CN103715945B - 一种12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

一种12/14结构无轴承永磁偏置开关磁阻电机，由定子背轭、永磁体、定子悬浮力铁心、隔磁套、定子转矩铁心、转子铁心、悬浮力绕组线圈、转矩绕组线圈和轴组成。定子背轭内侧为定子悬浮力铁心，永磁体嵌入在定子背轭及定子悬浮力铁心之间。隔磁套位于定子悬浮力铁心及定子转矩铁心之间。定子悬浮力铁心和定子转矩铁心分别绕有悬浮力绕组线圈和转矩绕组线圈。定子悬浮力铁心及定子转矩铁心的内部为转子铁心，转子铁心的内部为轴。本发明通过永磁体提供偏置磁场，减小了电机损耗，缩短轴向长度。同时通过对定子转矩铁心齿位置的调整，使电机增大了电磁转矩，减小转矩脉动。从两个方面总体克服原有12/14无轴承开关磁阻电机的不足，提高了电机效率。

Description

一种12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及一种12/14无轴承开关磁阻电机，特别是一种永磁偏置无轴承开关磁阻电机，可作为高速、高精度的驱动电机。

背景技术

随着国家工业的飞速发展，高速、高精度电机的发展越来越受到重视，然而可靠性、高损耗等问题又制约着高速、高精度电机的发展。所以研制出一种可靠性高、低损耗的电机便成为了工业技术上的一种迫切需求。而传统的机械轴承电机具有摩擦损耗大，电机寿命短等缺点。现有的气浮、液浮轴承虽然解决了摩擦带来的种种问题，但是由于其结构复杂、效率较低、可靠性较差等缺点而使其应用范围受到制约。

近些年来，由于开关磁阻电机具有结构简单，可靠性高，控制灵活和高速适应性强等优点，故在高速场合具有独特优势。而无轴承开关磁阻电机更具有输出功率大，成本低的优点，因此无轴承开关磁阻电机受到了极大地关注。目前的无轴承开关磁阻电机通常将转矩绕组线圈和悬浮力绕组线圈固定在一个定子齿上，故在两种绕组上存在强耦合，使得电机内部磁场不稳定，难以实现电机悬浮的稳定控制。而现有的转矩绕组和悬浮绕组分开固定的无轴承开关磁阻电机，在其定子悬浮力铁心上采用双绕组结构，故使得电机具有铜耗较大，电机损耗较高的缺点。在专利201110246900.0中提出的永磁偏置无轴承开关磁阻电机中，虽然具有单绕组结构，但由于该电机中的偏置磁场为从永磁体N极出发，通过一端定子背轭、定子悬浮力铁心、气隙、转子铁心、轴到另一端的转子铁心、气隙、定子铁心、定子背轭回到永磁体S极，需要将永磁体放置于两个定子背轭之间，因此该电机需要两套定子背轭、定子转矩铁心，定子悬浮力铁心，转子铁心，以构成两段结构放置永磁体，虽然有效地提供了一种偏置磁场，但是却大幅增加了轴向长度，增加了成本，使装配更为复杂。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有无轴承开关磁阻电机技术的不足，提供一种永磁偏置磁场，实现转子悬浮控制，便于实现高速运行的无轴承开关磁阻电机。

本发明的技术解决方案是：一种12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机，由一个定子背轭、四个永磁体、四个定子悬浮力铁心、四个隔磁套、四个定子转矩铁心、一个转子铁心、一个轴、四个悬浮力绕组线圈、八个转矩绕组线圈组成，定子背轭内侧为永磁体和定子悬浮力铁心，其中定子背轭与定子悬浮力铁心相连，永磁体嵌入在定子背轭及定子悬浮力铁心之间，其中永磁体为六面体结构，其中一个面为拱形面，与定子背轭相连，其他五个面为平面，有两个侧面与两个定子悬浮力铁心侧面相连，永磁体在相邻定子悬浮力铁心之间，隔磁套的上方位置，其中定子悬浮力铁心、永磁体与隔磁套之间留有主气隙；隔磁套位于定子悬浮力铁心及定子转矩铁心之间；定子悬浮力铁心绕制有悬浮力绕组线圈，每个定子转矩铁心有两个齿，每个齿上绕制有转矩绕组线圈，定义定子极距N_s为定子悬浮力铁心齿和定子转矩铁心齿的总数，其中定子转矩铁心齿向其相邻定子转矩铁心齿的一侧偏移0.45～0.55倍的步进角δ，q为电机相数；转子极距N_r为转子铁心齿齿极数，定义这个角度为γ，即定子悬浮力铁心齿与其相邻的定子转矩铁心齿之间的圆弧的圆心角度数为(τ_s+γ)；两个定子转矩铁心齿之间的圆弧的圆心角度数为(τ_s-γ)；定子悬浮力铁心和定子转矩铁心的内部为转子铁心，转子铁心的内部为轴，定子悬浮力铁心、定子转矩铁心和转子铁心之间存在有次气隙。

上述方案的原理是：永磁体提供无轴承开关磁阻电机的偏置磁场，用以产生稳定的悬浮力。永磁体通过定子悬浮力铁心轭部、定子悬浮力铁心齿部、次气隙、转子铁心、轴形成磁路，提供永磁偏置磁场，同时调节悬浮力绕组线圈中的电流来保持无轴承开关磁阻电机转子的稳定的悬浮力。（将悬浮力定子铁心标记为A1，A2，B1，B2）以A1，A2产生磁路方向来看，则可知定子悬浮力铁心上的悬浮力绕组产生的磁路为：由线圈缠绕方式可知A1通电后等效为N极，A2等效为S极，磁路通过定子悬浮力铁心A1出发，经过定子及转子之间的次气隙，转子铁心，轴，回到A2极，磁路再通过定子悬浮力铁心的轭部，主气隙，形成闭合回路，如图5所示。（将永磁体标记为P1，P2，P3，P4）以P1，P2产生磁路方向看，则永磁体产生的磁路为：磁路从P1的N极出发经过定子悬浮力铁心A1，次气隙，转子铁心，轴，定子悬浮力铁心B1后回到P1的S极，即在y轴方向产生了一个向下沿着-y方向的磁场；磁路从P2的N极出发经过定子悬浮力铁心A2，次气隙，转子铁心，轴，定子悬浮铁心B1后回到P2的S极，即在y轴方向产生了一个向上沿着+y方向的磁场，如图4所示。（将转矩定子铁心标记为T1，T2，T3，T4，T1’，T2’，T3’,T4’）以（T1，T2，T1’，T2’），则可知转矩产生的原理为：T1，T2，T1’，T2’上的线圈绕组串联，同时通电，转矩绕组线圈产生磁场，如图6所示，在转子转动过程中，由于磁拉力的存在，产生转矩。同时，为了解决电机换向时产生负转矩的问题，电机中的转矩铁心采用磁极齿偏移γ角度（即(0.45～0.55)δ，δ为步进角）的结构，如图3a所示，图3b所示为γ＝0.48δ的情况。

附图说明

图1为本发明技术方案12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机轴向剖面图；

图2为本发明技术方案12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机转子铁心结构图；

图3为本发明技术方案12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机定子悬浮力铁心和定子转矩铁心结构图，图3a为理论端面图，图3b为实施端面图；

图4为本发明技术方案12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机永磁磁通路径图；

图5为本发明技术方案12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机悬浮力绕组线圈磁通路径图；

图6为本发明技术方案12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机转矩绕组线圈磁通路径图；

具体实施方式

如图1所示，为本发明技术一种12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机轴向剖面图，由一个定子背轭1、四个永磁体2、四个定子悬浮力铁心3、四个隔磁套4、四个定子转矩铁心5、一个转子铁心6、一个轴7、四个悬浮力绕组线圈8、八个转矩绕组线圈9组成。定子悬浮力铁心3沿+x，-x，+y，-y方向放置四个定子悬浮力铁心齿，且其上绕有悬浮力绕组线圈8；定子转矩铁心5共八个齿，均匀的分布在圆周上，且其上绕有转矩绕组线圈9。四个永磁体2分别位于定子悬浮力铁心3靠近定子背轭1部分的槽中，即嵌入在定子悬浮力铁心3及定子背轭1之间。定子背轭1与定子悬浮力铁心3相连。定子悬浮力铁心3槽中为定子转矩铁心5及隔磁套4，其中隔磁套4位于定子悬浮力铁心3和定子转矩铁心5之间，以隔绝两者磁路间的影响。转子铁心6位于定子悬浮力铁心3和定子转矩铁心5的内部，其结构为十四个磁极齿的凸极结构。转子铁心6内部为轴7，其中轴7需具有较好的导磁特性，以提供悬浮力的磁通路径。

图3所示为本发明技术12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机的定子悬浮力铁心3和定子转矩铁心5结构图，其中定子悬浮力铁心3齿A1、A2为一组，B1、B2为一组，每组均串联一组线圈。由于电机在换相时，相邻的两个转矩绕组线圈9产生的电感曲线会有相位差，在同时通电时，将产生相反方向的电磁转矩，降低了电机效率。为了使电机在相同的通电时间内，增大电磁转矩，减小转矩脉动，提高电机效率，本发明技术中的定子转矩铁心5齿向其相邻定子转矩铁心5齿的一侧偏移γ（即(0.45～0.55)δ，δ为步进角）度，本发明技术中的定子转矩铁心5齿向远离定子悬浮力铁心3的一侧偏移γ度（即(0.45～0.55)δ，δ为步进角,q为电机相数；转子极距N_r为转子铁心齿齿极数），本发明中偏移度数为0.48δ，即定子悬浮力铁心磁极齿A1与定子转矩铁心磁极齿T1所对应的圆弧的圆心角为32°，定子转矩铁心磁极齿T1与定子转矩铁心磁极齿T2所对应的圆弧的圆心角为28°，定子转矩铁心磁极齿T2与定子悬浮力铁心磁极齿B1所对应的圆弧的圆心角为32°，定子悬浮力铁心磁极齿B1与定子转矩铁心磁极齿T3所对应的圆弧的圆心角为32°，定子转矩铁心磁极齿T3与定子转矩铁心磁极齿T4所对应的圆弧的圆心角为28°，定子转矩铁心磁极齿T4与定子悬浮力铁心磁极齿A2所对应的圆弧的圆心角为32°，定子悬浮力铁心磁极齿A2与定子转矩铁心磁极齿T1’所对应的圆弧的圆心角为32°，定子转矩铁心磁极齿T1’与定子转矩铁心磁极齿T2’所对应的圆弧的圆心角为28°，定子转矩铁心磁极齿T2’与定子悬浮力铁心磁极齿B2所对应的圆弧的圆心角为32°，定子悬浮力铁心磁极齿B2与定子转矩铁心磁极齿T3’所对应的圆弧的圆心角为32°，定子转矩铁心磁极齿T3’与定子转矩铁心磁极齿T4’所对应的圆弧的圆心角为28°，定子转矩铁心磁极齿T4’与定子悬浮力铁心磁极齿A1所对应的圆弧的圆心角为32°，如图3b所示。

图4所示为本发明技术12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机工作时永磁体2的磁通路径图，每个永磁体2将从永磁体2的N极出发，经过靠近N极的定子悬浮力铁心5，次气隙11，转子铁心6，轴7，靠近S极的定子悬浮力铁心5，回到永磁体2S极，形成1/4圆的闭合回路，提供永磁偏置磁场。

图5所示为本发明技术12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机的定子悬浮力铁心3工作时的磁通路径图，两个悬浮力绕组线圈8串联的定子悬浮力铁心5通电后将形成等效磁场，其中磁路将由等效为N极的定子悬浮力铁心5出发，经过次气隙11，转子铁心6，轴7，等效为S极的定子悬浮力铁心5，在通过定子悬浮力铁心5背轭，主气隙10，形成1/2闭合圆形磁场。定子悬浮力铁心2，定子转矩铁心5均由导磁性良好的硅钢片冲制后叠成。

图6所示为本发明技术12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机的转矩绕组线圈磁通路径图，定子转矩铁心5T1，T2，T1’，T2’的转矩绕组线圈9串联，T3，T4，T3’，T4’的转矩绕组线圈9串联，两组线圈依次循环通电，图中为T1，T2，T1’，T2’的转矩绕组线圈9通电时形成的磁通路径图，线圈通电后，定子转矩铁心5形成等效磁场，如图所示磁路由等效为N极的定子转矩铁心5齿出发，经过次气隙11，转子铁心6，回到其相邻的等效为S极的定子转矩铁心5齿，再通过定子转矩铁心5背轭形成闭合回路。

上述发明方案所用的轴7用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、各种碳素钢、铸铁、铸钢、合金钢、1J50和1J79等磁性材料等。转子铁心6可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压叠制而成。永磁体2的材料为磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体，为六面体结构，其中一个面为拱形面，其他五个面为平面，充磁方向为永磁体圆弧面两端直线的垂线方向。定子背轭1、隔磁套4为不导磁的材料制成，如铜、铝、钛合金等金属。悬浮力绕组线圈8、转矩绕组线圈9可用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。

Claims (6)

1.一种12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机，其特征在于：由一个定子背轭(1)、四个永磁体(2)、四个定子悬浮力铁心(3)、四个隔磁套(4)、四个定子转矩铁心(5)、一个转子铁心(6)、一个轴(7)、四个悬浮力绕组线圈(8)、八个转矩绕组线圈(9)组成，定子背轭(1)内侧为永磁体(2)和定子悬浮力铁心(3)，其中定子背轭(1)与定子悬浮力铁心(3)相连，永磁体(2)嵌入在定子背轭(1)及定子悬浮力铁心(3)之间，其中永磁体(2)为六面体结构，其中一个面为拱形面，与定子背轭(1)相连，其他五个面为平面，有两个侧面与两个定子悬浮力铁心(3)侧面相连，永磁体(2)在相邻定子悬浮力铁心(3)之间，其中永磁体(2)的充磁方向为永磁体圆弧面两端直线的垂线方向；隔磁套(4)的上方位置，其中定子悬浮力铁心(3)、永磁体(2)与隔磁套(4)之间留有主气隙(10)；隔磁套(4)位于定子悬浮力铁心(3)及定子转矩铁心(5)之间；定子悬浮力铁心(3)绕制有悬浮力绕组线圈(8)，其中同一径向方向上的两个定子悬浮力铁心绕组相串联；每个定子转矩铁心(5)有两个齿，每个齿上绕制有转矩绕组线圈(9)，定义定子极距N_s为定子悬浮力铁心齿和定子转矩铁心齿的总数，其中同一定子转矩铁心(5)上的定子转矩铁心(5)齿向其相邻定子转矩铁心(5)齿的一侧偏移0.45～0.55倍的步进角δ，q为电机相数；转子极距N_r为转子铁心齿的齿极数，定义(0.45～0.55)δ为γ，即定子悬浮力铁心(3)齿与其相邻的定子转矩铁心(5)齿之间的圆弧的圆心角度数为(τ_s+γ)；两个定子转矩铁心(5)齿之间的圆弧的圆心角度数为(τ_s-γ)，为γ＝0.48δ；定子悬浮力铁心(3)和定子转矩铁心(5)的内部为转子铁心(6)，转子铁心的内部为轴(7)，定子悬浮力铁心(3)、定子转矩铁心(5)和转子铁心(6)之间存在有次气隙(11)，其中主气隙(10)的等效磁阻应大于2倍的次气隙(11)的等效磁阻；就磁路而言，其中悬浮力绕组线圈(8)产生的磁路可由线圈缠绕方式知悬浮绕组线圈(8)通电后，其中一个定子悬浮力铁心(3)通电后等效为N极，其径向对称方向上的另一个定子悬浮力铁心(3)等效为S极，磁路通过等效为N极的定子悬浮力铁心(3)出发，经过定子悬浮力铁心(3)及转子铁心(6)之间的次气隙(11)，转子铁心(6)，轴(7)，回到等效为S极的定子悬浮力铁心(3)，磁路再通过定子悬浮力铁心(3)的轭部，主气隙(10)，形成闭合回路；而永磁体(2)产生的磁路为：磁路从永磁体(2)的N极出发经过定子悬浮力铁心(3)，次气隙(11)，转子铁心(6)，轴(7)，定子悬浮力铁心(3)后回到永磁体(2)的S极。

2.根据权利要求1所述的12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机，其特征在于：所述的定子背轭(1)采用不导磁的材料制成，如铜、铝或钛合金的任意一种。

3.根据权利要求1所述的12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机，其特征在于：所述的隔磁套(4)材料为铜、铝或钛合金的任意一种。

4.根据权利要求1所述的12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机，其特征在于：所述的悬浮力绕组线圈(8)和转矩绕组线圈(9)为集中式。

5.根据权利要求1所述的12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机，其特征在于：所述的定子悬浮力铁心(3)磁极齿的极弧与转子铁心(6)的极距相同。

6.根据权利要求1所述的12/14无轴承永磁偏置开关磁阻电机，其特征在于：所述的轴(7)采用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、1J50或40Cr。