CN108365778A - 一种飞轮电池用四自由度无轴承永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种飞轮电池用四自由度无轴承永磁电机，外定子由左定子、转矩绕组定子、右定子三部分的轭部从左至右沿轴向相接组成，左定子和右定子相对于转矩绕组定子左右对称布置，左右定子的定子齿上各绕有悬浮绕组，转矩绕组定子的定子齿上绕有转矩绕组；左定子的定子齿和转矩绕组定子的定子齿之间的轭部正中间处嵌有左永磁环，右定子的定子齿和转矩绕组定子的定子齿之间的轭部正中间处嵌有右永磁环，悬浮转子的正中间外固定套有隔磁铝套，隔磁铝套外同轴固定套有转矩转子铁芯，转矩转子铁芯外表面沿圆周方向均匀分布四块圆弧形的转矩转子永磁体；将悬浮绕组与转矩绕组分离，通过左右两定子产生的径向力直接调节飞轮电池转轴的横摆运动。

Description

一种飞轮电池用四自由度无轴承永磁电机

技术领域

本发明涉及无轴承电机和磁悬浮技术领域，是一种主要适用于高速和空间紧凑的电动车飞轮电池的无轴承永磁电机。

背景技术

传统飞轮电池用无轴承永磁电机主要由定子、转子以及极对数相差一的转矩绕组与悬浮力绕组这两套绕组构成，通过控制两套绕组内的电流产生两组不同的磁场，从而同时实现转子的自悬浮与旋转。但是传统飞轮电池用无轴承永磁电机存在几点不足之处：1、只能有沿轴向均匀分布径向力，只能限制水平与垂直方向上的两个自由度，不能调节电机沿转轴上的横摆运动。2、转矩磁场与悬浮磁场耦合度较高，悬浮力控制响应较慢。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述传统飞轮电池用无轴承电机的不足，提出了一种能简化电机控制、在加快悬浮响应的同时加强横摆运动控制的适用于飞轮电池的无轴承永磁电机。

本发明一种飞轮电池用四自由度无轴承永磁电机采用的技术方案是：外定子同轴且有间隙地套在悬浮转子外，悬浮转子同轴固定套在转轴外，外定子由左定子、转矩绕组定子、右定子三部分组成，这三部分的轭部从左至右沿轴向相接，左定子和右定子相对于转矩绕组定子左右对称布置；左定子、转矩绕组定子和右定子都沿圆周方向均匀分布相同数量的定子齿，左定子的定子齿上绕有左端悬浮绕组，右定子的定子齿上绕有右端悬浮绕组，转矩绕组定子的定子齿上绕有转矩绕组；左定子的定子齿和转矩绕组定子的定子齿之间的轭部正中间处嵌有左永磁环，右定子的定子齿和转矩绕组定子的定子齿之间的轭部正中间处嵌有右永磁环，左永磁环和右永磁环均沿轴向充磁且充磁方向相同；悬浮转子的轴向两端为圆盘形，两端的圆盘形分别与左定子和右定子的定子齿在径向上相对齐，悬浮转子的正中间外固定套有隔磁铝套，隔磁铝套外同轴固定套有转矩转子铁芯，转矩转子铁芯外表面沿圆周方向均匀分布四块圆弧形的转矩转子永磁体，每块转矩转子永磁体的弧度为60°，每块转矩转子永磁体均沿径向充磁，相邻两块转子永磁体的充磁方向相反，转矩转子永磁体的外径等于悬浮转子的轴向两端圆盘形的外径。

当增大左端悬浮绕组的电流与减小右端悬浮绕组的电流时，悬浮转子沿顺时针方向转动，当减小左端悬浮绕组的电流与增大右端悬浮绕组的电流时，悬浮转子沿逆时针方向转动，能调节悬浮转子沿轴向上的横摆。

本发明的有益效果是：

1. 本发明与传统飞轮电池用无轴承永磁电机相比，将悬浮绕组与转矩绕组分离，使转矩磁场与悬浮磁场分离，可以通过对悬浮磁场与转矩磁场分别进行控制，达到预期效果。去除了悬浮绕组与转矩绕组极对数必须相差一的限制，控制简单，响应迅速。

2. 本发明可以通过左右两定子产生的径向力直接调节飞轮电池转轴的横摆运动，能够同时产生可调节径向力与可控制的沿转轴的横摆运动，可以使配套的飞轮电池结构更加简单，去除额外的限制结构。

附图说明

图1是本发明一种飞轮电池用四自由度无轴承永磁电机的结构图；

图2是图1的径向结构示意图；

图3是本发明左定子产生悬浮力的原理图；

图4是本发明右定子产生悬浮力的原理图；

图5是本发明调节悬浮转子沿轴向方向横摆运动的原理图；

图中标号及名称为：1、外定子；2、左永磁环；3、左端悬浮绕组；4、右永磁环；5、转矩绕组；6、右端悬浮绕组；7、悬浮转子；8、转轴；9、转矩转子永磁体；10、转矩转子铁芯；11、隔磁铝套；12、永磁环磁场；13、左定子悬浮磁场；14、右定子悬浮磁场；15、转矩绕组定子；16、右定子；17、左定子。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明包括外定子1、转轴8和悬浮转子7，最外部是外定子1，外定子1同轴且有间隙地套在悬浮转子7外，悬浮转子7同轴固定套在转轴8外，与转轴8同轴旋转。

外定子1由左定子17、转矩绕组定子15、右定子16这三部分组成，这三部分的轭部从左至右沿轴向连续地无缝相接。转矩绕组定子15位于正中间，转矩绕组定子15的左侧是左定子17，右侧是右定子16，左定子17和右定子16相对于转矩绕组定子15的中心在轴向上左右对称布置。左定子17、转矩绕组定子15和右定子16的轭部的外径相等、内径也相等。左定子17、转矩绕组定子15和右定子16都沿圆周方向均匀分布相同数量的定子齿，图2示出的是12个定子齿，所有定子齿的内径相等。左定子17和右定子16上的定子齿尺寸结构相同。左定子17和右定子16上的定子齿轴向厚度是转矩绕组定子15上的定子齿轴向厚度的四分之一。在轴向上，左定子17的定子齿和转矩绕组定子15的定子齿之间的轭部正中间处嵌有左永磁环2，右定子1的定子齿和转矩绕组定子15的定子齿之间的轭部正中间处嵌有右永磁环4，左永磁环2和右永磁环4均沿轴向充磁，并且充磁方向相同，均从右向左充磁。左永磁环2和右永磁环4径向环宽为3mm，外径与外定子1的外径相同，内径等于外定子1的轭部内径。

左定子17的定子齿上绕有左端悬浮绕组3，右定子16的定子齿上绕有右端悬浮绕组6，左端悬浮绕组3和右端悬浮绕组6均为两级两相绕组，可单独通电。转矩绕组定子15的定子齿上绕有转矩绕组5，转矩绕组5为三相四极绕组，转矩绕组5通入的是三相电角度相差120°的交流电，通电顺序按先后为A到B到C。

转轴8的轴向长度比定子1的轴向长度稍长，悬浮转子7的轴向长度与外定子1的轴向长度相同。

悬浮转子7的轴向两端为圆盘形，该圆盘形的轴向宽度与左定子17和右定子16的定子齿的轴向长度相等，并且两端的圆盘形分别与左定子17和右定子16的定子齿在径向上相对齐。两端的圆盘形与左定子17和右定子16的定子齿之间留有2mm的径向气隙。

悬浮转子7的两端圆盘形之间为直径小于圆盘形直径的圆柱形，圆柱形的直径比圆盘形直径小12mm。在圆柱形的正中间外固定套有材料为铝的隔磁铝套11，用来分离转矩与悬浮磁场，隔磁铝套11的径向环宽为2mm，轴向长度与转矩绕组定子15的定子齿的轴向长度相同，与转矩绕组定子15的定子齿在径向上相对齐。在隔磁铝套11外同轴固定套有转矩转子铁芯10，转矩转子铁芯10的轴向长度与转矩绕组定子15的定子齿轴向长度相同，转矩转子铁芯10的径向壁厚为3mm。

在转矩转子铁芯10外表面沿圆周方向均匀分布四块圆弧形的转矩转子永磁体9，四块转矩转子永磁体9均同轴固定套在转矩转子铁芯10外，相邻两块转矩转子永磁体9之间间隔90°，每块转矩转子永磁体9的弧度为60°，径向厚度为2mm，轴向长度与转矩绕组定子15的定子齿轴向长度相同，转矩转子永磁体9的外径等于悬浮转子7的轴向两端为圆盘形的外径，转矩转子永磁体9与转矩绕组定子15的定子齿留有2mm的径向气隙。每块转矩转子永磁体9均沿径向充磁，相邻两块转子永磁体9的充磁方向相反。

图3为左定子17产生悬浮力的原理图，以左端悬浮绕组3中Y轴方向两绕组Y1、Y2为例：左永磁环2和右永磁环4产生的磁场12的方向为从左定子17的定子齿进入悬浮转子7的左端圆盘，对左端悬浮绕组3中的两绕组Y1、Y2通电，产生悬浮磁场13，绕组Y1产生的悬浮磁场方向是由左定子17的定子齿进入左端圆盘，绕组Y2产生的悬浮磁场方向是由左端圆盘进入左定子17的定子齿，即左永磁环2和右永磁环4产生的磁场12与悬浮绕组Y1、Y2通电时产生的悬浮磁场13在Y轴正向方向相同，在Y轴负向方向相反，根据麦克斯韦力产生原理，会产生沿Y轴正向的悬浮力Fy1。

图4为右定子16产生悬浮力的原理图，以右端悬浮绕组6中Y轴方向两绕组Y3、Y4为例：左永磁环2和右永磁环4产生的磁场12方向为从悬浮转子7的右端圆盘进入右定子16的定子齿，右端悬浮绕组6通入的电流与左端悬浮绕组3通入的电流方向相反，大小可以不同。当对右端悬浮绕组6中的绕组Y3、Y4通电时，产生悬浮磁场14，绕组Y3产生的磁场方向是由右端圆盘进入右定子16的定子齿，绕组Y2产生的磁场方向是由右定子16的定子齿进入右端圆盘，即左永磁环2和右永磁环4产生的磁场12与悬浮绕组Y3、Y4通电时产生的悬浮磁场14在Y轴正向方向相同，在Y轴负向方向相反，根据麦克斯韦力产生原理，会产生沿Y轴正向的悬浮力Fy2。

图5为调节悬浮转子7沿轴向方向横摆运动的原理图，以Y轴方向绕组Y1、Y2、Y3、Y4为例：左永磁环2和右永磁环4产生永磁磁场12，左端悬浮绕组3通电时产生悬浮磁场13，右端悬浮绕组6通电时产生悬浮磁场14。当增大左端悬浮绕组3中绕组Y1、Y2内的电流与减小右端悬浮绕组6中绕组Y3、Y4内的电流时，可以使悬浮转子7沿顺时针方向的转动；当减小左端悬浮绕组3中绕组Y1、Y2内的电流与增大右端悬浮绕组6中绕组Y3、Y4内的电流时，可以使悬浮转子7沿逆时针方向的转动，从而达到调节悬浮转子7沿轴向上的横摆运动。

Claims (8)

1.一种飞轮电池用四自由度无轴承永磁电机，外定子（1）同轴且有间隙地套在悬浮转子（7）外，悬浮转子（7）同轴固定套在转轴（8）外，其特征是：外定子（1）由左定子（17）、转矩绕组定子（15）、右定子（16）三部分的轭部从左至右沿轴向相接组成，左定子（17）和右定子（16）相对于转矩绕组定子（15）左右对称布置；左定子（17）、转矩绕组定子（15）和右定子（16）都沿圆周方向均匀分布相同数量的定子齿，左定子（17）的定子齿上绕有左端悬浮绕组（3），右定子（16）的定子齿上绕有右端悬浮绕组（6），转矩绕组定子（15）的定子齿上绕有转矩绕组（5）；左定子（17）的定子齿和转矩绕组定子（15）的定子齿之间的轭部正中间处嵌有左永磁环（2），右定子（1）的定子齿和转矩绕组定子（15）的定子齿之间的轭部正中间处嵌有右永磁环（4），左永磁环（2）和右永磁环（4）均沿轴向充磁且充磁方向相同；悬浮转子（7）的轴向两端为圆盘形，两端的圆盘形分别与左定子（17）和右定子（16）的定子齿在径向上相对齐，悬浮转子（7）的正中间外固定套有隔磁铝套（11），隔磁铝套（11）外同轴固定套有转矩转子铁芯（10），转矩转子铁芯（10）外表面沿圆周方向均匀分布四块圆弧形的转矩转子永磁体（9），每块转矩转子永磁体（9）的弧度为60°，每块转矩转子永磁体（9）均沿径向充磁，相邻两块转子永磁体（9）的充磁方向相反，转矩转子永磁体（9）的外径等于悬浮转子（7）的轴向两端圆盘形的外径。

2.根据权利要求1所述的一种飞轮电池用四自由度无轴承永磁电机，其特征是：当增大左端悬浮绕组（3）的电流与减小右端悬浮绕组（6）的电流时，悬浮转子（7）沿顺时针方向转动，当减小左端悬浮绕组（3）的电流与增大右端悬浮绕组（6）的电流时，悬浮转子（7）沿逆时针方向转动，能调节悬浮转子（7）沿轴向上的横摆。

3.根据权利要求1所述的一种飞轮电池用四自由度无轴承永磁电机，其特征是：隔磁铝套（11）、转矩转子铁芯（10）和转矩转子永磁体（9）的轴向长度均与转矩绕组定子（15）的定子齿的轴向长度相同，与转矩绕组定子（15）的定子齿在径向相对齐。

4.根据权利要求1所述的一种飞轮电池用四自由度无轴承永磁电机，其特征是：左定子（17）、转矩绕组定子（15）和右定子（16）的轭部的外径相等、内径相等，所有定子齿的内径均相等。

5.根据权利要求1所述的一种飞轮电池用四自由度无轴承永磁电机，其特征是：左定子（17）和右定子（16）上的定子齿轴向厚度是转矩绕组定子（15）上的定子齿轴向厚度的四分之一。

6.根据权利要求1所述的一种飞轮电池用四自由度无轴承永磁电机，其特征是：左永磁环（2）和右永磁环（4）的外径与外定子（1）的外径相同，内径等于外定子（1）的轭部内径。

7.根据权利要求1所述的一种飞轮电池用四自由度无轴承永磁电机，其特征是：左端悬浮绕组（3）和右端悬浮绕组（6）均为两级两相绕组，能单独通电，转矩绕组（5）为三相四极绕组。

8.根据权利要求1所述的一种飞轮电池用四自由度无轴承永磁电机，其特征是：悬浮转子（7）两端圆盘形的轴向宽度与左定子（17）和右定子（16）的定子齿的轴向长度相等。