一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机

摘要

本发明公开了一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机，其包括定子(1)、转子(2)以及绕组(3)，其中，所述定子(1)和转子(2)均为凸极结构；其特征在于，所述绕组(3)为单层分数槽非重叠集中绕组，且绕组中电流包括正弦交流分量和直流分量，其中，所述正弦交流分量用于产生旋转磁势，直流分量用于产生旋转磁场。本发明的磁阻电机为单层绕组，无需相间绝缘，与现有技术相比，可以提高槽满率，进而提高电机转矩密度；此外，与现有技术相比，本发明提出的磁阻电机的定子Z1和转子槽数Z2的最小公倍数增大，转矩脉动减小到30％以下。

说明书

技术领域

本发明属于磁阻电机领域，更具体地，涉及一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机。

背景技术

永磁电机具有高功率密度、高效率、高功率因数等优点，在伺服系统、电动汽车驱动系统、风力发电等场合，已经得到了广泛的应用。然而，永磁电机的永磁体，尤其是稀土永磁，价格昂贵，价格波动大，造成永磁电机系统的成本较高，在一些对成本比较敏感的应用场合，永磁电机的应用受到了限制。此外，由于永磁磁链难以调节，在短路等故障情况下难以灭磁，永磁电机在航空航天等领域的应用也比较受限。

因此，非永磁的电机，包括传统的开关磁阻电机、同步磁阻电机、异步电机等，在一些特殊应用场合，仍然具有很重要的应用地位。

同步磁阻电机和异步电机的定子绕组一般都为传统的重叠绕组，绕组端部长且重叠，由于端部不能起到能量转换的部分，因此较长的端部一方面降低了电机的功率密度，又增加了电机的铜材料的消耗；此外，重叠绕组无法采用自动化下线，嵌线成本较高。

而开关磁阻电机虽然采用的是单齿绕重叠绕组，但由于其特有的供电方式，在开关关断瞬间，存在较大的电流尖峰，因此电机的振动和噪声很大，此外，电机的转矩脉动也较大。这些缺点影响了开关磁阻电机在某些对振动和噪声要求较高的场合的使用。

为了克服磁阻电机的上述缺陷，文献“Integrated field and armature current control strategy for variable flux reluctance machine using open winding”(Z.Zhu,B.Lee,and X.Liu,IEEE Trans.Ind.App.,2015.)公开了一种变磁通磁阻电机，该磁阻电机包括转子铁心、定子铁心以及三相单齿绕双层非重叠集中绕组，该电机的驱动电路采用开绕组逆变器结构，绕组中的电流表达式为：

该磁阻电机存在如下不足：

(1)该磁阻电机的绕组为双层绕组，定子槽内需要敷设相间的绝缘，占用了一部分槽内空间，槽满率不高，因此电机的转矩密度不高；

(2)该磁阻电机转矩脉动比较大，超过了60％。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机，该磁阻电机采用单层分数槽非重叠集中绕组，且绕组中电流包括正弦交流分量和直流分量，所述正弦交流分量用于产生旋转磁势，所述直流分量用于产生旋转磁场。本发明的磁阻电机为单层绕组，无需相间绝缘，与现有技术相比，可以提高槽满率，进而提高电机转矩密度；此外，与现有技术相比，本发明提出的磁阻电机的定子Z₁和转子槽数Z₂的最小公倍数增大，转矩脉动减小到30％以下。

为实现上述目的，本发明提供了一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机，其包括定子、转子以及绕组，其中，所述定子和转子均为凸极结构；

其特征在于，所述绕组为单层分数槽非重叠集中绕组，且绕组中电流包括正弦交流分量和直流分量。

进一步地，所述单层分数槽非重叠集中绕组的每极每相槽数q为分数，且满足如下关系：

其中，Z₁为定子槽数，P_a为绕组极对数，m为相数。

进一步地，所述正弦交流分量用于产生旋转磁势，所述直流分量用于产生旋转磁场。

进一步地，所述转子的凸极结构起到调制励磁磁势的作用，其调制作用可以表述为：

Λ(θ_s,t)≈Λ_r0-Λ_r1cos[Z₂(θ_s-w_rt)]

其中，Z₂为转子槽数；θ_s为空间位置；t为时间；w_r为转子的角速度。

进一步地，所述绕组的极对数P_a和绕组中交流分量的电频率w_e分别满足一定关系，且交流分量与反电势的夹角为零时，该电机的输出转矩最大，所述关系为：

P_a＝|P_dc-N_r|

w_e＝N_rw_r

其中，N_r为转子槽数，P_dc为通入直流时产生的磁势极对数，w_r为转子的机械频率。

进一步地，所述直流分量的平均值I_dc与交流分量有效值I_rms的比为1.0～1.1时，该电机的输出转矩最大。

进一步地，所述定子和转子为同轴套设。

进一步地，定子与转子可以是外定子内转子结构，也可以是外转子内定子结构。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的磁阻电机为单层绕组，无需相间绝缘，与现有技术相比，可以提高槽满率，进而提高电机转矩密度；

(2)由于齿槽转矩和转矩脉动与定子Z₁和转子槽数Z₂的最小公倍数有关，最小公倍数越大，转矩脉动越小，与现有技术相比，本发明提出的磁阻电机的最小公倍数均增大，转矩脉动减小到30％以下；

(3)与现有的开关磁阻电机系统相比，本发明所提出电机的电流波形非常平滑，无电流尖峰，因此振动和噪声极大减小；

(4)与现有的同步磁阻等电机相比，本发明所提出电机采用非重叠集中绕组，端部很短，可以提高转矩密度，降低铜材料消耗。

附图说明

图1(a)为本发明实施例的一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机拓扑，其电机定子为12槽，转子为10槽，电枢绕组为7对极；

图1(b)为本发明实施例的一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机拓扑，其电机定子为12槽，转子为8槽，电枢绕组为5对极；

图2(a)为本发明实施例的一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机只通入直流时的磁势分布中涉及的磁势波形；

图2(b)为本发明实施例的一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机只通入直流时的磁势分布中涉及的磁势谐波含量；

图3(a)为本发明实施例的一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机只通入直流时的气隙磁密分布中涉及的气隙磁密波形；

图3(b)为本发明实施例的一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机只通入直流时的气隙磁密分布中涉及的气隙磁密谐波含量；

在图1(a)和图1(b)中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1—定子铁心，2—转子铁心，3—A相绕组。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的优选实施例中，第一实施例与第二实施例的电机拓扑基本相同，区别仅在于槽极配合不同，因此，本实施例选取其中一种极槽配合方案进行说明。

图1(a)为本发明实施例的一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机拓扑，其定子为12槽，转子为10槽，绕组为7对极，为阐述方便，仅给出A相绕组的绕组连接图，B相和C相绕组连接可根据槽数和极对数关系采用绕组理论画出。

如图1(a)所示，该磁阻电机包括定子1、转子2及绕组3；

其中，所述定子1和转子2均为凸极结构，即定子开槽，转子也开槽，所述转子的凸极结构起到调制励磁磁势的作用，其调制作用可以表述为：

Λ(θ_s,t)≈Λ_r0-Λ_r1cos[Z₂(θ_s-w_rt)]

其中，Z₂为转子槽数，θ_s为空间位置，t为时间，w_r为转子的角速度；

所述绕组3为单层分数槽非重叠集中绕组，即绕组的每极每相槽数为分数，且满足如下关系：

其中，Z₁为定子槽数，P_a为绕组极对数，m为相数；

同时绕组中的中电流包括正弦交流分量和直流分量，所述正弦交流分量用于产生旋转磁势，所述直流分量用于产生旋转磁场。

本发明的磁阻电机为单层绕组，无需相间绝缘，与现有技术相比，可以提高槽满率，进而提高电机转矩密度。

本实施例中，在通入某一直流电流时，产生的静止磁势分布如图2所示。图2(a)为本发明实施例的一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机只通入直流时的磁势分布中涉及的磁势波形；图2(b)为本发明实施例的一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机只通入直流时的磁势分布中涉及的磁势谐波含量；从图2(b)的磁势谐波分析可以看出，在给12槽7对极的电枢绕组中通入直流电流后，空间产生的磁势谐波中含量最高的为3次，受定子齿谐波的影响9次谐波也较大，因此定义磁势中谐波含量最高的3次为直流激励时的极对数P_dc。

图3(a)为本发明实施例的一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机只通入直流时的气隙磁密分布中涉及的气隙磁密波形；图3(b)为本发明实施例的一种单层集中绕组直流注入型游标磁阻电机只通入直流时的气隙磁密分布中涉及的气隙磁密谐波含量，如图3(a)所示，选取气隙磁密中幅值最高的谐波作为主要的工作次谐波，即为|P_dc-Z₂|。

在本实施例的优选方案中，所述绕组3的极对数P_a和绕组中交流分量的电频率w_e分别满足一定关系，且交流分量与反电势的夹角为零时，该电机的输出转矩最大，所述关系为：

P_a＝|P_dc-N_r|

w_e＝N_rw_r

其中，N_r为转子槽数，P_dc为通入直流时产生的磁势极对数，w_r为转子的机械频率。

在本实施例的优选方案中，当电机处于轻载运行时，且当直流平均值I_dc与交流分量有效值I_rms相等时，在铜耗一定时，可以得到最大的输出转矩；

当电机处于重载运行铁心饱和时，且当直流平均值I_dc与交流分量有效值I_rms的比例(电机最大转矩电流比)处于1.0～1.1时，在铜耗一定时，可以得到最大的输出转矩。

如图1(a)所示，所述定子1和转子2为同轴套设。

作为本实施例的优选，定子1与转子2可以是外定子内转子结构，也可以是外转子内定子结构。

图1(b)为本发明优选实施例中的另一种槽极配合单层集中绕组直流注入型正弦电流游标磁阻电机，其定子为12槽，转子为8槽，绕组为5对极；为阐述方便，仅给出A相绕组的绕组连接图，B相和C相绕组连接可根据槽数和极对数关系采用绕组理论画出。

由于齿槽转矩和转矩脉动与定子Z₁和转子槽数Z₂的最小公倍数有关，最小公倍数越大，转矩脉动越小。与现有技术相比，本发明提出两种槽极配合的磁阻电机的最小公倍数均增大，转矩脉动减小到30％以下。

此外，与现有的开关磁阻电机系统相比，本发明所提出电机的电流波形非常平滑，无电流尖峰，因此振动和噪声极大减小。

与现有的磁阻电机相比，本发明所提出的磁阻电机采用非重叠集中绕组，端部很短，可以提高转矩密度，降低铜材料消耗。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。