一种可变磁通磁阻电机的制作方法

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种可变磁通磁阻电机。

背景技术：

传统的开关磁阻电机以结构简单、加工容易、容错能力强等诸多优点被广泛应用于家电和工业设备中；然而其也存在转矩密度较低，转矩脉动大以及振动噪音强等缺点。

作为一种新型的无永磁电机，可变磁通磁阻电机保留了传统开关磁阻电机的双凸极定转子和集中式绕组结构，如说明书附图1与附图2所示；转子10位于定子20的内部，定子20固定有直流励磁线圈和交流电枢线圈。这些设计使可变磁通磁阻电机可以使用商用变频器进行供电，并拥有比开关磁阻电机更高的转矩密度，更低的转矩脉动和不同的定转子极槽个数配合选择。此外，由于可变磁通磁阻电机的定子电励磁激励方式，其散热较普通转子电励磁电机更为容易，提高了其容错能力。

在现有技术中，定子的内表面为圆形，而转子极110的表面与定子的内表面之间的间隙g1均匀，也即机械气隙均匀；如此设置的可变磁通磁阻电机，尽管其拥有结构简单，加工容易，容错能力强等优点，但其输出转矩脉动较大，无法满足高性能电机驱动系统设计要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可变磁通磁阻电机，该可变磁通磁阻电机可以确保在转矩密度损失较小的前提下降低转矩脉动。

为实现上述目的，本发明提供一种可变磁通磁阻电机，包括定子以及位于所述定子内侧的转子，所述转子包括多个以各自的中心线为轴左右两侧互为镜像的转子极，每一个所述转子极的外表面与所述定子的内表面之间的间距由所述中心线向两侧变大。

优选地，全部所述转子极的外表面均呈弧形。

优选地，全部所述转子极的外表面均包括至少两条首位相连的直线。

优选地，所述外表面为圆弧的一部分，所述圆弧满足以下公式：

其中，ra为圆弧半径，rro为所述转子极的外径，

d0为圆弧与所述转子极中心点之间的偏置距离。

优选地，所述外表面为反余弦函数曲线的一部分，所述反余弦函数曲线满足以下公式：

其中，δ(θ)为反余弦函数曲线，g0为最小气隙长度，τp为转子极距，θ为反余弦曲线δ(θ)上任意一点与所述转子中心线间的夹角，θr为转子极所对应的圆心角，a为待定系数。

优选地，所述外表面为含三次谐波反余弦曲线的一部分，所述含三次谐波反余弦曲线满足以下公式：

其中，δ(θ)为含三次谐波反余弦曲线，g0为最小气隙长度，τp为转子极距，θ为含三次谐波反余弦曲线δ(θ)上任意一点与所述转子中心线间的夹角，θr为转子极所对应的圆心角，a、c均为待定系数。

优选地，所述外表面由多个通过直线依次相连的定点形成，其中，所述外表面中点至最左侧或最右侧的所述两侧点之间的定点满足以下公式：

其中，θk为第k个定点的机械角度，rrk为第k个定点到所述转子极圆心的距离，n为所述外表面中点至最左侧或最右侧的所述两侧点之间的定点所分割的直线段的个数，θr0为转子极弧角度，rsi为所述定子的内表面半径，δk为第k个定点的机械气隙长度。

优选地，所述外表面中点至最左侧或最右侧的所述两侧点之间的定点的个数为6个。

优选地，所述可变磁通磁阻电机具体为6槽电机，所述转子极的个数为6n±1；或者为所述6槽6n±1极电机的槽数与所述转子极个数的m倍的电机；其中，n与m均为正整数。

优选地，所述定子采用直流励磁线圈与交流电枢线圈供电。

优选地，全部所述转子极沿圆周方向均匀分布。

相对于上述背景技术，本发明提供的可变磁通磁阻电机，转子位于定子的内侧，且转子可以围绕转子中心点相对于定子旋转；其中，转子包括多个转子极；位于转子中心点的转子极中心线将每一个转子极分割为左右两部分，位于转子极中心线左右两侧的部分互为镜像，转子极的外表面与定子的内表面之间具有间隙，形成机械气隙，每一个转子极的外表面与定子的内表面之间的间距由中心线向两侧变大，也即机械气隙由中心线向两侧扩张。简单来说，机械气隙非均匀设置，且以转子极中心线为轴左右两侧互为镜像；如此设置，使得可变磁通磁阻电机在尽可能保持转矩密度较高的前提下，有效地减小转矩脉动；通过对可变磁通磁阻电机中的转子极的结构进行改进，能够有效减小可变磁通磁阻电机的转矩脉动，并尽可能地保持了平均转矩不损失，提高了可变磁通磁阻电机的性能，使其可以应用于高性能电机驱动系统中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种6槽7极可变磁通磁阻电机的剖面图；

图2为图1中转子极的示意图；

图3为本发明实施例所提供的可变磁通磁阻电机的第一种转子极的示意图；

图4为图3中a部位的局部放大图；

图5为本发明实施例所提供的可变磁通磁阻电机的第二种转子极的示意图；

图6为图5中b部位的局部放大图；

图7为本发明实施例所提供的可变磁通磁阻电机的第三种转子极的示意图；

图8为图5中c部位的局部放大图；

图9为本发明实施例所提供的可变磁通磁阻电机的第四种转子极的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图3至图9，图3为本发明实施例所提供的可变磁通磁阻电机的第一种转子极的示意图；图4为图3中a部位的局部放大图；图5为本发明实施例所提供的可变磁通磁阻电机的第二种转子极的示意图；图6为图5中b部位的局部放大图；图7为本发明实施例所提供的可变磁通磁阻电机的第三种转子极的示意图；图8为图5中c部位的局部放大图；图9为本发明实施例所提供的可变磁通磁阻电机的第四种转子极的示意图。

本发明提供的一种可变磁通磁阻电机，包括定子与转子；定子采用直流励磁线圈与交流电枢线圈供电，定子相对于转子固定不动；转子位于定子的内侧，围绕转子中心点o旋转。

全部定子的内表面形成圆形，该圆形以转子中心点o为圆心；转子可以看做是由多个转子极构成，多个转子极形成一整体结构；并且每一个转子极的形状构造均相同，且全部转子极沿圆周方向均匀分布。

针对一个转子极来说，转子极的外表面即为最靠近定子的内表面的边缘，转子极的外表面与定子的内表面具有一定间隙，也即机械气隙，实现转子极在旋转过程中避免接触定子。

其中，全部定子的内表面内构成圆形，每一个定子的内表面为圆形的一部分，转子极的外表面与定子的内表面之间的间隙即为机械气隙；每一个转子极可以被虚拟的转子极中心线(后文又可以称之为中心线)分割为左右两部分，中心线穿过转子中心点o，且左右两部分以中心线为轴互为镜像。

针对每一个转子极，转子极的外表面与定子的内表面之间的间距由中心线向两侧变大；从机械气隙的角度来说，由中心线为基准向左右两侧扩张；由上述可知，机械气隙的上方为定子的内表面，机械气隙的下方为转子极的外表面，全部定子的内表面形成圆形，而每一个转子极的外表面与定子的内表面之间的间距由中心线为向左右两侧变大；即转子极的外表面与定子的内表面之间的间隙并不均匀。

如此设置，使得可变磁通磁阻电机在尽可能保持转矩密度较高的前提下，有效地减小转矩脉动；通过对可变磁通磁阻电机中的转子极的结构进行改进，能够有效减小可变磁通磁阻电机的转矩脉动，并尽可能地保持了平均转矩不损失，提高了可变磁通磁阻电机的性能，使其可以应用于高性能电机驱动系统中。

本发明中，针对每一个转子极的外表面，其可以为弧形，无论弧形的形状如何，只要能够确保转子极的外表面与定子的内表面之间的间距由中心线为向左右两侧变大即可；本发明为了清楚地说明转子极的外表面可以设置的弧形具体情形，给出以下三种实施方式。

第一种实施方式：如说明书附图3与附图4所示。附图3中所示的定子内表面即为上文所述的定子的内表面，定子内表面与现有技术相比并未作出改进。转子包括多个转子极1，针对每一个转子极1，其外表面为圆弧的一部分，且圆弧满足以下公式：

其中，ra为圆弧半径，rro为所述转子极的外径，

d0为圆弧与所述转子极中心点之间的偏置距离。

针对转子极1外表面中处于中心线上的点来说，该点与转子中心点o之间的距离即为转子极的外径rro，而转子极1外表面中其他点与转子中心点o之间的距离均小于转子极的外径rro。圆弧的圆心处于中心线上，确保以中心线为轴，左右两侧互为镜像。

也即，上述半径为ra的圆弧与定子的内表面所形成的圆形并不同心，而是具有一定的偏置距离d0；附图3中的θ1为转子表面上任意一点与转子极中心线间的角度，附图4中δ为该点的机械气隙长度。最小气隙g0位于转子极中心线处。

其中，偏置距离d0以及转子极的外径rro均可以根据实际需要而定，本文并不给出定量的限制。

第二种实施方式：如说明书附图5与附图6所示。附图5中所示的定子内表面即为上文所述的定子的内表面，定子内表面与现有技术相比并未作出改进。

转子包括多个转子极2，针对每一个转子极2，其外表面为圆弧，且圆弧为反余弦函数曲线的一部分，反余弦函数曲线满足以下公式：

其中，δ(θ)为反余弦函数曲线，τp为转子极距，θ为反余弦曲线δ(θ)上任意一点与所述转子中心线间的夹角，θr为转子极所对应的圆心角，a为待定系数。附图5中θr0为转子极弧角度，附图6中δ为转子极2外表面上任意一点的机械气隙长度，g0为最小气隙长度。

其中，θr0为转子极的外表面的左右两侧之间的夹角，而θr为转子极所对应的圆心角，显然，θr的范围应大于θr0的范围。待定系数a可以根据电机参数的变化而变化，本文不再赘述。

第三种实施方式：如说明书附图7与附图8所示。附图7中所示的定子内表面即为上文所述的定子的内表面，定子内表面与现有技术相比并未作出改进。转子包括多个转子极3，针对每一个转子极3，其外表面为圆弧，且圆弧为含三次谐波反余弦曲线的一部分，含三次谐波反余弦曲线满足以下公式：

其中，δ(θ)为含三次谐波反余弦曲线，τp为转子极距，θ为含三次谐波反余弦曲线δ(θ)上任意一点与所述转子中心线间的夹角，θr为转子极所对应的圆心角，a、c均为待定系数。附图7中θr0为转子极弧角度，附图8中δ为转子极2外表面上任意一点的机械气隙长度，g0为最小气隙长度。

其中，θr0为转子极的外表面的左右两侧之间的夹角，而θr为转子极所对应的圆心角，显然，θr的范围应大于θr0的范围。待定系数a与c可以根据电机参数的变化而变化，本文不再赘述。

本发明中，针对每一个转子极的外表面，其可以为包括至少两条首位相连的直线；下文给出转子极的外表面的第四种实施方式。

第四种实施方式：如说明书附图9所示。附图9中所示的定子内表面即为上文所述的定子的内表面，定子内表面与现有技术相比并未作出改进。

转子包括多个转子极4，针对每一个转子极4，其外表面包括多条首位连接的直线，任意一条所述直线连接两个定点；所述外表面中点至最左侧或最右侧的所述两侧点之间的定点满足以下公式：

其中，θk为第k个定点的机械角度，rrk为第k个定点到所述转子极圆心o的距离，n为所述外表面中点至最左侧或最右侧的所述两侧点之间的定点所分割的直线段的个数，θr0为转子极弧角度，rsi为所述定子的内表面半径，δk为第k个定点的机械气隙长度。

可以看出，直线所连接的两个定点应包括外表面中点以及两侧点；两侧点分别位于外表面的最左侧与最右侧；也即转子极弧角度θr0所对应的端点。

需要说明的是，在此实施方式中，当直线的个数足够多时，也即上述定点的个数足够多时，多条直线相互连接后可以看做为光滑的弧形；众所周知，对于任意弧形来说，当对其分割至一定数量的点后，将各个点之间用直线相连即可看作是弧形(参考微积分原理)；因此，本实施例中定点的个数k可以按照“通过直线连接后可以形成光滑的弧形”为目的进行选取。

在此实施方式中，定点k的个数、转子极弧角度θr0、定子的内表面半径rsi以及第k个定点的机械气隙长度δk应根据实际需要而定，本文不再赘述。

本发明中，优选将转子极的外表面中点至最左侧或最右侧的所述两侧点之间的定点的个数为6个；两侧点即为附图9中标注有6的点。也即k＝6。

外表面中点至最左侧或最右侧的所述两侧点之间的定点满足以下公式：

当k取1时，该点为转子极的外表面中点，也即附图9中标注有1的点(也即定点1)；此时，θ1为0，定点1到转子极圆心o的距离rr1＝rsi-定点1的机械气隙长度；也即，针对每一个定点，该定点处的机械气隙事先确定，而后通过确定每一个定点的准确位置。其中，转子极弧角度θr0、定子的内表面半径rsi以及第k个定点的机械气隙长度δk均可以根据实际需要进行选取。

本发明提供的上述四种转子极结构，均拥有降低可变磁通磁阻电机转矩脉动的能力。以6槽7极可变磁通磁阻电机为例，按照上述四种实施例中的转子极结构，四者的定子尺寸相同、四者的转子极距τp尺寸相同、四者的转子极弧角度θr0相同、四者的最小气隙长度g0相同、四者定子的内表面半径rsi相同以及上述第二种与第三种实施例中的待定系数a取值相同，并通过电机的具体参数设置第一种实施例中的圆弧与转子极中心点之间的偏置距离d0，设置第三种实施例中的待定系数c以及并且设置第四种实施例中的第k个定点的机械气隙长度δk。通过对转子极结构的改变，上述四种实施例中电机的平均转矩与转矩脉动性能如表1所示。

表1：瞬时短路电流峰值及其退磁定子磁动势

由计算结果可见，与传统转子(也即现有技术中的转子)相比，本发明实施例提供的四种新型转子均可以有效地减小可变磁通磁阻电机的转矩脉动。其中，第一种转子形状最为简单，仅由一条圆弧曲线决定，这种转子结构在牺牲11％的转矩密度下可以使转矩脉动减小66％；第二种转子的形状较新型转子一复杂，但其可以在保持90％转矩密度的情况下使转矩脉动下降到仅6％；第三种转子的形状较复杂，但其可以在保持97％的转矩密度下使转矩脉动减小为11％。第四种转子最为复杂，但其在保持与新型转子三相似的转矩密度下拥有更小的转矩脉动。总而言之，第一种转子结构最为简单，第二种转子具有最小的转矩脉动，第三种转子和第四种转子可以在有效减小转矩脉动的同时保持最大的转矩密度。

本发明中的可变磁通磁阻电机，最好为6槽电机，且转子极的个数为6n±1；n为正整数。例如，6槽5极、6槽7极、6槽11极等，其中，6槽7极电机如附图1所示；可以看出，定子20包括dc1、dc2、dc3、dc4、dc5和dc6共六个定子极，每个定子极通有直流电(也即dc)，a1与a2为一对，b1与b2为一对，c1与c2为一对，通有交流电；共形成6槽，转子10包括7个转子极110，也即6槽7极电机。

当然，还可以为与6槽6n±1极电机的槽数与所述转子极个数的m倍的电机；其中，m为正整数。

举例来说，可变磁通磁阻电机可以为6槽5极电机，还可以为(6槽5极)×2，即12槽10极电机；

可变磁通磁阻电机可以为6槽7极电机，还可以为(6槽7极)×2，即12槽14极电机；

可变磁通磁阻电机可以为6槽5极电机，还可以为(6槽5极)×4，即24槽20极电机等。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的可变磁通磁阻电机进行了详细介绍。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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。