CN105827028B - 一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机 - Google Patents

一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机，转子同轴位于定子内部，定子沿轴向上设有三排齿，转子沿轴向上也设有三排齿，定子的每排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有8个定子齿，转子的每排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有6个转子齿；转子的三排齿与定子的三排齿在轴向上一一对应，转子齿的齿宽和定子齿的极靴宽度相等；定子的第一排齿和第三排齿的定子齿上均绕有调节绕组，在靠近定子的第二排齿的齿根位置嵌有径向充磁的永磁体，在第二排齿的定子齿上绕有转矩绕组；调节绕组产生的磁场和永磁体与转矩绕组产生的磁场相叠加产生不对称的气息磁场，从而产生沿径向和轴向的悬浮力，能够同时产生可调的径向力和轴向力。

Description

一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机
技术领域
本发明涉及到飞轮电池、电机、磁悬浮技术、薄片电机等领域，具体是一种无轴承电机，主要适用于高速、空间紧凑的智能电动车飞轮电池。
背景技术
智能电动汽车与传统汽车相比，智能化程度高、清洁且使用的能源为可再生的电能，电动汽车采用飞轮电池能够有效克服使用化学电池寿命短、对环境有污染等缺点，飞轮电池在工作过程中转速可以达到数万甚至数十万转。
无轴承电机是一种结合磁轴承与电机功能于一体的一种新型电机，在结构上与传统电机相比内部除了有一套用来产生转矩的绕组外，还有一套用来产生悬浮力的绕组，通过调节两套绕组的电流大小以及相位可以实现电机转子旋转的同时能够产生悬浮力，它在正常工作时不需要径向轴承支撑，也就无机械磨损以及由此引起的发热等问题。因此，无轴承电机非常适合飞轮电池、航空航天等需要高速甚至超高速运行的领域。
目前用在电动车飞轮电池上的无轴承电机，主要由定子、转子以及极对数相差一的转矩绕组与悬浮力绕组构成，通过控制两套绕组内的电流产生两组不同的磁场，从而同时实现转子的自悬浮与旋转。但是这种无轴承电机存在几点不足之处：一般无轴承电机只能产生径向力，只能限制水平与垂直方向上的两个自由度，因此必须在飞轮电池内增加一套轴向支撑系统，这势必会增加飞轮电池的轴向长度且降低整个系统的效率。这种无轴承电机中的两套绕组必须满足极对数相差一的要求，这给无轴承电机设计带来了很大的约束。这种无轴承电机中的两套绕组的电流相位之间的关系对悬浮力有很大的影响，因此导致电机的控制系统较为复杂。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有电动车飞轮电池用无轴承电机的不足，提出了一种能够同时产生可调径向力和轴向力、设计灵活、控制简单的五自由度轴向磁通无轴承电机。
本发明一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机采用的技术方案是：包括定子和转子，转子同轴位于定子内部，定子沿轴向上设有三排齿，转子沿轴向上也设有三排齿，定子的每排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有8个定子齿，转子的每排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有6个转子齿；转子的三排齿与定子的三排齿在轴向上一一对应，转子的三排齿轴向厚度与定子的三排齿轴向厚度分别对应地相等，转子齿的齿宽和定子齿的极靴宽度相等；定子的第一排齿和第三排齿的定子齿上均绕有调节绕组，在靠近定子的第二排齿的齿根位置嵌有径向充磁的永磁体，永磁体的N极靠近转子，在第二排齿的定子齿上绕有转矩绕组。
进一步地，定子的第一排齿和第三排齿上的调节绕组分别由4组线圈组成，4组线圈两两对称布置，每两组线圈之间间隔一个定子齿；转矩绕组为四相两极绕组。
本发明的有益效果是：
1、本发明电机两端的调节绕组内的电流可以单独调节，调节绕组产生的磁场和永磁体与转矩绕组产生的磁场相叠加产生不对称的气隙磁场，从而产生沿径向和轴向的悬浮力，能够同时产生可调的径向力和轴向力，调节两端调节绕组内的电流可以控制电机转轴的摆动与轴向移动，可以限制除电机沿轴线旋转以外的其他五个自由度，不需要额外的轴向支撑系统，因此结构简单紧凑、轴向长度小、体积小，效率高，大大简化了飞轮电池的内部结构。
2、调节绕组线圈内的电流可以独立控制，因此调节绕组与转矩绕组之间不必受限于传统无轴承电机两套绕组极对数相差一条件，也无需满足两套绕组内电流相位角的关系，因此具有控制简单、调节响应速度高，响应迅速的优点。
附图说明
图1是本发明一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机的主视图。
图2是本发明一种智能电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机的左视图。
图3是图1中定子的左端第一排齿上的调节绕组分布图；
图4是图1中定子的右端第三排齿上的调节绕组分布图；
图5是图1中定子的中间第三排齿上的转矩绕组分布图；
图6是本发明工作原理示意图；
图中标号及名称为：1、定子；2、调节绕组；3、转子；4、永磁体；5、转矩绕组；6、转矩绕组与永磁体产生的磁场；7、调节绕组产生的磁场。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机由定子1、调节绕组2、转子3、永磁体4、转矩绕组5构成。定子1的材料为导磁的硅钢片材料。定子1沿电机的轴向方向上设有三排齿，分别是左端的第一排齿1-1，中间的第二排齿1-2以及右端的第三排齿1-3。第一排齿1-1在定子1的最左端，第一排齿1-1的左端面是定子1的左端面；第三排齿1-3在定子1的最右端，第三排齿1-3的右端面是定子1的右端面，第二排齿1-2位于第一排齿1-1和第二排齿1-2的正中间。第一排齿1-1和第三排齿1-3在轴向的厚度尺寸相同，并且小于中间第二排齿1-2在轴向的厚度尺寸，比较薄。每一排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有8个尺寸相同的定子齿。每排齿中的8个定子齿在径向截面上的投影重合，位置相同。
第一排齿1-1和第三排齿1-3的定子齿上均绕有调节绕组2，第一排齿1-1和第三排齿1-3上的调节绕组2分别由4组线圈组成，这4组线圈两两对称布置，由于定子齿数为8，所以每两组线圈之间间隔了一个定子齿。调节绕组2的作用是产生悬浮力与轴向力。
在靠近第二排齿1-2的齿根位置嵌有径向充磁的永磁体4，永磁体4的N极向内靠近转子3，永磁体4的S极向外靠近定子齿根。永磁体4的轴向厚度等于第二排齿1-2的轴向厚度，永磁体4的宽度等于第二排齿1-2的齿宽，使永磁体4与第二排齿1-2成为一个整体。在第二排齿1-2的8个定子齿上绕有转矩绕组5，用来产生转矩。
转子3与定子1同轴布置，位于定子1内部，转子3材料为导磁的硅钢片。转子3沿电机的轴向方向上也设有三排齿，转子3的每排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有6个转子齿，转子3上的三排齿与定子1上的三排齿的位置在轴向上一一对应，转子齿的齿宽和定子齿的极靴宽度相等，转子3的三排齿沿轴向上的厚度与定子1上的三排齿沿轴向上的厚度分别对应地相等，即：转子3的左端第一排齿3-1与定子1的第一排齿1-1的轴向厚度相同，位置对应；转子3的中间第二排齿3-2与定子1的第一排齿1-2的轴向厚度相同，位置对应；转子3的右端第三排齿3-3与定子1的第三排齿1-3的轴向厚度相同，位置对应。转子齿和定子齿之间留有径向气隙，定子1的第一排齿1-1和转子3的第一排齿3-1之间是左端气隙，定子1的第二排齿1-2和转子3的第二排齿3-2之间是中间气隙，定子1的第三排齿1-3和转子3的第三排齿3-3之间是右端气隙。
参见图1和图3，定子1的第一排齿1-1上的调节绕组2由4组线圈a1、c1、a2、c2组成，每两个线圈之间间隔一个定子齿，线圈a1、c1、a2、c2沿圆周方向依序布置，线圈a1、a2绕在第一排齿1-1的对称的两个定子齿上，c1、c2绕在第一排齿1-1对称的两个定子齿上。
参见图1和图4，定子1的第三排齿1-3上的调节绕组2也由4个线圈b1、d1、b2、d2组成，每两个线圈之间间隔一个定子齿，线圈b1、d1、b2、d2沿圆周方向依序布置，线圈b1、b2绕在第三排齿1-3的对称的两个定子齿上，线圈d1、d2绕在第三排齿1-3的对称的两个定子齿上。
通过调节线圈a1、a2、b1、b2内的电流可以调节沿垂直方向上的悬浮力；通过调节线圈c1、c2、d1、d2内的电流可调节沿水平方向上的悬浮力。
参见图1和图5，转矩绕组5为四相两极绕组，由线圈A1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2组成，通电顺序为A→B→C→D。永磁体4位于转矩绕组5所在齿的内部。
如图6所示，本发明电机运行过程中，永磁体4与转矩绕组5产生磁场6，磁场6的路径依次是：永磁体4→定子1的第二排齿1-2→中间气隙→转子3的第二排齿3-2→转子3的第一排齿3-1或第三排齿3-3→左端气隙或者右端气隙→永磁体4。调节绕组2的四组线圈a1、a2、b1、b2产生调节磁场7，调节磁场7的路径依次是：定子1的第一排齿1-1或者第三排齿1-3→左端气隙或者右端气隙→转子3的第一排齿3-1或者第三排齿3-3→转子3的中间第二排齿→中间气隙→定子1的中间第二排齿1-2→定子1的第一排齿1-1或者第三排齿1-3。如此，线圈a1、b1产生的调节磁场7与永磁体4和转矩绕组5产生的磁场6方向相同，因此两者叠加后气隙磁场增强。线圈a2、b2产生的调节磁场7与永磁体4和转矩绕组5产生的磁场6方向相反，两组磁场叠加后气隙磁场减弱。当同时增大线圈a1、b1内的电流时，电机上方的气隙磁场增强，可以增大悬浮力；当增大线圈a2、b2内的电流时，电机下方气隙磁场会减弱，也会起到增大悬浮力的作用。当增大线圈a1内的电流与减小线圈b2中的电流时，可以使转子3沿顺时针方向的转动；当减小线圈b1中的电流，增大线圈a2中的电流，也可以使转子3沿顺时针方向的转动。同理，当减小线圈a1内的电流与增大调节线圈b2中的电流时，可以使转子沿逆时针方向的转动；当增大线圈b1中的电流，减小线圈a2中的电流也可以使转子3沿逆时针方向的转动。增大线圈a1中的电流，减小a2中的电流时，悬浮力大小不变，但此时会使得电机左端齿的气隙磁场得到增强，可以产生更大的磁拉力，因此当转子3产生沿轴向方向的位移时，磁拉力会使得转子3回到原来的位置。

Claims (5)

1.一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机，包括定子（1）和转子（3），转子（3）同轴位于定子（1）内部，其特征是：定子（1）沿轴向上设有三排齿，转子（3）沿轴向上也设有三排齿，定子（1）的每排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有8个定子齿，转子（3）的每排齿沿电机旋转的圆周方向上均匀分布有6个转子齿；转子（3）的三排齿与定子（1）的三排齿在轴向上一一对应，转子（3）的三排齿轴向厚度与定子（1）的三排齿轴向厚度分别对应地相等，转子齿的齿宽和定子齿的极靴宽度相等；定子（1）的第一排齿和第三排齿的定子齿上均绕有调节绕组（2），在靠近定子（1）的第二排齿的齿根位置嵌有径向充磁的永磁体（4），永磁体（4）的N极靠近转子（3），在第二排齿的定子齿上绕有转矩绕组（5）。
2.根据权利要求1所述一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机，其特征是：定子（1）的第一排齿和第三排齿上的调节绕组（2）分别由4组线圈组成，4组线圈两两对称布置，每两组线圈之间间隔一个定子齿；转矩绕组（5）为四相两极绕组。
3.根据权利要求1所述一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机，其特征是：定子（1）的第一排齿和第三排齿的轴向厚度相同，小于定子（1）的中间第二排齿轴向厚度，定子（1）的三排齿中的8个定子齿在径向截面上的投影重合。
4.根据权利要求1所述一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机，其特征是：定子（1）的第一排齿在定子（1）的最左端，第一排齿的左端面是定子（1）的左端面，定子（1）的第三排齿在定子（1）的最右端，第三排齿的右端面是定子（1）的右端面，第二排齿位于第一排齿和第二排齿的正中间。
5.根据权利要求1所述一种电动车飞轮电池用五自由度轴向磁通无轴承电机，其特征是：永磁体（4）的轴向厚度等于定子（1）的第二排齿的轴向厚度，永磁体（4）的宽度等于定子（1）的第二排齿的齿宽。
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