开关磁阻电动的制造方法
【专利摘要】一种开关磁阻电动机，包括：轴；环形转子，其包围在定子外侧，其内侧具有第一数量的转子磁极，这些转子磁极沿圆周均匀分布，该轴所定义的旋转中心线与该环形转子的旋转中心线重合；定子装置，具有第二数量的定子单元，每个定子单元具有一定子线圈，这些定子单元中分成两组，以构成一第一组定子单元和一第二组定子单元，每个第一组定子单元的定子单元由两个第二组定子单元的定子单元在两边包围；以及控制电路，其包括一正向半波整流装置和一反向半波整流装置；第一组定子单元中的定子线圈与该正向半波整流装置相连，第二组定子单元中的定子线圈与该反向半波整流装置相连。本发明的开关磁阻电动机，转矩波动低，并且易于制造和易于控制。
【专利说明】开关磁阻电动机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电动机，尤其涉及一种开关磁阻电动机。
【背景技术】
[0002]磁阻电动机是现有习知的。一般地，磁阻电动机是指转子上没有永久磁铁的一类电动机。转矩是通过磁阻产生的，也就是说，由转子转向磁阻最小位置处的趋势产生。现有的一种磁阻电动机通过一电路进行控制。该电路决定转子的位置，一相的线圈是转子的位置的函数。这类磁阻电动机被称为开关磁阻电动机(SRM)。
[0003]图1A示出了一个SRM的原理性立体图。该SRM的圆筒形定子102包括多个向内突伸的磁极104、106。这些磁极由该定子的内周向内突伸并指向该圆筒形定子的开口中心。该定子通过由绕在该定子的磁极上的线圈112产生的电流变化而生成的一磁场的周期性地磁化。收容在该开口中心的一转子107具有向外突伸的电极108、110。一般地，该转子没有永久磁铁。该转子与定子是同轴的。该转子可以用诸如层叠硅钢之类的软磁材料制成，并具有多个突出部108、110用以作为在磁阻过程中的突出的磁极。该转子与一转轴111相连，该转轴111在设备运转时可自由旋转以作为一输出轴。激励该定子能量可使该转子的磁极与该定子的磁极对齐，从而使磁通路径的磁阻最小。该转子的位置信息可用以控制各相的激励以达成稳定和连续的转矩。
[0004]图1B示出了一个SRM的原理性剖视图。在每个定子磁极116上设有一线圈114。相对地设置的两个定子磁极116、118可以相互配合构成一相。每一相可通过向线圈114供给电流而激励。通常设有开关装置来使线圈114交替地连接一电路，该电路在该相被激励时向该线圈供给电流，该电路并在该相去激励时将该线圈与一电流源切断，该电路还能在回收保留在该线圈中的能量。
[0005]当一个转子磁极120与两个相邻的定子磁极118、122等距时，该转子磁极120处于完全不对齐位置。对于转子磁极120而言，这是最大磁阻的位置。在对齐位置，两个以上的转子磁极124、126与两个以上的定子磁极128、130完全对齐，这是最小磁阻的位置。
[0006]在一个SRM中，磁阻转矩的产生是通过在一对转子磁极相对被激励的定子磁极处于不对齐的位置时对一对定子磁极进行激励。转子转矩是朝向减少磁阻的方向转动的。如此，最近的转子磁极被从不对齐的位置拉向与定子磁场对齐的位置，也就是磁阻减小的位置。激励一对定子磁极，会在这对定子磁极上形成北极和南极。由于转子磁极与被激励的定子磁极不对齐，定子磁极与转子磁极之间的磁阻不是最小的。该对转子磁极倾向于移动到与被激励的定子磁极最小磁阻的位置。最小磁阻的位置发生于该转子与该被激励的定子磁极对齐。
[0007]为了保持旋转，该定子磁场的旋转必须先于该转子磁极，从而持续不断地推动该转子。在一个特定相位角，转子磁极朝向最小磁阻位置旋转并接近该磁阻最小的位置，该定子磁极的去激励的相上的电流被去除掉。随后，或同时，第二相被激励，在第二对定子磁极上形成北极和南极。如果第二相是在该定子的第二对磁极与转子磁极之间的磁阻减小的过程中进行激励的，正向的转矩会被维持，旋转会继续。通过这种方式的对定子磁极进行激励和去激励，可以产生持续的转动。一些SRM类型可运行于三相交流供电。最常规的SRM类型则是开关磁阻型的，因为电子换向在电动机起动、速度控制以及平稳运转方面具有明显的控制优势。
[0008]SRM可根据磁通路径与电动机的轴的对应关系而进行分类。如果磁通路径与轴垂直，也就是磁通路径是沿圆筒形定子与转子的半径方向的话，该SRM可视为径向的。
[0009]与径向SRM有关的一个问题是，由电动机产生的转矩不够平稳。在转子位于定子磁极之间的相位角时，磁阻最大，转矩下降很多，而在转子与定子磁极对齐的相位角时，磁阻最小，转矩上升。这种转矩的升降现象就是习知的转矩波动。
[0010]与现有的SRM有关的另一个问题是，在很多需要的低速应用场景中，由电动机产生的转矩是不够的。
[0011]与径向SRM有关的又一个问题是噪音与震动。随着径向SRM的磁阻的增减，电动机部件中的的磁通相应变化，并且转子和定子磁极的变形会使磁极间的分离空间的减少，进而导致定子的椭圆化，声频噪声以及不必要的震动。
[0012]转矩波动的问题可通过调节电动机控制电路来解决，比如:通过在激励一相的时候，使电流的性能与该相的激活周期相对应，令磁通的变化率受控以使机器转矩的改变不那么陡峭。这需要复杂的电路来实现，从而导致较高的设计、制造以及维护成本。SRM的一般性的工作原理公开于 http: //services, eng, uts.edu.au/sub iects IGZ/eet Switched%20Reluctance%20Motor TGZ 7 3 05.pdf ?通常地,为了减少转矩波动,复杂的仿真是必须的，比如在以下网址所公开白勺:http: //www.planet-rt.com/techenical-document/real-time-simulation-and-control-reluctance-motor-drives-high-speed-operatiorio 这会进一步增加控制电路实现的复杂性。
[0013]因此，存在着对于一种低转矩波动的易于制造和易于控制的SRM的需要。进一步地，存在着对于在低速时 有高转矩的SRM的需要，该SRM可通过普通的三相交流电进行供电或者采用简单的控制电路进行控制。更进一步地，存在着对于具有弹性数量的定子和转子的SRM的需要。
【发明内容】
[0014]本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术所存在的不足，而提出一种开关磁阻电动机，转矩波动低，并且易于制造和易于控制。
[0015]本发明针对上述技术问题提出一种开关磁阻电动机，包括:
[0016]一转轴，其定义了一旋转中心线；
[0017]一环形转子，该环形转子的内侧具有第一数量的转子磁极，这些转子磁极沿圆周均匀分布，该轴所定义的旋转中心线与该环形转子的旋转中心线重合；
[0018]一定子装置，其与该轴相连，其具有第二数量的定子单元；这些定子单元沿圆周均匀分布；这些定子单元在垂直于该轴的一个共同平面内对齐，并且轴向地与该环形转子的内侧间隔一轴向空气间隙；每个定子单元具有在激励时在该轴向空气间隙中产生一磁通的一定子线圈，在该轴向空气间隙中的磁通与该轴平行；该第二数量的定子单元分成两组，以构成一第一组定子单元和一第二组定子单元。每个第一组定子单元的定子单元由两个第二组定子单元的定子单元在两边包围；以及
[0019]一控制电路，其包括一正向半波整流装置和一反向半波整流装置；
[0020]其中，第一组定子单元中的定子线圈与该正向半波整流装置相连，第二组定子单元中的定子线圈与该反向半波整流装置相连。
[0021]在一个优选实施例中，该环形转子为一第一环形转子，该定子装置为一第一定子装置，该开关磁阻电动机还包括:
[0022]一第二环形转子和一第三环形转子，该第二环形转子的内侧和第三环形转子的内侧各具有沿圆周均匀分布的第一数量的转子磁极；以及
[0023]一第二定子装置和一第三定子装置，各自与该轴相连，各自与该第一定子装置结构相同；
[0024]其中，该控制电路还包括两个正向半波整流装置和两个反向半波整流装置；
[0025]其中，每个定子装置中的第一组定子单元中的定子线圈与一正向半波整流装置相连，每个定子装置中的第二组定子单元中的定子线圈与一反向半波整流装置相连；并且
[0026]其中，两个相邻的定子单元定义出一定子扇形角，两个相邻的转子磁极定义出一转子扇形角。
[0027]该第二环形转子相对该第一环形转子转位，该第三环形转子相对该第二环形转子转位。优选地，该第二环形转子相对该第一环形转子有三分之一个转子扇形角的转位，该第三环形转子相对该第二环形转子有三分之一个转子扇形角的转位。或者，该第二环形转子相对该第一环形转子有六分之一个转子扇形角的转位，该第三环形转子相对该第二环形转子有六分之一个转子扇形角的转位。
[0028]该第二定子装置相对该第一定子装置转位，该第三定子装置相对该第二定子装置转位。优选地，该第二定子装置相对该第一定子装置有三分之一个定子扇形角的转位，该第三定子装置相对该第二定子装置有三分之一个定子扇形角的转位。或者，该第二定子装置相对该第一定子装置有六分之一个定子扇形角的转位，该第三定子装置相对该第二定子装置有六分之一个定子扇形角的转位。
[0029]优选地，该开关磁阻电动机是采用三相交流电供电的。
[0030]优选地，该第一数量是该第二数量的一半。
[0031]优选地，各定子单元具有C形的磁芯，该C形的磁芯的后部形成一空气间隙。在该第一组定子单元或第二组定子单元中的定子线圈是串联的或者并联的。
[0032]优选地，该转子磁极的材质选自于由铁、钢、铁氧体、非晶磁和坡莫合金构成的软磁材料群组，该钢包括铁芯硅钢和硅钢。该环形转子的材质选自于由铝、钛、钢、铁、塑料和陶瓷构成的群组，该塑料包括纤维增强塑料。
[0033]与现有技术相比，本发明的开关磁阻电动机，通过环形转子上的第一数量的转子磁极与设置在该环形转子的内周沿的第二数量的定子单元的配合，并通过将这些定子单元分为两组，进而可通过交流电的正向和方向导通来分别控制这两组定子单元的励磁，可以实现转矩波动低，并且易于制造和易于控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]结合以下附图，本发明这些和其他说明将会更加清楚，其中:[0035]图1A是现有技术的径向SRM的局部立体图。
[0036]图1B是图1A所示现有技术的径向SRM的剖面图。
[0037]图2A是本发明的SRM —具体实施例的局部立体图。
[0038]图2B是本发明的SRM —具体实施例中一定子单元与一转子的局部示意。
[0039]图2C是本发明的SRM —具体实施例中一定子单元与一转子的剖面示意。
[0040]图3A是本发明的SRM —具体实施例中一定子装置的原理示意。
[0041]图3B是本发明的SRM—示例性的转子与图3A所示定子装置配合使用的原理示
O
[0042]图3C是本发明的SRM—具体实施例中图3B所示定子装置与图3A所示转子的原
理示意。
[0043]图4是本发明的SRM —具体实施例中一电源转换器用以控制该轴向SRM的示意。
[0044]图5A是本发明的SRM另一具体实施例的原理示意。
[0045]图5B是本发明的SRM另一具体实施例的原理示意。
[0046]图5C示出了本发明的三相、48定子SRM的具体实施例。
[0047]图原理性地示出了本发明的六相、48定子SRM的具体实施例。
[0048]图6A示出了本发明的用于三相SRM的星形接法的电源转换器。
[0049]图6B示出了本发明的用于三相SRM的三角形接法的电源转换器。
[0050]图7A示出了商用正弦波电力供给波形。
[0051]图7B示出用以最小化转矩波动的非常规波形的正向部分。
[0052]图7C示出三相电源转换器。
[0053]图7D示出用以最小化转矩波动的三相调节波形。
[0054]图8示出了在一环形转子内部设置的一定子。
[0055]图9A和图9B示出了在一直线定子。
【具体实施方式】
[0056]本发明提出了一种开关磁阻机构，包括相互配合的一动子和一定子，该动子具有第一数量的动子磁极，该动子定义一动子平面，这些动子磁极均匀分布于该动子平面的一侧；该定子具有第二数量的定子单元，定子单元对应于该动子上的动子磁极均匀分布，这些定子单元在平行于该动子平面的一个共同平面内对齐，每个定子单元定义一空气间隙，该动子上的动子磁极可对应运动至该空气间隙中；其中，每个定子单元具有在激励时在该空气间隙中产生一磁通的一定子线圈，该空气间隙中的磁通与该动子平面垂直。优选地，每个定子单元具有C形的磁芯，该定子线圈是对应缠绕在该磁芯上，该C形的磁芯的后部有一开口以形成该空气间隙。
[0057]其中，该定子单元的设计算法是使该空气间隙最短，该设计算法的限制是只要让该动子能够自由旋转和通过该空气间隙。该动子的设计算法是使该动子的机械主体最薄，该设计算法的限制是只要让该动子有足够的机械强度来支撑其上的动子磁极和提供希望的转矩。该定子单元与该动子的磁路的设计算法是使产生有效力矩的工作磁通仅需要穿过动子磁极和空气，无须穿过动子的机械主体。该定子单元与该动子间形成最短的工作磁路；每个定子单元具有C形的磁芯，该定子线圈是对应缠绕在该磁芯上，该C形的磁芯的后部有一个开口以形成该空气间隙；该工作磁路仅包括C型铁芯和动子磁极以及空气，无须包括定子支撑体和动子支撑体。每个定子单元所产生的磁路在机械/物理上是完全独立的，不会相互影响和交叉。
[0058]参见图2A，本发明在一实施例中示出了一个三相轴向SRM200。该SRM200的基本元件包括一定子装置201，其具有多个C形的定子单元202，204，206，208和210 ;以及一转子212，其包括一转轴214和三个径向延伸的转盘216，218，220。该转轴214的中心纵轴221可视为转子212的旋转轴。各转盘216，218，220分别具有多个转子磁极222，224，226。
[0059]C形的定子单元202，204，206，208和210与转盘216，218，220及转子磁极222，224，226轴向间隔以形成轴向空气间隙。对于每个转盘而言，以转盘218为例，相关的C形的定子单元204，206在垂直于轴221的一个公共平面内对齐。如后面将要叙述的，定子磁极也是相互间隔一设定的定子磁极扇角地均匀分布于圆周上的，导致定子单元均匀分布于圆周上。
[0060]定子装置中的每个定子单元202，204，206，208和210是一电磁铁，该电磁铁具有一 C形的磁芯和一定子线圈228，230。一并参见图2B和图2C，在定子线圈232被激励时，在该C形的磁芯中产生一磁通236并在背铁部分242，244暴露而与转子磁极234相互作用，以使磁通236延伸至定子单元238与转子磁极234之间的间隙。从该定子单元238延伸出并穿越转子磁极234的磁通236是轴向的，平行于转轴214。穿越空气间隙246的磁通236是缩短了的，也就是，较常规的SRM要短很多，因此，磁通236大体上保留在间隙246中，并只在定子单元的定子磁极238的背铁部分242，244延伸穿过，大致与转盘240的轴向厚度相当。通常地，一相中的线圈232是被切换地处于导通和断开的状态，首先，是在该相导通时，经由磁场捕获对应转盘240上的转子磁极234，然后，当转子磁极完全或者大致完全与特定定子单元对齐时，该相被断开。通过这些相的预定的切换控制可以激励与相应的转盘对应的定子线圈，从而达成所需的转子速度，以及达成正转或反转的控制。
[0061]转子磁极234可配置成经过磁极234的磁通236在径向上是均衡的，也就是，在沿转盘朝向转轴的径向上不存在吸引和排斥力。这种配置通过消除常规SRM上存在的径向作用力，可大体上消除噪声，震动以及电动机的变形。
[0062]有利地，独特的，定子单元的短的磁通路径可减少磁漏，从而增加定子装置的功效。较小的磁漏可以使定子磁极布置的更近，这意味着较大数量的定子磁极是可行的，而在常规的SRM中由于磁漏的影响，较大数量的定子磁极难以实现的。较大数量的定子磁极又可以增强SRM的转矩，并降低SRM的转速。在一些实施例中，无须额外的机械传动装置来降低SRM的输出速度。在运行中，短的磁通路径还可实现节能。
[0063]有利地，独特的定子单元具有相同的配置，并比现有技术的径向SRM中的定子单元要紧凑得多。因此，如图2A所示的定子装置是易于制造的，可减少制造用材料，降低制造成本，并且可自动化装配。
[0064]有利地，转子磁极的制造可进一步简化，只需将转子磁极插入转盘即可，从而减少磁性材料的消耗。
[0065]有利地，工作磁通路径只穿越转子磁极，而不用穿过转盘本体。通过将转子磁极嵌入到转盘，该转盘可采用多种非磁性材料来实现。适用于该转子磁极的磁性材质包括，但不限于，铁、钢、铁氧体、非晶磁和坡莫合金等软磁材料，该钢包括铁芯硅钢。优选地，该转子磁极的磁性材质为诸如电机铁、硅钢之类的铁磁性材料。适用于该转盘的非磁性材质包括，但不限于，铝、钛、钢、铁、塑料、陶瓷和碳纤维，该塑料包括纤维增强塑料。优选地，该转盘的材质为铸铝、铸铁、钢或塑料。术语“非磁性材料”用以描述一般不易受磁场影响的材料。术语“磁性材料”用以描述易受磁场影响的材料。通常地，磁性材料的铁磁性只在施加外部磁场时才显现。这里的“磁性材料”不包括永磁铁。
[0066]有利地，定子装置中的定子单元可以单独控制，或者，如下面将要进一步详述的成组控制。
[0067]参见图3A，其原理性地示出了本发明的一个具体实施例的定子装置302。在该图示中，定子装置302具有48个定子单元304，306，308，310，312，314。每个定子装置中的定子单元划分为两组，如图中的黑块和白块所示，对应地，在该图示中，组A用白色表示，组B用黑色表示。这些定子单元均匀分布在圆周上并且在两个定子单元之间具有设定的定子扇形角，在本实施例中，该定子扇形角为7.5°，每个组A中的定子单元，例如定子单元304，306，308，由两个B中的定子单元，例如定子单元310，312，314在两端包围。因此，在第一组或第二组中的两个定子单元之间具有一设定的组扇形角，在本实施例中，该组扇形角为15°。
[0068]第一组(组A)中的定子单元304，306，308可以连接成任意形式，只要流过每个定子单元的线圈的电流是相同的。同样的，第二组(组B)中的定子单元310，312，314可以连接成任意形式，只要流过每个定子单元的线圈的电流是相同的。换言之，每个组中的定子单兀可以是串联，并联或者是串并联的组合。
[0069]参见图3B，其示出了与图3A所示的定子装置302相配合的示例性的转子320。该转子支持24个转子磁极322，324，326，这些转子磁极均匀分布在圆周上并且在两个转子磁极之间具有设定的转子扇形角，在本实施例中，该转子扇形角为15° ,与定子装置302的定子单元的间隔相关。
[0070]参见图3C，其原理性地示出了带有转子320的定子装置302，其中，示出了定子装置302中的定子单元与转子320中的转子磁极之间的关系。一个组中的定子单元的数目与转子320中的转子磁极的数目是相等的，也就是，定子装置330中的一个组中的两个定子单元之间的组扇形角与转子320上的两个转子磁极之间的转子扇形角332是相同的。这两个扇形角的相同可使转盘320的每次转动中，一个组中的定子单元与转子磁极同时对准(register)。在每个循环中，这种对准重复出现，在图3C中也就是48次，与定子单元和转子磁极的总数目相对应。由于转子磁极向定子单元对准，该组中的定子单元的线圈只在转子磁极邻近定子单元的空气间隙时进行电激励，以产生一电动机转矩，并在到达完全对准状态之前去激励。转子磁极和一个组中的定子单元具有较大的数目，能够在低速或启动状态也产生相当大的转矩。
[0071]参见图2B和图3C，一组中的定子单元与转子磁极的设置可导致在每个定子单元238和转子磁极234之间形成本地的磁通路径。参见图2C，示出了与一定子单元238相关的一本地磁通路径236。该磁通路径包括两个磁极242，244和转盘240。转子磁极234被邻接的两个磁极242，244磁吸引。该转盘240并不直接参与工作磁通路径的建立，因此，转盘240可用诸如铝、朔料或者任何其他合适材料这类的轻的、非磁性材料制成。本地磁路的形成可使需要的磁路径的长度最小化，从而减少功率损耗。转子磁极由多个相同的磁性材料构成，例如，但不限于，电机用软磁铁。在装配时，转子磁极可简单地插入或者嵌入该转盘240 中。
[0072]参见图3A，定子装置302中的定子单元交替地连接成两组，组A和组B。图4示出了一电源转换控制电路，其根据本发明的一个具体实施例，可用以控制该轴向SRM。按该图示，该控制电路分别与两组的，A和B，定子装置302中的定子单元402和404相连。组A402的定子单元与一个反向的半波整流装置相连，组B404的定子单元与另一个正向的半波整流装置相连。端子U与单相交流电相连。在运行时，单相交流电的正半波流过组B404的定子单元。单相交流电的负半波流过组A402的定子单元。有利地，组A的定子单元的线圈与组B的定子单元的线圈是交替激励的，并与单相交流电的相位同步。这会产生一运动的磁场，其在邻近的转子磁极上会引起转矩。转盘旋转可使邻近的转子磁极与被激励的定子单元对齐以使磁通路径最小。有利地，单相交流电的正半周与负半周均对本发明的轴向SRM的运行做出贡献。有利地，参见图3A和图3C，由于有24个定子单元同时被激励，可产生足够大启动转矩。
[0073]有利地，由于轴向磁通路径较现有技术的电动机的磁通路径短很多，所以只需要较少的铁芯硅钢。由于通常的端子连接器的消除，所以转盘实施例也只需要较少的铜线圈。由于径向磁力的均衡，所以可消除径向震动。较少的钢和铜线圈可使电动机更小，更轻和更便宜。由于工作磁通路径完全是轴向的，无须别的元件传导圆周的磁通。
[0074]定子装置302和转盘320也可用于多相SRM中，优选地，如图5A所示，在三相SRM中。采用多个转盘可便利地实现多相的使用，其中，一相影响一个转盘，一次只激励该转盘的半数的定子单元。为了简化三维示意，在图5A和图5B中，只示出了 24个定子单元和12个转子磁极。与图3A描述的结构相同，定子装置502，504，506中的定子单元交替地连接成两组，组A和组B。换言之，第一组中的每个定子单元526被第二组中的两个定子单元527，530包围。这些定子单元沿圆周均匀分布并定义出一个公共的设定的定子扇形角，在图5A的实施例中，该定子扇形角为15°。同组中的两个连续定子单元间的组扇形角为30°。这些转子磁极沿圆周均匀分布并也间隔一个公共的设定的扇形角，在图5A的实施例中，该转子扇形角为30°。
[0075]该SRM500包括三个定子装置502，504，506。每个定子装置502，504，506包括24个C形的定子单元508-530。每个定子装置对应一个具有12个转子磁极532-548的转盘。为了更好的示意，只将理解SRM的运行所必要的元件示意出来，一些定子单元被除去以使转子磁极暴露出来，并且一些定子线圈并未示出。三个径向延伸的转盘550，552，554和一转轴558构成一定子。该转轴558的中心纵轴560可视为该转子的旋转轴。
[0076]对于每个转盘而言，以转盘550为例，有关的C形的定子单元508，510，512，514在垂直于该轴560的一个共同的假设的平面内对齐。每个定子单元508-530具有一定子线圈562，564。为了更好地图示起见，一些定子单元514，518，524中的定子线圈并未示出。第二相和第三相的定子装置也是同样地配置的。显然，每相的定子装置是与另两相的定子装置中的任一个轴向对齐的。作为这种轴向对齐的一个例子，定子装置502，504，506分别与三相交流电的第一，第二和第三相对应。
[0077]三个径向延伸的转盘550，552，554中的每一个，可相对其前面的转盘偏差一个转位角。
[0078]在图5A的实施例中，转盘552相对转盘550偏差或者转位三分之一个转子扇形角，也就是，10°。定子装置502中每两个定子单元中就有一个与转盘550上的一个转子磁极完全对准。转盘552上的转子磁极的转位是逆时针的10°，转盘554上的转子磁极的转位是逆时针加多10°，换言之，转盘554相对转盘550偏差或者转位三分之二个转子扇形角，也就是，20°。结果就是，转盘550，552，554中的一个上的转子磁极，在与特定相相关的线圈被激励时，是定位来产生转矩以绕着转轴558旋转的。通常地，一个转盘代表一个不同的相，每个转子磁极的有角度的起始位置为角度上的偏差或转位。每个转盘与转轴558固定在一起以维持各个不同相的定子装置502，504，506之间的转位偏差。
[0079]在图5B示出的第二实施例中，三个定子装置502，504，506也可以是相互存在偏差的。
[0080]在这个具体实施例中，定子装置502相对定子装置504偏差或者转位三分之一个转子扇形角，也就是，10°。定子装置502中每两个定子单元中就有一个与转盘550上的一个转子磁极完全对准。定子装置504上的定子单元的转位是顺时针的10°，定子装置506上的定子单元的转位是顺时针加多10°，换言之，定子装置506转位20°。结果就是，转盘550，552，554中的一个上的转子磁极，在与特定相相关的线圈被激励时，是定位来产生转矩以绕着转轴558旋转的。
[0081]通常地，在多相SRM中，例如，在图5A和图5B所示的三相SRM中，转盘可调节成相对其他转盘有偏差或转位。单独地，定子装置也可调节成相对其他定子装置有偏差或转位。因此，在任何时候，至少一相的定子单元和转子磁极，在相关的线圈被激励时，可确定方向以产生向前的转矩，或者，多相SRM的总转矩是一稳定的工作转矩。
[0082]由于定子装置中的C形的定子单元的尺寸是紧凑的，相比于现有的SRM，本发明可以采用更多的定子单元。图5C示出了一个三相SRM，其每相具有48个定子单元和24个转子磁极。
[0083]根据本发明的具体实施例，转子磁极的数量可以是任意整数，定子单元的数量可以是任意偶数。定子装置和转盘体现出模块化的结构原理，因此，更多的定子单元可以加入本发明的轴向SRM中。图原理性地示出了本发明的一个6相-48定子单元的SRM的具体实施例。在该实施例中，转子和定子的偏差转位可以是转子扇形角的1/6。这种偏差转位可导致不同的转矩模式。基本地，一个SRM可以构建或者在已有的SRM上通过增添转盘和定子装置进行扩充来实现所需的转矩。定子装置和转盘的多种可能的偏差排列可提供所需的转矩特性，如果不是这样，则只能依靠复杂的控制逻辑来实现。
[0084]有利地，如图5A和图5B所示的三相SRM可以通过图6A所示的简单的星形接法的电源转换器来驱动。或者，通过图6B所示的三角形接法的电源转换器来驱动。
[0085]如图4所示的基本的单相电源转换器，可进一步连接成图6A所示的星形接法。与图5A和图5B所示的实施例相关，该电路可划分为三个相组602，604，606。相组602，604，606中的每一个分别与定子装置502，504，506中的两组的定子单元Al和BI，A2和B2，A3和B3相关。连接U，V和W与三相交流电的一相对应连接。组A1608的定子单元与一个反向的半波整流装置相连，组B1610的定子单元与另一个正向的半波整流装置相连。V相和W相上的半波整流装置的接法与此类似。在运行时，U相的正半周期流过组B1610的定子单元。U相的负半周期流过组A1608的定子单元。
[0086]有利地，组Al的定子单元的线圈与组BI的定子单元的线圈是交替激励的，并与三相交流电的U相的相位同步。同样地，组A2的定子单元的线圈与组B2的定子单元的线圈是交替激励的，并与三相交流电的V相的相位同步，组A3的定子单元的线圈与组B3的定子单元的线圈是交替激励的，并与三相交流电的W相的相位同步。有利地，交流电的正半周与负半周均对本发明的轴向SRM的运行做出贡献。因此，如图5A所示，一个3相-24定子单元-12转子磁极的SRM要产生转矩，每转一圈，定子单元要被激励24次。
[0087]图6B示出了三个如图4所示的基本的单相电源转换器的一种替代性的电源转换器，以三角形接法来适应本发明的轴向SRM。如之前已经讨论过的，只要流经各组定子单元中的定子单元的电流是相同的，定子装置中的定子单元可以是任意接法。例如，这些定子单元可以是串联的。图6B所示的电源转换器可以提供较高的峰-峰电压，因此，其适合于驱动串联在一起的定子单元。
[0088]参考图3A-3B和图5A-5B，由于同一时刻有12个或者24个定子单元被激励，一个足够大的起始转矩可有利地产生。
[0089]有利地，通过调节多相SRM的转盘的转位角和定子装置的转位角，转矩波动可以最小化或者消除。
[0090]RT1W, RT2 (t)和RT3(t)可结合不同的控制算法，通过转盘的转位和定子装置的转位来控制。因此，可以使RT1U^RT2 (t)+RT3 (t)的幅度最小化，甚至达成理想状态:
[0091]RT1 (t)+RT2 (t)+RT3 (t) =常数，
[0092]例如，对于三相交流正弦波而言，
[0093]sin (x) +sin (χ-2/3 η ) +sin (χ-4/3 η )是常数，
[0094]对于三相三角波 函数f(x)而言，
[0095]RT1 (t) +RT2 (t) +RT3 (t) =f (x) +f (χ-2/3 π ) +f (χ-4/3 π )也是常数，
[0096]其中:χ=2 ft，在三相正弦函数sin(x)和三相三角波函数f (X)中，2/3 π =120°电相角，4/3 =240°电相角。
[0097]对于一个具有三个定子和三个转子的SRM电机，
[0098]定义CT是恒定转矩分量(常量)，
[0099]RT (t)是脉动转矩分量(变化量)，
[0100]Tl=CTART1 (t)是第一个定子和第一个转子产生的转矩，
[0101]T2=CT2+RT2 (t)是第二个定子和第二个转子产生的转矩，
[0102]T3=CT3+RT3(t)是第三个定子和第三个转子产生的转矩，
[0103]电机输出的转矩是三个定子与三个转子的合成转矩T，
[0104](t) +CT2+RT2 (t) +CT3+RT3 (t)，
[0105]如果TzTl+TZ+TSzCTi+RTi (t) +CT2+RT2 (t) +CT3+RT3 (t)=常数，就意味着不存在转矩波动。
[0106]参考图4，图5A，图6A和图6B，将定子划分为两组并配备正向的和反向的半波整流器可简化的SRM的运行，并可有利地使电力供给的正半周期与负半周期对SRM的工作转矩做贡献。如图7A所示，可采用商用的电力供给驱动该SRM.[0107]与本发明的一个实施例相对应，具有最小的转矩波动，用以驱动SRM的定子线圈的电流波形，作为例举，而不是限制，如图7D所示，可以不是正弦波，而是以不规则的波形。当 1=11+12+13=(^+1^ (t) +CT2+RT2 (t) +CT3+RT3 (t)=常数时，一波形可以视作为最佳的。[0108]一电源转换器，例如:如图7C所示的三相电源转换器可用以产生如图7D所示的最佳波形来给如图5A或5B所示的SRM供电。对于本领域普通技术人员而言，很显然地，该三相最佳波形的正半周和负半周都为该SRM的运行工作转矩出了力。
[0109]如图8所示，在本发明的另一具体实施例中，定子是设置在环形转子的内侧的。
[0110]在该图示的实施例中，定子802具有设置在环形转子812内侧的24个定子单元804,806,808,810o其中，环形转子812具有12个转子磁极814。这些定子单元可划分两组，每组有12个定子单元，分别以804，810和806，808标示。这些定子单元沿圆周间隔一设定的定子扇形角均勻分布，在本实施例中，该定子扇形角为15°，每个第一组中的定子单元被两个第二组中的定子单元在两端包围。第一组或第二组中的两个相邻定子单元之间因此具有一组扇形角，在本实施例中，该组扇形角为30°。相应地，12个转子磁极814的两相邻转子磁极也具有一设定的角，本实施例中，该角为30°。
[0111]只要流经每个定子单元的线圈的电流是相等的，第一组定子单元804，810的接法可以是任意的。同样，只要流经每个定子单元的线圈的电流是相等的，第二组定子单元806，809的接法也可以是任意的。
[0112]对于本领域普通技术人员而言，很显然地，图8所示的结构也可用于多相结构，类似于图5Α至所示。
[0113]对于本领域普通技术人员而言，也很显然地，图4，图6A和6B所示的连接是优选的实施例，但不是限定的。
[0114]需要说明的是，区别于前述的转子位于内侧的具体实施例，在这里的转子位于外侧的实施例中，转子并不与一转轴相连，而是定子与一轴(图未示出)相连。这里所说的轴，定义了一旋转中心线，该轴所定义的旋转中心线与该环形转子的旋转中心线重合。当电动机运行时，环形转子在转动，定子及与之相连的轴本身是不转动的，这一点，类似于:汽车轮子，轮胎转动，但是轴是不转的。换言之，这种结构，定子和轴固定在一起，由外转子带动工作件。
[0115]图9A和9B示出了一个具体实施例，其中定子是线型的。定子902，904，906，908与一轨道或滑道910结合可启动一直线运动。这些定子也可划分为两组，例如:定子902和906在第一组，定子904和908在第二组。当这两组定子与图4所示的半波整流装置相连时，运动轨道910可沿直线前向运动。
[0116]图9B示出了一组三相线性装置912，914，916。定子装置918，920，922中的每一个与其他有偏差。并且，轨道上的磁极024，026之间的距离是两倍于定子之间的距离，从而使得磁极一次只与一组定子相互作用。在图示的实施例中，定子920和922的偏差，优选地，为轨道810上的两个磁极之间距离的1/3或2/3。
[0117]需要说明的是，本实施例中的轨道或滑道910可视为一直线形动子，该直线形动子具有第一数量的动子磁极，这些动子磁极沿直线均匀分布于该直线形动子的一侧。从而，该电动机的结构可以概要地描述为:一直线形动子，具有第一数量的动子磁极，这些动子磁极沿直线均匀分布于该直线形动子的一侧；一定子装置，其具有第二数量的定子单元；这些定子单元沿直线均匀分布；这些定子单元在平行于该直线形动子的一个共同平面内对齐，并且与该直线形动子的一侧间隔一垂直方向空气间隙；每个定子单元具有在激励时在该垂直方向空气间隙中产生一磁通的一定子线圈，在该垂直方向空气间隙中的磁通与该直线形动子垂直；该第二数量的定子单元分成两组，以构成一第一组定子单元和一第二组定子单元，每个第一组定子单元的定子单元和第二组定子单元的定子单元交叉布置；以及一控制电路，其包括一正向半波整流装置和一反向半波整流装置；其中，第一组定子单元中的定子线圈与该正向半波整流装置相连，第二组定子单元中的定子线圈与该反向半波整流装置相连。
[0118]前述的盘形转子和环形转子的一般性说明，同样适用于这种直线形动子的情形。类似前述的将两个转子磁极之间的角度差异定义为转子扇形角，可以将两个直线形的动子磁极之间的距离差异定义为转子节距；类似前述的将两个定子单元之间的角度差异定义为定子扇形角，可以将两个直线形的定子单元之间的距离差异定义为定子节距，进而有:前述的三分之一个转子扇形角的转位对应于三分之一个转子节距的偏位、六分之一个转子扇形角的转位对应于六分之一个转子节距的偏位、三分之一个定子扇形角的转位对应于三分之一个定子节距的偏位以及六分之一个定子扇形角的转位对应于六分之一个定子节距的偏位。
[0119]上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种开关磁阻电动机，其特征在于，包括: 一轴，其定义了一旋转中心线； 一环形转子，该环形转子的内侧具有第一数量的转子磁极，这些转子磁极沿圆周均匀分布，该轴所定义的旋转中心线与该环形转子的旋转中心线重合； 一定子装置，与该轴相连，其具有第二数量的定子单元；这些定子单元沿圆周均匀分布；这些定子单元在垂直于该轴的一个共同平面内对齐，沿圆周方向均匀分布，并且轴向地与该环形转子的内侧间隔一轴向空气间隙；每个定子单元具有在激励时在该轴向空气间隙中产生一磁通的一定子线圈，在该轴向空气间隙中的磁通与该轴平行；该第二数量的定子单元分成两组，以构成一第一组定子单元和一第二组定子单元； 每个第一组定子单元的定子单元由两个第二组定子单元的定子单元在两边包围；以及 一控制电路，其包括一正向半波整流装置和一反向半波整流装置； 其中，第一组定子单元中的定子线圈与该正向半波整流装置相连，第二组定子单元中的定子线圈与该反向半 波整流装置相连。
2.依据权利要求1所述的开关磁阻电动机，其特征在于，该环形转子为一第一环形转子，该定子装置为一第一定子装置，该开关磁阻电动机还包括: 一第二环形转子和一第三环形转子，该第二环形转子的内侧和第三环形转子的内侧各具有沿圆周均匀分布的第一数量的转子磁极；以及 一第二定子装置和一第三定子装置，各自与该轴相连，各自与该第一定子装置结构相同； 其中，该控制电路还包括两个正向半波整流装置和两个反向半波整流装置； 其中，每个定子装置中的第一组定子单元中的定子线圈与一正向半波整流装置相连，每个定子装置中的第二组定子单元中的定子线圈与一反向半波整流装置相连；并且 其中，两个相邻的定子单元定义出一定子扇形角，两个相邻的转子磁极定义出一转子扇形角。
3.依据权利要求2所述的开关磁阻电动机，其特征在于，该第二环形转子相对该第一环形转子转位，该第三环形转子相对该第二环形转子转位。
4.依据权利要求3所述的开关磁阻电动机，其特征在于，该第二环形转子相对该第一环形转子有三分之一个转子扇形角的转位，该第三环形转子相对该第二环形转子有三分之一个转子扇形角的转位；或者，该第二环形转子相对该第一环形转子有六分之一个转子扇形角的转位，该第三环形转子相对该第二环形转子有六分之一个转子扇形角的转位。
5.依据权利要求2所述的开关磁阻电动机，其特征在于，该第二定子装置相对该第一定子装置转位，该第三定子装置相对该第二定子装置转位。
6.依据权利要求2所述的开关磁阻电动机，其特征在于，该第二定子装置相对该第一定子装置有三分之一个定子扇形角的转位，该第三定子装置相对该第二定子装置有三分之一个定子扇形角的转位；或者，该第二定子装置相对该第一定子装置有六分之一个定子扇形角的转位，该第三定子装置相对该第二定子装置有六分之一个定子扇形角的转位。
7.依据权利要求2所述的开关磁阻电动机，其特征在于，该SRM是采用三相交流电供电的。
8.依据权利要求1所述的开关磁阻电动机，其特征在于，该第一数量是该第二数量的一半。
9.依据权利要求1所述的开关磁阻电动机，其特征在于，各定子单元具有C形的磁芯，该C形的磁芯的后部形成一空气间隙；在该第一组定子单元或第二组定子单元中的定子线圈是串联的或者并联的。
10.依据权利要求1所述的开关磁阻电动机，其特征在于，该转子磁极的材质选自于由铁、钢、铁氧体、非晶磁和坡莫合金构成的软磁材料群组，该钢包括铁芯硅钢和硅钢；该环形转子的材质选自于由 铝 、钛、钢、铁、塑料和陶瓷构成的群组，该塑料包括纤维增强塑料。
【文档编号】H02K41/03GK103427576SQ201310263736
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年6月28日 优先权日:2012年9月25日
【发明者】袁德芳 申请人:深圳市合兴加能科技有限公司