CN105827155B - 一种电动汽车用磁悬浮飞轮储能电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电动汽车用磁悬浮飞轮储能电机，转子铁芯和转子齿的外部同轴套有沿轴向布置的左定子和右定子，在左定子右端面和右定子左端面之间紧密镶嵌有圆筒型的轴向充磁的永磁体，左定子和右定子沿永磁体的轴向中心点左右对称，左定子和右定子的轴向截面的内侧表面为锥形，左定子的锥形大端在左侧，小端在右侧，左定子和右定子的锥形内侧表面沿圆周方向均匀设有定子槽，每个定子槽内的外层为悬浮绕组、内层为转矩绕组；转子齿的轴向截面的外侧表面是与左定子和右定子内侧表面相对应的锥形；转矩绕组产生转矩与轴向力，永磁体产生的磁场和悬浮绕组产生的磁场相互叠加产生不对称的磁场从而产生径向悬浮力，内部结构简单，轴向长度小。
Description
技术领域
本发明涉及到电机、磁悬浮技术、飞轮电池领域，具体为一种高速无轴承电机，主要适用于电动汽车用的飞轮电池这一特殊领域。
背景技术
电动汽车所使用的化学电池对环境存在一定的污染，且寿命较低，飞轮电池在这几个方面具有良好的性能。传统飞轮电池内部的机械轴承在飞轮高速旋转时会存在机械磨损，这会导致飞轮电池内部温升较高，并会降低飞轮电池的效率。为此，采用无轴承电机替代传统的机械轴承与电机。无轴承电机是结合磁轴承与电机功能于一体的一种新型电机，无轴承电机内部有两套绕组，分别产生转矩与悬浮力，通过调节两套绕组内的电流的大小与相位可以控制转矩的大小与悬浮力的大小。因此无轴承电机在正常工作时无需轴承支撑，非常适合用于高速场合如飞轮储能、航空航天等领域。
传统无轴承电机内部有转矩绕组与悬浮绕组这两套极对数相差一的绕组，两套绕组产生极对数相差一的磁场，分别用来产生转矩与悬浮力。这种结构的无轴承电机存在以下几个问题：（1）一般只能产生径向力，不能产生轴向力，因此必须配合其他轴向轴承使用，导致飞轮电池的尺寸较大，结构复杂，降低了飞轮电池的效率，并且当飞轮高速运行时会产生大量的热量。（2）内部转矩绕组与悬浮绕组相耦合，悬浮力会受到转矩绕组影响，因此会导致悬浮力控制比较难。
发明内容
本发明的内容是为了克服上述现有飞轮电池的不足，提出一种无机械摩擦、结构简单紧凑同时能够产生径向力与轴向力的一种电动汽车用的新型磁悬浮飞轮储能电机。
本发明一种电动汽车用磁悬浮飞轮储能电机采用的技术方案是：在转轴外部同轴固定套有转子铁芯，转子铁芯上沿圆周方向均匀设有转子齿，转子铁芯和转子齿的外部同轴套有沿轴向布置的左定子和右定子，在左定子右端面和右定子左端面之间紧密镶嵌有圆筒型的轴向充磁的永磁体，左定子和右定子沿永磁体的轴向中心点左右对称，永磁体外径与左定子和右定子外径相等，左定子和右定子的轴向截面的外侧表面为圆柱形，内侧表面为锥形，左定子的锥形大端在左侧，小端在右侧，右定子的锥形大端在右侧，小端在左侧；左定子和右定子的锥形内侧表面沿圆周方向均匀设有定子槽，每个定子槽内的外层为悬浮绕组、内层为转矩绕组；转子齿的轴向截面的外侧表面是与左定子和右定子内侧表面相对应的锥形，锥形的锥度大小与左定子和右定子的内侧表面的锥形的锥度大小相同，转子铁芯和转子齿均沿永磁体的轴向中心点左右对称。
左定子和右定子上各设有12个定子槽，左定子和右定子所对应的转子齿各设有4个，转矩绕组为三相4极绕组，悬浮绕组为两相2极绕组，悬浮绕组和转矩绕组内的电流分开控制，左定子上的转矩绕组与右定子上的转矩绕组通入的电流相位相同，电流幅值大小能够不同，左定子上的悬浮绕组与右定子上的悬浮绕组内通入的电流方向相反。
本发明的有益效果是：
、本发明中转矩绕组产生转矩与轴向力，永磁体产生的磁场和悬浮绕组产生的磁场相互叠加产生不对称的磁场从而产生径向悬浮力，能够同时产生径向力和轴向力，因此无需传统的机械轴承，没有机械摩擦，使得整个飞轮电池的效率提升，且整个飞轮电池的内部结构简单，轴向长度小，整个飞轮电池的整体尺寸小，结构紧凑。
、由于悬浮力的产生原理是悬浮绕组与永磁体磁场耦合产生悬浮力，而且不考虑磁路饱和情况下，永磁体产生的磁场是不变的，悬浮力的大小只受到悬浮绕组电流大小的影响，因此，悬浮力控制也比较简单。
附图说明
图1是本发明一种电动汽车用磁悬浮飞轮储能电机的结构示意图；
图2是图1中左定子的放大的左视图；
图3是图1中右定子的放大的右视图；
图4是图1所示本发明工作时产生轴向力的原理图；
图5是图1所示本发明工作时左定子上产生径向悬浮力的原理图；
图6是图1所示本发明工作时右定子上产生径向悬浮力的原理图；
图中标号及名称为：1.左定子；2.右定子；3.悬浮绕组；4.转矩绕组；5.永磁体；6.转子齿；7.转子铁芯；8.转轴；9.悬浮绕组磁场；10.永磁磁场。
具体实施方式
参见图1所示，本发明中间是一根转轴8，在转轴8外部同轴固定套有转子铁芯7，在转子铁芯7上沿圆周方向均匀设有转子齿6，转子铁芯7和转子齿6的外部同轴套有左定子1和右定子2，左定子1与右定子2尺寸相同，但沿转轴8的轴向分别左右布置。左定子1和右定子2与转子齿6之间均留有径向气隙。左定子1和右定子2的材料为硅钢片，转子铁芯7由导磁的硅钢材料压制而成。
左定子1和右定子2的轴向截面的外侧表面为圆柱形，内侧表面为锥形，锥形的锥度α大小为20°±5°。左定子1的锥形大端在左侧，小端在右侧，右定子2的锥形大端在右侧，小端在左侧。
左定子1和右定子2的轴向长度均为45mm，外径均60mm，锥形大端的内径均为40mm。
在左定子1的右端面和右定子2的左端面之间紧密镶嵌圆筒型的永磁体5，永磁体5的外径与左定子1和右定子2的外径相同，永磁体5的径向厚度等于左定子轭或右定子轭最薄处的厚度，即左定子1最左端定子轭的厚度或右定子2最右端定子轭的厚度。永磁体5的轴向长度为5mm，永磁体5沿着电机的转轴8的轴向方向充磁。左定子1和右定子2沿永磁体5的轴向中心点左右对称。
左定子1和右定子2的锥形内侧表面沿圆周方向均匀设有相同的定子齿和定子槽，每个定子槽内有两层绕组，外层为悬浮绕组3，内层为转矩绕组4。定子齿和转子齿6之间是径向气隙。
转子齿6的轴向截面的外侧表面是锥形，与左定子1和右定子2内侧表面相对应的，转子齿6的锥形的锥度α大小与左定子1和右定子2的内侧表面的锥形的锥度α大小相同，均为20°±5°。转子铁芯7和转子齿6均沿沿永磁体5的轴向中心点左右对称。这样，转子齿6对应于左定子1和右定子2，分别与左定子和右定子具有相同的锥度。
参见图2和图3，左定子1和右定子2上各设有12个定子槽，定子槽内各有悬浮绕组3和转矩绕组4，其中，转矩绕组4为三相4极绕组。悬浮绕组3和转矩绕组4内的电流分开控制，左定子1上的转矩绕组4与右定子2上的转矩绕组4通入的电流相位相同，电流幅值大小可以不同或者相同。左定子1与右定子2上的悬浮绕组3为两相2极绕组，左定子1上的悬浮绕组3与右定子2上的悬浮绕组3内通入的电流方向相反。左定子1和右定子2所对应的左侧和右侧的转子齿6各有4个，每个转子齿6的弧度β为45°。
参见图4，控制转矩绕组4的电流，左定子1上的转矩绕组4通电时产生垂直于转子齿6的磁拉力Fl，Fl可以沿轴向方向与径向方向分解为Flx与Fly；同理，当右定子2上的转矩绕组4通电时产生垂直于转子齿6的磁拉力Fr，Fr可以沿轴向方向与径向方向分解为Frx与Fry。由于Fly与-Fly相互抵消，Fry与-Fry相互抵消，因此此时只有沿轴向上的两个轴向力2Flx与2Frx，则左定子1上的转矩绕组4与右定子1上的转矩绕组4通入相位相同的电流时会产生轴向力2Flx与2Frx，调节左定子1与右定子2上的转矩绕组4电流即可调节轴向力。
参见图5，在左定子1中，永磁体5产生的永磁磁场10的方向沿每个定子齿指向转轴8中心，通过控制左定子1上的悬浮绕组3的电流方向，使左定子1上的悬浮绕组3产生的悬浮绕组磁场9的磁场方向在左定子1径向横截面上的上半部的定子齿中是沿定子齿指向转轴8中心，与永磁体5产生的磁场方向相同；而在左定子1径向横截面的下半部的定子齿中，左定子1上的悬浮绕组3产生的磁场方向是沿下半部的定子齿指向外，与永磁体5产生的磁场方向正好相反，因此能够产生向上方的悬浮力F yl 。
参见图6，在右定子2中，永磁体5产生的永磁磁场10的磁场方向沿每个定子齿指向外，控制右定子2上的悬浮绕组3的电流方向，使右定子2上的悬浮绕组3产生的悬浮绕组磁场9的磁场方向，在右定子2上径向横截面上的上半部的定子齿中是沿定子齿指向外，与永磁体5产生的磁场方向相同；而在右定子2径向横截面上的下半部的定子齿中，右定子2上的悬浮绕组3产生的磁场方向是沿定子齿指向转轴8中心，与永磁体5产生的磁场方向正好相反，因此能够产生向上的悬浮力F yr 。
当同时增大左定子1与右定子2上的悬浮绕组3的电流大小时即可调节悬浮力的大小，当增大左定子1上的悬浮绕组3的电流，降低右定子2上的悬浮绕组3电流时，可调节转子沿顺时针方向的转动。
根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电动汽车用磁悬浮飞轮储能电机，在转轴（8）外部同轴固定套有转子铁芯（7），转子铁芯（7）上沿圆周方向均匀设有转子齿（6），其特征是：转子铁芯（7）和转子齿（6）的外部同轴套有沿轴向布置的左定子（1）和右定子（2），在左定子（1）右端面和右定子（2）左端面之间紧密镶嵌有圆筒型的轴向充磁的永磁体（5），左定子（1）和右定子（2）沿永磁体（5）的轴向中心点左右对称，永磁体（5）外径与左定子（1）和右定子（2）外径相等，左定子（1）和右定子（2）的外侧表面为圆柱形，内侧表面为锥形，左定子（1）内侧表面的锥形大端在左侧、小端在右侧，右定子（2）内侧表面的锥形大端在右侧、小端在左侧；左定子（1）和右定子（2）的锥形内侧表面沿圆周方向均匀设有定子槽，每个定子槽内的外层为悬浮绕组（3）、内层为转矩绕组（4）；转子齿（6）的外侧表面是与左定子（1）和右定子（2）内侧表面相对应的锥形，锥形的锥度大小与左定子（1）和右定子（2）的内侧表面的锥形的锥度大小相同，转子铁芯（7）和转子齿（6）均沿永磁体（5）的轴向中心点左右对称。
2.根据权利要求1所述一种电动汽车用磁悬浮飞轮储能电机，其特征是：左定子（1）和右定子（2）上各设有12个定子槽，左定子（1）和右定子（2）所对应的转子齿（6）各设有4个，转矩绕组（4）为三相4极绕组，悬浮绕组（3）为两相2极绕组，悬浮绕组（3）和转矩绕组（4）内的电流分开控制，左定子（1）上的转矩绕组（4）与右定子（2）上的转矩绕组（4）通入的电流相位相同，电流幅值大小能够不同，左定子（1）上的悬浮绕组（3）与右定子（2）上的悬浮绕组（3）内通入的电流方向相反。
3.根据权利要求2所述一种电动汽车用磁悬浮飞轮储能电机，其特征是：每个转子齿（6）的弧度为45°。
4.根据权利要求1所述一种电动汽车用磁悬浮飞轮储能电机，其特征是：所述锥形的锥度大小为20°±5°。
5.根据权利要求1所述一种电动汽车用磁悬浮飞轮储能电机，其特征是：左定子（1）和右定子（2）的轴向长度均为45mm，外径均60mm，锥形大端的内径均为40mm，永磁体（5）的轴向长度为5mm。
6.根据权利要求1所述一种电动汽车用磁悬浮飞轮储能电机，其特征是：永磁体（5）的径向厚度等于左定子轭或右定子轭最薄处的厚度。
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