一种导体独立驱动且紧凑结构的高速游标电机的制作方法

本发明属于电机领域，具体涉及一种导体独立驱动且紧凑结构的高速游标电机。

背景技术：

近年来，高速电机成为电机领域研究的热点。与传统电机相比，高速电机无需传动机构或变速装置，可直接与高速负载或原动机相连，具有功率密度高、体积小、效率高、可靠性高、运行成本低的优点。然而，在高速电机的运行中，为了降低电流的基波频率，典型的高速电机极对数为1或2，带来一个明显的缺点，即电机的端部会很长，增加电机的无用体积，限制了系统的功率密度。对此，部分技术人员提出了背绕式和环形绕组等特殊绕组结构，虽然降低了电机的端部，但是有一半的线圈并不参与电磁能量转换，浪费依然严重。

同时，以游标电机为代表的磁场调制类电机在国内外电机领域受到较多的研究和关注。游标磁阻电机(vrm)的转子和定子均为凸极结构，结构简单，适合高速运行。游标电机遵循磁场调制原理，具有转矩密度高的特点。因此，开发新拓扑，使得vrm适用于高速运行，兼具转矩密度、功率密度高、体积小、效率高、可靠性高、运行成本低的优点，具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服传统高速电机拓扑绕组利用率不高的不足，提出一种新型的高速电机拓扑结构，即一种各槽导体独立驱动的高速游标电机。不同于传统的交流电机，由于转子各槽导体独立驱动，因此可以实现包含直流量及谐波的任意电流波形驱动，从而提高电机的功率密度。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种导体独立驱动且紧凑结构的高速游标电机，包括定子和转子；

所述转子与定子间具有气隙，转子包括转子铁芯，定子包括定子铁芯和定子导体；转子铁芯和定子铁芯均为凸极结构，相邻定子铁芯凸起之间的凹槽中设置有定子导体；

所述定子导体的两端伸出定子铁芯两侧，定子导体一端连接驱动板，所有的定子导体各相电流单独控制；定子导体另一端连接短接板形成短接回路。

优选的，所述定子导体的各相的电流的表达式为：

其中，iac为交流分量的有效值，idc为直流分量平均值，we为电角频率，θ为初相角，in为谐波电流。

优选的，所述短接板为圆环状结构，或为通过辐条状的导体汇合到一个圆环的结构。

优选的，所述定子导体电流的交流分量产生的基波磁动势的极对数pa满足关系：pa＝|nr±pdc|；

其中，转子调制齿数为nr、定子槽数为ns、定子导体所通电流的直流分量产生的基波磁动势的极对数为pdc。

优选的，所述驱动板与逆变器连接，通过驱动板直接给各相定子导体供电并单独控制。

优选的，所述定子导体设置在相邻定子铁芯之间的凹槽中部。

优选的，所述转子铁芯为内凸结构，定子铁芯为外凸结构。

优选的，所述定子导体为长方体结构。

优选的，所述凹槽为扇形结构。

与现有技术相比，具有以下优点：

与现有技术相比，本发明的转子铁芯和定子铁芯均为凸极结构，每个定子槽内插入一根定子导体，定子铁芯的每个槽中的定子导体为一相，使电机定子导体采用各相独立控制，各相电流波形任意，利用磁场调制原理获得高转矩能力。转子铁芯和定子铁芯均为凸极结构，鲁棒性强，适合高速运行。电机定子导体采用各相独立控制，相电流波形任意，提高故障时的容错能力。定子端部采用端环短接，大幅减小端部空间，进一步减少了系统体积，提高了电机的功率密度。因此新型电机系统具有转矩密度高、成本低、体积小、结构紧凑、容错能力强、适合高速运行的优点。

进一步的，本发明与现有的高速电机相比，端部采用端环短接，大幅减小端部空间，具有成本低、转矩密度高、体积小、结构紧凑、容错能力强的显著优点。

附图说明

图1为本发明的剖面示意图；

图2为本发明的侧面示意图；

图3为本发明中驱动板示意图；

图4为本发明中短接板示意图；

其中，1、转子；2、气隙；3、定子；4、定子导体；5、定子铁芯；6、转子铁芯；7、短接板；8、驱动板。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一种导体独立驱动且紧凑结构的高速游标电机，包括定子3和转子1，转子1与定子3间具有气隙2，转子1包括转子铁芯6，定子3包括定子铁芯5和定子导体4；转子铁芯6和定子铁芯5均为凸极结构，相邻定子铁芯5之间的凹槽中均设置有定子导体4，在每个定子3槽内插入一根导线，并通过一端的端环连接。定子铁芯5的每个槽中的定子导体4为一相，定子导体4的另一端直接连接模块化驱动电路，各相电流单独控制，可根据需要通入包含但不限于基波的任意电流波形。

与此同时，为了达到上述目的，电机设计为电机与驱动系统一体化集成，系统体积小，功率密度高；采用各槽电流独立控制，提高故障时的容错能力。定子3采用半鼠笼绕组结构，一半短接，一半直接与驱动器相连，降低传统高速电机拓扑端部太长，降低电机功率密度的缺陷。

为了达到上述目的，电机铁芯借鉴了开关磁阻电机的双凸极结构，使所提出的电机继承了开关磁阻电机高可靠性、低成本、散热方便等优点。同时转子1为凸极结构，鲁棒性强，适合超高速运行。

各相的电流的表达式为：

其中，iac为交流分量的有效值，idc为直流分量平均值，we为电角频率，θ为初相角，in为谐波电流。相电流中注入谐波电流可以改善转矩波形，降低振动和噪声水平。

定子导体4的两端伸出定子铁芯5，定子导体4的一端连接驱动板8，另一端由于各槽导体电流为零，因此用类似于异步电机的导电端环进行短接，电流由驱动板8进入，从短接板7流出形成短接回路。

如图3所示，短接板7整体可呈圆环状，也可以通过辐条状的导体汇合到一个小圆。

转矩产生与游标电机类似，即将直流分量产生的静止磁动势通过转子1调制形成旋转磁场，转子1调制齿数nr、定子3槽数ns、定子导体4所通电流的直流分量产生的基波磁动势的极对数pdc、导体电流的交流分量产生的基波磁动势的极对数pa满足关系：pa＝|nr±pdc|。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例

参见图1和图2，本发明包括定子3和转子1，转子1与定子3间具有气隙2，转子1包括转子铁芯6，定子3包括定子铁芯5和定子导体4；

转子铁芯6和定子铁芯5均为凸极结构，定子铁芯5的凹槽中均设置有定子导体4，定子铁芯5的每个槽中的定子导体4为一相，各相电流单独控制，可根据需要通入包含但不限于基波的任意电流波形，其中一种较为简单的可行措施为直流偏置电流。

各相的电流的表达式为：

其中，iac为交流分量的有效值，idc为直流分量平均值，we为电角频率，θ为初相角，in为谐波电流。相电流中注入谐波电流可以改善转矩波形，降低振动和噪声水平。

参见图3和图4，定子导体4的两端伸出定子铁芯5，定子导体4的一端连接驱动板8，另一端由于各槽导体电流为零，因此用类似于异步电机的导电端环进行短接，电流由驱动板8进入，从短接板7流出形成短接回路。短接板7整体可呈圆环状，也可以通过辐条状的导体汇合到一个小圆。当进行驱动时，用逆变器通过驱动板8直接给各相导体供电并单独控制。

参见图1，转子1调制齿数nr、定子3槽数ns、永磁体极对数pm、定子导体44所通电流的直流分量产生的基波磁动势的极对数pdc、导体电流的交流分量产生的基波磁动势的极对数pa满足关系：pa＝|nr±pdc|。

本发明从拓扑结构上，实现了电机与驱动器集成化。定子导体4的一端用逆变器直接供电，电机定子3提出了采用各相独立控制，且电流为直流偏置电流的创新结构，增强了磁、电和热的隔离，端部采用端环短接，大幅减小端部空间，使得电机与控制器高度集成，进一步减少了系统体积，提高了电机的功率密度。电机基于磁场调制原理，可实现较高的转矩密度。转子1为凸极结构，鲁棒性强，适合超高速运行。因此新型电机系统具有转矩密度高、成本低、体积小、结构紧凑、容错能力强、适合高速运行的优点。

以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。

本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。