halbach陣列四直齒外定子齒極直線排列電機的制作方法

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本發(fā)明屬于電機領域，具體就是一種新型結構的開關磁阻電動機。

背景技術：

開關磁阻電動機系統(tǒng)（Switched Reluctance Drive ：SRD）是繼變頻調速系統(tǒng)、無刷直流電動機調速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代無級調速系統(tǒng)，是集現代微電子技術、數字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術。

開關磁阻電動機調速系統(tǒng)主要由開關磁阻電動機（SRM）、功率變換器、控制器、轉子位置檢測器四大部分組成?？刂破鲀劝刂齐娐放c功率變換器，而轉子位置檢測器則安裝在電機的一端。

開關磁阻電動機調速系統(tǒng)所用的開關磁阻電動機（SRM）是SRD中實現機電能量轉換的部件，也是SRD有別于其他電動機驅動系統(tǒng)的主要標志?，F有SRM系雙凸極可變磁阻電動機，其定、轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉子既無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組聯接起來，稱為“一相”，SR電動機可以設計成多種不同相數結構，且定、轉子的極數有多種不同的搭配。相數多、步距角小，有利于減少轉矩脈動，但結構復雜，且主開關器件多，成本高，現今應用較多的是四相（8/6）結構和三相（12/8）結構。

開關磁阻電動機傳動系統(tǒng)綜合了感應電動機傳動系統(tǒng)和直流電動汽車電機傳動系統(tǒng)的優(yōu)點，是這些傳動系統(tǒng)的有力競爭者，其主要優(yōu)點如下：

1、開關磁阻電動機有較大的電動機利用系數，可以是感應電動機利用系數的1.2～1.4倍。2、電動機的結構簡單，轉子上沒有任何形式的繞組；定子上只有簡單的集中繞組，端部較短，沒有相間跨接線。因此，具有制造工序少、成本低、工作可靠、維修量小等特點。3、開關磁阻電動機的轉矩與電流極性無關，只需要單向的電流激勵，理想上公率變換電路中每相可以只用一個開關元件，且與電動機繞組串聯，不會像PWM逆變器電源那樣，存在兩個開關元件直通的危險。所以，開關磁阻電動機驅動系統(tǒng)SED線路簡單，可靠性高，成本低于PWM交流調速系統(tǒng)。4、開關磁阻電動機轉子的結構形式對轉速限制小，可制成高轉速電動機，而且轉子的轉動慣量小，在電流每次換相時又可以隨時改變相匝轉矩的大小和方向，因而系統(tǒng)有良好的動態(tài)響應。5、SRD系統(tǒng)可以通過對電流的導通、斷開和對幅值的控制，得到滿足不同負載要求的機械特性，易于實現系統(tǒng)的軟啟動和四象限運行等功能，控制靈活。又由于SRD系統(tǒng)是自同步系統(tǒng)運行，不會像變頻供電的感應電動機那樣在低頻時出現不穩(wěn)定和振蕩問題。6、由于SR開關磁阻電動機采用了獨特的結構和設計方法以及相應的控制技巧，其單位處理可以與感應電動機相媲美，甚至還略占優(yōu)勢。SRD系統(tǒng)的效率和功率密度在寬廣的速度和負載范圍內都可以維持在教導水平。

開關磁阻電動機驅動系統(tǒng)的主要缺點是：

1、有轉矩脈動。從工作原理可知，S開關磁阻電動機轉子上產生的轉矩是由一些列脈沖轉矩疊加而成的，由于雙凸極結構和磁路飽和非線性的影響，合成轉矩不是一個恒定轉矩，而有一定的諧波分量，這影響了SR電動機低速運行性能。2、SR電動機傳動系統(tǒng)的噪聲與震動比一般電動機大。

上述缺點，本質上是開關磁阻電動機驅動系統(tǒng)即SRD系統(tǒng)的開關磁阻電動機SRM的結構造成的，要想減小轉矩脈動及其引起的噪聲與震動，就要改變開關磁阻電動機SRM的結構。

技術實現要素：

為了減小現有開關磁阻電動機SRM轉矩脈動引起的震動和噪音，本發(fā)明提供一種全新結構的開關磁阻電動機SRM，具體就是halbach陣列四直齒外定子齒極直線排列電機121，定子為沿圓周均勻設置的直齒定子齒極鐵芯2211，由環(huán)狀軛鐵2213連接，直齒定子齒極鐵芯2211外套設齒極線圈2212，齒極之間的環(huán)狀軛鐵2213套設軛鐵線圈2214構成定子齒極構件2219，該構件沿軸向直線排列構成螺旋外定子齒極直線排列定子221，其內套設動子齒極321，動子齒極321是十字直齒齒極單元3211螺旋排列構成整體四螺旋動子。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明由于磁極為疊加磁場，增加了電機的功率密度；另外使用兩極齒極，齒極圓弧面角度為90°，就減小了轉矩脈動，隨著層數增多，相鄰兩層之間的齒極中心線夾角更小，增加了施加磁力轉矩的層數，由于層數的增加，施加磁力轉矩的層數也就增加，當增加的層數均施加磁力轉矩時，僅僅在相鄰兩層齒極中心線夾角的范圍內產生轉矩脈動，當層數多夾角小時，又大大減小了轉矩脈動，由極大減小了轉矩脈動也就極大減小了噪音和振動。

附圖說明

圖1是halbach陣列四直齒外定子齒極直線排列電機構件組合結構示意圖。

具體實施方式

圖1為halbach陣列四直齒外定子齒極直線排列電機121，定子為沿圓周均勻設置的直齒定子齒極鐵芯2211，由環(huán)狀軛鐵2213連接，直齒定子齒極鐵芯2211外套設齒極線圈2212，齒極之間的環(huán)狀軛鐵2213套設軛鐵線圈2214構成定子齒極構件2219，該構件沿軸向直線排列構成螺旋外定子齒極直線排列定子221，其內套設動子齒極321，動子齒極321是十字直齒齒極單元3211螺旋排列構成整體四螺旋動子。

一種開關磁阻電動機，包括定子齒極和動子齒極，動子齒極相對于定子齒極轉動配合，所述定子齒極的數目與動子齒極的數目相等；定子齒極沿轉動軸方向為層狀固定連接，定子齒極厚度對應動子齒極的厚度范圍稱為動子齒極單元（定子齒極，指的是單個定子齒極；定子齒極厚度是定子齒極鐵芯厚度加其外部套設的定子齒極線圈厚度；另外動子可以是整體成型結構，每層之間為整體連接，也可以是層狀排列，每層之間層疊固定連接，所以定子齒極厚度對應動子齒極的厚度范圍稱為動子齒極為單元，動子齒極單元包括至少一個動子齒極），定子齒極由定子齒極鐵芯及其外部套設的定子齒極線圈構成，定子齒極鐵芯與動子齒極形成氣隙的端組為凹凸配合的圓弧面，定子齒極與動子齒極的配合關系為，無論動子齒極相對于定子齒極旋轉到任何角度，至少一層定子齒極中心線與對應動子齒極單元的動子齒極中心線形成夾角α，0＜α≤β，β為定子齒極鐵芯或者動子齒極沿旋轉軸方向的橫截面的圓弧對應圓心的角度。

動子齒極圓弧角度與定子齒極鐵芯圓弧角度僅僅相差二者之間的氣隙引起的圓弧角度差，由于氣隙很小，二者圓弧半徑差別也很小，相同齒極寬度對應的圓弧角差別也很小，假設氣隙無限小，則凹凸圓弧面對應的角度就相等，所以β即代表定子齒極鐵芯圓弧角，又代表動子齒極圓弧角，定子齒極鐵芯圓弧角也稱為定子齒極圓弧角。

這樣的設置，能夠保證始終存在一層，其定子齒極中心線與對應動子齒極單元的動子中心線的夾角小于β，使穿過二者之間氣隙的磁場能夠對動子齒極產生磁阻轉矩；當α＝β＝360/(2m)時，相當于現有的4/2開關磁阻電動機存在平衡點，也就是死點，需要設置永磁體，當動子停止轉動時，將永磁體動子偏離死點，即偏離動子平衡點，而旋轉起來以后，動子的旋轉慣性使動子轉過α＝β的位置，就能夠使動子偏離死點，使0＜α<β，這種結構滿足無論動子齒極相對定子齒極旋轉到任何角度，存在一層定子齒極的中心線與對應動子齒極中心線的夾角α，0＜α＜β，使該層定子齒極與對應層的動子齒極之間產生磁場，穿過二者之間氣隙的磁場對動子產生磁拉力，動子齒極產生磁阻轉矩，使動子齒極轉動到磁導最大的位置，即定子齒極中心線與動子齒極中心線重疊的位置，也是定子齒極的端面與動子齒極的端面基本重合的位置，動子齒極帶動動子轉動相應的角度，之后，另一層定子齒極中心線與動子齒極中心線形成夾角，形成夾角的該層定子齒極使動子齒極單元以相同的方式轉動，就能夠使動子持續(xù)旋轉，圖中定子齒極中心線與動子齒極中心線形成夾角隨著層數的增加，夾角的大小成等差數列增加，當然，保持各層α的大小不變，將層的序列打亂，就是本技術方案的實施方式，這樣的實施方式與圖中的區(qū)別在于，圖中的另一層是相鄰層，這里不要求是相鄰層。

所述的開關磁阻電動機，所述無論動子齒極相對于定子齒極旋轉到任何角度，至少一層定子齒極中心線與對應動子齒極單元的動子齒極中心線形成夾角α，0＜α≤β，指定子齒極的層數為n層，對應動子齒極單元也是n層的長度，沿圓周排布的齒極數為m，假設第一層定子齒極中心線與動子齒極中心線的夾角為360/(nm)，則第二層為2*360/(nm)，……第n層為n*360/(nm)，其中360/(nm)≤β。

第一層轉動360/(nm)角度之后，第二層定子齒極中心線與動子齒極中心線之間的夾角就是360/(nm)，其它層依次減少360/(nm)角度，依次轉動，最后一層定子齒極與動子齒極中心線夾角為0時，則第一層的角度就是360/(nm)，完成一個周期，依次進行下一個周期，使動子持續(xù)旋轉；當360/(nm)<β/2時，那么就至少有兩層定子齒極中心線與動子齒極中心線的夾角α<β，就能夠同時有兩層定子齒極向對應動子齒極之間產生轉矩，假設第一層α=β/2，則第二層為β，第一層和第二層的定子同時與相應動子施加轉矩，動子旋轉β/2時，則第二層的α=β/2，第三層的α=β，此時第一層停止向動子施加轉矩，由第二層、第三層施加轉矩，依次切換定子齒極向對應動子施加轉矩，使動子持續(xù)旋轉；同樣原理，當α=β/3時，可以三層同時向動子施加轉矩，依次類推。

所述的開關磁阻電動機，在xyz坐標系中，第一層定子齒極所在的平面為xy面，旋轉軸的軸線方向為z軸方向，其它層定子齒極沿z軸依次延伸，所述第一層定子齒極中心線與y軸的夾角為360/(nm)，第二層為2*360/(nm)，……第n層為n*360/(nm)，各層動子齒極單元的動子齒極中心線在z方向重合。

所述的開關磁阻電動機，在xyz坐標系中，第一層定子齒極所在的平面為xy面，旋轉軸的軸線方向為z軸方向，其它層定子齒極沿z軸依次延伸，所述各層定子齒極的中心線在z方向與y軸重合，則第一層動子齒極單元的動子齒極中心線與y軸夾角為360/(nm)，第二層為2*360/(nm)，……第n層為n*360/(nm)。

所述的開關磁阻電動機，在xyz坐標系中，第一層定子齒極所在的平面為xy面，旋轉軸的軸線方向為z軸方向，其它層定子齒極沿z軸依次延伸，所述第一層定子齒極中心線與y軸夾角為360/(2*nm)，第二層為2*360/(2*nm)，……第n層為n*360/(2*nm)；第一層動子齒極單元的動子齒極中心線與y軸夾角為-360/(2nm)，第二層為-2*360/(2nm)，……第n層為-n*360/(2nm)。

所述的開關磁阻電動機，所述定子齒極層數在z軸方向依次延伸，形成直條狀定子齒極或者螺旋條狀定子齒極，與直條狀定子齒極對應的動子齒極為螺旋條狀動子齒極；與螺旋條狀定子齒極對應的動子齒極為反向螺旋條狀動子齒極或者直條狀動子齒極，齒極數目為m大于等于1的自然數，n為大于等于2的自然數。

反向螺旋條狀動子齒極稱為反螺旋動子條，直條狀動子齒極稱為直條動子齒極；當然，上述直條狀定子齒極、螺旋條狀定子齒極、直條狀動子齒極、螺旋條狀動子齒極及反向螺旋條狀動子齒極各自由支撐件支撐，這種結構在z軸方向即相鄰層之間的定子齒極的磁力線，分別徑向穿過各自的氣隙，在動子內形成軸向連接，使動子產生轉矩。

所述的開關磁阻電動機，所述直條狀定子齒極或者螺旋條狀定子齒極的軛部，對應由直條狀導磁材料或者螺旋條狀導磁材料連接構成直條狀串聯的u型電磁鐵或者螺旋條狀串聯的u型電磁鐵。

此時，定子齒極鐵芯外套設的線圈可以變更為套設在將定子齒極鐵芯連接的軛鐵上，即直條狀導磁材料或者螺旋條狀導磁材料上，也可以定子齒極鐵芯及軛鐵外均套設的線圈，這樣的結構，定子齒極鐵設置徑向磁場、定子齒極鐵芯之間的軛鐵設置軸向或者螺旋軸向磁場，能夠疊加為halbach陣列的單邊磁場，提高開關磁阻電動機的效率，所述定子齒極鐵芯與軛鐵可以為整體成形結構，如果是硅鋼片，組成定子齒極鐵芯與軛鐵的硅鋼片為整體成形結構。

所述的開關磁阻電動機，所述直條狀定子齒極或者螺旋條狀定子齒極的圓弧面指向圓心，構成外直條狀定子齒極或者外螺旋條狀定子齒極；所述直條狀動子齒極、螺旋條狀動子齒極及反向螺旋條狀動子齒極對應為內直條狀動子齒極、內螺旋條狀動子齒極及內反向螺旋條狀動子齒極。

所述的開關磁阻電動機，所述直條狀定子齒極或者螺旋條狀定子齒極的圓弧面背離圓心，構成內直條狀定子齒極或者內螺旋條狀定子齒極；所述直條狀動子齒極、螺旋條狀動子齒極及反向螺旋條狀動子齒極對應為外直條狀動子齒極、外螺旋條狀動子齒極及外反向螺旋條狀動子齒極。

所述的開關磁阻電動機，所述m為偶數，每層定子齒極的軛部由導磁材料連接形成閉合框架定子齒極，定子齒極之間的導磁材料框架上，套設框架線圈。

這樣能夠產生環(huán)狀的halbach陣列，相應增強定子齒極的磁場強度。

所述的開關磁阻電動機，所述閉合框架定子齒極的圓弧面指向圓心，構成外閉合框架定子齒極；所述直條狀動子齒極、螺旋條狀動子齒極及反向螺旋條狀動子齒極對應為內直條狀動子齒極、內螺旋條狀動子齒極及內反向螺旋條狀動子齒極。

所述的開關磁阻電動機，所述閉合框架定子齒極的圓弧面背離圓心，構成內閉合框架定子齒極；所述直條狀動子齒極、螺旋條狀動子齒極及反向螺旋條狀動子齒極對應為外直條狀動子齒極、外螺旋條狀動子齒極及外反向螺旋條狀動子齒極。

所述的開關磁阻電動機，所述定子齒極為內定子齒極，其m=4，β=45°四個內定子齒極的內定子齒極鐵芯呈十字結構。

這樣，四個呈十字狀的齒極可以形成兩個背靠背的halbach陣列。

所述的開關磁阻電動機，所述定子齒極為內定子齒極，其m=2，β=90°，兩個內定子齒極呈徑向的條狀結構。

這樣，條狀結構的兩個內定子齒極的磁場方向相同，充分利用電動機內的空間。

所述的開關磁阻電動機的定子齒極，所述定子齒極的形狀為直齒或者螺旋齒。

所述的開關磁阻電動機的定子齒極，所述直條狀定子齒極或者螺旋條狀定子齒極的軛部，對應由直條狀導磁材料或者螺旋條狀導磁材料連接構成直條狀串聯的u型電磁鐵或者螺旋條狀串聯的u型電磁鐵。