CN106385203B - 一种轴向分相内定子永磁偏置磁悬浮开关磁阻飞轮电机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种轴向分相内定子永磁偏置磁悬浮开关磁阻飞轮电机，包括外转子、飞轮、内定子，所述外转子叠压封装在飞轮内侧，内定子铁芯、外转子铁芯沿轴按相数分成m段，每段外转子内侧沿圆周等间隔设置12个转子极，内定子铁心上设有8个窄齿主磁极和4个宽齿悬浮极，窄齿主磁极和宽齿悬浮极上分别绕有主极控制线圈和悬浮控制线圈，每段窄齿主磁极上的线圈相互串联构成主极绕组，每段宽齿悬浮极上的控制线圈两两串联，构成正交方向两套悬浮绕组。本发明减小系统体积，提高临界转速；降低悬浮支承损耗，提升运行效率；定子极分设悬浮极、主磁极以及隔磁环，简化控制算法，提高悬浮性能和解耦效果。

Description

一种轴向分相内定子永磁偏置磁悬浮开关磁阻飞轮电机

技术领域

本发明属于磁悬浮开关磁阻电机的技术领域，具体的说是涉及一种轴向分相内定子永磁偏置磁悬浮开关磁阻飞轮电机。

背景技术

能源短缺和环境污染是世界各国面临的重大难题，开发节能环保的电动汽车，以减少对燃油消耗和排气污染，是缓解这一问题的有效途径。电池是电动汽车的动力源泉，也是制约电动汽车发展的关键因素之一，飞轮电池以其比能量高、比功率大、充电快、绿色环保等优点受到国内外高度重视，但目前尚存在诸多技术难题制约其实际工程应用，其中悬浮支承与高速运行问题尤为突出。磁轴承支承可降低飞轮电池损耗，但系统结构复杂、临界转速受限且故障率高。近年来兴起的磁悬浮电机(又称无轴承电机)技术结合了磁轴承与电机的双重优点，可简化系统结构，提高临界转速、提升系统集成度与可靠性，在飞轮电池领域具备独特优势。磁悬浮开关磁阻电机在充分保留开关磁阻电机高速优良特性基础上，通过自身悬浮力的主动控制，进一步改善电机高速性能与运行效率。将其引入飞轮电池，可实现飞轮电池低功耗的悬浮支承和高速充放电运行，提高悬浮性能、临界转速与功率密度。

日本学者最早提出12/8极双绕组结构磁悬浮开关磁阻电机，该电机在定子极上安装两套集中式绕组，分别为主绕组和悬浮绕组，通过两套绕组电流的合理控制实现转子旋转与自悬浮。该电机气隙磁场由载流主绕组和载流悬浮绕组共同作用产生，使得悬浮力和电磁转矩呈现强烈的电磁耦合特性，分析以及解耦控制难度大。为此国内外学者相继开展了新型结构磁悬浮开关磁阻电机的研究，出现了双定子、混合转子、混合定子以及永磁偏置等多种结构。这些新结构的提出有效地削弱了电磁耦合问题，然而，用于飞轮电池时，还有诸多不足，如双定子结构不易于电机和飞轮集成化设计，且内外定子绕组存在严重的温升和散热问题，电机高速运行下效率较低；混合转子结构导致电机轴向长度依然较长，飞轮临界转速受限；混合定子以及永磁偏置结构采用外定子结构，电机不易于与飞轮集成一体，且永磁体在外定子侧，消耗永磁材料较多，性价比不高。

综上可见，现有磁悬浮开关磁阻电机用于飞轮电池领域时，在结构、机理和功能上还存在不足，因此有必要结合飞轮电池具体应用有针对性地设计新结构。

发明内容

本发明为了更好满足飞轮电池集成化、低功耗、高转速运行性能要求，提出一种轴向分相内定子永磁偏置磁悬浮开关磁阻飞轮电机。该电机采用内定子结构，将电机转子与飞轮合二为一，减小系统体积，提高临界转速；通过轴向分相设计实现四自由度悬浮支承，提高系统的悬浮性能；采用永磁体提供偏置磁通，降低悬浮支承损耗，提升系统效率与功率密度。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种轴向分相内定子永磁偏置磁悬浮开关磁阻飞轮电机，包括外转子、飞轮、内定子，所述外转子叠压封装在飞轮内侧，飞轮与转子合二为一成一个整体，内定子铁芯、外转子铁芯沿轴按相数分成m段，每段外转子内侧沿圆周等间隔设置12个转子极，内定子铁心上设有8个窄齿主磁极和4个宽齿悬浮极，窄齿主磁极和宽齿悬浮极上分别绕有主控制线圈和悬浮控制线圈，每段窄齿主磁极上的线圈相互串联构成主绕组，每段宽齿悬浮极上的控制线圈两两串联，构成正交方向两套悬浮绕组，窄齿主磁极与宽齿悬浮极之间装有隔磁套，两段内定子铁心之间装有永磁体，采用轴向充磁，为径向悬浮力的产生提供偏置磁通。

优选的：每段内定子宽齿悬浮极的极宽是一个转子极距，每段转子极沿圆周方向错开1/m个转子极距，实现自启动。

本发明的有益效果是：（1）采用轴向分相结构，一台磁悬浮开关磁阻电机便可实现飞轮径向四个自由度悬浮控制，减小了两端采用电磁或其它轴承固有的动、静态损耗和轴向长度，缩小了体积，提高飞轮临界转速；

(2) 内定子结构，电机转子叠压封装在飞轮内侧，飞轮与电机合二为一，进一步提高了系统轴向利用率与飞轮临界转速，缩小整机体积，同时改善系统的动力特性和稳定性，提高飞轮转子强度与电机瞬时功率，从而增大了飞轮电池的比容量和比功率；

(3) 采用永磁体提供偏置磁通，降低了产生同样大小的悬浮力所需电流，提升了系统运行效率，且永磁体安装在定子侧，转子上既无绕组也无永磁体，因此，具备效率高、转子结构简单坚固以及永磁体易于散热等优点；

(4) 定子上分设窄齿主磁极和宽齿悬浮极，并在主磁极与悬浮极之间安装隔磁部件，使电机主磁路与悬浮磁路彼此独立，从结构上削弱了悬浮磁路与主磁路之间的强耦合问题，便于简化控制算法，实现高速、超高速运行；

(5) 悬浮极的极宽是一个转子极距，在转子旋转过程中转子与悬浮极的对齐面积始终等于转子极宽，悬浮力恒定不变，降低了悬浮控制难度，提升了悬浮性能和运行可靠性。

本发明将飞轮与电机合二为一，减小系统体积，提高临界转速；通过轴向分相设计实现飞轮径向四自由度悬浮支承；采用永磁体提供偏置磁通，降低悬浮支承损耗，提升运行效率；定子极分设悬浮极、主磁极以及隔磁环，简化控制算法，提高悬浮性能和解耦效果。

附图说明

图1 是本发明电机结构轴向截面示意图。

图2 是本发明电机结构A相径向截面示意图。

图3 是本发明电机绕组A相连接示意图。

图4是本发明电机结构B相径向截面示意图。

其中：1-内定子；2-外转子；3-永磁环；4-飞轮；101-主磁极；102-隔磁套；103-悬浮极；201-转子极；202-转子轭部；104-悬浮绕组；105-主极绕组；106-悬浮控制磁通；107-主极控制磁通；108-永磁偏置磁通。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1所示，本发明是一种轴向分相内定子永磁偏置磁悬浮开关磁阻飞轮电机，包括内定子1、外转子2、永磁环3、飞轮4，所述外转子2叠压封装在飞轮4内侧，也就是说飞轮4固定在电机外转子2外侧，飞轮与转子合二为一成一个整体，内定子铁芯、外转子铁芯沿轴按相数分成m段，图1给出了m=2的特殊情况，分别为A相部分和B相部分，每段内定子1铁心之间装有永磁环3，采用轴向充磁，为径向悬浮力的产生提供偏置磁通。

如图2所示，本发明所述一种轴向分相内定子永磁偏置磁悬浮开关磁阻飞轮电机，A相内定子1铁心上设有4个宽齿悬浮极103，四个宽齿悬浮极103之间等间隔设置八个窄齿主磁极101，宽齿悬浮极103与窄齿主磁极101之间安装隔磁套102，外转子内侧沿圆周等间隔设置12个转子极201；宽齿悬浮极103的极宽是一个转子极距，在任意转子位置下悬浮极与转子极对齐面积不变。

如图3所示，本发明所述一种轴向分相内定子永磁偏置磁悬浮开关磁阻飞轮电机，每段宽齿悬浮极上的控制线圈两两串联，构成正交方向两套悬浮绕组，A相窄齿主磁极101和宽齿悬浮极103上分别绕有主极控制线圈和悬浮控制线圈，A相八个窄齿主磁极上的控制线圈互相串联构成A相主极绕组105，A相悬浮绕组104包括正交方向两套，分别由各自方向2个正对宽齿悬浮极上的控制线圈反向串联而成。

如图4所示，本发明所述一种轴向分相内定子永磁偏置磁悬浮开关磁阻飞轮电机，B相转子极相对A相转子极沿圆周方向错开1/m个转子极距，图中给出了m=2的情况，实现自启动和低转矩脉动，其余B相定转子结构以及绕组连接方式均与A相相同。

本发明将飞轮与电机合二为一，减小系统体积，提高临界转速；通过轴向分相设计实现飞轮径向四自由度悬浮支承；采用永磁体提供偏置磁通，降低悬浮支承损耗，提升运行效率；定子极分设悬浮极、主磁极以及隔磁环，简化控制算法，提高悬浮性能和解耦效果。

Claims (1)

1.一种轴向分相内定子永磁偏置磁悬浮开关磁阻飞轮电机，包括外转子、飞轮、内定子、永磁环，其特征在于：所述外转子叠压封装在飞轮内侧，飞轮与转子合二为一成一个整体，内定子铁芯、外转子铁芯沿轴按相数分成m段，每段内定子铁心之间装有永磁环，采用轴向充磁，为径向悬浮力的产生提供偏置磁通，每段外转子内侧沿圆周等间隔设置12个转子极，内定子铁心上设有8个窄齿主磁极和4个宽齿悬浮极，窄齿主磁极与宽齿悬浮极之间装有隔磁套，窄齿主磁极和宽齿悬浮极上分别绕有主控制线圈和悬浮控制线圈，每段窄齿主磁极上的线圈相互串联构成主绕组，每段宽齿悬浮极上的控制线圈两两串联，构成正交方向两套悬浮绕组，每段内定子宽齿悬浮极的极宽是一个转子极距，每段转子极沿圆周方向错开1/m个转子极距，实现自启动。