專利名稱：自風冷卻轉子低轉矩脈動磁阻類電機的制作方法
技術領域：
本發明為一種自風冷卻轉子低轉矩脈動磁阻類電機，包括開關磁阻電機、雙凸極電機、 感應子電機等，屬于電機技術領域。
背景技術：
磁阻類電機是通過磁阻的變化來實現機電能量的轉換。該類電機主要包括開關磁阻電 機、雙凸極電機、感應子電機等。以雙凸極電機為例，轉子采用硅鋼片沖制疊壓而成，轉子 上有凸極結構，無繞組，無電刷，因而該型電機具有結構簡單、運行可靠的突出優點，尤其 適合于高速運行。另外，電勵磁雙凸極電機還具有其勵磁功率相對較低的優點，因此雙凸極 電機在航空航天、艦船、綠色能源等各個領域的動力系統及電源系統有廣泛的應用前景。
但是該類電機也存在轉矩脈動相對較高的缺點，在轉速較低時嚴重影響正常運行。研究 表明可以通過采用轉子斜齒結構來降低轉矩脈動，在此稱為傳統的轉子斜齒磁阻類電機，該 結構不能提供自風冷卻功能。同時，由于該類電機是通過磁阻的變化來實現機電能量的轉換， 尤其是雙凸極電機，其定子、轉子的磁通都是交變的，因此它存在明顯的渦流損耗，效率相 對較低，定子、轉子溫升明顯。這樣輕則會影響繞組壽命，重則會損壞繞組。通常的方法是 降低繞組電流密度選取、減小導磁體工作磁通密度選取、增大外部散熱面積等方法來減小溫 升，但是這會增大電機的體積重量，造成浪費。這就限制了該類電機的應用范圍，尤其是大 功率場合的應用。

發明內容
本發明在傳統的轉子斜齒磁阻類電機的基礎上，利用轉子凸極齒的結構特點，提出一種 具有軸流風機扇葉結構形狀自風冷卻功能轉子、能夠有效散除轉子熱量、低轉矩脈動的新型 磁阻類電機。該電機的轉子凸極齒根據軸流風機結構形狀設計，使之具有自風冷卻功能，定 子凸極齒根據轉子凸極齒形狀設計，使之產生降低轉矩脈動的功能。
利用本發明可以在電機設計時提高繞組電流密度選取、提高導磁體工作磁通密度選取， 減小外部散熱面積，最大限度地降低電機的體積重量、優化電機的尺寸，節省資源，降低消 耗。尤其適合于低轉速、大功率的應用場合。
本發明的自風冷卻轉子低轉矩脈動磁阻類電機，包括開關磁阻電機、雙凸極電機、感應 子電機等，適用于6n/4n極、或8n/6n極、或10n/8n極結構，n為正整數，或其它各種基本 結構，此處所謂的各種結構名稱描述的是定子及轉子上凸極齒的個數，例如所謂的6/4極 是指定子有6個凸極齒，轉子有4個凸極齒，等等；同時適用于各種勵磁方式，包括電勵磁、 永磁體勵磁及混合勵磁，和各種工作方式，包括電動工作及發電工作；同時適用于各種斜齒 結構。以6/4極結構雙凸極電機為例。其它結構的磁阻類電機的設計與此完全相同，所不同的 僅僅是轉子以及定子上凸極齒的個數不一樣。
該發明電機除了具有軸流風機扇葉結構形狀自風冷卻功能轉子以外，在(其它)電性能上 與傳統轉子斜齒結構雙凸極電機是一致的，從電機橫截面上看每一個橫截面都是一致的，并 且與傳統轉子斜齒結構雙凸極電機的橫截面一致。
但是，該發明電機轉子的凸極齒是軸流風機扇葉結構形狀的傾斜齒轉子凸極齒按軸流 風機扇葉轉動中吸氣的原理設計，以轉子凸極齒高中心與轉子中心軸線的距離G(轉子外半 徑與轉子內半徑的平均值)為半徑，以轉子中心軸線為中心作與轉子長度相等的圓柱面，該 圓柱面與凸極齒側面形成空間交線。將該圓柱面展開成為平面，空間交線展成平面圓弧狀曲 線，內外兩條平面圓弧狀曲線組成圓弧狀葉片，這樣即構成了平面葉柵。圓弧狀葉片中心圓 弧線，簡稱中弧線，其進氣口處切線與轉子中心軸線平行線之間的夾角稱為進氣口角度A 其出氣口處切線與轉子中心軸線平行線之間的夾角稱為出氣口角度"2。所述的圓弧狀曲線，
由進口角度P和出口角度"2以及轉子長度決定，〃 =tan—'g， "2:tarT1 C ， C2u=#， 式中的c為進氣絕對速度，"為輪緣速度，丄u為輪緣功。
當轉子轉動時，凸極產生對氣體的抽吸力，將氣體引入電機內部再由出口排出。在平面 葉柵和對應的電機進氣端速度三角形中，根據冷卻氣流量要求，確定進氣絕對速度c，根據
轉速計算出輪緣速度f/，由速度三角形確定相對速度方向a。使轉子凸極進口角^a,避免進 氣產生分離損失。圓弧狀中弧線出口角的要經過氣動設計確定，長度根據電機轉子長度確定。 在進氣口凸極上加裝一個整流罩，減小進氣阻力。
為了保持電機(其它)電性能與傳統的轉子斜齒雙凸極電機一致，以傳統的轉子斜一齒為 例，其它的斜齒方式與此一致轉子凸極齒側面在以轉子外半徑r!為半徑的圓柱切面平面展 開圖上形成曲線LA,展開圖的寬度為2Wl;定子凸極齒側面在以定子內半徑^為半徑的圓 柱切面平面展開圖上形成曲線LB,展開圖的寬度為27ir4，將該展開圖進行縮小，寬度縮小到 2兀n,則原展開圖上所有的點都按比例變化，原展開圖上的曲線LB變成縮小展開圖上的曲線 LC;曲線LA與曲線Lc符合將曲線La和曲線Lc左邊的端點重合在一起匯在一張圖上并在 該點處作一條水平線，該水平線與展開圖的側面垂直。過曲線LA上的每一點可以作該水平 線的垂線，該垂線與曲線LA、曲線Lc相交的兩個交點形成一一對應關系，將曲線LA上的每 一點到展開圖底邊的距離與其在曲線Lc上的對應點到底邊的距離相減，得到差值，以該差 值為到水平線的距離作一個點，將所有的這些點連接起來形成一條曲線，該曲線是一條直線， 與傳統的轉子斜齒結構雙凸極電機的轉子齒側面在以轉子外半徑為半徑的圓柱切面平面展 開圖上形成的曲線完全一致。
在滿足上述條件下，可以做到對電機設計的優化，既可以盡量多地帶走轉子產生的熱量， 又可以做到由于使空氣流動而損失的能量達到最小；同時電機結構改動小、沒有明顯增加其 復雜程度。


圖1: 6/4極結構自風冷卻轉子雙凸極電機轉子結構示意圖 圖2: 6/4極結構自風冷卻轉子雙凸極電機轉子結構示意3: 6/4極結構自風冷卻轉子雙凸極電機定子結構示意圖
圖4:轉子以凸極齒高中心高度O(轉子外半徑與轉子內半徑的平均值)為半徑的圓柱剖面平 面展開圖
圖5:電機進氣端速度三角形示意圖
圖6:轉子以外半徑n為半徑的圓柱切面平面展開圖
圖7:定子以內半徑r4為半徑的圓柱切面平面展開圖
圖8:定子以內半徑r4為半徑的圓柱切面平面展開圖縮小為寬度為2;rn的縮小圖 圖9:曲線LA、 Lc之間關系示意圖
圖中標號及符號說明1、雙凸極電機轉子；2、轉子凸極齒；3、轉子中心軸線；4、轉 子外半徑n; 5、轉子內半徑"6、轉子凸極齒高中心高度r2(轉子外半徑與轉子內半徑的平 均值)；7、以轉子凸極齒高中心高度o為半徑的圓柱面；8、以轉子外半徑n為半徑的圓柱 面；9、定子內半徑"；10、以定子內半徑&為半徑的圓柱面；11、圓柱面7與凸極齒側面 形成的空間交線；12、空間交線11在展開平面上的平面曲線；13、圓弧狀中弧線20的進氣 口角度席14、進氣絕對速度C; 15、輪緣速度C/; 16、相對速度方向a; 17、相對速度『； 18、轉子凸極齒側面在以轉子外半徑n為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線LA; 19、 定子凸極齒側面在以定子內半徑,4為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線LB; 20、圓 弧狀中弧線；21、圓弧狀中弧線進氣口處切線；22、轉子中心安裝孔；23、轉子定位槽；24、 雙凸極電機定子；25、定子中心軸線；26、整流罩截面；27、定子定位槽；28、圓弧狀中弧 線出氣口處切線；29、轉子中心軸線平行線；30、圓弧狀中弧線20的出氣口角度的；31、 轉子中心軸線平行線；32、 LB縮成的曲線Lc; 33、水平線；34、 La與Lc的對應點到底邊的 距離之差形成的直線。
具體實施方案
以雙凸極電機為例，由于雙凸極電機的轉子上只有凸極齒和齒槽，沒有繞組，本發明提 出利用凸極齒和齒槽這種結構特點，將雙凸極電機轉子凸極齒設計成軸流風機的扇葉結抅形 狀，使轉子轉動時能夠抽吸轉子一端(進氣端)周圍的空氣進入電機轉子齒槽，再從轉子另一 端(出氣端)出去，直接帶走電機轉子產生的熱量從而冷卻電機。為了達到這個目的，可以依 據軸流風機扇葉的工作原理設計轉子凸極齒的形狀。
圖1與圖2為6/4極結構自風冷卻轉子雙凸極電機轉子結構示意圖，圖3為6/4極結構 自風冷卻轉子雙凸極電機定子結構示意圖，圖中的標號名稱1、雙凸極電機轉子，2、轉子 凸極齒，3、轉子中心軸線，4、轉子外半徑n, 5、轉子內半徑^， 6、轉子凸極齒高中心高 度^(轉子外半徑與轉子內半徑的平均值)，7、以凸極齒高中心高度r2為半徑的圓柱面，8、 以轉子外半徑n為半徑的圓柱面，11、圓柱面7與凸極齒側面形成的空間交線，18、轉子凸 極齒側面在以轉子外半徑n為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線LA, 22、轉子中心 安裝孔，23、轉子定位槽，9、定子內半徑 10、以定子內半徑r4為半徑的圓柱面，24、 雙凸極電機定子，25、定子中心軸線，27、定子定位槽。其中凸極齒2是傾斜的，傾斜情況 符合圖4是將圖2所示的圓柱面7展開成的平面圖，圖4中的平面圓弧狀曲線12是圖2 中圓柱面7與轉子凸極齒側面形成空間交線11的平面展開的圓弧曲線。內外兩條平面圓弧狀曲線抅成平面圓弧狀葉片，平面圓弧狀葉片的中心圓弧曲線20的進氣口處切線21與轉子 中心軸線平行線29之間的夾角為進氣口角度"3，平面圓弧狀葉片的中心圓弧曲線20的出 氣口處切線28與轉子中心軸線平行線31之間的夾角為出氣口角的30,圖中的標號26為整 流罩截面。圖5為電機進氣端速度三角形示意圖，圖中的標號名稱14、進氣絕對速度C, 15、輪緣速度C/, 16、相對速度方向a, 17、相對速度『；圖6為圖2中以轉子外半徑n為 半徑的圓柱切面8的平面展開圖。圖中的標號18是轉子凸極齒側面在以轉子外半徑n為半
徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線La,圖7為圖3中以定子內半徑t4為半徑的圓柱切
面IO的平面展開圖，圖中的標號19是定子凸極齒側面在以定子內半徑Q為半徑的圓柱切面 10的平面展開圖上形成的曲線LB。轉子凸極齒側面在以轉子外半徑n為半徑的圓柱切面平 面展開圖的寬度為2Trn;定子凸極齒側面在以定子內半徑/^為半徑的圓柱切面平面展開圖的 寬度為27rr4,將該展開圖進行縮小，圖8為定子以內半徑r4為半徑的圓柱切面平面展開圖縮 小為寬度為2:tn的縮小圖，圖中的標號32是LB縮成的曲線Lc; LA與Lc符合圖9為曲線 LA、 Lc之間關系示意圖，將LA和Lc左邊的端點重合在一起匯在一張圖上，并在該點處作一 條水平線，該水平線與展開圖的側面垂直。過LA上的每一點可以作該水平線的垂線，該垂 淺與La、 Lc相交的兩個交點形成一一對應關系，將la上的每一點到展開圖底邊的距離與其 在Lc上的對應點到底邊的距離相減，得到差值，以該差值為到水平線的距離作一個點，將 所有的這些點連接起來形成一條曲線，該曲線是一條直線。圖中的標號18、轉子凸極齒側 面在以轉子外半徑n為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線LA, 32、 LB縮成的曲線Lc; 33、水平線；34、 La與Lc的對應點到底邊的距離之差形成的直線。
本發明適用于各種結構的磁阻類電機。對于該類電機在進行機電能量轉換計算、損耗計 算時與傳統計算過程相同，請參考電機設計手冊。在此僅給出轉子冷卻的設計計算方法。
首先根據電機設計手冊確定電機轉子的損耗P。然后根據該損耗確定冷卻氣流量2:
ca.Ara
其中，Q為空氣比熱容，Azk為空氣通過電機后的溫升。
在平面葉柵和對應的電機進氣端速度三角形中，如圖5所示，根據由公式(l)確定的冷 卻氣流量0的要求，由公式(2)確定進氣絕對速度C14。
C = i (2)
其中，p為進氣氣流密度，^為進氣端流道截面積。 根據轉速，由(3)式計算出輪緣速度t/15。
[/ = ,2 . (3)
其中，r2為轉子凸極齒高中心高度(轉子外半徑與轉子內半徑的平均值)，W為電機轉子角速
度。再由速度三角形確定相對速度方向"16，即
a = tan-^ (4)
使轉子凸極進口角/0=",避免進氣產生分離損失。
根據所產生的動能增量確定輪緣功丄u,
即 Zu=|pC2 (5)進一步由i:u=f/c2u得 c2u = ， (6)
及 "2=tan—177^r~ (7)
計算得出氣口角度"2。
確定了進氣口角度和出氣口角度，再結合電機轉子的長度，就確定了平面葉柵中圓弧狀 葉片中弧線的形狀。根據圓弧狀葉片中弧線的形狀和硅鋼片的厚度(包括絕緣漆)以及轉子的 長度，計算出轉子每片硅鋼片的偏轉角度。根據轉子凸極齒的形狀計算定子凸極齒的形狀， 計算出定子每片硅鋼片的偏轉角度，在沖制定子、轉子時同時沖出每片硅鋼片的定位槽，在 定子、轉子疊片式將每一片硅鋼片的根據定位槽固定壓實成型即可。
在進氣端處為了減小氣阻，加裝一個整流罩，整流罩可以是半圓型、半橢圓形、弧狀曲 線或其它圓滑曲線。
權利要求
1、一種自風冷卻轉子低轉矩脈動磁阻類電機，包括轉子和定子，其特征在于所述轉子凸極齒為軸流風機扇葉結構形狀的傾斜齒，具體形狀是以轉子凸極齒高中心與轉子中心軸線的距離為半徑，以轉子中心軸線為中心的圓柱面與凸極齒側面形成空間交線，該交線在該圓柱面展開的平面圖上展成的曲線是圓弧狀曲線，內外兩條圓弧狀曲線組成圓弧狀葉片，圓弧狀葉片的中心圓弧線由進氣口角度β和出氣口角度α2決定；所述的進氣口角度β是指以轉子中心軸線為中心，以轉子凸極齒高中心與轉子中心軸線的距離r2為半徑，作與轉子長度相等的圓柱面(7)，該圓柱面(7)與凸極齒側面形成空間交線(11)，并將該圓柱面(7)展開成為平面，則空間交線(11)展成為平面圓弧狀曲線(12)，內外兩條平面圓弧狀曲線組成圓弧狀葉片，這樣即構成了平面葉柵，圓弧狀葉片中心圓弧線(20)的進氣口處切線(21)與轉子中心軸線平行線(29)之間的夾角稱為進氣口角度β；所述的出氣口角度α2是指平面圓弧狀葉片中心圓弧線(20)的出氣口處切線(28)與轉子中心軸線平行線(31)之間的夾角稱為出氣口角度α2；進氣口角度出氣口角度式中的C為進氣絕對速度，U為輪緣速度，Lu為輪緣功；所述的定子凸極齒的形狀，應保持電機電性能與傳統的轉子斜齒雙凸極電機一致，轉子凸極齒側面在以轉子外半徑r1為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成曲線LA，展開圖的寬度為2πr1；定子凸極齒側面在以定子內半徑r4為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成曲線LB，展開圖的寬度為2πr4，將該展開圖進行縮小，寬度縮小到2πr1，則原展開圖上所有的點都按比例變化，原展開圖上的曲線LB變成縮小展開圖上的曲線LC；曲線LA與曲線LC符合將曲線LA和曲線LC左邊的端點重合在一起匯在一張圖上并在該點處作一條水平線，該水平線與展開圖的側面垂直。過曲線LA上的每一點可以作該水平線的垂線，該垂線與曲線LA、曲線LC相交的兩個交點形成一一對應關系，將曲線LΛ上的每一點到展開圖底邊的距離與其在曲線LC上的對應點到底邊的距離相減，得到差值，以該差值為到水平線的距離作一個點，將所有的這些點連接起來形成一條曲線，該曲線是一條直線，與傳統的轉子斜齒結構雙凸極電機的轉子齒側面在以轉子外半徑為半徑的圓柱切面平面展開圖上形成的曲線完全一致。
全文摘要
一種自風冷卻轉子低轉矩脈動磁阻類電機，屬磁阻類電機。該類電機包括轉子和定子，所述轉子凸極齒為軸流風機扇葉結構形狀傾斜齒由進氣口角度、出氣口角度以及轉子長度決定，所述定子凸極齒結構應保持電機電性能與傳統的轉子斜齒雙凸極電機一致。當電機轉子轉動時，轉子凸極齒產生對空氣的抽吸力，將空氣引入電機內部再由出氣口排出，帶走電機轉子熱量，實現自風冷卻目的。本發明適用于各種結構的磁阻類電機，包括雙凸極電機、開關磁阻電機、感應子電機等。本發明能自動散除磁阻類電機轉子熱量，降低電機體積重量、優化電機尺寸。
文檔編號H02K9/00GK101442245SQ20081024341
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月23日 優先權日2008年12月23日
發明者周正貴, 宏 楊, 芳 王, 馬運東 申請人:南京航空航天大學