CN108448808B - 带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机 - Google Patents

带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机 Download PDF

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Abstract

本发明是一种带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机，包括转子铁心、转子套筒、定子套筒、定子铁心、永磁体、飞轮，转子铁心、转子套筒与飞轮由内而外同心嵌套成一个整体，定子铁心与定子套筒同心嵌套安装在固定轴上，定子铁心和转子铁心沿轴向按相数分成m段，每相转子铁心内侧等间隔设有12个转子极，每相定子铁心设有8个转矩极和4个悬浮极，转矩极和悬浮极选用极靴齿，转矩极和悬浮极上分别绕有控制线圈，两相定子之间装有轴向充磁永磁体。本发明将悬浮极和转矩极为极靴齿，提高了定子槽空间，有效增强电机转矩密度和悬浮出力，大幅提高永磁体的利用率，降低永磁体用量，达到节约成本，增强出力的效果。

Description

带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机
技术领域
本发明磁悬浮开关磁阻电机的技术领域，具体的说是一种带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机。
背景技术
飞轮储能系统是一种机电能量转换的物理储能装置，具备比能量高、比功率大、体积小、寿命长、充放电快、清洁无污染等优点，在航空航天(卫星储能电池，综合动力和姿态控制)、军事(大功率电磁炮)、电力(电力调峰)、通信(不间断电源)、汽车工业(混合动力汽车)等领域有着广阔的应用前景。磁悬浮电机结合磁轴承无接触悬浮与电机旋转双重功能，应用于飞轮储能，可简化系统结构，提高临界转速，在飞轮储能领域具备独特优势。磁悬浮开关磁阻电机(bearingless switched reluctance motors，BSRM)充分保留开关磁阻电机优良特性，同时通过自身径向力的主动控制，进一步改善系统高速性能与运行效率。将其引入飞轮储能，可大幅减小系统体积与损耗，提高悬浮性能、临界转速与功率密度，是飞轮悬浮支承与能量转换的理想选择之一。
20世纪90年代，日本学者Chiba A和Takemoto M等最早开展BSRM研究，提出了12/8极双绕组典型结构，该电机采用双绕组结构，其气隙磁场由载流主绕组和载流悬浮绕组共同作用产生，使得电机悬浮力和电磁转矩呈现强烈的电磁耦合特性，且悬浮力产生存在死区，分析以及控制难度大，这成为制约BSRM进入工程应用的主要瓶颈。近年来，部分学者尝试从电机结构的角度减弱电磁耦合性，提出了双定子、混合转子、混合定子以及永磁偏置等多种结构。这些新结构的提出有效地削弱了电磁耦合问题，然而，用于飞轮电池时，还有诸多不足，如双定子结构不易于电机和飞轮集成化设计，且内外定子绕组存在严重的温升和散热问题，电机高速运行下效率较低；混合转子结构导致电机轴向长度依然较长，飞轮临界转速受限；混合定子以及永磁偏置结构采用外定子结构，电机不易于与飞轮集成一体，且永磁体在外定子侧，消耗永磁材料较多，性价比不高。
为了更好满足飞轮电池集成化、低功耗、高转速运行性能要求，发明专利ZL2016108641243发明了一种轴向分相内定子永磁偏置磁悬浮开关磁阻飞轮电机，该电机采用内定子结构，将电机转子与飞轮合二为一，减小系统体积，提高临界转速；通过轴向分相设计实现四自由度悬浮支承，提高系统的悬浮性能；采用永磁体提供偏置磁通，降低悬浮支承损耗，提升系统效率与功率密度。但是该电机悬浮极和转矩极均采用矩形齿，内定子结构槽空间较小，难以嵌绕更多的转矩绕组和悬浮绕组，导致该电机转矩密度和悬浮出力依然较低，同时该发明所述电机的永磁偏置磁通需要经过由硅钢片轴向叠压而成的定转子铁心，轴向磁路需要频繁经过硅钢片之间的绝缘层，其导磁率低，因此为产生一定的偏置磁通，需要消耗更多的永磁材料，导致永磁体利用率较低，成本增加。
发明内容
为了进一步提高飞轮电池比功率和悬浮性能，节约永磁材料用量，降低成本，提出一种带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机，将悬浮极和转矩极由矩形齿改为极靴齿，提高了定子槽空间，有效增强电机转矩密度和悬浮出力；且定子内侧和转子外侧增设导磁套筒，提高永磁偏置磁路的轴向导磁性能，大幅提高永磁体的利用率，降低永磁体用量，达到节约成本，增强出力的效果。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明是一种带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机，包括转子铁心、转子套筒、定子套筒、定子铁心、永磁体、飞轮，转子铁心、转子套筒与飞轮由内而外同心嵌套成一个整体，定子铁心与定子套筒同心嵌套安装在固定轴上，定子铁心和转子铁心沿轴向按相数分成m段，每相转子铁心内侧等间隔设有12个转子极，每相定子铁心设有8个转矩极和4个悬浮极，转矩极和悬浮极选用极靴齿，悬浮极的极靴宽度等于转子极距，转矩极的极靴宽度为转子齿宽，转矩极与悬浮极之间设有隔磁部件，转矩极和悬浮极上分别绕有控制线圈，每相8个转矩极上的控制线圈相互串联构成每相转矩绕组，每相正对2个悬浮极上的控制线圈串联构成正交方向两套悬浮绕组，两相定子之间装有轴向充磁永磁体。
本发明的进一步改进在于：转子铁心和定子铁心分别由硅钢片沿轴向叠压而成，转子套筒和定子套筒分别由整块钢做成。
本发明有益效果是：（1）本发明定子内侧和转子外侧增设导磁套筒，电机的永磁偏置磁通不再经过永磁体与定转子铁心之间的绝缘层，导致导磁率低，而是改为导磁套筒，减少永磁材料的消耗，提升永磁体利用率，降低成本；（2）本发明将悬浮极和转矩极由矩形齿改为极靴齿，矩形齿使内定子结构槽空间较小，改成极靴齿后，定子槽空间变大，可以嵌绕更多的转矩绕组和悬浮绕组，电机转矩密度和悬浮出力增大；（3）本发明转子套筒不仅可以提高导磁性能，还能进一步增强磁悬浮转子高速下结构强度；（4）定子套筒采用不同外径尺寸，靠永磁体一侧的定子套筒外径大与定子铁心内侧的套筒外径，增大了定子套筒与永磁体的接触面积，有效增大轴向充磁面积，提高永磁偏置磁场。
附图说明
图1是本发明电机结构轴向截面示意图。
图2是本发明电机结构A相径向截面示意图。
图3是本发明电机绕组A相连接示意图。
图4是本发明电机永磁磁路示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
如图1-4所示，本发明是一种带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机，包括转子铁心1、转子套筒2、定子套筒4、定子铁心6、永磁体3、飞轮5，所述转子铁心1、所述转子套筒2与所述飞轮5由内而外同心嵌套成一个整体，所述定子铁心6与所述定子套筒4同心嵌套安装在固定轴上，所述转子铁心1和所述定子铁心6分别由硅钢片沿轴向叠压而成，所述转子套筒2和定子套筒4分别由整块钢做成，内定子铁芯和定子套筒、外转子铁芯和转子套筒，沿轴按相数分成段，定子铁心6和转子铁心1沿轴向按相数分成m段，也就是说内定子铁芯和定子套筒、外转子铁芯和转子套筒，沿轴按相数分成段，图1给出了m=2的情况，分别为A相部分和B相部分，每段内定子铁心之间装有永磁环，采用轴向充磁，为径向悬浮力的产生提供偏置磁通；每相所述转子铁心1内侧沿圆周等间隔设有12个转子极102，如图2所示，A相所述定子铁心6设有4个悬浮极601，四个悬浮极601之间等间隔设置8个转矩极602，所述转矩极602和悬浮极601选用极靴齿，悬浮极601的极靴宽度等于转子极距，在任意转子位置下悬浮极与转子极对齐面积不变，转矩极602的极靴宽度为转子齿宽，转矩极602与悬浮极601之间设有隔磁部件603，转矩极602和悬浮极601上分别绕有控制线圈，每相8个转矩极602上的控制线圈相互串联构成每相转矩绕组，如图3所示，每段极靴齿悬浮极上的控制线圈两两串联,构成正交方向两套悬浮绕组, 每相正对2个悬浮极601上的控制线圈串联构成正交方向两套悬浮绕组，A相转矩极602和悬浮极601上分别绕有转矩控制线圈和悬浮控制线圈,A相八个转矩极上的控制线圈互相串联构成相主极绕组605,A相悬浮绕组604包括正交方向两套,分别由各自方向2个正对悬浮极上的控制线圈反向串联而成，如图4所示，两相定子之间装有轴向充磁永磁体3，永磁磁路608为永磁体N极→A相定子套筒→A相定子铁心→A相气隙→A相转子铁心→转子套筒→B相转子铁心→B相气隙→B相定子铁心→B定子套筒→永磁体S极。
本发明将悬浮极和转矩极设计为极靴齿，提高了定子槽空间，有效增强电机转矩密度和悬浮出力；且定子内侧和转子外侧增设导磁套筒，提高永磁偏置磁路的轴向导磁性能，大幅提高永磁体的利用率，降低永磁体用量，达到节约成本，增强出力的效果。

Claims (2)

1.带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机，包括转子铁心（1）、转子套筒（2）、定子套筒（4）、定子铁心（6）、永磁体（3）、飞轮（5），其特征在于：所述转子铁心（1）、所述转子套筒（2）与所述飞轮（5）由内而外同心嵌套成一个整体，所述定子铁心（6）与所述定子套筒（4）同心嵌套安装在固定轴上，定子铁心（6）和转子铁心（1）沿轴向按相数分成m段，每相所述转子铁心（1）内侧等间隔设有12个转子极（102），每相所述定子铁心（6）设有8个转矩极（602）和4个悬浮极（601），所述转矩极（602）和悬浮极（601）选用极靴齿，悬浮极（601）的极靴宽度等于转子极距，转矩极（602）的极靴宽度为转子齿宽，转矩极（602）与悬浮极（601）之间设有隔磁部件（603），转矩极（602）和悬浮极（601）上分别绕有控制线圈，每相8个转矩极（602）上的控制线圈相互串联构成每相转矩绕组，每相正对2个悬浮极（601）上的控制线圈串联构成正交方向两套悬浮绕组，两相定子之间装有轴向充磁永磁体（3），近永磁体一侧的定子套筒外径大于定子铁心内侧的套筒外径，且其具体外径尺寸与永磁体外径尺寸相同，其轴向截面呈“L”型设计。
2.根据权利要求1所述带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机，其特征在于：所述转子铁心（1）和所述定子铁心（6）分别由硅钢片沿轴向叠压而成，所述转子套筒（2）和定子套筒（4）分别由整块钢做成。
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