CN103001433A - 一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机，该发电机由一个定子铁心、一个转子铁心、四个悬浮极、八个发电极、十四个转子极、四套悬浮绕组、两相励磁绕组和两相发电绕组组成。四个悬浮极等间隔设置在定子铁心上，八个发电极两两等间隔设置在四个悬浮极之间，十四个转子极等间隔设置在转子铁心上，四套悬浮绕组分别独立绕在四个悬浮极上，两相励磁绕组和两相发电绕组叠绕在径向相对的发电极上，悬浮极极弧为发电极极弧的两倍，发电极极弧与转子极弧相等。本发明采用混合定子和短磁路结构，解决了励磁、发电与悬浮的耦合问题，克服了磁通逆转现象，降低了磁动势和定子铁心损耗，提高了电机工作效率和输出功率密度。

Description

一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机

技术领域

本发明涉及磁悬浮开关磁阻发电机，尤其是一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机，属于机电领域。

背景技术

开关磁阻电机采用双凸极结构，定子绕有集中绕组，转子既无绕组也无永磁体，具有结构简单坚固、控制灵活方便、调速范围广、运行效率高、工作可靠、成本低等诸多优点，特别适合在恶劣环境和要求高速、超高速的场合下运行。考虑到开关磁阻电机的定子和磁轴承定子结构的相似性，将磁轴承技术与开关磁阻电机相结合形成磁悬浮开关磁阻电机，不仅拓宽磁悬浮电机的理论和应用范围，而且还继承和发挥了开关磁阻电机的高速优越性及其对恶劣环境的适应性，同时通过径向力的主动控制，有望改善一直以来限制开关磁阻电机推广应用的电磁振动和噪声问题，因而磁悬浮开关磁阻电机近年来得到了国内外学者的广泛关注。

日本学者 M. Takemoto首次提出了三相12/8极双绕组结构磁悬浮开关磁阻电动机，并对其数学模型和控制策略方面进行了分析研究，国内学者在该电机的数学模型、控制策略、电磁特性、振动抑制、线性化解耦等方面进行了深入研究，然而该电机绕组结构的复杂性、磁路的交叉耦合性以及铁芯材料的磁饱和非线性使其高性能控制非常困难。为此，韩国学者D.H.Lee和J.W.Ahn近年来提出了8/10极和12/14极单绕组磁悬浮开关磁阻电动机。该电动机通过在定子上分别设置悬浮极和旋转极来消除悬浮力和转矩之间的耦合，另外将悬浮极齿宽设置为旋转极齿宽2倍，来提高电机的悬浮性能。以上研究均是针对磁悬浮开关磁阻电动机的研究，而关于磁悬浮开关磁阻发电机的研究目前比较少，2011年发表于《中国电机工程学报》的文献“全周期无轴承磁悬浮开关磁阻发电机的设计”提出了一种磁悬浮开关磁阻全周期发电机，其悬浮绕组同时担任悬浮和励磁两种功能，并且在悬浮绕组完成励磁关断后，主绕组续流发电。但是悬浮绕组和主绕组在磁路上存在交叉耦合，悬浮力和发电电压之间存在复杂的非线性强耦合关系，这使得悬浮和发电性能难以满足要求。

申请号为201110313992.x的发明专利“一种磁悬浮开关磁阻发电机”公布了一种8/10极定子混合型磁悬浮开关磁阻发电机，其定子极分设为悬浮极和发电极，悬浮极上的载流悬浮绕组产生悬浮力使转子稳定悬浮，发电极上的励磁绕组和发电绕组绕分别进行励磁和发电。由于悬浮极与发电极之间的独立性，该结构基本实现了励磁、悬浮与发电控制的自然解耦。但是，在该结构中，仅有一半的定子极用于励磁和发电，所以励磁困难且功率密度非常低。而且，该电机采用长磁路结构，在定子铁心中存在逆转磁场，这不但增加了电机磁动势要求，也增加了电机的定子铁芯损耗。同时，当电机励磁绕组与悬浮绕组一起通电时，励磁电流对径向悬浮力仍有较大的影响。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中磁悬浮开关磁阻发电机存在的上述不足，提供一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机，该发电机通过分设悬浮极和发电极，实现励磁、发电与悬浮的自然解耦，采用短磁路设计避免了逆转磁场，降低了电机铁心损耗，通过增加发电极极数提高了系统输出功率密度。

本发明所采用的技术方案是：

一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机，包括定子铁心、沿定子铁心内壁圆周方向等间隔90°设置的四个悬浮极、设置于两个相邻悬浮极之间的发电极、转子铁心、转子铁心外壁沿外圆周方向等间隔设置的转子极，所述发电极等间隔至少设置两个，所述转子极的数量由发电极的数量决定，四个悬浮极上分别叠绕有四套相互独立的悬浮绕组，每个发电极上叠绕有励磁绕组和发电绕组。

作为本发明的进一步改进，所述发电机采用定子12极、转子14极的双凸极结构。

作为本发明的进一步改进，等间隔设置于两个相邻悬浮极之间的发电极数量为两个，即八个发电极等间隔30°两两成对设置在四个悬浮极之间，转子铁心外壁沿外圆周方向等间隔设置的转子极数量为14个。

作为本发明的进一步改进，对置的两对发电极上的励磁绕组互相串联构成A相励磁绕组N _sa ，沿同一方向对置的两对发电极上的发电绕组互相串联构成A相发电绕组N _ga ；与所述方向垂直位置对置的两对发电极上的励磁绕组互相串联构成B相励磁绕组N _sb ，沿同一垂直方向对置的两对发电极上的发电绕组互相串联构成B发电磁绕组N _gb 。

作为本发明的进一步改进，所述悬浮极的极弧略大于转子极距，发电极极弧与转子极极弧相同，是悬浮极极弧的一半，悬浮极和发电极的内沿和转子极的外沿之间留有气隙。

作为本发明的进一步改进，所述悬浮极极弧为25.7°，发电极极弧和转子极极弧为12.85°。

作为本发明的进一步改进，当定子中心和转子中心重合时，各处气隙长度相等，所述气隙长度δ为0.5mm。

与传统磁悬浮开关磁阻发电机相比，本发明的有以下益效果。

（1）结构清晰，功能明确，控制简单。

定子上分别设置悬浮极和发电极，悬浮绕组、发电绕组和励磁绕组分别叠绕在相互独立的悬浮极和发电极上，悬浮绕组只产生悬浮力，发电绕组只用于发电，而励磁绕组只用于励磁，相互无影响，实现了励磁、发电与悬浮的自然解耦，结构清晰，功能明确，易于控制。 

（2）拓展悬浮力产生范围、改善了悬浮性能。

单独设置悬浮极后，在任何转子位置下，悬浮绕组通以期望电流，都能产生所需的悬浮力，因而拓展了悬浮力产生范围；而悬浮极极弧转子极距，因此在任何转子位置下，悬浮极与转子极间的对齐面积始终保持不变，所以在固定的电流激励下，所产生的悬浮力大小基本不变，因而改善了电机悬浮性能。

与申请号为201110313992.x的发明专利公布的8/10极磁悬浮开关磁阻发电机相比，本发明的有益效果是：

（1）提高了电机输出功率密度。

申请号为201110313992.x的发明专利公布的8/10极发电机只有一半定子极用于励磁和发电，新结构的电机中有三分之二的定子极用于励磁和发电，因而本发明所述定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机输出功率密度更高。

（2）短磁路，定子铁心损耗小，运行效率高。

由于本发明所述发电机在相邻悬浮极之间等间隔设置两个发电极，这使得励磁磁路只在这相邻两个发电极之间形成回路，不用经过很长的定子铁心和悬浮极，因而励磁磁路非常短，且不存在磁逆转，这不仅降低了磁动势的要求，而且降低了定子铁芯损耗，从而提高了发电机运行效率。

附图说明

图1是本发明定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机的结构示意图；

图2是本发明所述发电机磁路分布图；

图3是现有技术中申请号为201110313992.X专利所述发电机的磁路分布图；

图4是本发明所述发电机的悬浮绕组电感在不同励磁电流下随转子位置角的变化曲线图；

图5是现有技术中申请号为201110313992.X专利所述发电机的悬浮绕组电感在不同励磁电流下随转子位置角的变化曲线图；

图6是本发明所述发电机的励磁绕组电感在不同悬浮电流下随转子位置角的变化曲线图；

图7是现有技术中申请号为201110313992.X专利所述发电机的励磁绕组电感在不同悬浮电流下随转子位置角的变化曲线图；

图8是本发明所述发电机在不同悬浮电流下发电绕组的感应电压曲线图；

图9是现有技术中申请号为201110313992.X专利所述发电机在不同悬浮电流下发电绕组的感应电压曲线图；

图10是本发明所述发电机与申请号为201110313992.x专利所述发电机在相同励磁绕组电流时的铁心损耗曲线比较图。

图中：1、定子铁心； 2、转子铁心；3、悬浮极；4、发电极；5、悬浮绕组；6、励磁绕组；7、发电绕组；101、本发明所述发电机的铁心损耗曲线；102、申请号为201110313992.x的专利所述发电机的铁心损耗曲线。

具体实施方式  

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。

本发明所述的一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机，采用定子12极、转子14极的双凸极结构，由定子铁心、转子铁心、悬浮极、发电极、转子极、悬浮绕组、励磁绕组和发电绕组构成。定子铁心的内壁沿圆周方向等间隔90°设置四个悬浮极（x1, x2, y1, y2），四个悬浮极之间等间隔30°设置八个发电极（A₁~A₄, B₁~B₄），转子铁心的外壁沿圆周方向等间隔设置有十四个转子极，悬浮极极弧略大于转子极距为25.7°，发电极极弧与转子极极弧相同，是悬浮极极弧的一半为12.85°，悬浮极和发电极的内沿和转子极的外沿之间留有一定气隙，当定子中心和转子中心重合时，各处气隙长度相等为δ（0.5mm）。四个悬浮极（x1, x2, y1, y2）上分别叠绕有四套相互独立的悬浮绕组（N _x1, N _x2, N _y1, N _y2），八个发电极（A₁~A₄, B₁~B₄）上分别叠绕有励磁绕组和发电绕组，A₁~A₄四个发电极上的励磁绕组互相串联构成A相励磁绕组N _sa ，A₁~A₄四个发电极上的发电绕组互相串联构成A相发电绕组N _ga ，B₁~B₄四个发电极上的励磁绕组互相串联构成B相励磁绕组N _sb ，B₁~B₄四个发电极上的发电绕组互相串联构成B发电磁绕组N _gb 。分别在四套悬浮绕组（N _x1, N _x2, N _y1, N _y2）中施加相应的悬浮控制电流（i _x1, i _x2, i _y1, i _y2），即可产生各个方向上的悬浮力（F _x1, F _x2, F _y1, F _y2）。当悬浮绕组N _x1（或N _x2）中施加悬浮控制电流i _x1（或i _x2），即可产生水平向右（或向左）的悬浮力F _x1（或F _x2）；同理悬浮绕组N _y1（或N _y2）中施加悬浮控制电流i _y1（或i _y2），即可产生垂直向上（或向下）的悬浮力F _y1（或F _y2）；水平方向悬浮力（F _x1, F _x2）和垂直方向悬浮力（F _y1, F _y2）可合成径向任意方向上的悬浮力，从而实现发电机转子的自悬浮功能。分别在A相励磁绕组N _sa 和B相励磁绕组N _sb 中施加相应的励磁电流（i _sa , i _sb ），通过控制A相和B相励磁电流（i _sa , i _sb ）的导通顺序和导通时间，即可在发电绕组内获得期望的发电电压（u _ga , u _gb ）或发电电流（i _ga , i _gb ）。

如图1所示，本发明的一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机，采用定子12极、转子14极的双凸极结构，包括定子铁心1、转子铁心2、悬浮极3、发电极4、转子极5、悬浮绕组6、励磁绕组7和发电绕组8。定子铁心1的内壁沿圆周方向等间隔90°设置四个悬浮极3（x1, x2, y1, y2），四个悬浮极3之间等间隔30°设置八个发电极4（A₁~A₄, B₁~B₄）；转子铁心2的外壁沿圆周方向等间隔设置有十四个转子极5；悬浮极3和发电极4的内沿和转子极5的外沿之间留有一定气隙，当定子铁心1的中心和转子铁心2的中心重合时，各处气隙长度相等为δ（0.5mm）。

如图1所示，四个悬浮极3（x1, x2, y1, y2）上分别叠绕有四套相互独立的悬浮绕组6（N _x1, N _x2, N _y1, N _y2），八个发电极4（A₁~A₄, B₁~B₄）上分别叠绕有励磁绕组7和发电绕组8；图中A₁~A₄四个发电极4上的励磁绕组7互相串联构成A相励磁绕组N _sa ，A₁~A₄四个发电极4上的发电绕组8互相串联构成A相发电绕组N _ga ，B₁~B₄四个发电极4上的励磁绕组互相串联构成B相励磁绕组N _sb ，B₁~B₄四个发电极4上的发电绕组互相串联构成B发电磁绕组N _gb 。

如图1所示，图中i _x1, i _x2, i _y1, i _y2分别为四套悬浮绕组6（N _x1, N _x2, N _y1, N _y2）中的悬浮控制电流，上标“+”表示电流流入悬浮绕组，上标“-”表示电流出悬浮绕组。单独控制每个悬浮控制电流（i _x1, i _x2, i _y1, i _y2），即可产生各个方向上所需的悬浮力。当悬浮绕组N _x1（或N _x2）中施加悬浮控制电流i _x1（或i _x2），即可产生水平向右（或向左）的悬浮力；同理悬浮绕组N _y1（或N _y2）中施加悬浮控制电流i _y1（或i _y2），即可产生垂直向上（或向下）的悬浮力；水平方向悬浮力和垂直方向悬浮力可合成径向任意方向上的悬浮力，从而实现发电机转子的自悬浮功能。

如图1所示，图中i _sa , i _sb 分别为A相励磁绕组N _sa 和B相励磁绕组N _sb 中的励磁电流，i _ga , i _gb 分别为A相发电绕组N _ga 和B相发电绕组N _gb 中的发电电流，上标“+”表示电流流入励磁绕组或发电绕组，上标“-”表示电流出励磁绕组或发电绕组。通过控制A相和B相励磁绕组N _sa 和N _sb 中电流的导通顺序和大小，即可在发电绕组内获得期望的发电电压。

如图1所示，图中悬浮极3的极弧约为一个转子极距为25.7°，发电极4的极弧与转子极5的极弧是悬浮极3极弧的一半为12.85°。定义转子极5与A相发电极（A1~A4）对齐时为转子位置角θ的零度位置，以逆时针方向为正。由于悬浮极3的极弧约为一个转子极距，这样不论转子位置角θ如何变化，悬浮极3下定子、转子的对齐面积始终等于转子极面积，使得悬浮绕组6的电感受转子位置角影响，提高转子悬浮性能，并且悬浮绕组6的电流对发电绕组8的电感影响非常小。

如图2所示，本发明所述发电机的励磁磁路在定子中仅经过两发电极及桥接两发电极的轭部，因而励磁磁路比较短且不存在逆转磁通，而申请号为201110313992.x的专利所述发电机的励磁磁路比较长，而且存在逆转磁通，因而本发明所述发电机降低了定子铁心损耗和对磁动势的要求，提高了电机运行效率。

如图3所示，本发明所述发电机的悬浮绕组6电感在一个电周期内(转子位置角为0 ~ 25.7°)的变化量为0.01385H - 0.0131H = 0.00075H，申请号为201110313992.x专利所述发电机的悬浮绕组电感在一个电周期内(转子位置角为0 ~ 36°)的变化量为0.0198H – 0.0189H = 0.0009H，这表明本发明所述发电机悬浮绕组电感的变化量比申请号为201110313992.x的专利所述发电机悬浮绕组电感的变化量更小，这说明悬浮力受转子位置角影响更小，因而本发明所述发电机悬浮性能更佳。另外本发明所述发电极励磁绕组电流i _sa 的变化对悬浮绕组电感的影响较申请号为201110313992.x的专利所述发电机来说更小，这是因为本发明所述发电机的励磁磁路不经过悬浮极，因而实现了励磁和悬浮的自然解耦(无耦合)。

如图4所示，相同励磁电流下，本发明所述发电机的励磁电感比申请号为201110313992.x的专利所述发电机的励磁电感要大，这与其极弧大小和磁路有关，但是给悬浮绕组施加不同控制电流，对两种发电机的励磁绕组电感都没有影响，这说明了本发明所述发电机的悬浮控制电流对励磁作用没有影响，进一步说明本发明所述发电机励磁和悬浮之间是自然解耦的。 

如图5所示，在相同励磁电流和转速下，本发明所述发电机比申请号为201110313992.x的专利所述发电机的发电电压要大，这与两种电机极弧和磁路不同有关，但是给悬浮绕组施加不同控制电流，本发明所述发电机的发电电压受到的影响更小，这说明了本发明所述发电机的发电电压不受悬浮控制电流影响，这表明了励磁与发电也是自然解耦的。

如图6所示，给两种发电机通相同励磁电流下，本发明所述电机的定子铁心损耗比申请号为201110313992.x的专利所述发电机的定子铁心损耗要小得多，这是因为本发明所述电机比较短的磁路减少了磁路所包含的铁心量。

如图1~6所示，本发明所述发电机采用12/14双凸极结构，十二个定子凸极分设为四个宽齿悬浮极3和八个窄齿发电极4，悬浮绕组6独立绕在悬浮极3上，励磁绕组7和发电绕组8绕在发电极4上，实现了发电、励磁与悬浮之间的自然解耦，改善了悬浮性能，简化了控制；同时采用短磁路结构设计，不存在逆转磁通，降低了电机磁动势要求和定子铁心损耗，提高了电机工作效率；另外三分之二的定子极用于励磁和发电以及独立的发电绕组设计使得电机在整个相工作周期内均向外输出电能，因而提高了电机输出功率密度。

Claims (7)

1.一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机，包括定子铁心（1）、沿定子铁心（1）内壁圆周方向等间隔90°设置的四个悬浮极（3）、设置于两个相邻悬浮极（3）之间的发电极（4）、转子铁心（2）、转子铁心外壁沿外圆周方向等间隔设置的转子极（5），其特征在于：所述发电极（4）等间隔至少设置两个，所述转子极（5）的数量由发电极（4）的数量决定，四个悬浮极（3）上分别叠绕有四套相互独立的悬浮绕组（6），每个发电极（4）上叠绕有励磁绕组（7）和发电绕组（8）。

2.根据权利要求1所述的一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机，其特征在于：所述发电机采用定子12极、转子14极的双凸极结构。

3.根据权利要求3所述的一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机，其特征在于：等间隔设置于两个相邻悬浮极（3）之间的发电极（4）数量为两个，即八个发电极（4）等间隔30°两两成对设置在四个悬浮极（3）之间，转子铁心外壁沿外圆周方向等间隔设置的转子极（5）数量为14个。

4.根据权利要求1或2所述的一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机，其特征在于：对置的两对发电极上的励磁绕组互相串联构成A相励磁绕组N _sa ，沿同一方向对置的两对发电极上的发电绕组互相串联构成A相发电绕组N _ga ；与所述方向垂直位置对置的两对发电极上的励磁绕组互相串联构成B相励磁绕组N _sb ，沿同一垂直方向对置的两对发电极上的发电绕组互相串联构成B发电磁绕组N _gb 。

5.根据权利要求1或2所述的一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机，其特征在于：所述悬浮极的极弧略大于转子极距，发电极极弧与转子极极弧相同，是悬浮极极弧的一半，悬浮极和发电极的内沿和转子极的外沿之间留有气隙。

6.根据权利要求1或2所述的一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机，其特征在于：所述悬浮极极弧为25.7°，发电极极弧和转子极极弧为12.85°。

7.根据权利要求5所述的一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机，其特征在于：当定子中心和转子中心重合时，各处气隙长度相等，所述气隙长度δ为0.5mm。

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