CN107222131A - 一种转子重力卸载型磁轴承复合电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种转子重力卸载型磁轴承复合电机，包括外定子、电枢绕组、永磁体、转子、隔磁铝环、内定子及悬浮控制绕组，电枢绕组绕置在外定子槽中，同时在转子中嵌入隔磁铝环，转子表面的表贴Halbach型永磁阵列，内定子具有七个内定子极：两个相对的偏置磁通磁极、四个径向悬浮控制极以及一个重力方向上转子自重卸载极，两个偏置磁通磁极表面表贴径向充磁式永磁体，四个悬浮控制极上绕置悬浮控制绕组。本发明可消除传统磁悬浮电机中悬浮绕组与电枢绕组之间的耦合，本发明还能够很好解决传统悬浮电机中转子自重对悬浮控制的影响，使得转子能够在不加悬浮控制电流时，稳定工作在中心平衡位置，实现磁轴承复合电机低功耗、稳定悬浮。
Description
技术领域
本发明属于风力发电领域，尤其涉及一种转子重力卸载型磁轴承复合电机。
背景技术
转子长期稳定、可靠运行是电机稳定工作的关键问题之一，目前常用的支承有机械轴承、空气轴承和磁轴承等。机械轴承与转轴直接相连，具有磨损严重、使用寿命短等问题；空气轴承也存在气路复杂、支承刚度差；磁轴承利用电流或者永磁体在转轴上产生相应的电磁力，能够实现转子无接触运行，具有可靠性高、无机械磨损、无须润滑、能够适应高温、低温、真空等特殊环境。
根据电磁轴承和电机在结构上的相似性，在旋转电机的定子槽中嵌入一套类似于磁轴承中产生悬浮力的悬浮绕组，使得电机在旋转的同时又能够实现自悬浮功能，这就是传统的磁悬浮电机。
而对于传统的磁悬浮电机，悬浮绕组和电枢绕组都被同时叠绕在定子槽中，当两种绕组通电后会产生比较大的耦合，为了能够提高传统悬浮电机的控制精度，必须对悬浮绕组和电枢绕组进行解耦控制，从而加大电机的控制成本。
为了减小悬浮绕组和电枢绕组之间的耦合，学者们进行了大量的研究工作，如中国专利“一种无轴承永磁同步电机解耦控制器的构造方法(CN102790576A)”将无轴承永磁同步电机及其负载作为一个整体组成复合被控对象，用支持向量机加积分器构成支持向量机逆实现无轴承永磁同步电机径向悬浮力与转速之间的动态解耦；中国专利“一种双定子无轴承磁通反向电机(CN106411081A)”将悬浮绕组与电枢绕组分开放置，外定子槽中仅放置电枢绕组，且每个定子槽的底部贴有一对用来产生励磁磁场的永磁体，内定子上等间隔设置有两个x和y轴方向的悬浮绕组；中国专利“一种双定子磁悬浮开关磁阻启动/发电机(CN103618424A)”采用双定子结构，悬浮绕组与电枢绕组相互分开放置，解决启动/发电功能转子悬浮功能之间的耦合问题，但以上专利中悬浮绕组与电枢绕组都没有做到完全解耦。
磁悬浮电机通过悬浮绕组通电产生悬浮力来克服转子的重力和外部扰动，保证转子稳定工作在中心平衡位置，若电机无负载时，悬浮绕组也必须通入控制电流来克服转子的自重，造成悬浮电机功耗增大。
为了克服转子重力造成悬浮电机功耗增大的问题，中国专利“一种低功耗单稳态零重力作用径向磁轴承(CN101737425A)”在转子重力方向采用四个半圆环，转子上部的两个半圆环产生吸引力，转子下部的两个半圆环产生排斥力，该种结构解决了磁悬浮转轴的重力和功耗问题，使得转子在静态条件下稳定工作在工作点；中国专利“具有反重力磁悬浮轴承的超高效空芯直驱发电设备(CN101285453)”利用稀土永磁磁钢的高剩磁和矫顽力和磁钢同性相斥的特点，将同性的两块环形磁钢相对排列，通过斥力来抵消风轮矩阵由于重力带来的摩擦力；中国专利“磁悬浮支撑系统与磁悬浮轴承、复式磁悬浮轴承、磁力定心轴承及转子偏磁减重力装置(CN102118125A)”将转子偏磁减重装置对称地分布在电机两侧的转子轴杆上来克服转子的重力影响。
发明内容
本发明提出了一种转子重力卸载型磁轴承复合电机，能够很好解决转子重力造成悬浮电机功耗增大、悬浮绕组与电枢绕组之间的耦合强等问题，同时缩短电机轴向长度，实现体积小，功耗低的磁轴承复合电机。
本发明的技术方案为：
一种转子重力卸载型磁轴承复合电机，从外向内依次由外定子、转子和内定子构成，且三者同心分布；
所述内定子位于复合电机中心位置，且内定子为七极凸极结构，分别两个相对的偏置磁通磁极，x、y轴正、反方向的四个悬浮控制极，一个转子重力卸载极，所述两个相对的偏置磁通磁极端面表面均表贴永磁体，所述四个悬浮控制极上分别绕置x轴正方向悬浮控制绕组、x轴负方向悬浮控制绕组、y轴正方向悬浮控制绕组和y轴负方向悬浮控制绕组。
上述方案中，所述转子中嵌入隔磁铝环。
上述方案中，所述转子外表面等间距表贴n个永磁阵列，所述永磁阵列采用Halbach型永磁阵列。
上述方案中，所述外定子的槽中嵌入若干个电枢绕组，所述电枢绕组采用双层短节距绕组。
上述方案中，所述两个相对的偏置磁通磁极一端表面表贴的两块永磁体采用径向充磁，且充磁方向相同。
上述方案中，所述x轴正方向悬浮控制绕组和x轴负方向悬浮控制绕组、y轴正方向悬浮控制绕组和y轴负方向悬浮控制绕组分别采用差动控制。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
(1)在重力方向上，内定子增加一个转子重力卸载极，依靠永磁体的偏置磁通、利用重力方向上磁极分布的不对称性，产生一个与转子重力方向相反的磁拉力，消除转子重力对悬浮电机稳定工作的影响，同时达到减小功耗的目的；
(2)将悬浮绕组和电枢绕组分开放置，转子中间采用隔磁铝环进行隔磁，能够很好解决现有磁悬浮电机中悬浮绕组和电枢绕组之间的耦合问题；
(3)转子外表面采用Halbach型永磁阵列，使得转子外部气隙中的磁场正弦性好、谐波含量少，具有聚磁效果，能够提供更高的气隙磁密，且具有自屏蔽特性，减小转子铁心的厚度，大大减小转子重量。
附图说明
图1为本发明复合电机的结构示意图；
其中：1-外定子；2-x轴正方向悬浮控制绕组；3-Halbach型永磁阵列；4-隔磁铝环；5-永磁体；6-y轴负方向悬浮控制绕组；7-转子；8-x轴负方向悬浮控制绕组；9-y轴正方向悬浮控制绕组；10-内定子；11-电枢绕组；12-转子重力卸载极；13-悬浮控制极；14-偏置磁通磁极。
具体实施方式
如图1所示，本发明复合电机的结构示意图，从外向内依次由外定子1、转子7和内定子10构成，且三者同心分布；
内定子10位于复合电机中心位置，且内定子10为七极凸极结构，即两个相对的偏置磁通磁极14和x、y轴正、反方向的四个悬浮控制极13(即四个悬浮控制极13沿着圆周均匀分布，相邻两个磁极之间的夹角为90°)以及一个转子重力卸载极12；两个相对的偏置磁通磁极14端面表面分别表贴一块永磁体5，两块永磁体5采用径向充磁，且充磁方向相同，为悬浮控制提供偏置磁通；四个悬浮控制极13上分别绕置x轴正方向悬浮控制绕组2、x轴负方向悬浮控制绕组8、y轴正方向悬浮控制绕组9和y轴负方向悬浮控制绕组6，且x轴正方向悬浮控制绕组2和x轴负方向悬浮控制绕组8、y轴正方向悬浮控制绕组9和y轴负方向悬浮控制绕组6分别采用差动控制；
外定子1的槽中嵌入若干个电枢绕组11，电枢绕组11采用双层短节距绕组；转子7外表面等间距表贴n个Halbach型永磁阵列3，可减小转子7的重力、尽可能减小转子7的厚度，同时保证悬浮控制绕组在转子铁心上产生的磁密不会发生饱和；转子7中嵌入隔磁铝环4，从而消除传统磁悬浮电机中悬浮绕组与电枢绕组之间的耦合。
一种转子重力卸载型磁轴承复合电机的工作过程：
由于转子重力卸载极12的存在，使得转子7在无外界扰动的作用下，稳定悬浮于中心平衡位置。电枢绕组11通电后产生的电枢磁场，与转子上的Halbach型永磁阵列3产生的磁场相互作用，带动转子7旋转。若转子7突加外界扰动，位移传感器检测到转子7偏离中心平衡位置，此时在相应位置处的悬浮控制绕组中通入不同方向的电流，悬浮控制电流产生控制磁通，该控制磁通与永磁体5产生的偏置磁场相互作用，将旋转中的转子7拉回中心平衡位置。
转子重力卸载的具体实施过程为：两个径向充磁的永磁体5在内定子10与转子7之间形成偏置磁通，偏置磁通通过偏置磁通磁极14与转子7之间的气隙，经过转子铁心，然后均匀地穿过内定子10的其他5个定子极，最后回到永磁体5。在重力G方向上仅有一个转子重力卸载极12，根据麦克斯韦力产生的原理，在转子7内表面上产生一个方向与重力方向相反的磁拉力，用以抵抗转子7的重力。本发明仅仅是依靠永磁体5的偏置磁通、利用重力方向上磁极分布的不对称性，产生一个与转子重力方向相反的磁拉力，用来消除转子重力的影响，不需要通入悬浮控制电流，减小了复合电机的功耗。
悬浮控制绕组的具体实施过程为：若检测到转子7位于中心平衡位置，此时x轴正、反方向上的两个悬浮控制极13与转子7之间的气隙宽度相等，气隙中的磁密幅值相等，根据麦克斯韦力产生的原理，x轴方向上的两个悬浮控制极13产生的磁张力大小相等，方向相反，即在x轴方向上的磁张力合力为零；同理，在y方向上的磁张力合力为零。若检测到转子7发生偏移，偏移方向为x轴负方向，导致了x轴正方向气隙宽度减小，x轴负方向的气隙宽度增大，从而使得x轴正方向的气隙磁密增大，负方向的气隙磁密减小；为了使得转子回到中心平衡位置，此时x轴负方向上的悬浮控制绕组8通入正向电流，悬浮控制绕组2中通入负电流，正向电流在气隙中产生的磁通方向与偏置磁通方向相同，负向电流在气隙中产生的磁通方向与偏置磁通方向相反，使得x轴正方向的气隙磁密减小，负方向的气隙磁密增大，根据麦克斯韦力产生的原理，在转子内环表面会产生一个指向x轴正方向的磁拉力将转子7拉回中心平衡位置；y轴方向的悬浮原理与之相同。
本发明涉及的一种转子重力卸载型磁轴承复合电机，由永磁电机和磁轴承复合而成，可用于风力发电、及各种旋转机械等领域，本发明在减小机械的轴向长度的同时，消除了转子重力对于悬浮性能的影响。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进-替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种转子重力卸载型磁轴承复合电机，其特征在于，从外向内依次由外定子(1)、转子(7)和内定子(10)构成，且三者同心分布；
所述内定子(10)位于复合电机中心位置，且内定子(10)为七极凸极结构，分别为两个相对的偏置磁通磁极(14)，x、y轴正、反方向的四个悬浮控制极(13)，一个转子重力卸载极(12)，所述两个相对的偏置磁通磁极(14)端面表面均表贴永磁体(5)，所述四个悬浮控制极(13)上分别绕置x轴正方向悬浮控制绕组(2)、x轴负方向悬浮控制绕组(8)、y轴正方向悬浮控制绕组(9)和y轴负方向悬浮控制绕组(6)。
2.根据权利要求1所述的一种转子重力卸载型磁轴承复合电机，其特征在于，所述转子(7)中嵌入隔磁铝环(4)。
3.根据权利要求1所述的一种转子重力卸载型磁轴承复合电机，其特征在于，所述转子(7)外表面等间距表贴n个永磁阵列(3)。
4.根据权利要求3所述的一种转子重力卸载型磁轴承复合电机，其特征在于，所述永磁阵列(3)采用Halbach型永磁阵列。
5.根据权利要求1所述的一种转子重力卸载型磁轴承复合电机，其特征在于，所述外定子(1)的槽中嵌入若干个电枢绕组(11)。
6.根据权利要求5所述的一种转子重力卸载型磁轴承复合电机，其特征在于，所述电枢绕组(11)采用双层短节距绕组。
7.根据权利要求1所述的一种转子重力卸载型磁轴承复合电机，其特征在于，所述两个相对的偏置磁通磁极(14)一端表面表贴的两块永磁体(5)采用径向充磁，且充磁方向相同。
8.根据权利要求1所述的一种转子重力卸载型磁轴承复合电机，其特征在于，所述x轴正方向悬浮控制绕组(2)和x轴负方向悬浮控制绕组(8)、y轴正方向悬浮控制绕组(9)和y轴负方向悬浮控制绕组(6)分别采用差动控制。
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