CN103199660A

CN103199660A - 一种e形齿定子永磁型磁通切换无轴承电机

Info

Publication number: CN103199660A
Application number: CN2013101195286A
Authority: CN
Inventors: 花为; 邵凌云; 程明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2013-07-10

Abstract

定子永磁型磁通切换无轴承电机，包括定子、转子，定子包括E形导磁铁心、永磁体、集中式电枢绕组和一套集中式悬浮绕组，集中式悬浮绕组、电枢绕组和永磁体三者均置于定子，采用定子永磁型双凸极结构，且定子铁心是由横截面为E形的导磁铁心与夹在所述E形导磁铁心之间的永磁体拼装而成，E形导磁铁心开口面向气隙，均匀分布在圆环上，永磁体均切向充磁，且相邻两块永磁体的充磁方向相反；容错齿为永磁体和电枢绕组提供磁回路；电枢绕组横跨在定子的电枢齿铁心单元两侧，一套悬浮绕组由两组悬浮线圈组成，两组悬浮线圈分别绕于X轴与Y轴方向的容错齿上。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和高功率密度。

Description

一种E形齿定子永磁型磁通切换无轴承电机

技术领域

本发明属于电机制造的技术领域，尤其是定子永磁式无轴承电机。

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。1985年，具有快速性和负载能力的功率开关器件和数字信号处理器的出现，使得已经提出20多年的交流电机矢量控制技术得以实际应用，这样解决了无轴承电机数字控制的难题。瑞士苏黎世联邦工学院的比克尔在这些科技进步的基础上，于20世纪80年代后期才首次制造出无轴承电机。1998年苏黎世联邦工学院的巴莱塔研制出无轴承永磁同步薄片电机，电机结构简单，大大降低了控制系统费用，在很多领域具有很大应用价值。2000年，苏黎世联邦工学院的S.Sliber研制出无轴承单相电机。无轴承电机可以像机械轴承支承的电机一样简单，电气控制系统并不十分复杂，在很多领域采用无轴承电机也很经济。

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，本发明将在传统定子永磁型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电机。而且，为了避免悬浮绕组与电枢绕组之间发生电磁耦合，本电机的定子铁心采用“E”形导磁单元与永磁体拼装而成，并将悬浮绕组与电枢绕组分别放置在容错齿和电枢齿上，起到了电、磁、热的隔离作用，易于实现悬浮力与电磁转矩的独立解耦控制。

发明内容

本发明的目的是，结合无轴承电机和“E”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。

本发明的技术方案是，本发明所提出的定子永磁型磁通切换无轴承电机，即E形齿定子永磁型磁通切换无轴承电机，包括定子、转子，定子包括E形导磁铁心、永磁体、集中式电枢绕组和一套集中式悬浮绕组，集中式悬浮绕组、电枢绕组和永磁体三者均置于定子，采用定子永磁型双凸极结构，且定子铁心是由横截面为E形导磁铁心与夹在所述E形导磁铁心之间的永磁体拼装而成，E形导磁铁心开口面向气隙，均匀分布在圆环上，永磁体均切向充磁，且相邻两块永磁体的充磁方向相反；将每个E形导磁铁心的两侧铁心齿称之为定子的电枢齿，而将每个E形导磁铁心中间的一个铁心齿称为定子的容错齿；容错齿为永磁体和电枢绕组提供磁回路，并起到电枢绕组相与相之间电、磁、热的隔离作用，有效提高了电机的可靠性与容错运行能力。

电枢绕组采用对称集中式绕组线圈，均匀分布在定子电枢齿上，其中，每个集中式电枢线圈横跨在由相邻两个E形导磁铁心和中间所夹永磁体所组成的电枢齿铁心单元两侧的电枢槽中；

定子铁心X轴与Y轴方向的容错齿两侧的定子槽中分别绕有悬浮绕组的集中式悬浮线圈；悬浮线圈至少为两组，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；

定子上还设有测量转子位置的传感器。

转子亦为均匀分布的凸极结构，转子上既无永磁体，也无电枢绕组，仅由导磁材料制成，结构简单，可靠性高。

进一步的，转子可位于定子的内部，也可位于定子的外部。

进一步的，该电机既可以做发电运行，又可以做电动运行。

进一步的，电机既可以为纯永磁励磁电机，亦可以为纯电励磁电机，或混合励磁电机，包括在线充退磁记忆电机。

进一步的，三相定子永磁型磁通切换无轴承电机，定子极数为3n，n=4、8，12（由于需存在空间相互垂直的容错齿，故定子齿数应为4的整数倍：4、8、12、16、20、24、28……，而三相电机定子齿数应该为3的偶数倍：6、12、18、24、30……，综上，三相定子永磁型磁通切换无轴承电机的定子齿数应为12的整数倍：12、24、36、48……），即得到12极至48极定子，定子上有12个至48个均匀分布的电枢齿铁心单元和12至48个均匀分布的容错齿，电枢齿铁心单元和容错齿相间分布，定子铁心由12至48块截面为E形导磁铁心单元开口向内均匀分布在圆环上，在每两块截面为E形导磁铁心之间嵌有一块切向充磁即磁场垂直于E形的上下边的永磁体，且相邻两块永磁体充磁方向相反，用硅钢片冲成“E”型定子冲片，并以足量的冲片叠压成“E”型导磁铁心，用硅钢片冲成凸极转子冲片，再用足量的冲片叠压成转子铁心。

进一步的，三相12极定子集中式电枢绕组由12个集中式电枢线圈组成，每相电枢绕组包含4个线圈（对于三相24极定子，每相电枢绕组有8个线圈），每个电枢线圈均横跨在两个“E”型导磁铁心和中间嵌入的一块永磁体所组成的电枢齿铁心单元的两侧电枢槽中，组成第一相电枢绕组的4个电枢线圈被分成两个两两串联而成的两个线圈组，这两个线圈组之间串联或并联组成一相电枢绕组，三相中另二相电枢绕组结构和第一相电枢绕组结构相同，在空间位置上分别与第一相电枢绕组相差了-30o和+30o（机械角度），24极定子相差了-15°和+15°（机械角度）；悬浮绕组由运转时水平X轴方向与垂直Y轴方向两套集中绕组组成，其中水平X轴方向的悬浮绕组由两个集中式悬浮线圈串联组成，分别绕在同一直径水平方向上的两个容错齿上，产生的水平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串联组成，分别绕在同一直径垂直方向上的两个容错齿上，产生的径向悬浮力用于克服转子重力，并抑制转子Y轴方向偏心。

本发明通过一套悬浮绕组的两组悬浮线圈分别通电后与永磁体产生的气隙磁场相互作用，可分别产生大小和方向可控的水平方向径向悬浮力与垂直方向径向悬浮力，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彼此独立，因而无需复杂的控制算法即可实现解耦，从而实现独立控制。

对悬浮绕组和驱动的电枢绕组的电流控制采用现有技术：无轴承电机本身既可产生驱动负载的电磁转矩，又能产生支撑转子的磁悬浮力，使转子实现无机械摩擦旋转，是一种集驱动与自悬浮功能于一体的新型磁悬浮电机。对无轴承电机转向磁场的控制（参考中国电机学报VOL.25NO.1）：针对感应型无轴承电机的控制和永磁型无轴承电机设计、控制，通过感应型和永磁型无轴承电机计及转子偏心的悬浮力模型，基于磁场定向的感应型和永磁型无轴承电机的控制策略，并提出了悬浮力反馈控制。如转矩控制采用BLDCM模型；根据旋转部分和径向悬浮力模型，通过仿真得到悬浮控制的电流滞环控制模块。

本发明有益效果是：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．容错齿上无电枢绕组，使得电机电枢绕组相与相之间实现了电路、磁路和温度场的独立，具有较高的可靠性和带故障运行能力；

5.悬浮线圈仅放置在X轴与Y轴所在位置的容错齿上，且消除了电枢绕组与悬浮绕组之间的电磁耦合，避免两套绕组之间产生耦合与干扰；

6．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。

总体而言，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。

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(a)是Y轴悬浮绕组中所匝链的磁通方向示意图；图2(b)是X轴悬浮绕组中所匝链的磁通方向示意图。Ψ_m是悬浮绕组所匝链的永磁磁通，Ψ_y是给Y轴悬浮线圈通电所产生的Y轴悬浮磁通，Ψ_x是给X轴悬浮线圈通电所产生的X轴悬浮磁通。其中定子1，永磁体2，三相集中式电枢绕组3，X轴悬浮绕组4，Y轴悬浮绕组5，和转子6。

具体实施方式

参见图1，本发明定子永磁型磁通切换无轴承电机包含定子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。

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，定子上有12个均匀分布的电枢齿铁心单元和12个均匀分布的容错齿，电枢齿铁心单元和容错齿相间分布，转子上有10个均匀分布的凸极；定子铁心由12块“E”型导磁铁心单元组成，在每两块导磁铁心之间嵌有一块切向充磁（图1中小箭头方向指出）的永磁体，且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“E”型导磁铁心和中间嵌入的一块永磁体所组成的电枢齿铁心单元的两侧电枢槽中，组成一相电枢绕组的4个电枢线圈一般被分成两个电枢线圈组，如图1中所示的A1～A4四个线圈分成A1/A2与A3/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°和+30°；悬浮绕组由水平X轴方向与垂直Y轴方向两套集中绕组组成，其中水平X轴方向的悬浮绕组由两个集中式悬浮线圈串联组成，分别绕在容错齿401和容错齿402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串联组成，分别绕在容错齿501和容错齿502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。

由图1可知，不论转子位置如何变化，X轴悬浮绕组4所匝链的永磁磁通均是从转子侧穿过气隙再进入容错齿，Y轴悬浮绕组5所匝链的永磁磁通均是从容错齿侧穿过气隙再进入转子凸极，说明悬浮绕组所匝链的磁通的方向不随转子位置变化。但由于磁路磁阻的变化，悬浮绕组所匝链的永磁磁通的大小会随着转子位置的改变而改变，因此需根据转子位置与负载的变化，实时控制Y轴悬浮绕组中电流的大小，使转子稳定悬浮；并实时控制X轴悬浮绕组中电流的大小和方向，调节X轴方向的悬浮力，使转子X轴方向不偏心。

图2(a)表示仅给Y轴悬浮绕组通入如图所示的电流，产生垂直向下的磁场Ψ_y与永磁磁场Ψ_m相互作用，使与容错齿501对齐处的气隙磁场增强，而使与容错齿502对齐处的气隙磁场减弱，从而破坏气隙磁场垂直方向的平衡，产生沿Y轴正方向的悬浮力F_y。通过调节Y轴悬浮绕组中电流的大小，控制F_y的大小使转子稳定悬浮，并抑制转子Y轴方向偏心。

图2(b)表示仅给X轴悬浮绕组通入如图所示的电流，产生水平向右的磁场Ψ_x与永磁磁场Ψ_m相互作用，使与容错齿401对齐处的气隙磁场增强，而使与容错齿402对齐处的气隙磁场减弱，从而破环气隙磁场水平方向的平衡，产生沿X轴正方向的悬浮力F_x。通过调节X轴悬浮绕组中电流的大小，控制F_x的大小，抑制转子X轴方向偏心。

Claims

1.一种定子永磁型磁通切换无轴承电机，其特征在于包括定子、转子，定子包括E形导磁铁心、永磁体、集中式电枢绕组和一套集中式悬浮绕组，集中式悬浮绕组、电枢绕组和永磁体三者均置于定子，采用定子永磁型双凸极结构，且定子铁心是由横截面为E形的导磁铁心与夹在所述E形导磁铁心之间的永磁体拼装而成，E形导磁铁心开口面向气隙，均匀分布在圆环上，永磁体均切向充磁，且相邻两块永磁体的充磁方向相反；将每个E形导磁铁心的两侧铁心齿称之为定子的电枢齿，而将每个E形导磁铁心中间的一个铁心齿称为定子的容错齿；容错齿为永磁体和电枢绕组提供磁回路；

定子上还设有测量转子位置的传感器，转子亦为导磁材料制成。

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，其特征在于转子亦为均匀分布的凸极结构。

3.根据权利要求1所述的定子永磁型磁通切换无轴承电机，其特征在于对于三相定子永磁型磁通切换无轴承电机，定子极数为3n，n=4、8，12，即得到12极至48极定子，定子上有12个至48个均匀分布的电枢齿铁心单元和12至48个均匀分布的容错齿，电枢齿铁心单元和容错齿相间分布，定子铁心由12至48块截面为E形导磁铁心单元开口向内均匀分布在圆环上，在每两块截面为E形导磁铁心之间嵌有一块切向充磁即磁场垂直于E形的上下边的永磁体，且相邻两块永磁体充磁方向相反，用硅钢片冲成“E”型定子冲片，并以足量的冲片叠压成“E”型导磁铁心，用硅钢片冲成凸极转子冲片，再用足量的冲片叠压成转子铁心。

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，其特征在于三相12极定子电机集中式电枢绕组由12个集中式电枢线圈组成，每相电枢绕组包含4个线圈、对于三相24极定子，每相电枢绕组有8个线圈；每个电枢线圈均横跨在两个“E”型导磁铁心和中间嵌入的一块永磁体所组成的电枢齿铁心单元的两侧电枢槽中，组成第一相电枢绕组的4个电枢线圈被分成两个两两串联而成的电枢线圈组，这两个线圈组之间串联或并联组成一相电枢绕组，三相中另二相电枢绕组结构和第一相电枢绕组结构相同，在空间位置上分别与第一相电枢绕组相差了-30°和+30°，24极定子相差了-15°和+15°；悬浮绕组由运转时水平X轴方向与垂直Y轴方向两套集中绕组组成，其中水平X轴方向的悬浮绕组由两个集中式悬浮线圈串联组成，分别绕在同一直径水平方向上的两个容错齿上，产生的水平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串联组成，分别绕在同一直径垂直方向上的两个容错齿上，产生的径向悬浮力用于克服转子重力，并抑制转子Y轴方向偏心。

5.根据权利要求1所述的定子永磁型磁通切换无轴承电机，其特征在于转子可位于定子的内部，也可位于定子的外部。

6.根据权利要求1所述的定子永磁型磁通切换无轴承电机，其特征在于电枢绕组和悬浮绕组分别绕于不同的定子铁心齿上，分别与永磁磁场相互作用，使电机同时具有旋转和悬浮能力。

7.根据权利要求1所述的定子永磁型磁通切换无轴承电机，其特征在于该电机既可以做发电运行，又可以做电动运行。

8.根据权利要求1所述的定子永磁型磁通切换无轴承电机，其特征在于该电机既可以为纯永磁励磁电机，亦可以为纯电励磁电机，或混合励磁电机，包括在线充退磁记忆电机。