CN105846624A - 一种双定子无轴承磁通切换永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双定子无轴承磁通切换永磁电机，包括外定子、转矩绕组、永磁体、转子、隔磁环、内定子、悬浮力绕组；外定子、转子、内定子均为凸极结构，以同心同轴的方式嵌套在一起；外定子由多个U形铁心单元和多个永磁体交替拼接而成，永磁体沿切向交替充磁；外定子槽内嵌有一套转矩绕组；转子有多个凸极转子齿，转子中均匀设有多个空心隔磁环；内定子包含多个内定子齿，内定子槽内嵌有一套悬浮力绕组。本发明不仅具有磁通切换永磁电机转矩密度高、效率高的优势，而且解决了无轴承电机转矩绕组和悬浮力绕组之间的耦合问题，在电机本体上实现了转矩和悬浮力的解耦控制，同时悬浮力不受转子位置角影响的特性有利于无轴承电机转子稳定悬浮。

Description

一种双定子无轴承磁通切换永磁电机

技术领域

本发明属于电工、电机领域，涉及一种双定子无轴承磁通切换永磁电机。

背景技术

随着现代化工业技术的发展，高速、超高速的电机已被广泛应用于高速机床、涡轮分子泵、离心机、压缩机、飞轮贮能及航空航天等领域。但是传统电机的转子通过机械轴承支撑在定子上，当转子高速或超高速运行时，将对机械轴承产生巨大冲击，造成机械轴承磨损加剧、电机发热、工作效率下降、轴承和电机的使用寿命缩短等一系列影响，严重制约着电机向更高速度和更大功率方向发展。近三十年发展起来的磁轴承具有无磨损、无润滑、无机械噪声、高精度、高寿命等优点，已成功应用于能源交通、生物医学工程、航空航天等高新技术领域。但由于其体积大、成本高、功率和临界转速都难以大幅度提高等缺点，导致磁轴承仍不能完全满足高性能超高速悬浮运转的要求。

无轴承电机利用磁轴承和电机结构的相似性，将磁轴承的悬浮力绕组嵌放在电机的定子槽中，使得电机转子同时具有旋转和自悬浮支撑能力，因此，无轴承电机具有磁轴承无接触、无磨损等优点，同时由于其轴向长度较短，可以实现更大功率和更高转速运行，极具重要的工业应用价值。无轴承电机的研究类型主要有三种，分别是无轴承感应电机、无轴承永磁电机和无轴承磁阻电机。相比而言，无轴承永磁电机具有结构简单、运行可靠、效率高、功率密度高、体积小、重量轻、控制性能好等优点，成为当今无轴承电机研究领域里的热点之一。

目前研究的无轴承永磁电机中的永磁体大部分放置在转子上，这使得永磁体很容易受到振动和高温影响，导致其性能下降甚至退磁。同时由于永磁体机械强度的限制，转子难以胜任超高速运转。随着以钕铁硼为代表的新型稀土永磁材料的出现和功率电子学、计算机、控制理论的发展，从上世纪90年代开始陆续出现了三种新型结构的定子永磁型电机：双凸极永磁电机、磁通反向永磁电机和磁通切换永磁电机。磁通切换永磁电机具有功率密度高、效率高、转矩输出能力大和容错能力强等优点，永磁体和集中式电枢绕组均置于定子侧，易于冷却和散热，转子仅仅是设有凸极的铁心，结构简单、机械强度高、适合高速运行。因此对无轴承磁通切换永磁电机的理论研究具有重要的学术意义和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种双定子无轴承磁通切换永磁电机，该电机利用双定子结构实现了磁通切换永磁电机的无轴承运行，并通过转子上的空心隔磁环将转矩磁场和悬浮磁场隔离开来，对转矩系统和悬浮系统分开单独控制，避免了传统两自由度无轴承电机中的复杂解耦控制。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种双定子无轴承磁通切换永磁电机，包括外定子、转矩绕组、永磁体、转子、隔磁环、内定子、悬浮力绕组；所述外定子、转子、内定子自外向内设置均为凸极结构，以同心同轴的方式嵌套在一起；

所述外定子由多个U形铁心单元和多个永磁体交替拼接而成，永磁体沿切向充磁，且相邻两块永磁体的充磁方向相反；所述外定子槽内嵌有一套转矩绕组；所述转子面向外定子的一侧设有多个凸极转子齿，转子中均匀设有多个空心隔磁环，隔磁环为带有一定厚度的弧形空心环，转子面向内定子的一侧则光滑；所述内定子包含多个内定子齿，内定子槽内嵌有一套悬浮力绕组。

进一步，所述U形铁心单元为12个，永磁体为12个，转矩绕组线圈为12个，转子齿为10个，隔磁环为4个，内定子包含4个内定子齿，悬浮力绕组线圈为4个。

进一步，所述转矩绕组采用集中绕组的形式，由12个转矩绕组线圈组成，共分为三相，每相绕组含有4个线圈。例如A相由A1、A2、A3、A4串联而成，B、C相以此类推。每个转矩绕组线圈横跨在相邻两个U形铁心单元上。

进一步，所述悬浮力绕组采用集中绕组的形式，由多个悬浮力绕组线圈组成，每个悬浮力绕组线圈横跨在一个内定子齿上，通过单独控制每个悬浮力绕组线圈的导通情况和电流值得到所需悬浮力。

进一步，所述转矩绕组和悬浮力绕组的磁通路径相互独立。

进一步，所述永磁体材料为钕铁硼。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1.电机采用内、外双定子结构，用于分别绕制转矩绕组和悬浮力绕组，不仅具有磁通切换永磁电机转矩密度高、效率高的优势，而且解决了无轴承电机转矩绕组和悬浮力绕组之间的耦合问题，在电机本体上实现了转矩和悬浮力的解耦控制，使得控制系统简单，成本较低。

2.转子中的空心隔磁环能有效隔离转矩绕组磁场和悬浮力绕组磁场，转矩绕组和悬浮力绕组的磁通路径相互独立，极大降低了无轴承电机转矩系统和悬浮系统的耦合程度。

3.转子面向内定子的一侧光滑，从而内定子齿与转子的对齐面积保持等于内定子齿宽，悬浮力几乎不随转子位置角的变化而变化，改善了无轴承磁通切换永磁电机的悬浮性能，实现了无轴承电机转子稳定悬浮。

4.永磁体置于定子上，避免了电机高速运行时永磁体受到离心力的影响被甩落以及散热困难引发永磁体性能下降甚至退磁等问题。

5.转子上既无永磁体又无绕组，转子结构简单、机械强度高，有利于无轴承电机高速运行。

6.转矩绕组和悬浮力绕组采用端部较小的集中绕组，减少了用铜量及电机铜耗，损耗低，提高了运行效率。

附图说明

图1是本发明双定子无轴承磁通切换永磁电机的结构示意图。

图2是本发明双定子无轴承磁通切换永磁电机转矩绕组和悬浮力绕组共同导通时的磁场分布图。

图3是本发明双定子无轴承磁通切换永磁电机无转子隔磁环时转矩绕组和悬浮力绕组共同导通时的磁场分布图。

图中：1、外定子；2、转矩绕组；3、永磁体；4、转子；5、隔磁环；6、内定子；7、悬浮力绕组。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示为本发明双定子无轴承磁通切换永磁电机的结构示意图，包括外定子1、转矩绕组2、永磁体3、转子4、隔磁环5、内定子6、悬浮力绕组7。其中，外定子1、转子4、内定子6均为凸极结构，且以同心同轴的方式嵌套在一起。外定子1由12个U形铁心单元和12个永磁体3交替拼接而成，永磁体3沿切向充磁，且相邻两块永磁体3的充磁方向相反。外定子1槽内嵌有一套转矩绕组2，采用集中绕组的形式，由12个转矩绕组线圈组成，共分为三相，每相绕组含有4个线圈。例如A相由A1、A2、A3、A4串联而成，B、C相以此类推。转子4面向外定子1的一侧设有10个凸极转子齿，转子4中均匀设有四个空心隔磁环5，隔磁环5为带有一定厚度的弧形空心环，转子4面向内定子6的一侧则光滑。内定子6包含4个内定子齿P1～P4，内定子槽内嵌有一套悬浮力绕组7，由4个悬浮力绕组线圈组成，每个悬浮力绕组线圈横跨在一个内定子齿上。

本发明双定子无轴承磁通切换永磁电机的电磁转矩产生原理与传统磁通切换永磁电机相同。在转子齿与同一相转矩绕组线圈下分属于相邻两个U形铁心单元的定子齿分别对齐过程中，转矩绕组2里匝链的永磁磁链极性和数值大小会发生改变，又由于其独有的转矩绕组一致性和互补性，电机每相磁链和反电动势波形成双极性正弦分布，故通入与反电动势同相位的正弦波形电流，可以产生平稳的电磁转矩。

本发明双定子无轴承磁通切换永磁电机的悬浮力产生原理是通过单独控制每个悬浮力绕组线圈的导通情况和电流值得到所需任意方向上的悬浮力。内定子6设置4个内定子齿P1、P2、P3、P4，P1和P3极上的悬浮力绕组控制x轴正负方向上的悬浮力，P2和P4极上的悬浮力绕组控制y轴正负方向上的悬浮力，x方向和y方向的悬浮力可以合成任意方向的悬浮力。当转子4向x轴负方向发生偏心时，内定子6和转子4之间的气隙大小不均匀，x轴正方向处气隙长度减小、x轴负方向处气隙长度增大，从而x轴正方向处的气隙磁密大于x轴负方向处的气隙磁密，此时转子4受到一个x轴负方向的麦克斯韦力，而且此力的大小随着转子4偏心量的增加而增大。此时给P3极上的悬浮力绕组通入一定大小的电流，使得x轴负方向处的气隙磁密大于x轴正方向处的气隙磁密，产生一个x轴正方向的麦克斯韦力，将转子4拉回平衡位置。

图2所示为本发明双定子无轴承磁通切换永磁电机转矩绕组和悬浮力绕组共同导通时的磁场分布图。图3所示为本发明双定子无轴承磁通切换永磁电机无转子隔磁环时转矩绕组和悬浮力绕组共同导通时的磁场分布图。由图2、图3可以看出，当转子4上没有隔磁环5时，转矩绕组磁场和悬浮力绕组磁场互相耦合；当转子4中均匀设有四个空心隔磁环5时，转矩系统磁场几乎没有磁力线进入悬浮系统内，悬浮系统磁场也几乎没有磁力线进入转矩系统内。根据磁阻最小原理，转矩绕组磁场和悬浮力绕组磁场之间的耦合在很大程度上被空心隔磁环5隔开，达到了转矩系统和悬浮系统之间电磁隔离的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种双定子无轴承磁通切换永磁电机，其特征在于，包括外定子(1)、转矩绕组(2)、永磁体(3)、转子(4)、隔磁环(5)、内定子(6)、悬浮力绕组(7)；所述外定子(1)、转子(4)、内定子(6)自外向内设置均为凸极结构，以同心同轴的方式嵌套在一起；

所述外定子(1)由多个U形铁心单元和多个永磁体(3)交替拼接而成；所述永磁体(3)沿切向充磁，且相邻两块永磁体(3)的充磁方向相反；所述外定子(1)槽内嵌有一套转矩绕组(2)；所述转子(4)面向外定子(1)的一侧设有多个凸极转子齿，转子(4)中均匀设有多个空心隔磁环(5)，隔磁环(5)为带有一定厚度的弧形空心环，转子(4)面向内定子(6)的一侧则光滑；所述内定子(6)包含多个内定子齿，内定子槽内嵌有一套悬浮力绕组(7)。

2.根据权利要求1所述的双定子无轴承磁通切换永磁电机，其特征在于，所述U形铁心单元为12个，永磁体(3)为12个，转矩绕组线圈为12个，转子齿为10个，隔磁环(5)为4个，内定子(6)包含4个内定子齿，悬浮力绕组线圈为4个。

3.根据权利要求1所述的双定子无轴承磁通切换永磁电机，其特征在于，所述转矩绕组(2)采用集中绕组的形式，由12个转矩绕组线圈组成，共分为三相，每相绕组含有4个线圈。

4.根据权利要求1所述的双定子无轴承磁通切换永磁电机，其特征在于，所述悬浮力绕组(7)采用集中绕组的形式，由多个悬浮力绕组线圈组成，每个悬浮力绕组线圈横跨在一个内定子齿上，通过单独控制每个悬浮力绕组线圈的导通情况和电流值得到所需悬浮力。

5.根据权利要求1所述的双定子无轴承磁通切换永磁电机，其特征在于，所述转矩绕组(2)和悬浮力绕组(7)的磁通路径相互独立。

6.根据权利要求1所述的双定子无轴承磁通切换永磁电机，其特征在于，所述永磁体(3)材料为钕铁硼。