CN103259464B - 一种无轴承开关磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种无轴承开关磁阻电机，所述磁阻电机悬浮定子齿数为4，转矩定子齿数为相数<i>m</i>的4倍，转子齿数为4的整数倍，其定子轭伸出4个悬浮定子齿，每个悬浮定子齿再伸出相数<i>m</i>个转矩定子齿；转矩定子齿上绕有一个转矩绕组，悬浮定子齿上绕有一个悬浮绕组；分别控制转矩绕组和悬浮绕组的电流，同时产生悬浮力和转矩。本发明转矩定子齿和悬浮定子齿上分别只有一个绕组，相对于传统双绕组无轴承开关磁阻电机，转矩和悬浮绕组无接触，槽满率高，绕组利用率高；结构上悬浮力和转矩力完全解耦，控制方法简单，电机悬浮性能好；系统成本低，高速适应性强。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，涉及一种无轴承开关磁阻电机。
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。双绕组无轴承开关磁阻电机是将产生悬浮力的悬浮绕组和原来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。而单绕组无轴承开关磁阻电机则是通过控制一套绕组电流使其同时具有旋转和自悬浮能力。
无论双绕组无轴承开关磁阻电机，还是单绕组无轴承开关磁阻电机，转矩和悬浮力之间存在着强耦合，且很难在控制策略和数学模型中实现二者的完全解耦，是无轴承开关磁阻电机悬浮和运行性能难以提高的主要因素之一。另外，因悬浮力控制所需，必须对绕组电流进行斩波控制，而高速运行时，反电动势的激增导致无法对绕组电流进行跟踪斩波控制，即会出现电流斩不住的现象，这大大影响了无轴承开关磁阻电机高速性能的发挥。
为解决无轴承开关磁阻电机的上述两个缺点，韩国学者提出了8/10和12/14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,电机的功率密度较低；南京航空航天大学高速电机教研室提出了串励式无轴承开关磁阻电机，它将同一方向上的三相悬浮绕组串联为一套绕组，这样悬浮绕组磁导在一个转子周期恒定不变，悬浮电流不产生转矩，实现了转矩和悬浮力结构上的解耦，但悬浮绕组漆包线需求量大，费铜，且绕组利用低。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出一种无轴承开关磁阻电机。所述电机采用双绕组结构，悬浮力和转矩完全解耦，高速适应性强；在该电机的定子轭上增加周向充磁的永磁体，或在悬浮定子齿上增加径向充磁的永磁体，可构成两种永磁偏置式无轴承开关磁阻电机。
本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：一种无轴承开关磁阻电机，包括定子和转子，所述定子的定子轭伸出4个悬浮定子齿，4个悬浮定子齿等间隔排列，每个悬浮定子齿再伸出m个转矩定子齿，m为该电机相数；转子齿数为4的整数倍；每个转矩定子齿上绕有一个转矩绕组，4个相对转矩定子齿上的转矩绕组串联为一相；每个悬浮定子齿上绕有一个悬浮绕组。
在所述4个悬浮定子齿之间的定子轭放置4个周向充磁的永磁体，或者在4个悬浮定子齿上放置4个径向充磁的永磁体，构成永磁偏置式无轴承开关磁阻电机。
所述4个相对转矩定子齿间隔900。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种无轴承开关磁阻电机，所述磁阻电机悬浮定子齿数为4，转矩定子齿数为相数m的4倍，转子齿数为4的整数倍，其定子轭伸出4个悬浮定子齿，每个悬浮定子齿再伸出相数m个转矩定子齿；转矩定子齿上绕有一个转矩绕组，悬浮定子齿上绕有一个悬浮绕组；分别控制转矩绕组和悬浮绕组的电流，同时产生悬浮力和转矩。本发明转矩定子齿和悬浮定子齿上分别只有一个绕组，相对于传统双绕组无轴承开关磁阻电机，转矩和悬浮绕组无接触，槽满率高，绕组利用率高；结构上悬浮力和转矩力完全解耦，控制方法简单，电机悬浮性能好；系统成本低，高速适应性强。
附图说明
图1是本发明一种无轴承开关磁阻电机实施例1的结构示意图。
图2是本发明一种无轴承开关磁阻电机实施例2的结构示意图。
图3是本发明一种无轴承开关磁阻电机实施例3的结构示意图。
图4为本发明实施例1至3悬浮绕组的电感。
图5为本发明实施例1至3悬浮绕组单独产生的α方向悬浮力。
图6为本发明实施例1至3悬浮绕组单独产生的转矩。
附图标记说明：图1至图3中，1是定子轭，2是转子，3是转矩绕组，4是悬浮绕组，5是永磁体。
具体实施方式
下面结合附图，进一步具体说明本发明提出的一种无轴承开关磁阻电机。
如图1所示，是本发明一种无轴承开关磁阻电机实施例1的结构示意图，其结构为三相12/8极无轴承开关磁阻电机，其中，1是定子轭，2是转子，3是转矩绕组，4是悬浮绕组。定子轭伸出4个悬浮定子齿，每个悬浮定子齿分别伸出3个转矩定子齿；每个转矩定子齿分别绕有一个转矩绕组，每个悬浮定子齿上分别绕有一个悬浮绕组；4个相对齿上的转矩绕组串联为一相，4个悬浮绕组单独为一套绕组，并独立控制每个悬浮绕组电流。其中i s1+、i s2+、i s3+、i s4+分别为4个悬浮绕组流入的电流，i s1-、i s2-、i s3-、i s4-分别为4个悬浮绕组流出的电流，A相转矩绕组的4个转矩线圈分别绕在相对的4个定子齿上，并串联为一相转矩绕组，其中i a +、i a -分别为A相转矩绕组流入和流出的电流，α、β表示直角坐标系的两个方向。B、C相的转矩绕组在空间上分别与A相相差30°和-30°；
一相4个转矩绕组电流单独产生的磁通在空间上呈NSNS交替极分布；而4个悬浮绕组电流单独产生的磁通在空间上的分布，根据悬浮需要可控制为NSSN、NSNS和SNSN等分布形式，控制方式也比较灵活；由于悬浮绕组在一个转子周期角的磁导近似为恒值，悬浮绕组电感也为恒值，故悬浮绕组电流不产生转矩，可实现转矩和悬浮力在结构上解耦。最终通过合理控制两套绕组的电流，同时产生悬浮力和转矩，进而实现电机自悬浮和旋转运行。
以A相为例来说明悬浮原理：4个悬浮绕组电流控制方式与径向磁轴承控制方式相似，由于悬浮绕组电感恒定不变，故每个悬浮绕组电流也基本为一恒值。如果转矩绕组磁通呈NSNS分布，而悬浮绕组也为NSNS分布时，α方向悬浮力由绕组电流i s1和i s3控制，当i a1>i a3时，产上α正方向悬浮力，反之，产生α负方向悬浮力；同理，β方向悬浮力由绕组电流i s2和i s4控制，当i s2>i s4时，产上β正方向悬浮力，反之，产生β负方向悬浮力；α方向和β方向悬浮力可合成任意方向的悬浮力，因此通过4个绕组不对称励磁，可产生任意方向和大小的悬浮力，进而实现电机的自悬浮功能。而转矩绕组电流的控制方式与开关磁阻电机的电流控制方法相同，具体的电流控制方法可采用斩波电流控制、PWM控制和单脉冲控制等。
如图2所示，是本发明一种无轴承开关磁阻电机实施例2的结构示意图，其结构为三相12/8极无轴承开关磁阻电机。图中，1是定子轭，2是转子，3是转矩绕组，4是悬浮绕组，5是永磁体。永磁体周向充磁，且其磁通分布与转矩绕组磁通呈正向串联，彼此磁通相互增强。由于每相转矩绕组交链的永磁磁通在一个转子周期内恒定不变，故不产生转矩，故永磁磁通仅为悬浮绕组的偏置磁通。悬浮磁通可根据悬浮需要，控制为多种分布形式，悬浮力控制方式也比较灵活。该电机的悬浮原理和控制方法均与图1所示的无轴承开关磁阻电机相同。
如图3所示，是本发明一种无轴承开关磁阻电机实施例3的结构示意图，其结构为三相12/8极无轴承开关磁阻电机。图中，1是定子轭，2是转子，3是转矩绕组，4是悬浮绕组，5是永磁体。永磁体径向充磁，且其磁通分布与转矩绕组磁通呈正向串联，彼此磁通相互增强。由于每相转矩绕组交链的永磁磁通在一个转子周期内恒定不变，故不产生转矩，故永磁磁通仅为悬浮绕组的偏置磁通。悬浮磁通可根据悬浮需要，控制为多种分布形式，悬浮力控制方式也比较灵活。该电机的悬浮原理和控制方法均与图1所示的无轴承开关磁阻电机相同。
图4为本发明实施例1至3悬浮绕组的电感，其中曲线1、2、3分别为图1、图2和图3所示电机的悬浮绕组电感。图4显示上述三种电机的悬浮绕组电感基本为恒值，虽然悬浮绕组单独产生的悬浮力随位置角有所波动，但波动幅度不大。如图5所示，图5中曲线1、2、3分别为图1、图2和图3所示电机悬浮绕组单独产生的α方向悬浮力F α 。
如图6所示，其中曲线1、2、3分别为图1、图2和图3所示电机悬浮绕组单独产生的转矩，图6显示三种电机悬浮绕组单独产生的转矩基本为零，可忽略不计，故上述三种电机均可实现转矩和悬浮力的解耦。
对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。
Claims (2)
1.一种无轴承开关磁阻电机，包括定子和转子，所述定子的定子轭伸出4个悬浮定子齿，4个悬浮定子齿等间隔排列，每个悬浮定子齿再伸出m个转矩定子齿，m为该电机相数；转子齿数为4的整数倍；每个转矩定子齿上绕有一个转矩绕组，4个相对转矩定子齿上的转矩绕组串联为一相；每个悬浮定子齿上绕有一个悬浮绕组；其特征在于，在所述4个悬浮定子齿之间的定子轭放置4个周向充磁的永磁体，或者在4个悬浮定子齿上放置4个径向充磁的永磁体，构成永磁偏置式无轴承开关磁阻电机。
2.根据权利要求1所述的一种无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述4个相对转矩定子齿间隔90°。
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