CN108880152B - 一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机 - Google Patents

一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，由24极内定子、16极转子以及8极混合外定子组成，内定子、转子和混合外定子由内向外依次同轴嵌套；混合外定子由8个对称分布的凸极和4个片状永磁体组成，永磁体径向宽度与外定子齿极宽度相等，永磁体采用径向充磁方式，与外定子上悬浮绕组共同作用产生悬浮力。电机内部为三相24/16的外转子SRM结构，不仅具有普通SRM的优点，且步距角相对较小，转矩脉动较小，控制精度也较高。内定子齿极上的绕组用来提供转矩，与悬浮磁场相互独立，解决了转矩与悬浮之间的耦合问题，同时轴向长度较小，永磁体提供偏置磁通使得功耗较低，提高了电机运行效率，且转矩绕组励磁方式不唯一。

Description

一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机
技术领域
本发明涉及一种双定子混合励磁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。传统双绕组磁悬浮开关磁阻电机转矩绕组和悬浮绕组之间具有强耦合，控制难度较大。为此，近年来，国内外学者在该方面投入了更多精力，无论是在本体设计方面还是在相关应用方面都有了一定的研究成果。双定子磁悬浮开关磁阻电机内定子中悬浮绕组负责转子悬浮功能，但是内定子尺寸空间有限，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，且径向两自由度的悬浮力并没有实现解耦。
发明内容
为此，本发明提出一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，电机内部为三相24/16的外转子SRM结构，不仅具有普通SRM的优点，且步距角相对较小，转矩脉动较小，控制精度也较高。能与外部控制磁路彼此配合，解决了转矩与悬浮之间以及径向两自由度之间的耦合问题，同时轴向长度较小，永磁体提供偏置磁通使得功耗较低，且结构简单，控制灵活。
一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，包括混合外定子、十六极转子、二十四极内定子，所述内定子、转子和混合外定子由内向外依次同轴嵌套，混合外定子与转子之间存在等间隙悬浮气隙，转子与内定子之间存在等间隙转矩气隙，所述混合外定子包括外定子磁轭、四个控制磁极、四个永磁磁极以及四个片状永磁体，控制磁极与永磁磁极等距相间分布在外定子磁轭上，且与外定子磁轭相连，片状永磁体嵌在永磁磁极上，控制磁极上绕有控制绕组，内定子上绕有转矩绕组。
上述方案中，所述永磁体的径向宽度与永磁磁极宽度相等，为转子的悬浮提供偏置磁场。
上述方案中，所述四个控制磁极相对两极上绕有的控制绕组串联为一组。
上述方案中，所述控制绕组及转矩绕组均采用电励磁方式，通入直流电，分别产生控制磁通及转矩磁通。
上述方案中，所述二十四极内定子的定子齿极等间隔分布，八个齿极串联为一相，依次分为A、B、C三相，每个定子齿极上绕有转矩绕组。
上述方案中，所述内定子上绕组励磁方式不唯一，在满足转矩与悬浮特性的同时，改变绕组通电方向，可实现转矩与悬浮之间的解耦。
上述方案中，所述B相和C相在绕组连接方式上与A相相同，在空间位置上分别位于A相顺时针方向的15°和30°处。
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
1、双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的偏置磁场由永磁体提供，提高电机悬浮力和悬浮电流功率密度，降低了电磁功耗，且电励磁磁力线不经过永磁磁极，避免永磁体出现退磁现象，永磁体产生的偏置磁通不会从自身N极绕到S极，避免出现漏磁现象。
2、双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机研究了电励磁的励磁方向，悬浮、转矩磁场互不干扰以及径向两自由度悬浮力绕组之间解耦，实现完全解耦，简化了数学模型。
3、双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机不可以采用其他极数，经仿真验证发现，改变极数会导致出现耦合问题，外定子、转子、内定子的极数分别为8、16、24，内外极数特定，须相互配合。
4、双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机内定子上转矩绕组的励磁方式不唯一，改变绕组通电方向并不会改变转矩与悬浮力的大小，经过气隙的磁密不变，区别在于磁路的长短。
附图说明
图1为一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机径向结构图；
图2为一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机控制绕组励磁方式示意图；
图3为一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机悬浮部分工作原理图；
图4为一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机转矩部分工作原理图；
图5为一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机转矩绕组励磁方式一示意图；
图6为一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机转矩绕组励磁方式一仿真图；
图7为一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机转矩绕组励磁方式二示意图；
图8为一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机转矩绕组励磁方式二仿真图。
其中：1-外定子，1-1-外定子磁轭，1-2-控制磁极，1-3-永磁磁极，2-永磁体，3-悬浮气隙，4-转子，5-内定子，6-转矩绕组，7-转矩气隙，8-控制绕组。
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所示，本发明双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机径向结构图，包括混合外定子1、十六极转子4、二十四极内定子5、悬浮气隙3和转矩气隙7，内定子5、转子4和混合外定子1由内向外依次同轴嵌套。其中，混合外定子由外定子磁轭1-1、四个控制磁极1-2、四个永磁磁极1-3以及片状永磁体2组成，控制磁极1-2与永磁磁极1-3等距相间分布在外定子磁轭1-1上，且与外定子磁轭1-1相连，四个永磁体2分别嵌在四个永磁磁极1-3上，永磁体2径向充磁，其径向宽度与永磁磁极1-3宽度相等，为转子4的悬浮提供偏置磁场，省去用于产生偏置磁场的线圈，降低运行损耗，提高效率；控制绕组8及转矩绕组6均采用电励磁方式，通入直流电，分别产生控制磁通及转矩磁通。控制绕组8产生的控制磁场与永磁体2产生的偏置磁场共同作用，实现了电机的悬浮。其中内定子5有二十四个等间隔分布的定子齿极，这二十四个齿极依次分为A、B、C三相，每八个齿极为一相，每个定子齿极上绕有转矩绕组6，即转矩绕组6分成三相，每八极串联成一相；转矩绕组6按需通入电流产生转矩，产生八极磁场T1-T8，上述结构确保了电机的电动/发电，在本体上解决了转矩/悬浮的耦合问题，也实现了径向两自由度悬浮力绕组之间的解耦。内定子5上绕组励磁方式并不唯一，在满足转矩与悬浮特性的同时，改变绕组通电方向，均可实现转矩与悬浮之间的解耦，仅为长磁路与短磁路的区别；对于转矩气隙7与悬浮气隙3而言，两种不同励磁方式下所经过气隙的磁密是相同的，因此不会对结果有所影响。
如图2所示，双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机控制绕组励磁方式示意图，四个控制磁极1-2上绕有控制绕组8，相对的两极控制绕组8串联。控制磁极1-2的齿极A1和齿极A3相串联，产生x方向上的两极控制磁场，上下两个磁回路，控制磁极1-2的齿极A2和齿极A4相串联，产生y方向上的两极控制磁场，左右两个磁回路。
如图3所示，双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机悬浮部分的工作原理图，以x方向为例，齿极A1和齿极A3上绕有的控制绕组8通入直流电，根据右手螺旋定则，在x方向上产生向左的磁通Φx，控制磁通Φx从控制磁极1-2的齿极A3出发，经过外定子磁轭1-1、齿极A1、悬浮气隙3、转子4、悬浮气隙3，最后回到齿极A3。片状永磁体2提供的偏置磁通Φm从N极出发，经过永磁磁极1-3、悬浮气隙3、转子4、悬浮气隙3、控制磁极1-2及外定子磁轭1-1，最后回到永磁体2的S极，形成闭合回路，由于结构的对称性，永磁体2产生的偏置磁场均匀分布。当转子4在永磁体2的作用力下且控制电流为零时，转子4处于平衡位置，由于磁路的对称性，转子4所受到的合力为零，悬浮气隙3左右两边的偏置磁密相等。控制磁通Φx与偏置磁通Φm矢量叠加后，转子4在x方向上左右两边的磁密不等，左边增强右边削弱，形成悬浮力，y方向悬浮工作原理与x方向同理，实现了电机径向两自由度的悬浮。
如图4所示，双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机转矩部分的工作原理图，转矩部分为24/16极开关磁阻电机，八个齿极串联为一相，分为A、B、C三相。图中以A相为例，内部按需通入电流，为电机提供转矩磁场，转矩磁场为八极磁场，ΦT为转矩绕组通电时所产生的磁通。B相和C相在绕组连接方式上与A相相同，在空间位置上分别位于A相顺时针方向的15°和30°处。绕组通电时，遵循“磁阻最小原理”，即转矩电流产生的磁通路径始终是闭合的。使转子转动的切向的磁拉力是由磁场的扭曲产生。A相导通时，在内定子5、转矩气隙7、转子4中形成闭合磁路，利用切向磁拉力，带动转子转动。
如图5及图6所示，双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机转矩绕组励磁方式一及其仿真图，如图5所示，iA1-iA8分别为A相八个齿极上各自绕组的通电电流，串联成一相后电流大小均相等，按照图5为NSNSNSNS型的绕组通电方式，转矩磁场与外部悬浮磁场均为短磁路，内外均为八极磁场T1-T8，都经过转子磁轭，且两者之间无耦合，转矩磁场与悬浮磁场不会相互影响，实现了转矩/悬浮之间的解耦，仿真结果如图6所示。
如图7及图8所示，双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机转矩绕组励磁方式二及其仿真图，按照图7为SNSNSNSN型的绕组通电方式，磁场经过控制磁极1-2、悬浮气隙3、转子4、转矩气隙7、内定子5、转矩气隙7、转子4、悬浮气隙3、永磁磁极1-3、外定子磁轭1-1，最后回到控制磁极1-2。如图8所示，励磁方式二下磁路为长磁路，与励磁方式一不同之处在于，磁路不经过转子磁轭，且仅一条磁路，对于悬浮气隙和转矩气隙而言，所通过的磁密大小相等，不影响转矩与悬浮力大小，也实现了转矩/悬浮之间的解耦。
根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，包括混合外定子（1）、十六极转子（4）、二十四极内定子（5），所述内定子（5）、转子（4）和混合外定子（1）由内向外依次同轴嵌套，混合外定子（1）与转子（4）之间存在等间隙悬浮气隙（3），转子（4）与内定子（5）之间存在等间隙转矩气隙（7），所述混合外定子（1）包括外定子磁轭（1-1）、四个控制磁极（1-2）、四个永磁磁极（1-3）以及四个永磁体（2），控制磁极（1-2）与永磁磁极（1-3）等距相间分布在外定子磁轭（1-1）上，且与外定子磁轭（1-1）相连，永磁体（2）嵌在永磁磁极（1-3）上，控制磁极（1-2）上绕有控制绕组（8），内定子（5）上绕有转矩绕组（6）；所述永磁体（2）的径向宽度与永磁磁极（1-3）宽度相等，为转子（4）的悬浮提供偏置磁场；
所述转矩绕组（6）的通电方式采用NSNSNSNS型，产生的励磁方式为短磁路，所述短磁路包括转矩磁场短磁路和外部悬浮磁场短磁路，所述转矩磁场短磁路为：磁场通过转子（4）、转矩气隙（7）、内定子（5）、转矩气隙（7），最后回到转子（4），所述外部悬浮磁场短磁路为：磁场经过控制磁极（1-2）、悬浮气隙（3）、转子（4）、悬浮气隙（3）、永磁磁极（1-3）、外定子磁轭（1-1），最后回到控制磁极（1-2）；所述转矩绕组（6）的通电方式采用SNSNSNSN型，产生的励磁方式为长磁路，所述长磁路为：磁场经过控制磁极（1-2）、悬浮气隙（3）、转子（4）、转矩气隙（7）、内定子（5）、转矩气隙（7）、转子（4）、悬浮气隙（3）、永磁磁极（1-3）、外定子磁轭（1-1），最后回到控制磁极（1-2）。
2.根据权利要求1所述的一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述永磁体（2）为片状永磁体。
3.根据权利要求1所述的一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述四个控制磁极（1-2）相对两极上绕有的控制绕组（8）串联为一组。
4.根据权利要求1所述的一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述控制绕组（8）及转矩绕组（6）均采用电励磁方式，通入直流电，分别产生控制磁通及转矩磁通。
5.根据权利要求1所述的一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述二十四极内定子（5）的定子齿极等间隔分布，八个齿极串联为一相，依次分为A、B、C三相，每个定子齿极上绕有转矩绕组（6）。
6.根据权利要求5所述的一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述内定子（5）上绕组励磁方式不唯一，在满足转矩与悬浮特性的同时，改变绕组通电方向，可实现转矩与悬浮之间的解耦。
7.根据权利要求5所述的一种双定子混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述B相和C相在绕组连接方式上与A相相同，在空间位置上分别位于A相顺时针方向的15°和30°处。
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