开关磁阻电机的制作方法

本发明属于电机领域，具体地说，本发明涉及一种控制简化的、轻量化的、减少转矩脉动的开关磁阻电机。

背景技术：

传统的开关磁阻电机具有结构简单、特性好的特点。但是传统的开关磁阻电机在低速运行时很容易引起转矩脉动、低频振动和噪音、轻量化不理想等缺点，结果导致开关磁阻电机的应用范围受限。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有定子线圈星形连接结构的开关磁阻电机来减小转矩脉动，简化控制，节省控制成本，提高轻量化水平。

根据本发明，提供一种开关磁阻电机，所述开关磁阻电机包括同轴地布置的定子组件和转子组件，定子组件包括沿周向均匀布置的多个定子磁极，转子组件包括沿周向均匀布置且沿径向朝向定子组件延伸的多个转子磁极，所述多个定子磁极中的每个定子磁极上均缠绕有线圈，所有线圈的一端连接在一起，形成定子线圈星形连接结构。

所述定子磁极包括定子n磁极和定子s磁极，定子n磁极和定子s磁极的数量相等且均为偶数。

定子n磁极和定子s磁极沿周向彼此间隔布置。

转子磁极的数量是比定子磁极的数量的1/2大的奇数。

定子磁极的数量与转子磁极的数量之比为下列中的一种：4/3、4/5、4/7、8/7、8/9、8/11。

转子磁极之间的间隔的周向弧长是定子磁极的周向弧长的1至1.1倍。

转子磁极的周向弧长是定子磁极的周向弧长的1至1.1倍。

开关磁阻电机是外转子结构或内转子结构。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的4/5结构开关磁阻电机的结构示意图；

图2是根据本发明第一实施例的4/5结构开关磁阻电机的控制电路图；

图3a至图6b是根据本发明第一实施例的4/5结构开关磁阻电机的运动状态图和对应的控制电路状态图；

图7是是根据本发明第一实施例的4/5结构开关磁阻电机的定子磁极的周向弧长和转子磁极之间的间隔周向弧长的示意图。

图8a至图11b是根据本发明第二实施例的4/3结构开关磁阻电机的运动状态图和对应的控制电路状态图；

图12是根据本发明第三实施例的8/7结构开关磁阻电机的结构示意图；

图13是根据本发明第三实施例的8/7结构开关磁阻电机的控制电路图；

图14是传统两相开关磁阻电机的转矩波动的示意图；

图15是传统三相开关磁阻电机的转矩波动的示意图；

图16是根据本发明的定子线圈星形连接结构的开关磁阻电机的转矩波动的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种具有定子线圈星形连接结构的开关磁阻电机，以减小转矩脉动，简化控制，节省控制成本，提高轻量化水平。

根据本发明，开关磁阻电机包括定子组件和转子组件，定子组件与转子组件同轴地设置并隔开预定间隙(气隙)。定子组件包括沿周向均匀布置的多个定子磁极(或定子铁芯)，转子组件包括沿周向均匀布置的转子定子磁极(或转子铁芯)，转子磁极沿径向朝向定子组件延伸。

定子磁极包括定子n磁极和定子s磁极，定子n磁极和定子s磁极的数量可相等且均为偶数。转子磁极的数量是比定子磁极数量数的1/2大的奇数。例如，开关磁阻电机是4/3、4/5、4/7、8/7、8/9结构开关磁阻电机等。这里，4/3结构开关磁阻电机表示开关磁阻电机的定子磁极的数量和转子磁极的数量分别是4和3，以此类推。

定子磁极可包括数量相等的定子n磁极和定子s磁极。定子n磁极和定子s磁极的数量可均为偶数。定子n磁极和定子s磁极沿周向彼此间隔布置。在定子n磁极和定子s磁极上均缠绕有线圈。缠绕在定子n磁极上的线圈的一端与缠绕在定子s磁极上的线圈的一端连接在一起(即，所有线圈的一端连接在一起)，形成定子线圈星形连接结构。

开关磁阻电机可以是内转子结构或外转子结构。外转子结构的开关磁阻电机可以用作驱动车辆的轮毂电机。

为了便于描述，下面将以4/5结构开关磁阻电机为例对本发明进行说明。

图1是根据本发明第一实施例的4/5结构开关磁阻电机的结构示意图。

如图1所示，开关磁阻电机包括定子组件110和转子组件120，定子组件110与转子组件120同轴地设置并隔开预定间隙(气隙)。定子组件110包括沿周向均匀布置的4个定子磁极111-1至111-4。定子组件110可以与传统开关磁阻电机的定子组件的结构相同或类似。转子组件120包括沿周向均匀布置的5个转子定子磁极121-1至121-5。定子磁极111-1至111-4上均缠绕有线圈。所有线圈的一端可连接在一起，形成定子线圈星形连接结构。

图2是根据本发明第一实施例的4/5结构开关磁阻电机的控制电路图。

如图2所示，开关k1-k4分别连接到定子磁极111-1至111-4上缠绕的线圈，开关k1-k4的接通可使得线圈被通电(可称为“定子磁极通电”)，开关k1-k4的断开可使得线圈被断电(可称为“定子磁极断电”)。因此，开关k1-k4分别控制定子磁极111-1至111-4。定子磁极111-1和111-3在通电工作时其磁性是固定的，例如始终是n磁极(n1和n2)；定子磁极111-2和111-4在通电工作时其磁性固定的，例如始终是s磁极(s1和s2)。

如前所述，所有线圈的一端可连接在一起，并且所有线圈的另一端可分别连接到相应的开关。例如，如图2所示，缠绕在定子磁极111-1至111-4上的4个线圈的一端可连接在一起；缠绕在定子磁极111-1上的线圈的另一端可连接到开关k1的一端，缠绕在定子磁极111-2上的线圈的另一端可连接到开关k2的一端，缠绕在定子磁极111-3上的线圈的另一端可连接到开关k3的一端，缠绕在定子磁极111-4上的线圈的另一端可连接到开关k4的一端；开关k1、k3的另一端连接到电源的正极和负极中的一个，开关k2、k4的另一端连接到电源的正极和负极中的另一个。

下面参照图3a至图6b，设定开关磁阻电机的旋转方向为顺时针方向，具体说明4/5结构开关磁阻电机的运行原理。

图3a至图6b是根据本发明第一实施例的4/5结构开关磁阻电机的运动状态图和对应的控制电路状态图。

参照图3a和图3b，定子磁极111-1和转子磁极121-1在径向上正好彼此重合，所以此时断开开关k1，定子磁极111-1不工作；根据磁阻最小原理(开关磁阻电机旋转方向始终朝向磁阻变小的方向)，定子磁极111-4与转子磁极121-5处于反作用区，所以断开开关k4，定子磁极111-4不工作；定子磁极111-2和转子磁极121-2还处在工作区，所以继续闭合/接通开关k2；定子磁极111-3与转子磁极121-3和121-4同时处于工作区的临界点，当接通开关k3时由于定子磁极111-1、定子磁极111-4不工作而定子磁极111-2处于工作区，所以定子磁极111-3与转子磁极121-3之间开始工作(即，定子磁极111-3与转子磁极121-3之间的磁阻趋向于变小)。这样，开关磁阻电机处于顺时针方向旋转的状态。此时可能存在较大的电感(反动势)，对开关磁阻电机工作产生不利的影响。在实际应用中，可如下面的图7所示将转子磁极之间的间隔的周向弧长设置为1至1.1倍于定子磁极的周向弧长，使得在转子磁极121-3靠近定子磁极111-3且转子磁极121-4与转子磁极121-3相比相对较远离定子磁极111-3时接通开关k3(定子磁极111-3通电)，从而减少不利于开关磁阻电机运行的电感(反动势)的产生。另外，转子磁极的周向弧长也可以是定子磁极的周向弧长的1至1.1倍。

接着，参照图4a和图4b，定子磁极111-1和转子磁极121-1仍处在反作用区，所以继续关开关k1，定子磁极111-1不工作；定子磁极111-2和转子磁极121-2在径向上处于重合状态，所以断开开关k2，定子磁极111-2停止工作；定子磁极111-3和转子磁极121-3还处在工作区，所以继续闭合/接通开关k3；定子磁极111-4与转子磁极121-4和121-5同时处于工作区的临界点，当接通开关k4时由于定子磁极111-1、定子磁极111-2不工作而定子磁极111-3处于工作区，所以定子磁极111-4与转子磁极121-4之间开始工作。这样，开关磁阻电机处于顺时针方向旋转的状态。

接着，参照图5a和图5b，定子磁极111-2和转子磁极121-2仍处在反作用区，所以继续断开开关k2，定子磁极111-2不工作；定子磁极111-3和转子磁极121-3在径向上处于重合状态，所以断开开关k3，定子磁极111-3停止工作；定子磁极111-4和转子磁极121-4还处在工作区，所以继续闭合/接通开关k4；定子磁极111-1与转子磁极121-1和121-5同时处于工作区的临界点，当接通开关k1时由于定子磁极111-2、定子磁极111-3不工作而定子磁极111-4处于工作区，所以定子磁极111-1与转子磁极121-5之间开始工作。这样，开关磁阻电机处于顺时针方向旋转的状态。

接着，参照图6a和图6b，定子磁极111-3和转子磁极121-3仍处在反作用区，所以继续断开开关k3，定子磁极111-3不工作；定子磁极111-4和转子磁极121-4在径向上处于重合状态，所以断开开关k4，定子磁极111-4停止工作；定子磁极111-1和转子磁极121-5还处在工作区，所以继续闭合/接通开关k1；定子磁极111-2与转子磁极121-1和121-2同时处于工作区的临界点，当接通开关k2时由于定子磁极111-3和定子磁极111-4不工作而定子磁极111-1处于工作区，所以定子磁极111-2与转子磁极121-1之间开始工作。这样，开关磁阻电机处于顺时针方向旋转的状态。

按照与图3a至图6b的方式继续控制开关k1至k4的断开和接通，可实现4/5开关磁阻电机的持续顺时针方向旋转。

4/5结构开关磁阻电机的定子磁极111-1和111-3的磁性始终是n极(n1和n2)，而且交替工作，定子磁极112-2和112-4的磁性始终是s极(s1和s2)，也是交替工作。因此，4/5结构开关磁阻电机始终保持一个n磁极和一个s磁极配合工作。

4/5结构开关磁阻电机是8/10、12/15、16/20、20/25等的结构开关磁阻电机的基本类型(即，开关磁阻电机的定子磁极的数量可以是4的整数倍，转子磁极的数量可以是5的相同整数倍)，因此工作原理和控制电路是相同的，。

下面描述根据本发明第二实施例的4/3结构开关磁阻电机。在第二实施例中，转子组件和定子组件之间的位置关系可根据具体应用而适当地设置。例如，转子组件可以是内转子结构或外转子结构。

图8a至图11b是根据本发明第二实施例的4/3结构开关磁阻电机的运动状态图和对应的控制电路状态图。

如图8a所示，开关磁阻电机包括定子组件210和转子组件220，定子组件210与转子组件220同轴地设置并隔开预定间隙(气隙)。定子组件210包括沿周向均匀布置的4个定子磁极211-1至211-4。定子组件210可以与传统开关磁阻电机的定子组件的结构相同或类似。转子组件220包括沿周向均匀布置的3个转子定子磁极221-1至221-3。定子磁极211-1至211-3上均缠绕有线圈。所有线圈的一端可连接在一起，形成定子线圈星形连接结构。

4/3结构开关磁阻电机的控制电路与4/5结构开关磁阻电机的控制电路相同，因此仍可采用如图2所示的控制电路。如图2所示，开关k1-k4分别连接到定子磁极111-1至111-4上缠绕的线圈，开关k1-k4的接通可使得线圈被通电(可称为“定子磁极通电”)，开关k1-k4的断开可使得线圈被断电(可称为“定子磁极断电”)。因此，开关k1-k4分别控制定子磁极211-1至211-4。定子磁极211-1和211-3在通电工作时其磁性是固定的，例如始终是n磁极(n1和n2)；定子磁极211-2和211-4在通电工作时其磁性固定的，例如始终是s磁极(s1和s2)。

下面参照图8a至图11b，设定开关磁阻电机的旋转方向为顺时针方向，具体说明4/3结构开关磁阻电机的运行原理。

参照图8a和图8b，定子磁极211-1和转子磁极221-1正好在径向上重合，所以断开开关k1，定子磁极211-1不工作；定子磁极211-2与转子磁极221-2处于反作用区，所以断开开关k2，定子磁极211-2不工作；定子磁极211-4和转子磁极221-3还处在工作区，所以继续接通开关k4；定子磁极211-3与转子磁极221-2和221-3同时处于工作区的临界点，当接通开关k3时由于定子磁极211-1、定子磁极211-2不工作而定子磁极211-4处于工作区，所以定子磁极211-3与转子磁极221-2之间开始工作。这样，开关磁阻电机处于顺时针方向旋转的状态。此时可能存在较大的电感，对开关磁阻电机工作产生不利的影响。在实际应用中，可如上面的图7所示将转子磁极之间的间隔的周向弧长设置为1至1.1倍于定子磁极的周向弧长，使得在转子磁极221-2靠近定子磁极211-3且转子磁极221-3与转子磁极221-2相比相对较远离定子磁极211-3时接通开关k3(定子磁极211-3通电)，从而减少电感的产生。

接着，参照图9a和图9b，定子磁极211-1和转子磁极221-1仍处在反作用区，所以继续断开开关k1，定子磁极211-1不工作；定子磁极211-4和转子磁极221-3在径向上处于重合状态，所以断开开关k4，定子磁极211-4停止工作；定子磁极211-3和转子磁极221-2还处在工作区，所以继续接通开关k3；定子磁极211-2与转子磁极221-1和221-2同时处于工作区的临界点，当接通开关k2时由于定子磁极211-1、定子磁极211-4不工作而定子磁极211-3处于工作区，所以定子磁极211-2与转子磁极221-1之间开始工作。这样，开关磁阻电机处于顺时针方向旋转的状态。

接着，参照图10a和图10b，定子磁极211-4和转子磁极221-3仍处在反作用区，所以继续断开开关k4，定子磁极211-4不工作；定子磁极211-3和转子磁极221-2在径向上处于重合状态，所以断开开关k3，定子磁极211-3停止工作；定子磁极211-2和转子磁极221-1还处在工作区，所以继续接通开关k2；定子磁极211-1与转子磁极221-1、221-3同时处于工作区的临界点，当接通开关k1时由于定子磁极211-3、定子磁极211-4不工作而定子磁极211-2处于工作区，所以定子磁极211-1与转子磁极221-3之间开始工作。这样，开关磁阻电机处于顺时针方向旋转的状态。

接着，参照图11a和图11b，定子磁极211-3和转子磁极221-2仍处在反作用区，所以继续断开开关k3，定子磁极211-3不工作；定子磁极211-2和转子磁极221-1在径向上处于重合状态，所以断开开关k2，定子磁极211-2停止工作；定子磁极211-1和转子磁极221-3还处在工作区，所以继续接通开关k1；定子磁极211-4与转子磁极221-2、221-3同时处于工作区的临界点，当开通开关k4时由于定子磁极211-2、定子磁极211-3不工作而定子磁极211-1处于工作区，所以定子磁极211-4与转子磁极221-2之间开始工作。这样，开关磁阻电机处于顺时针方向旋转的状态。

按照与图8a至图11b的方式继续控制开关k1至k4的断开和接通，可实现4/3结构开关磁阻电机的持续顺时针方向旋转。

4/3结构开关磁阻电机的定子磁极211-1和211-3的磁性始终是n极(n1和n2)，而且交替工作，定子磁极212-2和212-4的磁性始终是s极(s1和s2)，也是交替工作。因此，4/3结构开关磁阻电机始终保持一对n磁极和一对s磁极配合工作。

4/3结构开关磁阻电机是8/6、12/9、16/12等结构的开关磁阻电机的基本类型(即，开关磁阻电机的定子磁极的数量可以是4的整数倍，转子磁极的数量可以是3的相同整数倍)，因此工作原理和控制电路是相同的。

4/7结构、4/9结构等开关磁阻电机的工作原理与4/3结构、4/5结构的开关磁阻电机的工作原理基本相似，但是定子磁极和转子磁极的数量相差过大会导致电机的效率和轻量化的下降。因此，在本发明中，优选的是，定子磁极的数量和转子磁极的数量接近。

下面描述根据本发明第三实施例的8/7结构开关磁阻电机。在第三实施例中，转子组件和定子组件之间的位置关系可根据具体应用而适当地设置。例如，转子组件可以是内转子结构或外转子结构。

图12是根据本发明第三实施例的8/7结构开关磁阻电机的结构示意图，图13是根据本发明第三实施例的8/7结构开关磁阻电机的控制电路图。

参照图12，开关磁阻电机包括定子组件310和转子组件320，定子组件310与转子组件320同轴地设置并隔开预定间隙(气隙)。定子组件310包括沿周向均匀布置的8个定子磁极311-1至211-8。定子组件310可以与传统开关磁阻电机的定子组件的结构相同或类似。转子组件320包括沿周向均匀布置的7个转子定子磁极321-1至321-7。定子磁极311-1至311-7上均缠绕有线圈。所有线圈的一端可连接在一起，形成定子线圈星形连接结构。

参照图13，在8/7结构开关磁阻电机的控制电路中，开关k1-k8分别连接到定子磁极311-1至311-8上缠绕的线圈，开关k1-k8的接通可使得线圈被通电(可称为“定子磁极通电”)，开关k1-k4的断开可使得线圈被断电(可称为“定子磁极断电”)。因此，开关k1-k8分别控制定子磁极311-1至311-8。定子磁极311-1、311-3、311-5和311-7在通电工作时其磁性是固定的，例如始终是n磁极(n1、n2、n3、n4)；定子磁极311-2、311-4、311-6和311-8在通电工作时其磁性固定的，例如始终是s磁极(s1、s2、s3、s4)。

根据本发明的第一实施例和第二实施例的开关磁阻电机的原理可类似应用于8/7结构开关磁阻电机。同样的原理也可应用于8/9、8/11结构以及更多定子磁极和转子磁极的星形连接的开关磁阻电机，在此不再一一描述。

图14是传统两相开关磁阻电机的转矩波动的示意图，图15是传统三相开关磁阻电机的转矩波动的示意图，图16是根据本发明的定子线圈星形连接结构的开关磁阻电机的转矩波动的示意图。

比较图14至图16，传统二相开关磁阻电机在一个工作周期内转矩有两次变化而且转矩波动百分比在0-100％之间；传统三相开关磁阻电机在一个工作周期内转矩有三次变化而且转矩波动百分比也在0-100％之间；而根据本发明的定子线圈星形连接的开关磁阻电机在一个工作周期内转矩有四次变化而且转矩波动百分比只在25％-75％之间。可以看出，根据本发明的定子线圈星形连接的开关磁阻电机的转矩相对平滑，能够很好的解决开关磁阻电机的转矩脉动问题。

此外，根据本发明的定子线圈星形连接的开关磁阻电机可简化控制，节省控制成本，提高轻量化水平。另外，根据本发明的定子线圈星形连接的开关磁阻电机具有自起动能力。

虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。