>[0038]图3是转子齿2继续行进到了转子齿顶径向中心线4对齐下一个定子槽径向中心线6的时候，相电感又减小到了最小值Lmin。到此为止，此相控制周期结束。
[0039]额定速度下此相的电感随转子齿2的转动角度的变化如图4所示，同时在图4中显示的还有相电流的波形和扭矩波形。图4中θ 1是图1转子对应的位置，Θ 3是图3转子对应的位置，Θ 3- θ 1代表了转子旋转中的一个电周期360度；Θ 2是图2转子对应的位置。
[0040]如果定子转子的齿形是对称的，那么Θ 2- θ 1是180电角度；Θ 3- Θ 2也是180电角度；从图4可以看出:额定速度下一个电周期内的平均扭矩水平在对称齿形条件下只能是改变导通和关断的功角从而改变电流的波形及水平；为了这个目的全世界范围各种努力被研究提出从电机控制器上做文章，从电机设计上做文章。
[0041]但是至目前为止还未有提出改变Θ 2的相对位置从而导致电感上升期的相位跨度不同于电感下降期的相位跨度的设计。图4中负的扭矩占据一部分的后半个180度周期(因为有相电流出现在下降的电感坡度区间)，是为了总平均扭矩更大而被迫采取的控制方案。这主要是因为绕组内的磁通需要在下个周期开始前回到0，负电压被施加到绕组上，但磁通下降需要时间。一般从扭矩最大化目标考虑，最优化的控制器的策略是负压不要过早的出现在绕组上，允许一些负扭矩出现但正向电流和扭矩获得更高的起点。即使负扭矩出现，其水平相对于前半周的正扭矩水平而言是很小的，如果忽略的话，整个周期的扭矩平均值是由正半周的扭矩对相位变化的面积决定的。但是，对称齿形条件下，此面积对应的相位变化范围又被限制在180度之内。
[0042]把从Lmin的开始位置到Lmax的相位区间的正扭矩的平均水平定义为Tp_average，把Lmax位置变化到Lmin的相位区间的负扭矩平均水平定义为Tn_average，那么整个周期下的平均扭矩 T_average=((Tp_average*( θ 2_ θ 1))-(Tn_average*( θ 3- θ 2)))/ ( θ 3_ θ 1)，当齿形对称时，T_average= (Tp_average_Tn_average) /2。
[0043]但是我们如果能突破让Θ 2的位置往大于180的位置移动，那么我们会获得更大的平均扭矩，且不需要改变电流波形和控制策略。
[0044]譬如Θ 2 如果距离 θ 1 是 240 度，那 T_average=2/3* Tp_average - 1/3* Tn_average ο
[0045]鉴于Tn_average相对Tp_average总是小很多，如果进一步忽略，和对称齿形相比我们大致会得到4/3倍的扭矩；如果Tn_average是Tp_average的10%，我们大致得到1.407倍的扭矩。
[0046]如在图4中增加Θ 2的大小，并维持平均正向电流的波形及水平基本不变，就会得出如图5所示。本发明的核心思想就是改变电机结构，使得Θ 2-θ 1不等于180度，把定转子齿间的对称性给破坏掉。这必然导致转子旋转的一个方向下有Θ2-Θ1大于180度，而另一个方向下小于180度。当电机沿大于180度所对应方向旋转时，电机的平均扭矩潜力可以得到增加，而另一个方向旋转时其扭矩潜力被削减。
[0047]对于普通民用的电动汽车应用而言，实际驾驶工况下最大的扭矩要求是出现在向正前方爬坡时；倒车时并不需要车尾向上地爬同样角度的坡。还有在高速行驶时对于克服风阻带来的扭矩设计需求也是指的正向行驶下，并不要求甚至不允许同样的高速下向后倒车。带着这样的理解，本发明带来的另一个方向下扭矩潜力被削减的特点就不是问题了。
[0048]假设电机尺寸在对称齿和不对称齿下保持相同。图6至图9给出一种定子齿保持对自己的径向中心线对称，但转子齿不再对自己的径向中心线对称的图例。
[0049]图6至图9中，5和6分别为讨论的对称形定子齿1两侧的两个定子槽的径向中心线。虚线部分7为现有对称形转子齿2的部分。
[0050]图7中，磁阻最小位置所对应的定子到转子的气隙长度和保持定转子齿形对称的电机一样，这样就能保证最大相电感Lmax的水平基本不变。同时图6中的转子齿不改变最大气隙的长度，也不改变最小相电感Lmin的水平。这样，电机的平均扭矩Tp_average基本在相应的优化控制角下可以保持不变，显著改变的只是这个扭矩水平作用的相位差占整个周期的百分比。从图7看出原对称齿形下的转子径向中心线需继续沿旋转方向偏离一定的角度才可以达到最小的磁阻位置，这意味着新转子齿形结构让Lmax出现在距离Lmin超过180电角度的位置上。
[0051]图8显示在原来转子齿形对称条件下转子离开和定子齿重合期磁阻开始明显增大的位置下，新不对称转子还有和定子齿的重合部分，磁阻还比较小，电感还在Lmax区域。
[0052]图9是本发明的不对称齿形转子从图8的位置进一步旋转β角度后到达的位置，电机到达自己磁阻显著增大的相位。
[0053]图10至图13给出了一种转子齿保持对自己的径向中心线对称，但定子齿不再对自己的径向中心线对称的图例。这些图例中定子齿一端缺角增加气隙，另一端增角来维持最大电感值和对称齿形下一样的水平。
[0054]图10至13中，4为对称的转子齿2的径向中心线，1为要讨论的定子齿，3为现有技术中对称的定子齿1的径向中心线，5和6为在定子齿1两侧的定子槽径向中心线。
[0055]转子相对于定子不同位置的状态图分别如图10至图13所示，其中图10是相电感开始明显增加的转子位置，比原对称齿形下略微接近定子齿一点；图11是转子在原对称定子齿形下磁阻最小的位置，但由于缺角的气隙影响，现在的磁阻在此位置下并不是最小的；图12是现在的不对称定子齿形下磁阻最小的转子位置，和增角覆盖面重合，和图11位置相比增加了一个电角度β ;图13是转子进一步旋转离开定子增角覆盖面的起始位置，此时磁阻回到最大水平。
[0056]如果定子齿没有自己的径向对称中心线，并且转子齿也没有自己的径向对称中心线的情况，这时从平均扭矩的效果上去考虑结果是类似的。
[0057]开关磁阻电机的振动噪声由多方面因素导致，假定外围控制电路的动作无差别时，电机还主要受制于转子齿接近定子齿和离开定子齿的过程中，齿齿间作用力的径向分力的大小及其频率。当频率和大小与电机本身的机械共振参数接近时就会出现转子尺寸和定子尺寸周期性的明显形变并出现较严重的机械噪声问题。在对称齿形下，磁阻最小的位置定子齿和转子齿之间的作用力完全变为径向力。而不对称的情况下由于齿的几何尺寸的影响，磁力线在转子或定子硅钢片内和径向线之间不论转子位置如何总会有个角度。设计得当时可以很好地消减径向力，减少噪声。另外在图6位置下，由于转子缺角，定子齿对其吸引力和不缺角的图7情况比要柔和，表现为两齿互相接近的过程中dL/d Θ小一些，正向扭矩起始出现时期瞬时扭矩小一些，所以也会减少切向作用力的增加速度，减少材料的应力反应及其引起的噪声。图12中β的存在导致定子受力有个cos β倍的衰减才作用在齿1其底部，图6的情况也类似。
【主权项】
1.一种开关磁阻电机，包括定子和转子，在定子上均布形状相同的定子齿，在转子上均布形状相同的转子齿，其特征在于每个转子齿的一侧在其周向上削减，另一侧在其周向上扩增。2.一种开关磁阻电机，包括定子和转子，在定子上均布形状相同的定子齿，在转子上均布形状相同的转子齿，其特征在于每个定子齿的一侧在其周向上削减，另一侧在其周向上扩增。3.一种开关磁阻电机，包括定子和转子，在定子上均布形状相同的定子齿，在转子上均布形状相同的转子齿，其特征在于每个转子齿的一侧在其周向上削减，另一侧在其周向上扩增；每个定子齿的一侧在其周向上削减，另一侧在其周向上扩增；每个转子齿削减侧与每个定子齿扩增侧在周向上同为顺时针方向侧，或同为逆时针方向侧。
【专利摘要】一种开关磁阻电机，涉及开关磁阻电机的本体结构技术领域，特别是定子齿或转子齿的结构。每个转子齿的一侧在其周向上削减，另一侧在其周向上扩增；或者每个定子齿的一侧在其周向上削减，另一侧在其周向上扩增；每个转子齿本身对电机的任意径向线都不对称，每个定子齿本身对电机的任意径向线都不对称。本发明定子齿几何上对自身不存在径向对称中心线或者转子齿几何上对自身不存在径向对称中心线，都可实现提升电机在一个旋转方向上的功率密度的目的，同时也减少开关磁阻电机的机械振动。
【IPC分类】H02K29/00, H02K1/14, H02K1/24
【公开号】CN105322677
【申请号】CN201510714214
【发明人】周斌欣
【申请人】周斌欣
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2015年10月29日