采用直流与磁阻两种电机原理交替运行的单相开关磁阻电机的制作方法

本发明属于单相开关磁阻电机领域，尤其是一种涉及到开关磁阻sr电机和直流电机的两种工作原理的单相开关磁阻电机。

背景技术：

电动机所耗电能占整个电网的60％以上，随节能减排要求的深入，改善电机功效意义重大，尤其对调速电机控制领域更是如此。

电动汽车作为节能减排的交通工具，已得到世界各国广泛重视，并被公认为节能环保的未来汽车。所包含的任一类电动汽车都需要用电机作为执行机构来驱动车轮行驶。因此改善电机性能、降低成本，是提高各类电动汽车性价比，促使普及推广的首要任务之一。而电动汽车采用轮毂电机具有传输效率高、响应直接而快，使多种汽车性能优化控制易于实现；且采用轮毂电机不仅节省了大量的机械部件成本，减轻汽车自重，还腾出许多有效空间便于汽车结构布局，有利于降低汽车质心与车身高度。但由于轮毂电机受其结构体积限制，特别是对驱动功率较大时，对电机的单位体积功率提出了更高的要求。

技术实现要素：

为了克服现有技术对sr电机驱动控制中，由定子绕组通电所产生驱动性磁阻转矩的区域短而使利用率降低；以及单相sr电机无自启动功能，和运行时转矩脉动较大的缺点。本发明提出了在单相sr电机的转子中增加能使电机也可按直流电动机原理运转的相应电枢绕组，并配置码盘，利用光耦直接检测来控制切换磁阻和直流两种电机的运行方式；通过按两种电机原理交替运行而使所产生的转矩有所重叠即可减小转矩脉动。以使成为按磁阻和直流两种电机原理交替运行的组合式创新电机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种采用直流与磁阻两种电机原理交替运行的单相开关磁阻电机，所述单相开关磁阻电机为具有双凸极的定子和转子结构，在定子内安装有励磁绕组，在转子凸极上安装有能使电机按直流电动机原理运转的相应电枢绕组，所述转子电枢绕组的电流方向与所述定子励磁绕组形成的磁场的磁力线呈相切关系，并且配置有即与定子凸极距和转子凸极距相关，又能反映转子旋转所处特征点位置角的码盘，利用光耦直接检测来控制切换磁阻和直流的两种电机运行方式，在原本将关断定子绕组通电时，给转子电枢绕组通入相应方向的电流，并延迟定子绕组的通电期以继续保留相应的电磁场，使电机再按直流电动机原理继续运转；利用按直流电动机原理运转方式来起动单相sr电机。

进一步，所述单相开关磁阻电机的定子凸极数和转子凸极数相同。当然，也可以不相同。

更进一步，所述单相开关磁阻电机为外转子结构，所述转子位于定子的外侧，所述转子由按轴向布局的左右两个转子圆盘和按径向布局的一个转子圆筒构成，所述转子圆筒的两端与左右两个转子圆盘固定连接，从轴向看，所述转子圆盘与转子圆筒的各极的凸极距角和凹槽距角分别一致对齐，所述励磁绕组环绕在所述定子的凸极内，所述转子电枢绕组有两套，分别嵌入于左右两个转子圆盘内，每套转子电枢绕组均包括径向电枢绕组和内、外环连线，径向电枢绕组由若干根导线组成，均布于左右两个转子圆盘内的凸极处，每根导线的两头分别与内、外环连线相连接。为使左、右两边转子圆盘内的径向电枢绕组通电后按直流电机原理产生的旋转力矩方向一致而叠加，需将嵌入于左、右两边转子圆盘内的电枢绕组的内、外环连线按励磁绕组通电产生的电磁场方向相连接，然后均通过电刷引出。

或者是：所述单相开关磁阻电机为内转子、外定子结构，所述定子位于转子的外侧。

本发明的技术构思：利用附图1所示的sr电机线性电感l随转子位移角θ的变化关系说明了sr电机在各种运行状态下的工作原理：当绕组电感l随转角θ增加，即使定、转子凸极相重叠而随之上升时，也就是在特征点θ1～θ2区域内，给绕组通入电流就会产生驱动性磁阻转矩而进入电动状态；反之在绕组电感l随转角θ的增加，即使定、转子凸极相分离而随之下降时，也就是在特征点θ3～θ4区域内，且绕组内存在电流，则产生制动性转矩而进入发电回馈状态。并且在整个定、转子凸极重叠的特征点θ2～θ3区域内，给绕组持续通电还能由电磁吸力产生电磁制动。

由此也说明sr电机仅在绕组电感l随转角θ而增大的变化周期，即在特征点θ1～θ2区域内才由绕组内电流产生驱动性磁阻转矩。并需在转子凸极趋离定子凸极重叠位置前，完成因绕组感应所形成的电流释放，即结束续流期，否则会产生制动性转矩。为此即要求在附图1所示的特征点θhr位置角处关断接通绕组电流的开关管，如此使产生驱动性磁阻转矩的特征点θ1～θ2区域仅利用了一半。虽经理论研究和实践已表明，常规sr电机的电机常数(表示单位电枢体积下转矩)略高于异步电机，但若能设法扩展产生驱动性转矩的运行区域，必将进一步提高电机功率密度和其运行效率。为此结合直流电机运行原理：磁场中的通电导体将根据电磁力定律产生按左手定则所定方向的电磁力矩。由此即可利用sr电机定子绕组已在电机内产生的磁场，再在转子上布置相应导体，在原本将关断定子绕组通电时，给转子上的导体通入相应方向的电流，并适当延迟定子绕组的通电期以继续保留相应电磁场，使电机再按直流电动机原理继续运转。如此即成为按磁阻和直流两种电机原理交替运行的组合式创新电机。

为具体实施，又进一步分析了各种类型开关磁阻电机的结构特点，将上述改进思路用于一种单相开关磁阻电机自然是较好的组合方法。单相开关磁阻电机具有结构简单、坚固可靠、制造成本低，由于仅需控制一相绕组也使驱动器成本最低。而且电机的整个圆周仅布局一相，即可避免由于常规径向分相sr电机的定子凸极数ns、转子凸极数nr与相数m之间必须满足关系式：ns＝2km、nr＝ns-2km、k为整数的约束，而使各相通电运行时，其定子只能仅与其中少部分转子凸极起作用。对于单相sr电机可设置定、转子凸极数相等，以使绕组通电运行时即能与圆周上的所有转子凸极均起作用，以此提高磁路利用率，也就提高了单位体积功率和其运行效率。但单相sr电机的最大缺点是没有自启动功能，虽有介绍采用各种辅助启动的方法，但其效果均不理想，也使电机的单位体积功率降低，且电机也只能单方向运转。由此使该廉价而高效的电机难以进入实用化。并且单相sr电机还有一项缺点是运行时转矩脉动较大。而该两项缺点恰可通过上述与直流电机相组合的方式得以解决：即启动时采用直流电机运转原理起动；运行时按两种电机原理交替运行将使所产生的转矩有所重叠即可减小转矩脉动。而对于所需切换何时按磁阻或直流两种电机原理运行的过程，按所设计的单相开关磁阻电机的定、转子凸极距结构，配置相应的码盘，利用光耦直接检测来控制其切换。

通过对前述利用图1所示的sr电机线性电感l随转子位移角θ变化关系所阐述工作原理的分析，得出了现有的sr电机在运行驱动旋转中，仅利用了一半能产生驱动性磁阻转矩的特征点θ1～θ2区域。为设法进一步扩展产生驱动性转矩的运行区域，来提高电机功率密度和其运行效率，结合直流电机运行原理：磁场中的通电导体将根据电磁力定律产生按左手定则所确定方向的电磁力矩。即利用sr电机定子绕组已在电机内产生的磁场，再在转子上布置相应导体，在原本将关断定子绕组通电时，给转子上的导体通入相应方向的电流，并适当延迟定子绕组的通电期以继续保留相应电磁场，如此就能使电机再按直流电动机原理继续运转。根据该项按磁阻和直流两种电机原理交替运行的改进思路，又进一步分析了上述单相开关磁阻电机的结构特点和运行中存在的优缺点，说明在单相开关磁阻电机的转子上再增加按直流电机原理运行的相应电枢绕组，既能较好地扬长避短，成为按磁阻和直流两种电机原理交替运行的组合式创新电机。而对于要求及时准确控制切换磁阻和直流两种运行方式的难题。即可利用与被控单相sr电机的定、转子凸极距相关，又能反映转子旋转所处特征点位置角的特制码盘，通过光耦直接检测来控制切换。

本发明的有益效果主要表现在：利用码盘直接检测，即可按转子旋转所处的特征点位置及时准确控制切换按直流与磁阻两种电机原理交替运行的过程。即解决了单相sr电机的启动问题而发挥了其优势；也扩大了产生驱动转矩的运行区域，从而提高了电机功率密度和运行效率，按直流与磁阻两种电机原理交替运行使所产生的转矩有所重叠即可减小转矩脉动。并利用特制码盘检测控制可更好地按负载所需切换各种运行方式：不同方向的起动、电力驱动、发电回馈和电磁制动。而应用于电动汽车驱动的轮毂电机中，采用发电回馈与电磁制动相结合的制动过程，即类似于现代轿车中的防抱死制动系统abs及其驱动防滑转控制asr的制动过程，即不仅实现了能量回收，更主要还提高了车辆行驶中稳定操控的安全性。

附图说明

图1是现有sr电机线性电感l随转子位移角θ的变化关系图。

图2是按实施例反映的单相sr电机线性电感l随转子位移角θ的变化关系图。

图3是一种采用直流与磁阻两种电机原理交替运行的单相sr轮毂电机的轴向剖面结构示意图。

图4是图3的径向a-a剖面结构示意图。

图5是图3的径向b-b剖面结构示意图。

图6是按实施例设计的特征点检测码盘和光耦布局示意图。

具体实施方式

下面结合附图对其实施例作进一步说明。

参照图2～图6，一种采用直流与磁阻两种电机原理交替运行的单相sr电机，还需利用附图1所示的sr电机线性电感l随转子位移角θ的变化关系，分析按直流与磁阻两种电机原理运行时所处于的特征点区域，以通过调整定、转子极数及凸极距等相关结构参数，来扩大按两种电机原理所能产生驱动性转矩的运行区域，并改善相关的各种运行性能。为使定子励磁时，定、转子的所有凸极均互为起作用，要求定、转子的极数或极距角均相等；为改善转矩脉动需适当增加极数，并兼顾定、转子凸极齿根部的机械强度，设置定子极数ns、转子极数nr均为18，如此定子极距角τs、转子的极距角τr均＝360/18＝20°。利用附图1所述分析可知：在整个定、转子凸极重叠的最大电感特征点θ2～θ3区域，即是按直流电机原理的运行区，也是实施电磁制动的区域。为此应适当增大定子凸极距βs与转子凸极距βr的差距，以增大θ2～θ3区域，再进一步分析βr＞βs或βs＞βr两种情况，对增加按磁阻或直流两种电机原理产生驱动性转矩的运行区域的影响均相同。而对外转子轮毂电机为减小与βr成正比的转子重量和转动惯量，还是设βs＞βr较好。

按上述设计思路，进一步设置定子凸极距βs＝9.9°，转子凸极距βr＝7.8°，转子凹槽距αr＝20-7.8＝12.2°，使得最小电感的θ-1～θ1区域为αr-βs＝12.2-9.9＝2.3°，最大电感的θ2～θ3区域为βs-βr＝9.9-7.8＝2.1°。由此获得如图2所示的按实施例反映的单相sr电机线性电感l随转子位移角θ的变化关系图，按此即可设计相应的电机特征点检测码盘。

参照附图3～图6，一种采用直流与磁阻两种电机原理交替运行的单相开关磁阻电机，所述单相开关磁阻电机为具有双凸极的定子1和转子2结构，在定子1内安装有励磁绕组3，在转子2的凸极上安装有能使电机按直流电动机原理运转的相应电枢绕组4，所述转子电枢绕组4的电流方向与所述定子励磁绕组3形成的磁场的磁力线呈相切关系，其特征在于：配置有即与定子凸极距和转子凸极距相关，又能反映转子旋转所处特征点位置角的特制码盘5，利用三只光耦6直接检测来控制切换磁阻和直流的两种电机运行方式。所述特制码盘5与转子2同步旋转，以能反映与转子2的凸极距相关的特征点位置角，所述三只光耦6安置于光耦固定板7上，三只光耦6的射光中心互为被控sr电机的电角度为τr＝20°，所述光耦固定板7利用电机轴8上的键槽定位固定，以使三只光耦6的射光中心与定子1的某三个凸极中心对齐。

所述单相开关磁阻电机为外转子结构，所述转子2位于定子1的外侧，所述转子2由按轴向布局的左右两个转子圆盘9和按径向布局的一个转子圆筒10构成，所述转子圆筒10的两端与左右两个转子圆盘9由六根长螺杆11固定连接，从轴向看，所述转子圆盘9与转子圆筒10的各极的凸极距角和凹槽距角均分别一致对齐。所述定子1由按轴向布局的左右两个定子圆盘12和中间的定子槽底圆盘13由六根铆钉14固定连接，从轴向看，左右两个定子圆盘12的凸极距角和凹槽距角均为一致对齐。所述励磁绕组3环绕在所述定子1中间的定子槽底圆盘13上，如此绕法即便于绕制，也可增大槽满率。所述转子电枢绕组4有两套，分别嵌入于左右两个转子圆盘9内，每套转子电枢绕组4均包括径向电枢绕组15和内环连线16、外环连线17，径向电枢绕组15由若干根导线组成，均布于左右两个转子圆盘9内的凸极处，每根导线的两头分别与内环连线16、外环连线17相连接。由于励磁绕组为环形绕法，根据右手螺旋定律通电后所产生的磁场方向以固定轴向为主，按附图3所示位置即为左右s、n极方向，通过外转子形成闭合磁路。由于磁场方向固定不变，根据电磁力定律其磁场内的通电导体受力方向由左手定则判定，要求按直流电机运行的电枢绕组为径向，即为如附图4所示均布于左右两个转子圆盘9内的径向电枢绕组15，为使左、右两边转子圆盘内的径向电枢绕组15通电后按直流电机原理产生的旋转力矩方向一致而叠加，需将嵌入于左、右两边转子圆盘内的电枢绕组的内、外环连线按励磁绕组3通电产生的电磁场方向相连接，然后均通过输出铜圆滑环18配合电刷19引出，所述电刷19固定于电刷架20上。由于通电方向为单向，其电刷也就不会存在直流电机的换相火花等弊端。

所述定子1通过键21与电机轴8紧固，所述定子励磁绕组3通过与电机轴8的内孔相通的两个绕组引出线孔22引出；所述左右两个转子圆盘9通过左右两个轴承23以可旋转方式与电机轴8连接，考虑到电机运行时同时存在轴向、径向磁力，其轴承采用向心推力滚动轴承，以减小机械振动。所述左右两个轴承23由两个螺母24压紧固定。

所述特制码盘5上包含有三层透、挡光极，整个圆周以电机电角度为20°周期循环均布，每层的透、挡光极分别由一只光耦检测，根据附图2所示按实施例反映的单相sr电机线性电感l随转子位移角θ的变化关系图，设置每层的透光极距、挡光极距分别为下表所示，3只光耦的检测状态值按透光为1、挡光为0表示。

如此使码盘与外转子同步旋转，每转到相应的特征点区间：θ-1～θ0、θ0～θ1、θ1～θhr、θhr～θ2、θ2～θ3、θ3～θ-hr、θ-hr～θ-1位置角处，3只光耦输出状态值分别为：101、010、100、011、000、110、001，根据状态值即可判别定、转子凸极的相对特征点位置，以实施相应控制。在此还需利用附图2所述来定义各特征点区间的相应运行区域：θ0～θ1为正转开通角区域，也为反转过载开通角区域；θ-1～θ0为反转开通角区域，也为正转过载开通角区域；θ1～θhr为正转电流的主导通区域，也为反转发电回馈关断结束区域；θhr～θ2为正转关断续流区域，也为反转发电回馈开通区域；θ2～θ3为定、转子凸极重叠区域，即为正、反转电磁制动区域，也为按直流电动机原理运行区域；θ3～θ-hr为反转关断续流区域，也为正转发电回馈开通区域；θ-hr～θ-1为反转电流的主导通区域，也为正转发电回馈关断的结束区域。由于附图2是按线性电感l表述随转子位置角θ变化的关系，所以根据3只光耦输出状态值判别的特征点位置区域，按上述定义进行的相应控制，还需通过转速、电流的双闭环反馈来补偿控制。转速可根据该电机电角度360/18＝20°，除以光耦输出状态值变化周期获得；对于电流以刚转到θ1(正转)或θ-1(反转)时所测为参考值。

现以附图2～图6所示的电机为例来具体说明电机运行在电机起动、电力驱动、发电回馈和电磁制动各状态的工作过程。控制时遵循直流与磁阻两种电机原理交替运行的过程。

电机起动工作过程：

要求电机每次停转时均采用电磁制动方式来停止，以通过电磁制动使定、转子凸极齿处于对齐的平衡位置。若起动时由于各种因素使定、转子凸极齿处于不对齐的非平衡位置，即需先通过电磁制动以使定、转子凸极齿处于对齐的平衡位置，对此可利用特制码盘检测得到，即为处于特征点θ2～θ3位置区，光耦输出状态值为000时。此时在励磁绕组通电所产生的磁场中，对转子电枢绕组按所要求转向通入相应方向的电流，电机就按直流电动机原理启动旋转。然后就根据3个光耦输出状态值，结合前述利用附图2所述定义的在各特征点区间的相应运行区域来进行如下控制。

电力驱动工作过程：

假设要求电机正转，即当状态值为010时控制使定子励磁绕组通电，以实现按磁阻电机原理旋转；转到状态值为011时控制使转子电枢绕组通入相应方向的电流，实现按直流电机原理以相同方向旋转，原本在该区域需关断定子励磁绕组的通电，但还需保持电磁场而应延迟关断；即延迟转到状态值为110时再控制关断定子励磁绕组的通电，由于定子绕组仍在续流期，电机也仍保持相应的电磁场，继续按直流电机原理旋转；当转到状态值为001时控制关断转子电枢绕组通电，电机转子靠惯性旋转约5.05°后，又会转到状态值为010的特征点区域；如此按上述进行周而复始控制。对开关管具体的开通角、关断角还可通过试验来进一步调整，并采用转速、电流双闭环反馈控制来动态调节。

如此使电机按直流电机原理和变磁阻原理两种方式交替运行，即使转矩输出周期成倍增加，也使各运行期的转矩有所重叠，从而减小转矩脉动。所该组合式创新电机将极大提高电机的功率密度，和电动汽车的动力驱动系统性价比。同样为满足电动汽车行驶时有较宽的调速范围，需低速时采用电流斩波ccc控制方式以得到恒转矩调速特性，并可减小转矩脉动；在高速时采用效率较高的角度位置apc控制方式以实现恒功率调速特性。若要求电机反转时，即可按前述利用附图2所定义的在各特征点区间的相应运行区域，来进行相应的类似控制。由于在同一方向的旋转过程中，转子电枢绕组通电运行期间，电流总是为单方向，其电刷不会存在如同直流电动机的换相火花等弊端，所电刷寿命可相当长。

发电回馈工作过程：

当电动汽车需降速制动或下坡运行时，即可利用其动能惯性进行发电回馈，实现能量回收来提高续驶里程。并根据特征点位置角码盘检测的状态值信号，通过及时控制两种绕组的开关管通断，还可实现按直流发电机和磁阻发电机两种原理运行的发电回馈控制。当转到状态值为000时控制接通定子励磁绕组通电励磁，产生的磁场一方面使转子电枢绕组按直流发电机原理运行，另一方面也进行电磁制动；按正转当惯性转到状态值为110时继续接通定子励磁绕组通电，使按磁阻电机原理进行发电回馈，即使定子绕组所产生的磁场将对转子产生反方向的阻力矩，也将转子动能转化为磁能储存在磁场中；转到状态值为001时控制关断接通定子绕组的开关管，此时通过续流二极管将储存在磁场中的磁能转换为电能回馈给蓄电池进行充电。

电磁制动工作过程：

当电机经上述发电回馈降速后需制动停止时，即对定子绕组持续通电，所产生的磁场使定、转子各对凸极齿被电磁力相互吸住而制动，并制动力也按电机圆周各凸极齿的分布而绕圆周均匀对称。由于采用了单相电机，使得电机定、转子相吸的凸极齿距极大增加，按该电机结构可使定、转子凸极以电磁相吸而重合的总极弧边距达到βr(7.8)×18＝140.4度，并不仅在电机径向使定子凸极齿与转子圆筒凸极齿相吸，且在电机两边的轴向也使定子锥形凸极齿与转子圆盘锥形凸极齿相吸，而且在定、转子凸极重叠区域βs-βr＝2.1°中持续。如当电机动能惯性较大时，还需根据转角位置检测信号，采用与前述发电回馈制动相结合方法来反复进行，直至转角θ的位置检测无变化即停止为止。该电磁制动-发电回馈制动反复进行的制动过程，类似于汽车防抱死制动abs系统及驱动防滑转控制asr的制动过程，即可极大提高车辆行驶的制动安全性。