电机的A相低速集中绕组2A (即第一低速集中线圈2A1和第四低速集中线圈2A2)，B相低速集中绕组2B(即第二低速集中线圈2B1和第五低速集中线圈2B2)，C相低速集中绕组2C(即第三低速集中线圈2C1和第六低速集中线圈2C2)，A相高速集中绕组3A (即第二高速集中线圈3A1和第五高速集中线圈3A2)，B相高速集中绕组3B (即第三高速集中线圈3B1和第六高速集中线圈3B2)，C相高速集中绕组3C (即第一高速集中线圈3C1和第四高速集中线圈3C2)。
图3中还包括单刀双掷切换开关5，A相上臂功率开关61，A相下臂功率开关62，B相上臂功率开关63，B相下臂功率开关64，C相上臂功率开关65，A相下臂功率开关66，A相上臂续流二极管71，A相下臂续流二极管72，B相上臂续流二极管73，B相下臂续流二极管74，C相上臂续流二极管75，C相下臂续流二极管76。图3中，电路三相结构对称，每相中，低速集中绕组或高速集中绕组串联在上下臂两个功率开关之间，上下臂两个续流二极管也连接在绕组两端、与绕组串联，以提供续流回路。单刀双掷开关的两个不动端分别与低速集中绕组和高速集中绕组连接，通过单刀双掷切换开关选择低速集中绕组和高速集中绕组中的其中一套绕组接入电路中。
图3所示的双速开关磁阻电机主电路与传统三相开关磁阻电机主电路很接近，只是通过单刀双掷开关完成三相高速绕组与三相低速绕组的切换，实现两条不同的功率流通路径。需要强调的是，这里的单刀双掷开关可以采用机械式开关，也可以采用能实现同样功能的电力电子开关替代。
图4中还包括低速绕组A相上臂功率开关81，低速绕组A相下臂功率开关82，低速绕组B相上臂功率开关83，低速绕组B相下臂功率开关84，低速绕组C相上臂功率开关85，低速绕组C相下臂功率开关86，高速绕组A相上臂功率开关87，高速绕组A相下臂功率开关88，高速绕组B相上臂功率开关89，高速绕组B相下臂功率开关810，高速绕组C相上臂功率开关811，高速绕组C相下臂功率开关812，低速绕组A相上臂续流二极管91，低速绕组A相下臂续流二极管92，低速绕组B相上臂续流二极管93，低速绕组B相下臂续流二极管94，低速绕组C相上臂续流二极管95，低速绕组C相下臂续流二极管96，高速绕组A相上臂续流二极管97，高速绕组A相下臂续流二极管98，高速绕组B相上臂续流二极管99，高速绕组B相下臂续流二极管910，高速绕组C相上臂续流二极管911，高速绕组C相下臂续流二极管912。图4中，电路六路结构完全对称，每路中，一个绕组串联在上下臂两个功率开关之间，上下臂两个续流二极管也连接在绕组两端、与绕组串联，以提供续流回路。六路功率开关中，三路用于连接三相低速集中绕组，三路用于连接三相高速集中绕组。
图4所示的双速开关磁阻电机主电路和六相功率电路类似，三相低速绕组和三相高速绕组分别占用三路功率电路，它们可以独立运行，冗余性强，容错性好。
如图1所示，传统绕组结构的电机中，定子上有12个匝数相同的绕组线圈，按逆时针方向依次称为第一集中线圈至第十二集中线圈，其中:第一集中线圈和第七集中线圈径向相对，第四集中线圈和第十集中线圈径向相对，上述四个线圈可顺序串联、并联或串并混联后组成A相绕组；第二集中线圈和第八集中线圈径向相对，第五集中线圈和第十一集中线圈径向相对，上述四个线圈可顺序串联、并联或串并混联后组成B相绕组；第三集中线圈和第九集中线圈径向相对，第六集中线圈和第十二集中线圈径向相对，上述四个线圈可顺序串联、并联或串并混联后组成C相绕组。传统绕组结构的电机中所有定子齿平均分配给每相绕组，绕组均匀分布，即每个定子齿上都套有匝数相同且线径相同的集中式线圈，组成多相对称绕组。这样，电机只能在低速区或者高速区中的某一个运行区域内呈现出较好的性能，很难同时满足整个运行范围内的高性能要求。
实施例2:以四相定子8槽转子6极开关磁阻电机结构为例进行说明。
如图5示，本实施例的四相定子8槽转子6极开关磁阻电机，定子I上设有8个定子齿。在相邻两个定子齿中，一个套有适合低速运行的低速绕组线圈，另一个套有适合高速运行的高速绕组线圈，低速绕组线圈和高速绕组线圈的匝数与线径不同，即定子上仍有8个绕组线圈，按逆时针方向依次称为:第一低速集中线圈2A1、第二高速集中线圈3A1、第二低速集中线圈2B1、第三高速集中线圈3B1、第四低速集中线圈2A2、第五高速集中线圈3A2、第五低速集中线圈2B2、第六高速集中线圈3B2。
低速集中绕组2包括第一低速集中线圈2A1、第二低速集中线圈2B1、第四低速集中线圈2A2和第五低速集中线圈2B2，第一低速集中线圈2A1与第四低速集中线圈2A2径向相对，顺序串联或并联组成A相低速绕组，且该两低速集中线圈通电后的磁链流向相顺；第二低速集中线圈2B1与第五低速集中线圈2B2径向相对，顺序串联或并联组成B相低速绕组，且该两低速集中线圈通电后的磁链流向相顺；高速集中绕组3包括第二高速集中线圈3A1、第三高速集中线圈3B1、第五高速集中线圈3A2和第六高速集中线圈3B2，第二高速集中线圈3A1与第五高速集中线圈3A2径向相对，顺序串联或并联组成A相高速绕组，且该两高速集中线圈通电后的磁链流向相顺；第三高速集中线圈3B1与第六高速集中线圈3B2径向相对，顺序串联或并联组成B相高速绕组，且该两高速集中线圈通电后的磁链流向相顺。
实施例2电机功率电路如图6所示。图6中包括电机的A相低速集中绕组2A(SP第一低速集中线圈2A1和第四低速集中线圈2A2)，B相低速集中绕组2B (即第二低速集中线圈2B1和第五低速集中线圈2B2)，A相高速集中绕组3A (即第二高速集中线圈3A1和第五高速集中线圈3A2)，B相高速集中绕组3B (即第三高速集中线圈3B1和第六高速集中线圈 3B2)。
图6中还包括单刀双掷切换开关5，A相上臂功率开关61，A相下臂功率开关62，B相上臂功率开关63，B相下臂功率开关64，A相上臂续流二极管71，A相下臂续流二极管72，B相上臂续流二极管73，B相下臂续流二极管74。图6中，电路两相结构对称。每相中，低速集中绕组或高速集中绕组串联在上下臂两个功率开关之间，上下臂两个续流二极管也连接在绕组两端、与绕组串联，以提供续流回路。单刀双掷开关的两个不动端分别与低速集中绕组和高速集中绕组连接，通过单刀双掷切换开关选择低速集中绕组和高速集中绕组中的其中一套绕组接入电路中。
图6所示的双速开关磁阻电机主电路与传统两相开关磁阻电机主电路很接近，只是通过单刀双掷开关完成两相高速绕组与两相低速绕组的切换，实现两条不同的功率流通路径。需要强调的是，这里的单刀双掷开关可以采用机械式开关，也可以采用能实现同样功能的电力电子开关替代。
传统的四相定子8槽转子6极开关磁阻电机，定转子均为凸极结构，定子有8个凸极齿，分别均匀绕有8个匝数、线径都相同的集中绕组线圈，按逆时针方向可以依次称为第一集中线圈、第二集中线圈、第三集中线圈、第四集中线圈、第五集中线圈、第六集中线圈、第七集中线圈、第八集中线圈。其中:第一集中线圈与第五集中线圈径向相对，将它们顺序串联或并联后组成A相集中绕组；第二集中线圈和第六集中线圈径向相对，将它们顺序串联或并联后组成B相集中绕组；第三集中线圈和第七集中线圈径向相对，将它们顺序串联或并联后组成C相集中绕组；第四集中线圈和第八集中线圈径向相对，将它们顺序串联和并联后组成D集中相绕组。传统绕组结构中电机所有定子齿平均分配给每相绕组，组成四相对称绕组。
本实施例2中，采用双速绕组开关磁阻电机的绕组结构与传统电机结构完全不同。实施例2的开关磁阻电机中存在两套绕组，即低速AB两相绕组与高速AB两相绕组，高低两套绕组的线圈匝数、线径不同。低速绕组和高速绕组可以独立运行，可以使电机既能在低速运行时输出大转矩，又能在高速运行时有宽广的调速范围，满足驱动系统性能需求。
实施例3:以两相定子4槽转子6极开关磁阻电机结构为例进行说明。
如图7所示，本实施例的两相定子4槽转子6极开关磁阻电机，定子I上设有4个定子齿。在相邻两个定子齿中，一个套有适合低速运行的低速绕组线圈，另一个套有适合高速运行的高速绕组线圈，低速绕组线圈和高速绕组线圈的匝数与线径不同，即定子上仍有4个绕组线圈，按逆时针方向依次称为:第一低速集中线圈2A1、第二高速集中线圈3A1、第四低速集中线圈2A2、第五高速集中线圈3A2。
低速集中绕组2包括第一低速集中线圈2A1和第四低速集中线圈2A2，此两低速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成A相低速绕组，且该两低速集中线圈通电后的磁链流向相顺；高速集中绕组3包括第二高速集中线圈3A1和第五高速集中线圈3A2，此两高速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成A相高速绕组，且该两高速集中线圈通电后的磁链流向相顺。
实施例3电机功率电路如图8所示。图8中包括电机的A相低速集中绕组2A(SP第一低速集中线圈2A1和第四低速集中线圈2A2)，A相高速集中绕组3A (即第二高速集中线圈3A1和第五高速集中线圈3A2)。
图8中还包括单刀双掷切换开关5，A相上臂功率开关61，A相下臂功率开关62，A相上臂续流二极管71，A相下臂续流二极管72。图8中，低速集中绕组或高速集中绕组串联在上下臂两个功率开关之间，上下臂两个续流二极管也连接在绕组两端、与绕组串联，以提供续流回路。单刀双掷开关的两个不动端分别与低速集中绕组和高速集中绕组连接，通过单刀双掷切换开关选择低速集中绕组和高速集中绕组中的其中一套绕组接入电路中。
图8所示的双速开关磁阻电机主电路与传统单相开关磁阻电机主电路很接近，只是通过单刀双掷开关完成两相高速绕组与两相低速绕组的切换，实现两条不同的功率流通路径。需要强调的是，这里的单刀双掷开关可以采用机械式开关，也可以采用能实现同样功能的电力电子开关替代。
传统的两相定子4槽转子6极开关磁阻电机，定转子均为凸极结构，定子有4个凸极齿，分别均匀绕有4个匝数、线径都相同的集中绕组线圈，按逆时针方向可以依次称为第一集中线圈、第二集中线圈、第三集中线圈、第四集中线圈。其中:第一集中线圈与第三集中线圈径向相对，将它们顺序串联或并联后组成A相集中绕组；第二集中线圈和第四集中线圈径向相对，将它们顺序串联或并联后组成B相集中绕组。传统绕组结构中电机所有定子齿平均分配给每相绕组，组成两相对称绕组。
本实施例3中，采用双速绕组开关磁阻电机的绕组结构与传统电机结构完全不同。实施例3的开关磁阻电机中存在两套绕组，即低速单相绕组与高速单相绕组，高低两套绕组的线圈匝数、线径不同。低速绕组和高速绕组可以独立运行，可以使电机既能在低速运行时输出大转矩，又能在高速运行时有宽广的调速范围，满足驱动系统性能需求。
由于采用本发明绕组结构的双速开关磁阻电机中，一半定子齿套有低速绕组线圈，另一半定子齿套有高速绕组线圈，可通过有限元法优化定子低速齿和高速齿的齿形和齿宽，分别设计低速绕组和高速绕组的最优线圈匝数和线径，使得电机分别单独工作于低速绕组和高速绕组下的机械特性曲线无缝连接，进一步提高采用新式绕组结构的双速开关磁阻电机在整个运行范围内全转速区域的性能。
上述三个实施例是对本发明的双速开关磁阻电机的详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种双速绕组开关磁阻电机，包括定子(I)和转子(4)，其特征在于，所述的定子(I)上设有偶数个定子齿，且定子齿上设有集中绕组，该集中绕组包括适合低速运行的低速集中绕组(2 )和适合高速运行的高速集中绕组(3 )，低速集中绕组(2 )的匝数比高速集中绕组(3)的匝数多，低速集中绕组(2)的线径比高速集中绕组(3)的线径小；在相邻两个定子齿中，一个定子齿上绕有低速集中绕组(2)，另一个定子齿上绕有高速集中绕组(3)，且每个低速集中绕组(2)沿定子(I)径向相对的另一侧为一个低速集中绕组(2)，且该两个低速集中绕组(2)顺序串联或并联组成一相低速绕组；每个高速集中绕组(3)沿定子(I)径向相对的另一侧为一个高速集中绕组(3)，且该两个高速集中绕组(3)顺序串联或并联组成一相高速绕组。
2.按照权利要求1所述的双速绕组开关磁阻电机，其特征在于，所述的开关磁阻电机采用三相定子12槽转子8极开关磁阻电机结构，定子(I)上设有12个定子齿，低速集中绕组(2)包括第一低速集中线圈(2A1)、第二低速集中线圈(2B1)、第三低速集中线圈(2C1)、第四低速集中线圈(2A2)、第五低速集中线圈(2B2)和第六低速集中线圈(2C2)，第一低速集中线圈(2A1)与第四低速集中线圈(2A2)径向相对，顺序串联或并联组成A相低速绕组；第二低速集中线圈(2B1)与第五低速集中线圈(2B2)径向相对，顺序串联或并联组成B相低速绕组；第三低速集中线圈(2C1)与第六低速集中线圈(2C2)径向相对，顺序串联或并联组成C相低速绕组；高速集中绕组(3 )包括第一高速集中线圈(3CI)、第二高速集中线圈(3A1)、第三高速集中线圈(3B1)、第四高速集中线圈(3C2)、第五高速集中线圈(3A2)和第六高速集中线圈(3B2)，第二高速集中线圈(3A1)与第五高速集中线圈(3A2)径向相对，顺序串联或并联组成A相高速绕组；第三高速集中线圈(3B1)与第六高速集中线圈(3B2)径向相对，顺序串联或并联组成B相高速绕组；第一高速集中线圈(3C1)与第四高速集中线圈(3C2)径向相对，顺序串联或并联组成C相高速绕组。
3.按照权利要求1所述的双速绕组开关磁阻电机，其特征在于，所述的开关磁阻电机采用四相定子8槽转子6极开关磁阻电机结构，定子(I)上设有8个定子齿，低速集中绕组(2)包括第一低速集中线圈(2A1)、第二低速集中线圈(2B1)、第四低速集中线圈(2A2)和第五低速集中线圈(2B2)，第一低速集中线圈(2A1)与第四低速集中线圈(2A2)径向相对，顺序串联或并联组成A相低速绕组；第二低速集中线圈(2B1)与第五低速集中线圈(2B2)径向相对，顺序串联或并联组成B相低速绕组；高速集中绕 组(3)包括第二高速集中线圈(3A1)、第三高速集中线圈(3B1)、第五高速集中线圈(3A2)和第六高速集中线圈(3B2)，第二高速集中线圈(3A1)与第五高速集中线圈(3A2)径向相对，顺序串联或并联组成A相高速绕组；第三高速集中线圈(3B1)与第六高速集中线圈(3B2)径向相对，顺序串联或并联组成B相高速绕组。
4.按照权利要求1所述的双速绕组开关磁阻电机，其特征在于，所述的开关磁阻电机采用两相定子4槽转子6极开关磁阻电机结构，定子(I)上设有4个定子齿，低速集中绕组(2)包括第一低速集中线圈(2A1)和第四低速集中线圈(2A2)，该两个低速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成A相低速绕组；高速集中绕组(3)包括第二高速集中线圈(3A1)和第五高速集中线圈(3A2)，该两个高速集中线圈径向相对，顺序串联或并联组成A相高速绕组。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的双速绕组开关磁阻电机，其特征在于，所述的定子(1)和转子(4)均为 凸极结构，且转子(4)为内转子，或者外转子。
全文摘要
本发明公开了一种双速绕组开关磁阻电机，定子上设有偶数个定子齿，且定子齿上设有集中绕组，该集中绕组包括低速集中绕组和高速集中绕组，低速集中绕组的匝数比高速集中绕组的匝数多，低速集中绕组的线径比高速集中绕组的线径小；在相邻两个定子齿中，一个定子齿上绕有低速集中绕组，另一个定子齿上绕有高速集中绕组，每个低速集中绕组沿定子径向相对的另一侧为一个低速集中绕组，且该两个低速集中绕组顺序串联或并联组成一相低速绕组；每个高速集中绕组沿定子径向相对的另一侧为一个高速集中绕组，且该两个高速集中绕组顺序串联或并联组成一相高速绕组。该开关磁阻电机既能在低速运行时输出大转矩，又能在高速运行时具有宽广的调速范围。
文档编号H02K3/28GK103166337SQ20131003680
公开日2013年6月19日 申请日期2013年1月30日 优先权日2013年1月30日
发明者花为, 华浩, 吴中泽, 程明 申请人:东南大学