多板磁阻电机的制作方法

本发明总体上涉及磁阻电机，并且更具体地涉及齿形可变磁阻电机的变型。磁阻电机是一类转子仅由铁磁材料制成的电机。如果转子除了铁磁材料之外还包括线圈、鼠笼或磁体，则该电机将属于其他电机类别，如永磁电机、感应电机、滑环电机等。期望将转子制成层压钢的磁阻电机，因为转子中的任何电流都会降低电机效率。磁阻电机中的转子具有齿。定子包括拉动齿的“电磁体”。电磁体按顺序打开和关闭，以在所有位置沿相同方向对转子产生拉力。解释有点简单，但是对于理解原理很有用。与永磁(pm)电机不同，磁阻电机中的电磁体无法推动转子。它们只能拉。这意味着磁阻电机至少需要3个相，定子才能在所有位置的转子上产生扭矩。

背景技术：

1、根据本发明的电机被称为多板磁阻电机。这是为了将该电机与多盘(或多级)电机区分开来。多盘电机是众所周知的。aydin等人在2004年的研究报告“axial fluxpermanent magnet disc machines:a review”中展示了经典的永磁多盘电机设计。还研究了多盘感应电机。

2、增加轴向磁通永磁电机扭矩的一种方式是增加电机的长度。然而，如果这种电机的直径保持恒定并且磁体和线圈的长度增加，则泄漏场将会增加。在某个时间点，泄漏场会导致材料的利用率降低。那么最好将多个电机排成一排并让它们共享轴，但仍然需要背铁来转动每个电机内的磁场方向。

3、在多盘电机中，可以去掉电机之间的背铁，让磁场以相同的方向穿过所有电机。然后，磁场首先在电机组端部改变方向。这大大减少了总长度，因为电机之间的几个背铁被去掉了。然而，磁体和线圈的厚度仍然与原始电机相同。多盘电机的长度理论上没有限制。多盘电机不一定是永磁电机。感应电机和其他几种类型的电动机也可以是多盘电机。

4、在轴向磁通多板可变磁阻电机中，最常见的是在电机两端的定子中仅存在线圈。在端部定子之间交替叠置转子板和定子中板。这会放大扭矩，因为转子板和定子中板之间的磁场呈之字形。从电磁角度来看，转子板和定子中板可以非常薄。制造方法和结构完整性限制了板的厚度。叠置的板越多，驱动磁场穿过所有板所需的磁动势就越大。泄漏场随着叠层厚度的增加而增加。这些效应对多板磁阻电机中可以叠置的板数量提供了理论上的限制。只有磁阻电机才可以是多板电机。为了进一步描述，请参考“具体实施方式”。

5、磁阻电机简介

6、如前所述，磁阻电机至少需要3个相，定子才能在所有位置的转子上产生扭矩。最简单可能的磁阻电机如图0a所示。该图取自wikipediatm，但箭头[m]表示磁场方向，箭头[r]表示转子旋转方向，[pa]、[pb]和[pc]表示已添加a相、b相和c相。在所示的转子位置中，只有a相中有电流。线圈中的电流方向由箭头[c1](平面外)和箭头[c2](平面内)指示。在c相电流接通之前，转子必须旋转15机械度，在a相电流关闭之前，转子必须旋转30机械度。在a相电流再次接通之前，转子必须再旋转45机械度。因此，磁阻电机中的电流仅为半正弦。每次接通时电流都可以进行相位交替，但这样做没有任何好处。

7、磁阻电机中的磁场需要形成回路，因此磁阻电机中的每相至少应有2个线圈。由于漏磁场，每相1个线圈是可能的，但效率非常低。每相1个线圈的示例可以在专利ep1280262a2中找到。每相3个线圈将使电机中穿过2个线圈的磁场必须通过1个线圈返回。每相5或7个线圈的情况类似。因此，每相1、3、5、7......个线圈是可能的，但会产生次优的电机。每相4、6、8等个线圈是每相2个线圈重复的模式。

8、图0a中的设计是分3相的。三相意味着属于同一相的线圈具有随时间变化的相同的电流。属于不同相的线圈具有随时间变化的不同电流。对于三相pm电机，电流偏移2/3*pi。假设各相电流为正弦的，这意味着各相电流为：

9、a相：ia＝i0*sin(θe)

10、b相：ib＝i0*sin(θe+2π/3)

11、b相：ic＝i0*sin(θe+4π/3)

12、i0是线圈中的最大电流。θe是电气角度。在大多数电动机中，2*π电角度被定义为转子必须旋转以使位置相同的最短机械角。对于图0a所示的电机θe＝1/4θm，因为转子必须移动一个完整的机械旋转的1/4才能完成一个完整的电气周期。θm＝机械角度，π＝pi＝3.14159...

13、三相磁阻电机的弱点是扭矩波动。这部分与线圈配置有关。下面解释一下原因。

14、在三相永磁(pm)电机中，一相的扭矩与sin(θe)2成正比。正弦平方，因为：

15、1)如果相中的电流恒定，则随电气角度变化的扭矩(或多或少)是正弦的。

16、2)各相电流(通常)为正弦的。

17、事实证明sin(θe)2+sin(θe+2π/3)2+sin(θe+4π/3)2＝常数(＝1、5)。这意味着，如果馈入偏移2π/3弧度(120°)的3相正弦电流，正确设计的3相永磁电机可以具有零扭矩波动。这使得这种电机非常适合作为电网上的发电机。

18、对于两相永磁电机，相间电流偏移π。同样，一相的扭矩与sin(θe)2成正比，事实再次证明sin(θe)2+sin(θe+π)2＝常数(＝1)。这意味着，如果馈入偏移π弧度(180°)的2相正弦电流，正确设计的2相永磁电机也可以具有零扭矩波动。

19、然而，对于三相磁阻电机，可以跳过电流的负部分。这意味着每相的扭矩与以下各项成正比：

20、a相：如果sin(θe)>0则扭矩～sin(θe)2否则扭矩＝0

21、b相：如果sin(θe+2π/3)>0则扭矩～sin(θe+2π/3)2否则扭矩＝0

22、c相：如果sin(θe+4π/3)>0则扭矩～sin(θe+4π/3)2否则扭矩＝0

23、这个总和不是恒定的。(它几乎与0.75-0.25*sin(3*θe))。因此，如果馈入正弦电流的正部分，3相磁阻电机将具有严重的扭矩波动。扭矩波动意味着噪音，这就是磁阻电机不太受欢迎的原因。

24、先进的电流控制可以减少扭矩波动，但电流将包含高频分量，这也会产生问题。

25、在4相磁阻电机中，每相的扭矩为：

26、a相：如果sin(θe)>0则扭矩～sin(θe)2否则扭矩＝0

27、b相：如果sin(θe+π/2)>0则扭矩～sin(θe+π/2)2否则扭矩＝0

28、c相：如果sin(θe+2π/2)>0则扭矩～sin(θe+2π/2)2否则扭矩＝0

29、d相：如果sin(θe+3π/2)>0则扭矩～sin(θe+3π/2)2否则扭矩＝0

30、其总和是常数(＝1)。如果添加a+c相和b+d相，会发现它与两相永磁电机相同。这意味着如果馈入正弦电流，则可以制造具有零扭矩波动的四相磁阻电机。

31、通过类似的推理可以看出，如果馈入正弦电流，6相磁阻电机也可以具有零扭矩波动。8相是两个4相电机。10相为4相和6相电机。因此可以看出，任何相对数大于4的磁阻电机都可以具有零扭矩波动。

32、扭矩波动的另一个问题是铁的磁饱和。一旦电机中的铁开始饱和，最大电流(例如，当a相中的θe＝π/2时)产生的扭矩就会变得不太有效。因此，随θe变化的扭矩与电流不成正比。因此，可以设计出在给定正弦电流下具有零扭矩波动的电机。但是，如果将电流降低到设计电流以下，则会再次出现扭矩波动。因此，可变磁阻电机在空转时会比其他电机产生更多的噪音。当饱和度足够高时，同样的效果使得不可能设计出具有零扭矩波动的电机。

33、在该专利申请中，齿形可变磁阻电机(cvrm)特别令人感兴趣，但它也适用于所有磁阻电机，因为从技术上讲，每个线圈有1个齿的cvrm是图0a所示的普通磁阻电机。

34、cvrm在专利申请ep2671309a1和ep2885855a1中进行了描述。sargos等人1993年发表名称为“generalized theory of the structure of reluctance stepper motors”的论文。

35、对于齿形磁阻电机，每个线圈下方必须至少有两个齿。每个线圈下方的齿均匀分布，齿之间的距离与转子中的相同。不同线圈下相邻齿之间的间隙必须大于或小于转子齿之间的间隙。为了使电机对称，不同线圈下相邻齿之间的所有间隙必须相等。

36、对于每相有两个线圈的三相磁阻电机，对称设计中定子的齿数为6n。转子中可能的齿数为6n±2+6m。n是正整数，m是正整数或零。一般来说，转子中的6n-2个齿提供了最佳的电机设计，但如果齿数较大，您可以选择6n+2或6n-2+6以获得足够的空间，以便使用针式绕线器缠绕线圈。如前所述，如果电流为正弦的，3相不会提供恒定扭矩。因此，三相磁阻电机会产生很大的噪音。

37、对于每相有两个线圈的4相磁阻电机，对称设计中定子的齿数为8n。转子中可能的齿数为8n-2+4m。同样，转子中的8n-2个齿提供了最佳的电机设计，但如果齿数较大，您可以选择8n+2或8n+6以获得足够的空间，以便使用针式绕线器缠绕线圈。

38、一般来说，对称设计的转子齿数为：

39、nteeth＝相数*每相线圈数*每线圈齿数+(±1+相数*m)*每相线圈数

技术实现思路

1、本发明的一方面是一种包括转子和定子的磁阻电机，该定子包括两个端部定子。定子还包括具有定子中板齿的至少一个定子中板，转子包括具有转子板齿的至少两个转子板。至少一个定子中板和至少两个转子板布置在两个端部定子之间，提供至少两个转子板和至少一个定子中板之间的之字形磁场，从而放大磁阻电机的扭矩。

2、可选地，磁阻电机包括用于轴向推力的针式轴承，该针式轴承布置为磁阻电机的至少两个相邻部件之间的间隔件，其中这些部件包括端部定子、定子中板和转子板，从而确保相邻部件之间的间隔。

3、可选地，磁阻电机包括用于轴向推力的流体轴承，该流体轴承布置为磁阻电机的至少两个相邻部件之间的间隔件，其中这些部件包括端部定子、定子中板和转子板，从而确保相邻部件之间的间隔。

4、可选地，磁阻电机包括轴承滚珠，其中转子板、端部定子和定子中板均布置有用于轴承滚珠的轨道，使得轴承滚珠可以确保端部定子、定子中板和转子板之间的距离，从而防止它们彼此接触。

5、可选地，磁阻电机的相数是等于或大于4的偶数，并且其中相数通过被布置为根据电流方向将电流引导到不同相的二极管减半。

6、可选地，端部定子齿、定子中板齿和/或转子板齿具有以下形状之一：倒角形状、圆角形状和正弦形状。