CN108539914A - 一种三相四自由度轴向分相磁悬浮飞轮电机 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种三相四自由度轴向分相磁悬浮飞轮电机,包括定子、定子套筒、转子、转子套筒、飞轮,定子和转子沿轴向分成A相、B相和C相三部分,每相邻相之间装有轴向充磁永磁体,A相、B相和C相转子铁心内侧分别等间隔设有12个转子极,A相转子极、B相转子极和C转子极沿圆周方向依次错开1/3个转子极距,通过导通和关断角设置实现自启动,A相和C相定子铁心分别设有8个窄齿转矩极和4个宽齿悬浮极,B相定子设有12个等宽转矩极,转矩极和悬浮极上分别绕有控制线圈。本发明实现自启动和四自由度悬浮,达到降低转矩脉动和增强转矩出力的效果。
Description
技术领域
本发明属于磁悬浮电机的技术领域,具体的说是涉及一种三相四自由度轴向分相磁悬浮飞轮电机。
背景技术
随着新能源发电、分布式电源系统、混合动力车辆、航空航天等领域的发展,储能技术已然成为全球性的研究热点。在诸多储能技术中,飞轮储能因效率高、功率大、寿命长、储能密度大、无污染等优点受到国内外的高度重视。然而,飞轮储能仍存在诸多技术难题,其中包括悬浮支承系统的实现问题:为降低悬浮支承损耗,飞轮储能中一般采用多个磁悬浮轴承,这势必会增加飞轮转子轴向长度,从而降低其临界转速,同时也增加飞轮电池结构复杂度。
磁悬浮电机集悬浮支承系统与驱动电机于一体,其作为飞轮储能的核心部件时,能很大程度缩短飞轮转子轴向长度,便于实现高速/超高速运行,提升系统的比能量与比功率,开关磁阻电机具备调速范围宽、效率平台宽、以及结构简单可靠、机械强度大等优点,适合高速、超高速运行的飞轮,且这些优点与磁悬浮电机技术结合,形成磁悬浮开关磁阻电机(bearingless switched reluctance motors,BSRM),还进一步消除机械轴承带来的摩擦损耗,具有无磨损、体积小、功耗低和轴向利用率高的优点,同时还能有效削弱振动幅度以及系统噪音,提高了系统运行可靠性与使用寿命,这使其在飞轮储能领域的潜在应用价值尤为突出。
但纵观国内外,目前BSRM在飞轮储能中的实际工程应用普及程度并不高,究其原因主要是电机内部绕组-磁路-电磁力均存在复杂的电磁强耦合关系,电机分析与高速控制难度大,这已经成为制约该项技术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,这些结构的提出一定层度上克服了电磁耦合问题,但还存在诸多不足,如双定子结构不易于电机和飞轮集成化设计;混合转子结构轴向长度依然较长,飞轮临界转速受限;混合定子以及永磁偏置结构,悬浮极占据较多的空间,电机输出转矩和功率受限,不利于飞轮快速充放电运行。为此,发明专利“201610864124.3”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,该电机通过轴向分相设计实现四自由度悬浮支承,且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,但是发明所提优化结构是两相结构,不具备自启动性能,且输出转矩密度较低、转矩脉动较大,影响飞轮充放电运行性能。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提出一种三相四自由度轴向分相磁悬浮飞轮电机,进一步提高输出转矩、降低转矩脉动并实现自启动。
为了达到上述目的,本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明是一种三相四自由度轴向分相磁悬浮飞轮电机,包括定子、定子套筒、转子、转子套筒、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,定子和转子沿轴向分成A相、B相和C相三部分,每相邻相之间装有轴向充磁永磁体,A相、B相和C相转子铁心内侧分别等间隔设有12个转子极,A相转子极、B相转子极和C转子极沿圆周方向依次错开 1/3 个转子极距,通过导通和关断角设置实现自启动,A相和C相定子铁心分别设有8个窄齿转矩极和4个宽齿悬浮极,B相定子设有12个等宽转矩极,转矩极和悬浮极上分别绕有控制线圈,A相转矩极上的控制线圈串联构成A相转矩绕组,C相转矩极上的控制线圈串联构成C相转矩绕组,A相、C相正对两个悬浮极上的控制线圈串联构成正交方向两套悬浮绕组,B相12个转矩极上的控制线圈串联构成B相转矩绕组。
本发明的进一步改进在于: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,转矩极的极靴宽度等于1/2转子极距。
本发明的进一步改进在于:转矩极和悬浮极设有隔磁部件。
本发明的进一步改进在于:B相转矩极与定子套筒之间设有隔磁环。
本发明的进一步改进在于:A相和B相之间为第一永磁体,B相与C相之间为第二永磁体,永磁磁路为第一永磁体的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→C相转子铁心→C相气隙→C相定子铁心→C相定子套筒→第二永磁体的S极→第二永磁体的N极→B相定子套筒→第一永磁体的S极。
本发明的有益效果是:(1)本发明采用轴向分相A、B、C三相结构,每相转子极沿圆周方向依次错开 1/3 个转子极距,通过导通和关断角设置可实现电机自启动;(2)本发明A、C两相定子分设悬浮极和转矩极,实现能量转换的同时,达到飞轮转子径向四自由度悬浮运行;(3)本发明B相定子铁心上12个定子极全部为转矩极,大幅增强了电机转矩出力和功率密度,且降低转矩脉动;(4)本发明B相转矩极与定子套筒间设有隔磁环,从结构上实现径向四自由度悬浮磁路与三相转矩控制磁路的解耦,大幅降低了悬浮和转矩控制难度。
本发明将定转子沿轴向分成A、B、C三相,且A、C两相分设悬浮极和转矩极、B相定子铁心等间隔设有12个等宽转矩极,实现自启动和四自由度悬浮,达到降低转矩脉动和增强转矩出力的效果。
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 是本发明电机结构B相径向截面示意图。
图4 是本发明电机结构C相径向截面示意图。
图5 是本发明绕组A相连接示意图。
图6 是本发明绕组B相连接示意图。
图7是本发明电机永磁磁路和悬浮绕组控制磁路示意图。
其中:1-第一永磁体,2-定子,3-转子套筒,4-隔磁环,5-转子,6-飞轮,7-定子套筒,8-第二永磁体,201-悬浮极,202-转矩极,203-隔磁部件,204-A相悬浮绕组,205-A相转矩绕组,206-悬浮绕组控制磁路,207-转矩绕组控制磁路,208-永磁磁路,209-B相转矩绕组,501-转子极距,502-转子极。
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1-7所示,本发明是一种三相四自由度轴向分相磁悬浮飞轮电机,包括定子2、定子套筒7、转子5、转子套筒3、飞轮6,转子铁心、转子套筒3与飞轮6由内而外同心嵌套成一个整体,定子铁心与定子套筒7同心嵌套安装在固定轴上,所述定子2和转子5沿轴向分成A相、B相和C相三部分,每相邻相之间装有轴向充磁永磁体,所述A相、所述B相和所述C相转子铁心内侧分别等间隔设有12个转子极502,所述A相转子极502、所述B相转子极502和所述C转子极502沿圆周方向依次错开 1/3 个转子极距501,通过导通和关断角设置实现自启动,所述A相和所述C相定子铁心分别设有8个窄齿转矩极202和4个宽齿悬浮极201,所述A相和所述C相的四个悬浮极201之间等间隔设置8个转矩极202,每相内定子铁心之间装有永磁环,采用轴向充磁,为A相、C相八个悬浮极提供偏置磁通,所述B相定子设有12个等宽转矩极202,每相转子铁心内侧等间隔设有12个转子极,且沿圆周方向依次错开 1/3 个转子极距,实现了自启动,同时因B相转矩极的增加,有效增强转矩出力,并降低转矩脉动,所述B相转矩极202与定子套筒7之间设有隔磁环4,从结构上实现悬浮控制磁路与转矩控制磁路的自然解耦,有效提高悬浮性能和解耦效果,所述转矩极202和所述悬浮极201上分别绕有控制线圈,所述转矩极202上绕有转矩控制线圈,所述悬浮极201上绕有悬浮控制线圈, 所述A相转矩极上的控制线圈串联构成A相转矩绕组205,所述C相转矩极上的控制线圈串联构成C相转矩绕组,所述A相、C相正对两个悬浮极201上的控制线圈串联构成正交方向两套悬浮绕组,也就是说A相悬浮绕组204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,C相悬浮绕组204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,B相12个所述转矩极202上的控制线圈串联构成B相转矩绕组209,可有效增强电机的转矩出力,所述转矩极202和所述悬浮极201选用极靴齿,所述悬浮极201的极靴宽度等于转子极距501,在任意转子位置下悬浮极与转子极对齐面积不变,所述转矩极202的极靴宽度等于1/2转子极距501,所述转矩极202和所述悬浮极201设有隔磁部件203,所述A相和所述B相之间为第一永磁体1,所述B相与所述C相之间为第二永磁体8,永磁磁路208为第一永磁体1的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→C相转子铁心→C相气隙→C相定子铁心→C相定子套筒→第二永磁体8的S极→第二永磁体8的N极→B相定子套筒→第一永磁体1的S极。
本发明每相转子极沿圆周方向依次错开 1/3 个转子极距,通过导通和关断角设置实现自启动;B相定子铁心设有12个转矩极,有效增强转矩出力,大幅降低转矩脉动,更加有利于电机的充放电控制;B相转矩极与轴向套筒间设有隔磁环,从结构上实现悬浮控制磁路与转矩控制磁路的自然解耦,有效提高悬浮性能和解耦效果。
Claims (5)
1.一种三相四自由度轴向分相磁悬浮飞轮电机,包括定子(2)、定子套筒(7)、转子(5)、转子套筒(3)、飞轮(6),转子铁心、转子套筒(3)与飞轮(6)由内而外同心嵌套成一个整体,定子铁心与定子套筒(7)同心嵌套安装在固定轴上,其特征在于:所述定子(2)和转子(5)沿轴向分成A相、B相和C相三部分,每相邻相之间装有轴向充磁永磁体,所述A相、所述B相和所述C相转子铁心内侧分别等间隔设有12个转子极(502),所述A相转子极(502)、所述B相转子极(502)和所述C转子极(502)沿圆周方向依次错开 1/3 个转子极距(501),通过导通和关断角设置实现自启动,所述A相和所述C相定子铁心分别设有8个窄齿转矩极(202)和4个宽齿悬浮极(201),所述B相定子设有12个等宽转矩极(202),所述转矩极(202)和所述悬浮极(201)上分别绕有控制线圈,所述A相转矩极上的控制线圈串联构成A相转矩绕组,所述C相转矩极上的控制线圈串联构成C相转矩绕组,所述A相、C相正对两个悬浮极(201)上的控制线圈串联构成正交方向两套悬浮绕组,B相12个所述转矩极(202)上的控制线圈串联构成B相转矩绕组。
2.根据权利要求1所述一种三相四自由度轴向分相磁悬浮飞轮电机,其特征在于:所述转矩极(202)和所述悬浮极(201)选用极靴齿,所述悬浮极(201)的极靴宽度等于转子极距(501),所述转矩极(202)的极靴宽度等于1/2转子极距(501)。
3.根据权利要求1或2所述一种三相四自由度轴向分相磁悬浮飞轮电机,其特征在于:所述转矩极(202)和所述悬浮极(201)设有隔磁部件(203)。
4.根据权利要求1所述一种三相四自由度轴向分相磁悬浮飞轮电机,其特征在于:所述B相转矩极(202)与定子套筒(7)之间设有隔磁环(4)。
5.根据权利要求1所述一种三相四自由度轴向分相磁悬浮飞轮电机,其特征在于:所述A相和所述B相之间为第一永磁体(1),所述B相与所述C相之间为第二永磁体(8),永磁磁路(208)为第一永磁体(1)的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→C相转子铁心→C相气隙→C相定子铁心→C相定子套筒→第二永磁体(8)的S极→第二永磁体(8)的N极→B相定子套筒→第一永磁体(1)的S极。
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