基于齿槽插磁的轴向分相式磁力增强型两相高速开关磁阻电机

1.本发明属于电机技术领域，具体涉及一种基于齿槽插磁的轴向分相式磁力增强型两相高速开关磁阻电机。
技术背景
2.开关磁阻电机起源于19世纪40年代的英国，但是由于当时驱动系统只能采用机械开关，导致其运行特性与能量转换效率低下，得不到应有的重视。直到20世纪60年代，随着大功率晶闸管的使用，磁阻电机得到了迅速发展。磁阻电机的工作原理为磁场总是沿磁阻最小的路径走，即“磁阻最小原理”。当转子旋转时，磁场发生扭曲，此时磁场中产生切向磁拉力，形成扭矩。根据磁阻电机的工作原理，定转子齿的相对位置不同时，磁路的磁导也不同，转子的转动确保磁路的磁阻最小；改变线圈的通电顺序，即可保证电机的连续转动。因此，开关磁阻电机具有结构简单、成本低、可靠性好的特点，目前磁阻电机的产品广泛应用于电动车驱动系统的轮毂电机以及电液伺服与调速系统中的液压泵驱动电机等。
3.开关磁阻电机用于驱动液压泵有其特殊要求。普通开关磁阻电机多为干式结构，也就是定子绕组不能和油液直接接触。但对于泵用开关磁阻电机而言，采用干式电机驱动需要在泵轴一侧加一旋转动密封。泵的长时间高速运行过程会加剧密封圈的磨损失效，造成泵壳体内的油液泄露。此外，其摩擦生热也会导致密封圈老化脆裂，其剥离下来的碎屑极易引起故障。随着未来液压泵转速的进一步提升，其关键结构处的旋转动密封将越来越成为安全隐患，将电机转子浸泡在油液中的全浸没式设计方法已经是大势所趋，而这就需要考虑对现有的开关磁阻电机作湿式化设计的改进研究。
4.磁阻电机根据其定子各相的空间分布，可以分为径向分相和轴向分相两种。其中径向分相式的磁阻电机由于结构紧凑、功率重量比高，在现代工业中得到了广泛应用。另一方面，轴向分相式电机虽然体积略大，但由于其定子相沿着电机轴向排列，结构上很容易采用o型密封圈构成简单易行的湿式耐高压结构，在作为各类液压泵的驱动电机时具有独特的优势，即其可以允许工作介质(油液)等进入电机转子腔，如此则可以去掉泵轴上固有的动密封，大大提高了泵的工作可靠性。但由于电机转子全浸没在工作介质中，电机旋转时和油液相互接触而引起搅油损失，如此会折损掉相当一部分输出力矩。因此，在考虑将轴向分相式开关磁阻电机用于驱动液压泵的湿式场合时，应重点考虑如何增强其输出力矩的问题。


技术实现要素：

5.为解决现有技术存在的如何增强轴向分相式磁阻电机的输出力矩的技术问题，本发明提供一种基于齿槽插磁的轴向分相式磁力增强型两相高速开关磁阻电机。
6.本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.一种基于齿槽插磁的轴向分相式磁力增强型两相高速开关磁阻电机，包括前端
盖、后端盖、定子部件、转子以及控制线圈，定子部件的前后侧分别装有前端盖和后端盖，定子部件内安装有转子，转子上装有转子轴，转子轴的一端与前端盖连接，另一端穿过后端盖外露于壳体外部，定子部件、转子、转子轴的轴心线位于同一直线上，即同轴设置；其特征在于，
8.定子部件，包括形状相同的第一定子、第二定子、第三定子和第四定子，所述第一定子、第二定子、第三定子和第四定子的中间各开设有一个环状凹槽；所述第一定子、第二定子、第三定子和第四定子的内圆面沿周向均匀分布有数目相同且间隔布置的定子齿和矩形齿槽，所述第一定子、第二定子、第三定子和第四定子上的定子齿从周向上彼此错开1/2、1/4、1/2个齿距角；所述第一定子和第二定子的环状凹槽相对且外圆环贴合后形成对称凹槽，所述第三定子和第四定子的环状凹槽相对且外圆环贴合后形成对称凹槽，两个所述对称凹槽内用于安装线圈保持架和控制线圈；
9.控制线圈，包括第一控制线圈和第二控制线圈，第一控制线圈放置在第一定子和第二定子组成的对称凹槽内，第二控制线圈放置在第三定子和第四定子组成的对称凹槽内；
10.永磁体，包括永磁体环片和永磁体条，永磁体环片被轴向充磁为n极和s极；所述第二定子与永磁体环片的s极面贴合，所述第一定子、第二定子的定子齿被磁化为s极，形成第一定子磁面和第二定子磁面；所述第三定子与永磁体环片的n极面贴合，所述第三定子、第四定子的定子齿被磁化为n极，形成第三定子磁面和第四定子磁面；所述永磁体条包括定子插磁永磁体条和转子插磁永磁体条，分别在第一定子、第二定子、第三定子、第四定子的矩形齿槽内插入所述定子插磁永磁体条，在所述转子的转子齿槽内插入所述转子插磁永磁体条，永磁体条沿径向充磁，使永磁体条齿槽槽口端的极性与齿顶的极性相反；
11.转子，采用空心杯结构，所述转子外圆周面上开设有和定子齿齿形齿数相同的转子齿，形成转子磁面；第一定子磁面与转子磁面形成工作气隙δ1，第二定子磁面与转子磁面形成工作气隙δ2，第三定子磁面与转子磁面形成工作气隙δ3，第四定子磁面与转子磁面形成工作气隙δ4。
12.进一步的，还包括线圈保持架，所述第一定子和第二定子组成的对称凹槽内和所述第二控制线圈放置在第三定子和第四定子组成的对称凹槽内均放置有所述线圈保持架，所述线圈保持架上缠有所述控制线圈，以形成控制磁通。
13.进一步的，所述前端盖、后端盖和转子轴均采用不导磁的金属材料制成。
14.进一步的，所述转子、第一定子、第二定子、第三定子以及第四定子均采用高导磁率的金属软磁材料制成。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现在：
16.1、采用特殊的定转子齿面结构，在定子、转子齿槽中填入永磁体条；本发明通过设计定转子齿面结构使定子齿对转子齿时的工作气隙磁通量增大，在定子齿对转子槽时的工作气隙磁通量减小，即增大了有效磁通，从而使电磁转矩提高。
17.2、结构简单、成本低；相比于其他电机，本发明提供的电机零部件数量少，且加工、装配均较为容易，制造成本低，有利于工业化的实际应用和大规模批量生产。
附图说明
18.图1是本发明开关磁阻电机的整体结构示意图；
19.图2是本发明开关磁阻电机的装配示意图；
20.图3是本发明的转子结构示意图；
21.图4是本发明的前端盖示意图；
22.图5a是本发明的定子结构示意图；
23.图5b是本发明的定子和永磁体条的装配示意图；
24.图6a是本发明的转子结构示意图；
25.图6b是本发明的转子和永磁体条的装配示意图；
26.图7是本发明的永磁体环片结构示意图；
27.图8是本发明的线圈保持架结构示意图；
28.图9是本发明的后端盖结构示意图；
29.图10a是本发明的第一定子和转子的装配示意图；
30.图10b是本发明的第二定子和转子的装配示意图；
31.图10c是本发明的第三定子和转子的装配示意图；
32.图10d是本发明的第四定子和转子的装配示意图；
33.图11a是本发明的第一定子和第二定子的极性示意图；
34.图11b是本发明的第三定子和第四定子的极性示意图；
35.图11c是本发明的与第一定子和第二定子对应的转子的极性示意图；
36.图11d是本发明的与第三定子和第四定子对应的转子的极性示意图；
37.图12a是本发明的第一定子和转子气隙处的磁路放大图；
38.图12b是本发明的第二定子和转子气隙处的磁路放大图；
39.图12c是本发明的第三定子和转子气隙处的磁路放大图；
40.图12d是本发明的第四定子和转子气隙处的磁路放大图；
41.图13是本发明的工作原理示意图，此时第一控制线圈和第二控制线圈均不通电；
42.图14a、图14b、图14c和图14d分别是本发明的定子和转子的各个相对位置示意图，此时第一控制线圈和第二控制线圈均不通电；
43.图15a是本发明的工作原理示意图，第一控制线圈通入正向电流，第二控制线圈通入正向电流；
44.图15b1、图15b2、图15b3和图15b4分别是本发明的定子和转子的各个相对位置示意图，此时第一控制线圈通入正向电流，第二控制线圈通入正向电流；
45.图15c是本发明的工作原理示意图，第一控制线圈通入反向电流，第二控制线圈通入正向电流；
46.图15d1、图15d2、图15d3和图15d4分别是本发明的定子和转子的各个相对位置示意图，此时第一控制线圈通入反向电流，第二控制线圈通入正向电流；
47.图15e是本发明的工作原理示意图，第一控制线圈通入反向电流，第二控制线圈通入反向电流；
48.图15f1、图15f2、图15f3和图15f4分别是本发明的定子和转子的各个相对位置示意图，此时第一控制线圈通入反向电流，第二控制线圈通入反向电流；
49.图15g是本发明的工作原理示意图，第一控制线圈通入正向电流，第二控制线圈通入反向电流；
50.图15h1、图15h2、图15h3和图15h4分别是本发明的定子和转子的各个相对位置示意图，此时第一控制线圈通入正向电流，第二控制线圈通入反向电流。
具体实施方式
51.下面结合附图对本发明做进一步说明。
52.参照图1～图15h4，本发明的一种基于齿槽插磁的轴向分相式磁力增强型两相高速开关磁阻电机，包括前端盖2、后端盖10、定子部件、转子4以及控制线圈，定子部件的前后侧分别装有前端盖2和后端盖10，定子部件内安装有转子4，转子4上装有转子轴1，转子轴1的一端与前端盖2连接，另一端穿过后端盖10外露于壳体外部，定子部件、转子4、转子轴1的轴心线位于同一直线上，即同轴设置；
53.本发明的定子部件由第一定子3、第二定子5、第三定子7和第四定子9组成，所有定子形状相同，每个定子内圆沿周向均匀分布有12个定子齿31和12个矩形齿槽32，定子齿31形成定子磁面33，12个矩形齿槽32中分别装有永磁体条34，如图5b所示。为使得电机能够连续转动，需要改变定子放置方式和错齿方式。其放置方式为：第一定子3和第二定子5的定子齿在径向上错开1/2个齿距角,第二定子5和第三定子7的定子齿在径向上错开1/4个齿距角，第三定子7和第四定子9的定子齿在径向上错开1/2个齿距角，如图10a～图10d所示。第一定子3和第二定子5之间，以及第三定子7和第四定子9之间分别沿交界面开有对称的凹槽35，相互反扣拼合形成环形槽，环形槽内放置线圈保持架8，线圈保持架上缠有控制线圈，形成控制磁通。第二定子5和第三定子7之间放置有永磁体环片6，形成极化磁通。定子齿槽32内的永磁体条34径向充磁，极性与永磁体环片6产生的极化磁通的走向相反。第一定子3与第二定子5的永磁体条34齿槽端口端的极性是n极性的，齿槽底部端的极性是s极性的，如图11a所示。第三定子7与第四定子9的永磁体条34齿槽端口端的极性是s极性的，齿槽底部端的极性是n极性的，如图11b所示。定子齿槽32内放入永磁体条34，阻碍了永磁体环片6产生的磁力线经过定子齿槽32到达转子4，而是向定子齿31聚集，使得定子齿31对着转子齿41时进入转子齿41的磁通量增大，定子齿槽32对着转子齿41时进入转子齿41的磁通量减小，增大了磁通量的交变分量，即有效磁通。
54.转子4沿周向均匀分布有12个转子齿41和12个转子齿槽42,转子齿槽42中安装有永磁体条44，如图6b所示。转子齿形成转子磁面43，每个转子磁面43与定子磁面33形成工作气隙δ。转子4的12个齿槽42沿轴向分别装有2段相同长度的永磁体条44，永磁体条44径向充磁，和第一定子3与第二定子5段相对的转子齿槽42内的永磁体条44齿槽槽口端的极性是s极性的，齿槽底部端的极性是n极性的，如图11c所示，和第三定子7与第四定子9段相对的转子齿槽42内的永磁体条44齿槽槽口端的极性是n极性的，齿槽底部端的极性是s极性的，如图11d所示。转子齿槽42内放入永磁体条44，阻碍了永磁体环片6产生的磁力线经过齿槽42到达定子，而是向转子齿41聚集，使得转子齿41对着定子齿31时进入定子齿31的磁通量增大，转子齿槽42对着定子齿31时进入定子齿31的磁通量减小，增大了磁通量的交变分量，即有效磁通。
55.转子轴1是阶梯轴，与转子4固连，通过滚子轴承支撑在前端盖2和后端盖10。
56.转子4采用空心杯结构，减少转动惯量，有利于增加响应速度。
57.所述前端盖2、后端盖10和转子轴1用不导磁的金属材料制成，而转子4、第一定子3、第二定子5、第三定子7和第四定子9用高导磁率的金属软磁材料制成。
58.图12a～图12d分别为第一定子3、第二定子5、第三定子7和第四定子9的定子齿磁面33分别与转子4的转子齿磁面43所形成的工作气隙δ1、δ2、δ3和δ4处的磁路放大图。
59.如图13、图14a、图14b、图14c和图14d所示，当控制线圈不通电时，气隙中只有永磁体6产生的极化磁通，转子处于初始位置。
60.当第一控制线圈81与第二控制线圈82通入如图15a所示的正向电流，第二定子5与转子4之间的工作气隙δ2处和第三定子7与转子4之间的工作气隙δ3处的极化磁通和控制磁通相互叠加削弱；第一定子3与转子4之间的工作气隙δ1处和第四定子9与转子4之间工作气隙δ4处的极化磁通和控制磁通相互叠加增强，产生控制磁场，转子4受顺时针的力矩转过1/4个转子齿距，如图15b1～图15b4所示。
61.然后，如图15c所示，第一控制线圈81的电流方向不变，第二控制线圈82通入反向电流，第二定子5与转子4之间的工作气隙δ2和第四定子9与转子4之间的工作气隙δ4的极化磁通和控制磁通相互叠加削弱；第一定子3与转子4之间的工作气隙δ1处和第三定子7与转子9之间工作气隙δ3处的极化磁通和控制磁通相互叠加增强，产生控制磁场，转子4受顺时针的力矩转过1/4个转子齿距，如图15d1～图15d4所示。
62.接下来，如图15e所示，第一控制线圈81通入反向电流，第二控制线圈82的电流方向不变，第一定子3与转子4之间的工作气隙δ1处和第四定子9与转子4之间的工作气隙δ4处的极化磁通和控制磁通相互叠加削弱；第二定子5与转子4之间的工作气隙δ2处和第三定子7与转子4之间工作气隙δ3处的极化磁通和控制磁通相互叠加增强，产生控制磁场，转子4受顺时针的力矩转过1/4个转子齿距，如图15f1～图15f4所示。
63.最后，如图15g所示，第一控制线圈81的电流方向不变，第二控制线圈82通入正向电流，第一定子3与转子4之间的工作气隙δ1处和第三定子7与转子4之间的工作气隙δ3处的极化磁通和控制磁通相互叠加削弱；第二定子5与转子4之间的工作气隙δ2处和第四定子9与转子4之间工作气隙δ4处的极化磁通和控制磁通相互叠加增强，产生控制磁场，转子4受顺时针的力矩转过1/4个转子齿距，如图15h1～图15h4所示。重复上述通电方式，转子4就会以1/4个转子齿距的步距连续步进转动下去；改变通电方式，可以实现转子4的反方向运动；倘若采用类似于同步电机的控制方式，如两个控制线圈同时通入相位差为90
°
的正弦波电流，则可实现转子4的平滑均匀的连续转动。
64.上述具体实施方式用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于齿槽插磁的轴向分相式磁力增强型两相高速开关磁阻电机，包括前端盖、后端盖、定子部件、转子以及控制线圈，定子部件的前后侧分别装有前端盖和后端盖，定子部件内安装有转子，转子上装有转子轴，转子轴的一端与前端盖连接，另一端穿过后端盖外露于壳体外部，定子部件、转子、转子轴的轴心线位于同一直线上，即同轴设置；其特征在于，定子部件，包括形状相同的第一定子、第二定子、第三定子和第四定子，所述第一定子、第二定子、第三定子和第四定子的中间各开设有一个环状凹槽；所述第一定子、第二定子、第三定子和第四定子的内圆面沿周向均匀分布有数目相同且间隔布置的定子齿和矩形齿槽，所述第一定子、第二定子、第三定子和第四定子上的定子齿从周向上彼此错开1/2、1/4、1/2个齿距角；所述第一定子和第二定子的环状凹槽相对且外圆环贴合后形成对称凹槽，所述第三定子和第四定子的环状凹槽相对且外圆环贴合后形成对称凹槽，两个所述对称凹槽内用于安装线圈保持架和控制线圈；控制线圈，包括第一控制线圈和第二控制线圈，第一控制线圈放置在第一定子和第二定子组成的对称凹槽内，第二控制线圈放置在第三定子和第四定子组成的对称凹槽内；永磁体，包括永磁体环片和永磁体条，永磁体环片被轴向充磁为n极和s极；所述第二定子与永磁体环片的s极面贴合，所述第一定子、第二定子的定子齿被磁化为s极，形成第一定子磁面和第二定子磁面；所述第三定子与永磁体环片的n极面贴合，所述第三定子、第四定子的定子齿被磁化为n极，形成第三定子磁面和第四定子磁面；所述永磁体条包括定子插磁永磁体条和转子插磁永磁体条，分别在第一定子、第二定子、第三定子、第四定子的矩形齿槽内插入所述定子插磁永磁体条，在所述转子的转子齿槽内插入所述转子插磁永磁体条，永磁体条沿径向充磁，使永磁体条齿槽槽口端的极性与齿顶的极性相反；转子，采用空心杯结构，所述转子外圆周面上开设有和定子齿齿形齿数相同的转子齿，形成转子磁面；第一定子磁面与转子磁面形成工作气隙δ1，第二定子磁面与转子磁面形成工作气隙δ2，第三定子磁面与转子磁面形成工作气隙δ3，第四定子磁面与转子磁面形成工作气隙δ4。2.如权利要求1所述的一种基于齿槽插磁的轴向分相式磁力增强型两相高速开关磁阻电机，其特征在于，还包括线圈保持架，所述第一定子和第二定子组成的对称凹槽内和所述第二控制线圈放置在第三定子和第四定子组成的对称凹槽内均放置有所述线圈保持架，所述线圈保持架上缠有所述控制线圈，以形成控制磁通。3.如权利要求1所述的一种基于齿槽插磁的轴向分相式磁力增强型两相高速开关磁阻电机，其特征在于，所述前端盖、后端盖和转子轴均采用不导磁的金属材料制成。4.如权利要求1所述的一种基于齿槽插磁的轴向分相式磁力增强型两相高速开关磁阻电机，其特征在于，所述转子、第一定子、第二定子、第三定子以及第四定子均采用高导磁率的金属软磁材料制成。

技术总结
本发明公开了一种基于齿槽插磁的轴向分相式磁力增强型两相高速开关磁阻电机，采用特殊的定转子齿面结构，在定子、转子齿槽中填入永磁体条，通过设计定转子齿面结构使定子齿对转子齿时的工作气隙磁通量增大，在定子齿对转子槽时的工作气隙磁通量减小，即增大了有效磁通，从而使电磁转矩提高。本发明结构简单、成本低，相比于其他电机，本发明提供的方案零部件数量少，且加工、装配均较为容易，制造成本低，有利于工业化的实际应用和大规模批量生产。有利于工业化的实际应用和大规模批量生产。有利于工业化的实际应用和大规模批量生产。


技术研发人员：孟彬 王磊迪 吴基玄 张晨晨 李胜 阮健
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/15