CN110855032B - 具有8/4槽极比的单绕组bl-bldc拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

具有8/4槽极比的单绕组BL‑BLDC拓扑结构，包括内定子和外转子；内定子包括定子铁芯和定子齿线圈绕组，定子铁芯的外表面均匀分布有8个定子齿，相临的定子齿之间围成一个定子槽；定子齿线圈绕组由8个定子齿线圈组成，每个定子齿线圈绕设在一个定子齿上，相间隔的四个定子齿线圈为一组，按四相星型连接后构成两个四相对称星型线圈组，每个四相对称星型线圈组的未端共同连接，其首端连接一个四相逆变器；外转子包括转子铁芯和四个瓦片形永磁磁钢组成，转子铁芯套设在定子铁芯的外侧，四个瓦片形永磁磁钢交替极性贴覆在外转子的内侧表面上。该专利适用于需要兼顾磁悬浮力、电磁转矩的共同提高，而且具有良好解耦控制性能的无轴承无刷直流电机技术领域。

Description

具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC拓扑结构
技术领域
本发明涉及新型特种交流电机及其驱动控制技术领域，尤其适用于需要兼顾提高磁悬浮力和电磁转矩的无刷直流电机无轴承磁悬浮运行控制应用场合，具体说的是具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC拓扑结构。
背景技术
关于“无轴承无刷直流电机”（简称BL-BLDC），国内外已对双绕组结构BL-BLDC（简称“双绕组BL-BLDC”）进行过研究，在其转矩控制方面，基本沿用了传统无刷直流电机的“三相二通”工作模式；而在其转子磁悬浮控制方面，已在磁悬浮力精确建模、定/转子结构、磁悬浮性能分析和控制策略等方面进行过研究。但是，“双绕组BL-BLDC”存在的主要问题在于：若同齿的转矩绕组与悬浮绕组同时通电，将导致电磁转矩与可控磁悬浮力之间的高度耦合，而若同齿的转矩绕组与悬浮绕组不同时通电，可控磁悬浮力的提升空间较小；独立磁悬浮绕组的存在，降低了转矩绕组的占槽率，导致电机的功率密度也比较低。因此，探索能兼顾提高磁悬浮力和电机功率密度的单绕组结构BL-BLDC（简称“单绕组BL-BLDC”），并使所有定子齿线圈同时工作，就成了问题解决的关键，也是BL-BLDC走上实用化发展道路的必然途径。
文献和专利检索结果表明：关于“单绕组BL-BLDC”技术，国外也尚处于起步阶段、文献资料很少，而国内尚未见相关技术资料。自2011年以来，日本研究和提出了一种具有12/6槽极比的“单绕组BL-BLDC”结构，但其相比“双绕组BL-BLDC”结构，无法有效提高电机功率密度，而且其驱动逆变器的成本高、存在直流侧不均压问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC拓扑结构，兼顾磁悬浮力、电磁转矩的共同提高，而且具有良好解耦控制性能。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC拓扑结构，包括内定子和外转子；
内定子包括定子铁芯和定子齿线圈绕组，定子铁芯的外表面均匀分布有8个定子齿，相临的定子齿之间围成一个定子槽，相临定子槽之间的距角宽度为45度；定子齿线圈绕组由8个定子齿线圈组成，每个定子齿线圈绕设在一个定子齿上，相间隔的四个定子齿线圈为一组，按四相星型连接后构成两个四相对称星型线圈组，每个四相对称星型线圈组的未端共同连接为该四相对称星型线圈组的中点，其首端连接一个四相逆变器；
外转子包括转子铁芯和四个瓦片形永磁磁钢组成，转子铁芯套设在定子铁芯的外侧，四个瓦片形永磁磁钢交替极性贴覆在外转子的内侧表面上，永磁磁钢的厚度为5至10倍的电机气隙长度，永磁磁钢的极弧宽度为70度至80度机械角度。
定子槽为梨形槽，定子齿为等宽定子齿。
定子槽的槽底部为圆弧形，圆弧的原点设置在定子槽的槽截面中心线上。
本发明的有益效果是：
本发明给出的具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC结构，其优点和积极效果有以下几个方面：
1）采用本专利具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC结构方案，在任意时刻、任意转子位置，每个定子齿及其齿线圈要么仅用于控制电磁转矩，要么仅用于控制磁悬浮力，因此能够有效降低转矩系统与磁悬浮系统之间的电磁耦合度，从电机结构上实现电磁转矩与磁悬浮力之间的良好解耦控制性能。
2）采用“单绕组”结构代替传统的“双绕组”结构，在同等铁芯尺寸和导线规格条件下，每个定子齿线圈的匝数（或占槽面积）可以提高近1倍，每个定子齿及其齿线圈所能产生的电磁转矩、径向磁悬浮力也可提高近1倍；采用定子8槽结构取代国外已有的定子12槽结构，同等条件下的单齿铁芯截面积、单齿最大磁通量可提高0.5倍。因此，采用本专利给出的具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC结构，能够同时提高BL-BLDC的功率密度和可控磁悬浮力，而且能够沿水平和垂直方向获得相等的磁悬浮力刚度。
附图说明
图1为具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC拓扑结构的示意图；
图2为具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC拓扑结构的定子槽和定子齿的结构示意图；
图3为具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC拓扑结构的两个四相对称星型线圈组的原理示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于，提供一种具有8/4槽极比的“单绕组无轴承无刷直流电机”（简称“单绕组BL-BLDC”）拓扑结构。
该拓扑结构包括内定子1和外转子2，内定子1包括定子铁芯和定子齿线圈绕组，定子铁芯的外表面均匀分布有8个定子齿1-1，相临的定子齿1-1之间围成一个定子槽1-2，相临定子槽1-2之间的距角宽度为45度；定子齿线圈绕组由8个定子齿线圈1-3组成，每个定子齿线圈1-3绕设在一个定子齿1-1上，相间隔的四个定子齿线圈1-3为一组，按四相星型连接后构成两个四相对称星型线圈组，每个四相对称星型线圈组的未端共同连接为该四相对称星型线圈组的中点，其首端连接一个四相逆变器。外转子2包括转子铁芯2-1和四个瓦片形永磁磁钢2-2组成，转子铁芯2-1套设在定子铁芯的外侧，四个瓦片形永磁磁钢2-2交替极性贴覆在外转子2的内侧表面上，永磁磁钢2-2的厚度为5至10倍的电机气隙长度，永磁磁钢2-2的极弧宽度为70度至80度机械角度。
具体为，首先按定子齿或定子槽距角宽度45度均匀布局8/4槽极比单绕组BL-BLDC的定子齿1-1和定子槽1-2；然后，设计8/4槽极比单绕组BL-BLDC的定子齿和定子槽结构，采用梨形槽结构和等宽定子齿体；随后，对8个定子齿线圈合理分组和连接，构建出双“四相对称星型线圈组”定子绕组结构；最后，在70至80机械角度范围之内选取瓦片形永磁磁刚极弧宽度，按5至10倍的电机气隙长度来选取永磁体厚度，按N、S交替极性顺序构建出具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC永磁外转子结构。该专利技术属于新型特种电机及其驱动控制技术领域，尤其适用于需要兼顾磁悬浮力、电磁转矩的共同提高，而且具有良好解耦控制性能的无轴承无刷直流电机技术领域。
专利发明原理依据：
1）采用具有8/4槽极比（即具有8槽定子、4极永磁转子）的“单绕组BL-BLDC”结构，在任意时刻、任意转子位置，必有4个对称分布的定子齿线圈处于转子永磁N极或永磁S极之下，给由其构成的“四相对称线圈组”通入恰当的电流，可产生径向磁悬浮力；另有4个对称分布的定子齿线圈处于转子永磁N/S磁极的分界线之下，给由其构成的“四相对称星型线圈组”通入恰当的电流，可产生电磁转矩。在电机运行过程中，若能根据当前四极永磁转子的空间位置实时交替切换、分时控制两组“四相对称星型线圈组”的电磁转矩和磁悬浮力产生功能，便可实现8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”的稳定磁悬浮运行控制。
2）在其他条件同等的情况下，用单绕组代替双绕组之后，每个定子齿线圈的匝数（或占槽面积）可提高近1倍，用定子8槽结构取代国外已有的定子12槽结构之后，单齿铁芯截面积、单齿最大磁通量可提高0.5倍。因此，采用具有8/4槽极比的“单绕组BL-BLDC”结构，能够同时提高BL-BLDC的功率密度（或电磁转矩）和可控磁悬浮力。
为了实现上述目的，本发明采取的技术手段为：一种具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC结构，具体包括以下步骤：
（1）布局8/4槽极比单绕组BL-BLDC的定子齿和定子槽。如图1所示为所构建的图1具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC的定转子拓扑结构示意图，采用的是内定子、外转子拓扑结构。如图1所示，在定子铁芯上布置定子齿和定子槽，把8个定子齿定子槽沿定子铁芯的外表面按均匀分布，把定子齿按逆时针顺序分别编号为第1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号、8号定子齿，设定定子齿或定子槽之间的距角宽度为45度。
（2）设计8/4槽极比单绕组BL-BLDC的定子齿和定子槽结构。为提高定子槽的利用率以及尽可能减少槽内绝缘的损伤，定子槽形采用梨形槽结构；如图2所示为所设计的定子槽形拓扑结构图，图2中的b 02为槽口宽，一般取2~3毫米；图2中的h 02为槽口高，可取0.8~2毫米；图2中的h t为梨形槽的槽深；图2中的r 22为槽底部的圆弧半径，图2中的h 22为定子齿等高齿体高度。
相邻两个梨形槽之间定子齿的主体，采用的是“上下等宽定子齿”，也即除齿冠部位之外，相邻两个定子槽之间定子齿主体的上下部宽度相等；定子梨形槽的底部采用圆弧形结构，梨形槽底部圆弧的原点设定在梨形槽横截面的中心线上。
（3）构建8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”的双“四相对称星型线圈组”定子绕组结构。具体构建步骤如下：
首先，在每个定子齿上绕制一个定子齿线圈，形成第1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号、8号等共8个定子齿线圈，8个定子齿线圈的编号与相应的定子齿编号保持一致。
然后，把第1号、3号、5号、7号定子齿线圈划分为一组,并按四相星型连接，构成一套四相对称星型线圈组，标记为“四相对称星型线圈组A”，该组中四个定子齿线圈的末端共同连接到“四相对称星型线圈组A”的 “联结中点O1”，而该“四相对称星型线圈组A”的四个定子齿线圈的首端用于连接电机外部的一套四相逆变器A。
最后，把其余的四个定子齿线圈也即第2号、4号、6号、8号定子齿线圈划分为另一组,并按四相星型连接，构成另一套四相对称星型线圈组，标记为“四相对称星型线圈组B”，该组中四个定子齿线圈的末端共同连接到“四相对称星型线圈组B”的“联结中点O2”，而该“四相对称星型线圈组B”的四个定子齿线圈的首端用于连接电机外部的另一套四相逆变器B。
经过以上步骤或方法，即可构成8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”的双“四相对称星型线圈组”定子绕组结构。如图3所示为所构造出的8/4槽极比单绕组BL-BLDC双“四相对称星型线圈组”定子绕组结构及其与外部驱动逆变器的连接原理示意图。
（4）构建8/4槽极比“单绕组BL-BLDC”的永磁外转子结构。永磁外转子结构的构建制作过程如下：
首先，结合永磁外转子的结构尺寸，制作四个瓦片形永磁磁钢，永磁磁钢的厚度按5~10倍的电机气隙长度来确定，每个瓦片形永磁磁刚的极弧宽度选定在70度~80度机械角度范围之内；永磁磁钢的材料，可根据电机工作性能要求以及制作成本因素等，从铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料等材料中合理选取。
然后，按N、S交替极性顺序，把四个瓦片形永磁磁钢进行径向或平行充磁工艺，获得两个N型永磁体和两个S型永磁体。
最后，按N、S交替极性顺序，采用永磁体粘接胶把四个瓦片形永磁体均匀粘贴在外转子铁芯的内侧表面，从而构成四极永磁外转子结构。
经过以上过程后，获得具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC永磁外转子结构。具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC永磁外转子的具体拓扑结构，可参见图1给出的具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC的定转子拓扑结构示意图。

Claims (3)

1.具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC拓扑结构，包括内定子（1）和外转子（2），其特征在于：
内定子（1）包括定子铁芯和定子齿线圈绕组，定子铁芯的外表面均匀分布有8个定子齿（1-1），相临的定子齿（1-1）之间围成一个定子槽（1-2），相临定子槽（1-2）之间的距角宽度为45度；定子齿线圈绕组由8个定子齿线圈（1-3）组成，每个定子齿线圈（1-3）绕设在一个定子齿（1-1）上，相间隔的四个定子齿线圈（1-3）为一组，按四相星型连接后构成两个四相对称星型线圈组，每个四相对称星型线圈组的未端共同连接为该四相对称星型线圈组的中点，其首端连接一个四相逆变器；
外转子（2）包括转子铁芯（2-1）和四个瓦片形永磁磁钢（2-2）组成，转子铁芯（2-1）套设在定子铁芯的外侧，四个瓦片形永磁磁钢（2-2）交替极性贴覆在外转子（2）的内侧表面上，永磁磁钢（2-2）的厚度为5至10倍的电机气隙长度，永磁磁钢（2-2）的极弧宽度为70度至80度机械角度。
2.如权利要求1所述的具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC拓扑结构，其特征在于：定子槽（1-2）为梨形槽，定子齿（1-1）为等宽定子齿。
3.如权利要求1所述的具有8/4槽极比的单绕组BL-BLDC拓扑结构，其特征在于：定子槽（1-2）的槽底部为圆弧形，圆弧的原点设置在定子槽（1-2）的槽截面中心线上。
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