CN104104197A - 一种轴向永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种轴向永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机，包括转矩定子、转矩转子、悬浮力定子、导磁盘、悬浮力转子、永磁体、隔磁定子、隔磁转子和绕组；转矩定子、悬浮力定子和隔磁定子通过轴向叠加于一体，隔磁定子布置在转矩定子和悬浮力定子之间；上述三个定子组合成的每个齿上绕有一个绕组；永磁体放置在悬浮力定子和导磁盘之间，且轴向充磁；转矩转子、悬浮力转子和隔磁转子轴向叠加在一起；导磁盘为圆盘结构，或与悬浮力定子相同的凸极结构，悬浮力转子为圆柱结构，转矩定子、悬浮力定子和隔磁定子齿数为12，极弧相等；转矩转子和隔磁转子齿数为8，极弧相等。本发明电机仅永磁体提供偏置磁通，径向承载力大，且功率开关管少，控制电路成本低。

Description

一种轴向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，涉及一种轴向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。因此，单绕组无轴承开关磁阻电机则更具通用性和实用性，是目前该领域研究的热点和趋势。

对12/8结构的单绕组无轴承开关磁阻电机而言，每相均需要对4个定子齿上的绕组独立控制，即每相均需由4个桥臂构成的功率变换电路，这无疑扩大了功率器件的需求量，增加了悬浮控制的复杂性和系统成本，同时降低了系统的可靠性。为此，需要一种功率器件需求小、径向悬浮力大的单绕组无轴承开关磁阻电机。

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，提出一种轴向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、径向承载力大且功率器件需求小的新型无轴承开关磁阻电机。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种轴向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、永磁体和电机绕组； 

所述电机定子由转矩定子、隔磁定子、悬浮力定子、导磁盘构成；所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子通过轴向叠加于一体，所述隔磁定子处于转矩定子与悬浮力定子之间；所述导磁盘位于悬浮力定子外侧，且导磁盘与悬浮力定子之间放置1个永磁体；所述永磁体为圆环形，且轴向充磁；所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子均为凸极结构，齿数均为12；转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子轴向齿与齿对齐，且定子极弧角均相等；

所述电机转子由转矩转子、隔磁转子和悬浮力转子通过轴向叠加而成；所述隔磁转子处于悬浮力转子与转矩转子之间；所述转矩转子和隔磁转子均为凸极结构，齿数均为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，所述隔磁转子布置在隔磁定子内，所述悬浮力转子布置在悬浮力定子、永磁体和导磁盘内；

所述导磁盘为圆盘或凸极结构；

所述导磁盘为圆盘结构时，所述电机绕组共有12个绕组，每个绕组缠绕在所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子组合成的每个定子齿上；4个空间上相隔90°的绕组构成一相绕组，所述一相绕组包括两套绕组，其中两个相隔180°的绕组反向串联为一套绕组，另两个相隔180°的绕组反向串联为另一套绕组；一相4个绕组产生的磁通呈NNSS分布；

所述导磁盘为凸极结构时，导磁盘的定子齿数为12，导磁盘的定子与所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子处于齿对齐状态，且极弧角均相等；所述电机绕组共有24个绕组，其中12个绕组缠绕在所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子组合成的12个定子齿上，另外12个绕组缠绕在凸极导磁盘的12个定子齿上；处于同一周向位置的两个绕组反向串联在一起，组合为1个定子绕组，共有12个定子绕组；每相绕组包括两套绕组，由4个空间上相隔90°的定子绕组构成；其中，两个相隔180°的定子绕组反向串联为一套绕组，另两个相隔180°的定子绕组反向串联为另一套绕组；两套绕组线圈产生的磁通呈NNSS分布。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种轴向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；

（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）永磁体提供偏置磁通，径向悬浮力大，径向承载力强；

（4）功率器件需求量小。

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的磁通分布示意图。

图5为本发明实施例2的磁通分布示意图。

图6为本发明实施例1和2三相绕组电感和电流的示意图。

附图标记说明：图1至图6中，1是转矩定子，2是转矩转子，3是悬浮力定子，4是导磁盘， 5是悬浮力转子，6是永磁体，7是定子隔磁盘，8是转子隔磁盘，9是绕组，10导磁定子，11是导磁定子绕组，12、13分别为是A相α方向绕组的流入、流出电流i _sa1+、i _sa1-，14、15分别为是A相β方向绕组的流入、流出电流i _sa2+、i _sa2-，16、17分布表示直角坐标系的两个方向α、β，18、19分别代表气隙1、气隙2，20、21分别是绕组电流、永磁体单独产生的磁通，22、23、24分别是A、B、C三相绕组电感，25、26、27分别是A、B、C三相绕组电流。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种轴向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，本发明的一种轴向永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机实施例1的结构示意图，其中，1是转矩定子、2是转矩转子、3是悬浮力定子、4是导磁盘、5是悬浮力转子、6是永磁体、7是隔磁定子、8是隔磁转子、9是绕组；

所述电机定子由转矩定子、隔磁定子、悬浮力定子、导磁盘构成；所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子通过轴向叠加于一体，所述隔磁定子处于转矩定子与悬浮力定子之间；所述导磁盘位于悬浮力定子外侧，且导磁盘与悬浮力定子之间放置1个永磁体；所述永磁体为圆环形，且轴向充磁；

所述电机转子由转矩转子、隔磁转子和悬浮力转子通过轴向叠加而成；所述隔磁转子处于悬浮力转子与转矩转子之间；

所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子均为凸极结构，齿数均为12；转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子轴向齿与齿对齐，且定子极弧角均相等；

所述转矩转子和隔磁转子均为凸极结构，齿数均为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，所述隔磁转子布置在隔磁定子内，所述悬浮力转子布置在悬浮力定子、永磁体和导磁盘内；

所述导磁盘为圆盘结构，所述电机绕组共有12个绕组线圈，每个绕组线圈缠绕在所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子组合成的每个定子齿上；每相绕组由4个空间上相隔90°的绕组线圈构成，两相对齿上的两个线圈反向串联为一套绕组，另两相对齿上的两个线圈反向串联为另一套绕组；每相4个绕组线圈产生的磁通呈NNSS分布。

图2为本发明的一种轴向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是转矩转子、3是悬浮力定子、5是悬浮力转子、6是永磁体、7是隔磁定子、8是隔磁转子、9是绕组、10是导磁定子、11是导磁定子绕组；

所述电机定子由转矩定子、隔磁定子、悬浮力定子、导磁定子构成；所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子通过轴向叠加于一体，所述隔磁定子处于转矩定子与悬浮力定子之间；所述导磁定子位于悬浮力定子外侧，且导磁定子与悬浮力定子之间放置1个永磁体；所述永磁体为圆环形，且轴向充磁；

所述电机转子由转矩转子、隔磁转子和悬浮力转子通过轴向叠加而成；所述隔磁转子处于悬浮力转子与转矩转子之间；

所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子均为凸极结构，齿数均为12；转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子轴向齿与齿对齐，且定子极弧角均相等；

所述转矩转子和隔磁转子均为凸极结构，齿数均为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，所述隔磁转子布置在隔磁定子内，所述悬浮力转子布置在悬浮力定子、永磁体和导磁盘内；

所述导磁定子为凸极结构，齿数为12，导磁定子与所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子极弧角相等，且处于齿与齿对齐位置；

所述电机绕组共有24个绕组线圈，由12个所述绕组和12个所述导磁定子绕组构成；12个所述绕组缠绕在所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子组合成的12个定子齿上；12个所述导磁定子绕组缠绕在导磁定子的12个定子齿上；处于同一周向位置的1个所述绕组和1个所述导磁定子绕组反向串联在一起，组合为12个绕组线圈；每相绕组由4个空间上相隔90°且组合好的绕组线圈构成，两个相隔180°且组合好的线圈再反向串联为一套绕组，另两个相隔180°且组合好的线圈再反向串联为另一套绕组；两套绕组产生的磁通呈NNSS分布。

图3是本发明实施例1至2的A相绕组示意图。一相绕组由两个方向的两套绕组组成，且这两套绕组分别独立控制，同时产生悬浮力和转矩。B、C相的绕组与A相绕组结构相同，仅在位置上与A相相差30°和-30°。

图4为本发明实施例1的磁通分布示意图。当A相α方向绕组正向导通时，在气隙1处，其产生的磁通与永磁磁通方向相同，磁通增强，而在气隙2处方向相反，磁通减弱，导致气隙1处的磁通大于气隙2处的磁通，进而产生一个α正方向的悬浮力；当改变α方向绕组电流的方向，将产生一个α负方向的悬浮力。同理，β方向绕组导通时也可产生一个β方向悬浮力，合理控制两个方向绕组电流的大小和方向，即可产生任意大小和方向的悬浮力。

图5为本发明实施例2的磁通分布示意图。当A相α方向绕组正向导通时，在气隙1处，其产生的磁通与永磁磁通方向相同，磁通增强，而在气隙2处方向相反，磁通减弱，导致气隙1处的磁通大于气隙2处的磁通，进而产生一个α正方向的悬浮力；当改变α方向绕组电流的方向，将产生一个α负方向的悬浮力。同理，β方向绕组导通时也可产生一个β方向悬浮力，合理控制两个方向绕组电流的大小和方向，即可产生任意大小和方向的悬浮力。

相对于实施例1，实施例2中多了两处不对称气隙磁通，因此实施例2可产生更大的径向悬浮力。

图6是本发明实施例1至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，即为不对齐位置为零度位置。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。

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，可设计电机运行工作模式如下：

 当电动运行时，在[7.5°，22.5°]内，独立控制A相两套绕组电流，通过对两套绕组的励磁同时产生作用于转子的悬浮力和转矩，具体的电流控制方法可采用斩波电流控制，电动运行时的励磁相序是A-C-B。

 当发电运行时，可选择在转角θ∈[-22.5°，-7.5°]内，独立控制A相两套绕组电流，通过对两套绕组的励磁产生作用于转子的悬浮力，同时向外输出电能，具体的电流控制方法可采用斩波电流控制，发电运行时的绕组励磁相序是A-C-B。

悬浮力控制原理为：A相悬浮励磁区间为[7.5°，22.5°]，α方向悬浮力由绕组电流i _sa1控制，当i _sa1>0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 _sa2控制，当i _sa2>0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，因此通过两套绕组独立励磁，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，[-7.5°，7.5°]和[-22.5°，-7.5°]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。

综上所述，本发明由于采用同时产生转矩和悬浮力的控制策略，每一时刻仅需一相绕组导通即可，控制方式简单；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；另外，由于利用永磁体取代了传统双绕组无轴承开关磁阻电机的转矩绕组的功能，因此，有效地减少了功率变换器的数量，控制系统的成本低。

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)

1.一种轴向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、永磁体和电机绕组； 

所述电机定子由转矩定子、隔磁定子、悬浮力定子、导磁盘构成；所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子通过轴向叠加于一体，所述隔磁定子处于转矩定子与悬浮力定子之间；所述导磁盘位于悬浮力定子外侧，且导磁盘与悬浮力定子之间放置1个永磁体；所述永磁体为圆环形，且轴向充磁；所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子均为凸极结构，齿数均为12；转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子轴向齿与齿对齐，且定子极弧角均相等；

所述电机转子由转矩转子、隔磁转子和悬浮力转子通过轴向叠加而成；所述隔磁转子处于悬浮力转子与转矩转子之间；所述转矩转子和隔磁转子均为凸极结构，齿数均为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，所述隔磁转子布置在隔磁定子内，所述悬浮力转子布置在悬浮力定子、永磁体和导磁盘内；

所述导磁盘为圆盘或凸极结构；

所述导磁盘为圆盘结构时，所述电机绕组共有12个绕组，每个绕组缠绕在所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子组合成的每个定子齿上；4个空间上相隔90°的绕组构成一相绕组，所述一相绕组包括两套绕组，其中两个相隔180°的绕组反向串联为一套绕组，另两个相隔180°的绕组反向串联为另一套绕组；一相4个绕组产生的磁通呈NNSS分布；

所述导磁盘为凸极结构时，导磁盘的定子齿数为12，导磁盘的定子与所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子处于齿对齐状态，且极弧角均相等；所述电机绕组共有24个绕组，其中12个绕组缠绕在所述转矩定子、隔磁定子和悬浮力定子组合成的12个定子齿上，另外12个绕组缠绕在凸极导磁盘的12个定子齿上；处于同一周向位置的两个绕组反向串联在一起，组合为1个定子绕组，共有12个定子绕组；每相绕组包括两套绕组，由4个空间上相隔90°的定子绕组构成；其中，两个相隔180°的定子绕组反向串联为一套绕组，另两个相隔180°的定子绕组反向串联为另一套绕组；两套绕组线圈产生的磁通呈NNSS分布。