CN107134881B - 一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机 - Google Patents
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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，由12/14磁悬浮开关磁阻电机、第一永磁体、径向轴承、第二永磁体、轴向轴承和转轴组成。永磁体通过导磁板的作用，为12/14磁悬浮开关磁阻电机、径向轴承和轴向轴承提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，省去了多余的用于产生偏置磁轴的线圈，损耗低且系统结构紧凑；本发明解决了磁悬浮开关磁阻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磁悬浮开关磁阻电机转子稳定悬浮。
Description
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，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
随着我国经济持续高速发展，如高速机床、离心机、压缩机、飞轮电池等众多领域需要高速/超高速电机的驱动，然而在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，且因摩擦过程中，产生大量的热量，电机工作效率低，所以高速、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，本专利提出一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，具有功耗低、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
本发明提出一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，由12/14磁悬浮开关磁阻电机、第一永磁体、径向轴承、第二永磁体、轴向轴承和转轴组成。永磁体为12/14磁悬浮开关磁阻电机、径向轴承和轴向轴承提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，省去了多余的用于产生偏置磁场的线圈，降低了损耗。
本发明的技术方案为：一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，包括12/14磁悬浮开关磁阻电机、第一永磁体、径向轴承、第二永磁体、轴向轴承、转轴；
所述五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的转子分为同轴的三段，第一段为12/14磁悬浮开关磁阻电机的电机转子，第二段为轴承转子、第三段为轴承吸力盘；轴承转子自靠近电机转子一端依次套有第一永磁体、径向轴承定子轭、第二永磁体，第三段的轴承吸力盘上套有轴承定子；
所述五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机由12/14磁悬浮开关磁阻电机、第一永磁体、径向轴承、第二永磁体、轴向轴承和转轴稳固连为一个整体装置，实现了悬浮支承系统与驱动电机完全意义上的统一；第一永磁体采用轴向充磁，既为12/14磁悬浮开关磁阻电机提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，又为径向轴承提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，第二永磁体采用轴向充磁，既为径向轴承提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，又为轴向轴承提供了产生悬浮力所需的偏置磁场。
所述五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的12/14磁悬浮开关磁阻电机部分由四个隔磁板，四个电机悬浮极，四个电机悬浮绕组，四个电机定子铁心，八个转矩绕组，一个电机定子轭和一个电机转子组成。其中，电机定子轭内部与四个电机悬浮极相连，每个电机悬浮极上叠绕一个电机悬浮绕组，绕组均由直流电控制；相邻两个电机悬浮极之间安装一个隔磁板，隔磁板外侧与电机定子轭相连，共有四个隔磁板；每个隔磁板内侧安装一个电机定子铁心，每个电机定子铁心上有两个齿，每个齿上叠绕转矩绕组，绕组均由直流电控制；电机定子铁心、电机悬浮极和电机转子之间留有等间隙的径向气隙；电机转子上共有十四个等间距分布的齿，电机转子嵌套在转轴上。12/14磁悬浮开关磁阻电机采用转矩/悬浮自解耦结构；转矩绕组与悬浮绕组分开安置，实现两个自由度悬浮与电动/发电。
所述五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的径向轴承部分由一个轴承定子轭，四个轴承定子极，四个轴承悬浮绕组和一个轴承转子组成。其中，轴承定子轭内部与四个轴承定子极相连，每个轴承定子极上叠绕一个轴承悬浮绕组，绕组均由直流电控制；轴承定子极和轴承转子之间留有等间隙的径向气隙；可以实现径向两个自由度悬浮。轴承转子嵌套在转轴上。
所述五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的轴向轴承部分由一个轴承定子、一个轴承绕组和一个轴承吸力盘组成。其中，轴承定子和轴承绕组呈圆环状，且轴承绕组嵌入轴承定子，绕组由直流电控制；轴承吸力盘与轴承定子之间留有一定气隙，且轴承吸力盘嵌套在转轴上。，可以实现轴向一个自由度悬浮。
所述12/14磁悬浮开关磁阻电机电机转子与径向轴承转子、轴向轴承吸力盘相固连；第一永磁体与电机定子轭、径向轴承定子轭相连，并处于12/14磁悬浮开关磁阻电机和径向轴承中间；第二永磁体与径向轴承定子轭、轴向轴承定子相连，并处于径向轴承和轴向轴承中间；第一永磁体产生的磁通由N极、电机定子轭，电机悬浮极，电机转子、径向轴承转子、径向轴承定子轭、径向轴承定子极返回S极；第二永磁体产生的磁通由N极、轴向轴承定子、轴向轴承吸力盘、径向轴承转子、径向轴承定子极、径向轴承定子轭返回S极；两个闭合磁路的形成，为12/14磁悬浮开关磁阻电机两个径向自由度悬浮力的产生、径向轴承两个径向自由度悬浮力的产生和轴向轴承一个轴向自由度悬浮力的产生提供偏置磁场。
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
1、利用混合径向-轴向磁轴承、配合二自由度12/14磁悬浮开关磁阻的电机实现电机五自由度高速低损耗全悬浮，降低了机械摩擦损耗。
2、五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的偏置磁场由永磁体提供，进一步降低了装置的电磁功耗，提高了运行效率。
3、五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的12/14磁悬浮开关磁阻电机部分采用转矩/悬浮自解耦结构，提高了系统运行的稳定性与可靠性，磁悬浮开关磁阻电机转矩部分采用短磁路结构，降低了系统漏磁，进一步提高了装置的运行效率。
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剖分图。
图2所示为一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的12/14磁悬浮开关磁阻电机1示意图。
图3所示为一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的12/14磁悬浮开关磁阻电机1的工作原理图。
图4所示为一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的径向轴承3示意图。
图5所示为一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的径向轴承3工作原理图。
图6所示为一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的轴向轴承5示意图。
图7所示为一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的轴向轴承5工作原理图。
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。
如图1所示，本发明五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机轴向剖分图，包括12/14磁悬浮开关磁阻电机1、第一永磁体2、径向轴承3、第二永磁体4、轴向轴承5和转轴6。12/14磁悬浮开关磁阻电机1、第一永磁体2、径向轴承3、第二永磁体4、轴向轴承5和转轴6稳固连为一个整体装置，实现了悬浮支承系统与驱动电机完全意义上的统一。第一永磁体2采用轴向充磁，既为12/14磁悬浮开关磁阻电机1提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，又为径向轴承3提供了产生悬浮力所需的偏置磁场。第二永磁体4采用轴向充磁，既为径向轴承3提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，又为轴向轴承5提供了产生悬浮力所需的偏置磁场。
如图2所示，本发明五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的12/14磁悬浮开关磁阻电机1部分：由一个电机定子轭101，四个电机悬浮极102，四个电机悬浮绕组103，四个隔磁板104，四个电机定子铁心105，八个转矩绕组106，一个电机转子107组成。其中，电机定子轭101内部与四个电机悬浮极102相连，每个电机悬浮极102上叠绕一个电机悬浮绕组103，电机悬浮绕组103均由直流电控制；相邻两个电机悬浮极102之间安装一个隔磁板104，隔磁板104外侧与定子轭101相连，共有四个隔磁板104；每个隔磁板104内侧安装一个电机定子铁心105，每个电机定子铁心105上有两个齿，每个齿上叠绕转矩绕组106；电机定子铁心105、电机悬浮极102和电机转子107之间留有等间隙的径向气隙；电机转子107上共有十四个齿，电机转子107嵌套在转轴6上。12/14磁悬浮开关磁阻电机1采用转矩/悬浮自解耦结构：转矩绕组106与电机悬浮绕组103分开安置，提高了系统运行的稳定性与可靠性。实现两个径向自由度悬浮与电动/发电。
如图3所示，本发明五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的12/14磁悬浮开关磁阻电机1部分工作原理：转矩部分采用单绕组短磁路结构，转矩绕组106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，进一步提高了飞轮储能装置的运行效率。悬浮绕组103共有四个集中式绕组：F1绕组控制电流为iF1，F2绕组控制电流为iF2，F3绕组控制电流为iF3，F4绕组控制电流为iF4。与控制电流产生的磁场大小与方向，与第一永磁体2产生的磁场相叠加或者削弱，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4所示，本发明五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的径向轴承3部分：由轴承定子轭301、轴承定子极302、轴承绕组303和轴承转子304组成。轴承定子轭301内部等间距安装四个轴承定子极302，每个轴承定子极302上叠绕有集中式绕组303，轴承定子极302与轴承转子304之间留有一定气隙。四个轴承定子极302相隔90°等间距分布。
如图5所示，本发明五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的径向轴承3部分原理为：轴承绕组303共有四套，P1、P2、P3、P4。P1和P3控制y方向悬浮(一个径向自由度)，其控制电流分别为iP1、iP3。P2和P4控制x方向悬浮(一个径向自由度)，其控制电流分别为iP2、iP4。由于结构的对称性，永磁铁2产生的磁通ΦM和永磁铁4产生的磁通ΦN在轴承3内均匀分布，当此时需要产生y负方向悬浮力时，控制绕组P1和P3中电流iP1、iP3大小和方向，产生控制磁通ΦY，控制绕组P1处磁通为：ΦM–ΦY，控制绕组P3处磁通为：ΦM+ΦY，则转子表面因磁场不平衡，会产生y负方向悬浮力。同理可以产生x方向悬浮力，实现两个径向自由度悬浮。
如图6所示，本发明五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的轴向轴承5部分：由轴承定子501、轴承绕组502和轴承吸力盘503组成。轴承定子501和轴承绕组502呈环形，轴承吸力盘503嵌入轴承定子501，且轴承吸力盘503与轴承定子501之间留有一定气隙。
如图7所示，本发明五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的轴向轴承5部分原理为：轴承绕组控制z方向悬浮(一个轴向自由度)，其控制电流分别为iQ。由于轴承定子501结构的对称性，永磁铁4产生的磁通ΦN在轴承定子501内均匀分布，当此时需要产生z方向悬浮力时，控制绕组电流iQ的大小和方向，产生控制磁通ΦZ，气隙1处磁通为：ΦN–ΦZ，气隙2处磁通为：ΦN+ΦZ，则转子表面因磁场不平衡，会产生z负方向悬浮力。
所述电机转子107与径向轴承转子304、轴向轴承吸力盘503相连；第一永磁体2与电机定子轭101、径向轴承定子轭301相连，并处于12/14磁悬浮开关磁阻电机1和径向轴承3中间；第二永磁体4与径向轴承定子轭301、轴向轴承定子501相连，并处于径向轴承3和轴向轴承5中间；第一永磁体2产生的磁通由N极、电机定子轭101，电机悬浮极102，电机转子107、径向轴承转子304、径向轴承定子轭301、径向轴承定子极302返回S极。第二永磁体4产生的磁通由N极、轴向轴承定子501、轴向轴承吸力盘503、径向轴承转子304、径向轴承定子极302、径向轴承定子轭301返回S极。两个闭合磁路的形成，为12/14磁悬浮开关磁阻电机1两个径向自由度悬浮力的产生、径向轴承3两个径向自由度悬浮力的产生和轴向轴承5一个轴向自由度悬浮力的产生提供偏置磁场。
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 (5)
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12/14磁悬浮开关磁阻电机(1)、第一永磁体(2)、径向轴承(3)、第二永磁体(4)、轴向轴承(5)、转轴(6)；
所述五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的转子分为同轴的三段，第一段为12/14磁悬浮开关磁阻电机(1)的电机转子(107)，第二段为轴承转子(304)、第三段为轴承吸力盘(503)；轴承转子(304)自靠近电机转子(107)一端依次套有第一永磁体(2)、径向轴承定子轭(301)、第二永磁体(4)，第三段的轴承吸力盘(503)上套有轴承定子(501)；
所述五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机由12/14磁悬浮开关磁阻电机(1)、第一永磁体(2)、径向轴承(3)、第二永磁体(4)、轴向轴承(5)和转轴(6)稳固连为一个整体装置，实现了悬浮支承系统与驱动电机完全意义上的统一；第一永磁体(2)采用轴向充磁，既为12/14磁悬浮开关磁阻电机(1)提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，又为径向轴承(3)提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，第二永磁体(4)采用轴向充磁，既为径向轴承(3)提供了产生悬浮力所需的偏置磁场，又为轴向轴承(5)提供了产生悬浮力所需的偏置磁场。
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，其特征是：所述12/14磁悬浮开关磁阻电机(1)包括一个电机定子轭(101)，四个电机悬浮极(102)，四个电机悬浮绕组(103)，四个隔磁板(104)，四个电机定子铁心(105)，八个转矩绕组(106)，一个电机转子(107)组成；其中，电机定子轭(101)内部与四个等间隔放置的电机悬浮极(102)相连，每个电机悬浮极(102)上叠绕一个电机悬浮绕组(103)，电机悬浮绕组(103)均由直流电控制；相邻两个电机悬浮极(102)之间安装一个隔磁板(104)，隔磁板(104)外侧与电机定子轭相连(101)，共有四个隔磁板(104)；每个隔磁板(104)内侧安装一个电机定子铁心(105)，每个电机定子铁心(105)上有两个齿，每个齿上叠绕转矩绕组(106)；电机定子铁心(105)、电机悬浮极(102)和电机转子(107)之间留有等间隙的径向气隙；电机转子(107)上共有十四个齿，电机转子(107)嵌套在转轴(6)上；12/14磁悬浮开关磁阻电机(1)采用转矩/悬浮自解耦结构；转矩绕组(106)与悬浮绕组(103)分开安置，实现两个自由度悬浮与电动/发电。
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，其特征是：所述径向轴承(3)由轴承定子轭(301)，轴承定子极(302)，轴承绕组(303)，轴承转子(304)组成；轴承定子轭(301)内部等间距安装四个轴承定子极(302)，每个轴承定子极(302)上叠有集中式绕组(303)，轴承定子极(302)与轴承转子(304)之间留有一定气隙，可以实现径向两个自由度悬浮。
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，其特征是：所述轴向轴承(5)由轴承定子(501)、轴承绕组(502)和轴承吸力盘(503)组成；轴承定子(501)和轴承绕组(502)呈圆环状，且轴承绕组(502)嵌入轴承定子(501)，轴承吸力盘(503)与轴承定子(501)之间留有一定气隙，可以实现轴向一个自由度悬浮。
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，其特征是：所述12/14磁悬浮开关磁阻电机电机转子(107)与径向轴承转子(304)、轴向轴承吸力盘(503)相固连；第一永磁体(2)与电机定子轭(101)、径向轴承定子轭(301)相连，并处于12/14磁悬浮开关磁阻电机(1)和径向轴承(3)中间；第二永磁体(4)与径向轴承定子轭(301)、轴向轴承定子(501)相连，并处于径向轴承(3)和轴向轴承(5)中间；第一永磁体(2)产生的磁通由N极、电机定子轭(101)，电机悬浮极(102)，电机转子(107)、径向轴承转子(304)、径向轴承定子轭(301)、径向轴承定子极(302)返回S极；第二永磁体(4)产生的磁通由N极、轴向轴承定子(501)、轴向轴承吸力盘(503)、径向轴承转子(304)、径向轴承定子极(302)、径向轴承定子轭(301)返回S极；两个闭合磁路的形成，为12/14磁悬浮开关磁阻电机(1)两个径向自由度悬浮力的产生、径向轴承(3)两个径向自由度悬浮力的产生和轴向轴承(5)一个轴向自由度悬浮力的产生提供偏置磁场。
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