CN108809031A - 一种恒流源励磁的三自由度无轴承开关磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种恒流源励磁的三自由度无轴承开关磁阻电机，包括转子和定子，所述转子由转轴和转子铁心组成，所述转子铁心的外圆周均匀布置有数个转子齿；所述定子包括依次相连的定子铁心、隔磁环、轴向悬浮绕组、导磁环，以及对称设置于定子铁心两侧的轴向控制铁心和圆环形恒流源绕组，所述轴向控制铁心的外沿连接导磁环，内沿向转子铁心延伸；所述定子铁心和隔磁环均是由轴向部分和外端连接于轴向部分内壁的径向部分组成，所述定子铁心的轴向部分外壁贴合隔磁环的轴向部分内壁，所述隔磁环的径向部分将定子铁心的轴向部分和径向部分分隔为两部分；所述定子铁心的径向部内圆周设置有数个悬浮齿、转矩齿，所述悬浮齿和转矩齿上分别绕制有径向悬浮绕组、转矩绕组。

Description

一种恒流源励磁的三自由度无轴承开关磁阻电机
技术领域
本发明涉及无轴承和磁悬浮电机制造技术领域，具体涉及一种恒流源励磁的三自由度无轴承开关磁阻电机。
背景技术
无轴承和磁悬浮电机是上世纪80年代末发展起来的新型高速特种电机，无轴承电机主要分为磁阻型、感应型和无轴承开关磁阻电机三种，与其他两种相比，无轴承开关磁阻电机转子无永磁体，结构简单，转子强度高，且无感应型无轴承电机存在的转子复杂的感应磁场对悬浮和旋转的影响，是最具有工业应用前景的一种无轴承电机。传统的无轴承开关磁阻电机内部仅存在两个磁场，即转矩绕组磁场和悬浮绕组磁场，且转矩绕组磁场极对数P M和悬浮绕组磁场极对数P B之间必须满足P M=P B±1的关系，才能够产生稳定可控的径向悬浮力，转矩主要由转矩绕组磁场经过定转子齿形成的磁阻力产生，悬浮力由悬浮绕组磁场和转矩绕组磁场相互作用产生，造成传统无轴承开关磁阻电机悬浮力和转矩之间的解耦控制极为复杂，限制了传统无轴承开关磁阻电机的工业应用进程。
此外，无轴承电机若要实现五自由度悬浮运行，需要轴向磁悬浮轴承与其配合使用。轴向磁轴承势必会增加悬浮电机系统的轴向长度，进而降低临界转速和功率密度。因此，在实现转矩和悬浮力解耦控制基础上，实现无轴承开关磁阻电机和轴向磁轴承的集成化已成为磁悬浮电机领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构紧凑，轴向悬浮力、径向悬浮力和转矩无耦合的恒流源励磁的三自由度无轴承开关磁阻电机。
本发明通过以下技术方案实现：
一种恒流源励磁的三自由度无轴承开关磁阻电机，包括转子和定子，所述转子由转轴和转子铁心组成，所述转子铁心的外圆周均匀布置有数个转子齿；所述定子包括沿转子铁心径向向外依次相连的定子铁心、隔磁环、轴向悬浮绕组、导磁环，以及对称设置于定子铁心两侧的轴向控制铁心和圆环形恒流源绕组，所述轴向控制铁心的外沿连接导磁环，内沿向转子铁心延伸并设置有轴向工作气隙；所述定子铁心和隔磁环均是由轴向部分和外端连接于轴向部分内壁的径向部分组成的T字形结构，所述定子铁心的轴向部分外壁贴合隔磁环的轴向部分内壁，所述隔磁环的径向部分将定子铁心的轴向部分和径向部分分隔为对称的两部分；所述定子铁心的径向部分内圆周均匀设置有四个悬浮齿，相邻悬浮齿之间的定子铁心的内圆周连接有隔磁体，所述隔磁体上均匀布置有数个转矩齿，所述悬浮齿、转矩齿与转子铁心之间设置有径向工作气隙，所述悬浮齿和转矩齿上分别绕制有径向悬浮绕组、转矩绕组。
本发明的进一步方案是，所述转矩绕组采用分相结构。
本发明的进一步方案是，所述悬浮齿的齿宽大于转矩齿的齿宽，且悬浮齿齿宽大于电机一个极距。
本发明与现有技术相比的优点在于：
一、实现了两自由度无轴承开关磁阻电机和轴向磁轴承的集成化，是一种结构新颖、世界首创的一种三自由度无轴承开关磁阻电机，是由两个圆环形恒流源绕组分别提供轴向和径向偏置磁通，轴向悬浮绕组通电产生轴向悬浮磁通，径向悬浮绕组通电产生径向悬浮磁通，径向和轴向悬浮磁通分别调节偏置磁通，使轴向和径向气隙一侧的磁场增强，而相反方向磁场减弱，产生指向磁场增强方向的悬浮力，根据现有技术，建立轴向和径向位移闭环控制系统，实现转子轴向和径向三自由度稳定悬浮；转矩齿通过隔磁体与定子铁心连为一体，转矩绕组磁场和悬浮磁场经过不同的磁路形成闭合路径，且转矩绕组磁场极对数P M和悬浮绕组磁场极对数P B之间无需满足P M=P B±1关系，转矩和悬浮力无耦合，控制简单，易于实现；
二、应用于五自由度悬浮驱动系统中，可以代替一个轴向磁轴承和两自由度无轴承开关磁阻电机，将极大地缩小轴向长度和系统体积与重量，对实现无轴承开关磁阻电机工业应用具有里程碑式的重要意义。
附图说明
图1为本发明的轴向结构与磁通剖视图。
图2为本发明的定子铁心、转子铁心结构和径向磁通示意图。
图3为本发明的转矩绕组A相示意图。
图4为本发明的转矩绕组B相示意图。
具体实施方式
如图1~图4所示的一种恒流源励磁的三自由度无轴承开关磁阻电机，包括定子和转子，所述转子由转轴12和转子铁心11组成，所述转子铁心11的外圆周均匀布置有数个转子齿13。
所述定子包括沿转子铁心11径向向外依次相连的定子铁心5、隔磁环8、圆环形的轴向悬浮绕组4、导磁环2，以及对称设置于定子铁心5两侧的左侧轴向控制铁心1和右侧轴向控制铁心3、左侧圆环形恒流源绕组6、右侧圆环形恒流源绕组7，左侧轴向控制铁心1和右侧轴向控制铁心3可以为圆盘形、三极、四极等磁极式结构，本实施例为圆盘形，左侧圆环形恒流源绕组6、右侧圆环形恒流源绕组7可以串联，所述左侧轴向控制铁心1和右侧轴向控制铁心3的外沿分别连接导磁环2的左、右两侧面，内沿分别向转子铁心11延伸并设置有左轴向工作气隙、右轴向工作气隙；所述定子铁心5和隔磁环8均是由轴向部分和外端连接于轴向部内壁的径向部分组成的T字形结构，所述定子铁心5的轴向部分外壁贴合隔磁环8的轴向部分内壁，所述隔磁环8的径向部分将定子铁心5的轴向部分和径向部分隔为左、右对称的7字形的两部分，所述隔磁环8的径向部分的厚度大于左、右轴向工作气隙之和；所述定子铁心5的轴向部分、隔磁环8的轴向部分、轴向悬浮绕组4的左右两侧分别贴合左侧轴向控制铁心1、右侧轴向控制铁心3内壁；所述隔磁环8由整块铝材制成；所述左侧圆环形恒流源绕组6的左、右两侧及外壁分别贴合左侧轴向控制铁心1、定子铁心5，所述右侧圆环形恒流源绕组7的左、右两侧及外壁分别贴合右侧轴向控制铁心3、定子铁心5。
所述定子铁心5的径向部内圆周在x方向和y方向上均匀设置有四个悬浮齿18，相邻悬浮齿18之间的定子铁心5的内圆周连接有隔磁体20，所述隔磁体20上均匀安装有数个转矩齿19，所述悬浮齿18的齿宽大于转矩齿19的齿宽，且悬浮齿18齿宽大于电机一个极距，所述悬浮齿18、转矩齿19与转子铁心11之间设置有径向工作气隙，所述悬浮齿18和转矩齿19上分别绕制有径向悬浮绕组10、转矩绕组9。
转子铁心11、转子齿13、左侧轴向控制铁心1、右侧轴向控制铁心3、定子铁心5均由轴向和径向导磁性能良好的材料制成，所述径向悬浮绕组10、转矩绕组9均为集中绕组。
所述左侧轴向控制铁心1、右侧轴向控制铁心3、左侧圆环形恒流源绕组6、右侧圆环形恒流源绕组7、定子铁心5、隔磁环8、轴向悬浮绕组4、导磁环2、径向悬浮绕组10、转矩绕组9沿轴向叠压。
所述转子齿13、转矩齿19数量可调。
悬浮原理是：左侧圆环形恒流源绕组6、右侧圆环形恒流源绕组7分别产生左侧偏置磁通17、右侧偏置磁通16，左侧偏置磁通17依次经过左侧轴向控制铁心1、左轴向工作气隙、转子铁心11、径向工作气隙、悬浮齿18、定子铁心5，右侧偏置磁通16依次经过右侧轴向控制铁心3、右轴向工作气隙、转子铁心11、径向工作气隙、悬浮齿18、定子铁心5，形成两条对称的闭合路径。
轴向悬浮绕组4通电产生轴向悬浮磁通15，轴向悬浮磁通15依次经过导磁环2、左侧轴向控制铁心1、左轴向工作气隙、转子铁心11、右轴向工作气隙、右侧轴向控制铁心3形成闭合路径；
径向悬浮绕组10通电，产生径向悬浮磁通14，径向悬浮磁通14经过上方的定子铁心5、上方的径向工作气隙、上方的转子齿13、转子铁心11、下方的转子齿13、下方的径向工作气隙、下方的定子铁心5，与定子铁心扼部形成闭合路径。径向和轴向悬浮磁通调节相应的偏置磁通，使径向和轴向一侧气隙磁场增强，而相反方向气隙磁场减弱，从而产生指向气隙磁场增强方向的悬浮力，在定子上安装轴向和径向位移传感器，或者通过无位移传感器算法，检测和辨识转子径向和轴向位移信号，建立轴向和径向位移闭环控制，实现转子三自由度稳定悬浮。
旋转原理是：将转矩齿19上的转矩绕组9分为多相结构，以两相为例，分别对A相和B相先后通电，转矩绕组磁场在转矩齿19和转子齿13之间形成闭合路径，产生磁阻力，产生转矩，实现转子旋转。

Claims (3)

1.一种恒流源励磁的三自由度无轴承开关磁阻电机，包括转子和定子，所述转子由转轴（12）和转子铁心（11）组成，其特征在于：所述转子铁心（11）的外圆周均匀布置有数个转子齿（13）；所述定子包括沿转子铁心（11）径向向外依次相连的定子铁心（5）、隔磁环（8）、轴向悬浮绕组（4）、导磁环（2），以及对称设置于定子铁心（5）两侧的轴向控制铁心和圆环形恒流源绕组，所述轴向控制铁心的外沿连接导磁环（2），内沿向转子铁心（11）延伸并设置有轴向工作气隙；所述定子铁心（5）和隔磁环（8）均是由轴向部分和外端连接于轴向部分内壁的径向部分组成的T字形结构，所述定子铁心（5）的轴向部分外壁贴合隔磁环（8）的轴向部分内壁，所述隔磁环（8）的径向部分将定子铁心（5）的轴向部分和径向部分分隔为对称的两部分；所述定子铁心（5）的径向部分内圆周均匀设置有四个悬浮齿（18），相邻悬浮齿（18）之间的定子铁心（5）的内圆周连接有隔磁体（20），所述隔磁体（20）上均匀布置有数个转矩齿（19），所述悬浮齿（18）、转矩齿（19）与转子铁心（11）之间设置有径向工作气隙，所述悬浮齿（18）和转矩齿（19）上分别绕制有径向悬浮绕组（10）、转矩绕组（9）。
2.如权利要求1所述的一种恒流源励磁的三自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述转矩绕组（9）采用分相结构。
3.如权利要求1所述的一种恒流源励磁的三自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述悬浮齿（15）的齿宽大于转矩齿（16）的齿宽，且悬浮齿（15）齿宽大于电机一个极距。
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Application publication date: 20181113

Assignee: Shanghai Yanqiao Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2021980014312

Denomination of invention: A three degree of freedom bearingless switched reluctance motor excited by constant current source

Granted publication date: 20200821

License type: Common License

Record date: 20211213

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