CN106026586A - 闭合叠加磁路开关磁阻直流电动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闭合叠加磁路开关磁阻直流电动机，包括定子和安装在定子内的转子，所述定子包括嵌入永磁铁的环形定子轭及定子轭上的凸极和绕制在凸极上的线圈组；“S”形转子包括至少两个外弓背结构，所述外弓背结构包括与任一凸极对应的第一弓背部和延伸至该凸极相邻一侧凸极的第二弓背部，所述定子轭上设置有永磁铁在电磁场的作用下以产生叠加磁场，且线圈组上连接有感应反电势能量再生电路；本装置充分利用电磁能、永磁能及线圈断电所产生的反电动势进行叠加做功，有效的提高了电机工作效率和功率密度且获得了超高的功率输出。
Description
技术领域
本发明涉及开关磁阻直流电动机领域，具体涉及闭合叠加磁路开关磁阻直流电动机。
背景技术
现有的开关磁阻电机的定子、转子均为凸极结构，定子凸极为独立绕组，转子凸极既无绕组也无永磁体，转子凸极数比定子凸极数少2个。当转子凸极与定子某一凸极处于磁场轴线临近位置时，通过位置传感器控制开关闭合，定子相关凸极绕组通电产生磁场与相关转子凸极形成磁回路。根据磁阻最小原则，相关定子、转子凸极间即产生吸力转矩，当定子凸极与转子凸极运行至磁场轴线重合时关断电源，转矩消失，从而其它获得通电条件的定子凸极绕组开通电源形成转矩，依次循环实现连续运转，开关磁阻电机的运行完全依靠电磁转矩。
现有的另一种双凸极永磁电动机即DSPM电动机是在开关磁阻电机简单结构的基础上将高性能永久磁铁嵌入定子铁芯，形成永磁定子，其工作原理与开关磁阻电机基本相同，所不同的是双凸极永磁电机中起主导作用的转矩为永磁转矩。
以上两种电机的一共同点，不论电机定子由多少个凸极构成，在运行中只有三分之一的凸极轮流通电产生转矩，而三分之二的凸极轮流断电待机，导致了电机的通电率仅为33%，工作效率、功率密度、运转平稳性都不理想，同时浪费材料，增加了成产成本。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供闭合叠加磁路开关磁阻直流电动机。该机具有高转速、高功率密度、高可靠性、稳定性和超高效率、低功耗、低成本优势，综合性能及其优越。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：闭合叠加磁路开关磁阻直流电动机，包括在定子轭部嵌入稀土强力永磁铁的定子和安装于定子腔内的“S”形转子。定子由嵌入稀土强力永磁铁的环形定子轭及4个独立凸极和凸极上的4独立线圈构成。嵌入定子轭部的永磁铁“S”“N”极与环形定子轭构成闭合磁路，定子凸极在非工况下呈无磁性状态。
转子由“S”形冲片叠加构成，转子上无磁铁无绕组。“S”形转子的特殊结构有效的克服传统开关磁阻电机矩形凸极线圈通电瞬时相邻定子凸极对转子矩形凸极可同时产生正、反两个吸力转矩的负面效应，获得了很好的启动和运行的稳定性。
本机结构为2相2极，当A相线圈通电的同时B相线圈断电，根据磁阻最小原则，A相线圈所产生的磁力线回路诱导偏转定子轭部的永磁铁磁力线沿磁阻最小路径进行叠加，在A相凸极形成更强磁回路对“S”形转子产生吸力转矩。当转子旋转90度时，A相线圈断电，B相线圈同时通电并按A相磁路叠加原理形成磁回路，完成又一次吸力转矩，……，依次循环连续运转。
本机采用A、B相相互独立的位置控制开关电路及电容补偿供电充分利用电磁能、永磁能以及线圈断电时所产生的反电势能进行叠加强化做功，达到超高的功率输出。
由于“S”形转子与定子内腔之间有较大通道空间，本机采用内置轴流风扇进行通风散热以增强散热效果。进出风口用100目不锈钢网过滤保护，防止杂物颗粒进入电机内部。
在散热条件良好的情况下，电机外壳采用工程塑料模压成型制作以克服定子轭部磁通变化时对金属外壳的感应涡流损耗。同时减轻机壳重量和降低成本，两端盖则采用铝合金压铸制造确保整机加固可靠。
伸出电机后端盖的转子轴尾设置永磁磁鼓作为HL元件的位置磁控元件。
后端盖设计一同心圆定位外止口，止口上安装HL元件基板，HL元件按设计角度位置固定于基板上。HL元件基板可沿止口作圆周方向调整，直至HL元件达到最佳控制位置，对于转速转矩经常处于大幅度变化工况的电机则采用智能芯片控制微型伺服机构自动适时调整HL位置，实现智能化控制，确保任何工况下的高效运行。
综上，本发明的有益效果是：
1、与传统开关磁阻电机单纯依靠电磁转矩或永磁转矩相比，本方案中的定子凸极磁场是由电磁场和受电磁场诱导偏转控制的定子轭永磁场以及电磁线圈断电时产生的反电动势经电容吸收二次放电所产生的辅助电磁场进行叠加强化后的凸极磁场，其足以于“S”形转子的吸力转矩远超传统电磁吸力转矩或单纯永磁吸力转矩，而达到更高能效。样机实测数据与同等传统开关磁阻电机电笔可提高效率15%以上。
2、定子绕组A、B相的交替运行模式使电机绕组连续通电率达到50%，高于传统开关磁阻电机33.3%通电率，大幅度提高了电机功率密度。
3、“S”形转子的特殊是结构有效的克服传统开关磁阻电机通电瞬时定子相邻凸极对转子矩形凸极可同时产生正、反两个吸力转矩的负面效应，有效的改善了启动、运行的稳定性。“S”形转子与定子内腔形成的较大通道空间使内置轴流风扇的散热效率更高。
4、外置式控制磁鼓和HL元件组使控制系统的制作、安装、调试维护更为方便。极大实现控制系统的动态控制智能化，确保高效率运行区间达90%以上。
5、定、转子结构简单坚固、极数少，电机可达到极高转速和高功率密度，可有效的降低制造成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为HLA1、HLA2触发开关电路中的AK1、AK2、AK3开关管闭合通电时A相线圈所产生的电磁场和诱导偏转永磁铁的永磁场在A相凸极形成叠加后的磁力线分布走向以及与转子形成磁回路而产生吸力转矩的示意图。
图2为HLB1、HLB2触发开关电路中的BK1、BK2、BK3开关管闭合通电时B相线圈所产生的电磁场和诱导偏转永磁铁的永磁场在B相凸极形成叠加后的磁力线分布走向以及与转子形成磁回路而产生吸力转矩的示意图。
图3为整机结构剖视图及控制系统中各相关元件的控制原理图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、机壳；2、定子；3、定子轭永磁铁；4、线圈绕组；5、“S”形转子; 6、磁鼓；7、HL元件；8、HL元件基板；9、轴流风扇；10、轴。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图3所示，本发明包括机壳1、安装于机壳1内的定子2、定子凸极上的线圈绕组4、安装于定子2 腔内的“S”形转子以及安装于转子轴10后尾端的磁鼓、可沿后端盖止口作圆周方向调整的HL元件基板8、HL元件7按设计角度位置固定于基板8。内置轴流风扇9加速后从“S”形转子5与定子2内腔形成的通道流过，带走热量后再从出风口排入大气。磁鼓6的位置磁信号经HL元件7转换为电信号后分别输入开关电路中的BK1、BK2、BK3及AK1、AK2、AK3开关管并交替控制A、B相线圈的依序通、断电，形成旋转磁场，驱动转子旋转。
实施例2
如图1所示，本发明中定子2轭部的两凸极二分之一处嵌入一块稀土强力永磁铁3。永磁铁3的“S”“N”极与环形定子2轭部形成闭合磁路，定子2凸极在非工况下呈无磁性状态。本实施例中的定子为2相2极，在实际应用中可根据需要对相数、极数合理调整。较少的相数、极数能有效控制磁通变化频率、降低铁损，提高电机转速和功率密度，而且结构简单，坚固可靠，降低制造成本。
实施例3
如图1所示，本发明中的“S”形转子5的“S”形两端最高顶点运转至定子B相凸极中心线临近重合时，HLB1、HLB2控制BK1、BK2、BK3同时断开，在B相线圈电路断电失磁瞬时产生的感应反电势电流经单向回路充入电容器C2存储。同时，HLA1控制AK1、AK3导通A相线圈释放上一工作周期充入电容器C1的电能产生磁场做功。随之HLA2控制AK2导通主电路产出A相凸极形成叠加磁场。根据磁阻最小原则，A相凸极的磁力线偏向“S”形转子的“S”形外弓背气隙最小处形成磁回路并产生单向吸力转矩。“S”形转子的内弓凹部因气隙空间大而不能形成有效的磁回路，因此克服了传统开关磁阻电机矩形凸极线圈通电瞬间时相邻定子凸极对转子矩形凸极可同时产生正、反两个吸力转矩的负面效应。
实施例4
如图2所示，本发明的“S”形转子5的“S”形两端最高顶点运转至定子A相凸极中心线临近重合时，HLA1、HLA2控制AK1、AK2、AK3同时断开，在A相线圈电路断电失磁瞬时产生的感应反电势电流经单向回路充入电容器C1存储。同时，HLB1控制BK1、BK3导通B相线圈释放上一工作周期充入电容器C2的电能产生磁场做功。随之HLB2控制BK2导通主电路产出B相凸极形成叠加磁场。根据磁阻最小原则，B相凸极的磁力线偏向“S”形转子的“S”形外弓背气隙最小处形成磁回路并产生单向吸力转矩。“S”形转子的内弓凹部因气隙空间大而不能形成有效的磁回路，因此克服了传统开关磁阻电机矩形凸极线圈通电瞬间时相邻定子凸极对转子矩形凸极可同时产生正、反两个吸力转矩的负面效应。
如图1、图2所示，本发明的闭合叠加磁路及“S”形转子有效的利用了电磁能、永磁能、自感反电动势以及优化的磁回路，使该发明具有超高效率、高功率密度、高可靠性、低成本的综合优势。
实施5
如图1所示，本发明的外置式可调HL控制系统可根据实际工况设计不同的调整方式，在转速、负荷变化不大的工况下可将HL基板8的HL元件7调整至最佳工作位置后进行固定。转速、负荷经常处于大幅度变化工况的机型采用智能芯片控制微型伺服机构自动适时转动调整霍尔基板的开关提前角位置，实现智能控制，确保任何工况下的高校运行。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.闭合叠加磁路开关磁阻直流电动机，包括定子和安装于定子内的转子，内置轴流风扇，外置式磁鼓以及置于后端盖外止口上的HL元件基板，基板上的HL元件，其特征在于：安装在机壳（1）内的定子（2）轭部嵌有稀土强力永磁铁（3）的环形定子轭及4个独立凸极和凸极上的独立线圈（4），嵌入定子（2）轭部的永磁铁（3）的“S”“N”极与环形定子轭构成闭合磁路，定子凸极在非工况下呈无磁性状态。
2.根据权利要求1所述的闭合叠加磁路开关磁阻直流电动机，其特征在于：凸极线圈（4）通电后，该凸极即产生电磁场，根据磁阻最小原则，电磁磁力线回路诱导偏转在定子轭形成闭合磁回路的永磁磁力线向以电磁场为主导的凸极聚集，形成更强的叠加磁场。
3.根据权利要求1或2所述的闭合叠加磁路开关磁阻直流电动机，其特征在于：转子（5）由“S”形冲片叠加构成，转子宽度与凸极等宽处的“S”形外弓背节点呈渐开线延伸至相邻凸极极宽的十分之一处，延伸线终点位置高点与定子凸极内径留有一定间距，使转子“S”形外弓背延伸部分与定子凸极内径形成渐变气隙，气隙间距视转子直径取值，取值范围：0.04-0.07D, “S”形内弓腹部呈渐开线弧形凹陷，与相关定子凸极形成较大气隙。
4.根据权利要求1或2所述的闭合叠加磁路开关磁阻直流电动机，其特征在于：外置式磁鼓（6）置于后端盖处止口上的HL元件基板（8）安装于HL元件基板（8）上的HL元件（7）置于后端盖处止口上的HL元件基板（8）可沿止口作旋转调节控制开关提前量，其调节方式分手动调节、智能伺服调节。
5.根据权利要求1或2所述的闭合叠加磁路开关磁阻直流电动机，其特征在于：A相HLA1提前主路5-10度控制AK1、AK2先行导通能量再生回路，以充分释放C1在上一循环周期中所存储感应电动势，经过线圈（4）产生瞬间叠加磁路并对“S”形转子（5）形成瞬时吸力转矩，经完全释放电能后的C1则在下一循环充电周期时充分吸收断电失磁时产生的瞬时感应反电势，B相特征与A相完全一致。
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