CN108768113A - 四自由度混合励磁起动/发电一体化磁悬浮开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种四自由度混合励磁起动/发电一体化磁悬浮开关磁阻电机，由两台结构相同的双定子电机在轴向同轴连接组成，两台双定子电机的外定子齿上均绕有转矩绕组，内定子齿上均绕有悬浮绕组，两台双定子电机共同使用同一个转子和同一个转轴，在两台双定子电机的两个内定子的定子轭部之间固定连接一个套在转轴外的圆环状的永磁体，永磁体轴向充磁；本发明实现起动/发电一体化运行，悬浮电流磁路与转矩电流磁路在转子中相互独立互不干扰，将两电机转矩绕组串联在一起，减少了控制器使用。

Description

四自由度混合励磁起动/发电一体化磁悬浮开关磁阻电机

技术领域

本发明属于磁悬浮技术领域，涉及混合励磁双定子磁悬浮开关磁阻电机结构。

背景技术

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。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。

传统双绕组磁悬浮开关磁阻电机是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。但是传统双绕组磁悬浮开关磁阻电机的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。虽然能通过不同控制方法能实现悬浮力与转矩的解耦控制，但是控制系统复杂，难以在高速运行时实现完全解耦控制，功率成本高。虽然能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，可以减弱悬浮力对转矩的耦合影响，但是径向两自由度悬浮力之间的耦合仍然较大。

双定子磁悬浮开关磁阻电机的内定子中悬浮绕组负责转子悬浮功能，但是内定子极间空间有限，仅依靠电励磁的方法，控制电流功率密度小，悬浮承载能力较弱。另外，一台传统双定子磁悬浮开关磁阻电机只能实现径向两自由度悬浮，需两个电机才能实现四自由度悬浮，因此增加了轴向长度，限制了电机的临界转速，集成度较低。

发明内容

本发明针对现有双定子磁悬浮开关磁阻电机的缺点，将两自由度电励磁双定子磁悬浮开关磁阻电机与高性能稀土永磁材料相结合，提出一种四自由度混合励磁起动/发电一体化磁悬浮开关磁阻电机，实现起动/发电一体化运行和四自由度的悬浮和旋转，提高双定子磁悬浮开关磁阻电机的悬浮力和功率密度。

本发明四自由度混合励磁起动/发电一体化磁悬浮开关磁阻电机采用的技术方案是：由两台结构相同的双定子电机在轴向同轴连接组成，两台双定子电机的外定子齿上均绕有转矩绕组，内定子齿上均绕有悬浮绕组，两台双定子电机共同使用同一个转子和同一个转轴，在两台双定子电机的两个内定子的定子轭部之间固定连接一个套在转轴外的圆环状的永磁体，永磁体轴向充磁。

进一步地，永磁体的内径等于两个内定子的内径，永磁体的外径等于两个内定子的定子轭部外径。

进一步地，两台双定子电机的两个转矩绕组的同相相互串联成一相，转矩绕组外接三相桥式电路，三相轮流通电使转子连续旋转。

进一步地，两台双定子电机的两个外定子的极数均为M，转子的极数为N，两个内定子的极数均为P，且M=N±2k；M、N、P均为偶数，k为整数，N≥4，P≥4。

进一步地，两台双定子电机的转矩绕组的相电感和相电流有5个时间区间，在[t ₀,t ₁]区间，电感上升，外界输入的电能一部分转化为机械能输出，另外一部分转化为磁场储存；在[t ₀,t ₁]区间，转矩绕组电感上升，外界输入的电能一部分转化为机械能输出，另外一部分转化为磁场储存；在[t ₁,t ₂]区间，转矩绕组电感保持最大值，相电流持续增大，吸收电能转化为磁场储能；在[t ₂,t ₃]区间，转矩绕组电流增加，转矩电感下降，吸收的电能和机械能均转换为磁场储能；在[t ₃,t ₄]阶段，机械能转化为电能；在[t ₄,t ₅]阶段，转矩绕组电感最小，相电流下降，机械能和磁场储能都转化为电能输出。

本发明的技术效果是：

1、本发明将两台电机同轴连接且同时共用同一个转子，减小了轴向长度，提高集成度，实现四自由度的旋转悬浮且确定了两台电机的励磁电流方向，悬浮电流磁路与转矩电流磁路在转子中相互独立互不干扰。而且将两电机转矩绕组串联在一起，减少了控制器使用。

2、本发明实现起动/发电一体化运行，相应的励磁和发电过程是周期性分析控制的。在电机励磁阶段，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。在电机回馈发电阶段，通过控制转矩电流励磁顺序，使转子上机械能转换为电能储存在磁场中，实现发电运行。

3、本发明将永磁体放置于两台电机之间，充磁方向为轴向充磁，增强了电机的气隙磁密，提高了径向承载力的同时避免了永磁体产生退磁风险，励磁方式由电励磁变为与永磁体共同作用的混合励磁，提高了电机悬浮力和悬浮电流功率密度，且电励磁磁力线不经过轴向永磁体，避免永磁体产生退磁风险。

4、本发明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。

5、磁悬浮开关磁阻电机通常应用于高速和超高速的场合，由于电机转子是刚性体，具有一定的自由振动频率，在高速旋转时容易发生共振现象造成电机轴的强烈振动和巨大扭曲变形，细长型电机限制了电机的临界转速，增大了共振危险。本发明外定子与转子可采用不同极数结构，并且两台电机的轴向长度都较短，呈现扁平型结构，该结构提高了电机的临界转速，减小了共振危险，适用于高速和超高速的场合。

附图说明

图1是本发明四自由度混合励磁起动/发电一体化磁悬浮开关磁阻电机的三维结构示意图；

图2是图1的轴向放大视图；

图3是图2中第一电机Ⅰ的径向视图；

图4是图2中第二电机Ⅱ的径向视图；

图5是图3中第一电机Ⅰ的起动工作原理图；

图6是图4中第二电机Ⅱ的的起动工作原理图；

图7是图1所示本发明一体化磁悬浮开关磁阻电机中的转矩绕组电感及相电流曲线示意图；

图8是图3中第一电机Ⅰ的发电工作原理图；

图9是图4中第二电机Ⅱ的发电工作原理图；

图10是图3中第一电机Ⅰ的悬浮工作原理图；

图11是图4中第二电机Ⅱ的悬浮工作原理图；

图12是图1所示本发明一体化磁悬浮开关磁阻电机的磁力线走向示意图；

图中：Ⅰ. 第一双定子电机；Ⅱ.第二双定子电机；1.第一外定子；2. 第一转矩绕组；3.转子； 4.第一悬浮绕组；5.第一内定子；6.永磁体；7.第二外定子；8.第二转矩绕组；9.第二悬浮绕组；10.第二内定子；11.转轴。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明由两台结构相同的双定子电机沿轴向串接组成。两台双定子电机分别是是第一双定子电机Ⅰ和第二双定子电机Ⅱ，第一双定子电机Ⅰ和第二双定子电机Ⅱ同轴连接。z向两台电机的轴向，x、y向是相互垂直的径向。第一双定子电机Ⅰ最外部是第一外定子1，第一外定子1内由外而内同轴套有转子3、第一内定子5和转轴11；第一外定子1的外定子齿上绕有第一转矩绕组2，第一内定子5的内定子齿上绕有第一悬浮绕组4。第二双定子电机Ⅱ最外部是第二外定子7，第二外定子7内由外而内同轴套有转子3、第二内定子10和转轴11；第二外定子7的外定子齿上绕有第二转矩绕组8，第二内定子10的内定子齿上绕有第二悬浮绕组9。第一外定子1、第一内定子5、第二外定子7、第二内定子10与转子3之间均留有径向间隙。

第一双定子电机Ⅰ和第二双定子电机Ⅱ共同使用同一个转子3和同一个转轴11，转子3与转轴11相互固定连接。第一内定子5和第二内定子10空套在转轴11外，不随转轴11转动。第一外定子1和第二外定子7的结构完全相同，第一内定子5和第二内定子10的结构完全相同。第一外定子1、第一内定子5、第二外定子7、第二内定子10的轴向长度均相同。

在第一内定子5和第二内定子10的定子轭部之间固定连接一个圆环形状的永磁体6，永磁体6套在转轴11外。永磁体6的轴向两端分别与第一内定子5和第二内定子10的定子轭部固定连接在一起，永磁体6的内径等于第一内定子5和第二内定子10的内径，不随转轴11转动，永磁体6的外径等于第一内定子5和第二内定子10的定子轭部外径。永磁体6的轴向长度与第一内定子5、第二内定子10的轴向长度之比是：1：1.2~1.6。永磁体6材料为钕铁硼，充磁方式为轴向充磁。第一双定子电机Ⅰ和第二双定子电机Ⅱ共同使用同一个永磁体6。

第一双定子电机Ⅰ中的第一转矩绕组2和第二双定子电机Ⅱ中的第二转矩绕组8的同相相互串联成一相，而第一双定子电机Ⅰ中的第一悬浮绕组4和第二双定子电机Ⅱ中的第二悬浮绕组9不相联，单独控制。

第一外定子1和第二外定子7的极数均为M，转子3的极数为N，第一内定子5和第二内定子10的极数均为P，M、N、P均为偶数，并且M=N±2k，k为整数，N≥4，P≥4。

第一转矩绕组2和第二转矩绕组8的相数均是Q，当M=4Q时，第一外定子1和第二外定子7各自在径向上垂直相对的四极绕组串联成一相。当M=2Q时，第一外定子1和第二外定子7各自在径向上相对的两极绕组串联成一相。

参见图3，以第一双定子电机Ⅰ中第一外定子1的极数为12、转子3的极数为8和第一内定子5的极数为4为例作说明。第一外定子1的每个外定子齿上绕有1个第一转矩绕组2，径向垂直相对的线圈A_Ⅰ1、A_Ⅰ2、A_Ⅰ3、A_Ⅰ4串联成一相从而构成A相转矩绕组。如图3示出的是第一电机Ⅰ在0°位置，B、C两相绕组分别位于A相绕组顺时针30°和60°处。第一内定子5的每个内定子齿上绕有第一悬浮绕组4，第一悬浮绕组4单独控制。再参见图4所示的是第二双定子电机Ⅱ，第二外定子7的极数也是12、转子3的极数是8，第二内定子10的极数为4，第二外定子7的每个外定子齿上绕有第二转矩绕组8，径向垂直相对的线圈A_Ⅱ1、A_Ⅱ2、A_Ⅱ3、A_Ⅱ4串联成一相，从而构成A相转矩绕组；如图4所示的第二双定子电机Ⅱ在0°位置， B、C两相绕组分别位于A相绕组顺时针30°和60°处。第二内定子10的每个定子齿上绕有第二悬浮绕组9，第二悬浮绕组9单独控制。

本发明工作时，起动遵循“磁阻最小原理”，即磁力线总是沿着磁阻最小处闭合。参见图5所示的第一双定子电机Ⅰ，通过外接三相桥式电路控制二极管的通断来实现第一转矩绕组2三相轮流通电。以其A相为例，通过第一外定子1与转子3之间气隙的转矩绕组的磁路的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁阻大于定转子重合时的磁阻，转子3受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生转矩T的作用，使转子3顺时针转动。当转子3达到稳定平衡位置，即A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失。此时A相断电、C相通电，C相工作原理与A相相同，以此类推地，C相断电时B相通电，如此实现转子3的连续旋转。参见图6所示的第二双定子电机Ⅱ，以第二转矩绕组8的A相为例，由于通过第二外定子7与转子3之间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，转子3将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生转矩T的作用，使转子3顺时针转动。当转子3达到稳定平衡位置，即A相定、转子极对极时，切向磁拉力消失。此时A相断电C相通电，C相工作原理与A相相同，以此类推，C相断电时B相通电，保证转子3连续旋转。

参见图7，在一个周期内，第一转矩绕组2和第二转矩绕组8的相电感和相电流各自可分为5个时间区间，在[t ₀,t ₁]区间，电感上升，外界输入的电能一部分转化为机械能输出，另外一部分转化为磁场储存；在[t ₀,t ₁]区间，转矩绕组电感L _m上升，外界输入的电能一部分转化为机械能输出，另外一部分转化为磁场储存；在[t ₁,t ₂]区间，转矩绕组电感保持最大值L _max，相电流i _m持续增大，且增加速度较区间[t ₀,t ₁]快，吸收电能转化为磁场储能；在[t ₂,t ₃]区间转矩绕组电流增加速度较区间[t ₁,t ₂]更快，但是转矩电感L _m下降，吸收的电能和机械能均转换为磁场储能，是非常有效的励磁阶段，适当增加该阶段较大的输出电能；[t ₃,t ₄]阶段为有效的发电区间，电机的机械能转化为电能；[t ₄,t ₅]阶段转矩绕组电感最小即为L _min ，相电流i _m下降很快，机械能和磁场储能都转化为电能输出。外定子上各相转矩绕组开关电路在转子角度的时刻触发，在的时刻关断，即开通角关断角阶段为励磁阶段，在这阶段磁链ψ由0变为最大值ψ_max，通过外界给系统提供能量Q1；阶段为回馈发电阶段，以脉冲电能形式向外提供能量Q2；发电实际输出功率为发电功率Q2与励磁功率Q1之差。

本发明发电时，参见图8所示的第一双定子电机Ⅰ，以第一外定子1上的A相绕组为例，第一双定子电机Ⅰ在外力驱动下，以瞬时针的方向旋转，当转子3的磁极轴线运动到与第一外定子1的C相绕组重合时，给第一外定子1的A 相转矩绕组通电，即开关管闭合，该相通过直流电源进行励磁。转子3将有向第一外定子1的A相运动的趋势，并受到与外力驱动力矩相反方向作用，将机械能转化为磁能储藏在磁场中。当开关管断开时，A 相电流通过二极管续流，绕组内电流方向不改变，储存在磁场中的磁能将释放出来，并转化为电能回馈至电源。如此不断地按A-B-C-A顺序励磁，作用在转子3上的机械能持续转化为电能，实现发电运行。再参见图9所示的第二双定子电机Ⅱ，以第二外定子7上A相绕组为例，设电机在外力驱动下，以瞬时针的方向旋转，当转子3的磁极轴线运动到与第二外定子7的C相绕组重合时，给第二外定子7的A 相转矩绕组通电，即开关管闭合，该相通过直流电源进行励磁。转子3将有向第二外定子7的A相运动的趋势，并受到与外力驱动力矩相反方向作用，将机械能转化为磁能储藏在磁场中。当开关管断开时，A相电流通过二极管续流，绕组内电流方向不改变，储存在磁场中的磁能将释放出来，并转化为电能回馈至电源。如此不断地按A-B-C-A顺序励磁，作用在转子3上的机械能持续转化为电能，实现发电运行。

参见图10，当转子3处于平衡位置时，由于磁路对称性，x轴方向和y轴方向的磁密相等。当转子3受到+z端y正方向的扰动时，+z端转子3将偏离中心位置向y正向运动，第一内定子5与转子3在y正方向间的气隙增大，永磁体6吸力减小；而第一内定子5与转子3在y负方向间的气隙减小，永磁体6吸力增大。此时传感器检测转子3的偏心并将偏心位移信号传送给控制器，控制器将该位移信号转化为控制信号，功率放大器将控制信号变换为控制第一悬浮绕组4的电流，该控制电流方向是电流i _yⅠ+ 方向，将产生如图10所示的悬浮磁场。显然，y正方向的气隙处磁场增强，转子3将受到y负方向的悬浮力Fy，使得转子3保持中心位置。当需要x正方向的悬浮力时，i _xⅠ- 导通；当需要x负方向的悬浮力时，i _xⅠ+ 导通；当需要y正方向的悬浮力时，i _yⅠ- 导通；当需要y负方向的悬浮力时，i _yⅠ+ 导通，由此由永磁体6与第一内定子5上的第一悬浮绕组4控制电流共同作用实现第一双定子电机Ⅰ的径向两自由度的悬浮。

参见图11，当转子3处于平衡位置时，由于磁路对称性，x轴方向和y轴方向的磁密相等。当转子3受到-z端y正方向的扰动时，-z端转子3将偏离中心位置向y正方向运动，第二内定子10与转子3在y正方向的气隙增大，永磁体6吸力减小；而y负向的气隙减小，永磁体6吸力增大。此时控制器控制电流方向如图11所示的第二悬浮绕组9所通电流i _yⅡ+ 方向，将产生如图11所示的悬浮磁场。转子3将受到y负方向的悬浮力Fy，使得转子3保持中心位置。当需要x正方向的悬浮力时，i _xⅡ-导通；当需要x负方向的悬浮力时，i _xⅡ+导通；当需要y正方向的悬浮力时，i _yⅡ-导通；当需要y负方向的悬浮力时，i _yⅡ+导通，如此实现第二双定子电机Ⅱ径向两自由度的悬浮。

参见图12，采用两个传感器LS分别检测+z端和-z端的转子3的径向偏心距。永磁体6沿轴向充磁，永磁磁路通过第一内定子5、转子3、气隙、转子3、气隙、第二内定子10形成回路。第一双定子电机Ⅰ中第一悬浮绕组4产生的悬浮磁路经过第一内定子5、气隙、转子3形成回路。第二双定子电机Ⅱ中第二悬浮绕组9产生的悬浮磁路经过第二内定子10、气隙、转子3形成回路。第一双定子电机Ⅰ中第一转矩绕组2产生的转矩磁路经过第一外定子1、气隙、转子3形成回路；第二双定子电机Ⅱ中第二转矩绕组8产生的转矩磁路经过第二外定子7、气隙、转子3形成回路。悬浮磁路与转矩磁路在转子3中相互独立互不干扰。

当转子3受到扰动时，首先通过传感器检测出转子3在+z端和-z端径向偏心距的有无，确定即将悬浮励磁通电的第一双定子电机Ⅰ或第二双定子电机Ⅱ。若+z端有径向偏心距，则将第一双定子电机Ⅰ的第一悬浮绕组4励磁，若-z端有径向偏心距，则将第二电机Ⅱ的第二悬浮绕组9励磁；其次，通过传感器检测出转子3在+z端和-z端径向偏心距的方向与大小，确定转子3回到中心位置所需的径向悬浮力的方向与大小，同时根据永磁体6的磁力线的走向，最终确定即将通电的悬浮绕组的种类、方向与大小。例如，若传感器检测到y正方向的位移信号，未检测到y负方向的位移信号，则需将第一双定子电机Ⅰ的第一悬浮绕组4通电；由于转子3需受到y负方向的径向悬浮力才能将回到中心位置，因此第一双定子电机Ⅰ应通电的第一悬浮绕组4是图12中的T_Ⅰ1；根据永磁体6在第一双定子电机Ⅰ中的磁力线走向，确定绕组T_Ⅰ1励磁电流i _yⅠ+ 的方向如图12所示；最后根据偏心距的大小确定励磁电流i _yⅠ+ 的大小。

Claims (7)

1.一种四自由度混合励磁起动/发电一体化磁悬浮开关磁阻电机，其特征是：由两台结构相同的双定子电机在轴向同轴连接组成，两台双定子电机的外定子齿上均绕有转矩绕组，内定子齿上均绕有悬浮绕组，两台双定子电机共同使用同一个转子（3）和同一个转轴（11），在两台双定子电机的两个内定子的定子轭部之间固定连接一个套在转轴（11）外的圆环状的永磁体（6），永磁体（6）轴向充磁。

2.根据权利要求1所述的四自由度混合励磁起动/发电一体化磁悬浮开关磁阻电机，其特征是：永磁体（6）的内径等于两个内定子的内径，永磁体（6）的外径等于两个内定子的定子轭部外径。

3.根据权利要求1所述的四自由度混合励磁起动/发电一体化磁悬浮开关磁阻电机，其特征是：两台双定子电机的两个转矩绕组的同相相互串联成一相，转矩绕组外接三相桥式电路，三相轮流通电使转子（3）连续旋转。

4.根据权利要求1所述的四自由度混合励磁起动/发电一体化磁悬浮开关磁阻电机，其特征是：两台双定子电机的两个外定子的极数均为M，转子（3）的极数为N，两个内定子的极数均为P，且M=N±2k；M、N、P均为偶数，k为整数，N≥4，P≥4。

5.根据权利要求1所述的四自由度混合励磁起动/发电一体化磁悬浮开关磁阻电机，其特征是：两台双定子电机的转矩绕组的相电感和相电流有5个时间区间，在[t ₀,t ₁]区间，电感上升，外界输入的电能一部分转化为机械能输出，另外一部分转化为磁场储存；在[t ₀,t ₁]区间，转矩绕组电感上升，外界输入的电能一部分转化为机械能输出，另外一部分转化为磁场储存；在[t ₁,t ₂]区间，转矩绕组电感保持最大值，相电流持续增大，吸收电能转化为磁场储能；在[t ₂,t ₃]区间，转矩绕组电流增加，转矩电感下降，吸收的电能和机械能均转换为磁场储能；在[t ₃,t ₄]阶段，机械能转化为电能；在[t ₄,t ₅]阶段，转矩绕组电感最小，相电流下降，机械能和磁场储能都转化为电能输出。

6.根据权利要求1所述的四自由度混合励磁起动/发电一体化磁悬浮开关磁阻电机，其特征是：由永磁体（6）与悬浮绕组共同作用实现两台双定子电机的径向两自由度的悬浮。

7.根据权利要求1所述的四自由度混合励磁起动/发电一体化磁悬浮开关磁阻电机，其特征是：永磁体（6）的轴向长度与两个内定子的轴向长度之比是1：1.2~1.6。