CN108988517B - 一种轴向悬浮开关磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向悬浮开关磁阻电机，电机的转矩系统采用三相12/8极结构，每个定子凸极上仅有一套线圈，每套线圈独立控制，结构简单，紧凑；转子由转子凸极和转子轭共同组成。电机的悬浮系统由上、下两个定子组成，上定子包括环形内磁极、环形外磁极和环形内磁极，下定子结构与上定子结构一致。悬浮系统与转矩系统共用一个转子，该转子外套在转轴上，转子与上定子、下定子之间均留有工作气隙；环形外磁极与环形内磁极之间开有轴向环形槽，槽内绕有控制线圈。实现了开关磁阻电机转子轴向上的悬浮，很大程度上减小了外界磨损，使开关磁阻电机的稳定运行得到了保证。

Description

一种轴向悬浮开关磁阻电机
技术领域
磁悬浮开关磁阻电机将磁轴承技术与开关磁阻电机相结合，结构简单、坚固，转子上无永磁体和绕组，具有无磨损、体积小、功耗低和轴向利用率高的有点，在高速应用领域极具应用前景。
背景技术
随着工业技术的发展，需要一个低成本，结构紧凑，功耗低，容错率高的电机来适应恶劣的工作环境，开关磁阻电机满足上述要求。但传统的开关磁阻电机存在以下问题：1)转子由于不平衡磁拉力而发生的机械偏移；2)不可控制的短距绕组上电流脉冲和转矩脉冲3)易振动和噪声较大。磁悬浮开关磁阻电机合理解决了以上问题。
磁悬浮开关磁阻电机是20世纪末发展起来的一种磁悬浮电机。磁悬浮开关磁阻电机一般应用在飞轮储能、高速机床、涡轮分子泵以及航空航天领域，电机所处的环境恶劣，转子受到外界扰动大。现有文献中磁悬浮开关磁阻电机多是转子径向上的悬浮控制，不能很好的维持转子运行。针对此结构，本发明提出一种的轴向上悬浮开关磁阻电机。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出一种轴向悬浮的开关磁阻电机。电机转矩系统采用三相12/8极结构，每个定子凸极上仅有一套线圈，每套线圈独立控制，结构简单，紧凑；转子由转子凸极和转子轭共同组成。电机的悬浮系统采用上、下两个定子组成，上定子由环形内磁极、环形外磁极和环形内磁极组成，下定子结构与上定子结构一致。悬浮系统与转矩系统共用一个转子，该转子嵌套在转轴上，转子与上定子、下定子之间均留有工作气隙；环形外磁极与环形内磁极之间开有轴向环形槽，槽内绕有控制线圈。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种轴向悬浮的开关磁阻电机，由转矩系统和悬浮系统组成；
转矩系统包括定子轭、定子轭上的定子凸极、转子轭、转子轭上的转子凸极以及转轴，定子轭为圆筒型，内套转子轭，转子轭内套转轴，转子凸极和转子轭同轴，定子凸极上缠绕绕组，按照NNNSSS分布；
悬浮系统包括悬浮系统1、悬浮系统2、转子轭和转轴；悬浮系统1由上定子圆环、上定子绕组组成，上定子圆环下端开有第一环形凹槽，第一环形凹槽内部绕有上定子绕组，第一环形凹槽内侧为内环形磁极，第一环形凹槽外侧为外环形磁极；悬浮系统2由下定子圆环、下定子绕组组成，下定子圆环上端开有第二环形凹槽，第二环形凹槽内部绕有下定子绕组，第二环形凹槽内侧为内环形磁极，第二环形凹槽外侧为外环形磁极，上定子圆环、下定子圆环与转子轭之间各留有悬浮系统气隙和悬浮系统气隙，悬浮系统1与悬浮系统2 结构上对称。
进一步，转子凸极数量有8个，定子轭的内圆周上固定12个定子凸极，悬浮系统中的转子轭与转矩系统中的转子轭共用。
进一步，上定子圆环、下定子圆环的环宽与转子轭的轭宽保持一致。
进一步，上定子圆环中，上定子绕组上电后，电流产生的磁通依次通过内环形磁极、悬浮系统气隙、外环形磁极后回到内环形磁极，形成闭合回路；下定子圆环产生闭合磁路方式与上述一致，为遵循磁阻最小原理，悬浮系统气隙和悬浮系统气隙的气隙长度lu、ld必须小于转矩系统中定子凸极与转子凸极间的气隙长度。
本发明的有益效果是：所述轴向悬浮的开关磁阻电机其转矩系统结构紧凑，减低了电机的体积和成本；其悬浮系统采用轴向悬浮，利用磁场力将转子轴向悬浮于空间，使其与定子没有机械基础，具有无摩擦、无磨损、无需润滑和密封，高速度、高精度及寿命长等优点。
附图说明
图1为磁悬浮开关磁阻电机转矩系统结构俯视图。
图2为磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统结构侧视图。
图3为磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统悬浮原理图。
图4为磁悬浮开关磁阻电机悬浮系统结构参数图。
图中，11—定子轭；12—定子凸极；13—转子轭；14—转轴；15—转子凸极；1—上定子圆环；1-1—上定子绕组；1-2—内环形磁极a；1-3—外环形磁极a；1-4—悬浮系统气隙a；2—下定子圆环；2-1—下定子绕组；2-2—内环形磁极b；2-3外环形磁极b；2-4—悬浮系统气隙b；Du1—外环形磁极a外径；Du2—外环形磁极a内径；Du3—内环形磁极a内径；Du4—内环形磁极a外径；Du5—上定子圆环环宽；lu—悬浮系统气隙a长度；Dd1—外环形磁极 b外径；Dd2—外环形磁极b内径；Dd3—内环形磁极b内径；Dd4—内环形磁极b外径；Dd5—下定子圆环环宽；ld—悬浮系统气隙b长度；D—转子轭轭宽。
具体实施方式
如图1所示，轴向悬浮的开关磁阻电机，其转矩系统由定子轭11，定子凸极12，转子轭13，转轴14及转子凸极15组成。定子轭11为圆筒型，内套转轴14，转轴14外套转子轭13。转子凸极15和转子轭13同轴且转子凸极15数量有8个。定子轭11的内圆周上固定12个定子凸极12，并缠绕绕组，按照NNNSSS分布。绕组由A、B、C三相绕组组成，每相绕组由4个线圈组成，共12个线圈，每个线圈独立控制。其中，A相绕组由A1，A2， A3，A4线圈组成，B相绕组由B1，B2，B3，B4线圈组成，C相绕组由C1，C2，C3，C4 线圈组成。这12个线圈各缠绕在一个定子凸极12上，并按照A1→B1→C1→A2→B2→C2 →A3→B3→C3→A4→B4→C4线圈的顺序依次沿逆时针方向分布于相应的定子凸极12上。
如图2所示，轴向悬浮的开关磁阻电机，其悬浮系统由悬浮系统1、2，转矩系统的转子轭13和转轴14组成。悬浮系统1包括：上定子圆环1，上定子绕组1-1。悬浮系统2包括：下定子圆环2，下定子绕组2-1；其中上定子圆环1由内环形磁极a 1-2，外环形磁极a 1-3组成，下定子圆环2由内环形磁极b 2-2，外环形磁极b 2-3组成。上、下定子圆环与转子轭13之间均留有工作气隙。
如图3所示，以悬浮系统1形成闭合回路为例，上定子绕组1-1上电后，电流产生的磁通依次通过内环形磁极a 1-2、悬浮系统气隙a 1-4、外环形磁极a 1-3后回到内环形磁极a 1-2，形成闭合回路。下定子圆环产生闭合磁路方式与上述一致。在转子轭13没有受到轴向扰动时，以悬浮系统1为例，分析轴向悬浮的开关磁阻电机悬浮原理：通过向内环形磁极a上的绕组中通入电流i1，进而产生磁通φd1，磁场上使上定子圆环1与转子轭13之间产生电磁力，形成沿轴向上的悬浮力，该悬浮力用于平衡转子轭的重力，实现转子轭13轴向上的悬浮。当转子轭13受到轴向扰动时，需要通过上定子绕组1-1与下定子绕组2-1配合实现转子轭13的动态平衡。具体平衡原理如下：
1)当转子轭13受到向下扰动，沿轴系向下偏心时，上定子圆环1与转子轭13之间的气隙变大，气隙磁阻相应增大，转子轭13受到沿z正方向上的悬浮力变小，需要加大上定子绕组1-1中的电流i1或减小下定子绕组2-1中的电流i2，使悬浮系统1产生的磁通φd1大于悬浮系统2产生的磁通φd2，悬浮系统气隙a 1-4磁密相应增大，进而转子轭13所受的z 正方向悬浮力增大。
2)当转子轭13受到向上扰动，沿轴系向上偏心时，上定子圆环1与转子轭13之间的气隙变小，气隙磁阻相应减小，转子轭13受到沿z正方向上的悬浮力变大，需要减小上定子绕组1-1中的电流i1或增大下定子绕组2-1中的电流i2，使悬浮系统2产生的磁通φd2大于悬浮系统1产生的磁通φd1，悬浮系统气隙b 1-4磁密相应增大，进而转子轭13所受的z 负方向悬浮力增大。
如图4所示，轴向悬浮的开关磁阻电机悬浮系统的关键结构有以下参数：悬浮系统1 中有，外环形磁极a外径Du1，外环形磁极a内径Du2，内环形磁极a内径Du3，内环形磁极a外径Du4，上定子圆环环宽Du5，悬浮系统气隙a长度lu；悬浮系统2中有，外环形磁极b外径Dd1，外环形磁极b内径Dd2，内环形磁极b内径Dd3，内环形磁极b外径Dd4，下定子圆环环宽Dd5，悬浮系统气隙b长度ld。转子轭轭宽D。另外在实际设计中，需注意两点设计参数：
1)为保证磁悬浮开关磁阻电机轴向悬浮的稳定性，转子轭13的环宽D需与上、下定子环宽Du5、Dd5保持一致。
2)为了满足磁阻最小原理，上、下气隙长度lu、ld必须小于转矩系统中定子凸极与转子凸极15间的气隙长度，否则用于轴向悬浮的磁通会流失到转矩系统中，对转矩系统和悬浮系统造成干扰。
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 (1)

1.一种轴向悬浮的开关磁阻电机，其特征在于，由转矩系统和悬浮系统组成；
转矩系统包括定子轭(11)、定子轭(11)上的定子凸极(12)、转子轭(13)、转子轭(13)上的转子凸极(15)以及转轴(14)，定子轭(11)为圆筒型，内套转子轭(13)，转子轭(13)内套转轴(14)，转子凸极(15)和转子轭(13)同轴，定子凸极(12)上缠绕绕组，按照NNNSSS分布；
悬浮系统包括悬浮系统1、悬浮系统2、转子轭(13)和转轴(14)；悬浮系统1由上定子圆环(1)、上定子绕组(1-1)组成，上定子圆环(1)下端开有第一环形凹槽，第一环形凹槽内部绕有上定子绕组(1-1)，第一环形凹槽内侧为内环形磁极a(1-2)，第一环形凹槽外侧为外环形磁极a(1-3)；悬浮系统2由下定子圆环(2)、下定子绕组(2-1)组成，下定子圆环(2)上端开有第二环形凹槽，第二环形凹槽内部绕有下定子绕组(2-1)，第二环形凹槽内侧为内环形磁极b(2-2)，第二环形凹槽外侧为外环形磁极b(2-3)，上定子圆环、下定子圆环与转子轭(13)之间各留有悬浮系统气隙a(1-4)和悬浮系统气隙b(2-4)，悬浮系统1与悬浮系统2结构上对称；
转子凸极(15)数量有8个，定子轭(11)的内圆周上固定12个定子凸极(12)；
上定子圆环、下定子圆环的环宽与转子轭的轭宽保持一致；
悬浮系统中的转子轭(13)与转矩系统中的转子轭(13)共用；
上定子圆环中，上定子绕组(1-1)上电后，电流产生的磁通依次通过内环形磁极a(1-2)、悬浮系统气隙a(1-4)、外环形磁极a(1-3)后回到内环形磁极a(1-2)，形成闭合回路；
悬浮系统气隙a(1-4)的气隙长度和悬浮系统气隙b(2-4)的气隙长度均小于转矩系统中定子凸极(12)与转子凸极(15)间的气隙长度。
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