CN101710809B - 一种单相无轴承开关磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种单相无轴承开关磁阻电机，属于磁悬浮开关磁阻电机领域。本发明为一相8/12、8/16、8/20和12/24等结构，包括定子铁心、转子铁心、窄定子上转矩绕组和宽定子上悬浮绕组。本发明的单相无轴承开关磁阻电机，其特征在于所有定子齿上只有一套绕组，悬浮绕组绕在宽定子齿上，转矩绕在窄定子齿上；宽定子齿宽为一个转子极距；悬浮力由悬浮绕组电流产生，通过单独控制每个悬浮绕组电流大小以获得所需悬浮力；转矩由转矩绕组电流产生，所有窄齿上的转矩绕组连接为一相，悬浮绕组电流对转矩贡献很小；悬浮力和转矩完全解耦，控制方便，成本低，起动死区小，特别适用于高速、超高速及环境恶劣等场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种单相无轴承开关磁阻电机，属于电机类的磁悬浮开关磁阻电机领域。
背景技术
无轴承开关磁阻电机是20世纪末发展起来的一种新型磁悬浮电机。它是将产生悬浮力的悬浮绕组和原来普通开关磁阻电机的绕组一起叠绕在电机的定子上，通过控制两套绕组电流使其同时具有旋转和自悬浮能力，从而实现电机的超高速运行。
由于悬浮力和转矩由悬浮绕组电流和主绕组电流共同作用产生，并且主绕组和悬浮绕组之间存在强耦合，很难在控制策略和数学模型中实现悬浮力和转矩的完全解耦，这导致无轴承开关磁阻电机的控制难度加大，悬浮性能也难以提高。
无轴承开关磁阻电机控制系统非常复杂，功率电路成本高，不利于大规模应用。另外，由于悬浮力为一种磁阻力，与电机磁路的磁阻成反比关系，和绕组电感的变化规律相似，这导致绕组导通时刻需要很大的悬浮电流才能提供所需的悬浮力，进而形成较大的尖峰电流，而功率电流对绕组电流又有一定的限制，最终致使电机无法满足悬浮力要求，电机悬浮性能降低。
为降低电机系统的成本，简化控制系统，提高和优化悬浮力性能，韩国学者提出了8/10结构的两相无轴承开关磁阻电机，其特点在于悬浮力和转矩分别由悬浮绕组和转矩绕组单独产生，电机为两相工作制。因此，其需要两套的转矩功率电路，成本降低不多。
发明内容
本发明目的是提出一种单绕组结构、悬浮力和转矩完全解耦、起动死区小，低成本的一种单相无轴承开关磁阻电机
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明的一种单相无轴承开关磁阻电机，包括定子铁心、转子铁心、窄定子上转矩绕组和宽定子上悬浮绕组，其特征在于定子铁心上依次间隔设置窄定子齿和宽定子齿，宽定子齿宽度大于窄定子齿宽度，所有定子齿上只有一套绕组，悬浮绕组绕在宽定子齿上，转矩绕组绕在窄定子齿上；宽定子齿宽为一个转子极距；所有窄齿上的转矩绕组连接为一相。
悬浮力由悬浮绕组电流产生，通过单独控制每个悬浮绕组电流大小以获得所需悬浮力；转矩由转矩绕组电流产生，所有窄齿上的转矩绕组连接为一相；4个宽定子齿上悬浮绕组磁场在空间上呈NSNS分布，两相对极定子齿上转矩绕组的磁场在空间上呈NSNS分布。
本发明的单相无轴承开关磁阻电机的主要优点：
(1)定子齿上只有一个绕组，相对于传统无轴承开关磁阻电机，其用铜量节省了一半，电机制作成本降低。
(2)悬浮力和转矩解耦控制，控制方法简单，电机悬浮性能好。
(3)所有转矩绕组连接为一相，转矩绕组的功率电路只需一套即可，控制系统成本降低。
(4)起动死区小，易起动；特别适合作发电机使用。
附图说明
图1是本发明的8/12结构单相无轴承开关磁阻电机的结构示意图，图中标号名称：1、定子铁心，2、转子铁心，3、转矩绕组，4、悬浮绕组，ia+和ia-分别为转矩绕组流入和流出电流，i1+、i2+、i3+、i4+分别为4个悬浮绕组流入的电流，i1-、i2-、i3-、i4-分别为4个悬浮绕组流出的电流，α、β表示直角坐标系的两个方向。
图2是8/12结构单相无轴承开关磁阻电机的转矩绕组和悬浮绕组的电感随转子位置角的变化曲线。
图3是8/12结构单相无轴承开关磁阻电机的转矩随转子位置角的变化曲线。
图4是8/12结构单相无轴承开关磁阻电机的悬浮力随转子位置角的变化曲线。
图5是本发明的8/16结构单相无轴承开关磁阻电机的结构示意图，图中标号名称：1、定子铁心，2、转子铁心，3、转矩绕组，4、悬浮绕组，ia+和ia-分别为转矩绕组流入和流出电流，i1+、i2+、i3+、i4+分别为4个悬浮绕组流入的电流，i1-、i2-、i3-、i4-分别为4个悬浮绕组流出的电流。
图6是本发明的8/20结构单相无轴承开关磁阻电机的结构示意图，图中标号名称：1、定子铁心，2、转子铁心，3、转矩绕组，4、悬浮绕组，ia+和ia-分别为转矩绕组流入和流出电流，i1+、i2+、i3+、i4+分别为4个悬浮绕组流入的电流，i1-、i2-、i3-、i4-分别为4个悬浮绕组流出的电流。
图7是本发明的12/24结构单相无轴承开关磁阻电机的结构示意图，图中标号名称：1、定子铁心，2、转子铁心，3、转矩绕组，4、悬浮绕组，ia+和ia-分别为转矩绕组流入和流出电流，i1+、i2+、i3+、i4+分别为4个悬浮绕组流入的电流，i1-、i2-、i3-、i4-分别为4个悬浮绕组流出的电流。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的单相无轴承开关磁阻电机可为一相8/12、8/16、8/20或12/24等结构，其工作原理相同。
如图1所示，本发明的8/12结构单相无轴承开关磁阻电机的结构示意图，包括定子铁心1、转子铁心2、窄定子上转矩绕组3和宽定子上悬浮绕组4。定子齿上只有一套绕组，悬浮绕组绕在宽定子齿上，转矩绕在窄定子齿上；宽定子齿宽为一个转子极距；悬浮力由悬浮绕组电流产生，通过单独控制每个悬浮绕组电流大小以获得所需悬浮力；转矩由转矩绕组电流产生，所有窄齿上的转矩绕组连接为一相，悬浮绕组电流对转矩贡献很小；悬浮力和转矩完全解耦。4个定子齿上悬浮绕组磁场在空间上呈NSNS分布，4个定子齿上转矩绕组的磁场在空间上呈NSNS分布，连接方式有：全串、全并、两并两串和两串两并。α方向悬浮力由绕组电流i1和i2控制，当i1＞i2时，产上α正方向悬浮力，反之，产生α负方向悬浮力；同理，β方向也可产生正、负方向的悬浮力；α方向和β方向悬浮力可合成任意方向的悬浮力，从而实现电机的自悬浮功能。
图2为8/12结构单相无轴承开关磁阻电机的转矩绕组和悬浮绕组的电感在一个转子周期内随转子位置角的变化曲线。定义窄定子齿与转子槽对齐位置为零度位置，即为不对齐位置，因此转矩绕组处于不对齐位置时，悬浮绕组处于对齐位置。转矩绕组电感在整个周期内一直随位置角的变化而变化。在不对齐位置附件，转矩电感不存在平坦区域，说明在本发明结构下，除了对齐和不对齐位置外，一直将有转矩产生，这非常有利用于电机的起动。悬浮绕组电感在转子周期内变化相对不明显，说明悬浮绕组电流产生的转矩将很小，对电机的转矩贡献不大。
图3为8/12结构单相无轴承开关磁阻电机的转矩在一个转子周期内随转子位置角的变化曲线。转矩进一步说明了除了对齐和不对齐位置外一直将有转矩存在，电机的起动死区大为较小。
图4为8/12结构单相无轴承开关磁阻电机的悬浮力在一个转子周期内随转子位置角的变化曲线。悬浮力曲线显示，在一个转子周期内，悬浮力与悬浮绕组电感一样只是随位置角有较小的变化。这保证了整个导通周期均能输出恒定大悬浮力，电机的悬浮性能将得到很大的提升，也为实现转矩和悬浮力的完全解耦奠定了基础。
如图5所示，本发明的8/16结构单相无轴承开关磁阻电机的结构示意图，包括定子铁心1、转子铁心2、窄定子上转矩绕组3和宽定子上悬浮绕组4。定子齿上只有一套绕组，悬浮绕组绕在宽定子齿上，转矩绕在窄定子齿上；宽定子齿宽为一个转子极距；悬浮力由悬浮绕组电流产生，通过单独控制每个悬浮绕组电流大小以获得所需悬浮力；转矩由转矩绕组电流产生，所有窄齿上的转矩绕组连接为一相，悬浮绕组电流对转矩贡献很小；悬浮力和转矩完全解耦。4个定子齿上悬浮绕组磁场在空间上呈NSNS分布，4个定子齿上转矩绕组的磁场在空间上呈NSNS分布，连接方式有：全串、全并、两并两串和两串两并。α方向悬浮力由绕组电流i1和i2控制，当i1＞i2时，产上α正方向悬浮力，反之，产生α负方向悬浮力；同理，β方向也可产生正、负方向的悬浮力；α方向和β方向悬浮力可合成任意方向的悬浮力，从而实现电机的自悬浮功能。
如图6所示，本发明的8/20结构单相无轴承开关磁阻电机的结构示意图，包括定子铁心1、转子铁心2、窄定子上转矩绕组3和宽定子上悬浮绕组4。定子齿上只有一套绕组，悬浮绕组绕在宽定子齿上，转矩绕在窄定子齿上；宽定子齿宽为一个转子极距；悬浮力由悬浮绕组电流产生，通过单独控制每个悬浮绕组电流大小以获得所需悬浮力；转矩由转矩绕组电流产生，所有窄齿上的转矩绕组连接为一相，悬浮绕组电流对转矩贡献很小；悬浮力和转矩完全解耦。4个定子齿上悬浮绕组磁场在空间上呈NSNS分布，4个定子齿上转矩绕组的磁场在空间上呈NSNS分布，连接方式有：全串、全并、两并两串和两串两并。α方向悬浮力由绕组电流i1和i2控制，当i1＞i2时，产上α正方向悬浮力，反之，产生α负方向悬浮力；同理，β方向也可产生正、负方向的悬浮力；α方向和β方向悬浮力可合成任意方向的悬浮力，从而实现电机的自悬浮功能。
如图7所示，本发明的12/24结构单相无轴承开关磁阻电机的结构示意图，包括定子铁心1、转子铁心2、窄定子上转矩绕组3和宽定子上悬浮绕组4。定子齿上只有一套绕组，悬浮绕组绕在宽定子齿上，转矩绕在窄定子齿上；宽定子齿宽为一个转子极距；悬浮力由悬浮绕组电流产生，通过单独控制每个悬浮绕组电流大小以获得所需悬浮力；转矩由转矩绕组电流产生，所有窄齿上的转矩绕组连接为一相，悬浮绕组电流对转矩贡献很小；悬浮力和转矩完全解耦。4个定子齿上悬浮绕组磁场在空间上呈NSNS分布，4个相对定子齿上转矩绕组的磁场在空间上呈NSNS分布，另外4个相对定子齿上转矩绕组的磁场在空间上也呈NSNS分布，8个转矩绕组连接方式比较多，可有全串、全并等连接方式。α方向悬浮力由绕组电流i1和i2控制，当i1＞i2时，产上α正方向悬浮力，反之，产生α负方向悬浮力；同理，β方向也可产生正、负方向的悬浮力；α方向和β方向悬浮力可合成任意方向的悬浮力，从而实现电机的自悬浮功能。
Claims (1)
1.一种单相无轴承开关磁阻电机，包括定子铁心(1)、转子铁心(2)、窄定子上转矩绕组(3)和宽定子上悬浮绕组(4)，其特征在于定子铁心(1)上依次间隔设置窄定子齿和宽定子齿，宽定子齿宽度大于窄定子齿宽度，所有定子齿上只有一套绕组，悬浮绕组(4)绕在宽定子齿上，转矩绕组(3)绕在窄定子齿上；宽定子齿宽为一个转子极距；所有窄定子齿上的转矩绕组连接为一相。
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