CN106787569A - 一种磁悬浮磁通切换电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁悬浮磁通切换电机，包括定子、转子；定子悬浮元件包括“E”型铁芯，“E”型铁芯相邻两个齿之间通过永磁体相连,两个永磁体均沿着切向方向充磁,且充磁方向相反,其中，E型铁芯第一齿与第三齿的形状和尺寸相同，“E”型铁芯的第一齿和第三齿的宽度为定子内圆周长的1/42，第二齿的宽度为定子内圆周长的1/14，相邻两齿之间的宽度均为定子内圆周长的1/42，与之相对应，转子齿宽为定子内圆周长的1/42，且转子齿数为14。悬浮元件的齿宽、齿间间隙以及转子齿数、转子齿宽的特定设计使得悬浮绕组磁场所经磁路的磁导与转子位置无关，从而使得电机的悬浮力控制无需知道转子位置信息，大大简化了控制系统。

Description

一种磁悬浮磁通切换电机
技术领域
本发明属于磁通切换电机领域，具体涉及一种磁悬浮磁通切换电机。
背景技术
无轴承永磁电机具有功率密度高、集成度高、无机械磨损的优点，广泛应用到医疗器械、磁悬浮风扇、风力发电等领域。
然而传统的无轴承永磁同步电机的永磁体位于转子，受离心力且存在退磁危险。因此，无轴承磁通切换电机是目前的一个研究热点。由于永磁体放置在定子上，其散热条件良好，不受离心力，且无退磁危险。
然而磁通切换电机的气隙磁密谐波含量丰富，给电机悬浮力和转矩的解耦控制带来了困难。
文献《CN105226893A 一种转子轴向交错式无轴承磁通切换电机》公开了一种转子轴向交错式无轴承磁通切换电机，针对一般无轴承磁通切换电机悬浮力控制复杂的问题而做的优化和改进，该电机转子在轴向分成两段，两段转子互错了180°的电角度后并联成为一个整体，同时电机定子也需在轴向分为两层，两层除了永磁体充磁方向相反以外并无其他差异。该结构利用磁通切换电机的悬浮绕组的互补特性，消除了单相悬浮绕组通电以后悬浮力切向分量的直流偏置，大大简化了控制的难度，实现了恒定悬浮力时悬浮绕组电流的正弦化。
然而，该电机仍然存在以下三个主要缺点：
（1）电机的悬浮磁场与转矩磁场在磁路上存在耦合，悬浮力控制与转矩控制存在耦合；
（2）该电机是一个复杂的三维结构，两部分之间必须设置较大的空隙来防止永磁体的短路，大大降低了系统的功率密度。
（3）悬浮控制需要知道转子的位置信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种磁悬浮磁通切换电机，解决了现有无轴承磁通切换电机悬浮磁场与转矩磁场存在耦合、电机结构复杂的问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种磁悬浮磁通切换电机，所述电机由定子、转子组成；所述定子包括转矩元件、悬浮元件、“L”型铁芯、“U”型铁芯、“E”型铁芯、永磁体、定子槽、转矩绕组、悬浮绕组、隔磁元件，每个转矩元件包括第一“L”型铁芯、第二“L”型铁芯和“U”型铁芯，第一“L”型铁芯与“U”型铁芯之间通过第一永磁体相连, “U”型铁芯与第二“L”型铁芯之间通过第二永磁体相连,第一永磁体和第二永磁体均沿着切向方向充磁,且第一永磁体和第二永磁体充磁方向相反,悬浮元件包括“E”型铁芯，“E”型铁芯包括三个齿，依次为第一至第三齿，第一齿与第二齿之间通过第三永磁体相连, 第二齿与第三齿之间通过第四永磁体相连,第三永磁体和第四永磁体均沿着切向方向充磁,且第三永磁体和第四永磁体充磁方向相反,其中，第一齿与第三齿的形状和尺寸相同，“E”型铁芯的第一齿和第三齿的宽度为定子内圆周长的1/42，第二齿的宽度为定子内圆周长的1/14，相邻两齿之间的宽度均为定子内圆周长的1/42，转子齿宽为定子内圆周长的1/42，且转子齿数为14。
悬浮元件和转矩元件间隔设置，悬浮元件与转矩元件之间设置隔磁元件。
悬浮绕组绕制于“E”型铁芯的第二齿上。
每个转矩元件上包括两个转矩绕组，“U”型铁芯的两个边分别与相邻的“L”型铁芯组合，每个组合上均绕制一个转矩绕组。
每个定子齿上均设置定子槽，悬浮绕组和转矩绕组穿过定子槽绕制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、悬浮元件与转矩原件的间隔设计实现了转矩磁场与悬浮磁场的解耦。
2、悬浮元件的齿宽、齿间间隙以及转子齿数、转子齿宽的特定设计使得悬浮绕组磁场所经磁路的磁导与转子位置无关，从而使得电机的悬浮力控制无需知道转子位置信息，大大简化了控制系统。
附图说明
图1是本发明电机结构图。
图2a是本发明悬浮元件结构尺寸图，图中a表示为定子内周长的1/42
图2b是本发明转子齿宽尺寸图。
图3是本发明悬浮绕组电感。
图4是本发明悬浮元件产生的悬浮力。
图5是本发明悬浮磁场磁力线与转矩磁场磁力线。
图6是本发明悬浮方案应用到电励磁磁通切换电机所形成的磁悬浮电励磁磁通切换电机。
图7是本发明悬浮方案应用到混合励磁磁通切换电机所形成的磁悬浮混合励磁磁通切换电机。
图8是本发明悬浮方案应用到永磁双凸极电机所形成的磁悬浮永磁双凸极电机。
图9是本发明悬浮方案应用到电励磁双凸极电机所形成的磁悬浮电励磁双凸极电机。
图10是本发明悬浮方案应用到混合励磁双凸极电机所形成的磁悬浮混合励磁双凸极电机。
图11是本发明悬浮方案应用到开关磁阻电机所形成的磁悬浮开关磁阻电机。
其中，图中的标记为：1-“L”型铁芯，2-永磁体，3-“U”型铁芯，4-隔磁元件，5-悬浮原件，6-转子，7-定子，8-悬浮绕组，9-转矩绕组，10-导磁材料，11-励磁绕组；12-转矩磁场磁力线；13-悬浮磁场磁力线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。
一种磁悬浮磁通切换电机，所述电机由定子、转子组成；所述定子包括转矩元件、悬浮元件、“L”型铁芯、“U”型铁芯、“E”型铁芯、永磁体、定子槽、转矩绕组、悬浮绕组、隔磁元件，每个转矩元件包括第一“L”型铁芯、第二“L”型铁芯和“U”型铁芯，第一“L”型铁芯与“U”型铁芯之间通过第一永磁体相连, “U”型铁芯与第二“L”型铁芯之间通过第二永磁体相连,第一永磁体和第二永磁体均沿着切向方向充磁,且第一永磁体和第二永磁体充磁方向相反, 悬浮元件和转矩元件间隔设置，悬浮元件与转矩元件之间设置隔磁元件，悬浮元件包括“E”型铁芯，“E”型铁芯包括三个齿，依次为第一至第三齿，第一齿与第二齿之间通过第三永磁体相连, 第二齿与第三齿之间通过第四永磁体相连,第三永磁体和第四永磁体均沿着切向方向充磁,且第三永磁体和第四永磁体充磁方向相反,其中，第一齿与第三齿的形状和尺寸相同，“E”型铁芯的第一齿和第三齿的宽度为定子内圆周长的1/42，第二齿的宽度为定子内圆周长的1/14，相邻两齿之间的宽度均为定子内圆周长的1/42，转子齿宽为定子内圆周长的1/42，且转子齿数为14。
悬浮绕组绕制于“E”型铁芯的第二齿上。
每个转矩元件上包括两个转矩绕组，“U”型铁芯的两个边分别与相邻的“L”型铁芯组合，每个组合上均绕制一个转矩绕组。
每个定子齿上均设置定子槽，悬浮绕组和转矩绕组穿过定子槽绕制。
具体实施例，
如图1、图2所示，一种磁悬浮磁通切换电机，所述电机由定子7、转子6组成；所述定子7包括三个转矩元件、三个悬浮元件5、六个“L”型铁芯1、三个“U”型铁芯3、十二个永磁体2、十五个定子槽、六个转矩绕组9、三个悬浮绕组8、六个隔磁元件4，相邻两个定子齿之间的距离不完全相等，悬浮元件5所在的定子齿间距大于转矩元件所在的定子齿间距；悬浮元件5和转矩元件间隔设置，悬浮元件5与转矩元件之间设置隔磁元件4，相邻两个悬浮元件5之间的周向距离相等，悬浮元件5上设置悬浮绕组8，转矩元件上设置转矩绕组9；转矩元件包括“L”型铁芯1和“U”型铁芯3，“L”型铁芯1和“U”型铁芯3之间设置永磁体2。每个转矩元件包括两个“L”型铁芯和一个“U”型铁芯，两个“L”型铁芯对称设置于“U”型铁芯的两侧，“L”型铁芯和“U”型铁芯之间的两个永磁体励磁方向相反。
每个转矩元件上包括两个转矩绕组，“U”型铁芯的两个边分别与相邻的“L”型铁芯组合，每个组合上均绕制一个转矩绕组。
悬浮元件采用如图2所示的结构以及尺寸设计，可以使得悬浮绕组的电感随着转子位置的改变不发生变化，从而悬浮力的控制无需知道转子位置信息，其中，图中的a代表悬浮元件第一齿和第三齿的宽度，a为定子内周长的1/42。
悬浮元件包括“E”型铁芯，“E”型铁芯包括三个齿，依次为第一至第三齿，其中，第一齿与第三齿的形状和尺寸相同，第二齿的宽度大于第一齿的宽度，且第二齿的宽度为第一齿宽度的3倍，相邻两齿之间均设置永磁体。
“E”型铁芯的第一齿和第三齿的宽度为定子内圆周长的1/42，第二齿的宽度为定子内圆周长的1/14，相邻两齿之间的宽度均为定子内圆周长的1/42。
悬浮绕组绕制于“E”型铁芯的第二齿上。
每个定子齿上均设置定子槽，悬浮绕组和转矩绕组穿过定子槽绕制。
所述转子齿数为14，转子齿宽为定子内圆周长的1/42。
本发明磁悬浮磁通切换电机，悬浮原件与转矩原件的间隔设计实现了转矩磁场与悬浮磁场的解耦，更为重要的是，悬浮原件的齿宽、齿间间隙以及转子齿宽的特定设计使得悬浮绕组磁场所经磁路的磁导与转子位置无关，从而使得电机的悬浮力控制无需知道转子位置信息，大大简化了控制系统。
图3为本发明悬浮绕组的电感，可以看出，随着转子位置变化，悬浮绕组的电感不发生变化，实现了悬浮绕组的电感与转子位置的解耦。
图4为本发明悬浮元件产生的悬浮力，通入直流悬浮电流，可以看到悬浮绕组产生的悬浮力不随转子位置变化，实现了悬浮力控制与转子位置信息的解耦。
图5为本发明悬浮磁场磁力线13与转矩磁场磁力线12，可以看出，悬浮磁场磁力线13与转矩磁场磁力线12是不存在耦合的，悬浮力的控制不需要知道转矩磁场的任何信息，简化了控制系统的设计。
图6为本发明悬浮方案应用到电励磁磁通切换电机所形成的磁悬浮电励磁磁通切换电机。同样可以实现悬浮力控制与转子位置的解耦以及悬浮元件磁场与转矩元件磁场的解耦，并且电机结构为2维结构。
图7为本发明悬浮方案应用到混合励磁磁通切换电机所形成的磁悬浮混合励磁磁通切换电机。同样可以实现悬浮力控制与转子位置的解耦以及悬浮元件磁场与转矩元件磁场的解耦，并且电机结构为2维结构。
图8为本发明悬浮方案应用到永磁双凸极电机所形成的磁悬浮永磁双凸极电机。同样可以实现悬浮力控制与转子位置的解耦以及悬浮元件磁场与转矩元件磁场的解耦，并且电机结构为2维结构。
图9为本发明悬浮方案应用到电励磁双凸极电机所形成的磁悬浮电励磁双凸极电机。同样可以实现悬浮力控制与转子位置的解耦以及悬浮元件磁场与转矩元件磁场的解耦，并且电机结构为2维结构。
图10为本发明悬浮方案应用到混合励磁双凸极电机所形成的磁悬浮混合励磁双凸极电机。同样可以实现悬浮力控制与转子位置的解耦以及悬浮元件磁场与转矩元件磁场的解耦，并且电机结构为2维结构。
图11为本发明悬浮方案应用到开关磁阻电机所形成的磁悬浮开关磁阻电机。同样可以实现悬浮力控制与转子位置的解耦以及悬浮元件磁场与转矩元件磁场的解耦，并且电机结构为2维结构。

Claims (5)

1.一种磁悬浮磁通切换电机，所述电机由定子、转子组成；所述定子包括转矩元件、悬浮元件、“L”型铁芯、“U”型铁芯、“E”型铁芯、永磁体、定子槽、转矩绕组、悬浮绕组、隔磁元件，每个转矩元件包括第一“L”型铁芯、第二“L”型铁芯和“U”型铁芯，第一“L”型铁芯与“U”型铁芯之间通过第一永磁体相连, “U”型铁芯与第二“L”型铁芯之间通过第二永磁体相连,第一永磁体和第二永磁体均沿着切向方向充磁,且第一永磁体和第二永磁体充磁方向相反,其特征在于: 悬浮元件包括“E”型铁芯，“E”型铁芯包括三个齿，依次为第一至第三齿，第一齿与第二齿之间通过第三永磁体相连, 第二齿与第三齿之间通过第四永磁体相连,第三永磁体和第四永磁体均沿着切向方向充磁,且第三永磁体和第四永磁体充磁方向相反,其中，第一齿与第三齿的形状和尺寸相同，“E”型铁芯的第一齿和第三齿的宽度为定子内圆周长的1/42，第二齿的宽度为定子内圆周长的1/14，相邻两齿之间的宽度均为定子内圆周长的1/42，转子齿宽为定子内圆周长的1/42，且转子齿数为14。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮磁通切换电机，其特征在于：悬浮元件和转矩元件间隔设置，悬浮元件与转矩元件之间设置隔磁元件。
3.根据权利要求1所述的磁悬浮磁通切换电机，其特征在于：悬浮绕组绕制于“E”型铁芯的第二齿上。
4.根据权利要求1所述的磁悬浮磁通切换电机，其特征在于：每个转矩元件上包括两个转矩绕组，“U”型铁芯的两个边分别与相邻的“L”型铁芯组合，每个组合上均绕制一个转矩绕组。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁悬浮磁通切换电机，其特征在于：每个定子齿上均设置定子槽，悬浮绕组和转矩绕组穿过定子槽绕制。
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