一种单相永磁型开关磁阻电机及其控制方法与流程

本发明属于电机领域，特别涉及一种输入能量可重复利用的单相永磁型开关磁阻电机及其控制方法。

背景技术：

在常规的单相开关磁阻电机中，由于要考虑电机的启动问题，一般都需要对电机的转子的凸极做变形处理，以使电机能够实现自行启动的目的。但转子的凸极变形后已不再是原有意义上的双凸极结构，因而也会丧失或削弱传统双凸极开关磁阻电机所特有的特性，其控制特性也会发生改变，而且这种电机也不能实现双向运转；此外，常规的单相开关磁阻电机存在输出转矩波动大、输出转矩密度低，不能产生连续转矩的输出等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够使输入的能量重复利用，从而提高输入能量的转换效率，以达到有效节能目的的单相永磁型开关磁阻电机及其控制方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种单相永磁型开关磁阻电机，包括定子、转子、电机输出轴以及控制系统，所述定子和转子的凸极之间为气隙,所述定子和转子的对应关系是内转子结构或者是外转子结构，所述转子固定套接在电机输出轴外周，其特征在于：所述定子由前段定子铁芯、中段定子铁芯和后段定子铁芯组成，三段定子铁芯的凹、凸极数量及凹、凸极宽度均相等，且凹、凸极数量均为偶数，所述三段定子铁芯之间留有间隙，所述前段定子铁芯和后段定子铁芯中的凸极部位保持一致，即两段定子铁芯中凸极的中心线在同一直线上，所述中段定子铁芯中的凸极部位的中心线与前、后两段定子铁芯中凹极的中心线相重合，所述的前段定子铁芯、中段定子铁芯和后段定子铁芯的凸极部位均安装有定子电磁绕组；所述转子由转子铁芯和永磁体组成，所述转子铁芯的凸极数量与任一段定子铁芯的凸极数量相等，且定子铁芯上的凸极宽度小于转子铁芯的凸极宽度，所述转子铁芯分为前、中、后三段，在所述转子铁芯的中段对应凸极部位嵌装有永磁体，所述永磁体的充磁方向为径向，中段转子铁芯中相邻的各凸极所嵌装的永磁体的极性相异，所述中段转子铁芯的极性与其对应的前、后段转子铁芯的极性相异，所述前、中、后三段转子铁芯的凸极的中心线重合，所述转子铁芯安装在电机输出轴上，且与电机输出轴同步转动。

本发明所述的单相永磁型开关磁阻电机，其所述前、后段转子铁芯对应的凸极部位无永磁体。

本发明所述的单相永磁型开关磁阻电机，其所述前段定子铁芯、中段定子铁芯和后段定子铁芯的长度均相等，所述转子铁芯的总长度与定子铁芯的总长度相等，所述转子铁芯的前、中、后段分别与定子铁芯的前、中、后段对应，所述中段转子铁芯中的对应凸极部位所嵌装的永磁体与中段定子铁芯对应配合。

本发明所述的单相永磁型开关磁阻电机，其在所述前段定子铁芯、中段定子铁芯及后段定子铁芯之间分别嵌有非导磁体。

本发明所述的单相永磁型开关磁阻电机，其在各段定子铁芯的凸极上安装的电磁绕组，对各段而言均满足任一相邻的凸极上安装的电磁绕组其绕制方向相反，且各凸极上安装的电磁绕组均按头、尾相连的方式连接。

本发明所述的单相永磁型开关磁阻电机，其所述控制系统中设置有极性检测电路、位置检测电路以及能量回收电路。

本发明所述的单相永磁型开关磁阻电机，其前、后段定子铁芯上定子电磁绕组的两根引出线分别按头、尾相连的方式连接，前段定子铁芯上定子电磁绕组的头和后段定子铁芯上定子电磁绕组的尾以及中段定子铁芯上定子电磁绕组的头、尾分别与控制系统设置的方向控制电路相连接，所述控制系统设置的方向控制电路可改变中段定子铁芯上定子电磁绕组的头、尾端与连接在一起的前、后段定子铁芯上定子电磁绕组的头、尾端的连接方向，以此可改变电机的运行方向。

一种单相永磁型开关磁阻电机的控制方法，其特征在于：所述控制系统可采用恒功率控制模式或恒转矩控制模式驱动电机旋转。

本发明所述的单相永磁型开关磁阻电机的控制方法，其所述的恒功率控制模式是指，电机由某一稳定位置经由非稳定位置向下一稳定位置运动的过程中，根据位置检测电路给出的位置控制信号在开始位置使功率驱动电路导通，给定子电磁绕组供电，驱动转子旋转，当到达非稳定位置时，关闭功率驱动电路，使转子在电机所特有的磁动力和续流电流的共同作用下继续旋转，直至到达下一稳定位置，当到达下一稳定位置时，功率驱动电路改变导通方向，给定子电磁绕组反向供电，驱动转子继续旋转，余此类推。

本发明所述的单相永磁型开关磁阻电机的控制方法，其所述的恒转矩控制模式是指，电机由某一稳定位置经由非稳定位置向下一稳定位置运动的过程中，根据位置检测电路给出的位置控制信号在开始位置使功率驱动电路导通，给定子电磁绕组供电，驱动转子旋转，当到达位置检测电路给出的位置控制信号所在的位置时，即下一稳定位置，关闭功率驱动电路，使定子电磁绕组快速续流，当到达下一稳定位置时，功率驱动电路改变导通方向，给定子电磁绕组反向供电，驱动转子继续旋转，余此类推。

本发明在保持了常规开关磁阻电机所特有优点的基础上，消除了常规开关磁阻电机所固有的转矩脉动，同时由于使用了永磁材料，从而大幅度的提升了电机的功率密度，并提高了电源输入能量的转换效率，有效的实现了节能的目标。

本发明产生的有益效果是：

1、本发明实现了永磁体的惯性做功，采用本发明的输入能量可重复利用的单相永磁型开关磁阻电机与常规的三相开关磁阻电机相比较，在相同的电机体积和相同的电磁参数的情况下，可以使电机的功率密度提高3～5倍，且消除了常规开关磁阻电机所固有的转矩脉动大、噪声大的缺点，保留了常规开关磁阻电机的所有优点。

2、本发明可实现单相永磁型开关磁阻电机的双向运行或单向运行。

3、本发明采用的控制方案使用了能量存储（转换）电路，因而可以使由电源所输入能量获得重复利用，故可以在保持相同的电机特性的情况下，减少电源的输入，从而获得良好的节能效果。

4、本发明的电机具有结构简单、便于设计及计算，同时还便于建模和仿真。

5、本发明的控制回路结构简单便于设计且控制编程方便，该控制方式可以应用于各种功率的电机，并可以满足各种调速控制的需求。

6、本发明的电机与常规永磁电机相比较，在输出功率相同的情况下，可以减少铁芯、线圈铜线、以及永磁体的用量，具有较大的成本优势。

7、本发明的电机具有结构紧凑、重量轻且功率扩展方便，因而具有良好的功率密度和转矩密度。

8、采用本发明的电机及其控制方法可以使电机的效率更高，并具有更好的节能效果。

9、本发明的电机具有温升低、无脉动、噪声小、可靠性更高的优良特性。

10、本发明的电机可根据负载的状况，灵活选择各种不同的控制方案，以满足恒转矩负载或恒功率负载的不同需求，并获得最佳的控制效果。

11、本发明的电机可满足大功率负载的的需求，克服了以往单相电机只能应用于小功率负载的状况。

附图说明

图1是本发明的前、后段定子与转子对应配合的截面图。

图2是本发明的中段定子与转子对应配合的截面图。

图3是本发明的定子和转子的展开结构示意图。

图4是本发明的中段定、转子的总体结构及绕组磁场的分布图。

图5是本发明的前、后段定、转子的总体结构及绕组磁场的分布图。

图6是本发明的功率驱动电路原理图。

图7是本发明的方向控制电路原理图。

图8是本发明的恒功率控制模式中单管续流时的电路波形图

图9是本发明的恒功率控制模式中快速续流时的电路波形图

图10是本发明的恒转矩控制模式中的电路波形图

图中标记：1为定子，2为转子，3为永磁体，4为定子电磁绕组，5为储能电路，c为储能电容，l为定子绕组，d为阻尼管，k1、k2为继电器的常闭触点，k3、k4为继电器的常开触点。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：如图1、2和3所示，一种可双向运行的单相永磁型开关磁阻电机，包括定子1、转子2、电机输出轴以及控制系统，所述定子1和转子2的凸极之间为气隙，所述定子采用三段式径向磁场设计，转子铁芯采用单段式凸极铁芯结构，所述定子1和转子2的对应关系是内转子结构或者是外转子结构，所述控制系统中设置有极性检测电路、位置检测电路以及能量回收电路，以满足电机的启动及运转控制的需求，即通过极性检测电路及位置检测电路对转子初始位置和运行过程进行判断。

如图6所示，所述控制系统采用h桥控制，其中设置了隔离二极管d5、d6，续流二极管d1～d4，二组桥臂q1、q4和q3、q2，还设置有储能电路5，在本实施例中由储能电容c构成。

如图7所示，控制系统中还设置有方向控制电路，在本实施例中由继电器构成，控制继电器的开和关即可改变中段电磁绕组与前、后段电磁绕组的连接形式，以满足电机运转控制的需求。

在本实施例中，所述转子2固定套接在电机输出轴外周，所述定子1由前段定子铁芯、中段定子铁芯和后段定子铁芯组成，按中心布置在电机的外壳内侧，三段定子铁芯的凹、凸极数量及凹、凸极宽度均相等，且凹、凸极数量均为偶数，所述前段定子铁芯、中段定子铁芯和后段定子铁芯的长度均相等，所述三段定子铁芯之间留有间隙，在所述前段定子铁芯、中段定子铁芯及后段定子铁芯之间分别嵌有非导磁体，所述前段定子铁芯和后段定子铁芯中的凸极部位保持一致，即两段定子铁芯中凸极的中心线在同一直线上，所述中段定子铁芯中的凸极部位的中心线与前、后两段定子铁芯中凹极的中心线相重合，所述的前段定子铁芯、中段定子铁芯和后段定子铁芯的凸极部位均安装有定子电磁绕组4，在各段定子铁芯的凸极上安装的电磁绕组，对各段而言均满足任一相邻的凸极上安装的电磁绕组其绕制方向相反；前、后段定子铁芯上定子电磁绕组的两根引出线分别按头、尾相连的方式连接，前段铁芯电磁绕组的头和后段铁芯电磁绕组的尾构成整个电磁绕组的二个输出端，即每个定子电磁绕组的两根引出线分别与相邻的定子电磁绕组按头、尾相连的方式连接，所述定子的凸极部位安装的若干定子电磁绕组之间可串联、可并联，也可串并结合，前段定子铁芯上定子电磁绕组的头和后段定子铁芯上定子电磁绕组的尾以及中段定子铁芯上定子电磁绕组的头、尾分别与控制系统设置的方向控制电路相连接，所述控制系统设置的方向控制电路可改变中段定子铁芯上定子电磁绕组的头、尾端与连接在一起的前、后段定子铁芯上定子电磁绕组的头、尾端的连接方向，以此可改变电机的运行方向。

其中，所述转子2由转子铁芯和永磁体3组成，所述转子铁芯的总长度与定子铁芯的总长度相等，所述转子铁芯的凸极数量与任一段定子铁芯的凸极数量相等，且定子铁芯上的凸极宽度小于转子铁芯的凸极宽度，所述转子铁芯分为前、中、后三段，所述转子铁芯的前、中、后段分别与定子铁芯的前、中、后段对应，在所述转子铁芯的中段对应凸极部位嵌装有永磁体3，所述永磁体3的充磁方向为径向，所述转子铁芯中的前、后段对应凸极部位无永磁体,中段转子铁芯中相邻的各凸极所嵌装的永磁体3的极性相异，所述中段转子铁芯的极性与其对应的前、后段转子铁芯的极性相异，所述前、中、后三段转子铁芯的凸极的中心线重合，所述转子铁芯安装在电机输出轴上，且与电机输出轴同步转动。如图3所示，当定子电磁绕组中的电流所产生的磁场为如图所示的极性时，电机的运行方向为逆时针旋转。

采用上述结构的电机，具有磁路短、且各段铁芯之间无磁的关联，因而不会相互干扰，能有效的消除转矩的脉动及噪声，因此与常规的单相磁阻电机具有本质上的区别；由于转子上布置有永磁体，与定子铁芯产生的电磁场相互作用，充分发挥永磁体的强磁作用，利用自然磁能与电磁驱动单元所产生的工作磁场相互间的直接作用，使机械动力装置产生更好的节能效果，以此降低对电力的消耗，对节能减排做出贡献。

在本实施例中，所述控制系统可采用恒功率控制模式或恒转矩控制模式驱动电机旋转。

其中，所述的恒功率控制模式是指，电机由某一稳定位置经由非稳定位置向下一稳定位置运动的过程中，根据位置检测电路给出的位置控制信号在开始位置使功率驱动电路导通，给定子电磁绕组供电，驱动转子旋转，当到达非稳定位置时，关闭功率驱动电路，使转子在电机所特有的磁动力和续流电流的共同作用下继续旋转，直至到达下一稳定位置，当到达下一稳定位置时，功率驱动电路改变导通方向，给定子电磁绕组反向供电，驱动转子继续旋转，余此类推。

所述的恒转矩控制模式是指，电机由某一稳定位置经由非稳定位置向下一稳定位置运动的过程中，根据位置检测电路给出的位置控制信号在开始位置使功率驱动电路导通，给定子电磁绕组供电，驱动转子旋转，当到达位置检测电路给出的位置控制信号所在的位置时，即下一稳定位置，关闭功率驱动电路，使定子电磁绕组快速续流，当到达下一稳定位置时，功率驱动电路改变导通方向，给定子电磁绕组反向供电，驱动转子继续旋转，余此类推。

本实施例的工作原理是：假定条件：图4所示的稳定位置为初始的0°位置，电机的另一稳定位置为60°位置，两个稳定位置的中间位置为非稳定位置。

图6给出了单相永磁型磁阻电机的驱动控制电路，该电路为h桥电路。定子绕组的头尾分别与电路的u、v端相连接，假定q1、q4导通时，定子绕组产生的磁场如图4和5所示，则q3、q2导通时，定子绕组产生的磁场只需将定子凸极的n、s极性对换即可。在初始的0°位置设置有极性检测电路，用以检测初始时转子的极性，确定桥路的导通方向，即q1、q4导通或是q3、q2导通。且在0°的位置设有位置检测，用于检测各稳定位置、非稳定位置的信号，根据位置检测电路给出的检测信号即可判明电机转子所处的位置，依据此信号即可使二个桥壁完成轮换工作。

图6中的5为能量回收回路，图示的能量回收回路采用电容c构成，d5、d6为隔离二极管，用以隔断能量回收回路与电源回路，其中d5可以防止能量回收回路存储的能量回馈电源，而d6则可以防止电源的电流灌入能量回收回路。当任一桥臂导通时，电容c中存储的能量将与电源一起工作，使预先存储的能量得以重复利用。电路中的d1～d4构成了电机绕组的续流回路，当任一桥臂关断时，将电机绕组中的能量存储到能量回收回路的电容c上。

（1）、恒功率控制模式：

如图4和5所示，在初始位置0°，根据极性检测电路的信号使桥臂q1、q4导通，在0°～30°的区间，维持导通直至转子凸极的中心线转过30°的位置（即非稳定位置），当检测电路检测到第一个光电信号的上升沿时，此时有二种续流方式：

一种是快速续流方式，即将q1、q4同时关断，电感l中存储的能量通过v点→d3→电容c的上端→电容c→电容c的下端→d2→u点构成续流回路，将能量快速转移到电容c中，在此后的30°～60°的区间内，仅依靠永磁体的惯性运动，由非稳定位置到达位于60°的稳定位置。其电路波形如图9所示。当检测电路检测到第二个光电信号的上升沿时，则将q3、q2导通，此后的60°～120°的区间，其控制过程与此类似，不再赘述。

另一种则是单管续流方式，此时，关断上管q1，下管q4维持导通，电感l中存储的能量通过v点→下管q4→d2→u点构成自行续流回路，使电感l中存储的能量逐步消耗，并在此后的30°～60°的区间内，依靠逐步衰减的磁场能量与永磁体的惯性运动的共同作用，由非稳定位置到达位于60°的稳定位置。其电路波形如图8所示。当检测电路检测到第二个光电信号的下降沿时，关闭下管q4，当检测电路检测到第二个光电信号的上升沿时，则将另一桥臂q3、q2导通，此后的60°～120°的区间，其控制过程与此类似，不再赘述。

（2）、恒转矩控制模式：

在此模式中，如图4和5所示，在初始位置0°，根据极性检测电路的信号使桥臂q1、q4导通，在0°～60°的区间，维持导通直至转子凸极的中心线转过60°的位置（即另一稳定位置），当检测电路检测到第二个光电信号的下降沿时，即将q1、q4同时关断，电感l中存储的能量通过v点→d3→电容c的上端→电容c→电容c的下端→d2→u点构成续流回路，将能量快速转移到电容c中，而当检测电路检测到第二个光电信号的上升沿时，则将另一桥臂q3、q2导通，此后的60°～120°的区间，其控制过程与此类似，不再赘述。其电路波形如图10所示。

由此可知，在可双向运行的单相可逆永磁型磁阻电机的工作过程中，由于添加了永磁体所产生的惯性作用，因此在同等的情况下，本发明的电机所消耗的能量可以得到降低，而且由于采用的是单相工作的模式，其同时工作的电磁单元比常规开关磁阻电机多了二倍，在相同的结构中，其功率密度至少提高了二倍，而且由于消除了常规开关磁阻电机的死区，因而可以消除常规开关磁阻电机所固有的转矩脉动，极大的降低了电机的噪声。此外，在电机工作在恒转矩模式的过程中，二组电磁绕组均工作在一推一拉的状态中，因而可以得到平滑的转矩。

本发明实现了开关磁阻电机结构设计创新，保留了常规开关磁阻电机的所有优点，通过在常规开关磁阻电机的转子上加装永磁体的方法，有效的消除了开关磁阻电机的转矩脉动及噪声，使功率密度提升了3倍，与变频电机相比较，减少了50％永磁体的使用量，同时降低了电机绕组的用铜量，使电机的效率更高，并具有更好的节能效果；术发明针对单相可逆永磁型磁阻电机的特殊结构，创新研制了该电机的控制系统，使其具有结构简单、性能可靠、便于设计且控制编程方便，该控制方案可以应用于各种功率的电机，并可以满足各种调速控制的需求；发明采用了全新的控制方案，创造性的使用了能量转换单元，可以使由电源所输入能量获得重复利用，故可在保持相同的电机特性的情况下，减少电源的输入，从而获得良好的节能效果；本发明的单相可逆永磁型磁阻电机由于没有常规电机各相绕组之间的磁场关联，因而在对外做功时不会产生负转矩，其绕组所输入的能量均可得到完全的能量转换，转换率接近于1，而常规电机的能量转换率只能达到约0.5。

实施例2：如图1、2和3所示，一种可单向运行的单相永磁型开关磁阻电机，包括定子1、转子2、电机输出轴以及控制系统，所述定子1和转子2的凸极之间为气隙，所述定子采用三段式径向磁场设计，转子铁芯采用单段式凸极铁芯结构，所述定子1和转子2的对应关系是内转子结构或者是外转子结构，所述控制系统中设置有极性检测电路、位置检测电路以及能量回收电路，以满足电机的启动及运转控制的需求，即通过极性检测电路及位置检测电路对转子初始位置和运行过程进行判断。

如图6所示，所述控制系统采用h桥控制，其中设置了隔离二极管d5、d6，续流二极管d1～d4，二组桥臂q1、q4和q3、q2，还设置有储能电路5，在本实施例中由储能电容c构成。

在本实施例中，所述转子2固定套接在电机输出轴外周，所述定子1由前段定子铁芯、中段定子铁芯和后段定子铁芯组成，按中心布置在电机的外壳内侧，三段定子铁芯的凹、凸极数量及凹、凸极宽度均相等，且凹、凸极数量均为偶数，作为最优的结构设计，所述前段定子铁芯和后段定子铁芯的长度均相等，且所述中段定子铁芯的长度是前、后段定子铁芯长度的两倍，所述三段定子铁芯之间留有间隙，在所述前段定子铁芯、中段定子铁芯及后段定子铁芯之间分别嵌有非导磁体，所述前段定子铁芯和后段定子铁芯中的凸极部位保持一致，即两段定子铁芯中凸极的中心线在同一直线上，所述中段定子铁芯中的凸极部位的中心线与前、后两段定子铁芯中凹极的中心线相重合，所述的前段定子铁芯、中段定子铁芯和后段定子铁芯的凸极部位均安装有定子电磁绕组4，在各段定子铁芯的凸极上安装的电磁绕组，对各段而言均满足任一相邻的凸极上安装的电磁绕组其绕制方向相反；前、后段定子铁芯上定子电磁绕组的两根引出线分别按头、尾相连的方式连接，前段铁芯电磁绕组的头和后段铁芯电磁绕组的尾构成整个电磁绕组的二个输出端，即每个定子电磁绕组的两根引出线分别与相邻的定子电磁绕组按头、尾相连的方式连接，所述定子的凸极部位安装的若干定子电磁绕组之间可串联、可并联，也可串并结合。

其中，所述转子2由转子铁芯和永磁体3组成，所述转子铁芯的长度与三段定子铁芯的安装长度相等，所述转子铁芯的凸极数量与任一段定子铁芯的凸极数量相等，且定子铁芯上的凸极宽度小于转子铁芯的凸极宽度，在所述转子2的对应凸极部位嵌装有永磁体3，所述永磁体3的充磁方向为径向，每段转子铁芯中相邻的各凸极所嵌装的永磁体3的极性相异，所述转子铁芯安装在电机输出轴上，且与电机输出轴同步转动。如图3所示，当定子电磁绕组中的电流所产生的磁场为如图所示的极性时，电机的运行方向为逆时针旋转。

其他与实施例1基本相同。

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。