CN106981966B - 一种永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机 - Google Patents

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Abstract

一种永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机,由定子背轭、永磁体、定子悬浮力铁心、定子转矩铁心、转子铁心、悬浮力绕组线圈、转矩绕组线圈、辅助励磁绕组线圈和轴组成。定子背轭内侧为定子悬浮力铁心和定子转矩铁心,永磁体嵌入在定子背轭,定子悬浮力铁心与定子转矩铁心之间。定子悬浮力铁心和定子转矩铁心分别绕有悬浮力绕组线圈和转矩绕组线圈。辅助励磁绕组线圈缠绕在定子转矩铁心轭部的辅助绕组安装槽内。定子悬浮力铁心及定子转矩铁心的内部为转子铁心,转子铁心内部为轴。本发明通过永磁体提供偏置磁场,减小电机损耗,缩短轴向长度;同时利用永磁体和辅助励磁绕组线圈提供激励磁通,使电机增大电磁转矩,提高电机的效率。

Description

一种永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机
技术领域
本发明涉及一种永磁辅助励磁的12/14无轴承开关磁阻电机,特别是一种永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机,可作为高速、高精度的驱动电机。
背景技术
开关磁阻电机是近二十年依靠现代微电子技术、现代电力电子技术和控制技术等学科不断进步而逐步发展起来的一种结构简单的新型调速电机,其运行原理不同于感应电机和直流电机,而是依靠“磁阻最小原理”产生转矩。开关磁阻电机的定、转子均为双凸极结构,可由硅钢片叠压而成,其中定子齿极上绕有集中绕组,转子上既无永磁体也没有绕组,因此电机的结构极其简单。简单的电机结构及运行原理带来了可靠性好、系统控制灵活和运行效率高等一系列优点。
将磁悬浮技术中的无轴承技术引入开关磁阻电机中,可充分发挥开关磁阻电机的高速适应性。同时,通过对定、转子间不对称径向力的主动控制,有望改善开关磁阻电机固有的振动和噪声问题。此外,无轴承技术的应用也为开关磁阻发电机在分布式发电系统、不间断电源和可再生能源发电的飞轮储能系统、以及电动/混合动力汽车等领域的应用创造了条件。在专利201310711241.2中提出的永磁偏置无轴承开关磁阻电机中,提出一种利用永磁偏置磁场,实现转子悬浮控制的无轴承开关磁阻电机。虽然通过对定子转矩铁心齿位置的调整,可以在一定程度上使电机增大电磁转矩,但受槽满率限制,增加程度有限。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有无轴承开关磁阻电机技术的不足,提供一种永磁偏置磁场,实现转子悬浮控制,增大输出转矩,便于实现高速运行的无轴承开关磁阻电机。
本发明的技术解决方案是:一种永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机,由一个定子背轭、八个永磁体、四个定子悬浮力铁心、四个定子转矩铁心、一个转子铁心、一个轴、四个悬浮力绕组线圈、八个转矩绕组线圈、四个辅助励磁绕组线圈组成。定子背轭与定子悬浮力铁心,定子转矩铁心相连。定子悬浮力铁心上绕制有悬浮力绕组线圈;每个定子转矩铁心有两个齿,上面绕制有转矩绕组线圈。设定子悬浮力铁心与定子转矩铁心的外径为r1,内径为r2,定子转矩铁心齿根部弧长λ1,齿高h1,极弧βst;定子悬浮力铁心齿根部弧长λ2,齿高h1,极弧βss;定子转矩铁心槽宽为永磁体嵌入在定子背轭,定子悬浮力铁心及定子转矩铁心之间。永磁为六面体结构,其中一个面为拱形面,与定子背轭相连,其他五个面为平面,有两个侧面分别与定子悬浮力铁心侧面和定子转矩铁心侧面相连,永磁体在相邻的定子悬浮力铁心与定子转矩铁心之间。其中定子悬浮力铁心、永磁体与定子转矩铁心之间留有第二气隙,长度为δ2;定子悬浮力铁心、定子转矩铁心与转子铁心之间留有第一气隙,长度为δ1,二者满足δ2≥2δ1。在每个定子转矩铁心两齿间的中心线处,存在有从定子转矩铁心的内、外两侧看过去的相对的一对方形凹槽,作为辅助励磁绕组安装槽。辅助励磁绕组线圈缠绕在辅助励磁绕组安装槽内,辅助励磁绕组安装槽共有四对。设辅助励磁绕组安装槽宽λ3,槽深h2,两个辅助励磁绕组安装槽相连部分厚度为μ,则应满足μ≥λ1定子悬浮力铁心和定子转矩铁心的内部为转子铁心,定义转子极弧为βr,转子极距为τr,则有βstr≤τr,βss≥τr。转子铁心的内部为轴。
上述方案的原理是:一方面,永磁体提供无轴承开关磁阻电机的偏置磁场,用以产生稳定的悬浮力。永磁体产生的磁通通过定子悬浮力铁心轭部、定子悬浮力铁心齿部、第一气隙、转子铁心、轴形成磁路,提供永磁偏置磁场,同时通过调节悬浮力绕组线圈中的电流来保持无轴承开关磁阻电机转子的稳定的悬浮力。另一方面,由永磁体产生的磁通在辅助励磁绕组线圈的作用下,改变其原有的磁通路径,增大定子转矩铁心和转子铁心之间的磁通,从而达到增加输出转矩的目的。(将悬浮力定子铁心标记为A1,A2,B1,B2)定子悬浮力铁心上的悬浮力绕组产生的磁路为:以定子悬浮力铁心A1,A2为例,如图3所示,定子悬浮力铁心A1上的悬浮力绕组线圈通电后等效为N极,定子悬浮力铁心A2上的悬浮力绕组线圈等效为S极,磁路从定子悬浮力铁心A1出发,经过悬浮力铁心和定子转矩铁心的轭部及第二气隙,来到定子悬浮力铁心A2,经过A2与转子铁心之间的第一气隙,转子铁心,轴,转子铁心,A1与转子铁心之间的第一气隙,回到定子悬浮力铁心A1,形成闭合回路。(将转矩定子铁心齿标记为T1,T2,T3,T4,T1’,T2’,T3’,T4’)以T3,T4,T3’,T4’产生的磁路来看,T3,T4,T3’,T4’上的转矩绕组线圈串联,同时通电,转矩绕组线圈产生磁场。如图4所示,磁通从定子转矩铁心齿T3出发,经过定子转矩铁心轭部,定子转矩铁心齿T4,第一气隙,转子铁心,第一气隙,回到定子转矩铁心齿T3,形成闭合回路;同样的,磁通从定子转矩铁心齿T3’出发,经过定子铁心轭部,定子转矩铁心齿T4’,第一气隙,转子铁心,第一气隙,回到定子转矩铁心齿T3’,形成闭合回路。将永磁体标记为(P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8)以永磁体P1,P2产生磁路方向看:如图5所示,磁通从永磁体P1的N极出发经过定子悬浮力铁心B2,第一气隙,转子铁心,轴,转子铁心,第一气隙,定子悬浮力铁心A1,永磁体P2,回到P1的S极,形成闭合回路,即定子在y轴方向产生了一个向上沿着+y方向的磁场;以永磁体P7,P8产生磁路方向看,磁通从永磁体P8的N极出发经过定子悬浮力铁心B2,第一气隙,转子铁心,轴,转子铁心,第一气隙,定子悬浮铁心A2,永磁体P7,后回到P8的S极,形成闭合回路,即定子在y轴方向产生了一个向下沿着-y方向的磁场。辅助励磁绕组线圈产生的磁路为:如图7所示,以永磁体P1,P2之间的辅助励磁绕组线圈为例,磁通从辅助励磁绕组线圈出发,经过转矩定子铁心T4’,第一气隙,转子铁心,第一气隙,T3’回到辅助励磁绕组线圈,形成闭合回路。永磁体2在辅助励磁绕组线圈9通电情况下的磁通路径为:如图6所示,以P1,P2为例,磁通从永磁体P2的N极出发,经过T4’相,第一气隙,转子铁心,第一气隙,T3’相,永磁体P1,定子悬浮力铁心B2,第一气隙,转子铁心,轴,定子悬浮力铁心A1,回到永磁体P2的S极,形成闭合回路。图8所示为本发明所述转矩绕组线圈的电感曲线。当转子处在不同位置时,电机内的磁场分布不同,转矩绕组电感L将随着转子磁极相对于定子转矩铁心磁极位置的变化而变化。当转子转动时,转矩绕组电感L在最大电感Lmax与最小电感Lmin之间周期性变化。最大电感Lmax是指转子与转矩定子铁心磁极轴线重合时的转矩绕组电感;最小电感Lmin是指转矩定子铁心磁极轴线与转子磁极间中心线重合时的转矩绕组电感。转矩绕组电感L的周期等于转子极距τr。在区域内,转矩极上的绕组线圈根据转子位置依次通电,电机输出转矩,此时电机工作在电动(起动)模式;在区域内,转矩绕组线圈不通电,在永磁体和辅助励磁绕组线圈的作用下,随着转子位置的变化,在转矩极上的绕组线圈产生感应电动势,向外输出电压,此时电机工作在发电模式。由此可知,转矩产生的原理为:T1,T2,T1’,T2’上的转矩绕组线圈串联,同时通电,产生磁场。在转子转动过程中,由于磁拉力的存在,产生转矩。同时,当辅助励磁绕组线圈通电之后,永磁体产生的磁通会改变其磁通路径,增大定子转矩铁心与转子铁心之间的磁通大小,从而达到增加输出转矩的目的。
附图说明
图1为本发明技术方案永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机轴向剖面图;
图2为本发明技术方案永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机定子悬浮力铁心和定子转矩铁心结构图;
图3为本发明技术方案永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机悬浮力绕组线圈磁通路径图;
图4为本发明技术方案永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机转矩绕组线圈磁通路径图;
图5为本发明技术方案永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机永磁磁通路径图;
图6为本发明技术方案永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机永磁体在辅助励磁绕组线圈通电情况下的磁通路径图;
图7为本发明技术方案永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机辅助励磁绕组线圈磁通路径图;
图8为本发明技术方案永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机转矩绕组线圈的电感曲线。
具体实施方式
如图1所示,为本发明技术一种永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机轴向剖面图,由一个定子背轭1、八个永磁体2、四个定子悬浮力铁心3、四个定子转矩铁心4、一个转子铁心5、一个轴6、四个悬浮力绕组线圈7、八个转矩绕组线圈8,四个辅助励磁绕组线圈9组成。定子悬浮力铁心3由沿+x,-x,+y,-y方向放置四个定子悬浮力铁心齿构成,且其上绕有悬浮力绕组线圈7;定子转矩铁心4共八个齿,均匀的分布在圆周上,且其上绕有转矩绕组线圈8。设定子悬浮力铁心3与定子转矩铁心4的外径为r1,内径为r2,定子转矩铁心齿根部弧长λ1,齿高h1,极弧βst;定子悬浮力铁心3齿根部弧长λ2,齿高h1,极弧βss;则定子转矩铁心4槽宽为八个永磁体2分别位于定子悬浮力铁心3与定子转矩铁心4靠近定子背轭1部分的槽中,即嵌入在定子悬浮力铁心3,定子转矩铁心4及定子背轭1之间。永磁体2为六面体结构,其中一个面为拱形面,与定子背轭1相连,其他五个面为平面,有两个侧面分别与定子悬浮力铁心3侧面和定子转矩铁心4侧面相连。定子悬浮力铁心3、永磁体2与定子转矩铁心4之间留有第二气隙,长度为δ2;定子悬浮力铁心3、定子转矩铁心4与转子铁心5之间留有第一气隙,长度为δ1,二者满足δ2≥2δ1。在每个定子转矩铁心4两齿间的中心线处,存在有从定子转矩铁心的内、外两侧看过去的相对的一对方形凹槽,作为辅助励磁绕组安装槽。辅助励磁绕组线圈9缠绕在辅助励磁绕组安装槽内,辅助励磁绕组安装槽共有四对。设辅助励磁绕组安装槽宽λ3,槽深h2,两个辅助励磁绕组安装槽相连部分厚度为μ,则应满足μ≥λ1转子铁心5位于定子悬浮力铁心3和定子转矩铁心4的内部,其结构为十四个磁极齿的凸极结构。定义转子极弧为βr,转子极距为τr,则有βstr≤τr,βss≥τr。转子铁心5内部为轴6,其中轴6需具有较好的导磁特性,以提供悬浮力的磁通路径。本发明中当取定子悬浮力铁心3与定子转矩铁心4的外径r1=112mm,内径r2=58.6mm,转矩铁心齿宽λ1=10.2mm,悬浮力铁心齿宽λ2=26.3mm,齿高均为h1=45.4mm,第一气隙长度为δ1=0.6mm,转子极弧βr=13°,转子极弧τr=25.7°时,根据式βstr≤τr,可取转矩极弧βst=10°,根据βss≥τr,可以取悬浮极弧βss=25.7°,根据δ2≥2δ1,可以取第二气隙长度δ2=2δ1=1.2mm,根据式可得,定子转矩铁心4槽宽△=38.9mm,根据式μ≥λ1,取μ=10.2mm,根据h2=4mm,根据取λ3=22mm。
图2所示为本发明技术永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机的定子悬浮力铁心3和定子转矩铁心4结构图,其中定子悬浮力铁心3齿A1、A2为一组,B1、B2为一组,每组均串联一组线圈。辅助励磁绕组安装槽的中心线应与定子转矩铁心4两齿间的中心线重合;设辅助励磁绕组安装槽宽λ3,槽深h2,两个辅助励磁绕组安装槽相连部分厚度为μ,则应满足μ≥λ1 如图3所示。本发明中μ=10.2mm,h2=4mm,λ3=22mm。
图3所示为本发明技术永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机的定子悬浮力铁心3工作时的磁通路径图,两个悬浮力绕组线圈7串联的定子悬浮力铁心3通电后将形成等效磁场,其中磁路将由等效为N极的定子悬浮力铁心3出发,经过第一气隙11,转子铁心5,轴6,等效为S极的定子悬浮力铁心3,在通过定子悬浮力铁心3背轭,第二气隙10,形成闭合回路。定子悬浮力铁心3,定子转矩铁心4均由导磁性良好的硅钢片冲制后叠成。
图4所示为本发明技术永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机的转矩绕组线圈磁通路径图,T1,T2,T1’,T2’相的转矩绕组线圈8串联,T3,T4,T3’,T4’相的转矩绕组线圈8串联,两组线圈依次循环通电。图中为T3,T4,T3’,T4’相的转矩绕组线圈8通电时形成的磁通路径图,线圈通电后,定子转矩铁心4形成等效磁场,磁路由等效为N极的定子转矩铁心4齿出发,经过第一气隙11,转子铁心5,回到其相邻的等效为S极的定子转矩铁心4齿,再通过定子转矩铁心4背轭形成闭合回路。
图5所示为本发明技术永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机工作时永磁体2的磁通路径图,以P1,P2为例,磁通从永磁体P2的N极出发,经过定子转矩铁心4轭部,永磁体P1,B2,第一气隙11,转子铁心5,轴6,转子铁心5,第一气隙11,A1,回到永磁体P2的S极,形成闭合回路。
图6为本发明技术方案永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机永磁体2在辅助励磁绕组线圈9通电情况下的磁通路径图;以P1,P2为例,磁通从永磁体P2的N极出发,经过T4’相,第一气隙11,转子铁心5,第一气隙11,T3’相,永磁体P1,定子悬浮力铁心B2,第一气隙11,转子铁心5,轴6,定子悬浮力铁心A1,回到永磁体P2的S极,形成闭合回路。
图7所示为本发明技术永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机的辅助励磁绕组线圈磁通路径图。如图所示磁路由等效为N极的定子转矩铁心4齿出发,经过第一气隙11,转子铁心5,相邻的等效为S极的定子转矩铁心4齿,再通过定子转矩铁心4背轭形成闭合回路。
图8所示为本发明技术永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机的转矩绕组线圈的电感曲线。当转子处在不同位置时,电机内的磁场分布不同,转矩绕组电感L将随着转子磁极相对于转矩定子铁心磁极位置的变化而变化。当转子转动时,电机转矩绕组电感L在最大电感Lmax与最小电感Lmin之间周期性变化。最大电感Lmax是指转子与转矩定子铁心磁极轴线重合时的转矩绕组电感;最小电感Lmin是指转矩定子铁心磁极轴线与转子磁极间中心线重合时的转矩绕组电感。转矩绕组电感L的周期等于转子极距τr。本发明中τr=25.7°。在0~12.85°区域内,转矩极上的绕组线圈根据转子位置依次通电,电机输出转矩,此时电机工作在电动(起动)模式;在12.85°~25.7°区域内,转矩绕组线圈不通电,在永磁体和辅助励磁绕组线圈的作用下,随着转子位置的变化,在转矩极上的绕组线圈产生感应电动势,向外输出电压,此时电机工作在发电模式。
上述发明方案所用的轴6用导磁性能良好的材料制成,如45号钢或40Cr等。转子铁心5可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350等磁性材料冲压叠制而成。永磁体2的材料为磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体,为六面体结构,其中一个面为拱形面,其他五个面为平面,充磁方向为永磁体圆弧面两端直线的垂线方向。定子背轭1为不导磁的材料如铝制成。悬浮力绕组线圈7、转矩绕组线圈8、辅助励磁绕组线圈9可用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。

Claims (6)

1.一种永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机,其特征在于:由一个定子背轭(1)、八个永磁体(2)、四个定子悬浮力铁心(3)、四个定子转矩铁心(4)、一个转子铁心(5)、一个轴(6)、四个悬浮力绕组线圈(7)、八个转矩绕组线圈(8)、四个辅助励磁绕组线圈(9)组成;定子背轭(1)与定子悬浮力铁心(3),定子转矩铁心(4),永磁体(2)相连;定子悬浮力铁心(3)上绕制有悬浮力绕组线圈(7);每个定子转矩铁心(4)有两个齿,每个齿上绕制有转矩绕组线圈(8);设定子悬浮力铁心(3)与定子转矩铁心(4)的外径为r1,内径为r2,定子转矩铁心(4)齿根部弧长λ1,齿高h1,极弧βst;定子悬浮力铁心齿根部弧长λ2,齿高h1,极弧βss;则定子转矩铁心(4)槽宽为永磁体(2)嵌入在定子背轭(1),定子悬浮力铁心(3)及定子转矩铁心(4)之间;永磁体(2)为六面体结构,其中一个面为拱形面,与定子背轭(1)相连,其他五个面为平面,有两个侧面分别与定子悬浮力铁心(3)侧面和定子转矩铁心(4)侧面相连,永磁体(2)在相邻的定子悬浮力铁心(3)与定子转矩铁心(4)之间;其中定子悬浮力铁心(3)、永磁体(2)与定子转矩铁心(4)之间留有第二气隙(10),长度为δ2;定子悬浮力铁心(3)、定子转矩铁心(4)与转子铁心(5)之间留有第一气隙,长度为δ1,二者满足δ2≥2δ1;在每个定子转矩铁心(4)两齿间的中心线处,存在有从定子转矩铁心的内、外两侧看过去的相对的一对方形凹槽,作为辅助励磁绕组安装槽,辅助励磁绕组线圈(9)缠绕在辅助励磁绕组安装槽内,辅助励磁绕组安装槽共有四对;设辅助励磁绕组(9)安装槽宽λ3,槽深h2,每对辅助励磁绕组(9)安装槽相连部分厚度为μ,则应满足μ≥λ1 定子悬浮力铁心(3)和定子转矩铁心(4)的内部为转子铁心(5),定义转子极弧为βr,转子极距为τr,则有βstr≤τr,βss≥τr;转子铁心(5)的内部为轴(6)。
2.根据权利要求1所述的永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机,其特征在于:所述的定子背轭(1)采用不导磁的材料制成。
3.根据权利要求1所述的永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机,其特征在于:所述的永磁体(2)的充磁方向为永磁体圆弧面两端直线的垂线方向。
4.根据权利要求1所述的永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机,其特征在于:所述的悬浮力绕组线圈(7),转矩绕组线圈(8)以及辅助励磁绕组线圈(9)为集中式。
5.根据权利要求1所述的永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机,其特征在于:所述的定子悬浮力铁心(3)磁极齿的极弧长度与转子铁心(5)的极距大小相同。
6.根据权利要求1所述的永磁偏置无轴承开关磁阻起动/发电机,其特征在于:所述的轴(6)采用导磁性能良好的材料制成。
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