CN103199641A - 一种u形齿定子永磁式磁通切换无轴承电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构简单、转子坚固，具有高功率、高效率和高可靠性的定子永磁型磁通切换无轴承电机，包括定子和转子，转子位于定子的内部或外部，定子和转子都为双凸极结构，在定子上设置有多相对称分布的电枢绕组、分别控制X轴与Y轴方向的悬浮绕组、永磁体，电枢绕组和悬浮绕组均为集中式线圈组成，每个线圈横跨在由两块U形导磁铁心与中间一块永磁体所组成的定子铁心单元两侧槽中，其中悬浮绕组仅绕在A相电枢绕组线圈所绕的定子铁心单元上。本发明在保留传统磁通切换永磁电机优势的基础上，既具有无轴承开关磁阻电机的简单结构，又具有无轴承转子永磁式电机的高效率与高功率密度，具有很高的理论和实用价值。

Description

一种U形齿定子永磁式磁通切换无轴承电机

技术领域

本发明是一种结构简单、转子坚固、高可靠性、高效率、特别适合高速运行的定子永磁式无轴承电机，属于电机制造的技术领域。

背景技术

高速驱动、密封传动和航空航天等领域，对电机的无轴承运行技术有着迫切需求。由于机械轴承的诸多局限，普通电机无法满足长期高速运转的要求；气浮和液浮轴承的控制设备较庞大，成本高；磁悬浮轴承具有无机械磨损、无需润滑和密封系统，环境适应能力强等优点，但磁轴承电机系统整体结构较复杂、功率密度不高、临界转速和功率容量难以大幅度提高。

无轴承电机是集旋转驱动和磁轴承功能于一体的新型电机，它不仅克服了磁轴承电机的诸多局限，还具有轴向利用率高、结构紧凑、可大幅度提高临界转速、同等轴长下可大幅度提高输出功率等优点。纵观国内外发表的文献，采用无轴承技术的电机类型主要有异步电机、磁阻电机和永磁同步电机（均指永磁体置于转子的转子永磁式结构，下同）。

其中，无轴承异步电机以其结构简单、可靠性高、易于弱磁等特点成为研究最早的无轴承电机类型。但是，它突出的问题是其悬浮力控制和转矩控制耦合，转速容易被悬浮力控制干扰。

无轴承开关磁阻电机结构简单，制造和维护方便，鲁棒性好，适用于高温等恶劣环境。但是，无轴承开关磁阻电机的功率密度和效率难以进一步提高。

相比之下，无轴承永磁同步电机以其结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高和功率密度大等优势，在飞轮储能、各种高速机床主轴电机和密封泵类、离心机、压缩机、高速微型硬盘驱动装置等领域更具备实用化优势，被认为是最有应用前景的无轴承电机。然而，已经出现的采用传统转子永磁式结构的无轴承永磁同步电机具有一定的局限性：一方面，永磁体贴装于转子表面或内嵌于转子破坏了转子的整体性结构，而作为高速用电机，其转子通常都处于高速甚至超高速运行状态（数万转/分甚至数十万转/分），为防止电机高速运转时磁钢受到离心力的影响而甩落，在转子上都装有不锈钢或金属纤维材料制作的固定装置，导致其结构复杂，制造成本提高，等效气隙长，永磁体利用率降低；另一方面，永磁体位于转子，冷却条件差，散热困难，随着温度的上升，导致以钕铁硼（NdFeB）为主的永磁体性能下降，严重时甚至发生不可逆退磁，制约了电机性能的进一步提高，进而限制了无轴承转子永磁式电机在某些场合的应用。

综上，无轴承开关磁阻电机和无轴承转子永磁式电机，具有各自的弊端：前者虽然结构简单、可靠性高，但在效率、功率因数等方面不如永磁电机；后者虽然提高了电机的效率和功率因数，但永磁体置于电机转子，其散热和机械牢固性问题不容忽视。因此，将无轴承开关磁阻电机的简单结构和无轴承转子永磁式电机的高效率相结合，集二者之优点，研究集高可靠性和高效率于一身的新型无轴承电机结构及其相关控制理论，不仅具有重要的学术意义，而且具有极其重要的工程应用价值。

另一方面，现有的三种传统定子永磁型无刷电机中又以磁通切换式结构呈现出最为优越的性能。因此，本发明将在传统“U”形齿定子永磁式磁通切换电机基础之上，通过引进悬浮绕组，提出一种定子永磁型磁通切换无轴承永磁电机。

发明内容

技术问题：本发明的目的就是结合无轴承电机和“U”形齿定子永磁型磁通切换式双凸极无刷电机的基本特性，提出了一种永磁体置于定子的磁通切换型无轴承无刷电机，该电机特别适合于飞轮储能系统等高速领域的应用。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明所提出的定子永磁型磁通切换无轴承电机包括：定子、转子、永磁体、集中式电枢绕组和一套集中式悬浮绕组，其特征在于悬浮绕组、电枢绕组和永磁体三者均置于定子，且定子铁心采用“U”形导磁单元与永磁体拼装而成，而转子上既无绕组又无永磁体，结构简单，可靠性高。

悬浮绕组通电后与永磁体产生的气隙磁场相互作用，产生一个大小和方向可控的径向悬浮力，从而实现转子的稳定悬浮；对称电枢绕组通电后与永磁体产生的气隙磁场相互作用，产生电磁转矩。而电枢绕组与悬浮绕组各自产生的磁场通过控制算法实现解耦，从而可以独立控制。

采用的技术方案具体为：

一种定子永磁型磁通切换无轴承电机，该电机包括定子和转子，转子位于定子的内部或外部，定子和转子都为凸极结构，在定子上设置有多相对称分布的电枢绕组、分别控制转子X轴与Y轴位置的悬浮绕组和永磁体，其特征在于定子铁心是由“U”形导磁铁心与夹在中间的永磁体所组成的定子铁心单元拼装而成，且永磁体为切向充磁，相邻两块永磁体充磁方向相反；所述电枢绕组和所述悬浮绕组均由对称分布的集中式绕组线圈组成，每个电枢绕组线圈均横跨在由两个“U”形导磁铁心和中间嵌入的一块永磁体所组成的定子铁心单元的两侧槽中，悬浮绕组由两组集中式悬浮线圈组成，所述两组集中式悬浮线圈分别绕在A相电枢绕组线圈所绕的定子铁心单元上，所述转子上既无永磁体，也无电枢绕组，仅由导磁材料制成，所述悬浮绕组位于A相电枢绕组线圈所在的定子铁心单元上，分别通过电枢绕组和悬浮绕组与永磁磁场的相互作用使电机同时具有旋转和悬浮能力，同时通过控制悬浮绕组中电流的大小和方向可以控制所产生的悬浮力的大小与方向，从而使转子稳定悬浮并且不偏心。

优选的是，所述电枢绕组为三相集中式，其由12个集中式电枢线圈组成，每相电枢绕组包含4个线圈，B相和C相电枢绕组结构和A相绕组结构相同，只是在空间位置上分别与A相相差了-30^o和+30^o。

优选的是，所述悬浮绕组线圈至少为两组，一组控制水平X轴方向的偏心，另一组控制垂直Y轴方向的偏心。

优选的是，所述X轴和Y轴方向至少各有一个定子铁心单元上绕有悬浮绕组的集中式悬浮线圈。

优选的是，所述转子位于定子的内部或位于定子的外部。

优选的是，该电机做发电运行或做电动运行。

有益效果：基于定子永磁型的磁通切换无轴承电机具有结构简单、转子坚固、功率密度高、效率高等优点，可用于飞轮储能、各种高速机床主轴电机和密封泵类、离心机、压缩机、高速微型硬盘驱动装置等领域，其有益效果包括：

1．在结构上保留了无轴承开关磁阻电机结构紧凑、简单、容错性能和鲁棒性能好的优势；

2．在性能上保留了无轴承永磁同步电机损耗小、功率密度大、效率高的优势；

3．在定子永磁型磁通切换电机上所增加的一套悬浮绕组对定子冲片影响不大，且安装方便，容易实现；

4．电机中的电枢和悬浮两套绕组都采用集中式绕组，端部较短、损耗较低、效率高，且减小了电机轴向长度，提高了功率密度。

附图说明

图1是本发明所提出的定子永磁型磁通切换无轴承电机结构示意图。

图2是转子逆时针旋转9^o（机械角度）时，悬浮绕组中所匝链的磁通方向示意图。

附图标记：

1-定子，2-永磁体，3-三相集中式电枢绕组，4-X轴悬浮绕组，5-Y轴悬浮绕组，6-转子，带箭头的粗虚线-表示悬浮绕组中所匝链的永磁磁通，带箭头的细虚线-表示悬浮绕组通电产生的悬浮磁通。

具体实施方式

以一台三相定子12极/转子10极定子永磁型磁通切换无轴承电机为例，其截面图如图1所示的定子永磁型磁通切换无轴承电机结构示意图，包含定子1和转子6，转子6位于定子1的内部或外部，定子1和转子6均为凸极结构，在定子1上设置有三相对称集中式电枢绕组3、X轴悬浮绕组4、Y轴悬浮绕组5和永磁体2。定子1上有12个均匀分布的极，转子6上有10个均匀分布的极；定子铁心由12块“U”型导磁铁心单元（如图1中粗黑线描出的部分所示，鉴于磁通切换电机本身就是一种新型的电机，其定子结构通常都采用“U”型导磁铁心结构）组成，在每两块导磁铁心之间嵌有一块永磁体2，且永磁体为切向充磁，相邻两块永磁体充磁方向相反，用硅钢片按图1所示的形状冲成定子冲片和转子冲片，再用足量的冲片叠压成定子铁心和转子铁心；三相集中式电枢绕组3由12个集中式电枢线圈组成，每相电枢绕组包含4个线圈，每个电枢线圈均横跨在两个“U”型导磁铁心和中间嵌入的一块永磁体所组成的定子单元的两侧槽中，组成一相绕组的4个线圈之间一般分成两个线圈组，如图1中所示的A1～A4四个线圈分成A1/A3与A2/A4串联而成的两个线圈组，这两个线圈组之间可以串联或并联组成A相电枢绕组，B相和C相电枢绕组结构和A相绕组结构相同，只是在空间位置上分别与A相相差了-30^o和+30^o；悬浮绕组分为水平X轴方向的X轴悬浮绕组4与垂直Y轴方向的Y轴悬浮绕组5两套，其中水平X轴方向的悬浮绕组由两个集中式悬浮线圈402和401串联组成，分别绕在线圈A2和A4所绕的定子铁心单元上，产生的径向悬浮力主要用于抑制转子X轴方向偏心；垂直Y轴方向的悬浮绕组由两个集中式悬浮线圈501和502串联组成，分别绕在线圈A1和A3所绕的定子铁心单元上，产生的径向悬浮力主要用于克服转子重力，并抑制转子Y轴方向偏心。

因为悬浮线圈401、402、501、502分别与电枢线圈A4、A2、A1、A3绕在相同的定子铁心单元上，故悬浮线圈所匝链的磁通的变化规律与相应的电枢线圈所匝链的磁通的变化规律相一致。当电机运行时，悬浮绕组中所匝链的永磁磁通会随着转子位置的变化而发生方向与数值的变化，因此需根据转子位置与负载的变化，实时改变悬浮绕组中通电电流的大小和方向，从而改变悬浮力的大小和方向。具体的工作过程以图2为例进行说明。

图2所示为转子逆时针旋转9^o（机械角度）时，悬浮绕组中所匝链的永磁磁通情况（用带箭头的粗虚线表示）和悬浮绕组中该时刻电流产生的悬浮磁场（用带箭头的细虚线表示），悬浮线圈中的电流方向如图所示。悬浮线圈401与悬浮线圈501通电产生的悬浮磁场与相应的定子铁心单元处的气隙永磁磁场方向相同，而悬浮线圈402与悬浮线圈502通电产生的悬浮磁场与相应的定子铁心单元处的气隙永磁磁场方向相反，造成气隙磁场在X轴和Y轴方向上不平衡。根据该时刻的气隙磁场分布情况可知，转子右侧的气隙磁场比左侧的气隙磁场强，转子上侧的气隙磁场比下侧的气隙磁场强，因此转子将受到垂直向上的悬浮力和水平向右的悬浮力，分别用来抵消转子重力和抑制转子偏心。若转子的位置偏上（或偏下），则要相应地减小（或增大）Y轴悬浮绕组中的电流，使垂直向上的悬浮力减小（或增大）；若转子的位置偏左（或偏右），则要增大（或减小）X轴悬浮绕组中的电流，使水平向右的悬浮力增大（或减小）；另外，还可以通过改变悬浮绕组中通入电流的方向，改变悬浮力的方向。可见，通过控制悬浮绕组中电流的大小和方向可以控制所产生的悬浮力的大小与方向，从而使转子稳定悬浮并且不偏心。

为了阐述和描述的目的，前述显示出对本发明的典型实施例的描述。它们并不是为了详尽地或限制本发明为所公开的精确形式，显然的是，在本发明的上述指导下，很多修改或变形是可能的。所述选择的和描述的优先实施例是为了展示出本发明的原理和实际应用，因此其也可以使本领域熟练技术人员可以作出和应用本发明的不同实施例，同样也能做出合适的修改和替换。可预见的是，通过权利要求及其等同替换可以限定出本发明的范围。

Claims (6)

1.一种定子永磁型磁通切换无轴承电机，该电机包括定子和转子，转子位于定子的内部或外部，定子和转子都为凸极结构，在定子上设置有多相对称分布的电枢绕组、分别控制转子X轴与Y轴位置的悬浮绕组和永磁体，其特征在于定子铁心是由“U”形导磁铁心与夹在中间的永磁体所组成的定子铁心单元拼装而成，且永磁体为切向充磁，相邻两块永磁体充磁方向相反；所述电枢绕组和所述悬浮绕组均由对称分布的集中式绕组线圈组成，每个电枢绕组线圈均横跨在由两个“U”形导磁铁心和中间嵌入的一块永磁体所组成的定子铁心单元的两侧槽中，悬浮绕组由两组集中式悬浮线圈组成，所述两组集中式悬浮线圈分别绕在A相电枢绕组线圈所绕的定子铁心单元上，所述转子上既无永磁体，也无电枢绕组，仅由导磁材料制成，所述悬浮绕组位于A相电枢绕组线圈所在的定子铁心单元上，分别通过电枢绕组和悬浮绕组与永磁磁场的相互作用使电机同时具有旋转和悬浮能力，同时通过控制悬浮绕组中电流的大小和方向可以控制所产生的悬浮力的大小与方向，从而使转子稳定悬浮并且不偏心。

2.根据权利要求1所述的定子永磁型磁通切换无轴承电机，其特征在于所述电枢绕组为三相集中式，其由12个集中式电枢线圈组成，每相电枢绕组包含4个线圈，B相和C相电枢绕组结构和A相绕组结构相同，只是在空间位置上分别与A相相差-30^o和+30^o。

3.根据权利要求1或2所述的定子永磁型磁通切换无轴承电机，其特征在于所述悬浮绕组线圈至少为两组，一组控制水平X轴方向的偏心，另一组控制垂直Y轴方向的偏心。

4.根据权利要求1所述的定子永磁型磁通切换无轴承电机，其特征在于所述X轴和Y轴方向至少各有一个定子铁心单元上绕有悬浮绕组的集中式悬浮线圈。

5.根据权利要求1-4任一项所述的定子永磁型磁通切换无轴承电机，其特征在于该电机做发电运行或做电动运行。

6.根据权利要求1-4任一项所述的定子永磁型磁通切换无轴承电机，其特征在于根据转子位置与负载的变化，实时改变悬浮绕组中通电电流的大小和方向，从而改变悬浮力的大小和方向。

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