CN106992644A - 一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机 - Google Patents

一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，包括永磁体1，内定子导磁板2，内定子3，内定子气隙4，转子5，外定子导磁板6，外定子轭7，外定子悬浮极8，隔磁板9，外定子转矩极10，外定子悬浮极绕组11，外定子转矩极绕组12，外定子气隙13。永磁体1提供电机产生悬浮力所需的偏置磁场，该磁场通过永磁体1，内定子导磁板2，外定子导磁板6，外定子轭7，外定子悬浮极8，外定子气隙13，转子5，内定子气隙4，内定子3形成闭合回路。通过隔磁板9的作用，外定子转矩极10和外定子悬浮极8之间无磁场耦合。同时，外定子悬浮极绕组11独立控制。本发明结构紧凑，系统功耗低，效率高，转矩和悬浮力无耦合且控制简单灵活。

Description

一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机
技术领域
本发明涉及一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其转矩磁通路径为短磁路且无磁通反向，提高了开关磁阻电机输出转矩，可作为高速、高效率电机，特别适用于飞轮电池领域。
背景技术
随着我国经济持续的高速发展，工业中众多领域如高速机床，离心机，压缩机，飞轮电池等需要高速甚至超高速电机的驱动，机械轴承支承转轴的高速/超高速电机中，由于电机高速旋转使得摩擦阻力增加，轴承磨损严重，需定期维护，电机寿命短，且因摩擦过程中，产生大量的热量，电机工作效率低。高速、高效率电机越来越受到重视，然而可靠性、高损耗等问题制约着高速、高效率电机的发展。为此，本专利提出一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，具有结构紧凑，功耗低，效率高，转矩和悬浮力无耦合且控制简单灵活的优点。
发明内容
本发明提出了一种开关磁阻电机改进结构，具有结构紧凑、功耗低、效率高、转矩和悬浮力无耦合且控制简单灵活的优点。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，包括永磁体，内定子导磁板，内定子，内定子气隙，转子，外定子导磁板，外定子轭，外定子悬浮极，隔磁板，外定子转矩极，外定子悬浮极绕组，外定子转矩极绕组，外定子气隙；
永磁体一端连接内定子导磁板的中心处，另一端连接内定子，转子与内定子之间留有内定子气隙，转子有多个凸极齿，多个凸极齿与外定子悬浮极以及外定子转矩极之间留有外定子气隙；外定子轭的外侧与外定子导磁板相连，外定子轭内侧与四个等间距分布的外定子悬浮极相连，相邻两个外定子悬浮极之间安装有隔磁板，隔磁板外侧与定子轭相连，内侧安转外定子转矩极；外定子悬浮极上叠绕外定子悬浮极绕组，外定子转矩极上叠绕外定子转矩极绕组，隔磁板解决了产生悬浮力的磁场与产生转矩的磁场之间的耦合。
进一步，永磁体产生的磁场经过永磁体，内定子导磁板，外定子导磁板，外定子轭，外定子悬浮极，外定子气隙，转子，内定子气隙，内定子形成闭合回路。
进一步，永磁体产生的磁场作为产生悬浮力所需的偏置磁场，通过控制外定子悬浮极绕组电流大小和方向即可实现转子的悬浮。
进一步，外定子转矩极绕组中的四相电流均独立控制，具有单绕组、短磁路结构。
进一步，转子共有14个凸极齿，凸极齿与外定子悬浮极以及外定子转矩极之间留有外定子气隙。
进一步，采用隔磁板，实现了转矩与悬浮力的解耦。
所述内定子导磁板和外定子导磁板，由导磁良好的材料制成，如硅钢，内定子导磁板分别与永磁体和外定子导磁板相连。
所述内定子由导磁良好的材料制成，如硅钢，其为圆盘形，轴向长度与转子，外定子相同，内定子与转子之间留有内定子气隙。
所述转子由导磁良好的材料制成，如硅钢。
所述外定子轭由导磁良好的材料制成，如硅钢，外定子轭外侧与外定子导磁板相连，外定子轭内侧与四个等间距分布的外定子悬浮极相连，相邻两个外定子悬浮极之间安装由隔磁板，解决了产生悬浮力的磁场与产生转矩的磁场之间的耦合，提高了电机的运行可靠性。
所述隔磁板外侧与定子轭相连，内侧安转外定子转矩极。
所述外定子悬浮极上叠绕外定子悬浮极绕组。外定子转矩极上叠绕外定子转矩极绕组，共有四相，每相均独立控制，具有单绕组、短磁路结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：产生悬浮力所需的偏置磁场由永磁体产生，电机功耗小，结构紧凑，效率高；采用隔磁板，使得转矩与悬浮力之间没有解耦，电机控制简单，可靠性提高；外定子转矩极绕组，共有四相，每相均独立控制，效率高，控制灵活。
附图说明
图1所示为一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机展开图；(a)为该电机侧视图；(b)为该电机主视图；
图2所示为一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机示意图；
图3所示为永磁体、内定子以及内定子导磁板连接示意图；
图4所示为一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机转矩/悬浮工作原理图；
图5所示为x方向悬浮力产生示意图。
图中：永磁体1，内定子导磁板2，内定子3，内定子气隙4，转子5，外定子导磁板6，外定子轭7，外定子悬浮极8，隔磁板9，外定子转矩极10，外定子悬浮极绕组11，外定子转矩极绕组12，外定子气隙13.
具体实施方式
如图1所示，一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机展开图，包括永磁体1，内定子导磁板2，内定子3，内定子气隙4，转子5，外定子导磁板6，外定子轭7，外定子悬浮极8，隔磁板9，外定子转矩极10，外定子悬浮极绕组11，外定子转矩极绕组12，外定子气隙13。转子5与内定子3之间留有内定子气隙4，转子有14个凸极齿，14个凸极齿与外定子悬浮极8以及外定子转矩极10之间留有外定子气隙13。转子5与内定子3之间留有内定子气隙4。外定子轭7的外侧与外定子导磁板6相连，外定子轭7内侧与四个等间距分布的外定子悬浮极8相连，相邻两个外定子悬浮极8之间安装有隔磁板9。隔磁板9外侧与定子轭7相连，内侧安转外定子转矩极10。外定子悬浮极8上叠绕外定子悬浮极绕组11，外定子转矩极10上叠绕外定子转矩极绕组12。隔磁板9解决了产生悬浮力的磁场与产生转矩的磁场之间的耦合。
如图2所示，一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，内定子导磁板2与外定子导磁板6相连，永磁体产生的磁场通过内定子导磁板2，外定子导磁板6，外定子轭7，外定子悬浮极8，外定子气隙13，转子5，内定子气隙4，内定子3形成闭合回路。
如图3所示，本发明所采用的永磁体1一端连接内定子3，一端连接内定子导磁板2。
如图4所示，一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机转矩/悬浮工作原理：转矩部分采用单绕组短磁路结构，外定子转矩极绕组12共有八个集中式绕组：A1绕组与A2绕组串联，其控制电流为iA，B1绕组与B2绕组串联，其控制电流为iB，C1绕组与C2绕组串联，其控制电流为iC，D1绕组与D2绕组串联，其控制电流为iD。根据磁阻最小原理，实现电机正、反转，进而实现电动/发电功能。iA，iB，iC，iD电流独立控制，具有单绕组结构，提高了系统的容错性能，且采用短磁路结构，降低了系统漏磁，进一步提高了电机的运行效率。外定子悬浮极绕组11共有四个集中式绕组：F1绕组控制电流为i F1，F2绕组控制电流为i F2，F3绕组控制电流为i F3，F4绕组控制电流为iF4。控制电流产生的磁场大小与方向，与永磁体1产生的磁场相叠加或者消弱，进而产生转子上的不对称磁场力，结合相应的控制系统，可以实现两个自由度的悬浮。
如图5所示，x正方向悬浮力产生示意图；永磁体1产生的磁通为φp，此时对绕组F1和F3通如图所示的电流，则转子5在x正方向的磁通量为φp+φi，在x正方向的磁通量为φp-φi，则产生x正方向悬浮力，合理控制不同绕组电流大小和方向，即可产生径向任意方向的悬浮力，实现转子悬浮。
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)

1.一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，包括永磁体(1)，内定子导磁板(2)，内定子(3)，内定子气隙(4)，转子(5)，外定子导磁板(6)，外定子轭(7)，外定子悬浮极(8)，隔磁板(9)，外定子转矩极(10)，外定子悬浮极绕组(11)，外定子转矩极绕组(12)，外定子气隙(13)；
永磁体(1)一端连接内定子导磁板(2)的中心处，另一端连接内定子(3)，转子(5)与内定子(3)之间留有内定子气隙(4)，转子有多个凸极齿，多个凸极齿与外定子悬浮极(8)以及外定子转矩极(10)之间留有外定子气隙(13)；外定子轭(7)的外侧与外定子导磁板(6)相连，外定子轭(7)内侧与四个等间距分布的外定子悬浮极(8)相连，相邻两个外定子悬浮极(8)之间安装有隔磁板(9)，隔磁板(9)外侧与定子轭(7)相连，内侧安转外定子转矩极(10)；外定子悬浮极(8)上叠绕外定子悬浮极绕组(11)，外定子转矩极(10)上叠绕外定子转矩极绕组(12)，隔磁板(9)解决了产生悬浮力的磁场与产生转矩的磁场之间的耦合。
2.如权利要求1所述一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，永磁体(1)产生的磁场经过永磁体(1)，内定子导磁板(2)，外定子导磁板(6)，外定子轭(7)，外定子悬浮极(8)，外定子气隙(13)，转子(5)，内定子气隙(4)，内定子(3)形成闭合回路。
3.如权利要求1所述一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，永磁体(1)产生的磁场作为产生悬浮力所需的偏置磁场，通过控制外定子悬浮极绕组(11)电流大小和方向即可实现转子(5)的悬浮。
4.如权利要求1所述一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，外定子转矩极绕组(12)中的四相电流均独立控制，具有单绕组、短磁路结构。
5.如权利要求1所述一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，转子(5共有14个凸极齿，凸极齿与外定子悬浮极(8)以及外定子转矩极(10)之间留有外定子气隙(13)。
6.如权利要求1所述一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，采用隔磁板(9)，实现了转矩与悬浮力的解耦。
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