CN107888041B - 一种无轴承开关磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无轴承开关磁阻电机，由两个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机构成，每个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机又包括定子、转子、转轴、悬浮力绕组线圈和转矩绕组线圈；定子位于最外侧，具有12个定子极，且定子极分为悬浮力极和转矩极；悬浮力极上缠绕悬浮力绕组线圈用于产生悬浮力，转矩极上缠绕转矩绕组线圈用于产生转矩；定子的内侧为转子，具有14个转子极；转子铁芯的内部为转轴；两个圆锥型的转子底面或顶面相对，且圆锥角相等；两个定子配合两个转子进行装配并保证定子与转子间的气隙均匀。本发明采用圆锥型转子结构，不仅继承了传统12/14无轴承开关磁阻电机的优点，而且集成了轴向位移控制功能，可在五个自由度上对电机进行灵活控制，实现了电机转子的完全自悬浮。
Description
技术领域
本发明涉及一种无轴承开关磁阻电机，可应用于高速，超高速，环境温差变化大或不易维修的驱动场合。
背景技术
随着国民经济的持续高速发展，许多现代化的工业应用领域如涡轮分子泵、离心机、高速机床、压缩机、飞轮储能、航空航天等都需要使用高速或超高速电机。但是，当使用传统的机械轴承来支撑高速或超高速电机的转轴时，将会产生许多问题。例如，转子的高速旋转会使机械轴承的摩擦阻力增加，磨损加剧，并导致电机发热等问题，这不仅降低了电机的工作效率，缩短了电机和机械轴承的寿命，更增加了电机和轴承的维护负担。而且，机械轴承所需要的润滑油在高真空、极高或极低的温度环境下无法使用。虽然气浮、液浮轴承技术能够实现电机转子与转轴之间的无接触、无摩擦，但是气浮、液浮轴承技术均需要配备专门的气压、液压系统，这将会使气浮、液浮轴承电机的体积庞大、结构复杂、能耗多、效率低。同时，气压、液压系统的故障会使气浮、液浮轴承失效，从而导致电机无法正常运行，降低了电机系统的可靠性。
与气浮、液浮轴承技术相比，磁轴承技术从根本上改变了传统的转子支撑形式，它具有无接触、无磨损、高速度、高精度、长寿命、不需要密封和润滑、易于实现主动控制等一系列优良特性。无轴承开关磁阻电机是在磁轴承电机和开关磁阻电机的基础上发展起来的，不仅具有无轴承电机结构紧凑、输出功率大、洁净等优点，而且继承了开关磁阻电机的优良特性，如结构简单坚固、容错能力强、制造成本低等。因此，无轴承开关磁阻电机可广泛应用于高速、超高速、环境温度变化大或不易维修的驱动场合。为了实现转子稳定自悬浮，无轴承电机需有五个控制自由度，但是现有的无轴承开关磁阻电机仅有两个自由度，其它三个自由度由磁轴承提供。这种结构增加了电机的轴向长度，限制了转子临界转速。此外，磁轴承电机在整个电机系统中只扮演辅助支撑的角色，并不提供任何转矩输出，降低了整个电机系统的工作效率。
发明内容
为了解决现有无轴承开关磁阻电机存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种具有完全自主悬浮能力，可在五自由度上灵活控制的无轴承开关磁阻电机。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括结构相同、通过转轴相连的两个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机，每个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机均包括定子、转子、悬浮力绕组线圈和转矩绕组线圈，其中定子位于最外侧，具有12个定子极，该12个定子极分为八个转矩极和沿圆周方向均布的四个悬浮力极，八个转矩极两个为一组、均匀分布在各所述悬浮力极之间，每个所述悬浮力极上均缠绕有用于产生悬浮力的悬浮力绕组线圈，每个所述转矩极上均缠绕有用于产生转矩的转矩绕组线圈；所述转子位于定子的内侧，该转子的铁芯为凸极结构，即所述转子的铁芯沿圆周方向均布有14个形状大小相同的转子极，相邻转子极之间设有沟槽；所述转轴由转子的铁芯内部穿过，两个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机中的转子通过该转轴相连，两个所述转子的底面相对或顶面相对；两个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机中的定子配合各自的转子装配，且所述定子与转子之间留有均匀的气隙；
其中：所述悬浮力极与转矩极均为定子内壁沿径向向内延伸而形成，所述悬浮力极的极弧等于一个转子极距；所述转矩极的极弧与转子极的极弧相等，且等于所述悬浮力极极弧的一半；
所述转子极呈条状，或转子极呈条状、且在各转子极的同一侧沿长度方向设有台阶，或转子极呈条状、且在各转子极上设有凸起；各所述转矩极的中心线指向定子和转子的圆心；每个所述悬浮力极上的悬浮力绕组线圈单独成为一相；所述转子呈圆锥型，两个12/14无轴承开关磁阻电机中的圆锥型的转子圆锥角相等；所述悬浮力绕组线圈和转矩绕组线圈均为集中式绕组；
其中一个12/14无轴承开关磁阻电机中八个转矩极中，呈一条对角线设置的四个转矩极上的转矩绕组线圈串联成为A相绕组，呈另一条对角线设置的四个转矩极上的转矩绕组线圈串联成为B相绕组，另一个12/14无轴承开关磁阻电机中八个转矩极中，与缠绕A相绕组的四个转矩极所在位置相同的四个转矩极上的转矩绕组线圈串联成为A'相绕组，与缠绕B相绕组的四个转矩极所在位置相同的四个转矩极上的转矩绕组线圈串联成为B'相绕组，所述A相绕组与A'相绕组的连接方式和所述B相绕组与B'相绕组的连接方式相同，为串联或并联连接；
所述定子和转子的材料为导磁性能良好的材料；所述转轴的材料为非导磁材料。
本发明的优点与积极效果为：
本发明提出了轴向位移控制功能，可在五个自由度上对电机进行灵活控制，实现了电机转子的完全自悬浮，从而降低了电机的轴向长度，提高了电机的临街转速和运行可靠性。
附图说明
图1为本发明轴向剖面图之一(圆锥型转子底面相对)；
图2为本发明结构主视图之一(圆锥型转子底面相对)；
图3为本发明轴向剖面图之二(圆锥型转子顶面相对)；
图4为本发明结构主视图之二(圆锥型转子顶面相对)；
图5为本发明的绕组线圈分布；
图6为本发明转子结构示意图之一(普通式)；
图7为本发明转子结构示意图之二(阶跃式)；
图8为本发明转子结构示意图之三(一侧凸起式)
图9为本发明悬浮力绕组线圈磁通路径图；
图10为本发明转矩绕组线圈磁通路径图；
其中：1为定子，2为转子，3为转轴，4为悬浮力绕组线圈，5为转矩绕组线圈，6为悬浮力极，7为转矩极，8为转子极，10为台阶，11为凸起。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1、图2、图5、图9及图10所示，本发明的无轴承开关磁阻电机包括结构相同、通过转轴3相连的两个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机，每个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机均包括定子1、转子2、悬浮力绕组线圈4和转矩绕组线圈5，其中一个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机包括定子1a和转子2a，另一个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机包括定子1b和转子2b。
无轴承开关磁阻电机的最外侧为定子1，具有12个定子极，该12个定子极分为八个转矩极7和沿圆周方向均布的四个悬浮力极6，本实施例的四个悬浮力极6沿着正负X、Y轴方向成正交分布。八个转矩极7两个为一组、均匀分布在各悬浮力极6之间。悬浮力极6与转矩极7均为定子1内壁沿径向向内延伸而形成。每个悬浮力极6上均缠绕有悬浮力绕组线圈4，用于产生悬浮力，且每一个悬浮力极6上的悬浮力绕组线圈4单独成为一相。每个转矩极7上均缠绕有转矩绕组线圈5，用于产生转矩。本发明的悬浮力绕组线圈4和转矩绕组线圈5均为集中式绕组。
转子2位于定子1的内侧，该转子2的铁芯为凸极结构，即转子2的铁芯沿圆周方向均布有14个形状大小相同的转子极8，相邻转子极8之间设有沟槽。转子2呈圆锥型，两个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机中的圆锥型转子2的圆锥角相等，圆锥角可根据实际需求在1°～89°范围内变化。转轴3由转子2的铁芯内部穿过，两个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机中的转子2通过该转轴3相连，各转矩极7的中心线指向定子1和转子2的圆心。两个圆锥型的转子2可底面相对(如图1、图2所示)，也可顶面相对(如图3、图4所示)。两个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机中的定子1配合各自的转子2装配，并保证定子1与转子2之间留有的气隙均匀。此外，为了使转矩控制与悬浮力控制自然解耦，悬浮力极6的极弧等于一个转子极距。悬浮力极6的极弧为一个悬浮力极6的两端与定子1、转子2圆心连线之间的夹角θ1，转子极距为相邻转子极同一侧外端端部与定子1、转子2圆心连线之间的夹角。
转矩极7的极弧与转子极8的极弧相等，且等于悬浮力极6极弧的一半；转矩极7的极弧为一个转矩极7的两端与定子1、转子2圆心连线之间的夹角θ2，转子极8的极弧为一个转子极8的两端与定子1、转子2圆心连线之间距离的夹角θ3。此结构可以最大化电机输出功率。
本发明转子2的转子极8可为普通式，如图6所示；即各转子极8形状相同(呈条状)、大小相等。若为了增强电机的自启动能力，转子极可采用不对称结构，如阶跃式或一侧凸起式中的任意一种。阶跃式如图7所示，转子极8呈条状、且在各转子极8的同一侧沿长度方向设有台阶10。一侧凸起式如图8所示，转子极8呈条状、且在各转子极8上设有凸起11，该凸起11可在各转子极8的同一端向同一侧延伸形成，也可以设置在各转子极8轴向的任意一侧或中间位置。
如图5所示，其中一个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机中八个转矩极7中，呈一条对角线设置的四个转矩极上的转矩绕组线圈A1、A2、A3和A4串联成为A相绕组，呈另一条对角线设置的四个转矩极上的转矩绕组线圈B1、B2、B3和B4串联成为B相绕组；另一个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机中八个转矩极7中，呈一条对角线设置的四个转矩极上的转矩绕组线圈A5、A6、A7和A8串联成为A'相绕组，并且与缠绕A相绕组的四个转矩极所在位置相同，呈另一条对角线设置的四个转矩极上的转矩绕组线圈B5、B6、B7和B8串联成为B'相绕组，并且与缠绕B相绕组的四个转矩极所在位置相同。根据实际情况，A相绕组与A'相绕组的连接方式和B相绕组与B'相绕组的连接方式相同，可以串联或并联连接。
对于任一个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机，当给其x轴正方向和y轴正方向的悬浮力绕组线圈4同时通电，且两个悬浮力绕组线圈4中的电流大小相等，电机的磁通分布如图9所示，其磁路为：从x轴正方向的悬浮力极6开始，经过气隙9d、转子2、气隙9a、y轴正方向悬浮力极6、定子轭回到x轴正方向的悬浮力极6。
如图10所示，以左侧圆锥型的12/14无轴承开关磁阻电机为例，其转矩绕组线圈A1、A2、A3和A4串联成为A相绕组，当给A相绕组通电，其磁通分布如图10所示，该磁通路径为短磁路。
本发明中的定子1和转子2采用导磁性能良好的电工薄钢板，如电工纯铁，电工硅钢片DW350、DR470、DR510、35PN440、35PN210和M19等磁性材料冲压叠制而成。转轴3采用非导磁材料制成，如钢、铝、钛合金等。悬浮力绕组线圈4和转矩绕组线圈5可用导电性能良好的铜线绕制后浸漆烘干而成。
本发明的工作原理为：
12/14无轴承开关磁阻电机，由于结构的特殊性，其悬浮力控制与转矩控制自然解耦。悬浮力由悬浮力极6上的悬浮力绕组线圈4产生，用于控制转子2的悬浮位置。转矩由转矩极7上的转矩绕组线圈5产生，用于拖动转子2及负载运行。
径向悬浮力产生原理：对于每一个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机，当给其x轴正方向的悬浮力绕组线圈4通电时，气隙9d中的磁通密度大于气隙9b中的磁通密度，电机将产生一个沿着x轴正方向的径向悬浮力；当给其x轴负方向的悬浮力绕组线圈4通电时，气隙9b中的磁通密度大于气隙9d中的磁通密度，电机将产生一个沿着x轴负方向的径向悬浮力。同理，当给其y轴正方向的悬浮力绕组线圈4通电时，电机将产生一个沿着y轴正方向的径向悬浮力；当给其y轴负方向的悬浮力绕组线圈4通电时，电机将产生一个沿着y轴负方向的径向悬浮力。因此，任意方向的径向悬浮力均可以通过合成x轴方向和y轴方向的径向悬浮力来产生。
轴向悬浮力产生原理：对于本发明中的无轴承开关磁阻电机，以图1为例，当转子2在中心位置且两个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机的通电对称，电机将不产生轴向悬浮力。如果增大左侧12/14无轴承开关磁阻电机中的悬浮力绕组线圈4中的电流，左侧12/14无轴承开关磁阻电机中的气隙磁通密度将会大于右侧12/14无轴承开关磁阻电机中的气隙磁通密度，电机将会产生一个向左的轴向悬浮力。同理，如果增大右侧12/14无轴承开关磁阻电机中的悬浮力绕组电流，电机将会产生一个向右的轴向悬浮力。
转矩产生原理：以左侧圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机为例，其转矩绕组线圈A1、A2、A3和A4串联成为A相绕组，转矩绕组线圈B1、B2、B3和B4串联成为B相绕组。当转子极与A相绕组所在的转矩极开始重叠时，给A相绕组通电，根据磁阻最小原理—磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，电机将会产生一个切向磁拉力，即磁阻性质的转矩，拖动转子2转向与A相绕组所在的转矩极对齐的位置。当转子极与A相绕组所在的转矩极对齐时，给B相绕组通电，电机将会产生一个转矩拖动转子2转向与B相绕组所在的转矩极对齐的位置。重复上述过程，电机将会产生连续转矩，从而拖动转子及负载旋转。
Claims (8)
1.一种无轴承开关磁阻电机，其特征在于：包括结构相同、通过转轴（3）相连的两个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机，每个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机均包括定子（1）、转子（2）、悬浮力绕组线圈（4）和转矩绕组线圈（5），其中定子（1）位于最外侧，具有12个定子极，该12个定子极分为八个转矩极（7）和沿圆周方向均布的四个悬浮力极（6），八个转矩极（7）两个为一组、均匀分布在各所述悬浮力极（6）之间，每个所述悬浮力极（6）上均缠绕有用于产生悬浮力的悬浮力绕组线圈（4），每个所述转矩极（7）上均缠绕有用于产生转矩的转矩绕组线圈（5）；所述转子（2）位于定子（1）的内侧，该转子（2）的铁芯为凸极结构，即所述转子（2）的铁芯沿圆周方向均布有14个形状大小相同的转子极（8），相邻转子极（8）之间设有沟槽；所述转轴（3）由转子（2）的铁芯内部穿过，两个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机中的转子（2）通过该转轴（3）相连，两个所述转子（2）的底面相对或顶面相对；两个圆锥型12/14无轴承开关磁阻电机中的定子（1）配合各自的转子（2）装配，且所述定子（1）与转子（2）之间留有均匀的气隙；
所述转子极采用阶跃式或一侧凸起式，阶跃式转子极（8）呈条状、且在各转子极（8）的同一侧沿长度方向设有台阶（10）；一侧凸起式转子极（8）呈条状、且在各转子极（8）上设有凸起（11），该凸起（11）在各转子极（8）的同一端向同一侧延伸形成，或设置在各转子极（8）轴向的任意一侧或中间位置；
各所述转矩极（7）的中心线指向定子（1）和转子（2）的圆心。
2.根据权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述悬浮力极（6）与转矩极（7）均为定子（1）内壁沿径向向内延伸而形成，所述悬浮力极（6）的极弧等于一个转子极距；所述转矩极（7）的极弧与转子极（8）的极弧相等，且等于所述悬浮力极（6）极弧的一半。
3.根据权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于：每个所述悬浮力极（6）上的悬浮力绕组线圈（4）单独成为一相。
4.根据权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述转子（2）呈圆锥型，两个12/14无轴承开关磁阻电机中的圆锥型的转子（2）圆锥角相等。
5.根据权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述悬浮力绕组线圈(4)和转矩绕组线圈(5)均为集中式绕组。
6.根据权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于：其中一个12/14无轴承开关磁阻电机中八个转矩极（7）中，呈一条对角线设置的四个转矩极上的转矩绕组线圈串联成为A相绕组，呈另一条对角线设置的四个转矩极上的转矩绕组线圈串联成为B相绕组，另一个12/14无轴承开关磁阻电机中八个转矩极（7）中，与缠绕A相绕组的四个转矩极所在位置相同的四个转矩极上的转矩绕组线圈串联成为A'相绕组，与缠绕B相绕组的四个转矩极所在位置相同的四个转矩极上的转矩绕组线圈串联成为B'相绕组，所述A相绕组与A'相绕组的连接方式和所述B相绕组与B'相绕组的连接方式相同，为串联或并联连接。
7.根据权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述定子（1）和转子（2）的材料为导磁性能良好的材料。
8.根据权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述转轴（3）的材料为非导磁材料。
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