多级内转子开关磁阻电机

本发明涉及旋转电机领域，特别涉及多级开关磁阻电机。

现有开关磁阻电机的定、转子铁芯上的极靴是直线排列方式的，激 磁线圈绕在定子铁芯的每一个极靴上，运行时只有一部分极靴线圈通电 工作，还有一部分极靴线圈不通电，也就是只有部分极靴上产生磁拉力。 这样的电机定子极靴线圈经程控化循环轮流通、断电后，依靠定、转子 铁芯极靴之间磁拉力作用，使电机转动起来，并带动负载工作。

这种结构形式的电机其绕制线圈工艺麻烦，且难以制造大功率、大 力矩开关磁阻电机，定、转子铁芯的极靴上受到的磁拉力不是均匀分布 在铁芯园周上，从而电机在运行时铁芯因受力磁拉力的作用产生的变形 量大，继而电机振动大、噪音大。这就是目前该类电机普遍存在且难以 解决的技术难题，也是影响其推广、普及应用的根本所在。

本发明的目的是提供一种定、转子铁芯极靴所受到的磁拉力是均匀 分布在铁芯园周上，激磁线圈数量少且制作简易，电机结构简单紧凑、 制造方便，能实现大功率、大力矩、无级平滑调速、高效率、低噪音、 振动小的多级开关磁阻电机。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种多级(二级及 以上)开关磁阻电机，包括定子和转子、转轴和固定在定子铁芯外园的 机壳、端盖，定子套在转子铁芯的外园上，构成内转子形式。转子铁芯 的中心孔设有转轴，转轴上装设轴承。多级开关磁阻电机的定子部分由 多个《单元独立磁路闭合体》的单元定子经串联而构成；多级开关磁阻 电机的转子部分亦是由多个《单元独立磁路闭合体》的转子铁芯经串联 而构成；从而能够实现大力矩、大功率多级开关磁阻电机。

所述的《单元独立磁路闭合体》中，定、转子铁芯是由硅钢片叠压 而成的(亦可以用其它磁性材料)。定子铁芯上设有激磁线圈并放置在 定子铁芯中间部位的沟槽内，定子铁芯上的极靴交错排列在沟槽的两侧 (注：原则上可以互相错开任意角度或距离，但错开二分之一个极靴距 为最佳)；所述的转子铁芯上同样设有与定子铁芯极靴数量相等的转子 极靴，且与定子极靴一一相对应，转子铁芯中间部位同样开设有沟槽， 与定子铁芯上的沟槽相对应。

这样的一组定、转子铁芯和定子激磁线圈就构成了一个《单元独立 磁路闭合体》，其磁路形式类似于螺旋管磁路或变压器磁路。当定子激 磁线圈通电流时，在定、转子铁芯内就会产生磁场，形成一个独立闭合 磁路系统。这种结构形式的电机磁路系统，漏磁量少，磁场或磁能利用 率高，利用磁阻原理使磁场直接产生磁拉力来拉动电机转子转动，因而 电机的效率很高。

所述的《单元独立磁路闭合体》中，其定子铁芯连同激磁线圈经塑 封后成为一个单元塑封定子，经串联而构成多级塑封式开关磁阻电机定 子；亦可以将单元定子、转子铁芯分别同时塑封，经串联而构成多级塑 封式开关磁阻电机定、转子；亦可以将单元定子、转子铁芯先进行多级 串联之后再塑封，成为多级开关磁阻电机塑封定、转子，从而构成塑封 式多级开关磁阻电机。

这种定、转子铁芯结构形式，当激磁线圈通电流时，定、转子铁芯 的所有极靴上都有磁场力同时作用，使极靴上所受之力均匀排布在定、 转子铁芯的园周上，电机运转时铁芯变形量小、振动小、噪音小，而且 力矩大；由于多级串联组合(多级开关磁阻电机运行时，只有一级的线 圈不通电在等待循环，其它线圈都在通电工作中；如五级开关磁阻电机， 始终有四级的线圈在通电工作中)，使的电机运行更加平稳，力矩更大 (如四级或五级开关磁阻电机即可以用作电力机车牵引电机)。由于这 种电机结构简易、紧凑，功率密度大，使得电机体积小、重量轻，更安 全、更可靠，故障率低，同时生产效率高，节约原材料，成本低。

该多级开关磁阻电机采用的是组合拼接方式，使得生产更加方便、 易行。再加之其优良的振动小、低噪音性能、高平稳运行、大力矩、大 功率输出、高效率、平滑无级调速等一系列优点，所以是替代现有动力 电机的产品，是更新换代产品，是今后相当长一段时间内电机发展的方 向和实施的目标之一。如可替代现有交流电机、直流电机、同步电机、 程控电机、牵引电机、变频电机、伺服电机等等。

由于能够很方便地无级平滑调速、起动力矩和运行力矩大，很多使 用场所就可以省去机械变速机构---变速箱，这具有很大的现实意义。

由于这种电机是直流供电，也就是从交流电网经整流后再供给电 机，所以对电网系统的供电水平、质量的提高都具有重要的现实意义。

图1《单元独立磁路闭合体》之定子铁芯结构图例；

图2《单元独立磁路闭合体》之转子铁芯结构图例；

图3《单元独立磁路闭合体》图例；

图4单元定子(定子铁芯和激磁线圈)结构图例；

图5三级开关磁阻电机定子即单元定子三级串联结构图例；

图6三级开关磁阻电机转子即单元转子铁芯三级串联结构图例；

图7三级开关磁阻电机定、转子组装结构图例；

图8三级开关磁阻电机总装配结构图例；

图9单元塑封定子结构图例；

图10塑封式三级开关磁阻电机定、转子组装结构图例；

图11三级开关磁阻电机运行原理说明图例；

图12三级开关磁阻电机电气原理图例；

如图1-图12所述，一种多级开关磁阻电机，包括定子铁芯(1)、 激磁线圈(2)、转子铁芯(3)、机壳(4)、端盖(5)、轴承(6)、转轴 (7)、定子铁芯联接件(8)、转子铁芯联接件(9)、位置传感编码器(16) 等。

定子铁芯(1)固定在机壳(4)内，激磁线圈(2)放置在定子铁 芯(1)的沟槽(11)中，转轴(7)固安在转子铁芯(3)的中心孔(13) 中，转子铁芯(3)放在定子铁芯(1)的内园(14)中，构成内转子结 构形式；单一组定子铁芯(1)、转子铁芯(3)及激磁线圈(2)便构成 了一个《单元独立磁路闭合体》(图3)，其磁路类似于螺旋管磁路系统 或类似于变压器磁路系统。

将多个《单元独立磁路闭合体》(图3)进行有机地串联后，就构成 了多级开关磁阻电机。

串联是将《单元独立磁路闭合体》(图3)按轴向进行有机地叠加连 接，相临的两个《单元独立磁路闭合体》(图3)中的单元定子(图4) 或转子铁芯(图2)相互之间要错开一定角度(依其铁芯极靴为基准)， 角度偏向要一致，通过定子铁芯联接件(8)、转子铁芯联接件(9)将 其关联起来。如三级9极靴定、转子铁芯串联(图5、图6)为例，相 临的两个定子铁芯(1)及转子铁芯(3)通过关联件(8)(9)使其联 在一起，并相互之间错开10度。每一级的《单元独立磁路闭合体》(图 3)的激磁线圈(2)按照特定顺序通、断电流，程序化控制开、关器件 (K1、K2、K3)，使电流按一定的程序开通、关断，定、转子极靴上就 会产生相应的磁拉力，使电机转动起来。

塑封式多级开关磁阻电机，是通过塑封体上的关联机构(15)将单 元塑封定子(图9)关联起来，从而成为塑封式多级开关磁阻电机。图 10为三级串联塑封式开关磁阻电机定、转子组装图例。

图5、图6、图7、图8、图10是三级串联开关磁阻电机及部件图 例。

下面以9极靴的定、转子铁芯为例说明三级串联开关磁阻电机运行 原理：

三级串联开关磁阻电机中的每一级《单元独立磁路闭合体》(图3) 按轴向进行有机地排列叠加，相临的两个定子铁芯以及转子铁芯的极靴 之间相互错开10度，角度偏向要一致。如(图5)定子极靴(1-1)与极 靴(1-2)错开10度，极靴(1-2)与极靴(1-3)错开10度；如(图6)转子 极靴(3-1)与极靴(3-2)错开10度，极靴(3-2)与极靴(3-3)错开10度。 其三级定、转子铁芯之间的相对位置关系如图11(a)、图11(b)、图 11(c)所示，当转子转到图11的位置状态时，激磁线圈L2断电(且 直至再转到a的位置状态时才再接通电源)，激磁线圈L1开通电源(且 直至转到b的位置状态时才断开电源)，激磁线圈L3仍然继续通电中(且 只有转到b的位置状态时才断开电源)；也就是每一级《单元独立磁路 闭合体》(图3)只有转到图11中的a位置状态时才开通电源、转到图 11中的b位置状态时断开电源，在c的位置状态时仍在通电中。这样电 机的转子极靴靠定子极靴上磁拉力的作用就会连续运转起来。通、断电 顺序为：L3通---L1开通---L2关断；L3关断---L1通---L2开通；L3 开通---L1关断---L2通；这样循环轮流开通、关断电源，转子上的极 靴就会始终受到定子极靴磁拉力的作用而转动起来，并可带动负载工 作。

又如2级的、4级的、5级等多级开关磁阻电机运行原理是一致的。 不管是几级的开关磁阻电机，工作时，始终只有一级中的激磁线圈不通 电、不工作，其它级中的激磁线圈都在通电工作状态中。

以上仅是说明多级开关磁阻电机的工作过程及原理，在具体应用、 设计时还要考虑很多其它因素。

该发明多级开关磁阻电机，是模块化生产，积木式拼装，使得输出 功率可大可小、力矩可大可小、且转速可调，极大地方便了生产与制 造，使得应用范围更广泛。