CN108206614B - 五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统，该系统由两台锥形双定子磁悬浮开关磁阻电机同轴连接，实现转子五个自由度的悬浮和旋转驱动。两个电机的转矩绕组串联在一起，悬浮绕组单独控制，通过对两个电机悬浮绕组的控制，实现四个自由度的径向悬浮。采用锥形转子和锥形内定子，通过锥形角度和电流控制轴向悬浮，简化了系统的整体机电结构，提高了效率和功率密度。其中双定子结构实现了转矩与径向力的解耦。

Description

五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统

技术领域

本发明涉及锥形双定子磁悬浮开关磁阻电机，尤其是转子与内定子锥形结构以及双定子结构，属于磁悬浮技术领域。

背景技术

随着社会经济的迅速发展，动力短缺以及能源利用所造成的环境问题愈加严峻，储能技术的研究愈加迫切。储能技术可分为蓄电池储能、超级电容器储能、飞轮储能等。其中飞轮储能利用高速飞轮的升、降速来实现电能与机械能之间的相互转换，是一种清洁无污染的储能方式。磁悬浮电机可用作飞轮电池中的核心部件，不仅可以转换能量，还兼有磁轴承支撑的作用。

传统双绕组磁悬浮开关磁阻电机将磁悬浮技术和开关磁阻电机有机地结合到一起，通过在开关磁阻电机定子极上增加一套额外的绕组，称之为悬浮绕组，打破原有的转子电磁力平衡，通过施加悬浮电流来驱动电机实现稳定悬浮。具有无磨损、无损耗、体积小、轴向利用率高、可超高速运行等优点，在航空航天、飞轮储能、纺织、电动机车、机床、航空航天等高速和超高速领域等领域应用前景广阔。

但是传统双绕组磁悬浮开关磁阻电机转矩绕组和悬浮绕组之间具有强耦合，导致系统控制难度大。许多学者通过不同控制方法实现悬浮力与转矩的解耦控制，但是运行控制难度大，功率成本高。一些学者通过优化电机结构来减小绕组间耦合，如宽-窄极混合定子型磁悬浮开关磁阻电机，可以减弱悬浮力绕组对主绕组的耦合影响，但是径向两自由度悬浮力绕组之间耦合仍然较大。

目前磁悬浮开关磁阻电机只能实现径向悬浮，在系统中需要加入轴向磁轴承来实现五自由度悬浮，而磁轴承不能输出转矩，在一定程度上降低功率密度。同时传统双绕组磁悬浮开关磁阻转矩绕组与悬浮绕组在同一定子极上，对主绕组和悬浮绕组绝缘要求高，绝缘材料导致槽满率降低、电机功率密度减小。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用双定子结构，外定子绕有转矩绕组，内定子绕有悬浮绕组，有效克服悬浮力绕组、主绕组以及径向两自由度悬浮力绕组之间的耦合，简化了数学模型。由于在转子旋转过程中悬浮极与转子的对齐面积始终等于悬浮极齿宽，磁阻不随转子角度变化，因此径向力不随转子位置角变化，克服了传统磁悬浮开关磁阻电机在定转子不对称位置不能产生悬浮力、工作区域平均悬浮力较小的问题。

本发明的技术方案为：

一种五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统，包括同轴连接的双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅰ和双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅱ；

所述双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅰ由外定子a1，锥形转子a2，锥形内定子a3，永磁体a4，转矩线圈a6和悬浮线圈a5组成，其中转子a2和内定子a3均为锥形凸极结构，外定子a1为圆柱凸极结构；

所述双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅱ由外定子b13，锥形转子b8，锥形内定子b11，永磁体b9，转矩线圈b7和悬浮线圈b12组成，其中转子b8和内定子b11均为锥形凸极结构，外定子b13为圆柱凸极结构；

外定子a1绕有转矩绕组a6，内定子a3绕有悬浮绕组a5；外定子b13绕有转矩绕组b7，内定子b11绕有悬浮绕组b12；

所述锥形转子a2，锥形内定子a3，锥形转子b8，锥形内定子b11锥角开口角度相同，锥形转子a2和锥形内定子a3开口方向相同，锥形转子b8和锥形内定子b11开口方向相同，定锥形转子a2、锥形内定子a3开口方向和锥形转子b8、锥形内定子b11开口方向相反；所述永磁体a4放置于内定子a3内；所述永磁体b9放置于内定子b11内。

进一步，由于转子a2锥角的存在，内定子a3对转子a2产生轴向磁拉力，轴向磁拉力总是指向转子直径较小的一侧，通过调节内定子a2悬浮电流大小即可调节电机Ⅰ轴向力大小F₁；

由于转子b8锥角的存在，内定子b11对转子b8产生轴向磁拉力，轴向磁拉力总是指向转子直径较小的一侧，通过调节内定子b8悬浮电流大小即可调节电机Ⅱ轴向力大小F₂；

由于转子a2和转子b8锥形开口方向相反，F₁和F₂方向相反，五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统的轴向力大小为F₁-F₂，轴向力方向由F₁-F₂符号决定，若F₁-F₂结果符号为正，则该系统轴向力方向与F₁方向相同，若F₁-F₂结果符号为负，则该系统轴向力方向与F₂方向相同。

进一步，转矩绕组a6与悬浮绕组a5产生磁路相互独立，转矩绕组a6实现转子旋转功能，悬浮绕组a5实现转子稳定悬浮功能，悬浮力和转矩可分别控制；同时径向两自由度的悬浮力之间耦合减小；

转矩绕组b7与悬浮绕组b12产生磁路相互独立，转矩绕组b7实现转子旋转功能，悬浮绕组b12实现转子稳定悬浮功能，悬浮力和转矩可分别控制，同时径向两自由度的悬浮力之间耦合减小。

进一步，永磁体a4与转轴10之间留有导磁桥，悬浮电流产生磁力线从导磁桥中通过，永磁体a4所产生永磁磁通与悬浮绕组a5产生的磁通在气隙一侧中叠加，在另一侧中互相削弱，产生径向悬浮力；电机励磁方式由传统的电励磁变为与永磁体共同作用的混合励磁；保持输入励磁电流不变的情况下增加磁路的饱和程度，提高了径向悬浮力与电机的功率密度。

永磁体b9与转轴10之间留有导磁桥，悬浮电流产生磁力线从导磁桥中通过，永磁体a4所产生永磁磁通与悬浮绕组a5产生的磁通在气隙一侧中叠加，在另一侧中互相削弱，产生径向悬浮力，电机励磁方式由传统的电励磁变为与永磁体共同作用的混合励磁。保持输入励磁电流不变的情况下增加磁路的饱和程度，提高了径向悬浮力与电机的功率密度。

进一步，所述永磁体a4横截面为矩形，材料为钕铁硼，充磁方式为切向充磁；所述永磁体b9横截面为矩形，材料为钕铁硼，充磁方式为切向充磁。

进一步，所述外定子a1齿数12、转子a2齿数8、内定子a3齿数4，绕有三相转矩线圈，通过串联方式将相隔90度的定子绕组连接在一起,内定子a3绕有悬浮绕组，采用单独控制的方式实现转子径向悬浮。

进一步，所述外定子b13齿数12、转子b8齿数8、内定子b11齿数4，绕有三相转矩线圈，通过串联方式将相隔90度的定子绕组连接在一起,内定子b11绕有悬浮绕组，采用单独控制的方式实现转子径向悬浮。

本系统避免安装磁轴承，通过采用锥形转子和锥形内定子实现五自由度悬浮，缩短转子长度，通过锥角大小和悬浮电流调节轴向力大小。其中锥形内定子3和锥形转子2开口方向一致，锥形内定子11和锥形转子8开口方向一致，而锥形内定子3、锥形转子2与锥形内定子11、锥形转子8开口方向相反，轴向力方向可通过同轴连接的两台锥形双定子磁悬浮开关磁阻电机调节，实现磁悬浮开关磁阻电机五自由的悬浮。当轴向发生偏心位移时，由于内外定子在磁路上是分离结构且外定子与转子之间气隙为圆柱形，可以通过弹簧、控制器和内定子来实现轴向位移的控制,实现转子的稳定悬浮。

本发明两台锥形双定子磁悬浮开关磁阻电机同轴连接。

本发明在内定子中嵌入永磁体，电机励磁方式由传统的电励磁变为与永磁体共同作用的混合励磁，保持输入励磁电流不变的情况下增加磁路的饱和程度，提高电机功率密度。永磁体嵌入内定子中，充磁方向切向充磁，材料为高性能的钕铁硼，剩磁较高。当永磁体充磁方向确定时，电流方向也随之确定即绕组产生的磁动势方向与永磁体的磁动势方向相同即两个磁动势并联外接气隙和转子。其中电励磁磁力线并不经过永磁体，永磁体不会因电励磁产生不可逆退磁的风险。

本发明内定子中悬浮绕组单独控制，当转子向X轴正方向发生偏心位时，如下图1所示，为保证电机稳定悬浮运行，需T1极处绕组导通，从而T1极处的气隙密度大于相对方向T3处的气隙磁密，转子受X轴负方向的径向力.同理，当转子偏向Y轴正方向时，T2极绕组导通.通过实时组合控制内定子X和Y方向绕组电流，能够产生任意方向的径向力，因此实现了双定子磁悬浮开关磁阻电机的径向悬浮控制。

外定子与转子为12/8结构即开关磁阻电机定子、转子齿数分别为12和8，因此转矩电流为三相，相距90度的四个极上线圈串联在一起组成一相绕组。由于外定子和转子间气隙为圆柱形，工作原理与传统开关磁阻电机相似，即“磁阻最小原理”，磁力线总是沿着磁阻最小处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁阻大于定转子重合时的磁阻。因此转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩作用。电流的通断通过外接三相桥式电路，通过控制二极管的通断实现三相轮流通电，保证转子连续旋转。

本发明具有以下技术效果：外定子上的转矩绕组实现转动功能，内定子上的悬浮绕组实现悬浮功能，有效克服悬浮力绕组与主绕组之间的耦合，提高了绕组导通区间的灵活性，方便研究和选择不同控制策略。

在旋转过程中，悬浮极与转子对齐面积始终等于悬浮极极宽，径向力不随转子位置角改变，克服传统磁悬浮开关磁阻电机在定转子不对齐位置不能产生径向力问题。

在内定子中加入永磁体，通过永磁体与悬浮电流共同作用实现悬浮且控制磁路不经过永磁体，减小永磁体退磁风险。电机励磁方式由传统的电励磁变为与永磁体共同作用的混和励磁，保持输入励磁电流不变的情况下增加磁路的饱和程度，提高电机功率密度。

每台电机均可提供输出转矩，且转子、内定子均呈锥形，转子可同时获得径向和轴向悬浮，提高工作效率，简化系统的整体机电结构。

附图说明

图1为双定子磁悬浮开关磁阻电机；

图2为锥形双定子磁悬浮开关磁阻电机装配图；

图3为基于锥形结构的五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统结构图；

图4为锥形转子所受轴向合力分解图；锥形转子产生合力F可分解轴向力F_z与平面力F_CS，其中F_CS可分解为径向力和力矩。

其中：1.外定子；2.转子；3.内定子；4.内定子滚子轴承；5.转轴浮绕组；7.永磁体；8.转矩绕组9.转子支撑10.推力球轴承11.传感器压板12.弹簧13.转子挡板14.转子滚子轴承15.外圆柱滚子轴承。

具体实施方式

本发明提出的锥形双定子磁悬浮开关磁阻电机系统中双定子磁悬浮开关磁阻电机如图1所示包括：外定子、转子、内定子、永磁体和集中绕组。定、转子均由硅钢片叠压而成，内外定子齿极上绕有集中绕组，转子上无绕组。内定子中悬浮绕组单独控制，外定子中转矩绕组径向相对的四极串联成一相。当外定子通入A相电流，磁力线经过外定子齿，气隙，转子，外定子轭形成闭合回路。当内定子中通入悬浮电流，磁力线通过内定子齿，气隙，转子形成闭合回路。两磁路之间分离，共用同一个转子。永磁体产生的偏置磁力线通过内定子，转子轭，转子齿形成回路，避免悬浮电流经过永磁体从而产生不可逆退磁的风险。其中当定子极A1所通电流方向与永磁体充磁方向相同则A1极气隙磁通密度增强；定子极A3处所通电流方向与永磁体充磁方向相反时，A3极气隙磁通密度减弱，因此会产生X轴正方向的径向力。由于永磁体的存在，双定子磁悬浮开关磁阻电机产生径向悬浮力大于传统磁悬浮电机产生的径向悬浮力。

图3为基于锥形结构的五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统结构图；包括同轴连接的双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅰ和双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅱ；所述双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅰ由外定子a1，锥形转子a2，锥形内定子a3，永磁体a4，转矩线圈a6和悬浮线圈a5组成，其中转子a2和内定子a3均为锥形凸极结构，外定子a1为圆柱凸极结构；所述双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅱ由外定子b13，锥形转子b8，锥形内定子b11，永磁体b9，转矩线圈b7和悬浮线圈b12组成，其中转子b8和内定子b11均为锥形凸极结构，外定子b13为圆柱凸极结构；外定子a1绕有转矩绕组a6，内定子a3绕有悬浮绕组a5；外定子b13绕有转矩绕组b7，内定子b11绕有悬浮绕组b12；所述锥形转子a2，锥形内定子a3，锥形转子b8，锥形内定子b11锥角开口角度相同，锥形转子a2和锥形内定子a3开口方向相同，锥形转子b8和锥形内定子b11开口方向相同，定锥形转子a2、锥形内定子a3开口方向和锥形转子b8、锥形内定子b11开口方向相反；所述永磁体a4放置于内定子a3内；所述永磁体b9放置于内定子b11内。

在轴向方向由于内定子和转子为锥形结构，在锥形转子产生合力。由于该电机外气隙为圆柱形，内气隙为圆锥形，所以悬浮力产生于内定子与转子之间。轴向磁拉力总是指向转子内径较小的一端，如图4所示，该合力可分解为轴向力、径向力和力矩。该系统轴向力方向可通过同轴两电机轴向力方向决定，由于锥形转子2、锥形内定子3开口方向和锥形转子8、锥形内定子11开口方向相反，所以同轴两电机之间产生轴向悬浮力方向相反。当锥形双定子磁悬浮开关磁阻Ⅰ产生轴向悬浮力F_Z1，锥形双定子磁悬浮开关磁阻Ⅱ产生轴向悬浮力F_Z2，则该系统产生的轴向合力为F_Z1-F_Z2，运算结果符号代表合力方向。

如图2所示，当锥形转子发生轴向偏心位移时，可通过弹簧、控制器和内定子进行控制调节。当转子发生轴向偏心时，设置刚度可调节的弹簧组进行轴向拉力的调节。考虑轴向推力的存在，在套筒和传感器压板之间放入推力球轴承，实现压力由转变静，将压力传递到传感器压板上。传感器压板将压力传至传感器上，最后通过控制器调节内定子悬浮电流实现控制转子轴向位移。

上述外定子a1、转子a2、和内定子a3可分别采取6/4/4、8/6/4、12/8/4组合，其中6/4/4、12/8/4组合中外定子a1中构成三相转矩绕组，8/6/4组合中外定子a1构成四相转矩绕组；外定子b13、转子b8、和内定子b11可分别采取6/4/4、8/6/4、12/8/4组合，其中6/4/4、12/8/4组合中外定子b13中构成三相转矩绕组，8/6/4组合中外定子b13构成四相转矩绕组。

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 (4)

1.一种五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统，其特征在于，包括同轴连接的双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅰ和双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅱ；

所述双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅰ由外定子a(1)，锥形转子a(2)，锥形内定子a(3)，永磁体a(4)，转矩线圈a(6)和悬浮线圈a(5)组成，其中转子a(2)和内定子a(3)均为锥形凸极结构，外定子a(1)为圆柱凸极结构；

所述双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅱ由外定子b(13)，锥形转子b(8)，锥形内定子b(11)，永磁体b(9)，转矩线圈b(7)和悬浮线圈b(12)组成，其中转子b(8)和内定子b(11)均为锥形凸极结构，外定子b(13)为圆柱凸极结构；

外定子a(1)绕有转矩绕组a(6)，内定子a(3)绕有悬浮绕组a(5)；外定子b(13)绕有转矩绕组b(7)，内定子b(11)绕有悬浮绕组b(12)；

所述锥形转子a(2)，锥形内定子a(3)，锥形转子b(8)，锥形内定子b(11)锥角开口角度相同，锥形转子a(2)和锥形内定子a(3)开口方向相同，锥形转子b(8)和锥形内定子b(11)开口方向相同，定锥形转子a(2)、锥形内定子a(3)开口方向和锥形转子b(8)、锥形内定子b(11)开口方向相反；所述永磁体a(4)放置于内定子a(3)内；所述永磁体b(9)放置于内定子b(11)内；

由于转子a(2)锥角的存在，内定子a(3)对转子a(2)产生轴向磁拉力，轴向磁拉力总是指向转子直径较小的一侧，通过调节内定子a(2)悬浮电流大小即可调节电机Ⅰ轴向力大小F₁；

由于转子b(8)锥角的存在，内定子b(11)对转子b(8)产生轴向磁拉力，轴向磁拉力总是指向转子直径较小的一侧，通过调节内定子b(8)悬浮电流大小即可调节电机Ⅱ轴向力大小F₂；

由于转子a(2)和转子b(8)锥形开口方向相反，F₁和F₂方向相反，五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统的轴向力大小为F₁-F₂，轴向力方向由F₁-F₂符号决定，若F₁-F₂结果符号为正，则该系统轴向力方向与F₁方向相同，若F₁-F₂结果符号为负，则该系统轴向力方向与F₂方向相同；

所述永磁体a(4)横截面为矩形，材料为钕铁硼，充磁方式为切向充磁；所述永磁体b(9)横截面为矩形，材料为钕铁硼，充磁方式为切向充磁；

永磁体a(4)与转轴(10)之间留有导磁桥，悬浮电流产生磁力线从导磁桥中通过，永磁体a(4)所产生永磁磁通与悬浮绕组a(5)产生的磁通在气隙一侧中叠加，在另一侧中互相削弱，产生径向悬浮力；电机励磁方式由传统的电励磁变为与永磁体共同作用的混合励磁；

永磁体b(9)与转轴(10)之间留有导磁桥，悬浮电流产生磁力线从导磁桥中通过，永磁体a(4)所产生永磁磁通与悬浮绕组a(5)产生的磁通在气隙一侧中叠加，在另一侧中互相削弱，产生径向悬浮力，电机励磁方式由传统的电励磁变为与永磁体共同作用的混合励磁；

永磁体在内定子中为径向设置。

2.根据权利要求1所述的五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统，其特征在于：转矩绕组a(6)与悬浮绕组a(5)产生磁路相互独立，转矩绕组a(6)实现转子旋转功能，悬浮绕组a(5)实现转子稳定悬浮功能，悬浮力和转矩可分别控制；同时径向两自由度的悬浮力之间耦合减小；

转矩绕组b(7)与悬浮绕组b(12)产生磁路相互独立，转矩绕组b(7)实现转子旋转功能，悬浮绕组b(12)实现转子稳定悬浮功能，悬浮力和转矩可分别控制，同时径向两自由度的悬浮力之间耦合减小。

3.根据权利要求1所述的五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统，其特征在于：所述外定子a(1)齿数为12、转子a(2)齿数为8、内定子a(3)齿数为4，绕有三相转矩线圈，通过串联方式将相隔90度的定子绕组连接在一起,内定子a(3)绕有悬浮绕组，采用单独控制的方式实现转子径向悬浮。

4.根据权利要求1所述的五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统，其特征在于：所述外定子b(13)齿数为12、转子b(8)齿数为8、内定子b(11)齿数为4，绕有三相转矩线圈，通过串联方式将相隔90度的定子绕组连接在一起,内定子b(11)绕有悬浮绕组，采用单独控制的方式实现转子径向悬浮。

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