[发明专利]一种四相正弦波电励磁双凸极电机

说明书

本发明公开了一种四相正弦波电励磁双凸极电机，包括同转轴的定子铁心和转子铁心，定子槽中嵌有电枢绕组和励磁绕组,每个定子极上绕有一个电枢线圈，每个励磁线圈跨四个定子极绕制，将电枢线圈中分布位置不同且相位相差180°的各相绕组进行组合，并通过反向串联构成各相磁链变化率相同的四相绕组，从而实现四相反电势对称。转子为5段阶梯式结构或斜极结构，斜极度数为转子极角度与定子极角度的差值；转子极开倒角，以提高电机反电势的正弦度。电机旋转过程中，转子在匝链的定子电枢绕组中感应出正弦化的绕组反电势波形，有效解决了传统电励磁双凸极电机方波控制转矩脉动大的问题，能够四相同时通电工作，提高了电机的绕组利用率，电机容错性能好。

技术领域

本发明涉及特种电机本体设计领域，尤其涉及一种四相正弦波电励磁双凸极电机。

背景技术

电励磁双凸极电机既有开关磁阻电机转子结构简单、无绕组和永磁体，高温、高速运行能力强，以及定子上各相绕组在物理和电磁上独立，容错能力强、可靠性高的优点，又具有电励磁同步电机发电控制简单、控制电路可靠性高的优点，在航空、汽车舰船、风力发电等领域具有广阔的应用前景。

但电励磁双凸极电机作为磁阻类电机的一种，存在固有的缺陷——转矩脉动大的问题,成为其在高性能驱动、伺服领域应用的最大障碍。传统结构的电励磁双凸极电机的其工作方式类似于无刷直流电机，但其反电势并为非理想方波，从而造成非换相转矩脉动；电机采用的方波电流控制方式，由于在电机绕组电感的峰值区域电流换相,大电感导致电流换相时间变长,电机换相转矩脉动明显。

目前已有的技术中，为改善双凸极电机输出转矩脉动,英国谢菲尔德大学褚自强教授针对可变磁阻电机（电励磁双凸极电机）进行研究，使得电机反电势基本趋于正弦化，并对其采用交流电机的矢量控制方式，可大幅减小其输出转矩脉动,实现了磁阻电机的正弦化驱动。但该可变磁阻电机由于励磁绕组的跨单个齿分布,即定子每槽均嵌入励磁绕组,由于励磁元件的明显增加，使得铜材消耗大，且励磁损耗增加。该电机的单元电机转子极数为奇数，为防止奇数极带来的不对称振动影响,使得转子极数至少翻倍，高极数在高速驱动运行过程中对逆变器的开关频率提出了更高的要求。还有例如中国发明专利：一种梯形转子齿结构正弦化双凸极电机及其设计方法，申请号：201410852974.2；中国发明专利：一种分段转子齿结构正弦化双凸极电机及其设计方法，申请号：201610319506.8，均是在传统三相双凸极电机的基础上进行转子结构设计，以实现正弦化，但增加了转子的设计难度和结构的复杂性，且没有解决传统m相电励磁双凸极电机由于励磁绕组匝链m相电枢绕组，每相定子绕组的每个定子线圈距离励磁元件分布位置不同，造成的固有的各相不对称问题，以及由于磁阻边缘效应引起的反电势不对称的问题，这些均影响正弦化电机的正弦度。

传统的三相电励磁双凸极电机通常采用6N/4N极结构(N为正整数)，但该电机的绕组多采用星型连接，各相之间没有实现有效的隔离，当一相绕组出现故障后就会使整个系统不能工作。四相电机拥有四相定子绕组，电机在出现单相故障后仍可以实现一定的输出，增强了电机的容错能力，故多相电机设计成为提高双凸极电机容错性能的研究热点之一。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明旨在提出一种四相正弦波电励磁双凸极电机，使得双凸极电机的输出反电势呈正弦化，且通过解决四相电励磁双凸极电机存在本体固有的每相磁路不对称导致的问题，提高了正弦化电机的正弦度，有效降低电励磁双凸极电机作为驱动电机的转矩脉动。

本发明采用如下技术方案：一种四相正弦波电励磁双凸极电机，包括同转轴的定子组件和转子组件。

所述定子组件包括定子铁心、励磁元件以及电枢绕组。定子铁心为凸极结构，设置有定子极，定子铁心上设置的定子极数目为8N个，N为正整数。

所述转子组件包括转子铁心和转轴，转子铁心为凸极结构，转子极数目为6N个，N为正整数；所述转子为5段阶梯式结构或斜极结构。当转子为5段阶梯式结构时，各分段转子形状一致，长度相同，并依次错开15°/4N的机械角度；当转子为斜极结构时，转子极斜过15°/N的机械角度。