一种产生轴向力的短磁路开关磁阻电的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种产生轴向力的短磁路开关磁阻电机，电机外壳的内壁上沿径向截面的圆周方向均布有多个定子齿极，转轴外固定套一个套筒，套筒的外壁上沿径向截面的圆周方向均布有多个转子齿极，每个定子齿极的轴向截面形状均是由四个面围成的具有一个L型缺口的矩形，每个转子齿极在同一轴向截面上的形状是由两个垂直面围成的所述L型，转子齿极的径向端与定子齿极的径向端之间留有径向气隙，转子齿极的轴向端与定子齿极的轴向端之间均留有轴向气隙，定子齿极的轴向截面形状与转子齿极的轴向截面形状围成一个留有两个气隙的完整的矩形；通过改变定子齿极和转子齿极的结构以改变磁路，实现短磁路的流通，提升了电机的各项性能。
【专利说明】—种产生轴向力的短磁路开关磁阻电机
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电机领域，具体是一种产生轴向力的开关磁阻电机。
【背景技术】
[0002]开关磁阻电机具有结构简单坚固、制造工艺简单、成本低、起动转矩大、低速性能好以及效率高等优点，能适应各种恶劣的工作环境，使得开关磁阻电机在航空航天、矿山等环境恶劣且安全性要求很高的领域得到了广泛应用。
[0003]传统的开关磁阻电机为双凸极结构，如图1所示的12/8结构的开关磁阻电机的径向结构，开关磁阻电机包括定子A、转子B、转轴C组成,定子A固定在电机外壳的内壁上,转子B同轴固定套在转轴C上，定子A同轴套在转子B外部，定子A和转子B之间留有径向气隙。定子A有定子齿极Al、定子轭部A2两部分,定子齿极Al和定子轭部A2 —般是一个完整的整体。转子B有转子齿极B1、转子轭部B2两部分，转子齿极BI和转子轭部B2 —般是一个完整的整体，定子齿极Al与转子齿极BI之间留有径向气隙。如图2所示，定子齿极Al和转子齿极BI的轴向截面均呈矩形。三相绕组依次安放在定子齿极Al上，当某一定子齿极上的绕组加载激励时，附近转子极便受到指向该定子齿极Al的转矩作用，不同的三相导通顺序产生方向不同的转矩，当采用合适的开通、关断角时，转子B便受到持续不断的转矩作用，进而电机得以较为稳定地转动运行。开关磁阻电机的这种工作方式是基于“磁阻最小原理”，封闭的磁场路径如图3中的磁路a和磁路b，封闭的磁路的总磁阻由定子、转子铁芯磁阻与空气磁阻共同组成，而“磁阻最小原理”为转矩使得转子向封闭磁路总磁阻减小的方向转动，空气段磁路长度越小，空气部分磁路磁阻就越小，则产生的转矩使得转子齿极BI向定子齿极Al靠拢，因此，对转矩的产生起主要作用的磁路部分是“定子齿极Al-气隙-转子齿极BI”，而定子轭部A2、转子轭部B2只是起磁路连接作用以形成封闭磁路，对于转矩的产生不起作用，因此，整个电机的有效磁回路较长；因定子轭部A2、转子轭部B2的存在仍产生铁耗，便降低了电机的工作效率；同时，定子轭部A2、转子轭部B2的磁路连接作用要求其必须是高导磁材料构成，而这类材料因密度较高必然给电机增加了额外质量，使得电机更加笨重。
【发明内容】
[0004]针对现有开关磁阻电机存在的有效磁回路较长、电机效率低、笨重的问题，本实用新型提出一种产生轴向力的短磁路的开关磁阻电机结构，有效降低电机整体质量，实现短磁路的流通，降低磁路在定子、转子铁芯中流通时产生的铁耗，提高电机的工作效率。
[0005]本实用新型采用的技术方案是:本实用新型包括电机外壳、定子齿极、转子齿极以及转轴，最外部是电机外壳，电机外壳的内壁上沿径向截面的圆周方向均布有多个定子齿极，转轴外固定套一个套筒，套筒的外壁上沿径向截面的圆周方向均布有多个转子齿极，定子齿极和转子齿极之间留有径向气隙，沿电机外壳圆周相对的两个定子齿极上绕有同属一相绕组的线圈；每个定子齿极的轴向截面形状均是由四个面围成的具有一个L型缺口的矩形，每个转子齿极在同一轴向截面上的形状是由两个垂直面围成的所述L型，转子齿极的径向端与定子齿极的径向端之间留有径向气隙，转子齿极的轴向端与定子齿极的轴向端之间均留有轴向气隙，定子齿极的轴向截面形状与转子齿极的轴向截面形状围成一个留有两个气隙的完整的矩形。
[0006]本实用新型的有益效果是:
[0007]1、本实用新型在传统的开关磁阻电机结构基础上，通过改变定子齿极和转子齿极的结构以改变磁路，实现了短磁路的流通，提升了开关磁阻电机的各项性能。
[0008]2、本实用新型去掉了定子轭部、转子轭部，可以使用轻质材料制造与转轴固定在一起的套筒，在有效降低电机整体质量的同时还减小了转子质量，使电机具有更快的起动、停止速度。
[0009]3、本实用新型的磁路不再如传统的开关磁阻电机一样经过转子轭部，磁路更短，有效降低了磁路在定子、转子铁芯中流通时产生的铁耗，提高了电机的工作效率。
[0010]4、本实用新型因定子齿极的改进能产生轴向电磁力，当开关磁阻电机作为磁悬浮电机并竖直放置时，需要额外的轴向磁悬浮轴承以平衡转子重量，定子、转子之间的轴向磁拉力便能减小轴向磁悬浮轴承的功率输出，可以通过调节绕组电流大小实现转子轴向悬浮，即不再需要增加额外的轴向磁轴承便可实现电机竖直放置情况下的转子悬浮。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是【背景技术】中传统的12/8结构的开关磁阻电机的径向结构图；
[0012]图2是图1的Xl-Xl剖面图；
[0013]图3是图1中的开关磁阻电机在某一相单独激励时的磁场路径，该相磁路由磁路
a、磁路b两部分组成；
[0014]图4是本实用新型一种产生轴向力的短磁路的开关磁阻电机的径向结构图；
[0015]图5是图4中的X2-X2的剖面图；
[0016]图6是图5中X3-X3向视图；
[0017]图7是图2的传统12/8开关磁阻电机的定子和转子放大的几何尺寸图；
[0018]图8是图5的本实用新型一种产生轴向力的短磁路的开关磁阻电机的定子齿极和转子齿极的放大的几何尺寸图；
[0019]图9是图3中传统12/8开关磁阻电机的放大的磁路长度示意图；
[0020]图10是图5的本实用新型一种产生轴向力的短磁路的开关磁阻电机的放大的磁路长度不意图；
[0021]图11是本实用新型一种产生轴向力的短磁路的开关磁阻电机的放大的磁路示意图；
[0022]图12是本实用新型一种产生轴向力的短磁路的开关磁阻电机的转子所受轴向电磁拉力示意图。
[0023]图中:1.电机外壳；2、3、4、5、6、7.定子齿极；8、9、10、11.转子齿极；12.套筒；
13.转轴。
【具体实施方式】
[0024]本实用新型一种产生轴向力的短磁路开关磁阻电机以6/4开关磁阻电机为例说明。如图4、5、6所示，本实用新型包括电机外壳1、定子齿极、转子齿极以及转轴13。最外部是电机外壳I，在电机外壳I的内壁上沿径向截面的圆周方向均布定子齿极2、3、4、5、6、7，所有的定子齿极都固定在电机外壳I的内壁上；在转轴13外固定套一个套筒12，套筒12的外壁沿径向截面的圆周方向均布转子齿极8、9、10、11，所有转子齿极8、9、10、11都固定在套筒12的外壁上，定子齿极和转子齿极之间留有径向气隙。沿外壳I圆周相对的两个定子齿极上绕有同属一相绕组的线圈，即:定子齿极2、5上的线圈同属A相绕组，定子齿极3、6上的线圈同属B相绕组，定子齿极4、7上的线圈同属C相绕组。套筒12仅起机械连接作用，同时和转轴13、所有的转子齿极固定，使得转轴13、所有的转子齿极之间不存在轴向、径向相对运动。在机械强度允许情况下，可以对套筒12的材料、形状进行改进，以减小电机转动部分的整体质量。转子部分去除了转子轭部，定子部分去除了定子轭部，整体质量得到减小。
[0025]如图5所示，每个定子齿极2、3、4、5、6、7的轴向截面形状均是由四个面围成的具有一个L型缺口的矩形，每个转子齿极8、9、10、11在同一轴向截面上的形状是由两个垂直面围成的L型，且转子齿极的径向端与定子齿极的径向端之间留有径向气隙，转子齿极的轴向端与定子齿极的轴向端之间均留有轴向气隙，定子齿极的轴向截面形状与转子齿极的轴向截面形状围成一个留有两个气隙的矩形，也就是定子齿极的具有L型缺口的轴向截面形状与转子齿极的L型的轴向截面形状围成一个留有两个气隙的完整的矩形，构成完全的互补的结构，该矩形在径向上的内、外两个端面与转轴13的中心轴平行，该矩形在轴向上左右两个端面与转轴13的中心轴垂直。
[0026]如图7所示的传统12/8开关磁阻电机定子A和转子B处的几何尺寸，其径向气隙长度L'很小，相比于定子A的径向长度L3 、转子B的径向长度
Ir0可以忽略不计，对于定子A和转子B的径向总长Z5frl3 ,各长度存在等式
= 4,) + 1.0+Ire+IfO。定子A和转子B的轴向长度都为
。如图8所示的本实用新型的定子齿极2和转子齿极8的几何尺寸，定子齿极2和转子齿极8的厚度都为，转子齿极8的轴向长度，转子齿极8的径向长度Zyl ，径向
fh - 1
气隙长度为Lq' ,轴向气隙长度为,和的大小相对与其他尺寸可以忽略不计，定子齿极2的径向总长是，定子齿极2的轴向总长是Z^1，定子齿极2的有L型缺口的端面的径向长度是,定子齿极2的的有L型缺口的内边的轴向长度是L2，各尺寸大小存在以下等式、近似关系:=Zjl +Lgl -f Irl = +Irl、Lgl = Lg2、Lril = L.: + +Ir.^ L, + Lr,。对比图？和图8 中的几何尺寸,可得各尺寸大小之间存在以下等式关系:L3grl = Lsgrij、Lil = 1.η、= 4ο
、LLr,μ、η ο
[0027]参见图9中传统12/8开关磁阻电机磁路a所在位置结构图，电机的闭合磁路在径向方向，闭合磁路总长度为S,；, = Z1 + 2 X L 2 + L',存在以下关系式:L= 二 — Lg = L^LaQ (该近似关系来自于传统
τ I τ
开关磁阻电机的一般设计过程的经验取值)、I4 '-4,1 (该近似关系来自
I ,1 “ ^
*-+
于传统开关磁阻电机的一般设计过程的经验取值)，则根据圆弧长度公式可得
ΛΤ8-jIf
參 ‘^
Sg = —+ 2 X (Ζ? — i_|) + —Z_| ^ 3 Λ6 Lqfl ?参见图 10 中本实用新型开关磁阻电机中某一封闭磁路所在的定子齿极、转子齿极的互补结构图，闭合磁路总长度为S1 = 2X(Z6 +Z7)。将图?ο的磁路与图8的几何尺寸对比，存在关系式:
I7 = La - Ln.;本实用新型在不考虑定子齿极、转子齿极铁芯材料磁饱和特性的情况下，定子齿极、转子齿极的厚度
L,K理论上可以取小于L.'、、1..,的任意值，则在此取值要求成立前提下，值越大，
本实用新型电机中的磁路总长度相比于图9中传统开关磁阻电机的磁路总长度就越小；磁路总长度的减小，必然使得磁场在铁芯(包括定子部分铁芯、转子部分铁芯)中的铁耗越小，电机的工作效率相应就得到了提高，节省了能源。
[0028]参见图11的本实用新型的磁路，磁力线在单一定子齿极、单一转子齿极内部构成一个独立的磁回路，该磁路位于电机轴向方向，区别与传统开关磁阻电机磁路位于径向方向；参见图12，互补结构的定子齿极和转子齿极的矩形中的轴向气隙部分按“磁阻最小原理”产生转矩的同时也产生由转子齿极指向定子齿极的轴向磁拉力F，该力的存在，有助于开关磁阻电机竖直放置情况下转子的悬浮，具体为:减小了为抵消转子重力实现轴向悬浮而增加的轴向磁轴承的功率输出，甚至可以通过调节该新型开关磁阻电机绕组电流大小的方式实现电机转子自身的竖直悬浮，即无需增加额外的轴向磁轴承。
【权利要求】
1.一种产生轴向力的短磁路开关磁阻电机，包括电机外壳、定子齿极、转子齿极以及转轴，最外部是电机外壳，其特征是:电机外壳的内壁上沿径向截面的圆周方向均布有多个定子齿极，转轴外固定套一个套筒，套筒的外壁上沿径向截面的圆周方向均布有多个转子齿极，定子齿极和转子齿极之间留有径向气隙，沿电机外壳圆周相对的两个定子齿极上绕有同属一相绕组的线圈；每个定子齿极的轴向截面形状均是由四个面围成的具有一个L型缺口的矩形，每个转子齿极在同一轴向截面上的形状是由两个垂直面围成的所述L型，转子齿极的径向端与定子齿极的径向端之间留有径向气隙，转子齿极的轴向端与定子齿极的轴向端之间均留有轴向气隙，定子齿极的轴向截面形状与转子齿极的轴向截面形状围成一个留有两个气隙的完整的矩形。
2.根据权利要求1所述产生轴向力的短磁路开关磁阻电机，其特征是:所述完整的矩形在径向上的内、外两个端面与转轴的中心轴平行，该矩形在轴向上左右两个端面与转轴的中心轴垂直。
3.根据权利要求1所述产生轴向力的短磁路开关磁阻电机，其特征是:定子齿极、转子齿极的厚度小于转子齿极的轴向、径向长度。
4.根据权利要求1所述产生轴向力的短磁路开关磁阻电机，其特征是:单一定子齿极、单一转子齿极内部构成一个独立的磁回路，该磁路位于轴向方向，产生由转子齿极指向定子齿极的轴向磁拉力。
【文档编号】H02K1/24GK203984104SQ201420279571
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】孙玉坤, 胡文宏, 朱志莹, 袁野, 张新华 申请人:江苏大学