径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机的制作方法

本发明涉及电机领域，特别涉及一种径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机。

背景技术：

定转子均为双凸结构的开关磁阻电机，依据磁路磁阻最小原理产生电磁转矩，将电能转换为机械能。常规的两相开关磁阻电机无自起动能力，存在转矩死区，其效率和功率密度小于永磁类电机的效率和功率密度，市场前景受到影响。

2018年5月11提交的名称为“倍极式多磁极两相开关磁阻电机及功率驱动电路”的专利申请，解决了两相开关磁阻电机无起动能力的问题，同时以多磁极结构的方式，扩充电机容量，与普通开关磁阻电机比较，提高了电机的运行效率，但其功率密度还低于永磁类电机的功率密度；2018年6月10日提交的名称为“倍极式永磁型两相开关磁阻电机”的专利申请，与倍极式多磁极两相电机比较，进一步提高了电机的运行效率，功率密度有较大提高，但是该种电机，由于转子是轴向磁化的永磁转子，定转子均为左右两段式结构，使得电机结构和生产工艺复杂，同时该种永磁电机采用a,b两相轮流供电模式工作，在一个工作节拍内，只有一相电磁机构产生拖动转矩而做功，另一相电磁机构闲置，电机整体电磁机构在工作节拍内没有得到充分利用，影响了永磁电机应具备高功率密度的优良特性。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、工作效率高的径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机，包括电机外壳、定子、转子，电机外壳非输出轴一端的端盖上装有a、b两相双极性转子位置传感器，所述转子包括转轴、转子铁芯，转子铁芯包括转子体、转子磁极，若干转子磁极径向充磁且按n、s磁极性均匀分布在转子体外圆周上，所述定子包括定子绕组、定子铁芯，定子铁芯包括定子磁轭和定子磁极，定子磁轭内圆周上均匀分布有若干定子磁极，相邻两个定子磁极之间形成定子槽，定子磁极数是转子磁极数的两倍；各个定子磁极上集中绕制匝数相等、线径相同、绕向一致的磁极绕组，同属a相的磁极绕组依次首端与首端相连，末端与末端相连构成a相绕组，同属b相的磁极绕组依次首端与首端相连，末端与末端相连构成b相绕组，a相绕组、b相绕组分别通过a相h桥、b相h桥独立供电。

上述径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机，各转子磁极的极弧由圆弧段和斜坡段组成，圆弧段的宽度等于定子磁极宽度，斜坡段的宽度等于定子槽的宽度。

上述径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机，所述a相h桥包括第一至第四功率管，第一功率管的集电极接电源正极，第一功率管的发射极与第二功率管的集电极相连，第二功率管的发射极接电源负极，第三功率管的集电极接电源正极，第三功率管的发射极与第四功率管的集电极相连，第四功率管的发射极接电源负极，所述a相绕组的首端接在第一功率管的发射极与第二功率管的集电极之间，a相绕组的尾端接在第三功率管的发射极与第四功率管的集电极之间，第一至第四功率管的基极作为各功率管的控制端。

上述径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机，所述b相h桥包括第五至第八功率管，第五功率管的集电极接电源正极，第五功率管的发射极与第六功率管的集电极相连，第六功率管的发射极接电源负极，第七功率管的集电极接电源正极，第七功率管的发射极与第八功率管的集电极相连，第八功率管的发射极接电源负极，所述b相绕组的首端接在第五功率管的发射极与第六功率管的集电极之间，b相绕组的尾端接在第七功率管的发射极与第八功率管的集电极之间，第五至第八功率管的基极作为各功率管的控制端。

上述径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机，所述a相h桥、b相h桥按照第一节拍至第四节拍周而复始的次序分别给a相绕组、b相绕组供电；选择a相磁极中的一个定子磁极，记为a11，选择a11顺时针方向的下一个定子磁极，记为b11；定义定转子磁极对齐指转子磁极的圆弧段中心线与定子磁极中心线重合，当a11与转子n极对齐，进入第一节拍，a相h桥的第一功率管、第四功率管导通，第二功率管、第三功率管关断，b相h桥的第六功率管、第七功率管导通，第五功率管、第八功率管关断，a相绕组的电流方向从首端流向尾端，b相绕组的电流方向从尾端流向首端；当b11与转子n极对齐，进入第二节拍，a相h桥的第一功率管、第四功率管导通，第二功率管、第三功率管关断，b相h桥的第五功率管、第八功率管导通，第六功率管、第七功率管关断，a相绕组的电流方向从首端流向尾端，b相绕组的电流方向从首端流向尾端；当a11与转子s极对齐，进入第三节拍，a相h桥的第二功率管、第三功率管导通，第一功率管、第四功率管关断，b相h桥的第五功率管、第八功率管导通，第六功率管、第七功率管关断，a相绕组的电流方向从尾端流向首端，b相绕组的电流方向从首端流向尾端；当b11与转子s极对齐，进入第四节拍，a相h桥的第二功率管、第三功率管导通，第一功率管、第四功率管关断，b相h桥的第六功率管、第七功率管导通，第五功率管、第八功率管关断，a相绕组的电流方向从尾端流向首端，b相绕组的电流方向从尾端流向首端；第一节拍至第四节拍周而复始供电，使得任一工作节拍内，a、b两相的电磁机构同时产生同旋转方向的电磁力矩，电机的电磁机构处于全额工作状态。

上述径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机，所述转子是用铁氧体永磁材料制成的一体化转子。

上述径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机，所述定子铁芯由硅钢片叠压紧固而成。

上述径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机，所述转轴用非导磁的不锈钢制作而成。

上述径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机，所述转轴采用普通钢制成，转轴外表套装隔磁衬套。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的转子是用铁氧体永磁材料制成的一体化转子，转子磁极径向充磁且磁极极性按n.s.n.s均匀分布于转子体外圆周上，磁能量利用率高。

2、本发明的a.b两相绕组分别采用独立的a相h桥、b相h桥依照第一至第四节拍循环供电，任一节拍内a.b两相的电磁机构同时产生拖动转矩，电机的全部电磁机构出力做功，有效地提高了电机的效率和功率密度。

3、本发明中，相绕组的结构方式和两相独立供电模式，使得该电机供电励磁后，其定子磁极极性按n.n.s.s.n.n.s.s……分布，有利用转子磁极的斜坡段产生电磁吸引力，圆弧段产生同方向排斥力，合成转矩大。

4、本发明中，具有圆弧段和斜坡段的永磁转子磁极其总的极弧宽度为定子极距，有效地解决了两相电机无起动能力的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中8/4极径向充磁永磁转子倍极式开关插磁阻电机的截面结构示意图。

图2为本发明实施例中8/4极电机4极永磁转子截面图。

图3为本发明实施例中a.b两相相绕组连接图。

图4为本发明实施例中电机功率电路图。

图5为本发明实施例中第一节拍供电(+ia,-ib)电机模型图。

图6为本发明实施例中第二节拍供电(+ia,+ib)电机模型图。

图7为本发明实施例中第三节拍供电(-ia,+ib)电机模型图。

图8为本发明实施例中第四节拍供电(-ia,-ib)电机模型图。

图9为本发明实施例中电流换相原理图。

其中：01是定子磁轭，02是定子磁极，03是磁极绕组，04是转子体，05是转子磁极，06是转子磁极的圆弧段，07是转子磁极的斜坡段，08是转轴。

“*”是极绕组同名端符号，a,b,c是极绕组的首端符号，x,y,z是极绕组的末端符号，ax是a相绕组符号，从a端流入的电流为+ia,反之为负电流(-ia),by是b相绕组符号，从b端流入的电流为+ib,反之为负电流(-ib),—表示电流流进，—表示电流流出，τ是定子磁极的极距，α1是定子极弧角，也是转子磁极圆弧段的弧角(机械角)，α2是定子槽弧角，也是转子磁极斜坡段的弧角(机械角)；a11，a12，a13，a14是a相的四个定子磁极标号，b11，b12，b13，b14是b相的四个定子磁极标号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

需要说明的是：实施例中记载的定转子磁极对齐是指转子磁极的圆弧段中心线与定子磁极中心线重合。

如图1所示，一种径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机，包括电机外壳、定子、转子，电机外壳非输出轴一端的端盖上装有a、b两相双极性转子位置传感器，所述转子包括转轴08、转子铁芯，转子铁芯包括转子体04、转子磁极05，若干转子磁极05径向充磁且按n、s磁极性均匀分布在转子体04外圆周上，所述定子包括定子绕组、定子铁芯，定子铁芯包括定子磁轭01和定子磁极02，定子磁轭01内圆周上均匀分布有若干定子磁极02，相邻两个定子磁极02之间形成定子槽，定子磁极数是转子磁极数的两倍；各个定子磁极02上集中绕制匝数相等、线径相同、绕向一致的磁极绕组03，同名端用“*”表示，并分别标注a，b首端符号，末端分别标注x，y符号(如图1所示)；同属a相的磁极绕组依次首端与首端相连，末端与末端相连构成a相绕组ax，同属b相的磁极绕组依次首端与首端相连，末端与末端相连构成b相绕组by，如图3所示；a相绕组、b相绕组分别通过a相h桥、b相h桥独立供电。

如图2所示，各转子磁极05的极弧由圆弧段和斜坡段组成，圆弧段的宽度等于定子磁极宽度α1，斜坡段的宽度等于定子槽的宽度α2(长度单位或角度单位均可)，转子斜坡段在转子体04上所处位置确定了电机的转速方向，斜坡段c点与a点之间落差为0.5至0.8毫米。

如图4所示，所述a相h桥包括第一功率管t1、第二功率管t2、第三功率管t3、第四功率管t4，第一功率管t1的集电极接电源正极，第一功率管t1的发射极与第二功率管t2的集电极相连，第二功率管t2的发射极接电源负极，第三功率管t3的集电极接电源正极，第三功率管t3的发射极与第四功率管t4的集电极相连，第四功率管t4的发射极接电源负极，所述a相绕组的首端接在第一功率管t1的发射极与第二功率管t2的集电极之间，a相绕组的尾端接在第三功率管t3的发射极与第四功率管t4的集电极之间，第一至第四功率管t4的基极作为各功率管的控制端。

如图4所示，所述b相h桥包括第五功率管t5、第六功率管t6、第七功率管t7、第八功率管t8，第五功率管t5的集电极接电源正极，第五功率管t5的发射极与第六功率管t6的集电极相连，第六功率管t6的发射极接电源负极，第七功率管t7的集电极接电源正极，第七功率管t7的发射极与第八功率管t8的集电极相连，第八功率管t8的发射极接电源负极，所述b相绕组的首端接在第五功率管t5的发射极与第六功率管t6的集电极之间，b相绕组的尾端接在第七功率管t7的发射极与第八功率管t8的集电极之间，第五至第八功率管t8的基极作为各功率管的控制端。

所述a相h桥、b相h桥按照第一节拍至第四节拍周而复始的次序分别给a相绕组、b相绕组供电；选择a相磁极中的一个定子磁极，记为a11，选择a11顺时针方向的下一个定子磁极，记为b11；定义定转子磁极对齐指转子磁极的圆弧段中心线与定子磁极中心线重合，当a11与转子n极对齐，进入第一节拍，a相h桥的第一功率管t1、第四功率管t4导通，第二功率管t2、第三功率管t3关断，b相h桥的第六功率管t6、第七功率管t7导通，第五功率管t5、第八功率管t8关断，a相绕组的电流方向从首端流向尾端，b相绕组的电流方向从尾端流向首端；当b11与转子n极对齐，进入第二节拍，a相h桥的第一功率管t1、第四功率管t4导通，第二功率管t2、第三功率管t3关断，b相h桥的第五功率管t5、第八功率管t8导通，第六功率管t6、第七功率管t7关断，a相绕组的电流方向从首端流向尾端，b相绕组的电流方向从首端流向尾端；当a11与转子s极对齐，进入第三节拍，a相h桥的第二功率管t2、第三功率管t3导通，第一功率管t1、第四功率管t4关断，b相h桥的第五功率管t5、第八功率管t8导通，第六功率管t6、第七功率管t7关断，a相绕组的电流方向从尾端流向首端，b相绕组的电流方向从首端流向尾端；当b11与转子s极对齐，进入第四节拍，a相h桥的第二功率管t2、第三功率管t3导通，第一功率管t1、第四功率管t4关断，b相h桥的第六功率管t6、第七功率管t7导通，第五功率管t5、第八功率管t8关断，a相绕组的电流方向从尾端流向首端，b相绕组的电流方向从尾端流向首端；第一节拍至第四节拍周而复始供电，使得任一工作节拍内，a、b两相的电磁机构同时产生同旋转方向的电磁力矩，电机的电磁机构处于全额工作状态。

所述转子是用铁氧体永磁材料制成的一体化转子。转子铁芯也可用硅钢片叠压紧固制作，稀土永磁体按n.s径向分布，表贴于各个转子极弧上，还可以将稀土永磁体按n.s径向分布嵌入各个转子磁极铁芯之中，进一步提高了电机的效率和功率密度。

所述定子铁芯由0.5mm厚的硅钢片叠压紧固而成。

所述转轴08用非导磁的不锈钢制作而成，也可以采用普通钢制成后，在转轴外表套装隔磁衬套，防止永磁转子出现漏磁现象。

本发明电机的工作原理如下：依照图5至图8所示的工作节拍，说明径向充磁永磁转子倍极式开关磁阻电机的工作过程，为简单起见，以8/4极该种电机为例。

设电机初始状态如图5所示，图5中模型电机在没有供电前，电机处于停止状态，永磁转子磁极n1n2,s1s2分别与a相磁极a11a13和a12a14对齐，供电后电机转速n顺时针方向旋转(转子斜坡段在转子体上的位置确定了此例电机为顺时针方向旋转)，根据图9所示的电流换相原理给电机供电：

第一节拍，在初始状态下，且定子磁极a11与转子磁极n1对齐(同理a相其他极也对齐)，a相绕组供+ia,b相绕组供-ib。在图5中已标出各极绕组中电流方向(—电流流进，—电流流出)，根据右手螺旋定则和电磁力定律可知：b相磁极b11和b13为s磁极性，b12和b14为n磁极性，b11对n1，b12对s1，b13对n2和b14对s2分别产生顺时针方向的电磁吸引力；与此同时，a相磁极a11和a13为n磁极性，a12和a14为s磁极性，a11，a12，a13，a14分别与n1,s1,n2和s2对齐，且与对齐的转子极具有相同的磁极性，在受力不平衡的转子旋转体中，a相四个定子极分别与转子四个磁极，同样能产生顺时针方向的排斥电磁力，电机定转子全部磁极间所产生的电磁力均为顺时针方向，合成产生电磁转矩，电机转子顺时针方向旋转，直到b相磁极与转子磁极对齐为止(此时转子已转了的角度)如图6所示，b相磁极与转子磁极对齐后，b相转子位置传感器发出电流换相信息，进入第二节拍。

第二节拍，定转子磁极在图6所示的位置上，a相绕组供+ia,b相绕组供+ib。在图6中已标出各极绕组中电流方向，根据右手螺旋定则和电磁力定律可知：a相磁极a11和a13为n磁极性，a12和a14为s磁极性，a11对s2，a12对n1，a13对s1，a14对n2分别产生顺时针方向的电磁吸引力；与此同时，b相磁极b11和b13为n磁极性，b12和b14为s磁极性，b11，b12，b13，b14分别与n1，s1，n2和s2对齐，且与对齐的转子极具有相同的磁极性，在受力不平衡的转子旋转体中，b相四个定子极分别与转子四个磁极，同样能产生顺时针方向的排斥电磁力，电机定转子全部磁极间所产生的电磁力均为顺时针方向，合成产生电磁转矩，拖动电机转子顺时针方向旋转，直到a相磁极与转子磁极对齐为止(此时转子再一次转过了的角度)如图7所示，a相磁极与转子磁极对齐后，a相转子位置传感器发出电流换相信息，进入第三节拍。

第三节拍，定转子磁极在图7所示的位置上，a相绕组供-ia,b相绕组供+ib。在图7中已标出各极绕组中电流方向，根据右手螺旋定则和电磁力定律可知：b相磁极b11和b13为n磁极性，b12和b14为s磁极性，b11对s2，b12对n1，b13对s1,b14对n2分别产生顺时针方向的电磁吸引力；与此同时，a相磁极a11和a13为s磁极性，a12和a14为n磁极性，a11，a12，a13，a14分别与s2，n1，s1和n2对齐，且与对齐的转子极具有相同的磁极性，在受力不平衡的转子旋转体中，a相四个磁极分别与转子四个磁极，同样能产生顺时针方向的排斥电磁力，电机定转子全部磁极间所产生的电磁力均为顺时针方向，合成产生电磁转矩，拖动电机转子顺时针方向旋转，直到b相定子磁极与转子磁极对齐为止(此时转子再一次转过了的角度)如图8所示，b相定子磁极与转子磁极对齐后，b相转子位置传感器发出电流换相信息，进入第四节拍。

第四节拍，定转子磁极在图8所示的位置上，a相绕组供-ia,b相绕组供-ib。在图8中已标出各极绕组中电流方向，根据右手螺旋定则和电磁力定律可知：a相磁极a11和a13为s磁极性，a12和a14为n磁极性，a11对n2，a12对s2，a13对n1,a14对s1分别产生顺时针方向的电磁吸引力；与此同时，b相磁极b11和b13为s磁极性，b12和b14为n磁极性，b11，b12，b13，b14分别与s2,n1,s1和n2对齐，且与对齐的转子极具有相同的磁极性，在受力不平衡的转子旋转体中，b相四个定子磁极分别与转子四个磁极间产生顺时针方向的排斥电磁力，电机定转子全部磁极间所产生的电磁力均为顺时针方向，合成产生电磁转矩，拖动电机转子顺时针方向旋转，直到a相定子磁极与转子磁极对齐为止。当a相定子磁极与转子磁极对齐后，a相位置传感器发出电流换相信息。对于本实施例8/4极电机而言，经过四个电流换相节拍后，电机转子已转过了二分之一转，后续电流换相节拍是依次重复第一至第四节拍的过程，此过程周而复始，电机连续运行，将输入的电能转换为机械能。

在本实施例中为8/4极电机，上述方案同样适用于12/6极、16/8极等转子极为偶数，定子极为两倍转子极数，且具备自起动能力(即转子极弧两段结构)的两相单方向旋转的电机。