一种三相u形定子齿外转子开关磁阻电机及其驱动方法
【专利摘要】本发明公开一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机及其驱动方法。本发明中的电机包括三种不同大小的U形定子齿，三副不同大小的环形绕组和安装在定子磁极外的指状转子。定子的总齿数应为3的偶数倍，并且每种尺寸的定子齿数相同。U形定子按尺寸大、中、小依次均匀交叉的沿电机周向排列，相互独立的定子固定在发电机的外壳上。转子设在定子圆周外，无刷、无绕组及永磁体。电机的三幅绕组分别绕在三种大小的U形定子齿的齿槽中。该结构开关磁阻电机结构简单，并且对应的驱动电路简单，所用开关器件少，控制容易，电机及功率变换器的成本低，绕组绕线方便，电机定转子磁极数的增加不会影响绕组的绕线空间，更加适合低转速应用。
【专利说明】一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机及其驱动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及开关磁阻电机及其驱动方法，尤其是一种新型的使用三种不同尺寸U形定子齿的外转子开关磁阻电机及其相应的驱动方法。
【背景技术】
[0002]开关磁阻电机采用双凸极铁芯结构，转子上无电刷、无绕组、无永磁体，具有结构简单、坚固，工作可靠，效率高，启动转矩大等优点。随着国民经济建设的日益发展，各行各业的机械化、自动化程度越来越高，开关磁阻电机在家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域拥有着巨大的潜在市场。传统的开关磁阻电机每个定子极上绕有集中式绕组，径向相对的两个定子极上的绕组组成一相定子绕组，电机相数越多，定子绕组连线越复杂，控制也将变得复杂，并且功率变换器的开关器件数量多，系统成本高。
【发明内容】
[0003]鉴于传统的开关磁阻电机及其功率变换器存在的上述各种问题及局限性，本发明的目的是提供一种结构简单、成本低廉的采用三种不同尺寸U形定子齿的一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机，特别适合于小功率电机应用场合。
[0004]本发明的目的是这样实现的:
[0005]本发明中一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机包括三种不同大小的U形定子齿，所述的三种不同大小的U形定子齿的齿数必须为3的偶数倍，其中每种尺寸的U形定子齿齿数相同。三种定子齿按尺寸大、中、小依次均匀交叉地沿电机周向排列，相互独立的定子齿使用由非铁磁材料构成的带有矩形槽的圆盘将其彼此之间的位置固定，并固定在电机的外壳上。圆盘通过轴承与电机轴相连。转子安装在定子的U形齿外，与电机轴通过键连接。转子由指状铁芯组成，无电刷、无绕组及永磁体。电机的相绕组由三个不同大小的环形线圈组成，其中，最内侧的绕组绕在最大的U形定子齿的齿槽中；中间位置的绕组绕在中间尺寸的U形定子齿的齿槽中，并从最大的U形定子齿的齿槽中穿过；最外侧的绕组绕在最小的U形定子齿的齿槽中，并从其他两种U形定子齿的齿槽中穿过。
[0006]本发明中一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机使用的功率变换器的主电路中，所述中间位置绕组的同名端与所述最内侧绕组和最外侧绕组的同名端的连接方向相反。因此，若三个绕组同时通电，则所述中间位置的绕组中将流过与所述最内侧绕组和最外侧绕组中方向相反的电流。
[0007]本发明中一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的驱动方法，根据所述的一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的结构及其绕组绕制方式，其相应的驱动方法为:若想在最大的U形定子齿中产生磁场，吸引转子向与其对齐的位置转动，则只需将最内侧绕组接通，绕组中流过电流，建立磁场；若想在中间尺寸的U形定子齿中产生磁场，吸引转子向与其对齐的位置转动，则需最内侧绕组和中间位置绕组同时接通，此时两绕组中将流过相反方向的电流，二者在最大的U形定子齿中产生的磁场相互抵消，而只在中间尺寸的U形定子齿中建立磁场；若想在最小的U形定子齿中产生磁场,吸引转子向与其对齐的位置转动，则需将中间位置绕组和最外侧绕组同时接通，此时两绕组中将流过相反方向的电流，二者在最大和中间尺寸的U形定子齿中产生的磁场相互抵消，而只在最小的U形定子齿中建立磁场。通过所述的驱动方法，按一定的顺序周期性地分别给所述的一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的三相定子磁极励磁，控制电机旋转的速度和方向。
[0008]所述一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机通过功率变换器给不同绕组通电，使得三种不同大小的定子齿中分别形成磁场，从而控制电机的转动速度及方向。该结构开关磁阻电机结构简单，绕组绕线容易，电机定转子磁极数的增加不会影响绕组的绕线空间，且不会对绕组的绕线产生影响，更加适合低转速应用。功率变换器使用开关器件少，拓扑简单，因此电机及功率变换器成本低，适用于小功率的电机应用场合。
[0009]由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果:
[0010]本发明的一个效果在于，所述一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机通过功率变换器给不同绕组通电，使得三种不同大小的U形定子齿中分别形成磁场，从而控制电机的转动速度及方向。
[0011]本发明的一个效果在于，所述一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机结构简单，绕组绕线容易，电机定转子磁极数的增加不会影响绕组的绕线空间，且不会对绕组的绕线产生影响，更加适合低转速应用。
[0012]本发明的一个效果在于，所述一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的功率变换器使用开关器件少，拓扑简单，且可作为此类电机的通用功率变换器，因此电机及功率变换器成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的12/8结构的正面结构示意图。
[0014]图2是本发明一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的12/8结构的立体结构示意图。
[0015]图3是本发明一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的6/8结构的正面结构示意图。
[0016]图4是本发明一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的6/8结构的立体结构示意图。
[0017]图5是本发明一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的6/8结构的装配体示意图。
[0018]图6是本发明一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的6/8结构的侧面剖面视图。
[0019]图7是本发明一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的6/8结构的固定定子的圆盘结构示意图。
[0020]图8是本发明一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的6/8结构的定子结构示意图。
[0021]图9是本发明一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的6/8结构的转子结构示意图。
[0022]图10是本发明一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机使用的功率变换器主电路图。
[0023]图中:101、最大的U形定子齿102、中间尺寸的U形定子齿103、最小的U形定子齿104、转子105、最内侧的绕组106、中间位置的绕组107、最外侧的绕组108、固定定子的圆盘109、电机轴110、轴承111、永磁体112、电机外壳113、磁传感器114、磁传感器引出电缆115、发电机绕组弓I出电缆116、键201、最内侧绕组驱动回路的开关管202、中间位置绕组驱动回路的开关管203、最外侧绕组驱动回路的开关管204、最内侧绕组驱动回路的二极管205、中间位置绕组驱动回路的二极管206、最外侧绕组驱动回路的二极管207、直流电源
【具体实施方式】
[0024]一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机，包括定子(101)?(103)、转子(104)和绕组(105)?(107)，定子(101)?(103)采用三种不同大小的U形齿，按顺序依次均匀交叉地沿电机周向排列，所述定子(101)?(103)的齿数必须为偶数，且彼此之间的数量相等，相互独立的定子(101)?(103)使用由非铁磁材料构成的带有矩形槽的圆盘(108)将其彼此之间的位置固定，并固定在电机的外壳(112)上。圆盘(108)通过轴承(110)连接到电机轴(109)上。所述绕组(105)?(107)为三个不同大小环形线圈，分别绕在定子(101)?(103)的U形齿槽中，其中绕组(105)绕在定子(101)的齿槽中；绕组(106)绕在定子(102)的齿槽中，并从定子(101)的齿槽中穿过；绕组(107)绕在定子(103)的齿槽中，并从定子(101)和定子(102)的齿槽中穿过。转子(104)安装在所述定子(101)的U形齿外，与电机轴(109)通过键(116)连接，所述转子(104)由指状铁芯组成，无电刷、无绕组及永磁体。所述电机轴(109)的端部安装有永磁体(111)，所述永磁体(111)的磁化方向为径向。电机的机壳(112)在正对永磁体的位置安装有磁传感器(113),所述磁传感器(113)可实时检测所述转子(104)的位置。电机所使用的功率变换器的主电路包含三个回路，绕组(105)所在回路中包含开关管(201)和二极管(204)，绕组(106)所在回路中包含开关管(202)和二极管(205)，绕组(107)所在回路中包含开关管(203)和二极管(206)，通过对开关管(201)?(203)的通断控制和二极管(204)?(206)的续流作用实现对电机每相绕组的通断控制。
[0025]实施例1:
[0026]如图1、图2所示，一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机，包括定子(101)?(103)、转子(104)和绕组(105)?(107)，所述定子(101)?(103)共有12个，采用三种不同大小的U形齿，每种尺寸的定子齿有4个。所述12个定子齿按尺寸大、中、小依次均匀交叉地沿电机周向排列，相互独立的定子齿使用由非铁磁材料构成的带有矩形槽的圆盘(108)将其彼此之间的位置固定，并固定在电机的外壳(112)上；圆盘(108)通过轴承
(110)连接到电机轴(109)上；所述绕组(105)?(107)为三个不同大小的环形线圈，分别绕在定子(101)?(103)的U形齿槽中。其中绕组(105)绕在定子(101)的齿槽中；绕组(106)绕在定子(102)的齿槽中，并从定子(101)的齿槽中穿过；绕组(107)绕在定子(103)的齿槽中，并从定子(101)和定子(102)的齿槽中穿过。转子(104)由指状铁芯组成，安装在所述定子(101)?(103)的U形齿外，与电机轴(109)通过键(116)连接，所述转子共有8个。所述电机轴(109)的端部安装有永磁体(111)，所述永磁体(111)的磁化方向为径向。电机的外壳(112)在正对永磁体的位置安装有磁传感器(113),所述磁传感器(113)可实时检测所述转子(104)的位置。
[0027]图10所示为一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机相应的功率变换器的主电路。通过安装在电机外壳(112)上的所述磁传感器(113)可检测到所述转子(104)的位置，若想吸引所述转子(104)向与定子(101)对齐的位置转动，则需在定子(101)中建立磁场，此时，将所述主电路中的开关管(201)导通，则绕组(105)中产生电流，并在定子(101)中建立磁场；若想吸引所述转子(104)向与定子(102)对齐的位置转动，则需在定子(102)中建立磁场，此时，将所述主电路中的开关管(201)和(202)同时导通，则所述绕组(105)和绕组(106)中将流过相反方向的电流，二者在定子(101)中产生的磁场相互抵消，而只在定子(102)中建立磁场；若想吸引转子(104)向与定子(103)对齐的位置转动，则需在定子(103)中建立磁场，此时，将所述主电路中的开关管(202)和开关管(203)同时导通，则绕组(106)和绕组(107)中将流过相反方向的电流，二者在定子(101)和定子(102)中产生的磁场相互抵消，而只在定子(103)中建立磁场。因此，通过按一定规律和顺序周期地对开关管(201)、开关管(202)、开关管(203)的开通与关断状态进行控制与转换便可以方便地实现在三种定子(101)?(103)中分别建立磁场，使得开关磁阻电机按相应的方向转动。所述的开关磁阻电机的转动方向与所通电流方向无关，只与线圈的通电顺序有关。
[0028]实施例2:
[0029]如图3、图4所示，一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机，包括定子(101)?
(103)、转子(104)和绕组(105)?(107)，所述定子(101)?(103)共有6个，采用三种不同大小的U形齿，每种尺寸的定子齿有2个。所述6个定子齿按尺寸大、中、小依次均匀交叉地沿电机周向排列，相互独立的定子齿使用由非铁磁材料构成的带有矩形槽的圆盘(108)将其彼此之间的位置固定，并固定在电机的外壳(112)上；圆盘(108)通过轴承(110)连接到电机轴(109)上；所述绕组(105)?(107)为三个不同大小的环形线圈，分别绕在定子(101)?(103)的U形齿槽中。其中绕组(105)绕在定子(101)的齿槽中；绕组(106)绕在定子(102)的齿槽中，并从定子(101)的齿槽中穿过；绕组(107)绕在定子(103)的齿槽中，并从定子(101)和定子(102)的齿槽中穿过。转子(104)由指状铁芯组成，安装在所述定子(101)?(103)的U形齿外，与电机轴(109)通过键(116)连接，所述转子共有8个。所述电机轴(109)的端部安装有永磁体(111)，所述永磁体(111)的磁化方向为径向。电机的外壳(112)在正对永磁体的位置安装有磁传感器(113)，所述磁传感器(113)可实时检测所述转子(104)的位置。
[0030]图10所示为一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机相应的功率变换器的主电路。通过安装在电机外壳(112)上的所述磁传感器(113)可检测到所述转子(104)的位置，若想吸引所述转子(104)向与定子(101)对齐的位置转动，则需在定子(101)中建立磁场，此时，将所述主电路中的开关管(201)导通，则绕组(105)中产生电流，并在定子(101)中建立磁场；若想吸引所述转子(104)向与定子(102)对齐的位置转动，则需在定子(102)中建立磁场，此时，将所述主电路中的开关管(201)和(202)同时导通，则所述绕组(105)和绕组(106)中将流过相反方向的电流，二者在定子(101)中产生的磁场相互抵消，而只在定子(102)中建立磁场；若想吸引转子(104)向与定子(103)对齐的位置转动，则需在定子(103)中建立磁场，此时，将所述主电路中的开关管(202)和开关管(203)同时导通，则绕组(106)和绕组(107)中将流过相反方向的电流，二者在定子(101)和定子(102)中产生的磁场相互抵消，而只在定子(103)中建立磁场。因此，通过按一定规律和顺序周期地对开关管(201)、开关管(202)、开关管(203)的开通与关断状态进行控制与转换便可以方便地实现在三种定子(101)?(103)中分别建立磁场，使得开关磁阻电机按相应的方向转动。所述的开关磁阻电机的转动方向与所通电流方向无关，只与线圈的通电顺序有关。
[0031 ] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机，其特征在于，包括定子(101)?(103)、转子(104)和绕组(105)?(107)，其中，定子(101)?(103)采用三种不同大小的U形齿，转子(104)由指状铁芯组成，绕组(105)?(107)为三个不同大小环形线圈；定子(101)?(103)按顺序依次均匀交叉地沿电机周向排列，圆盘(108)将其彼此之间的位置固定，并固定在电机的外壳(112)上；圆盘(108)通过轴承(110)与电机轴(109)相连；转子(104)安装在定子(101)?(103)的U形齿外，与电机轴(109)通过键(116)连接；绕组(105)?(107)分别绕在定子(101)?(103)的U形齿槽中，绕组(105)绕在定子(101)的齿槽中，绕组(106)绕在定子(102)的齿槽中，并从定子(101)的齿槽中穿过，绕组(107)绕在定子(103)的齿槽中，并从定子(101)和定子(102)的齿槽中穿过。
2.如权利要求1所述的一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机，其特征在于，所述圆盘(108)由非铁磁材料制成并带有矩形槽。
3.如权利要求1所述的一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机，其特征在于，定子(101)的个数为a,定子(102)的个数为b,定子(103)的个数为c,其中a= b = c,且a+b+c应为3的偶数倍。
4.如权利要求1所述一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机，其特征在于，电机轴(109)的端部安装有永磁体(111)，永磁体(111)的磁化方向为径向，电机的外壳(112)在正对永磁体的位置安装有磁传感器(113)。
5.如权利要求1所述的一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机，其特征在于，所使用的功率变换器的主电路由三个回路组成，绕组(105)所在回路中包含开关管(201)和二极管(204)，绕组(106)所在回路中包含开关管(202)和二极管(205)，绕组(107)所在回路中包含开关管(203)和二极管(206)，主电路中绕组(106)的同名端与绕组(105)和绕组(107)的同名端的连接方向相反。
6.一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的驱动方法，其特征在于，驱动步骤如下: Al:给绕组(105)通电，绕组(106)和绕组(107)不通电，定子(101)中产生磁场，定子(102)和定子(103)中无磁场； A2:将绕组(105)和绕组(106)同时接通，所述两绕组(105) (106)中产生相反方向的电流，绕组(107)不接通，定子(102)中产生磁场，定子(101)和定子(103)中无磁场； A3:将绕组(106)和绕组(107)同时接通，所述两绕组(106)?(107)中产生相反方向的电流，绕组(105)不接通，定子(103)中产生磁场，定子(101)和定子(102)中无磁场。A4:所述一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机顺时针旋转A5:所述一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机逆时针旋转。
7.如权利要求5所述的一种三相U形定子齿外转子开关磁阻电机的驱动方法，其特征在于，电机顺时针转动时的驱动顺序为A1-A2-A3-A4-A1,电机逆时针转动时的驱动顺序为A1-A3-A2-A5-A1。
【文档编号】H02P6/08GK104009605SQ201410259375
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】冬雷 申请人:冬雷