CN108540015B - 一种混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机，包括：凸极型的外定子，凸极型的转子，凸极型的三个内定子以及两个永磁环。所述外定子，转子以及三个内定子由外而内同中心轴嵌套，且三个内定子沿轴向水平分布，永磁环置于三个内定子中间，与之同中心轴嵌套安置。永磁环轴向充磁，提供偏置磁场，与两个内定子上的悬浮绕组产生的控制磁场叠加产生悬浮力。外定子上主绕组的磁通路径与悬浮磁通路径相互独立，解决了起动功能与转子悬浮功能之间的耦合问题；由永磁环提供偏置磁场，减小了电机的运行损耗，使电机运行可靠性更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机，可作为高速、高效率电机，特别适用于飞轮电池领域。
背景技术
随着我国经济持续高速发展，如高速机床、离心机、压缩机、飞轮电池等众多领域需要高速/超高速电机的驱动，然而在机械轴承支承转轴的高速/超高速电机中，由于电机高速旋转使得摩擦阻力增加，轴承磨损严重，需定期维护，且因摩擦过程中，产生大量的热量，电机工作效率低，所以高速、高效率电机越来越受到重视，然而可靠性、高损耗等问题制约着高速、高效率电机的发展。
发明内容
基于上述现有技术的不足，为此，本专利提出一种混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机，具有功耗低、效率高、转矩和悬浮力无耦合且控制简单灵活的优点。
本发明的技术方案为：一种混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机，由外定子1，转子2，三个内定子和两个永磁环同中心轴嵌套设置组成；外定子1内侧为转子2，转子2内侧为内定子，三个内定子沿轴向从一端至另一端依次为内定子a3-1、内定子c3-3、内定子b3-2；第一永磁环6-1置于内定子a3-1、内定子c3-3之间，第二永磁环6-2置于内定子c3-3、内定子b3-2之间，外定子1上设置有主绕组极1-2，主绕组极1-2上设置有主绕组4，实现起动功能；转子2上设置有转子凸极2-1；三个内定子上设置有悬浮绕组极，内外两个内定子a3-1和内定子b3-2上设置有悬浮绕组a5-1和悬浮绕组b5-2，中间内定子c3-3不设置绕组，实现悬浮功能。
进一步，外定子1上等间隔地设置有12个主绕组极1-2，转子2上等间隔地设置有8个转子凸极2-1，三个内定子3沿轴向设置，分别等间隔地设置有4个悬浮极，内外两个内定子a3-1和内定子b3-2上设置绕组，沿径向同一方向的绕组相互串接。
进一步，第一永磁环6-1、第二永磁环6-2的厚度均不超过内定子轭3-1-2厚度。
进一步，第一永磁环6-1和第二永磁环6-2轴向充磁提供偏置磁场，但充磁方向相反，实现悬浮功能。
进一步，第一永磁环6-1产生的偏置磁场由N极出发，依次经过：内定子a3-1，内定子a3-1与转子2之间的气隙，转子2，内定子c3-3与转子2之间的气隙，内定子c3-3，返回S极；第二永磁环6-2产生的偏置磁场由N极出发，依次经过：内定子b3-2，内定子b3-2与转子2之间的气隙，转子2，内定子c3-3与转子2之间的气隙，内定子c3-3，返回S极；与悬浮绕组a5-1和悬浮绕组b5-2产生的控制磁场叠加产生悬浮力，且与主绕组4产生的转矩磁场相互独立，实现了解耦。
进一步，转子2材料为硅钢片叠加设置。
进一步，第一永磁环6-1和第二永磁环6-2材料为钕铁硼。
本发明有益效果如下：
1、外定子上的主绕组实现起动功能，内外两个内定子上的悬浮绕组实现转子的稳定悬浮功能，结构清晰，功能明确，维护和控制方便。
2、混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机偏置磁场由永磁环提供，与悬浮绕组产生的控制磁场共同作用形成悬浮磁场，产生悬浮力，进一步降低了装置的电磁功耗，提高了运行效率。
3、主绕组产生的磁通路径与悬浮绕组和永磁环产生的偏置磁场叠加的磁通路径相互独立，不存在彼此制约，主绕组和悬浮绕组解耦，提高了系统运行的稳定性与可靠性以及控制的灵活性。
附图说明
图1所示为一种混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机沿xy平面正视图。
其中：1、外定子；2、转子；3、内定子；4、主绕组；5、悬浮绕组；
图2所示为一种混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机沿yz平面剖分图。
其中：3-1、内定子a；3-2、内定子b；3-3、内定子c；1-1、外定子轭；1-2、主绕组极；2-1、转子凸极；2-2、转子轭；3-1-1、内定子a上的悬浮极；3-1-2、内定子a的轭；3-2-1、内定子b上的悬浮极；3-2-2、内定子b的轭；3-3-1、内定子c上的悬浮极；3-3-2、内定子c的轭；5-1、内定子a上的悬浮绕组；5-2、内定子b上的悬浮绕组；6-1、第一永磁环；6-2、第二永磁环；7、转轴。
图3所示为一种混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机内定子a示意图。
其中：悬浮极a：3-1-1、悬浮极b：3-1-3、悬浮极c：3-1-4、悬浮极d：3-1-5为内定子a悬浮极。
图4所示为一种混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机内定子b示意图。
其中：悬浮极e：3-2-1、悬浮极f：3-2-3、悬浮极g：3-2-4、悬浮极h：3-2-5为内定子b悬浮极。
图5所示为一种混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机永磁体产生的偏置磁场示意图。
其中：5-1、内定子a上的悬浮绕组；5-2、内定子b上的悬浮绕组。
图6所示为一种混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机悬浮绕组产生的控制磁场示意图。
其中：2-1-1、转子2的轭；3-1-1、内定子a上的悬浮极；3-1-2、内定子a的轭；5-1、内定子a上的悬浮绕组；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1及图2所示，本发明混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机正视图及剖分图，包括外定子1、转子2，内定子a3-1，内定子b3-2，内定子c3-3；主绕组极1-2，主绕组4，悬浮极a a3-1-1，悬浮极e3-2-1，悬浮绕组a5-1，悬浮绕组b5-2，，第一永磁环6-1，第二永磁环6-2，转轴7。其中外定子1内侧为转子2，转子2内侧为内定子，三个内定子沿轴向从一端至另一端依次为内定子a3-1、内定子c3-3、内定子b3-2；第一永磁环6-1置于内定子a3-1、内定子c3-3之间，第二永磁环6-2置于内定子c3-3、内定子b3-2之间，厚度不超过内定子轭3-1-2；外定子1上设置有主绕组极1-2，主绕组极1-2上设置有主绕组4；转子2上设置有转子凸极2-1；三个内定子上设置有悬浮绕组极，内外两个内定子a3-1和内定子b3-2上设置有悬浮绕组a5-1和悬浮绕组b5-2，中间内定子c3-3不设置绕组。
外定子1包括十二个主绕组极1-2，等间隔地设置于外定子1上，主绕组4缠绕在主绕组极1-2上，径向相对垂直四极相互串联成一相，共分为三相，图中仅画出一相，省略了两相。
转子2包括8个转子凸极2-1，等间隔地设置在转子2上，不设置绕组。
如图3内定子a3-1包括四个悬浮极a3-1-1、悬浮极b3-1-3、悬浮极c3-1-4和悬浮极d3-1-5，等间隔地设置在内定子a3-1上，分别饶有悬浮绕组a5-1，其中悬浮极a3-1-1和悬浮极c3-1-4的绕组相互串接成一相控制x方向的悬浮，悬浮极b3-1-3和悬浮极d3-1-5的绕组相互串接成一相控制y方向的悬浮。
如图4所示内定子b3-2包括四个悬浮极e3-2-1、悬浮极f3-2-3、悬浮极g3-2-4和悬浮极h3-2-5，等间隔地设置在内定子b3-2上，分别饶有悬浮绕组b5-2，其中悬浮极e3-2-1和悬浮极g3-2-4的绕组相互串接成一相控制x方向的悬浮，悬浮极f3-2-3和悬浮极h3-2-5的绕组相互串接成一相控制y方向的悬浮。
内定子c3-3包括四个悬浮极3-3-1，四个悬浮极3-3-1等间隔地设置在内定子c3-3上，不设置绕组。
y方向悬浮力由悬浮绕组a5-1和悬浮绕组b5-2的电流控制，当iy1+与iy2+导通时，悬浮绕组a5-1产生的控制磁场与第一永磁环6-1和第二永磁环6-2产生的偏置磁场叠加，使电机转子2侧y轴正方向磁密小于y轴负方向磁密，因此产生y轴正方向的悬浮力；反之，当改变悬浮绕组a5-1和悬浮绕组b5-2的电流导通方向时，产生y轴负方向悬浮力；同理，当ix1+与ix2+导通时，产生x轴方向正、负方向的悬浮力；x方向和y方向悬浮力可合成任意方向的悬浮力，从而实现转子2的自悬浮功能。图中ix1+和iy1+分别为悬浮绕组a5-1x轴和y轴正方向流入电流；ix1-，iy1-分别为悬浮极绕组5x轴和y轴负方向流出电流。由于转子2在旋转过程中，悬浮极a3-1-1和悬浮极j3-3-1与转子2的对齐面积始终等于悬浮极a3-1-1和悬浮极j3-3-1的极宽，有利于径向力的产生，并且径向力不随转子2位置角而改变，因此只需较小的悬浮绕组5电流就可以使转子2控制在径向中心位置，能有效的增强悬浮能力。
如图5所示，第一永磁环6-1轴向充磁,偏置磁场磁通路径流经：第一永磁环6-1N极发出，内定子轭a3-1-2，内定子悬浮极a3-1-1，内定子悬浮极a3-1-1与转子2之间的气隙，转子轭2-2，内定子悬浮极j3-3-1与转子2之间的气隙，内定子悬浮极j3-3-1，内定子轭k3-3-2，返回第一永磁环6-1S极。第二永磁环6-2轴向充磁,偏置磁场磁通路径流经：第二永磁体6-2N极发出，内定子轭b3-2-2，内定子悬浮极e3-2-1，内定子悬浮极e3-2-1与转子2之间的气隙，转子轭2-2，内定子悬浮极j3-3-1与转子2之间的气隙，内定子悬浮极j3-3-1，内定子轭l3-3-2，返回第二永磁环6-2S极。
如图6所示，悬浮绕组产生的控制磁场磁通路径流经：内定子悬浮极a3-1-1，内定子轭a3-1-2，内定子轭a3-1-2与转子2之间的气隙，转子2。同理其他绕组产生的磁通路径与之相似，偏置磁场与悬浮绕组5产生的控制磁场叠加产生悬浮力，有利于径向力的产生，进一步增强了悬浮能力的稳定性，改善了径向悬浮性能。
综上所述，本发明外定子1的主绕组极1-2上饶有主绕组4，实现起动功能；内定子悬浮极a3-1-1与内定子悬浮极e3-2-1上分别绕有悬浮绕组a5-1与悬浮绕组b5-2，悬浮绕组a5-1与悬浮绕组b5-2同时通断实现悬浮转子2的悬浮功能；第一永磁环6-1和第二永磁环6-2产生偏置磁场，有利于径向力产生，提高转子2的稳定悬浮，降低运行损耗；主绕组4和悬浮绕组5磁通路径相互独立，解决了转子起动与悬浮功能之间的耦合问题；给定径向力电流，在转子2旋转过程中，保持悬浮力基本不变，提升悬浮性能。
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 (7)
1.一种混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：由外定子(1)，转子(2)，三个内定子和两个永磁环同中心轴嵌套设置组成；外定子(1)内侧为转子(2)，转子(2)内侧为内定子，三个内定子沿轴向从一端至另一端依次为内定子a(3-1)、内定子c(3-3)、内定子b(3-2)；第一永磁环(6-1)置于内定子a(3-1)、内定子c(3-3)之间，第二永磁环(6-2)置于内定子c(3-3)、内定子b(3-2)之间，外定子(1)上设置有主绕组极(1-2)，主绕组极(1-2)上设置有主绕组(4)，实现起动功能；转子(2)上设置有转子凸极(2-2)；两个内定子上设置有悬浮绕组极，上下端两个内定子a(3-1)和内定子b(3-2)上设置有悬浮绕组a(5-1)和悬浮绕组b(5-2)，中间内定子c(3-3)不设置绕组；
第一永磁环(6-1)和第二永磁环(6-2)轴向充磁提供偏置磁场，但充磁方向相反，实现悬浮功能。
2.根据权利要求1所述的混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：外定子(1)上等间隔地设置有12个主绕组极(1-2)，转子(2)上等间隔地设置有8个转子凸极(2-1)，三个内定子沿轴向设置，分别等间隔地设置有4个悬浮极，内外两个内定子a(3-1)和内定子b(3-2)上设置绕组，沿径向同一方向的绕组相互串接。
3.根据权利要求1所述的混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：第一永磁环(6-1)、第二永磁环(6-2)的厚度均不超过内定子轭(3-1-2)厚度。
4.根据权利要求1所述的混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：第一永磁环(6-1)产生的偏置磁场由N极出发，依次经过：内定子a(3-1)，内定子a(3-1)与转子(2)之间的气隙，转子(2)，内定子c(3-3)与转子(2)之间的气隙，内定子c(3-3)，返回S极；第二永磁环(6-2)产生的偏置磁场由N极出发，依次经过：内定子b(3-2)，内定子b(3-2)与转子(2)之间的气隙，转子(2)，内定子c(3-3)与转子(2)之间的气隙，内定子c(3-3)，返回S极；与悬浮绕组a(5-1)和悬浮绕组b(5-2)产生的控制磁场叠加产生悬浮力，且与主绕组(4)产生的转矩磁场相互独立，实现了解耦。
5.根据权利要求1所述的混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：外定子(1)、内定子a(3-1)、内定子c(3-3)、内定子b(3-2)材料为硅钢片叠加设置。
6.根据权利要求1所述的混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：转子(2)材料为硅钢片叠加设置。
7.根据权利要求1所述的混合定子型永磁偏置磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：第一永磁环(6-1)和第二永磁环(6-2)材料为钕铁硼。
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