一种分段转子开关磁阻电机的制作方法

本发明涉及一种分段转子开关磁阻电机，属于电机类的开关磁阻电机技术领域。

背景技术

开关磁阻电机定、转子为双凸极结构，转子无绕组和永磁体，具有结构简单坚固、低成本、耐高温和高速适应性强等特点，在航空航天、精密加工、电动汽车等军事和民用领域应用广泛。

然而，由于转子的凸极结构，使得开关磁阻电机的风损更大，并进一步加剧了震动噪声问题，削弱了其在低噪领域的应用。为此，人们提出了一种名为分段转子开关磁阻电机（segmentedswitchedreluctancemotor），以减小风阻损耗和减小噪声。分段转子开关磁阻电机的转子为圆柱型结构，外圆面光滑平整，可有效减小风摩损耗。不过，传统分段转子开关磁阻电机，通常采用6/4、8/6、12/8、12/10极等经典结构，基于运行机理要求，这些结构的相间磁路存在较强的耦合，相间互感较大，由互感产生的互感转矩也较大，导致转矩脉动增加；另外，相间耦合也导致电机的容错性和可靠性降低。

因此，本申请提出了一种定子为9n、转子为4n、5n、6n的分段转子开关磁阻电机，除了具有短磁路和铁耗小外，其集中式绕组结构易于加工装配、耗铜少；为减小相间耦合，共相间共磁路的磁极采用了宽齿结构，互感对输出转矩影响小，可靠性和容错性提升；另外，新型定、转子配合形式，丰富了开关磁阻电机结构拓扑。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术的不足，提出一种分段转子开关磁阻电机。所述电机由定子、转子和线圈构成；定子齿数为9n，转子极数为m，相数为3，n为自然数，m等于4n、5n或6n；所述转子由m个转子铁心和1个非导磁支撑架构成，且转子铁心固定到非导磁支撑架上；所述定子齿包括3n个宽齿和6n个窄齿，9n个定子齿均匀布置，相邻定子齿间相差40°/n，宽齿与宽齿相差120°/n，宽齿与宽齿间布置有2个窄齿；每个窄齿上绕有1个线圈，宽齿上无线圈，相邻两窄齿上的线圈属于同一相绕组，所有线圈产生的磁场极性相同；每相磁路均为短磁路结构，铁心损耗小；另外，相间磁路仅在宽齿上有交链，相间磁路耦合弱；本发明电机具有多种转子极数，可根据具体应用场合，方便选取定、转子极数配合，以达到输出性能最优。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种分段转子开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子和线圈；所述转子由转子铁心和非导磁支撑架构成；

所述定子为凸极结构，定子齿数为9n，n为自然数；所述定子齿包括3n个宽齿和6n个窄齿，9n个定子齿均匀布置，相邻定子齿间相差40°/n，宽齿与宽齿相差120°/n，宽齿与宽齿间布置有2个窄齿；6n个窄齿的齿宽相等，3n个宽齿的齿宽相等；

每个窄齿上绕有1个线圈，共6n个；相邻两窄齿上的2个线圈，采用串联或并联形式，连接为1个线圈串，共3n个；3n个所述线圈串在空间上相差120°/n；

n=1时，所述电机共3个线圈串，每个线圈串单独连接为一相绕组，共三相；

n≥2时，所述电机共3n个线圈串，空间上相差360°/n的n个线圈串，采用串联或并联形式，连接为一相绕组，共三相；

所述转子的极数为m，m等于4n、5n或6n，即所述电机具有三种定、转子组合形式，分别为9n/4n、9n/5n和9n/6n；

所述转子包括m个转子铁心和1个非导磁支撑架；所述转子铁心为扇形结构，所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为m；非导磁支撑架的m个齿均匀分布，齿与齿相差360°/m；所述非导磁支撑架的相邻两个齿间固定1个所述转子铁心；所述转子铁心与非导磁支撑架的外面形成1个光滑连续的圆柱面；

所述电机的控制方式，与传统开关磁阻电机一样，三相绕组轮流导通励磁以产生转矩。

本发明的有益效果：本发明提出了一种分段转子开关磁阻电机，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：

（1）相同定子齿数，具体三种转子极数，便于根据应用场合，选取定、转子极数配合，以使电机输出性能最优；

（2）相间绕组相互隔离，可靠性高，且相间磁路仅通过无绕组的宽齿交链，耦合强度小。

附图说明

图1是本发明实施例一的9/4极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图。

图2是本发明实施例一的转子处于不对齐位置时a相绕组电流产生的磁力线分布示意图。

图3是本发明实施例一的转子处于对齐位置时a相绕组电流产生的磁力线分布示意图。

图4是本发明实施例一的相电感有限元计算结果。

图5是本发明实施例一的相转矩有限元计算结果。

图6是本发明实施例二的9/5极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图。

图7是本发明实施例二的相电感有限元计算结果。

图8是本发明实施例二的相转矩有限元计算结果。

图9是本发明实施例三的9/6极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图。

图10是本发明实施例三的相电感有限元计算结果。

图11是本发明实施例三的相转矩有限元计算结果。

图12是本发明实施例四的18/8极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图。

图13是本发明实施例五的18/10极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图。

图14是本发明实施例六的18/12极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图。

附图标记说明：图1至图14中，1是定子，2是转子铁心，3是线圈，4是非导磁支撑架，5是9/4极分段转子开关磁阻电机转子处于不对齐位置时a相绕组电流产生的磁力线示意图，6是9/4极分段转子开关磁阻电机转子处于对齐位置时a相绕组电流产生的磁力线示意图，7是9/4极分段转子开关磁阻电机的相电感特性曲线，8是9/4极分段转子开关磁阻电机的相转矩特性曲线，9是9/5极分段转子开关磁阻电机的相电感特性曲线，10是9/5极分段转子开关磁阻电机的相转矩特性曲线，11是9/6极分段转子开关磁阻电机的相电感特性曲线，12是9/6极分段转子开关磁阻电机的相转矩特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种分段转子开关磁阻电机的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是本发明实施例一的9/4极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图，其中，1是定子，2是转子铁心，3是线圈，4是非导磁支撑架。

所述9/4极分段转子开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子和线圈；所述转子由转子铁心和非导磁支撑架构成；

所述定子为凸极结构，此时n=1，定子齿数为9；所述定子齿包括3个宽齿和6个窄齿，9个定子齿均匀布置，相邻定子齿间相差40°，宽齿与宽齿相差120°，宽齿与宽齿间布置有2个窄齿；6个窄齿的齿宽相等，3个宽齿的齿宽相等；

每个窄齿上绕有1个线圈，共6个；相邻两窄齿上的2个线圈，采用串联或并联形式，连接为1个线圈串，共3个；3个所述线圈串在空间上相差120°；

所述转子包括4个转子铁心和1个非导磁支撑架；所述转子铁心为扇形结构，所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为4；非导磁支撑架的4个齿均匀分布，齿与齿相差90°；所述非导磁支撑架的相邻两个齿间固定1个所述转子铁心；所述转子铁心与非导磁支撑架的外面形成1个光滑连续的圆柱面；

每个线圈串单独连接为一相绕组，共三相，分别为a、b、c相；所有线圈产生的磁场极性相同，即三相绕组6个线圈产生的磁场极性呈nnnnnn或ssssss排列；

所述a、b、c相绕组采用三相不对称半桥功率变换器驱动，三相绕组依次轮流导通产生转矩，以实现所述电机运行。

如图2和图3所示，分别是9/4极分段转子开关磁阻电机转子处于不对齐位置和对齐位置时a相绕组电流产生的磁力线分布示意图。其中，5是转子处于不对齐位置时a相绕组电流产生的磁力线，6是转子处于对齐位置时a相绕组电流产生的磁力线。

定义转子齿与齿中心线与电枢定子齿中心重合时为不对齐位置，即转子位置为零度；转子齿中心线与电枢定子齿中心线重合时为对齐位置，即转子位置的机械角度为45°。

在不对齐位置，a相产生的磁力线，具有两个磁路，均是经窄齿、与之相邻的宽齿、两个转子铁心和气隙闭合；由于两个转子铁心间磁路的磁阻很大，因此，此时磁路磁阻最大，相电感最小；

在对齐位置，a相产生的磁力线，同样具有两个磁路，均是经窄齿、与之相邻的宽齿、1个转子铁心和气隙闭合，此时磁路磁阻最小，相电感最大；

b、c相绕组导通时，产生的磁力线分布与a相相同，在空间上相差120°，且相与相间的磁路仅在宽齿上交链，耦合较弱。

如图4和图5所示，分别是9/4极分段转子开关磁阻电机的相电感和相转矩有限元计算结果。其中，7是9/4极分段转子开关磁阻电机的相电感特性曲线，8是9/4极分段转子开关磁阻电机的相转矩特性曲线。

9/4极分段转子开关磁阻电机的参数为：定子外径130mm，定子内径76.6mm，转子外径76mm，转轴32mm，轴向长度120mm，每齿线圈匝数50；宽齿的极弧角为30°，窄齿的极弧角为20°，转子齿极弧系数为0.833。当a相绕组电流为5a时，相电感和相转矩如图所示。

该电机的相电感与相转矩特性曲线与传统结构开关磁阻电机相似，电感随转子位置角度的变化率有所提升，有利于提升输出转矩，减小转矩死区；另外转矩特性曲线显示，在[12°，30°]区间，输出转矩存在凹陷现象，但通过电机优化设计可得到改善。

如图6所示，是本发明实施例二的9/5极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图，其中，1是定子，2是转子铁心，3是线圈，4是非导磁支撑架。

所述9/5极分段转子开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子和线圈；所述转子由转子铁心和非导磁支撑架构成；

所述定子为凸极结构，此时n=1，定子齿数为9；所述定子齿包括3个宽齿和6个窄齿，9个定子齿均匀布置，相邻定子齿间相差40°，宽齿与宽齿相差120°，宽齿与宽齿间布置有2个窄齿；6个窄齿的齿宽相等，3个宽齿的齿宽相等；

每个窄齿上绕有1个线圈，共6个；相邻两窄齿上的2个线圈，采用串联或并联形式，连接为1个线圈串，共3个；3个所述线圈串在空间上相差120°；

所述转子包括5个转子铁心和1个非导磁支撑架；所述转子铁心为扇形结构，所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为5；非导磁支撑架的5个齿均匀分布，齿与齿相差72°；所述非导磁支撑架的相邻两个齿间固定1个所述转子铁心；所述转子铁心与非导磁支撑架的外面形成1个光滑连续的圆柱面；

每个线圈串单独连接为一相绕组，共三相，分别为a、b、c相；所有线圈产生的磁场极性相同，即三相绕组6个线圈产生的磁场极性呈nnnnnn或ssssss排列；

所述a、b、c相绕组采用三相不对称半桥功率变换器驱动，三相绕组依次轮流导通产生转矩，以实现所述电机运行。

定义转子齿与齿中心线与电枢定子齿中心重合时为不对齐位置，即转子位置为零度；转子齿中心线与电枢定子齿中心线重合时为对齐位置，即转子位置的机械角度为36°。

在不对齐位置，每相产生的磁力线，具有两个磁路，均是经窄齿、与之相邻的宽齿、两个转子铁心和气隙闭合；由于两个转子铁心间磁路的磁阻很大，因此，此时磁路磁阻最大，相电感最小；

在对齐位置，每相产生的磁力线，同样具有两个磁路，均是经窄齿、与之相邻的宽齿、1个转子铁心和气隙闭合，此时磁路磁阻最小，相电感最大；

三相产生的磁力线分布相同，在空间上相差120°，且相与相间的磁路仅在宽齿上交链，耦合较弱。

如图7和图8所示，分别是9/5极分段转子开关磁阻电机的相电感和相转矩有限元计算结果。其中，7是9/5极分段转子开关磁阻电机的相电感特性曲线，8是9/5极分段转子开关磁阻电机的相转矩特性曲线。

9/5极分段转子开关磁阻电机的参数为：定子外径130mm，定子内径76.6mm，转子外径76mm，转轴32mm，轴向长度120mm，每齿线圈匝数50；宽齿的极弧角为30°，窄齿的极弧角为20°，转子齿极弧系数为0.833。当a相绕组电流为5a时，相电感和相转矩如图所示。

该电机的相电感与相转矩特性曲线与传统结构开关磁阻电机相似；电感随转子位置角度的变化率有所提升，有利于提升输出转矩，减小转矩死区；另外转矩特性曲线显示，该电机的输出转矩特性优于9/4极结构。

如图9所示，是本发明实施例三的9/6极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图，其中，1是定子，2是转子铁心，3是线圈，4是非导磁支撑架。

所述9/6极分段转子开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子和线圈；所述转子由转子铁心和非导磁支撑架构成；

所述定子为凸极结构，此时n=1，定子齿数为9；所述定子齿包括3个宽齿和6个窄齿，9个定子齿均匀布置，相邻定子齿间相差40°，宽齿与宽齿相差120°，宽齿与宽齿间布置有2个窄齿；6个窄齿的齿宽相等，3个宽齿的齿宽相等；

每个窄齿上绕有1个线圈，共6个；相邻两窄齿上的2个线圈，采用串联或并联形式，连接为1个线圈串，共3个；3个所述线圈串在空间上相差120°；

所述转子包括6个转子铁心和1个非导磁支撑架；所述转子铁心为扇形结构，所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为6；非导磁支撑架的6个齿均匀分布，齿与齿相差60°；所述非导磁支撑架的相邻两个齿间固定1个所述转子铁心；所述转子铁心与非导磁支撑架的外面形成1个光滑连续的圆柱面；

每个线圈串单独连接为一相绕组，共三相，分别为a、b、c相；所有线圈产生的磁场极性相同，即三相绕组6个线圈产生的磁场极性呈nnnnnn或ssssss排列；

所述a、b、c相绕组采用三相不对称半桥功率变换器驱动，三相绕组依次轮流导通产生转矩，以实现所述电机运行。

定义转子齿与齿中心线与电枢定子齿中心重合时为不对齐位置，即转子位置为零度；转子齿中心线与电枢定子齿中心线重合时为对齐位置，即转子位置的机械角度为30°。

在不对齐位置，每相产生的磁力线，具有两个磁路，均是经窄齿、与之相邻的宽齿、两个转子铁心和气隙闭合；由于两个转子铁心间磁路的磁阻很大，因此，此时磁路磁阻最大，相电感最小；

在对齐位置，每相产生的磁力线，同样具有两个磁路，均是经窄齿、与之相邻的宽齿、1个转子铁心和气隙闭合，此时磁路磁阻最小，相电感最大；

三相产生的磁力线分布相同，在空间上相差120°，且相与相间的磁路仅在宽齿上交链，耦合较弱。

如图10和图11所示，分别是9/6极分段转子开关磁阻电机的相电感和相转矩有限元计算结果。其中，7是9/6极分段转子开关磁阻电机的相电感特性曲线，8是9/6极分段转子开关磁阻电机的相转矩特性曲线。

9/6极分段转子开关磁阻电机的参数为：定子外径130mm，定子内径76.6mm，转子外径76mm，转轴32mm，轴向长度120mm，每齿线圈匝数50；宽齿的极弧角为30°，窄齿的极弧角为20°，转子齿极弧系数为0.833。当a相绕组电流为5a时，相电感和相转矩如图所示。

该电机的相电感与相转矩特性曲线与传统结构开关磁阻电机相似；电感随转子位置角度的变化率有所提升，有利于提升输出转矩，减小转矩死区；另外转矩特性曲线显示，在[9°，18°]区间，输出转矩存在凹陷现象，但通过电机优化设计可得到改善，输出性能不如9/5结构。

如图12所示，是本发明实施例四的18/8极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图，其中，1是定子，2是转子铁心，3是线圈，4是非导磁支撑架。

所述18/8极分段转子开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子和线圈；所述转子由转子铁心和非导磁支撑架构成；

所述定子为凸极结构，此时n=2，定子齿数为18；所述定子齿包括6个宽齿和12个窄齿，18个定子齿均匀布置，相邻定子齿间相差20°，宽齿与宽齿相差60°，宽齿与宽齿间布置有2个窄齿；6个窄齿的齿宽相等，3个宽齿的齿宽相等；

每个窄齿上绕有1个线圈，共12个；相邻两窄齿上的2个线圈，采用串联或并联形式，连接为1个线圈串，共6个；6个所述线圈串在空间上相差60°；

所述转子包括8个转子铁心和1个非导磁支撑架；所述转子铁心为扇形结构，所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为8；非导磁支撑架的8个齿均匀分布，齿与齿相差45°；所述非导磁支撑架的相邻两个齿间固定1个所述转子铁心；所述转子铁心与非导磁支撑架的外面形成1个光滑连续的圆柱面；

此时，所述电机共6个线圈串，空间上相差180°的2个线圈串，采用串联或并联形式，连接为一相绕组，共三相，分别为a、b、c相；所有线圈产生的磁场极性相同，即三相绕组12个线圈产生的磁场极性呈全n或全s排列；

所述a、b、c相绕组采用三相不对称半桥功率变换器驱动，三相绕组依次轮流导通产生转矩，以实现所述电机运行。

在不对齐位置，每相产生的磁力线，具有两个磁路，均是经窄齿、与之相邻的宽齿、两个转子铁心和气隙闭合；由于两个转子铁心间磁路的磁阻很大，因此，此时磁路磁阻最大，相电感最小；

在对齐位置，每相产生的磁力线，同样具有两个磁路，均是经窄齿、与之相邻的宽齿、1个转子铁心和气隙闭合，此时磁路磁阻最小，相电感最大；

三相产生的磁力线分布相同，在空间上相差60°，且相与相间的磁路仅在宽齿上交链，耦合较弱。

如图13所示，是本发明实施例四的18/10极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图，其中，1是定子，2是转子铁心，3是线圈，4是非导磁支撑架。

所述18/10极分段转子开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子和线圈；所述转子由转子铁心和非导磁支撑架构成；

所述定子为凸极结构，此时n=2，定子齿数为18；所述定子齿包括6个宽齿和12个窄齿，18个定子齿均匀布置，相邻定子齿间相差20°，宽齿与宽齿相差60°，宽齿与宽齿间布置有2个窄齿；6个窄齿的齿宽相等，3个宽齿的齿宽相等；

每个窄齿上绕有1个线圈，共12个；相邻两窄齿上的2个线圈，采用串联或并联形式，连接为1个线圈串，共6个；6个所述线圈串在空间上相差60°；

所述转子包括10个转子铁心和1个非导磁支撑架；所述转子铁心为扇形结构，所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为10；非导磁支撑架的10个齿均匀分布，齿与齿相差36°；所述非导磁支撑架的相邻两个齿间固定1个所述转子铁心；所述转子铁心与非导磁支撑架的外面形成1个光滑连续的圆柱面；

此时，所述电机共6个线圈串，空间上相差180°的2个线圈串，采用串联或并联形式，连接为一相绕组，共三相，分别为a、b、c相；所有线圈产生的磁场极性相同，即三相绕组12个线圈产生的磁场极性呈全n或全s排列；

所述a、b、c相绕组采用三相不对称半桥功率变换器驱动，三相绕组依次轮流导通产生转矩，以实现所述电机运行。

在不对齐位置，每相产生的磁力线，具有两个磁路，均是经窄齿、与之相邻的宽齿、两个转子铁心和气隙闭合；由于两个转子铁心间磁路的磁阻很大，因此，此时磁路磁阻最大，相电感最小；

在对齐位置，每相产生的磁力线，同样具有两个磁路，均是经窄齿、与之相邻的宽齿、1个转子铁心和气隙闭合，此时磁路磁阻最小，相电感最大；

三相产生的磁力线分布相同，在空间上相差60°，且相与相间的磁路仅在宽齿上交链，耦合较弱。

如图14所示，是本发明实施例四的18/12极分段转子开关磁阻电机的二维结构示意图，其中，1是定子，2是转子铁心，3是线圈，4是非导磁支撑架。

所述18/12极分段转子开关磁阻电机，为三相工作制电机，包括定子、转子和线圈；所述转子由转子铁心和非导磁支撑架构成；

所述定子为凸极结构，此时n=2，定子齿数为18；所述定子齿包括6个宽齿和12个窄齿，18个定子齿均匀布置，相邻定子齿间相差20°，宽齿与宽齿相差60°，宽齿与宽齿间布置有2个窄齿；6个窄齿的齿宽相等，3个宽齿的齿宽相等；

每个窄齿上绕有1个线圈，共12个；相邻两窄齿上的2个线圈，采用串联或并联形式，连接为1个线圈串，共6个；6个所述线圈串在空间上相差60°；

所述转子包括12个转子铁心和1个非导磁支撑架；所述转子铁心为扇形结构，所述非导磁支撑架为凸极结构，齿数为12；非导磁支撑架的12个齿均匀分布，齿与齿相差30°；所述非导磁支撑架的相邻两个齿间固定1个所述转子铁心；所述转子铁心与非导磁支撑架的外面形成1个光滑连续的圆柱面；

此时，所述电机共6个线圈串，空间上相差180°的2个线圈串，采用串联或并联形式，连接为一相绕组，共三相，分别为a、b、c相；所有线圈产生的磁场极性相同，即三相绕组12个线圈产生的磁场极性呈全n或全s排列；

所述a、b、c相绕组采用三相不对称半桥功率变换器驱动，三相绕组依次轮流导通产生转矩，以实现所述电机运行。

在不对齐位置，每相产生的磁力线，具有两个磁路，均是经窄齿、与之相邻的宽齿、两个转子铁心和气隙闭合；由于两个转子铁心间磁路的磁阻很大，因此，此时磁路磁阻最大，相电感最小；

在对齐位置，每相产生的磁力线，同样具有两个磁路，均是经窄齿、与之相邻的宽齿、1个转子铁心和气隙闭合，此时磁路磁阻最小，相电感最大；

三相产生的磁力线分布相同，在空间上相差60°，且相与相间的磁路仅在宽齿上交链，耦合较弱。

n≥3时，仍具有上述特性，共有3n个线圈串，空间上相差360°/n的n个线圈串，采用串联或并联形式，连接为一相绕组，共三相；三相产生的磁力线分布相同，在空间上相差120°/n，且相与相间的磁路仅在宽齿上交链。

综上所述，本发明一种分段转子开关磁阻电机，相同定子齿数时，具体三种转子极数，便于根据应用场合，选取定、转子极数配合，以使电机输出性能最优；

另外，相间绕组相互隔离，可靠性高，且相间磁路仅通过无绕组的宽齿交链，耦合强度小，可靠性和容错性高。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。