CN110971099A - 一种定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种外转子结构的定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机,外转子和内定子都是圆筒状无凸极结构,外转子的内侧表面上紧密贴有Halbach阵列永磁体,内定子采用非导磁材料制成,内定子的外层紧密绕有悬浮力绕组,悬浮力绕组的外层紧密绕有转矩绕组;转矩绕组为三相互差120°电角度的对称绕组,悬浮力绕组为三相互差120°电角度的对称绕组;Halbach阵列永磁体中的相邻两块永磁体紧密相连;采用定子无铁心结构,在电机高速运行时能大幅度减小铁心损耗和涡流损耗,提升电机的效率,与定子有铁心无轴承永磁电机相比,转子在发生同样的偏心位移时所受的单边磁拉力更小,永磁体易于粘贴在转子上,使得电机结构紧凑、转动惯量大、转子散热方便。

Description

一种定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机
技术领域
本发明涉及一种无轴承永磁同步电机,应用于飞轮储能、电动汽车、风力发电、生物医疗工程、半导体等特殊电气传动领域中,具体是一种外转子结构的定子无铁心无轴承永磁同步电机。
背景技术
随着生产发展和科学技术的进步,在高速高精度数控机床、涡轮分子泵、压缩机、航空航天以及飞轮储能等应用领域,对高速或者超高速大容量电力驱动电机有了很大的需求,传统永磁同步电机由于机械轴承结构复杂,难以实现高速和超高速下的稳定运行。无轴承永磁同步电机作为一种新型电机,集成了永磁同步电机结构简单、功率密度大、转矩密度高、效率高等特性,同时又具备磁轴承的无摩擦、无需润滑、免维护、寿命长等优点,使得电机在高速和超高速下的稳定运行成为了可能。为了减少电机在高速运行下的损耗,电机的定子采用非导磁材料制成,可以极大地减小定子铁心损耗,一定程度上减小转子涡流损耗,还可以消除齿槽转矩,减小转矩脉动。但是定子采用无铁心结构使得没有铁磁物质构成完整的磁路,增大了电机有效气隙,导致气隙磁密幅值变低,降低了功率密度和转矩密度。
中国专利公开号为CN108123562A的文献中公开了一种无轴承永磁同步电机,其在转子外侧设有凹槽,凹槽内设有线圈,当转子偏心时线圈内的感应电流在磁场的作用下产生与单边磁拉力相反的电磁力,以削弱单边磁拉力的变化,提高电机的悬浮性能。这种结构由于转子凹槽的存在会使得气隙磁密的波形产生更大的畸变,会提高转矩脉动,影响运行性能。同时,由于铁心结构以及转子线圈的存在,会加大电机高速运行下的铁心损耗和涡流损耗,降低电机运行效率。中国专利公开号CN207896846U的文献中公开了一种新型无轴承永磁同步电机结构,其将永磁体置于定子轭部,永磁体共有四块且同极相对。这种结构会使得永磁体在定子轭部漏磁较大,使得永磁体利用率不高。
发明内容
为了克服传统电机需要机械轴承的缺点,并降低定子铁心损耗和转子涡流损耗,方便转子散热,提高电机的运行性能,本发明提出一种结构简单、集成度高、功率密度高、效率高的定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机。
本发明采用的技术方案是:包括外转子和内定子,其特征是:外转子和内定子都是圆筒状无凸极结构,外转子的内侧表面上紧密贴有Halbach阵列永磁体,内定子采用非导磁材料制成,内定子的外层紧密绕有悬浮力绕组,悬浮力绕组的外层紧密绕有转矩绕组;转矩绕组为三相互差120°电角度的对称绕组,悬浮力绕组为三相互差120°电角度的对称绕组;Halbach阵列永磁体中的相邻两块永磁体紧密相连,每极有N块永磁体,以充磁方向与x轴正向之间的夹角为0°的永磁体为第1块,逆时针方向的第i块永磁体的充磁方向与x轴正向之间的夹角θi为:
Figure BDA0002298724030000021
p为电机极对数。
转矩绕组5极对数p1和悬浮力绕组的极对数p2满足:p1=p2±1,转矩绕组的电流频率ω1和悬浮力绕组的电流频率ω2满足:ω1=ω2
本发明的优点在于:
1、无轴承电机使电机的定转子既能产生驱动电机旋转的电磁转矩,又能产生支撑转子重量的磁悬浮力,简化了电机的结构,从而增加了电机转子系统的刚度和临界转速,提高了其运行稳定性。
2、本发明采用定子无铁心结构,在电机高速运行时能大幅度减小铁心损耗和涡流损耗,提升电机的效率。与定子有铁心无轴承永磁电机相比,定子无铁心无轴承永磁电机转子在发生同样的偏心位移时所受的单边磁拉力更小,悬浮力控制系统对其控制也更加容易。
3、本发明采用外转子结构,永磁体易于粘贴在转子上,使得电机结构紧凑、转动惯量大、转子散热方便,拓宽了无轴承无铁心电机的使用范围。
4、本发明采用定子无槽结构,相对于定子开槽电机气隙磁密波形波动更小,抑制谐波的产生,而且消除了齿槽转矩,减小了工艺难度。
5、本发明中的永磁体采用Halbach磁化阵列,能够使永磁体一侧磁场增强,另一侧磁场削弱,具有单边磁屏蔽能力,减少漏磁,提高了永磁体利用率。同时增加了气隙磁密基波幅值,也使得气隙磁密具有更好的正弦度,优化了气隙磁密,增大了气隙磁密的基波幅值,输出转矩更高,运行更稳定。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明:
图1为本发明一种定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机的轴向剖面示意图;
图2为图1的径向剖面示意图;
图3为图1中的转矩绕组的分布图;
图4为图1中的悬浮力绕组分布图;
图5为图2中Halbach阵列永磁体装配结构以及充磁方向放大示意图;
图6为图2中本发明径向悬浮力产生原理示意图;
图中:1-钢制电机外壳,;2-转子铁心;3-Halbach阵列永磁体;4-永磁体护套;5-转矩绕组;6-悬浮力绕组;7-电机定子;8-右端盖;9-辅助轴承;10-光电编码器;11-径向位移传感器;12-左端盖;13-调心球轴承;14-转轴;15-十字螺钉;16-转子支架。
具体实施方式
参见图1和图2,本发明包括外转子2和内定子7,内定子7同轴心地套在外转子2内部,内定子7正中间是转轴14。外转子2是圆筒状无凸极结构,采用0.35mm硅钢片叠压而成,外转子2的轴向一端通过转子支架16固定连接至转轴14,使外转子2同转轴14一起旋转。转子支架16采用非导磁材料制成,减少漏磁。外转子2的外部套有电机外壳1,外转子2和电机外壳1的径向之间留有一段空隙,以防止外转子2发生位移时与电机外壳1发生碰撞。电机外壳1的轴向两端通过十字螺钉15分别左端盖12、右端盖8固定连接,构成电机的主要框架。
在外转子2的内侧表面上紧密贴有Halbach阵列永磁体3,Halbach阵列永磁体3采用高剩磁材料钕铁硼制成,表面喷涂环氧树脂以抗腐蚀,喷涂厚度为10-40μm。在Halbach阵列永磁体3外部包裹一层永磁体护套4,永磁体护套4紧贴在Halbach阵列永磁体3上,以防止Halbach阵列永磁体3在高速运转时脱落。
内定子7是无凸极圆筒状结构,采用非导磁材料制成,轴向左端与左端盖12固定连接。内定子7的外层紧密绕有悬浮力绕组6,悬浮力绕组6的外层紧密绕有转矩绕组5,转矩绕组5和悬浮力绕组6之间用环氧树脂固定,悬浮力绕组6和内定子7之间也用环氧树脂固定。悬浮力绕组6由导电性较好的铜制成,线径φ2=0.56mm,用于产生径向悬浮力;转矩绕组5由导电性较好的铜制成,线径φ1=0.56mm,用于产生电磁转矩。转矩绕组5与永磁体护套4之间留有径向气隙的大小与与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及内定子7、外转子2加工和装配工艺有关。
转轴14的右端通过辅助轴承9连接右端盖8,转轴14的右端设有光电编码器10,与转轴14用来检测电机转速。转轴14的左端通过调心球轴承13连接左端盖12。在电机外壳1的内侧连接径向位移传感器11,用以检测外转子2的径向位移。
外转子2和Halbach阵列永磁体3置于内定子7的外侧,这样使得电机结构紧凑、转动惯量大、转子散热方便。转矩绕组5和悬浮力绕组6沿圆周均匀分布在内定子7上,转矩绕组5和悬浮力绕组6各自的三相在空间互差120o电角度,转矩绕组5的极对数p1和悬浮力绕组6的极对数p2满足:p1=p2±1,转矩绕组5的电流频率ω1和悬浮力绕组6的电流频率ω2满足:ω1=ω2。转矩绕组5和悬浮力绕组6的位置确定后通过环氧树脂浇铸定型并将绕组固定,因此无齿槽转矩,大幅度减小了转矩脉动,运行更加平稳。
参见图3,转矩绕组5的极对数为2,采用整距分布式绕组结构,其中Am+、Bm+、Cm+为转矩绕组5的输入端,Am-、Bm-、Cm-为转矩绕组5的输出端,转矩绕组5为三相对称绕组,其A、B和C三相互差120°电角度。
参见图4,悬浮力绕组6的极对数为1,采用整距分布式绕组结构,其中As+、Bs+、Cs+为悬浮力绕组6的输入端,As-、Bs-、Cs-为悬浮力绕组6的输出端,悬浮力绕组6为三相对称绕组,其A、B和C三相互差120°电角度。
参见图5,Halbach阵列永磁体3是扇形状,每极有N块永磁体,相邻两块永磁体紧密相连并固定在外转子2的内侧面上,Halbach阵列永磁体3的材料为钕铁硼,以充磁方向与x轴正向之间的夹角为0°的永磁体为第1块,则其逆时针方向的第i块永磁体的充磁方向与x轴正向之间的夹角θi为:
Figure BDA0002298724030000041
式中:θi为第i块永磁体充磁方向与x轴正向的夹角;p为电机极对数,本发明中电机极对数是2,故p=2;N为每极包含永磁体的块数,本发明中每极包含6块永磁体,故N=6。则由上式可知,按逆时针方向,每一块永磁体的充磁方向都比前一块永磁体的充磁方向按逆时针方向偏移45°。
参见图6,定子无铁心无轴承永磁同步电机的定子处同时安装转矩绕组5和悬浮力绕组6,其中转矩绕组5的极对数为2,悬浮力绕组6的极对数为1,Halbach阵列永磁体3采用每极包含6块永磁体的Halbach阵列结构,极对数为2,每极的永磁体之间都是紧密相连。当悬浮力绕组6中未通入电流时,转矩绕组5与永磁体共同产生的4极气隙磁通
Figure BDA0002298724030000051
是平衡的,该磁通经过外转子2、永磁体、气隙、转矩绕组5、悬浮力绕组6和内定子7,将电机在空间上平均分成四部分,将不会产生径向力。载流转矩绕组在永磁体产生的气隙磁场中受到切向洛伦兹力的作用,产生电磁转矩带动电机旋转。当悬浮力绕组6中通入电流时,产生2极磁通
Figure BDA0002298724030000052
该磁通经过外转子2、永磁体、气隙、转矩绕组5、悬浮力绕组6和内定子7,将电机在空间上平均分成两部分,悬浮力绕组6产生的气隙磁场打破了气隙磁场的平衡,使得外转子2表面麦克斯韦合力不为零,根据磁场叠加原理可知气隙右侧处磁场增强,而气隙左侧处磁场减弱,导致图中的外转子2右侧受力大于左侧,外转子2受到x轴负方向的吸引力。使用同样的方法可以分析,通过改变悬浮力绕组6中电流的大小和相位,可以得到xoy平面内任意大小和方向的径向悬浮力。

Claims (7)

1.一种定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机,包括外转子(2)和内定子(7),其特征是:外转子(2)和内定子(7)都是圆筒状无凸极结构,外转子(2)的内侧表面上紧密贴有Halbach阵列永磁体(3),内定子(7)采用非导磁材料制成,内定子(7)的外层紧密绕有悬浮力绕组(6),悬浮力绕组(6)的外层紧密绕有转矩绕组(5);转矩绕组(5)为三相互差120°电角度的对称绕组,悬浮力绕组(6)为三相互差120°电角度的对称绕组;Halbach阵列永磁体(3)中的相邻两块永磁体紧密相连,每极有N块永磁体,以充磁方向与x轴正向之间的夹角为0°的永磁体为第1块,逆时针方向的第i块永磁体的充磁方向与x轴正向之间的夹角θi为:
Figure FDA0002298724020000011
p为电机极对数。
2.根据权利要求1所述的一种定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机,其特征是:转矩绕组(5)的极对数p1和悬浮力绕组(6)的极对数p2满足:p1=p2±1,转矩绕组(5)的电流频率ω1和悬浮力绕组(6)的电流频率ω2满足:ω1=ω2
3.根据权利要求2所述的一种定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机,其特征是:转矩绕组(5)的极对数为2,悬浮力绕组(6)的极对数为1,Halbach阵列永磁体(3)是每极包含6块永磁体的Halbach阵列结构,极对数为2。
4.根据权利要求1所述的一种定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机,其特征是:Halbach阵列永磁体(3)的表面喷涂环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的一种定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机,其特征是:Halbach阵列永磁体(3)外部包裹一层永磁体护套(4)。
6.根据权利要求1所述的一种定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机,其特征是:转矩绕组(5)和悬浮力绕组(6)之间用环氧树脂固定,悬浮力绕组(6)和内定子(7)之间用环氧树脂固定。
7.根据权利要求1所述的一种定子无铁心Halbach阵列无轴承永磁同步电机,其特征是:转矩绕组(5)和悬浮力绕组(6)都由铜制成,铜线径φ2=0.56mm,转矩绕组(5)与永磁体护套(4)之间留有径向气隙。
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