具有启动绕组的单相开关磁阻式多功能电机 【技术领域】
本发明涉及一种单相开关磁阻式电机，但启动时涉及到直流电机工作原理，而启动后按双凸极变磁阻电机原理运行。
背景技术
电动汽车是一种节能减排的交通工具，目前已得到世界各国的广泛重视，并被公认为节能、环保的未来汽车。所包含的任一类电动汽车都需要用电动机作为执行机构来驱动车轮行驶。因此发明创造一种坚固耐用、功效高、成本低，并同时兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能的电机，对提高电动汽车性价比，使其普及推广是十分有益的
由于电动汽车采用轮毂电机具有传输效率最高、响应直接而最快，使得多种汽车性能优化控制易于实现；并且采用轮毂电机不仅节省了大量的机械部件成本，减轻汽车自重，还能腾出许多有效空间便于汽车结构布局，有利于降低汽车质心与车身高度。但由于轮毂电机受其结构体积限制，特别是对于驱动功率较大时，对电机的单位体积功率提出了更高的要求。
鉴于单相开关磁阻式电机具有结构简单、坚固可靠、制造成本低、单位体积功率高(其磁路利用率高)，且其驱动控制器的成本也最低、效率高等优点。按其工作原理(参考中国专利号为ZL 200820120855.8的实用新型专利，所公开的兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机)，根据所测得的转子凸极相对定子凸极位置角度关系，适时控制定子绕组电流同样可在一台电机上实现电机驱动、发电回馈、电磁制动三种功能，并且按其结构实现电磁制动使绕组持续通电时，其定、转子圆周上的凸极以电磁相吸而重合的各极弧相加后的总极弧边距完全可大于多相电机许多，可方便地达到180度以上，即使电磁制动效果更高，并且发电回馈与电磁制动相结合的制动过程，类似于现代轿车中的防抱死制动系统ABS及驱动防滑转控制ASR的制动过程，即不仅实现了能量回收，更主要还提高了车辆行驶稳定性和转向操纵性。良好的电磁制动可较大地降低原有的机械制动器使用频度。为此有望对原有机械制动器改型或外移，仅用于汽车紧急制动和驻车制动。使得车轮轮毂内能有更多的空间供电机布局用。但是，单相开关磁阻式电机的最大缺点是没有自启动功能。曾有介绍采用永磁材料作辅助启动的结构，以及在转子极间嵌入铝块或铜块利用涡流反应转矩作辅助起动等，但该类方法均使电机的单位体积功率降低，效果都不理想，并且电机也只能单方向运转。由此使该廉价而高效的电机很难进入实用化。
【发明内容】
为了克服单相开关磁阻式电机无自启动的缺陷，本发明提供一种具有启动绕组的单相开关磁阻式多功能电机。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有启动绕组的单相开关磁阻式多功能电机，所述单相开关磁阻式多功能电机为单相变磁阻双凸极电机，所述单相变磁阻双凸极电机包括定子和转子，定子的定子凸极上安装有励磁绕组，转子的转子凸极上安装专用于启动的启动绕组，所述启动绕组连接电刷，所述启动绕组的电流方向与所述励磁绕组形成的磁场的磁力线呈相切关系。
进一步，所述单相变磁阻双凸极电机为轮毂式电机，所述转子位于定子外侧，所述转子包括上外转子和下外转子，所述励磁绕组环绕在所述定子的凸极上，所述启动绕组包括内环连接线、外环连接线和分布线，所述内环连接线位于所述上外转子的凸极和下外转子的凸极的内圈，所述外环连接线位于所述上外转子的凸极和下外转子的凸极的外圈，所述分布线位于所述内环连接线和外环连接线之间，所述分布线布置在所述转子凸极的平面上。
所述单相变磁阻双凸极电机为伺服控制电机，所述转子位于定子内侧。
本发明的技术构思为：所述转子上增加专用于启动的绕组，由于绕组在转子上，电源的输入仍需通过电刷，但由于只在启动的很短时间内应用，电刷所固有的弊端影响也就很小。使电机在启动时按直流电动机的原理工作，即定子绕组先作为直流电机的励磁绕组，转子绕组作为电枢绕组，转子绕组通入电流后，按通电导体在磁场中产生电磁力的直流电机工作原理启动，使电机转过一个很小的(平衡)角度，即使转子断电，再由定子绕组按变磁阻电机的“磁阻最小原理”运行工作。根据直流电机中采用串励方式具有良好的启动特性，在此就适宜选用该方式启动。电机启动进入正常运转后，即可使该廉价而单位体积功率又高的单相开关磁阻式电机按双凸极变磁阻电机原理，并参考中国专利号为ZL 200820120855.8的实用新型专利，所公开的兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机控制方法，根据转子位置检测信号适时通断定子电流，同样也可获得电动、发电回馈、电磁制动的多功能，而电机的正反转又可按启动时对转子绕组的通电电流方向来启动，并根据转子位置检测信号按开关磁阻电机地运行原理来控制其正反转。这是一种按双凸极变磁阻原理运行，而又利用直流电机工作原理启动的组合式创新电机。
作为一种实施例参考说明书附图。附图1为一种外转子结构的单相开关磁阻式电机，其定子的绕组为环形线圈，绕制在定子铁芯外圆的槽内，绕组通电后形成轴向和径向的混合磁通，作为盘式结构能较大地提高同体积的电机功效。并且定子绕组采用该环形绕法也可简化制造工艺，降低其成本。外转子由附图所示的上下两部分组装而成，为实现单相开关磁阻式电机的自启动功能，转子上特需增加启动绕组。由于该电机定子绕组为环形绕法，根据右手螺旋定律通电后所产生的磁场方向以固定轴向为主，即按图示位置为上下S、N极方向，通过外转子形成闭合磁路。由于磁场方向固定不变，根据电磁力定律其磁场内的通电导体受力方向由左手定则判定，即要求启动用的直流电枢绕组为径向，如图所示在上方外转子的启动绕组布局，并通过绕组内、外环连线将各极绕组连接成一起，由其电刷引入电流。为增大启动力矩下方外转子也需如此布有启动绕组，但通电方向按磁场方向正好相反，即上方绕组内环连线与下方绕组外环连线短接，而上方绕组外环连线与下方绕组内环连线短接。按所要求的电机转向根据左手定则通入相应方向的电流即产生启动转矩。由于通电方向为单向，其电刷即不会存在直流电机的换相火花等弊端。
单相开关磁阻式电机的定、转子一般需采用相同的极数。附图1所示极数为6，即定、转子的凸极数和凹槽数均为6。极数的增加有利于减小开关磁阻电机低速时的转矩波动而引起的噪声和振动，但在相同脉冲频率下电机转速也相应降低。即可根据电机最高转速要求和控制电路可执行的最高脉冲频率，来适当增加电机极数以改善电机低速时的转矩波动。图示θs为定子凸极距，θr为转子凸极距，通常对于单相开关磁阻式电机的定、转子凸极距可做成等极距。增加凸极距即会减小凹槽距，这有利于提高电磁制动时的制动力矩，但也相应减小单位体积功率，可根据上述两者关系来权衡。若电机凸极距与凹槽距相等，在实现电磁制动使绕组持续通电时，其定、转子圆周上的凸极以电磁相吸而重合的各极弧相加后的总极弧边距即可达到180度。若将电机凸极距与凹槽距的比例定为6∶5，即可使电磁制动时，其定、转子凸极以电磁相吸而重合的总极弧边距达到196.36(360×6/11)度。
本发明的有益效果主要表现在：1、启动时不需要外力辅助、使用方便；2、控制方式简单。
【附图说明】
图1是具有启动绕组的单相开关磁阻式多功能电机的外转子结构的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本实施例做进一步说明。
参照图1，一种具有启动绕组的单相开关磁阻式多功能电机，所述单相开关磁阻式多功能电机为单相变磁阻双凸极电机，所述单相变磁阻双凸极电机包括定子1和转子2，定子1的定子凸极3上安装有励磁绕组4，转子2的转子凸极5上安装专用于启动的启动绕组6，所述启动绕组6连接电刷7，所述启动绕组6的电流方向与所述励磁绕组4形成的磁场的磁力线呈相切关系。
所述单相变磁阻双凸极电机为轮毂式电机，所述转子2位于定子1外侧，所述转子2包括上外转子8和下外转子9，所述励磁绕组4环绕在所述定子1的凸极上，所述启动绕组6包括内环连接线10、外环连接线11和分布线12，所述内环连接线10位于所述上外转子的凸极和下外转子的凸极的内圈，所述外环连接线11位于所述上外转子的凸极和下外转子的凸极的外圈，所述分布线12位于所述内环连接线10和外环连接线11之间，所述分布线12布置在所述转子凸极的平面上。
所述单相变磁阻双凸极电机为伺服控制电机，所述转子位于定子内侧。
现以附图所示电机为例来进一步说明电机的启动、驱动运行、发电回馈、电磁制动的各个具体工作过程。
电机启动工作过程
电机启动前通常处于平衡位置，即定、转子凸极齿处于对齐位置，这根据转子位置检测信号也可判断得到。此时对电机定子绕组通入直流励磁电流，电机即产生闭合磁场。根据磁场方向及所要求的转向，对转子绕组通入相应方向的电流后，电机根据通电导体在磁场中产生电磁力的直流电机工作原理按所要求方向启动，电机转过一个很小的(平衡)角度时，即在转子凸极趋近于定子凸极时，即刻切断转子电流，使定子绕组按变磁阻电机的“磁阻最小原理”运转。倘若带负载启动情况下，负载力矩较大一时难以启动时，可采用多次利用转子绕组通电方式启动，即根据转子转角位置检测信号，在电机按“磁阻最小原理”转动到定、转子的凸极即将对齐时，再给转子绕组通入相应方向电流，使电机又按直流电机原理运转，转动到转子凸极即将趋近于定子凸极时，再使转子断电，由定子绕组按变磁阻电机原理转动，如此周而复始，直至电机完全启动。
电机驱动运行工作过程
电机启动进入正常运转后，就按双凸极变磁阻原理运转。即每当外转子凸极齿接近定子凸极齿时，绕组通电使转子转过一定角度后，绕组再断电以避免产生制动转矩，转子靠惯性旋转到转子凸极齿接近下一个定子凸极齿时再通电，即通过转角检测控制绕组以脉冲形式通断电，使电机连续旋转。为满足电动汽车对开关磁阻电机的调速要求，在电动驱动车轮运行状态下，低速时须采用电流斩波控制(CCC)以得到恒转矩调速控制特性；高速时采用角度位置控制(APC)以实现恒功率调速控制特性。
电机实现发电回馈功能的工作过程
当需要减速停车时，尤其对于电动汽车在降速制动或下坡运行时，可利用其动能惯性来进行发电回馈制动，实现能量回收，来提高续驶里程。根据开关磁阻电机的电磁转矩基本表达式可知，当电感L随着转角θ的增加而减少(即转子的凹槽趋向定子绕组凸极)时，绕组内流过电流则产生负的电磁转矩，即电磁转矩为制动性的，电机运行于发电机状态。通过转角位置检测装置当检测到外转子的凹槽即将趋向于定子绕组凸极时，即刻接通定子绕组电路进行励磁，定子绕组所产生的磁场将对转子产生反方向的阻力矩，而转子上的动能将转化成磁能储存在磁场中，直至转子的凸极即将接近定子凸极时，就切断定子绕组电路，此时将通过续流二极管，将储存在磁场中的磁能转化成电能回馈给蓄电池。如此反复即能以脉冲形式给蓄电池充电。根据蓄电池充电过程原理分析可知采用适当参数的脉冲充电法，有利于极板恢复蓄电池原来的晶体结构和消除记忆效应，即可提高蓄电池性能和其使用寿命。
电机实现电磁制动功能的工作过程
当电机经上述发电回馈降速后需制动停止时，对其绕组持续保持通电，所产生的磁场即可使定、转子各对凸极齿被电磁力相互吸住，并且电机圆周的各凸极齿是均匀对称地被电磁力吸住，即制动力为绕圆周均匀对称。由于采用了单相电机，在电机凸极距与凹槽距相等的情况下，即可使定、转子凸极以电磁相吸而重合的总极弧边距达到180度，若增大电机凸极距与凹槽距的比例，还可增加电磁相吸的总极弧边距角度。如当电机由于动能惯性较大时，需根据转角位置检测信号，并采用与发电回馈制动相结合的方法反复进行，直至转角θ的位置检测无变化即停止为止。这种电磁制动-发电回馈制动反复进行的制动过程，即类似于现代轿车中的防抱死制动系统ABS及驱动防滑转控制ASR的制动过程，即可提高车辆行驶稳定性和转向操纵性。
另外，由于该电机转子增加了直流启动绕组，若需要时也可采用直流电动机的反接制动和能耗制动方法来进行快速制动。不过这两种制动方式在能源受限的电动汽车一般不宜采用，但对用于其它驱动装置可考虑采用。