CN108923603A - 一种容错式磁悬浮永磁同步电机 - Google Patents

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张维煜
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Abstract

本发明涉及一种容错式磁悬浮永磁同步电机，由双八极外定子、转子轭、halbach永磁体及内定子组成。其中halbach永磁体粘贴在转子轭内层，来产生单向向内的磁场，因此转矩磁路不需要通过转子轭，转子轭中只有悬浮磁路，实现了转矩磁场与悬浮磁场的解耦；外定子齿采用双侧八极结构，分为四个悬浮系统，正常工况下，由两侧各一系统提供悬浮力。本发明解决了磁悬浮永磁同步电机转矩磁场和悬浮磁场之间的耦合问题，在电机本体上实现了转矩和悬浮力的解耦控制。同时悬浮力由四个容错系统提供，增加了电机悬浮的容错性，有利于磁悬浮永磁同步电机转子稳定悬浮。

Description

一种容错式磁悬浮永磁同步电机
技术领域
本发明涉及一种容错式磁悬浮永磁同步电机，属于高速、高效率电机，特别适用于飞轮电池领域。
背景技术
永磁同步电机具有结构简单，体积小、效率高、功率因数高等特点，广泛应用于冶金、石油、航空行业等。然而在电机高速运行中，轴承磨损，摩擦较大影响电机效率不可避免，磁悬浮电机具有无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声等特点，受到国内外学者的广泛关注，但某些特殊领域，需要磁轴承技术具有高可靠性特点。为此，本专利提出一种容错式磁悬浮永磁同步电机，大大增加电机悬浮系统的稳定性及可靠性。
发明内容
本发明提出一种容错式磁悬浮永磁同步电机，由双八极外定子、轴向永磁环、硅钢片转子轭、halbach永磁体及二十四槽内定子组成。双八极外定子给电机提供了四套容错悬浮系统，在正常工况下，电机两侧各启用一套悬浮容错系统为其提供悬浮支承。在某一系统发生故障时，立即启用同侧另一容错系统，以稳定电机的悬浮。
本发明的技术方案为：一种容错式磁悬浮永磁同步电机，包括八极混合外定子、转子轭(4)、halbach永磁体(5)、内定子(6)、悬浮气隙(7)及转矩气隙(8)；
从电机径向方向看，电机由外到内依次为八极混合外定子、悬浮气隙(7)、转子轭(4)、halbach永磁体(5)、转矩气隙(8)以及内定子(6)；从电机轴向方向看，八极混合外定子包括外定子a(1)、外定子b(3)；其中外定子a(1)、外定子b(3)之间连接有轴向永磁环(2)；外定子a(1)上有外定子轭a(101)，外定子轭a(101)上均布定子齿极，每个定子齿极上叠绕一个悬浮线圈；外定子b(3)上有外定子轭b(301)，外定子轭b(301)上均布定子齿极，每个定子齿极上叠绕一个悬浮线圈；
halbach永磁体(5)粘连在转子轭(4)内部，内定子(6)的定子轭(601)上嵌有多个等间距分布的定子槽(602)，每个定子槽内叠有双层绕组(603)，绕组内通入三相交流电，为电机的旋转提供转矩力，halbach永磁体(5)与内定子(6)之间留有等间隙转矩气隙(8)，上述结构实现电机的电动、发电。
进一步，所述八极混合外定子中，定子齿极上叠绕的悬浮线圈共同组成了四套悬浮容错系统，分别为悬浮容错系统A、悬浮容错系统B、悬浮容错系统C和悬浮容错系统D；
所述悬浮容错系统A包括外定子轭a(101)，外定子轭a(101)上沿圆周均布四个90°间隔放置的定子齿极A1、定子齿极A2、定子齿极A3及定子齿极A4；每个齿极上叠绕一个悬浮线圈(102)；
所述悬浮容错系统B包括外定子轭a(101)，外定子轭a(101)上沿圆周均布四个90°间隔放置的定子齿极B1、定子齿极B2、定子齿极B3及定子齿极B4；每个齿极上叠绕一个悬浮线圈(102)；所述悬浮容错系统B的定子齿极在空间分布上和所述悬浮容错系统A的定子齿极相差45度；
所述悬浮容错系统C包括外定子轭b(301)，外定子轭b(301)上沿圆周均布四个90°间隔放置的定子齿极C1、定子齿极C2、定子齿极C3及定子齿极C4；每个齿极上叠绕一个悬浮线圈(302)；
所述悬浮容错系统D包括外定子轭b(301)，外定子轭b(301)上沿圆周均布四个90°间隔放置的定子齿极D1、定子齿极D2、定子齿极D3及定子齿极D4；每个齿极上叠绕一个悬浮线圈(302)；所述悬浮容错系统D的定子齿极在空间分布上和所述悬浮容错系统C的定子齿极相差45度。
进一步，在正常工况下，轴向方向上电机双侧各选择一个悬浮容错系统为电机提供悬浮支承，悬浮容错系统A与悬浮容错系统C配合工作使得电机转子稳定悬浮，在某一悬浮系统发生故障时，立即启用同侧另一悬浮系统，上述结构实现电机两个自由度的悬浮。
进一步，外定子a(1)、外定子b(3)在径向截面上呈镜像倒L形。
进一步，定子齿极A1、定子齿极A3上的线圈串联，定子齿极A2、定子齿极A4上的线圈串联；定子齿极B1、定子齿极B3上的线圈串联，定子齿极B2、定子齿极B4上的线圈串联；定子齿极C1、定子齿极C3上的线圈串联，定子齿极C2、定子齿极C4上的线圈串联；定子齿极D1、定子齿极D3上的线圈串联，定子齿极D2、定子齿极D4上的线圈串联，各线圈内通入直流电，相较于交流电，电机的悬浮力模型简单，易实现解耦控制。
进一步，内定子(6)的定子轭(601)上嵌有二十四个等间距分布的定子槽(602)。
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
1、利用双定子结构实现电机高速低损耗全悬浮，降低了机械摩擦损耗。
2、halbach永磁体产生向内磁场，转子轭无需导磁，在本体结构上实现转矩/悬浮自解耦。
3、设计四套悬浮系统，大大增加电机悬浮支承的稳定性。
附图说明
图1所示为一种容错式磁悬浮永磁同步电机轴向结构图；
图2所示为一种容错式磁悬浮永磁同步电机的悬浮部分结构图；(a)为主视图；(b)为后视图
图3所示为一种容错式磁悬浮永磁同步电机的悬浮部分绕组示意图；(a)悬浮容错系统A绕组示意图；(b)悬浮容错系统B绕组示意图；(c)悬浮容错系统C绕组示意图；(d)悬浮容错系统D绕组示意图；
图4所示为一种容错式磁悬浮永磁同步电机的悬浮部分工作原理；
图5所示为一种容错式磁悬浮永磁同步电机的转矩部分结构图；
图6所示为一种容错式磁悬浮永磁同步电机的转矩部分工作原理；
图7所示为一种容错式磁悬浮永磁同步电机的halbach永磁体示意图与工作原理。
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，本发明容错式磁悬浮永磁同步电机轴向结构图，外定子a 1、永磁环2和外定子b 3轴向排列，，外定子a 1和外定子b 3与转子轭4之间留有等间隙悬浮气隙7，，八极外定子a 1、永磁环2，八极外定子b 3、转子轭4和悬浮气隙7构成了容错式磁悬浮永磁同步电机的悬浮系统部分；在转子轭4内部粘连着halbach结构的永磁体5，在永磁体5内部是内定子6，两者之间留有等间隙转矩气隙8，转子轭4、halbach永磁体5、内定子6与转矩气隙8构成了容错式磁悬浮永磁同步电机的转矩系统部分。
如图2所示，本发明容错式磁悬浮永磁同步电机的悬浮部分示意图：由八极外定子a 1、永磁环2、八极外定子b 3、转子轭4和悬浮气隙7组成。在外定子轭a 101上，呈45°等间隔分布的八个齿极分别为A1、B1、A2、B2、A3、B3、A4、B4，每个齿极上都叠绕一个悬浮线圈102；在外定子轭b 301上，呈45°等间隔分布的八个齿极分别为C1、D1、C2、D2、C3、D3、C4、D4，每个齿极上都叠绕一个悬浮线圈302。定子齿极A1、定子齿极A2、定子齿极A3、定子齿极A4和悬浮线圈102构成悬浮容错系统A，定子齿极B1、定子齿极B2、定子齿极B3、定子齿极B4和悬浮线圈102构成悬浮容错系统B，定子齿极C1、定子齿极C2、定子齿极C3、定子齿极C4和悬浮线圈302构成悬浮容错系统C，定子齿极D1、定子齿极D2、定子齿极D3、定子齿极D4和悬浮线圈302构成悬浮容错系统D。
如图3所示，本发明容错式磁悬浮永磁同步电机的悬浮部分绕组示意图：以悬浮容错系统A为例，将同一自由度上的线圈串联，即将定子齿极A1和定子齿极A3上的线圈串联，内部通入直流电iA13，将定子齿极A2和定子齿极A4上的线圈串联,内部通入直流电iA24，实现转子的径向悬浮；悬浮容错系统C的绕组连接方式与悬浮容错系统A相同。以悬浮容错B为例，将定子齿极B1和定子齿极B3上的线圈串联，内部通入直流电iB13，将定子齿极B2和定子齿极B4上的线圈串联，内部通入直流电iB24，实现转子的径向悬浮；悬浮容错系统D与悬浮容错系统B相同。
如图4所示，本发明容错式磁悬浮永磁同步电机的悬浮部分工作原理：以悬浮容错系统A为例，用于产生偏置磁通Φm的永磁环2的磁路走向如下所述，从永磁环2的N极触发，依次经过外定子轭a 101、悬浮气隙7、转子轭4、悬浮气隙7、外定子轭b 301，最终回到永磁环2的S极，形成闭合回路。悬浮线圈产生的控制磁通ΦiA13，一侧方向与偏置磁通同向，另一侧反向，两侧磁密不等形成悬浮力。悬浮容错系统B、C、D悬浮工作原理与悬浮容错系统A相同。
如图5所示，本发明容错式磁悬浮永磁同步电机的转矩部分示意图：包括转子轭4、halbach永磁体5、转矩气隙8以及内定子6。其中halbach永磁体5粘连在转子轭4的内层，形成一个整体，；内定子轭601上嵌有24个等间隔分布的定子槽602，每个槽内叠有双层绕组603，绕组内通入三相交流电，内定子6与halbach永磁体5之间留有等间隙的转矩气隙。
如图6所示，本发明容错式磁悬浮永磁同步电机的转矩部分工作原理：转矩部分二十四个槽内叠有双层绕组，这些绕组分为三相U、V、V。绕组U1、U2、AU3、U4、U5、U6、U7、U8串联为U相，绕组V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8串联为V相，线圈W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7、W8串联为W相。在运行时，三相依次通入交变电流，在转矩气隙5内形成变化的磁场，与halbach永磁体共同作用使转子始终保持在一个方向转动。
如图7所示，本发明容错式磁悬浮永磁同步电机的halbach永磁体示意图与工作原理：halbach永磁体202排列方式如图所示，该结构可产生了向下的单向磁场，不需要上部定子轭来构成闭合回路，且由于永磁体的相对磁导率较小，悬浮磁路不会对转矩部分造成影响，故转矩磁场和悬浮磁场在本体上实现隔离。
综上，本发明的一种容错式磁悬浮永磁同步电机，由双八极外定子、转子轭、halbach永磁体及内定子组成。其中halbach永磁体粘贴在转子轭内层，来产生单向向内的磁场，因此转矩磁路不需要通过转子轭，转子轭中只有悬浮磁路，实现了转矩磁场与悬浮磁场的解耦；外定子齿采用双侧八极结构，分为四个悬浮系统，正常工况下，由两侧各一系统提供悬浮力。本发明解决了磁悬浮永磁同步电机转矩磁场和悬浮磁场之间的耦合问题，在电机本体上实现了转矩和悬浮力的解耦控制。同时悬浮力由四个容错系统提供，增加了电机悬浮的容错性，有利于磁悬浮永磁同步电机转子稳定悬浮。
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 (6)

1.一种容错式磁悬浮永磁同步电机，其特征在于，包括八极混合外定子、转子轭(4)、halbach永磁体(5)、内定子(6)、悬浮气隙(7)及转矩气隙(8)；
从电机径向方向看，电机由外到内依次为八极混合外定子、悬浮气隙(7)、转子轭(4)、halbach永磁体(5)、转矩气隙(8)以及内定子(6)；从电机轴向方向看，八极混合外定子包括外定子a(1)、外定子b(3)；其中外定子a(1)、外定子b(3)之间连接有轴向永磁环(2)；外定子a(1)上有外定子轭a(101)，外定子轭a(101)上均布定子齿极，每个定子齿极上叠绕一个悬浮线圈；外定子b(3)上有外定子轭b(301)，外定子轭b(301)上均布定子齿极，每个定子齿极上叠绕一个悬浮线圈；
halbach永磁体(5)粘连在转子轭(4)内部，内定子(6)的定子轭(601)上嵌有多个等间距分布的定子槽(602)，每个定子槽内叠有双层绕组(603)，绕组内通入三相交流电，为电机的旋转提供转矩力，halbach永磁体(5)与内定子(6)之间留有等间隙转矩气隙(8)，上述结构实现电机的电动、发电。
2.如权利要求1所述一种容错式磁悬浮永磁同步电机，其特征在于，所述八极混合外定子中，定子齿极上叠绕的悬浮线圈共同组成了四套悬浮容错系统，分别为悬浮容错系统A、悬浮容错系统B、悬浮容错系统C和悬浮容错系统D；
所述悬浮容错系统A包括外定子轭a(101)，外定子轭a(101)上沿圆周均布四个90°间隔放置的定子齿极A1、定子齿极A2、定子齿极A3及定子齿极A4；每个齿极上叠绕一个悬浮线圈(102)；
所述悬浮容错系统B包括外定子轭a(101)，外定子轭a(101)上沿圆周均布四个90°间隔放置的定子齿极B1、定子齿极B2、定子齿极B3及定子齿极B4；每个齿极上叠绕一个悬浮线圈(102)；所述悬浮容错系统B的定子齿极在空间分布上和所述悬浮容错系统A的定子齿极相差45度；
所述悬浮容错系统C包括外定子轭b(301)，外定子轭b(301)上沿圆周均布四个90°间隔放置的定子齿极C1、定子齿极C2、定子齿极C3及定子齿极C4；每个齿极上叠绕一个悬浮线圈(302)；
所述悬浮容错系统D包括外定子轭b(301)，外定子轭b(301)上沿圆周均布四个90°间隔放置的定子齿极D1、定子齿极D2、定子齿极D3及定子齿极D4；每个齿极上叠绕一个悬浮线圈(302)；所述悬浮容错系统D的定子齿极在空间分布上和所述悬浮容错系统C的定子齿极相差45度。
3.如权利要求2所述一种容错式磁悬浮永磁同步电机，其特征在于，在正常工况下，轴向方向上电机双侧各选择一个悬浮容错系统为电机提供悬浮支承，悬浮容错系统A与悬浮容错系统C配合工作使得电机转子稳定悬浮，在某一悬浮系统发生故障时，立即启用同侧另一悬浮系统，上述结构实现电机两个自由度的悬浮。
4.如权利要求1所述一种容错式磁悬浮永磁同步电机，其特征在于，外定子a(1)、外定子b(3)在径向截面上呈镜像倒L形。
5.如权利要求1所述一种容错式磁悬浮永磁同步电机，其特征在于，定子齿极A1、定子齿极A3上的线圈串联，定子齿极A2、定子齿极A4上的线圈串联；定子齿极B1、定子齿极B3上的线圈串联，定子齿极B2、定子齿极B4上的线圈串联；定子齿极C1、定子齿极C3上的线圈串联，定子齿极C2、定子齿极C4上的线圈串联；定子齿极D1、定子齿极D3上的线圈串联，定子齿极D2、定子齿极D4上的线圈串联，各线圈内通入直流电。
6.如权利要求1所述一种容错式磁悬浮永磁同步电机，其特征在于，内定子(6)的定子轭(601)上嵌有二十四个等间距分布的定子槽(602)。
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