一種軸向永磁偏置式混合磁軸承開關磁阻電的製造方法
2023-06-02 00:33:51 2
一種軸向永磁偏置式混合磁軸承開關磁阻電的製造方法
【專利摘要】本發明提出了一種軸向永磁偏置式混合磁軸承開關磁阻電機，包括轉矩定子、轉矩轉子、懸浮力定子、導磁碟、懸浮力轉子、永磁體、隔磁定子、隔磁轉子和繞組；轉矩定子、懸浮力定子和隔磁定子通過軸向疊加於一體，隔磁定子布置在轉矩定子和懸浮力定子之間；上述三個定子組合成的每個齒上繞有一個繞組；永磁體放置在懸浮力定子和導磁碟之間，且軸向充磁；轉矩轉子、懸浮力轉子和隔磁轉子軸向疊加在一起；導磁碟為圓盤結構，或與懸浮力定子相同的凸極結構，懸浮力轉子為圓柱結構，轉矩定子、懸浮力定子和隔磁定子齒數為12，極弧相等；轉矩轉子和隔磁轉子齒數為8，極弧相等。本發明電機僅永磁體提供偏置磁通，徑向承載力大，且功率開關管少，控制電路成本低。
【專利說明】-種軸向永磁偏置式混合磁軸承開關磁阻電機
【技術領域】
[0001] 本發明屬於電機【技術領域】，涉及一種軸向永磁偏置式混合磁軸承開關磁阻電機。
【背景技術】
[0002] 無軸承開關磁阻電機是20世紀末發展起來的一種新型磁懸浮電機。雙繞組無軸 承開關磁阻電機是將產生懸浮力的懸浮繞組和原來開關磁阻電機的繞組一起疊繞在電機 的定子上，通過控制兩套繞組電流使其同時具有旋轉和自懸浮能力，從而實現電機的超高 速運行。而單繞組無軸承開關磁阻電機則是通過控制一套繞組電流使其同時具有旋轉和自 懸浮能力。因此，單繞組無軸承開關磁阻電機則更具通用性和實用性，是目前該領域研究的 熱點和趨勢。
[0003] 對12/8結構的單繞組無軸承開關磁阻電機而言，每相均需要對4個定子齒上的繞 組獨立控制，即每相均需由4個橋臂構成的功率變換電路，這無疑擴大了功率器件的需求 量，增加了懸浮控制的複雜性和系統成本，同時降低了系統的可靠性。為此，需要一種功率 器件需求小、徑向懸浮力大的單繞組無軸承開關磁阻電機。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是為了克服現有技術的不足，提出一種軸向永磁偏置 式混合磁軸承開關磁阻電機。所述電機是一種單繞組結構、徑向承載力大且功率器件需求 小的新型無軸承開關磁阻電機。
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案： 一種軸向永磁偏置式混合磁軸承開關磁阻電機，包括電機定子、電機轉子、永磁體和電 機繞組； 所述電機定子由轉矩定子、隔磁定子、懸浮力定子、導磁碟構成；所述轉矩定子、隔磁 定子和懸浮力定子通過軸向疊加於一體，所述隔磁定子處於轉矩定子與懸浮力定子之間； 所述導磁碟位於懸浮力定子外側，且導磁碟與懸浮力定子之間放置1個永磁體；所述永磁 體為圓環形，且軸向充磁；所述轉矩定子、隔磁定子和懸浮力定子均為凸極結構，齒數均為 12 ;轉矩定子、隔磁定子和懸浮力定子軸向齒與齒對齊，且定子極弧角均相等； 所述電機轉子由轉矩轉子、隔磁轉子和懸浮力轉子通過軸向疊加而成；所述隔磁轉子 處於懸浮力轉子與轉矩轉子之間；所述轉矩轉子和隔磁轉子均為凸極結構，齒數均為8 ;所 述懸浮力轉子為圓柱結構；所述轉矩轉子布置在轉矩定子內，所述隔磁轉子布置在隔磁定 子內，所述懸浮力轉子布置在懸浮力定子、永磁體和導磁碟內； 所述導磁碟為圓盤或凸極結構； 所述導磁碟為圓盤結構時，所述電機繞組共有12個繞組，每個繞組纏繞在所述轉矩定 子、隔磁定子和懸浮力定子組合成的每個定子齒上；4個空間上相隔90°的繞組構成一相 繞組，所述一相繞組包括兩套繞組，其中兩個相隔180°的繞組反向串聯為一套繞組，另兩 個相隔180°的繞組反向串聯為另一套繞組；一相4個繞組產生的磁通呈NNSS分布； 所述導磁碟為凸極結構時，導磁碟的定子齒數為12,導磁碟的定子與所述轉矩定子、隔 磁定子和懸浮力定子處於齒對齊狀態，且極弧角均相等；所述電機繞組共有24個繞組，其 中12個繞組纏繞在所述轉矩定子、隔磁定子和懸浮力定子組合成的12個定子齒上，另外12 個繞組纏繞在凸極導磁碟的12個定子齒上；處於同一周向位置的兩個繞組反向串聯在一 起，組合為1個定子繞組，共有12個定子繞組；每相繞組包括兩套繞組，由4個空間上相隔 90°的定子繞組構成；其中，兩個相隔180°的定子繞組反向串聯為一套繞組，另兩個相隔 180°的定子繞組反向串聯為另一套繞組；兩套繞組線圈產生的磁通呈NNSS分布。
[0006] 本發明的有益效果是：本發明提出了一種軸向永磁偏置式混合磁軸承開關磁阻電 機，採用本發明的技術方案，具有如下技術效果： (1) 定子齒上只有一個繞組，相對於傳統雙繞組無軸承開關磁阻電機，槽滿率高； (2) 控制靈活，可根據實際需要，動態調整繞組匝數，便於優化控制策略； (3) 永磁體提供偏置磁通，徑向懸浮力大，徑向承載力強； (4) 功率器件需求量小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007] 圖1是本發明實施例1的結構示意圖。
[0008] 圖2是本發明實施例2的結構示意圖。
[0009] 圖3為本發明實施例1和2的A相繞組示意圖。
[0010] 圖4為本發明實施例1的磁通分布示意圖。
[0011] 圖5為本發明實施例2的磁通分布示意圖。
[0012] 圖6為本發明實施例1和2三相繞組電感和電流的示意圖。
[0013] 附圖標記說明：圖1至圖6中，1是轉矩定子，2是轉矩轉子，3是懸浮力定子，4是 導磁碟，5是懸浮力轉子，6是永磁體，7是定子隔磁碟，8是轉子隔磁碟，9是繞組，10導磁 定子，11是導磁定子繞組，12、13分別為是A相α方向繞組的流入、流出電流i sal+、isal-， 14、15分別為是A相β方向繞組的流入、流出電流isa2+、i sa2-，16、17分布表示直角坐標系 的兩個方向α、β，18、19分別代表氣隙1、氣隙2, 20、21分別是繞組電流、永磁體單獨產生 的磁通，22、23、24分別是A、Β、C三相繞組電感，25、26、27分別是A、Β、C三相繞組電流。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖對本發明一種軸向永磁偏置式混合磁軸承開關磁阻電機的技術方 案進行詳細說明： 如圖1所示，本發明的一種軸向永磁偏置式混合磁軸承開關磁阻電機實施例1的結構 示意圖，其中，1是轉矩定子、2是轉矩轉子、3是懸浮力定子、4是導磁碟、5是懸浮力轉子、6 是永磁體、7是隔磁定子、8是隔磁轉子、9是繞組； 所述電機定子由轉矩定子、隔磁定子、懸浮力定子、導磁碟構成；所述轉矩定子、隔磁定 子和懸浮力定子通過軸向疊加於一體，所述隔磁定子處於轉矩定子與懸浮力定子之間；所 述導磁碟位於懸浮力定子外側，且導磁碟與懸浮力定子之間放置1個永磁體；所述永磁體 為圓環形，且軸向充磁； 所述電機轉子由轉矩轉子、隔磁轉子和懸浮力轉子通過軸向疊加而成；所述隔磁轉子 處於懸浮力轉子與轉矩轉子之間； 所述轉矩定子、隔磁定子和懸浮力定子均為凸極結構，齒數均為12 ;轉矩定子、隔磁定 子和懸浮力定子軸向齒與齒對齊，且定子極弧角均相等； 所述轉矩轉子和隔磁轉子均為凸極結構，齒數均為8 ;所述懸浮力轉子為圓柱結構；所 述轉矩轉子布置在轉矩定子內，所述隔磁轉子布置在隔磁定子內，所述懸浮力轉子布置在 懸浮力定子、永磁體和導磁碟內； 所述導磁碟為圓盤結構，所述電機繞組共有12個繞組線圈，每個繞組線圈纏繞在所 述轉矩定子、隔磁定子和懸浮力定子組合成的每個定子齒上；每相繞組由4個空間上相隔 90°的繞組線圈構成，兩相對齒上的兩個線圈反向串聯為一套繞組，另兩相對齒上的兩個 線圈反向串聯為另一套繞組；每相4個繞組線圈產生的磁通呈NNSS分布。
[0015] 圖2為本發明的一種軸向永磁偏置式混合磁軸承開關磁阻電機實施例2的三維結 構示意圖，其中，1是轉矩定子、2是轉矩轉子、3是懸浮力定子、5是懸浮力轉子、6是永磁體、 7是隔磁定子、8是隔磁轉子、9是繞組、10是導磁定子、11是導磁定子繞組； 所述電機定子由轉矩定子、隔磁定子、懸浮力定子、導磁定子構成；所述轉矩定子、隔磁 定子和懸浮力定子通過軸向疊加於一體，所述隔磁定子處於轉矩定子與懸浮力定子之間； 所述導磁定子位於懸浮力定子外側，且導磁定子與懸浮力定子之間放置1個永磁體；所述 永磁體為圓環形，且軸向充磁； 所述電機轉子由轉矩轉子、隔磁轉子和懸浮力轉子通過軸向疊加而成；所述隔磁轉子 處於懸浮力轉子與轉矩轉子之間； 所述轉矩定子、隔磁定子和懸浮力定子均為凸極結構，齒數均為12 ;轉矩定子、隔磁定 子和懸浮力定子軸向齒與齒對齊，且定子極弧角均相等； 所述轉矩轉子和隔磁轉子均為凸極結構，齒數均為8 ;所述懸浮力轉子為圓柱結構；所 述轉矩轉子布置在轉矩定子內，所述隔磁轉子布置在隔磁定子內，所述懸浮力轉子布置在 懸浮力定子、永磁體和導磁碟內； 所述導磁定子為凸極結構，齒數為12,導磁定子與所述轉矩定子、隔磁定子和懸浮力定 子極弧角相等，且處於齒與齒對齊位置； 所述電機繞組共有24個繞組線圈，由12個所述繞組和12個所述導磁定子繞組構成； 12個所述繞組纏繞在所述轉矩定子、隔磁定子和懸浮力定子組合成的12個定子齒上；12個 所述導磁定子繞組纏繞在導磁定子的12個定子齒上；處於同一周向位置的1個所述繞組 和1個所述導磁定子繞組反向串聯在一起，組合為12個繞組線圈；每相繞組由4個空間上 相隔90°且組合好的繞組線圈構成，兩個相隔180°且組合好的線圈再反向串聯為一套繞 組，另兩個相隔180°且組合好的線圈再反向串聯為另一套繞組；兩套繞組產生的磁通呈 NNSS分布。
[0016] 圖3是本發明實施例1至2的A相繞組示意圖。一相繞組由兩個方向的兩套繞組 組成，且這兩套繞組分別獨立控制，同時產生懸浮力和轉矩。B、C相的繞組與A相繞組結構 相同，僅在位置上與A相相差30°和-30°。
[0017] 圖4為本發明實施例1的磁通分布示意圖。當A相α方向繞組正嚮導通時，在氣 隙1處，其產生的磁通與永磁磁通方向相同，磁通增強，而在氣隙2處方向相反，磁通減弱， 導致氣隙1處的磁通大於氣隙2處的磁通，進而產生一個α正方向的懸浮力；當改變α方 向繞組電流的方向，將產生一個α負方向的懸浮力。同理，β方向繞組導通時也可產生一 個β方向懸浮力，合理控制兩個方向繞組電流的大小和方向，即可產生任意大小和方向的 懸浮力。
[0018] 圖5為本發明實施例2的磁通分布不意圖。當Α相α方向繞組正嚮導通時，在氣 隙1處，其產生的磁通與永磁磁通方向相同，磁通增強，而在氣隙2處方向相反，磁通減弱， 導致氣隙1處的磁通大於氣隙2處的磁通，進而產生一個α正方向的懸浮力；當改變α方 向繞組電流的方向，將產生一個α負方向的懸浮力。同理，β方向繞組導通時也可產生一 個β方向懸浮力，合理控制兩個方向繞組電流的大小和方向，即可產生任意大小和方向的 懸浮力。
[0019] 相對於實施例1,實施例2中多了兩處不對稱氣隙磁通，因此實施例2可產生更大 的徑向懸浮力。
[0020] 圖6是本發明實施例1至2的三相繞組電感和電流示意圖。定義定子齒與轉子槽 對齊位置為零度位置，即為不對齊位置為零度位置。對三相12/8極無軸承開關磁阻電機而 言，一個轉子周期角為45°，則每相繞組產生懸浮力的區間為15°，這樣才能保證電機的 穩定懸浮運行。
[0021] 本發明實施例1和實施例2的運行原理、控制方式和懸浮機理完全相同，下面以A 相為例，分別說明實施例1、2的運行工作模式和懸浮力控制原理。
[0022] 設置轉子位置角為〃，可設計電機運行工作模式如下： ①當電動運行時，在[7.5°，22.5° ]內，獨立控制A相兩套繞組電流，通過對兩套 繞組的勵磁同時產生作用於轉子的懸浮力和轉矩，具體的電流控制方法可採用斬波電流控 制，電動運行時的勵磁相序是A-C-B。
[0023] ②當發電運行時，可選擇在轉角0 e [-22.5°，-7· 5° ]內，獨立控制A相兩套 繞組電流，通過對兩套繞組的勵磁產生作用於轉子的懸浮力，同時向外輸出電能，具體的電 流控制方法可採用斬波電流控制，發電運行時的繞組勵磁相序是A-C-B。
[0024] 懸浮力控制原理為：A相懸浮勵磁區間為[7. 5°，22. 5° ]，α方向懸浮力由繞組 電流isal控制，當isal>〇時，產上ct正方向懸浮力，反之，產生ct負方向懸浮力；同理，β方 向懸浮力由繞組電流i' S32控制，當時，產上Ρ正方向懸浮力，反之，產生Ρ負方向懸 浮力；α方向和β方向懸浮力可合成任意方向的懸浮力，因此通過兩套繞組獨立勵磁，可 產生任意方向和大小的懸浮力，進而實現電機的自懸浮功能。
[0025] 同理，[-7. 5°，7· 5° ]和[-22. 5°，-7· 5° ]區間的懸浮力可分別由Β相和C相 繞組產生，進而實現整個轉子周期內的懸浮運行。
[0026] 綜上所述，本發明由於採用同時產生轉矩和懸浮力的控制策略，每一時刻僅需一 相繞組導通即可，控制方式簡單；設計圓柱轉子產生懸浮力，並且永磁體提供偏置磁通，徑 向承載力大；另外，由於利用永磁體取代了傳統雙繞組無軸承開關磁阻電機的轉矩繞組的 功能，因此，有效地減少了功率變換器的數量，控制系統的成本低。
[0027] 對該【技術領域】的普通技術人員而言，根據以上實施類型可以很容易聯想其他的優 點和變形。因此，本發明並不局限於上述具體實例，其僅僅作為例子對本發明的一種形態進 行詳細、示範性的說明。在不背離本發明宗旨的範圍內，本領域普通技術人員根據上述具體 實例通過各種等同替換所得到的技術方案，均應包含在本發明的權利要求範圍及其等同範 圍之內。
【權利要求】
1. 一種軸向永磁偏置式混合磁軸承開關磁阻電機，其特徵在於，包括電機定子、電機轉 子、永磁體和電機繞組； 所述電機定子由轉矩定子、隔磁定子、懸浮力定子、導磁碟構成；所述轉矩定子、隔磁 定子和懸浮力定子通過軸向疊加於一體，所述隔磁定子處於轉矩定子與懸浮力定子之間； 所述導磁碟位於懸浮力定子外側，且導磁碟與懸浮力定子之間放置1個永磁體；所述永磁 體為圓環形，且軸向充磁；所述轉矩定子、隔磁定子和懸浮力定子均為凸極結構，齒數均為 12 ;轉矩定子、隔磁定子和懸浮力定子軸向齒與齒對齊，且定子極弧角均相等； 所述電機轉子由轉矩轉子、隔磁轉子和懸浮力轉子通過軸向疊加而成；所述隔磁轉子 處於懸浮力轉子與轉矩轉子之間；所述轉矩轉子和隔磁轉子均為凸極結構，齒數均為8 ;所 述懸浮力轉子為圓柱結構；所述轉矩轉子布置在轉矩定子內，所述隔磁轉子布置在隔磁定 子內，所述懸浮力轉子布置在懸浮力定子、永磁體和導磁碟內； 所述導磁碟為圓盤或凸極結構； 所述導磁碟為圓盤結構時，所述電機繞組共有12個繞組，每個繞組纏繞在所述轉矩定 子、隔磁定子和懸浮力定子組合成的每個定子齒上；4個空間上相隔90°的繞組構成一相 繞組，所述一相繞組包括兩套繞組，其中兩個相隔180°的繞組反向串聯為一套繞組，另兩 個相隔180°的繞組反向串聯為另一套繞組；一相4個繞組產生的磁通呈NNSS分布； 所述導磁碟為凸極結構時，導磁碟的定子齒數為12,導磁碟的定子與所述轉矩定子、隔 磁定子和懸浮力定子處於齒對齊狀態，且極弧角均相等；所述電機繞組共有24個繞組，其 中12個繞組纏繞在所述轉矩定子、隔磁定子和懸浮力定子組合成的12個定子齒上，另外12 個繞組纏繞在凸極導磁碟的12個定子齒上；處於同一周向位置的兩個繞組反向串聯在一 起，組合為1個定子繞組，共有12個定子繞組；每相繞組包括兩套繞組，由4個空間上相隔 90°的定子繞組構成；其中，兩個相隔180°的定子繞組反向串聯為一套繞組，另兩個相隔 180°的定子繞組反向串聯為另一套繞組；兩套繞組線圈產生的磁通呈NNSS分布。
【文檔編號】H02K16/00GK104104197SQ201410290170
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】劉澤遠, 楊豔, 曹鑫, 鄧智泉, 王世山 申請人:南京郵電大學