本發明屬于電機領域，特別涉及一種輸入能量可重復利用的單相永磁型開關磁阻電機及其控制方法。

背景技術：

在常規的單相開關磁阻電機中，由于要考慮電機的啟動問題，一般都需要對電機的轉子的凸極做變形處理，以使電機能夠實現自行啟動的目的。但轉子的凸極變形后已不再是原有意義上的雙凸極結構，因而也會喪失或削弱傳統雙凸極開關磁阻電機所特有的特性，其控制特性也會發生改變，而且這種電機也不能實現雙向運轉；此外，常規的單相開關磁阻電機存在輸出轉矩波動大、輸出轉矩密度低，不能產生連續轉矩的輸出等缺點。

技術實現要素：

本發明的目的在于：針對上述存在的問題，提供一種能夠使輸入的能量重復利用，從而提高輸入能量的轉換效率，以達到有效節能目的的單相永磁型開關磁阻電機及其控制方法。

本發明的技術方案是這樣實現的：一種單相永磁型開關磁阻電機，包括定子、轉子、電機輸出軸以及控制系統，所述定子和轉子的凸極之間為氣隙,所述定子和轉子的對應關系是內轉子結構或者是外轉子結構，所述轉子固定套接在電機輸出軸外周，其特征在于：所述定子由前段定子鐵芯、中段定子鐵芯和后段定子鐵芯組成，三段定子鐵芯的凹、凸極數量及凹、凸極寬度均相等，且凹、凸極數量均為偶數，所述三段定子鐵芯之間留有間隙，所述前段定子鐵芯和后段定子鐵芯中的凸極部位保持一致，即兩段定子鐵芯中凸極的中心線在同一直線上，所述中段定子鐵芯中的凸極部位的中心線與前、后兩段定子鐵芯中凹極的中心線相重合，所述的前段定子鐵芯、中段定子鐵芯和后段定子鐵芯的凸極部位均安裝有定子電磁繞組；所述轉子由轉子鐵芯和永磁體組成，所述轉子鐵芯的凸極數量與任一段定子鐵芯的凸極數量相等，且定子鐵芯上的凸極寬度小于轉子鐵芯的凸極寬度，所述轉子鐵芯分為前、中、后三段，在所述轉子鐵芯的中段對應凸極部位嵌裝有永磁體，所述永磁體的充磁方向為徑向，中段轉子鐵芯中相鄰的各凸極所嵌裝的永磁體的極性相異，所述中段轉子鐵芯的極性與其對應的前、后段轉子鐵芯的極性相異，所述前、中、后三段轉子鐵芯的凸極的中心線重合，所述轉子鐵芯安裝在電機輸出軸上，且與電機輸出軸同步轉動。

本發明所述的單相永磁型開關磁阻電機，其所述前、后段轉子鐵芯對應的凸極部位無永磁體。

本發明所述的單相永磁型開關磁阻電機，其所述前段定子鐵芯、中段定子鐵芯和后段定子鐵芯的長度均相等，所述轉子鐵芯的總長度與定子鐵芯的總長度相等，所述轉子鐵芯的前、中、后段分別與定子鐵芯的前、中、后段對應，所述中段轉子鐵芯中的對應凸極部位所嵌裝的永磁體與中段定子鐵芯對應配合。

本發明所述的單相永磁型開關磁阻電機，其在所述前段定子鐵芯、中段定子鐵芯及后段定子鐵芯之間分別嵌有非導磁體。

本發明所述的單相永磁型開關磁阻電機，其在各段定子鐵芯的凸極上安裝的電磁繞組，對各段而言均滿足任一相鄰的凸極上安裝的電磁繞組其繞制方向相反，且各凸極上安裝的電磁繞組均按頭、尾相連的方式連接。

本發明所述的單相永磁型開關磁阻電機，其所述控制系統中設置有極性檢測電路、位置檢測電路以及能量回收電路。

本發明所述的單相永磁型開關磁阻電機，其前、后段定子鐵芯上定子電磁繞組的兩根引出線分別按頭、尾相連的方式連接，前段定子鐵芯上定子電磁繞組的頭和后段定子鐵芯上定子電磁繞組的尾以及中段定子鐵芯上定子電磁繞組的頭、尾分別與控制系統設置的方向控制電路相連接，所述控制系統設置的方向控制電路可改變中段定子鐵芯上定子電磁繞組的頭、尾端與連接在一起的前、后段定子鐵芯上定子電磁繞組的頭、尾端的連接方向，以此可改變電機的運行方向。

一種單相永磁型開關磁阻電機的控制方法，其特征在于：所述控制系統可采用恒功率控制模式或恒轉矩控制模式驅動電機旋轉。

本發明所述的單相永磁型開關磁阻電機的控制方法，其所述的恒功率控制模式是指，電機由某一穩定位置經由非穩定位置向下一穩定位置運動的過程中，根據位置檢測電路給出的位置控制信號在開始位置使功率驅動電路導通，給定子電磁繞組供電，驅動轉子旋轉，當到達非穩定位置時，關閉功率驅動電路，使轉子在電機所特有的磁動力和續流電流的共同作用下繼續旋轉，直至到達下一穩定位置，當到達下一穩定位置時，功率驅動電路改變導通方向，給定子電磁繞組反向供電，驅動轉子繼續旋轉，余此類推。

本發明所述的單相永磁型開關磁阻電機的控制方法，其所述的恒轉矩控制模式是指，電機由某一穩定位置經由非穩定位置向下一穩定位置運動的過程中，根據位置檢測電路給出的位置控制信號在開始位置使功率驅動電路導通，給定子電磁繞組供電，驅動轉子旋轉，當到達位置檢測電路給出的位置控制信號所在的位置時，即下一穩定位置，關閉功率驅動電路，使定子電磁繞組快速續流，當到達下一穩定位置時，功率驅動電路改變導通方向，給定子電磁繞組反向供電，驅動轉子繼續旋轉，余此類推。

本發明在保持了常規開關磁阻電機所特有優點的基礎上，消除了常規開關磁阻電機所固有的轉矩脈動，同時由于使用了永磁材料，從而大幅度的提升了電機的功率密度，并提高了電源輸入能量的轉換效率，有效的實現了節能的目標。

本發明產生的有益效果是：

1、本發明實現了永磁體的慣性做功，采用本發明的輸入能量可重復利用的單相永磁型開關磁阻電機與常規的三相開關磁阻電機相比較，在相同的電機體積和相同的電磁參數的情況下，可以使電機的功率密度提高3～5倍，且消除了常規開關磁阻電機所固有的轉矩脈動大、噪聲大的缺點，保留了常規開關磁阻電機的所有優點。

2、本發明可實現單相永磁型開關磁阻電機的雙向運行或單向運行。

3、本發明采用的控制方案使用了能量存儲（轉換）電路，因而可以使由電源所輸入能量獲得重復利用，故可以在保持相同的電機特性的情況下，減少電源的輸入，從而獲得良好的節能效果。

4、本發明的電機具有結構簡單、便于設計及計算，同時還便于建模和仿真。

5、本發明的控制回路結構簡單便于設計且控制編程方便，該控制方式可以應用于各種功率的電機，并可以滿足各種調速控制的需求。

6、本發明的電機與常規永磁電機相比較，在輸出功率相同的情況下，可以減少鐵芯、線圈銅線、以及永磁體的用量，具有較大的成本優勢。

7、本發明的電機具有結構緊湊、重量輕且功率擴展方便，因而具有良好的功率密度和轉矩密度。

8、采用本發明的電機及其控制方法可以使電機的效率更高，并具有更好的節能效果。

9、本發明的電機具有溫升低、無脈動、噪聲小、可靠性更高的優良特性。

10、本發明的電機可根據負載的狀況，靈活選擇各種不同的控制方案，以滿足恒轉矩負載或恒功率負載的不同需求，并獲得最佳的控制效果。

11、本發明的電機可滿足大功率負載的的需求，克服了以往單相電機只能應用于小功率負載的狀況。

附圖說明

圖1是本發明的前、后段定子與轉子對應配合的截面圖。

圖2是本發明的中段定子與轉子對應配合的截面圖。

圖3是本發明的定子和轉子的展開結構示意圖。

圖4是本發明的中段定、轉子的總體結構及繞組磁場的分布圖。

圖5是本發明的前、后段定、轉子的總體結構及繞組磁場的分布圖。

圖6是本發明的功率驅動電路原理圖。

圖7是本發明的方向控制電路原理圖。

圖8是本發明的恒功率控制模式中單管續流時的電路波形圖

圖9是本發明的恒功率控制模式中快速續流時的電路波形圖

圖10是本發明的恒轉矩控制模式中的電路波形圖

圖中標記：1為定子，2為轉子，3為永磁體，4為定子電磁繞組，5為儲能電路，c為儲能電容，l為定子繞組，d為阻尼管，k1、k2為繼電器的常閉觸點，k3、k4為繼電器的常開觸點。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明作詳細的說明。

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

實施例1：如圖1、2和3所示，一種可雙向運行的單相永磁型開關磁阻電機，包括定子1、轉子2、電機輸出軸以及控制系統，所述定子1和轉子2的凸極之間為氣隙，所述定子采用三段式徑向磁場設計，轉子鐵芯采用單段式凸極鐵芯結構，所述定子1和轉子2的對應關系是內轉子結構或者是外轉子結構，所述控制系統中設置有極性檢測電路、位置檢測電路以及能量回收電路，以滿足電機的啟動及運轉控制的需求，即通過極性檢測電路及位置檢測電路對轉子初始位置和運行過程進行判斷。

如圖6所示，所述控制系統采用h橋控制，其中設置了隔離二極管d5、d6，續流二極管d1～d4，二組橋臂q1、q4和q3、q2，還設置有儲能電路5，在本實施例中由儲能電容c構成。

如圖7所示，控制系統中還設置有方向控制電路，在本實施例中由繼電器構成，控制繼電器的開和關即可改變中段電磁繞組與前、后段電磁繞組的連接形式，以滿足電機運轉控制的需求。

在本實施例中，所述轉子2固定套接在電機輸出軸外周，所述定子1由前段定子鐵芯、中段定子鐵芯和后段定子鐵芯組成，按中心布置在電機的外殼內側，三段定子鐵芯的凹、凸極數量及凹、凸極寬度均相等，且凹、凸極數量均為偶數，所述前段定子鐵芯、中段定子鐵芯和后段定子鐵芯的長度均相等，所述三段定子鐵芯之間留有間隙，在所述前段定子鐵芯、中段定子鐵芯及后段定子鐵芯之間分別嵌有非導磁體，所述前段定子鐵芯和后段定子鐵芯中的凸極部位保持一致，即兩段定子鐵芯中凸極的中心線在同一直線上，所述中段定子鐵芯中的凸極部位的中心線與前、后兩段定子鐵芯中凹極的中心線相重合，所述的前段定子鐵芯、中段定子鐵芯和后段定子鐵芯的凸極部位均安裝有定子電磁繞組4，在各段定子鐵芯的凸極上安裝的電磁繞組，對各段而言均滿足任一相鄰的凸極上安裝的電磁繞組其繞制方向相反；前、后段定子鐵芯上定子電磁繞組的兩根引出線分別按頭、尾相連的方式連接，前段鐵芯電磁繞組的頭和后段鐵芯電磁繞組的尾構成整個電磁繞組的二個輸出端，即每個定子電磁繞組的兩根引出線分別與相鄰的定子電磁繞組按頭、尾相連的方式連接，所述定子的凸極部位安裝的若干定子電磁繞組之間可串聯、可并聯，也可串并結合，前段定子鐵芯上定子電磁繞組的頭和后段定子鐵芯上定子電磁繞組的尾以及中段定子鐵芯上定子電磁繞組的頭、尾分別與控制系統設置的方向控制電路相連接，所述控制系統設置的方向控制電路可改變中段定子鐵芯上定子電磁繞組的頭、尾端與連接在一起的前、后段定子鐵芯上定子電磁繞組的頭、尾端的連接方向，以此可改變電機的運行方向。

其中，所述轉子2由轉子鐵芯和永磁體3組成，所述轉子鐵芯的總長度與定子鐵芯的總長度相等，所述轉子鐵芯的凸極數量與任一段定子鐵芯的凸極數量相等，且定子鐵芯上的凸極寬度小于轉子鐵芯的凸極寬度，所述轉子鐵芯分為前、中、后三段，所述轉子鐵芯的前、中、后段分別與定子鐵芯的前、中、后段對應，在所述轉子鐵芯的中段對應凸極部位嵌裝有永磁體3，所述永磁體3的充磁方向為徑向，所述轉子鐵芯中的前、后段對應凸極部位無永磁體,中段轉子鐵芯中相鄰的各凸極所嵌裝的永磁體3的極性相異，所述中段轉子鐵芯的極性與其對應的前、后段轉子鐵芯的極性相異，所述前、中、后三段轉子鐵芯的凸極的中心線重合，所述轉子鐵芯安裝在電機輸出軸上，且與電機輸出軸同步轉動。如圖3所示，當定子電磁繞組中的電流所產生的磁場為如圖所示的極性時，電機的運行方向為逆時針旋轉。

采用上述結構的電機，具有磁路短、且各段鐵芯之間無磁的關聯，因而不會相互干擾，能有效的消除轉矩的脈動及噪聲，因此與常規的單相磁阻電機具有本質上的區別；由于轉子上布置有永磁體，與定子鐵芯產生的電磁場相互作用，充分發揮永磁體的強磁作用，利用自然磁能與電磁驅動單元所產生的工作磁場相互間的直接作用，使機械動力裝置產生更好的節能效果，以此降低對電力的消耗，對節能減排做出貢獻。

在本實施例中，所述控制系統可采用恒功率控制模式或恒轉矩控制模式驅動電機旋轉。

其中，所述的恒功率控制模式是指，電機由某一穩定位置經由非穩定位置向下一穩定位置運動的過程中，根據位置檢測電路給出的位置控制信號在開始位置使功率驅動電路導通，給定子電磁繞組供電，驅動轉子旋轉，當到達非穩定位置時，關閉功率驅動電路，使轉子在電機所特有的磁動力和續流電流的共同作用下繼續旋轉，直至到達下一穩定位置，當到達下一穩定位置時，功率驅動電路改變導通方向，給定子電磁繞組反向供電，驅動轉子繼續旋轉，余此類推。

所述的恒轉矩控制模式是指，電機由某一穩定位置經由非穩定位置向下一穩定位置運動的過程中，根據位置檢測電路給出的位置控制信號在開始位置使功率驅動電路導通，給定子電磁繞組供電，驅動轉子旋轉，當到達位置檢測電路給出的位置控制信號所在的位置時，即下一穩定位置，關閉功率驅動電路，使定子電磁繞組快速續流，當到達下一穩定位置時，功率驅動電路改變導通方向，給定子電磁繞組反向供電，驅動轉子繼續旋轉，余此類推。

本實施例的工作原理是：假定條件：圖4所示的穩定位置為初始的0°位置，電機的另一穩定位置為60°位置，兩個穩定位置的中間位置為非穩定位置。

圖6給出了單相永磁型磁阻電機的驅動控制電路，該電路為h橋電路。定子繞組的頭尾分別與電路的u、v端相連接，假定q1、q4導通時，定子繞組產生的磁場如圖4和5所示，則q3、q2導通時，定子繞組產生的磁場只需將定子凸極的n、s極性對換即可。在初始的0°位置設置有極性檢測電路，用以檢測初始時轉子的極性，確定橋路的導通方向，即q1、q4導通或是q3、q2導通。且在0°的位置設有位置檢測，用于檢測各穩定位置、非穩定位置的信號，根據位置檢測電路給出的檢測信號即可判明電機轉子所處的位置，依據此信號即可使二個橋壁完成輪換工作。

圖6中的5為能量回收回路，圖示的能量回收回路采用電容c構成，d5、d6為隔離二極管，用以隔斷能量回收回路與電源回路，其中d5可以防止能量回收回路存儲的能量回饋電源，而d6則可以防止電源的電流灌入能量回收回路。當任一橋臂導通時，電容c中存儲的能量將與電源一起工作，使預先存儲的能量得以重復利用。電路中的d1～d4構成了電機繞組的續流回路，當任一橋臂關斷時，將電機繞組中的能量存儲到能量回收回路的電容c上。

（1）、恒功率控制模式：

如圖4和5所示，在初始位置0°，根據極性檢測電路的信號使橋臂q1、q4導通，在0°～30°的區間，維持導通直至轉子凸極的中心線轉過30°的位置（即非穩定位置），當檢測電路檢測到第一個光電信號的上升沿時，此時有二種續流方式：

一種是快速續流方式，即將q1、q4同時關斷，電感l中存儲的能量通過v點→d3→電容c的上端→電容c→電容c的下端→d2→u點構成續流回路，將能量快速轉移到電容c中，在此后的30°～60°的區間內，僅依靠永磁體的慣性運動，由非穩定位置到達位于60°的穩定位置。其電路波形如圖9所示。當檢測電路檢測到第二個光電信號的上升沿時，則將q3、q2導通，此后的60°～120°的區間，其控制過程與此類似，不再贅述。

另一種則是單管續流方式，此時，關斷上管q1，下管q4維持導通，電感l中存儲的能量通過v點→下管q4→d2→u點構成自行續流回路，使電感l中存儲的能量逐步消耗，并在此后的30°～60°的區間內，依靠逐步衰減的磁場能量與永磁體的慣性運動的共同作用，由非穩定位置到達位于60°的穩定位置。其電路波形如圖8所示。當檢測電路檢測到第二個光電信號的下降沿時，關閉下管q4，當檢測電路檢測到第二個光電信號的上升沿時，則將另一橋臂q3、q2導通，此后的60°～120°的區間，其控制過程與此類似，不再贅述。

（2）、恒轉矩控制模式：

在此模式中，如圖4和5所示，在初始位置0°，根據極性檢測電路的信號使橋臂q1、q4導通，在0°～60°的區間，維持導通直至轉子凸極的中心線轉過60°的位置（即另一穩定位置），當檢測電路檢測到第二個光電信號的下降沿時，即將q1、q4同時關斷，電感l中存儲的能量通過v點→d3→電容c的上端→電容c→電容c的下端→d2→u點構成續流回路，將能量快速轉移到電容c中，而當檢測電路檢測到第二個光電信號的上升沿時，則將另一橋臂q3、q2導通，此后的60°～120°的區間，其控制過程與此類似，不再贅述。其電路波形如圖10所示。

由此可知，在可雙向運行的單相可逆永磁型磁阻電機的工作過程中，由于添加了永磁體所產生的慣性作用，因此在同等的情況下，本發明的電機所消耗的能量可以得到降低，而且由于采用的是單相工作的模式，其同時工作的電磁單元比常規開關磁阻電機多了二倍，在相同的結構中，其功率密度至少提高了二倍，而且由于消除了常規開關磁阻電機的死區，因而可以消除常規開關磁阻電機所固有的轉矩脈動，極大的降低了電機的噪聲。此外，在電機工作在恒轉矩模式的過程中，二組電磁繞組均工作在一推一拉的狀態中，因而可以得到平滑的轉矩。

本發明實現了開關磁阻電機結構設計創新，保留了常規開關磁阻電機的所有優點，通過在常規開關磁阻電機的轉子上加裝永磁體的方法，有效的消除了開關磁阻電機的轉矩脈動及噪聲，使功率密度提升了3倍，與變頻電機相比較，減少了50％永磁體的使用量，同時降低了電機繞組的用銅量，使電機的效率更高，并具有更好的節能效果；術發明針對單相可逆永磁型磁阻電機的特殊結構，創新研制了該電機的控制系統，使其具有結構簡單、性能可靠、便于設計且控制編程方便，該控制方案可以應用于各種功率的電機，并可以滿足各種調速控制的需求；發明采用了全新的控制方案，創造性的使用了能量轉換單元，可以使由電源所輸入能量獲得重復利用，故可在保持相同的電機特性的情況下，減少電源的輸入，從而獲得良好的節能效果；本發明的單相可逆永磁型磁阻電機由于沒有常規電機各相繞組之間的磁場關聯，因而在對外做功時不會產生負轉矩，其繞組所輸入的能量均可得到完全的能量轉換，轉換率接近于1，而常規電機的能量轉換率只能達到約0.5。

實施例2：如圖1、2和3所示，一種可單向運行的單相永磁型開關磁阻電機，包括定子1、轉子2、電機輸出軸以及控制系統，所述定子1和轉子2的凸極之間為氣隙，所述定子采用三段式徑向磁場設計，轉子鐵芯采用單段式凸極鐵芯結構，所述定子1和轉子2的對應關系是內轉子結構或者是外轉子結構，所述控制系統中設置有極性檢測電路、位置檢測電路以及能量回收電路，以滿足電機的啟動及運轉控制的需求，即通過極性檢測電路及位置檢測電路對轉子初始位置和運行過程進行判斷。

如圖6所示，所述控制系統采用h橋控制，其中設置了隔離二極管d5、d6，續流二極管d1～d4，二組橋臂q1、q4和q3、q2，還設置有儲能電路5，在本實施例中由儲能電容c構成。

在本實施例中，所述轉子2固定套接在電機輸出軸外周，所述定子1由前段定子鐵芯、中段定子鐵芯和后段定子鐵芯組成，按中心布置在電機的外殼內側，三段定子鐵芯的凹、凸極數量及凹、凸極寬度均相等，且凹、凸極數量均為偶數，作為最優的結構設計，所述前段定子鐵芯和后段定子鐵芯的長度均相等，且所述中段定子鐵芯的長度是前、后段定子鐵芯長度的兩倍，所述三段定子鐵芯之間留有間隙，在所述前段定子鐵芯、中段定子鐵芯及后段定子鐵芯之間分別嵌有非導磁體，所述前段定子鐵芯和后段定子鐵芯中的凸極部位保持一致，即兩段定子鐵芯中凸極的中心線在同一直線上，所述中段定子鐵芯中的凸極部位的中心線與前、后兩段定子鐵芯中凹極的中心線相重合，所述的前段定子鐵芯、中段定子鐵芯和后段定子鐵芯的凸極部位均安裝有定子電磁繞組4，在各段定子鐵芯的凸極上安裝的電磁繞組，對各段而言均滿足任一相鄰的凸極上安裝的電磁繞組其繞制方向相反；前、后段定子鐵芯上定子電磁繞組的兩根引出線分別按頭、尾相連的方式連接，前段鐵芯電磁繞組的頭和后段鐵芯電磁繞組的尾構成整個電磁繞組的二個輸出端，即每個定子電磁繞組的兩根引出線分別與相鄰的定子電磁繞組按頭、尾相連的方式連接，所述定子的凸極部位安裝的若干定子電磁繞組之間可串聯、可并聯，也可串并結合。

其中，所述轉子2由轉子鐵芯和永磁體3組成，所述轉子鐵芯的長度與三段定子鐵芯的安裝長度相等，所述轉子鐵芯的凸極數量與任一段定子鐵芯的凸極數量相等，且定子鐵芯上的凸極寬度小于轉子鐵芯的凸極寬度，在所述轉子2的對應凸極部位嵌裝有永磁體3，所述永磁體3的充磁方向為徑向，每段轉子鐵芯中相鄰的各凸極所嵌裝的永磁體3的極性相異，所述轉子鐵芯安裝在電機輸出軸上，且與電機輸出軸同步轉動。如圖3所示，當定子電磁繞組中的電流所產生的磁場為如圖所示的極性時，電機的運行方向為逆時針旋轉。

其他與實施例1基本相同。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。