CN111211658A - 一种定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机 - Google Patents

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王泽林
曹鑫
邓智泉
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Abstract

本发明公开了一种定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机，包括两个12/4极电机，每个电机均包括定、转子。第一、第二转子在电机轴向两侧端部呈锥形外倒角结构，第一、第二定子在电机轴向两侧端部呈锥形内倒角结构，当第一定子上绕组电流导通后，其端部内倒角与第一转子端部外倒角之间产生磁拉力，作用在第一转子上，力的方向与倒角的角度垂直往定子方向为正方向；同样给第二电机中绕组通电流，转子同样也受到磁拉力，其轴向分量与第一转子所受到的轴向力方向相反，通过调节第一和第二电机中绕组导通电流可实现电机转子轴向合力的控制，进而实现轴向悬浮，另外，两个电机可实现各自径向两自由度悬浮，最终实现五自由度悬浮。

Description

一种定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机
技术领域
本发明涉及一种定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机，属于电机类的磁悬浮开关磁阻电机技术领域。
背景技术
随着稀土价格的逐年升高，永磁电机的生产成本愈加提高。开关磁阻电机定转子不采用永磁体材料，生产成本得以降低。同时，开关磁阻电机结构简单，可靠性高，由于开关磁阻电机定转子为凸极结构，在电机运行过程中，存在转矩脉动，进而引起电机振动，加剧电机内机械轴承的磨损，大大降低了轴承的使用寿命，无法在高速电机应用领域得到推广与发展。
为了减少电机转子在运动过程中的振动，将机械轴承替换为磁轴承，让电机转子悬浮在定子内，并抑制转子的振动，为电机高速化发展过程中所遇到的问题提供了解决方案。传统的磁悬浮开关磁阻电机是由两台径向磁轴承和一台传统开关磁阻电机组成，轴向空间利用率低，使得电机的功率密度无法提高。
无轴承开关磁阻电机作为传统开关磁阻电机与磁轴承的集合体，在实现磁轴承功能的前提下，减小电机的轴向体积，从而提高电机的功率密度。无轴承开关磁阻电机中的定子不仅给转子提供转矩力，同时也提供径向悬浮力，保证电机在高速中的稳定可靠运行，但一般的无轴承开关磁阻电机只能实现四自由度悬浮，若要实现五自由度悬浮，另外还需增加一台轴向磁轴承，如何在实现四个径向悬浮和一个轴向悬浮的基础上，将电机的轴向尺寸做到最小，是目前的研究难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机，该电机在保证径向四自由度悬浮的同时，具备较大的轴向承载力，功率密度高等特点。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机，包括第一电机、第二电机以及转轴；所述第一电机与第二电机的结构相同，第一电机包括第一转子、第一定子、第一绕组线圈，第二电机包括第二转子、第二定子、第二绕组线圈，第一转子嵌套在第一定子内，第二转子嵌套在第二定子内，第一转子、第二转子共用一根转轴；
第一转子和第二转子的齿极数均为4，第一转子的齿极与第二转子的齿极错开15°机械角度；第一定子和第二定子的齿极数均为12，第一定子的齿极和第二定子的齿极相对，第一定子每个齿极上绕有第一绕组线圈，第二定子每个齿极上绕有第二绕组线圈，第一绕组线圈和第二绕组线圈均独立控制；
第一转子和第二转子均为外凸极圆柱结构，且第一转子的所有齿极位于同一侧的端面为锥形外倒角结构，第二转子的所有齿极位于同一侧的端面为锥形外倒角结构，第一转子的所有齿极另一侧端面与第二转子的所有齿极另一侧端面相对；
第一定子和第二定子均为内凸极圆柱结构，且第一定子的所有齿极位于同一侧的端面为锥形内倒角结构，第二定子的所有齿极位于同一侧的端面为锥形内倒角结构，第一定子的所有齿极另一侧端面与第二定子的所有齿极另一侧端面相对。
作为本发明的一种优选方案，所述第一转子的所有齿极位于同一侧的端面的锥形外倒角尺寸相等，第二转子的所有齿极位于同一侧的端面的锥形外倒角尺寸相等。
作为本发明的一种优选方案，所述第一定子的所有齿极位于同一侧的端面的锥形内倒角尺寸相等，第二定子的所有齿极位于同一侧的端面的锥形内倒角尺寸相等。
作为本发明的一种优选方案，所述第一电机包括三相绕组，每相绕组由四个绕组线圈组成，相邻两个绕组线圈相差90°，相邻两相绕组相差30°。
作为本发明的一种优选方案，所述第二电机包括三相绕组，每相绕组由四个绕组线圈组成，相邻两个绕组线圈相差90°，相邻两相绕组相差30°。
作为本发明的一种优选方案，所述第一电机、第二电机均为无轴承开关磁阻电机。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明的电机定转子采用双锥形倒角结构，转子在倒角处的磁拉力包含径向分量和轴向分量，在保证径向悬浮的同时，提供轴向悬浮力，实现电机定子对转子轴向位置的控制。
2、本发明采用双台无轴承开关磁阻电机结构，实现径向四自由度悬浮，增加了输出转矩，提高了功率密度。
3、本发明的电机不增加轴向绕组线圈，利用径向绕组线圈提供悬浮力，降低了成本，减小了电机的体积，提高了电机的临界转速。
附图说明
图1是本发明定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机的半剖侧视示意图。
图2是本发明定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机的三维示意图。
图3是本发明定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机的定子三维示意图。
图4是本发明定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机的转子三维示意图。
图5是本发明定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机的第一电机俯视示意图。
图6是本发明定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机的第二电机俯视示意图。
图7是本发明定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机的轴向气隙磁通分布示意图。
其中，1-第一电机，2-第二电机，3第一转子，4-第一定子，5-第一绕组线圈，6-第二定子，7-第二绕组线圈，8-第二转子，9-转轴。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，为本发明提出的定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机半剖侧视示意图，整体结构包括第一电机1和第二电机2。
如图2所示，为本发明提出的定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机的三维示意图，第一电机1由第一转子3、第一定子4、第一绕组线圈5组成；第二电机2由第二转子8、第二定子6、第二绕组线圈7组成；其中，第一转子3布置在第一定子4内，第二转子8布置在第二定子6内，第一转子3和第二转子8固定一根转轴9上；第一电机1中A相四个绕组A1_Ⅰ、A2_Ⅰ、A3_Ⅰ、A4_Ⅰ提供悬浮励磁电流，实现α1方向和β1方向两自由度悬浮，同时产生一个与Z方向反向的轴向力，第二电机2中B相的B1_Ⅱ、B2_Ⅱ、B3_Ⅱ、B4_Ⅱ这四个绕组提供悬浮励磁电机，实现α2方向和β2方向两自由度悬浮，同时产生一个Z方向的轴向力，与第一电机1中的轴向力形成轴向合力。
如图3所示，为本发明提出的定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机的定子三维示意图，第一定子4和第二定子6在轴向两侧端部均有一个锥形内倒角，所有锥形内倒角尺寸相等；第一定子4和第二定子6均为内凸极圆柱结构。
如图4所示，为本发明提出的定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机的转子三维示意图，第一转子3和第二转子8在轴向两侧端部均有一个锥形外倒角，所有锥形外倒角尺寸相等；第一转子3和第二转子8均为外凸极圆柱结构。
根据图5定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机的第一电机1俯视示意图，其中第一定子4的齿极数为12，定子齿宽为15°；第一转子3的齿极数为4；第一定子4的每个定子齿极上绕有1套第一绕组线圈5，每一套线圈对应一套功率变换器；每一相绕组由四个绕组线圈组成，相邻两个绕组线圈相差90°，4个绕组独立控制，一共包括三相绕组，分别是A相的A1_Ⅰ、A2_Ⅰ、A3_Ⅰ、A4_Ⅰ这四个绕组，B相的B1_Ⅰ、B2_Ⅰ、B3_Ⅰ、B4_Ⅰ这四个绕组，C相的C1_Ⅰ、C2_Ⅰ、C3_Ⅰ、C4_Ⅰ这四个绕组，相邻两相绕组相差30°。
根据图6定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机的第二电机2俯视示意图，其中第二定子6的齿极数为12，定子齿宽为15°；第二转子8的齿极数为4，第一转子3的齿极和第二转子8的齿极错开15°机械角度；第二定子6的每个定子齿极上绕有1套第二绕组线圈7，每一套线圈对应一套功率变换器；每一相绕组由四个绕组线圈组成，相邻两个绕组线圈相差90°，4个绕组独立控制，一共包括三相绕组，分别是A相的A1_Ⅱ、A2_Ⅱ、A3_Ⅱ、A4_Ⅱ这四个绕组，B相的B1_Ⅱ、B2_Ⅱ、B3_Ⅱ、B4_Ⅱ这四个绕组，C相的C1_Ⅱ、C2_Ⅱ、C3_Ⅱ、C4_Ⅱ这四个绕组，相邻两相绕组相差30°。
根据图7是本发明定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机的轴向气隙磁通分布示意图，可以看出在电机两端锥形倒角处的磁通分布与倒角垂直，磁拉力的产生与锥形倒角角度θ1、θ2、θ3、θ4有关，因此产生轴向力分量的大小也与倒角角度有关。θ1、θ3尺寸可以相等，也可以不等。θ2、θ4尺寸可以相等，也可以不等。当第一定子4上的绕组电流导通后，第一定子4端部内倒角与第一转子3端部的外倒角之间产生一个磁拉力，作用在第一转子3上，力的方向与倒角的角度垂直往定子方向为正方向，其中包含轴向力和径向力的组合力，同样给第二电机2中的绕组通电流，转子同样也受到一个磁拉力，其轴向分量与第一转子3所收到的轴向力方向相反，通过调节第一电机1和第二电机2中绕组的导通电流可实现电机转子轴向合力的控制，进而实现轴向悬浮，另外，第一电机1和第二电机2可实现各自径向两自由度悬浮，最终实现无轴承开关磁阻电机的五自由度悬浮。
本发明提供了一种定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机，通过控制第一电机1和第二电机2中的定子线圈的励磁电流，实现旋转、五自由度悬浮。第一电机1和第二电机2的控制方法均可以采用电流斩波控制、单脉冲控制、PWM控制。本发明的电机本体结构构造方便，易于实现，输出转矩大，功率密度高，生产成本得以降低，可以获得较大的轴向承载力。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括第一电机(1)、第二电机(2)以及转轴(9)；所述第一电机(1)与第二电机(2)的结构相同，第一电机(1)包括第一转子(3)、第一定子(4)、第一绕组线圈(5)，第二电机(2)包括第二转子(8)、第二定子(6)、第二绕组线圈(7)，第一转子(3)嵌套在第一定子(4)内，第二转子(8)嵌套在第二定子(6)内，第一转子(3)、第二转子(8)共用一根转轴(9)；
第一转子(3)和第二转子(8)的齿极数均为4，第一转子(3)的齿极与第二转子(8)的齿极错开15°机械角度；第一定子(4)和第二定子(6)的齿极数均为12，第一定子(4)的齿极和第二定子(6)的齿极相对，第一定子(4)每个齿极上绕有第一绕组线圈(5)，第二定子(6)每个齿极上绕有第二绕组线圈(7)，第一绕组线圈(5)和第二绕组线圈(7)均独立控制；
第一转子(3)和第二转子(8)均为外凸极圆柱结构，且第一转子(3)的所有齿极位于同一侧的端面为锥形外倒角结构，第二转子(8)的所有齿极位于同一侧的端面为锥形外倒角结构，第一转子(3)的所有齿极另一侧端面与第二转子(8)的所有齿极另一侧端面相对；
第一定子(4)和第二定子(6)均为内凸极圆柱结构，且第一定子(4)的所有齿极位于同一侧的端面为锥形内倒角结构，第二定子(6)的所有齿极位于同一侧的端面为锥形内倒角结构，第一定子(4)的所有齿极另一侧端面与第二定子(6)的所有齿极另一侧端面相对。
2.根据权利要求1所述定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一转子(3)的所有齿极位于同一侧的端面的锥形外倒角尺寸相等，第二转子(8)的所有齿极位于同一侧的端面的锥形外倒角尺寸相等。
3.根据权利要求1所述定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一定子(4)的所有齿极位于同一侧的端面的锥形内倒角尺寸相等，第二定子(6)的所有齿极位于同一侧的端面的锥形内倒角尺寸相等。
4.根据权利要求1所述定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一电机(1)包括三相绕组，每相绕组由四个绕组线圈组成，相邻两个绕组线圈相差90°，相邻两相绕组相差30°。
5.根据权利要求1所述定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第二电机(2)包括三相绕组，每相绕组由四个绕组线圈组成，相邻两个绕组线圈相差90°，相邻两相绕组相差30°。
6.根据权利要求1所述定转子双锥形倒角的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一电机(1)、第二电机(2)均为无轴承开关磁阻电机。
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