CN109120085A - 一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于宇称‑时间对称原理的无铁芯电机，包括定子和转子两部分，所述定子包括定子绕组和壳体，所述转子包括转子绕组及能够支撑和固定转子绕组的转轴，其中，所述定子和转子均不含铁芯，所述定子绕组的A1、B1和C1三相呈星形连接，所述转子绕组的A2、B2和C2三相呈星形连接，所述定子绕组和转子绕组为绕线式绕组，经空气隙形成电机磁路。本发明突破了传统电机的定转子结构形式，采用无铁芯的定转子，消除了铁芯形成涡流造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，电机起动制动迅速，在高速运转状态下，可以方便地对转速进行调节，具有显著优势。
Description
技术领域
本发明涉及电机的技术领域，尤其是指一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯电机。
背景技术
第一台电动机来源于18世纪40年代苏格兰僧侣安德鲁·戈登(Andrew Gordon)和美国科学家本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)实验中使用的简易静电设备。1820年安德烈·玛丽·安培(André-Marie Ampère)发现其背后的安培力定律。1821年迈克尔·法拉第(Michael Faraday)发明电动机实验室模型，当电流通过导线，导线将绕磁棒旋转，实现了电能向机械能的转化，成为电动机发展的雏形。经接近两百年的发展，各种应用场合对电机的效率、控制以及运行等性能有了更高的要求，由此衍生了多种新型特种电机。无铁芯电机就是电机行业未来发展的一种新型特种电机，早在1958年Fritz Faulhaber博士提出了一种直流微电机，采用无铁芯绕组作为转子绕组，改变了传统电机采用硅钢片叠装铁芯嵌放绕组的结构，消除了铁芯形成涡流造成的电能损耗，并大幅降低了电机的重量和转动惯量，具有传统电动无法比拟的快速响应特性。然而，现有的无铁芯电机大多局限为空心杯直流电机，且为减少漏磁其绕组制造工艺十分复杂，极大地限制了无铁芯电机的应用场合。
1998年华盛顿大学的的Bender.C.M教授创立了宇称-时间(PT)对称量子理论，该理论已被成功应用到光学、材料学等多个领域并展现出了巨大的优势。本发明利用宇称-时间(PT)对称电路构造一种无需铁芯的电机，使得定子和转子漏磁较大的情况下仍能进行高效率的能量转换，由此可用无铁芯的定转子绕组替代传统有铁芯的定转子绕组，使得电机的制造工艺更为简单，适应性更强。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯电机，突破了传统电机的定转子结构形式，采用无铁芯的定转子，消除了铁芯形成涡流造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，电机起动制动迅速，在高速运转状态下，可以方便地对转速进行调节，具有显著优势。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯电机，包括定子和转子两部分，所述定子包括定子绕组和壳体，所述转子包括转子绕组及能够支撑和固定转子绕组的转轴，其中，所述定子和转子均不含铁芯，所述定子绕组的A1、B1和C1三相呈星形连接，所述转子绕组的A2、B2和C2三相呈星形连接，所述定子绕组和转子绕组为绕线式绕组，经空气隙形成电机磁路。
进一步，所述定子绕组的A1、B1和C1相分别包括串联连接的定子回路等效电感、定子侧电容、定子回路等效内阻和负电阻，所述转子绕组的A2、B2和C2相分别包括串联连接的转子回路等效电感、转子侧电容和转子回路等效内阻。
进一步，各相的定子回路和转子回路经电磁耦合组成的系统稳态运行满足宇称-时间对称条件：
其中，下标N代表定子侧或转子侧A、B和C三相，RsN为各相定子回路串联的负电阻，r1N为各相定子回路的等效内阻，LsN为定子绕组各相的等效电感，CsN为各相定子回路串联的电容，r2N为各相转子回路的等效内阻，LrN为转子绕组各相的等效电感，CrN为各相转子回路串联的电容，s为转差率。
进一步，所述A1、B1和C1相的负电阻的电压、电流关系均满足：u1＝-RNi1，其中，i1为流过负电阻的电流，u1为负电阻两端的电压，-RN为负电阻的阻值，受流过负电阻的电流i1控制且自动可调。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本电机结构简单，无需铁芯且绕组绕线简单，无需复杂工艺。
2、相比传统电机，本电机消除了铁芯涡流造成的损耗，重量和转动惯量大幅度降低，起动和制动快速，便于控制调节。
3、本电机的能量转换效率高。
附图说明
图1为三相无铁芯电机等效电路示意图。
图2为无铁芯电机的结构示意图。
图3为实施方式中无铁芯电机单相等效电路图。
图4为实施方式中作为对比的传统电机单相等效电路图。
图5为实施方式中无铁芯电机和传统电机电磁转矩与转差率的关系图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明，但本发明的实施和保护不限于此。
本实施例所提供的基于宇称-时间对称原理的无铁芯电机，其基本原理是利用宇称-时间对称电路实现无铁芯的电机，用于替代传统的含有铁芯的电机，突破了传统电机的定转子结构形式，消除了铁芯形成涡流造成的电能损耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，电机起动制动迅速，在高速运转状态下，可以方便地对转速进行调节，具有显著优势。
如图1所示，所述的无铁芯电机包括定子绕组3和转子绕组5，图中6为转轴，所述定子绕组3的A1、B1和C1相分别包括串联连接的定子回路等效电感Lsa、Lsb、Lsc、定子侧电容Csa、Csb、Csc、定子回路等效内阻r1a、r1b、r1c和负电阻-Rsa、-Rsb、-Rsc，所述转子绕组5的A2、B2和C2相分别包括串联连接的转子回路等效电感Lra、Lrb、Lrc、转子侧电容Cra、Crb、Crc和转子回路等效内阻r2a、r2b、r2c，所述的定子绕组3和转子绕组5均没有铁芯，定子绕组3和转子绕组5经空气隙形成电机磁路，如图2所示的无铁芯电机的截面结构，图中1为定子、2为转子、3为定子绕组、4为壳体、5为转子绕组、6为转轴、7为轴承，所述定子1包括定子绕组3和壳体4，所述转子2包括转子绕组5及能够支撑和固定转子绕组5的转轴6，所述定子绕组3和转子绕组5置于壳体4中，所述转轴6横穿过壳体4，且壳体4通过轴承7与转轴6构成转动副；所述定子1和转子2均不含铁芯，所述定子绕组3的A1、B1和C1三相呈星形连接，所述转子绕组5的A2、B2和C2三相呈星形连接，均为绕线式绕组。
以下根据如图3所示一相参数的T形等效电路进行原理阐述，当三相电机运行时，三相功率及损耗同时发生，此时三相电机的功率和损耗值均应乘以相数m＝3.
如图3所示，根据基尔霍夫定律流过定子回路和转子回路的电流i1和i2满足：
式(1)中，i1、i2分别为定子回路和转子回路流过的电流，Ls、Lr分别为定子绕组和转子绕组的等效电感，Cs、Cr分别为定子侧和转子侧的串联电容，-Rs为定子回路串联的负电阻，r1和r2分别为定子回路和转子回路的等效内阻，Lm为定子绕组和转子绕组之间的互感，s为转差率。
状态方程(1)在广义宇称-时间对称变换下仍保持形式不变，即对方程(1)作宇称变换时间变换(t→-t)和尺度变换仍保持相同形式,由此可得到系统(1)的宇称-时间对称条件为：
不妨令(Rs-r1)/Ls＝r2/sLr＝γ0，假设系统稳态运行时的角频率为ω，则图3所示电路中电流相量和满足：
式(3)有非零解的条件是：
即：
此时，根据式(5)可知电流相量和的幅值始终满足：
由式(5)可进一步得到稳态运行频率ω为：
要使系统(1)稳定运行在宇称-时间对称工作状态，即ω要有纯实数解，根据式(7)则满足：
即系统(1)参数设计必须需要满足式(8)。
当式(8)条件不满足时，系统(1)将工作于宇称-时间破碎态，此时系统的稳态运行频率为：
ω＝ω0 (9)
受电流i1控制的负电阻阻值为：
假设设计负电阻饱和电流为Isat，则系统(1)稳态运行时电流的幅值将限制在Isat。当系统满足条件(2)和(8)时，电机工作于宇称-时间对称态，此时转子回路的电流的幅值稳定在：
互感两端电压为：
电磁转矩为：
其中f＝ω/2π，p为极对数，m为相数，将式(7)、(11)和(12)代入(13)，为增大系统(1)的电磁转矩，合理设计系统运行参数，使系统稳定在低频段，可得电机的电磁转矩为：
当电机参数不满足式(8)时，电机运行于宇称-时间对称破碎态，
此时电机的电磁转矩为：
作为对比，传统电机具有如图4所示的单相等效电路，转子回路的电流表示为：
将(17)代入(13)可得传统电机的转矩为：
为了进一步说明本发明的优点，在本实施例中，设计了一个有铁芯的传统三相电机，电机参数如下：三相六极绕线型异步电动机电源频率fN＝50Hz，输入额定电压UN＝25V，定转子绕组均为星形接法，T形等效电路参数：r1＝0.019Ω，Ls＝0.0226H，r2＝0.0295Ω，Lr＝0.02279H，rm＝0.915，Lm＝0.0221H，则传统电机的电磁转矩与转差率的曲线如图5虚线所示。
去掉定子绕组和转子绕组的铁芯，并根据式(2)和式(8)设计无铁芯电机，负电阻由电力电子电路实现，负电阻基波电压幅值与有铁芯传统电机输入电压相同，此时无铁芯电机的参数为：r1＝0.019Ω，Ls＝1.356mH，r2＝0.0295Ω，Lr＝1.3674mH，Lm＝0.436mH，饱和电流保持为Isat＝IN＝60A。根据式(12)和(16)绘制无铁芯电机电磁转矩与转差率的曲线，如图5实线所示，从图中可知，通过合理设计电机参数，无铁芯电机可具有传统电机相似的机械特性。
由上述分析可知，本发明的无铁芯电机可以很好地替代传统的有铁芯的电机，且可以大幅度减轻重量和转动惯量，响应极快，本发明的优点显而易见，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，本实施例为三相绕线式无铁芯异步电机，并非以此限制本发明的实施范围，本发明也可用于单相、多相以及多极数异步电机和感应电机，故凡依本发明之结构、原理所作的变化或组合，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯电机，包括定子和转子两部分，所述定子包括定子绕组和壳体，所述转子包括转子绕组及能够支撑和固定转子绕组的转轴，所述定子绕组和转子绕组置于壳体中，所述转轴横穿过壳体；其特征在于：所述定子和转子均不含铁芯，所述定子绕组的A1、B1和C1三相呈星形连接，所述转子绕组的A2、B2和C2三相呈星形连接，所述定子绕组和转子绕组为绕线式绕组，经空气隙形成电机磁路。
2.根据权利要求1所述的一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯电机，其特征在于：所述定子绕组的A1、B1和C1相分别包括串联连接的定子回路等效电感、定子侧电容、定子回路等效内阻和负电阻，所述转子绕组的A2、B2和C2相分别包括串联连接的转子回路等效电感、转子侧电容和转子回路等效内阻。
3.根据权利要求2所述的一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯电机，其特征在于：各相的定子回路和转子回路经电磁耦合组成的系统稳态运行满足宇称-时间对称条件：
其中，下标N代表定子侧或转子侧A、B和C三相，RsN为各相定子回路串联的负电阻，r1N为各相定子回路的等效内阻，LsN为定子绕组各相的等效电感，CsN为各相定子回路串联的电容，r2N为各相转子回路的等效内阻，LrN为转子绕组各相的等效电感，CrN为各相转子回路串联的电容，s为转差率。
4.根据权利要求2所述的一种基于宇称-时间对称原理的无铁芯电机，其特征在于：所述A1、B1和C1相的负电阻的电压、电流关系均满足：u1＝-RNi1，其中，i1为流过负电阻的电流，u1为负电阻两端的电压，-RN为负电阻的阻值，受流过负电阻的电流i1控制且自动可调。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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