转子分段式磁通切换电机及其提高反电势正弦度的方法 【技术领域】
本发明涉及一种磁通切换电机及方法，尤其涉及一种转子分段式磁通切换电机及其提高反电势正弦度的方法，属于特种电机领域。
背景技术
在电机领域中，永磁电机在效率、功率密度、转矩密度方面具有绝对的优势，在对体积和功率要求苛刻的场合比较适用。但是其永磁体置于转子上，大功率/宽转速运行时存在如下问题：1、高速旋转时离心力较大，须对永磁体进行防护；2、永磁体散热困难；3、永磁体磁场与电枢磁场为串联结构，永磁体受电枢磁场影响较大，严重时会发生不可逆退磁。
开关磁阻电机定、转子是双凸极结构，转子上无永磁体也无绕组，它的转子结构是最为简单的。高压直流开关磁阻电机起动/发电系统也一直是国内外学者关注和研究的热点，在美国空军的资助下美国GE和Sund strand公司1985年开始联合研制270V高压直流开关磁阻电机起动/发电系统(30kw)，该系统现应用在美国开发的最新联合攻击机F35中，它是目前国际上认为性能最好的270V高压直流起动/发电系统。
开关磁阻电机由于是半周期工作，电机功率密度要低于永磁电机。永磁双凸极电机、电励磁双凸极电机通过加入第二套磁场可以实现电机的全周期运行，提高了电机的功率密度。但是双凸极电机的磁链波形是单极性，电机材料的利用率不高，另外，双凸极电机的反电势波形不够规则，工作在发电状态时若采用二极管不控整流电路，功率因数较低。
与永磁双凸极电机同属于定子永磁式电机的永磁开关磁链电机从结构上来看，可以看成是普通的开关磁阻电机在定子齿上开槽，插入永磁体。它的转子结构与开关磁阻电机相同；从反电势波形来看，双极性正弦波形反电势与BLAC电机相同，因此它的功率密度要大于开关磁阻电机；从磁链波形来看，永磁开关磁链电机磁链波形为双极性，电机材料的利用率要高于永磁双凸极电机、电励磁双凸极电机。
综上所述，永磁开关磁链电机的特点如下：1、永磁体置于定子上，易于冷却，不受离心力；2、特有的“聚磁”效应使得电机在采用矫顽力较低的永磁体时也可获得较高的气隙磁密；3、转子结构简单，易于高速运行；4、永磁体磁场与电枢磁场为串联结构，永磁体受电枢磁场影响小，弱磁能力优于转子永磁式电机；5、电机采用集中式绕组，结构简单，端部铜损小，电机效率高；6、转矩密度和功率密度要优于永磁双凸极电机和转子永磁式电机。
但由于磁通切换电机本体结构的不完全对称，其单个线圈的反电势谐波较大，若使用转子斜槽，不仅结构复杂，而且反电势基波幅值减小，电机的转矩密度、功率密度降低。
【发明内容】
本发明为了解决磁通切换电机本体结构不完全对称，其单个线圈的反电势谐波较大的问题而提出一种具有单个线圈反电势幅值高、反电势正弦度高的磁通切换电机及其提高反电势正弦度的方法。
转子分段式磁通切换电机，包括凸极定子、电枢绕组、凸极转子，其特征在于还包括电励磁绕组，每两个凸极定子之间的空隙依次嵌入永磁体，上述与永磁体相连的两个凸极定子臂上缠绕电枢绕组，与电枢绕组垂直方向上在永磁体上缠绕电励磁绕组，且相邻永磁体上的励磁方向相反，凸极转子以空间机械角度α沿轴向分段，空间机械角度α满足式(1)：
式(1)中Pr为转子齿数。
2、一种基于权利要求1所述的转子分段式磁通切换电机的提高反电势正弦度的方法，其特征在于：采用所述转子分段式磁通切换电机，凸极定子A、凸极转子A在电枢绕组中产生的反电势和凸极定子B、凸极转子B在电枢绕组中产生的反电势相位相差180°电角度，相对应的凸极定子与凸极转子的相对永磁体励磁方向相反，则合成的单线圈反电势波形形状在0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°电角度区间内完全一致，反电势波形谐波系数减小，从而提高反电势正弦度，且合成的单线圈反电势波形幅值为每部分反电势波形幅值的2倍。
本发明方法具有通用性，适用于多种类型磁通切换电机，包括传统永磁磁通切换电机、传统混合励磁磁通切换电机、隔齿励磁永磁磁通切换电机、隔齿混合励磁磁通切换电机，任意定子极对数Ps和转子极对数Pr，都可使得电机的单线圈反电势具有高正弦度，且合成系数为1，反电势幅值高，电机功率密度高。
本发明转子分段式磁通切换电机及其提高反电势正弦度的方法，合理设计分段式转子的错开角度，两部分永磁体励磁方向相反，保证了单线圈反电势的高正弦度和高幅值，使得电机运行相数可以灵活设计，保持了磁通切换电机的高效率、高功率密度、高转矩密度。本发明适用在对磁通切换电机有不同相数运行要求的场合。
【附图说明】
图1是本发明中转子分段式磁通切换电机总体结构示意图，图中标号名称：1、凸极定子A，2、凸极转子A，3、凸极定子B，4、凸极转子B，5，电机转轴，6，机壳，7，电枢绕组。
图2是本发明中转子分段式磁通切换电机A部分截面示意图，图中标号名称：7，电枢绕组，8、电励磁绕组，9、隔磁齿，10，永磁体A。
图3是本发明中转子分段式磁通切换电机B部分截面示意图，图中标号名称：7，电枢绕组，8、电励磁绕组，9、隔磁齿，10，永磁体B。
图4是本发明中转子分段式磁通切换电机凸极转子A和B错开角度示意图。
图5是本发明中提高反电势正弦度方法应用机型1：传统永磁磁通切换电机。
图6是本发明中提高反电势正弦度方法应用机型2：传统混合励磁磁通切换电机。
图7是本发明中提高反电势正弦度方法应用机型3：隔齿励磁永磁磁通切换电机。
图8是本发明中提高反电势正弦度方法应用机型4：隔齿混合励磁磁通切换电机。
图9是本发明凸极定子1、凸极转子2在电枢绕组中产生的永磁磁链、凸极定子3、凸极转子4在电枢绕组中产生的永磁磁链及合成的单线圈永磁磁链示意图。
【具体实施方式】
如图1、图2、图3、图4所示，一种转子分段式磁通切换电机，包括凸极定子A、凸极定子B和凸极转子A、凸极转子B，凸极转子A和凸极转子B同转轴连接，凸极定子A和凸极定子B共用一套电枢绕组。两部分定子截面几何形状和轴向长度完全一致，两部分定子的空间角度一致。不同的是两部分定子相对的永磁体励磁方向相反。两部分转子截面几何形状和轴向长度完全一致，两部分转子的空间角度相差α，α必须满足式(1)
式(1)，Pr为转子齿数。
图5是本发明中提高反电势正弦度方法应用机型1：传统永磁磁通切换电机。
图6是本发明中提高反电势正弦度方法应用机型2：传统混合励磁磁通切换电机。
图7是本发明中提高反电势正弦度方法应用机型3：隔齿励磁永磁磁通切换电机。
图8是本发明中提高反电势正弦度方法应用机型4：隔齿混合励磁磁通切换电机。
从图9可以看出凸极定子A、凸极转子A在电枢绕组中产生的永磁磁链和凸极定子B、凸极转子B产生的永磁磁链在每90°电角度内波形并不完全一致。
在α满足式(1)地条件下，两部份磁链相位相差180°电角度，具有互补优势，同时两部分电机相对永磁体励磁方向相反，所以两部分磁链相加后，单个线圈磁链在每90°电角度内波形完全一致，磁链电势正弦度高，磁链合成系数为1，单个线圈磁链幅值为每部分磁链幅值的2倍。
因此，凸极定子A、凸极转子A在电枢绕组中产生的反电势和凸极定子B、凸极转子B产生的反电势相位相差180°电角度，以及两部分电机相对永磁体励磁方向相反，其合成的单线圈反电势具有高正弦度，且合成系数为1，反电势幅值高，电机功率密度高。
该方法具有通用性，适用于多种类型磁通切换电机，包括传统永磁磁通切换电机、传统混合励磁磁通切换电机、隔齿励磁永磁磁通切换电机、隔齿混合励磁磁通切换电机，任意定子极对数Ps和转子极对数Pr，都可使得电机的单线圈反电势具有高正弦度，且合成系数为1，反电势幅值高，电机功率密度高。