CN104038002B - 一种永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机，所述电机的转矩定子和悬浮力定子轴向叠加，转矩转子和悬浮力转子轴向叠加；转矩定子、悬浮力定子均为凸极结构，均有12个齿；转矩转子为凸极结构，有8个齿，悬浮力转子为圆柱结构；每个绕组缠绕在转矩定子和悬浮力定子组合成的一个定子齿上，共有12个；12个定子轭各放置1个环向充磁的永磁体，或者在12个悬浮力定子齿上各放置1个径向充磁的永磁体。本发明电机在结构上实现了转矩和悬浮力的解耦，控制方便；永磁体提供偏置磁通，径向承载力大；削除了运动电动势对电流斩波控制的影响，电流控制效果好，高速适应性强。

Description

一种永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，涉及一种永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机。

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。

双绕组无轴承开关磁阻电机的主要缺点是多余一套绕组，这无疑增加了功率开关管数目和控制算法难度，而且降低通用性，影响其实用化进程。而单绕组无轴承开关磁阻电机，由于没有改变传开关磁阻电机的结构，则更具通用性和实用性，是目前该领域研究的热点和趋势。

无轴承开关磁阻电机是一个非常复杂、非线性极强的系统，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，这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，运动电动势和感应电动势的双重作用导致无法对电流进行跟踪斩波控制，即会出现斩不住的现象，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，国内外学者做了大量的工作，通过改变定子结构提出了8/10和12/14结构的混合定子齿单绕组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；通过改变悬浮绕组的连接方式提出了串励式双绕组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；通过增大转子极弧和改变定、转子极数组合提出了12/4、12/8及16/4极结构的无轴承开关磁阻电机，然而转子极弧的增加，压缩了转矩输出宽度，功率密度较低；通过轴向增加一个径向磁轴承，提出了一种复合结构单绕组无轴承开关磁阻电机，磁轴承部分的增加增大了绕组电感，导致绕组电流的上升和下降时间增大，不利于高速运行时的悬浮控制，进而降低悬浮精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足，提出一种永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机。所述电机是一种单绕组结构、悬浮力和转矩解耦、高速适应性强、高功率密度且径向承载力大的磁悬浮开关磁阻电机。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机，包括电机定子、电机转子、绕组和永磁体；

所述电机定子由转矩定子和悬浮力定子通过轴向叠加而成，转矩定子和悬浮力定子均为凸极结构，齿数均为12；所述转矩定子与悬浮力定子齿对齐；

所述电机转子由转矩转子和悬浮力转子通过轴向叠加而成，所述转矩转子为凸极结构，齿数为8；所述悬浮力转子为圆柱结构；所述转矩转子布置在转矩定子内，而悬浮力转子布置在悬浮力定子内；

所述永磁体共有12个，每个永磁体放置在定子齿或定子轭上；所述永磁体放置在定子齿时，充磁方式为径向充磁；所述永磁体放置在定子轭时，充磁方式为环向充磁；

所述绕组共有12个，每个绕组线圈缠绕在转矩定子齿和悬浮力定子齿上；

所述永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机为三相制电机，每相绕组由4个空间上相隔90°定子上的绕组单独构成，独立控制绕组线圈中的电流，每相绕组中的绕组磁通呈NSNS交替分布；每相4个永磁体的磁通与该相绕组的磁通极性相同，也呈NSNS分布。

所述凸极结构的转矩转子用于产生转矩，圆柱结构的悬浮力转子用于产生悬浮力。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机，采用本发明的技术方案，具有如下技术效果：

（1）定子齿上只有一个绕组，相对于传统双绕组无轴承开关磁阻电机，槽满率高，省铜省硅钢片。

（2）控制灵活，可根据实际需要，动态调整绕组匝数，便于优化控制策略。

（3）悬浮力和转矩解耦，高速悬浮性能好。

（4）径向悬浮力大，提高了径向承载力。

（5）功率密度高，高速适应性强。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例2的结构示意图。

图3为本发明实施例1和2的A相绕组示意图。

图4为本发明实施例1和2三相绕组电感和电流的示意图。

图5为本发明实施例1和2中的A相悬浮力转子和转矩转子单独产生的悬浮力有限元仿真结果。

图6为本发明实施例1和2中A相绕组产生的转矩有限元仿真结果。

图7为本发明实施例1和2及无永磁体时A相绕组的磁链-电流轨迹有限元仿真结果。

附图标记说明：图1至图7中，1是转矩定子，2是悬浮力定子，3是转矩转子，4是悬浮力转子，5是绕组，6是永磁体，7、8、9分别是A、B、C三相绕组电感，10、11、12分别是A、B、C三相绕组电流，13是悬浮力转子单独产生的悬浮力有限元仿真结果，14是转矩转子单独产生的悬浮力有限元仿真结果，15是转矩有限元仿真结果，16是新型永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机在不对齐位置和对齐位置处的磁链-电流的轨迹，17是无永磁体时混合磁轴承开关磁阻电机在不对齐位置和对齐位置处的磁链-电流轨迹，18、20、22、24分别是A 相4个绕组电流i _{a 1} 、i _a / ₂ 、i _a / ₃ 、i _a / ₄ 的流入电流，19、21、23、25分别表示A相为4个绕组电流i _a / ₁ 、i _{a 2} 、i _{a 3} 、i _a / ₄ 的流出电流，26、27分别表示直角坐标系的两个方向α、β，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示三个励磁区间。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明的一种永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机实施例1的三维结构示意图，其中，1是转矩定子、2是悬浮力定子、3是转矩转子、4是悬浮力转子、5是绕组、6是永磁体；

所述电机定子由转矩定子和悬浮力定子通过轴向叠加而成，转矩定子和悬浮力定子均为凸极结构，齿数均为12；所述转矩定子与悬浮力定子处于齿与齿对齐状态；

所述电机转子由转矩转子和悬浮力转子通过轴向叠加而成，所述转矩转子为凸极结构，齿数为8，所述悬浮力转子为圆柱结构；所述转矩转子布置在转矩定子内，而悬浮力转子布置在悬浮力定子内；

所述永磁体共有12个，每个永磁体放置在定子齿上，充磁方式为径向充磁；

所述绕组共有12个，每个绕组线圈横跨转矩定子齿和悬浮力定子齿，并缠绕在二者之上；

所述永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机为三相制电机，每相绕组由4个空间上相隔90°定子上的线圈单独构成，每个绕组线圈独立为一套绕组，并独立控制每套绕组中的电流，产生的磁通呈NSNS交替分布；每相4个定子齿上永磁体的磁通与该相绕组产生的磁通极性相同，也呈NSNS分布；

所述永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机中的凸极结构转矩转子用于产生转矩，圆柱结构的悬浮力转子用于产生悬浮力。

图2为本发明的一种永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机实施例2的三维结构示意图，其中，1是转矩定子、2是悬浮力定子、3是转矩转子、4是悬浮力转子、5是绕组、6是永磁体；

所述永磁体共有12个，每个永磁体放置在定子轭上，充磁方式为环向充磁；每相4个永磁体产生的磁通与该相绕组产生的磁通极性相同，呈NSNS分布；

其他技术方案与图1所述的实施例1相同。

图3是本发明实施例1和2的A相绕组示意图。一相绕组由分布在4个相对齿的线圈构成，彼此在空间上相隔90°，且这4个绕组分别独立控制，分时分区域产生悬浮力和转矩。B、C相的4个绕组与A相绕组结构相同，仅在位置上与A相相差30°和-30°。

图4是本发明实施例1和2的三相绕组电感和电流示意图。定义定子齿与转子槽对齐位置为零度位置，即为不对齐位置。对三相12/8极无轴承开关磁阻电机而言，一个转子周期角为45°，则每相绕组产生悬浮力的区间为15°，这样才能保证电机的稳定悬浮运行。由于采用转矩和悬浮力分时分区域的控制策略，每一时刻需两相绕组同时导通，一相绕组用产生悬浮力，另一相绕组产生转矩。

本发明实施例1和实施例2的运行原理、控制方式和悬浮机理完全相同，下面以A相为例，分别说明实施例1、2的运行工作模式和悬浮力控制原理。

设置转子位置角为θ，在θ∈[-7.5°，7.5°]内，由于绕组自感分布相对平滑，有利于减小运动电势对励磁电流斩波控制的影响，从而可采用电流斩波控制方法实现径向悬浮力的瞬时控制。可设计电机运行工作模式如下：

当电动运行时，在[-7.5°，7.5°]内（Ⅱ区），独立控制A相四套绕组电流，通过对四套绕组的不对称励磁产生作用于转子的悬浮力，而此时的转矩则由B相的四套绕组对称励磁产生。可选择在转角θ∈[7.5°，22.5°]内（Ⅲ区）以相同的驱动信号开通A相绕组的主功率开关，使其四套绕组电流相同，具体的电流控制方法可采用斩波电流控制，PWM控制，以及单脉冲控制，而此时的悬浮力由C相的四套绕组不对称励磁产生；由此可见，在电动运行时的励磁相序是BA-AC-CB。

当发电运行时，可选择在转角θ∈[-22.5°，-7.5°]内（Ⅰ区）以相同的驱动信号开通A相绕组的主功率开关，使其四套绕组电流相同，向外输出电能，此时悬浮力由B相的四套绕组不对称励磁产生。仍在[-7.5°，7.5°]内（Ⅱ区），独立控制A相四套绕组电流，通过对四套绕组的不对称励磁产生作用于转子的悬浮力，此时C相进入发电状态。因此，在发电运行时的绕组励磁相序是CA-AB-BC。

悬浮力控制原理为：A相悬浮励磁区间为[-7.5°，7.5°]，α方向悬浮力由绕组电流i _{a 1} 和i _{a 3} 控制，当i _{a 1} > i _a / ₃ 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 _{a 2} 和i _{a 4} 控制，当i _{a 2} > i _{a 4} 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。同理，[-22.5°，-7.5°]和[7.5°，22.5°]区间的悬浮力可分别由B相和C相绕组产生，进而实现整个转子周期内的悬浮运行。

图5为本发明实施例1和2中的A相转矩转子和悬浮力转子分别单独产生的悬浮力有限元仿真结果。仿真时A相β方向两个绕组分别施加一恒定电流，且两电流不相等，分别计算不同转子位置时的悬浮力。仿真结果显示，悬浮力转子产生的悬浮力明显大于转矩转子，且在[-7.5°，7.5°]内，悬浮力为恒值。

图6为本发明实施例1和2中A相绕组产生的转矩有限元仿真结果。仿真时A相4个绕组均施加一恒定电流，分别计算不同转子位置时的转矩。仿真结果显示，在[-7.5°，7.5°]内，转矩基本为零，可忽略不计。

图7为本发明实施例1和2和无永磁体时的A相绕组的磁链-电流轨迹有限元仿真结果。仿真时A相4个绕组均施加一恒定电流，分别计算不同转子位置时的磁链。仿真结果显示，由于永磁体的磁导率接近于1，因此永磁体的存在将增加悬浮力定子磁路的磁阻，本发明实施例1和2中的绕组电感和磁链明显减小。绕组电感和磁链的减小有利于缩短绕组电流的上升和下降时间，便于悬浮控制。

综上所述，本发明分区域分时单独产生转矩和悬浮力，在结构上实现了转矩和悬浮力的解耦；悬浮区间，悬浮力为恒值，可把悬浮区间内的绕组电流控制为方波形式，简化了数学模型和控制算法，降低了悬浮控制系统的复杂度；设计圆柱转子产生悬浮力，并且永磁体提供偏置磁通，径向承载力大；永磁体的存在，增大了磁路的磁阻，有利于缩短绕组电流的上升和下降时间，便于悬浮控制；悬浮区间，转矩绕组和悬浮力绕组的电感均为恒值，运动电动势为零，削除了运动电动势的对绕组电流斩波控制的影响，改善了电流实时控制效果，高速适应性强。

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 (1)

1.一种永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括电机定子、电机转子、绕组和永磁体；

所述电机定子由转矩定子和悬浮力定子通过轴向叠加而成，转矩定子和悬浮力定子均为凸极结构，齿数均为12；所述转矩定子与悬浮力定子齿对齐；

所述电机转子由转矩转子和悬浮力转子通过轴向叠加而成，所述转矩转子为凸极结构，齿数为8；所述悬浮力转子为圆柱结构；所述转矩转子布置在转矩定子内，而悬浮力转子布置在悬浮力定子内；

所述永磁体共有12个，每个永磁体放置在定子齿或定子轭上；所述永磁体放置在定子齿时，充磁方式为径向充磁；所述永磁体放置在定子轭时，充磁方式为环向充磁；

所述绕组共有12个，每个绕组缠绕在转矩定子齿和悬浮力定子齿上；

所述永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机为三相制电机，每相绕组由4个空间上相隔90°定子上的绕组单独构成，独立控制绕组线圈中的电流，每相绕组中的绕组磁通呈NSNS交替分布；每相4个永磁体的磁通与该相绕组的磁通极性相同，也呈NSNS分布。