CN112087067B - 三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁悬浮薄片开关磁阻电机技术领域，公开了一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机，包括定子和转子，定子包括电机定子铁心、导磁桥、永磁环；电机定子铁心的内周间隔分布三个定子悬浮齿与三个定子转矩齿；定子转矩齿通过隔磁铝块与电机定子铁心相连；定子转矩齿为沿轴向分布的三个倒“U”形结构；导磁桥两端通过永磁环连接定子铁心，导磁桥中部为向内凸出并伸入转子内部的集磁环；转子外侧均匀分布转子齿，与电机定子铁心间形成外侧气隙，与集磁环之间形成内侧气隙。本发明仅需一个三相逆变器就能实现转子两自由度稳定悬浮，转矩磁通路径与悬浮磁通路径隔开，转矩与悬浮力之间自然解耦，具有悬浮力密度大，造价与功耗低，控制简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮薄片开关磁阻电机技术领域，具体涉及一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机。
背景技术
磁悬浮开关磁阻电机转子上无永磁体和绕组，具有无摩擦磨损、结构简单、坚固，强度高的优点，易于实现高速运行，在高速应用领域极具应用前景。
要实现磁悬浮开关磁阻电机转子稳定悬浮运行，需采用两自由度磁悬浮开关磁阻电机、径向两自由度磁轴承、轴向单自由度磁轴承或径向-轴向三自由度磁悬浮轴承组成五自由度磁悬浮开关磁阻电机系统，导致系统轴向长度较长、临界转速低，悬浮力密度与功率密度较低，且悬浮力与转矩之间存在强耦合，控制复杂，难以在小型化液体传输领域得到工业应用。传统的无轴承开关磁阻电机每个齿上有两套绕组，两套绕组产生的磁场共同作用产生悬浮力和转矩，使得悬浮磁场和转矩磁场耦合严重，控制复杂。此外，传统的无轴承开关磁阻电机没有永磁体，无法实现薄片化设计，因此也限制其在密封泵等液体传输领域的应用。中国发明专利：一种永磁偏置无轴承开关磁阻电机（CN102306995A），定转子极为12/14，定子上为4个悬浮极和8个转矩极，转子齿数为14，实现了转矩与悬浮力自然解耦，但是该结构的磁悬浮开关磁阻电机，需两个开关功放才能实现转子两自由度稳定悬浮，且径向圆周极数较多，极面积较小，导致悬浮力小，难以体现其优异性能。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机，并将电机定转子做成薄片状，轴向利用磁阻力被动悬浮，仅需一个三相逆变器就能控制转子径向两自由度稳定悬浮，径向利用率高，悬浮力密度与转矩密度较高。
技术方案：本发明提供了一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机，包括定子和位于定子内的转子，所述定子包括电机定子铁心、导磁桥、永磁环；所述电机定子铁心的内周间隔分布有定子悬浮齿A、定子悬浮齿B、定子悬浮齿C，以及定子转矩齿X、定子转矩齿Y、定子转矩齿Z，三个定子悬浮齿与三个定子转矩齿间隔设置，所述定子转矩齿X、定子转矩齿Y、定子转矩齿Z分别通过隔磁铝块与电机定子铁心相连；三个定子悬浮齿上均绕制三相对称悬浮绕组，且为星形连接；三个定子转矩齿均为沿轴向分布的倒“U”形结构，其“U”形开口端朝向所述转子，每个倒“U”形定子转矩齿上分别绕制相互反向串联的转矩绕组；导磁桥两端通过永磁环连接定子铁心，导磁桥中部为向内凸出并伸入转子内部的集磁环，转子外侧均匀分布六个转子齿，为转子齿R 1~转子齿R 6，其与所述电机定子铁心间形成外侧气隙，与所述集磁环之间形成内侧气隙。
进一步地，所述三个定子悬浮齿之间互差120˚，且所述定子悬浮齿A轴线与+x轴重合。
进一步地，所述三个定子悬浮齿弧度为60˚，所述转子齿R 1~转子齿R 6弧度均为30˚，所述定子转矩齿X、定子转矩齿Y、定子转矩齿Z为不对称分布，每个定子转矩齿的弧度均为30˚。
进一步地，所述定子转矩齿X轴线位于+x轴逆时针60˚，定子转矩齿Y轴线位于+x轴逆时针200˚，定子转矩齿Z轴线位于+x轴逆时针280˚。
进一步地，当所述定子悬浮齿A、定子悬浮齿B、定子悬浮齿C分别与转子齿R 6、转子齿R 2、转子齿R 4轴线对齐时，所述定子转矩齿X与转子齿R 1对齐，定子转矩齿Y逆时针超前转子齿R 3的弧度为20˚，定子转矩齿Z逆时针滞后转子齿R 5的弧度为20˚。
进一步地，所述集磁环、转子、电机定子铁心均做成薄片状。
进一步地，所述电机定子铁心、转子由硅钢片叠压而成，所述集磁环与导磁桥由整块导磁材料制成。
有益效果：
本发明提出的三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机仅需一个三相逆变器就能实现转子两自由度稳定悬浮，转矩磁通路径与悬浮磁通路径隔开，转矩与悬浮力之间自然解耦，具有悬浮力密度大，造价与功耗低，控制简单等优点。
本发明将电机定转子做成薄片状，轴向利用磁阻力被动悬浮，仅需控制径向两自由度就能实现转子稳定悬浮与旋转，轴向利用率高。
附图说明
图1为本发明一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机轴向剖分与转矩磁通图；
图2为本发明一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机悬浮齿剖分与悬浮磁路图；
图3为本发明一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机俯视图；
图4为本发明一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机径向悬浮磁通图；
图5为本发明一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机转矩齿X绕组通电位置图；
图6为本发明一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机转矩齿Y绕组通电位置图；
图7为本发明一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机转矩齿Z绕组通电位置图。
其中，1-导磁桥，2-永磁环，3-电机定子铁心，4-隔磁铝块，5-定子转矩齿，6-转矩绕组，7-悬浮绕组，8-外侧气隙，9-转子，10-内侧气隙，11-集磁环，12-静态偏置磁通，13-悬浮控制磁通，14-转矩磁通。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
具体实施方式如图1-3所示，本发明公开了一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机，包括定子和位于定子内的转子9，定子包括电机定子铁心3、导磁桥1、永磁环2。在电机定子铁心3的内周间隔分布有三个定子悬浮齿和三个定子转矩齿5，为了便于描述，我们分别将三个定子悬浮齿和三个定子转矩齿分别记为为定子悬浮齿A、定子悬浮齿B、定子悬浮齿C，以及定子转矩齿X、定子转矩齿Y、定子转矩齿Z，三个定子悬浮齿与三个定子转矩齿间隔设置，定子转矩齿X、定子转矩齿Y、定子转矩齿Z分别通过隔磁铝块4与电机定子铁心3相连。
三个定子悬浮齿上均绕制三相对称悬浮绕组7，且为星形连接。三个定子转矩齿均为沿轴向分布的倒“U”形结构，其“U”形开口端朝向转子9方向，每个倒“U”形定子转矩齿上分别绕制相互反向串联的转矩绕组6。
导磁桥1两端通过永磁环2连接定子铁心3，导磁桥1中部为向内凸出并伸入转子9内部的集磁环11，转子9外侧均匀分布六个转子齿，分别为转子齿R 1~转子齿R 6，其与电机定子铁心3间形成外侧气隙8，与集磁环11之间形成内侧气隙10。
三个定子悬浮齿（定子悬浮齿A、定子悬浮齿B、定子悬浮齿C）之间互差120˚，且定子悬浮齿A轴线与+x轴重合。
三个定子悬浮齿（定子悬浮齿A、定子悬浮齿B、定子悬浮齿C）弧度均为60˚，转子齿R 1~转子齿R 6弧度均为30˚，定子转矩齿X、定子转矩齿Y、定子转矩齿Z为不对称分布，每个定子转矩齿的弧度均为30˚。定子转矩齿X 的轴线位于+x轴逆时针60˚，定子转矩齿Y轴线位于+x轴逆时针200˚，转矩齿Z轴线位于+x轴逆时针280˚。
当定子悬浮齿A、定子悬浮齿B、定子悬浮齿C分别与转子齿R 6、转子齿R 2、转子齿R 4轴线对齐时，定子转矩齿X与转子齿R 1对齐，定子转矩齿Y逆时针超前转子齿R 3的弧度为20˚，定子转矩齿Z逆时针滞后转子齿R 5的弧度为20˚。
本实施方式中，各倒“U”形定子转矩齿上分别绕制相互反向串联的转矩绕组6，每个转矩绕组由一个开关功放驱动轮流导通，逆时针旋转时的通电顺序为定子转矩齿Y上的转矩绕组、定子转矩齿Z上的转矩绕组、定子转矩齿X上的转矩绕组。顺时针旋转时的通电顺序为定子转矩齿Z上的转矩绕组、定子转矩齿Y上的转矩绕组、定子转矩齿X上的转矩绕组；每个绕组通电转子9旋转角度为20˚。
本实施方式中，将集磁环11、转子9、电机定子铁心3均做成薄片状。
电机定子铁心3、转子9由硅钢片叠压而成，所述集磁环11与导磁桥1由整块导磁材料制成。
永磁环2提供静态偏置磁通12，如图2所示，静态偏置磁通12的磁路为：磁通从永磁环2的N极出发，通过电机定子铁心3、三个定子悬浮齿A、定子悬浮齿B、定子悬浮齿C、外侧气隙8、转子9、内侧气隙10、集磁环11回到永磁环2的S极。
三相对称悬浮绕组7由三相逆变器供电产生悬浮控制磁通13，如图4所示，其磁路为：定子悬浮齿A、定子悬浮齿B、定子悬浮齿C、外侧气隙8、定子悬浮齿下的转子齿，以及电机定子铁心3的轭部形成闭合路径。
悬浮原理：轴向与倾斜方向悬浮原理与普通薄片电机相同，径向由静态偏置磁通12与悬浮控制磁通13相互作用，使得与转子偏心方向相同一侧气隙磁场叠加减弱，而相反方向气隙磁场叠加增强，在转子上产生与转子偏移方向相反的力，将转子拉回径向平衡位置。
旋转原理：如图5~图7，当转子处于如图5状态下，定子转矩齿Y上的绕组通电，在定子转矩齿Y、定子转矩齿Y下的气隙、定子转矩齿Y下的转子齿之间形成闭合回路的转矩磁通14，转矩磁通14参见附图1，由于定子转矩齿Y逆时针超前对应的转子齿20˚，闭合磁通产生磁阻力使转子逆时针旋转20˚，定子转矩齿Y与转子齿对齐，如图6所示；而此时定子转矩齿Z逆时针超前对应的转矩齿20˚，然后定子转矩齿Z上的绕组通电，使转子继续旋转20˚，使定子转矩齿Z与对应的转子齿对齐，如图7所示；这时定子转矩齿X逆时针超前对应的转子齿20˚，定子转矩齿X上的绕组通电，使转子继续旋转20˚，形成一个通电周期，实现转子连续不断的旋转且产生连续不断的电磁转矩，无转矩死区。
永磁环2采用磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体制成，转矩绕组6、悬浮绕组7均采用导电良好的电磁线圈绕制后浸漆烘干而成。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机，包括定子和位于定子内的转子（9），其特征在于，所述定子包括电机定子铁心（3）、导磁桥（1）、永磁环（2）；所述电机定子铁心（3）的内周间隔分布有定子悬浮齿A、定子悬浮齿B、定子悬浮齿C以及定子转矩齿X、定子转矩齿Y、定子转矩齿Z，三个定子悬浮齿与三个定子转矩齿间隔设置，所述定子转矩齿X、定子转矩齿Y、定子转矩齿Z分别通过隔磁铝块（4）与电机定子铁心（3）相连；三个定子悬浮齿上均绕制三相对称悬浮绕组（7），且为星形连接；三个定子转矩齿均为沿轴向分布的倒“U”形结构，其“U”形开口端朝向所述转子（9），各所述倒“U”形定子转矩齿上分别绕制相互反向串联的转矩绕组（6），每个转矩绕组由一个开关功放驱动轮流导通，逆时针旋转时的通电顺序为定子转矩齿Y上的转矩绕组、定子转矩齿Z上的转矩绕组、定子转矩齿X上的转矩绕组；顺时针旋转时的通电顺序为定子转矩齿Z上的转矩绕组、定子转矩齿Y上的转矩绕组、定子转矩齿X上的转矩绕组；每个转矩绕组通电转子（9）旋转角度为20˚；导磁桥（1）两端通过永磁环（2）连接电机定子铁心（3），导磁桥（1）中部为向内凸出并伸入转子（9）内部的集磁环（11），转子（9）外侧均匀分布六个转子齿，为转子齿R 1~转子齿R 6。
2.根据权利要求1所述的一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机，其特征在于，所述转子齿与所述电机定子铁心（3）间形成外侧气隙（8），所述转子齿与所述集磁环（11）之间形成内侧气隙（10）。
3.根据权利要求1所述的一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机，其特征在于，所述三个定子悬浮齿之间互差120˚，且所述定子悬浮齿A轴线与+x轴重合。
4.根据权利要求3所述的一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机，其特征在于，所述三个定子悬浮齿弧度等于60˚，所述转子齿R 1~转子齿R 6弧度均为30˚，所述定子转矩齿X、定子转矩齿Y、定子转矩齿Z为不对称分布，每个定子转矩齿的弧度均为30˚。
5.根据权利要求4所述的一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机，其特征在于，所述定子转矩齿X轴线位于+x轴逆时针60˚，定子转矩齿Y轴线位于+x轴逆时针200˚，定子转矩齿Z轴线位于+x轴逆时针280˚。
6.根据权利要求5所述的一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机，其特征在于，当所述定子悬浮齿A、定子悬浮齿B、定子悬浮齿C分别与转子齿R 6、转子齿R 2、转子齿R 4轴线对齐时，所述定子转矩齿X与转子齿R 1对齐，定子转矩齿Y逆时针超前转子齿R 3的弧度为20˚，定子转矩齿Z逆时针滞后转子齿R 5的弧度为20˚。
7.根据权利要求1至6任一所述的一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机，其特征在于，所述集磁环（11）、转子（9）、电机定子铁心（3）均做成薄片状。
8.根据权利要求1至6任一所述的一种三悬浮极磁悬浮薄片开关磁阻电机，其特征在于，所述电机定子铁心（3）、转子（9）由硅钢片叠压而成，所述集磁环（11）与导磁桥（1）由整块导磁材料制成。
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