單繞組無軸承磁通切換永磁電的製造方法
2023-04-30 02:19:11
單繞組無軸承磁通切換永磁電的製造方法
【專利摘要】本發明屬於電機【技術領域】，涉及一種單繞組無軸承磁通切換永磁電機，包括定子鐵心，轉子鐵心，嵌於定子齒中間的永磁體和集中繞組，其定子、轉子均為雙凸極結構，其特徵在於，定子鐵心由6個U型疊片組成，每兩個疊片之間嵌有一塊切向交替充磁的永磁體，共同組成一個定子齒，具有軸對稱性，定子齒上安裝有集中繞組，繞組端部較小，空間相對的兩個定子齒上的繞組構成一相，形成三相繞組，繞組電流的激磁為徑向勵磁方式，每一個繞組均為獨立控制，其繞組電流可正反方向雙向流動，電流大小可按需控制，電流的相位則與反電動勢同相位。本發明具有高速、大功率、高效率、高功率密度、運行穩定性高、可靠性高、適合交流運行方式的特點。
【專利說明】單繞組無軸承磁通切換永磁電機
所屬【技術領域】
[0001]本發明屬於高速無軸承電機【技術領域】，涉及一種定子永磁式單繞組無軸承磁通切換永磁電機
【背景技術】
[0002]高速和超高速電機在高速工具機、渦輪分子泵、高速飛輪等設備中得到廣泛應用，用機械軸承支撐時，由轉子高速運行帶來的摩擦阻力增加，使軸承磨損加劇，造成電機氣隙不均，繞組發熱，不僅降低電機工作效率，縮短電機和軸承的使用壽命，也增加了對電機和軸承維護的負擔。
[0003]磁軸承電機的提出解決了機械軸承的磨損問題，但磁軸承佔有獨立的軸向空間，使得磁軸承電機的軸向利用率較低，而磁軸承結構和電機定子結構具有一定的相似性，如果把磁軸承中的懸浮繞組疊繞在電機定子繞組上，使兩種磁場合成一體，且能同時控制電機轉子的懸浮和旋轉是最為理想的，無軸承電機正是基於這一設想而提出的。電機中兩套繞組的磁場相互作用產生了作用在電機轉子上的徑向力，通過控制電機中的徑向力可實現轉子的懸浮。與傳統磁軸承電機相比，該電機具有同時產生旋轉力矩和徑向懸浮力的功能。
[0004]現有高速無軸承電機主要有無軸承異步電機、無軸承永磁同步電機、無軸承開關磁阻電機等。其中無軸承異步電機的功率因數和效率較低，無軸承永磁同步電機的效率和功率因數高，但其為轉子永磁式電機，轉子的高速旋轉帶來結構不穩定的問題且存在因緊固裝置引起的高溫下永磁體退磁的問題。無軸承開關磁阻電機具有結構簡單、適合高速運轉等優點。但其需要主繞組提供偏置磁場以保證轉子的懸浮。這增加了電機的損耗，降低了其效率。同時，其半周期通電的工作方式，降低了繞組的利用率和電機的功率密度。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是克服現有技術的上述不足，提供一種聞速、大功率、聞效率、聞功率密度、運行穩定性高、可靠性高、適合交流運行方式的定子永磁式無軸承電機。
[0006]本發明的技術方案如下:
[0007]一種單繞組無軸承磁通切換永磁電機，包括定子鐵心，轉子鐵心，嵌於定子齒中間的永磁體和集中繞組，其定子、轉子均為雙凸極結構，定子鐵心由6個U型疊片組成，每兩個疊片之間嵌有一塊切向交替充磁的永磁體，共同組成一個定子齒，具有軸對稱性，定子齒上安裝有集中繞組，繞組端部較小，空間相對的兩個定子齒上的繞組構成一相，形成三相繞組,繞組電流的激磁為徑向勵磁方式,每一個繞組均為獨立控制,其繞組電流可正反方向雙向流動，電流大小可按需控制，電流的相位則與反電動勢同相位。
[0008]本發明提出了單繞組無軸承磁通切換永磁電機這一新型定子永磁式無軸承電機。這一新型電機可實現大功率和高速、超高速旋轉且運行的穩定性和可靠性很高。這一新型電機還具有很高的系統效率和功率密度。
[0009]I)永磁體置於定子，不存在轉子永磁式電機高速旋轉時永磁體脫落的問題。提高了電機高速運行的結構穩定性和可靠性。
[0010]2)永磁體置於定子，便於散熱，避免了永磁體的高溫去磁，提高了電機運行的穩定性和可靠性。
[0011]3)氣隙磁場主要由永磁體建立，省去了繞組電流中的勵磁分量，減小了勵磁損耗，提高了系統效率，降低了溫升，避免永磁體的高溫去磁，提高電機運行的可靠性。
[0012]4)永磁體可產生很高的氣隙磁密，在永磁磁鏈的全區內均可產生有效轉矩，提高了繞組的利用率，這些都有效提高了系統的功率密度。
[0013]5)繞組中的永磁磁鏈、反電動勢和電流均接近雙極性正弦波型，適合交流電機方式驅動，可在磁通-磁勢平面坐標系的四個象限中實現能量轉換，力能指標高，功率密度大。
[0014]6)因氣隙磁密高，使得相同電流下所產生的轉矩和徑向力均得到增大，有效提高了電機的負載能力。
[0015]7)繞組為集中繞組，端部短，可減小繞組銅耗，提高電機的效率。
[0016]8)轉子上無永磁體、無繞組、無電刷，具有最簡結構。同時，其為矽鋼片疊壓而成的一個整體，結構簡單且堅固，十分適合高速和超高速旋轉，可提高電機的極限轉速，提高功率密度。
[0017]9)通過採用導通相鄰相的短磁路結構，避免懸浮勵磁磁通穿過磁阻很大的永磁體，減小了勵磁損耗，且避免了永磁體的退磁。
[0018]10)提出的短磁路懸浮勵磁磁路結構可以以很小的懸浮勵磁繞組電流實現對氣隙合成磁通大小的控制，完成對轉子徑向位置的控制，從而實現單繞組無軸承磁通切換永磁電機的穩定懸浮運轉。
[0019]11)無軸承的徑向轉子磁懸浮支撐結構，可消除軸承的機械摩擦損耗，無須潤滑，系統壽命長，可實現磁通切換永磁電機的高速、超高速運轉。
[0020]12這一電機的軸向長度短，臨界轉速高，可實現大功率和高速運轉。
[0021]13)電機結構簡單、可靠性高、控制靈活、動態響應快、調速性能好、轉矩/電流比大；
[0022]14)可實現各種特殊要求的轉矩-轉速特性，效率高，功率因數接近於I ;
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1本發明的單繞組無軸承磁通切換永磁電機基本結構圖。
[0024]圖2繞組永磁磁鏈、反電動勢、電流在一個轉子周期內的變化示意圖。
[0025]圖3功率變換器。
[0026]圖4單繞組無軸承磁通切換永磁電機的徑向懸浮力產生原理圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和實施例對本發明進行說明。
[0028]綜合磁通切換永磁電機和磁軸承電機的優良特性，本發明提出了單繞組無軸承磁通切換永磁電機這一新型電機。其基本結構如圖1所示，主要電機由定子鐵心1，轉子鐵心2，嵌於定子齒中間的永磁體3，單層繞組4構成。其定、轉子均為雙凸極結構，具有軸對稱性，定、轉子鐵心均由矽鋼片疊壓而成。其轉子與開關磁阻電機類似，其上無繞組、無永磁體，製造方便，成本較低且結構簡單堅固適合高速旋轉。定子鐵心由6個U型疊片組成，每兩個疊片之間嵌有一塊切向交替充磁的永磁體，共同組成一個定子齒。定子齒上安裝有集中繞組，繞組端部較小，節省用銅量並降低銅耗，空間相對的兩個定子齒上的繞組構成一相，形成三相繞組，繞組電流的激磁為徑向勵磁方式。永磁體從轉子移到了定子，採用切向安裝形式，兩塊永磁體相鄰側的極性相同，這種安裝形式充分利用了永磁體的聚磁效應，提高了氣隙磁密，減少了定子開槽空間和永磁體的用量，降低了電機的成本。另外，永磁體置於定子的結構會產生高磁阻磁路，這使得電樞反應磁通在通過永磁體時受到了限制。而且電樞繞組磁場與永磁磁場的作用是並聯關係，它基本消除了電樞反應對永磁體工作點的影響，避免了永磁體的不可逆退磁，使得電機的電樞電流和負載能力都可以很高。
[0029]這一新型電機與普通磁通切換永磁電機的不同在於其每一定子齒極上的繞組均為獨立控制,繞組通入的電流的大小和方向均可獨立控制。
[0030]本發明提出的單繞組無軸承雙凸極永磁開關磁阻電機，通過採用永磁體來建立氣隙基本磁場，可產生較高的氣隙磁密，這一氣隙磁通即可用來產生轉矩又可提供懸浮力，避免了需要主繞組電流來建立氣隙偏置磁場，減小了主繞組電流，降低了電機的損耗，提高了電機的整體效率和功率密度，降低溫升，提高電機運行的穩定性和可靠性。其永磁體放置於定子鐵心的軛部，為定子永磁式電機，不存在高速旋轉時永磁體甩落的問題，大大提高了電機高速運行時的穩定性和可靠性。同時，永磁體置於定子上，便於永磁體的散熱。此外，定子每極繞組為單層結構，相對於普通無軸承開關磁阻電機的雙層繞組結構，提高了槽的利用率，繞組為集中式繞組，端部短，損耗小，進一步提高了電機效率和功率密度，簡化了電機結構，降低了生產加工的複雜性。繞組中的永磁磁鏈、反電動勢和電流均接近雙極性正弦波型，適合交流電機方式驅動，可在磁通-磁勢平面坐標系的四個象限中實現能量轉換，力能指標高，功率密度大。其轉子為矽鋼片疊壓而成的一個整體，轉子上無繞組、無永磁體、無電刷，結構簡單堅固，非常適合高速和超高速旋轉，可提高電機的極限轉速。
[0031 ] 本發明的單繞組無軸承磁通切換永磁電機是利用磁軸承結構和磁通切換永磁電機定子結構的相似性，採用電力電子技術和數字控制技術，通過獨立控制每一齒極上繞組中的電流，實現懸浮和旋轉功能於一體。這一電機的電磁轉矩產生原理與普通磁通切換永磁電機相同。根據轉子位置，在繞組中通入與反電動勢同相位的交流電流則會產生平穩的轉矩，如圖2所示。而徑向力產生原理則與磁軸承懸浮原理相似，即通過獨立控制每一定子齒極上的繞組電流，有目的地改變原電機中由永磁體產生的氣隙磁場的分布和強度，從而控制作用在轉子上的麥克斯韋力的大小和方向以實現轉子懸浮。
[0032]這一電機運行時還需功率變換器的配合，根據轉子位置，給相應定子繞組通電，功率變換器為6相全橋結構。功率變換器的結構如圖3所示。其每一橋臂的功率管均採用P-MOSFET。
[0033]下面以本發明提出的三相6/4極結構單繞組無軸承磁通切換永磁電機為例，說明其轉矩和徑向懸浮力產生原理。
[0034]轉矩產生原理:
[0035]以轉子齒極中心線對齊定子齒極中心線為轉子0°位置。在一個轉子極距內，定子繞組磁通、反電動勢、電流變化一個周期，因電機結構特點，其磁通、反電動勢均近似正弦波形，適用於永磁無刷交流電機的控制方式。故通入與反電動勢同相位的正弦波形電流，可產生平穩的轉矩。同時，因這種電機的繞組磁鏈是雙極性的，所以具有較高的轉矩輸出能力。其A相的al繞組在一個轉子周期內的永磁磁鏈、反電動勢和電流的變化波形如圖3所示。B、C相的磁鏈、反電動勢和電流波形與A相類似但相位分別相差120°和240°電角度。
[0036]徑向懸浮力產生原理如圖4所示，單繞組無軸承磁通切換永磁電機採用集中繞組，每個定子凸極上有一個繞組，每一個繞組均為獨立控制，其繞組電流可正反方向雙向流動，電流大小可按需控制，電流的相位則與反電動勢同相位。以A相為例，圖1中Ial、Ia2分別是A相2個相對齒極上繞組中的電流，其幅值不同方向相反。氣隙磁場主要由永磁體建立。實線代表由永磁體產生的磁通，虛線代表繞組電流產生的磁通。當轉子位於圖示θ=18°位置處，A相和B相各繞組通入如圖所示方向的電流時，在氣隙I處，繞組電流Ial和^產生的磁場方向與永磁體產生的磁場方向相同，氣隙磁密增強；在氣隙2處,繞組電流Ia2和Ibl產生的磁場方向與永磁體產生的磁場方向也相同，但因各繞組電流幅值不同，設電流Ia2和Ibl產生的磁動勢之和小於Ial和Ib2產生的磁動勢之和，故氣隙2處的磁密要小於氣隙I處的磁密。這樣，氣隙I處的磁場和氣隙2處的磁場在相應轉子極表面產生的麥克斯韋力大小不一樣，其合力為一個指向磁密較大方向的徑向力Frl作用在轉子上,這一徑向力沿X、y坐標分解可得到其X、y軸分量Frtx和Frty。保持電流方向不變，改變繞組電流Ial、Ia2和Ibl> Ib2的幅值，讓Ia2和Ibl產生的磁動勢之和大於Ial和Ib2產生的磁動勢之和則可產生方向相反的徑向懸浮力。B、C相繞組結構與A相相同，但在空間位置上分別與A相相差120°和-120°。同理，因B相和C相徑向相對繞組中通入的電流幅值不同，使得氣隙3、4處的磁密幅值不同，則在對應轉子齒極表面上分別產生麥克斯韋力，其合力匕2指向磁密較大的一方，此徑向力合力經坐標分解得到其相應的x、y軸分量Fr2x和Fr2y，三相繞組產生的在X、y方向上的徑向力分量合成得到x、y方向上的總的徑向力Fn和Fry。通過繞組電流的控制可產生任意方向和大小的徑向力。根據所需徑向力，通過徑向力與繞組電流間的映射關係確定三相六個繞組電流 的大小和方向，控制實際繞組電流跟隨給定值變化，產生所需的徑向力，即可實現轉子的穩定懸浮。
【權利要求】
1.一種單繞組無軸承磁通切換永磁電機，包括定子鐵心，轉子鐵心，嵌於定子齒中間的永磁體和集中繞組，其定子、轉子均為雙凸極結構，其特徵在於，定子鐵心由6個U型疊片組成，每兩個疊片之間嵌有一塊切向交替充磁的永磁體，共同組成一個定子齒，具有軸對稱性，定子齒上安裝有集中繞組，繞組端部較小，空間相對的兩個定子齒上的繞組構成一相，形成三相繞組，繞組電流的激磁為徑向勵磁方式，每一個繞組均為獨立控制，其繞組電流可正反方向雙向流動，電流大小可按需控制，電流的相位則與反電動勢同相位。
【文檔編號】H02K1/17GK103825418SQ201310756476
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】修傑, 夏長亮, 修妍, 王世宇, 邢靜玥 申請人:天津大學