CN112332709B - 一种圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机，包括定子和位于定子内部的转子；转子包括转子铁芯和贯穿转子铁芯的转轴，转子铁芯外圆周等距间隔设置有12个转子齿，在转子齿两端均插入未贯穿转子铁芯的隔磁铝片；定子包括轴向定子铁芯、永磁环和电机定子铁芯，电机定子铁芯通过永磁环与轴向定子铁芯的内壁相连接；电机定子铁芯的内圆周等间隔设置有3个悬浮齿和3个转矩铁芯，转矩铁芯通过隔磁铝块与电机定子铁芯内圆周相连接，转矩铁芯设有向圆心方向凸出的一对转矩齿；悬浮齿上绕制三相对称悬浮绕组，转矩齿上均绕制转矩绕组，在电机定子铁芯两侧，且靠近轴向定子铁芯内侧设置有相串联的轴向悬浮绕组。

Description

一种圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机
技术领域
本发明属于磁悬浮开关磁阻电机技术领域，具体涉及一种圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机。
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。将电机定转子做成薄片状，即磁悬浮薄片开关磁阻电机的轴向是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，结构简单，悬浮力密度与转矩密度较高，且易于实现转子密封，因此磁悬浮薄片开关磁阻电机特别适合应用于液体传输领域。中国发明专利号：201710283920.2，名称：一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征是：采用四块隔磁板将外定子悬浮极与外定子转矩极相连接，将悬浮磁路与转矩磁路隔开，实现了悬浮力与转矩之间独立控制。但是，由于将悬浮极数量为4，且分为x和y两个方向，导致悬浮力密度较小，且需两个直流开关功放驱动两自由度悬浮，功耗高，系统造价高。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机，仅需一个三相逆变器与一个开关功放就能实现转子径向-轴向三自由度稳定悬浮，且悬浮控制与转矩控制无耦合，控制简单。
本发明所采用的技术方案如下：
一种圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机，包括定子和位于定子内部的转子；转子包括转子铁芯和贯穿转子铁芯的转轴，转子铁芯外圆周等距间隔设置有12个转子齿，在转子齿两端均插入未贯穿转子铁芯的隔磁铝片；
定子包括轴向定子铁芯、永磁环和电机定子铁芯，电机定子铁芯通过永磁环与轴向定子铁芯的内壁相连接；电机定子铁芯的内圆周等间隔设置有3个悬浮齿和3个转矩铁芯，转矩铁芯通过隔磁铝块与电机定子铁芯内圆周相连接，转矩铁芯设有向圆心方向凸出的一对转矩齿；悬浮齿上绕制三相对称悬浮绕组，转矩齿上均绕制转矩绕组，在电机定子铁芯两侧，且靠近轴向定子铁芯内侧设置有相串联的轴向悬浮绕组。
进一步，同一个转矩铁芯上的一对转矩齿的转矩绕组反向串联为一相。
进一步，电机定子铁芯、轴向定子铁芯的内径相同，且轴向定子铁芯的内侧轴向宽度与转子铁芯外侧轴向宽度相等且径向位置对齐。
进一步，隔磁铝片插入深度与电机定子铁芯轴向侧壁到轴向定子铁芯内侧壁之间的距离相等。
进一步，悬浮齿的弧度大于15°，转子齿弧度为15°，转矩齿的弧度均为15°。
进一步，电机定子铁芯、转矩铁芯、转子齿均由硅钢片叠压而成，轴向定子铁芯以及转子铁芯由整块导磁材料制成。永磁体采用稀土永磁体或铁氧体永磁体制成，三相对称悬浮绕组、转矩绕组均采用导电良好的电磁线圈绕制后浸漆烘干而成。
本发明的有益效果：
本发明提出的三自由度磁悬浮开关磁阻电机仅需一个三相逆变器与一个开关功放就能实现转子径向-轴向三自由度稳定悬浮，且悬浮控制与转矩控制无耦合，控制简单，可有效减小电机系统体积与造价、悬浮力密度大，功耗低，且轴向长度最短，临界转速高。
附图说明
图1为本发明一种新结构的圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机剖分与磁路图；
图2为本发明一种新结构的圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机俯视图；
图3为本发明一种新结构的圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机径向悬浮磁通图；
图4为本发明一种新结构的圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机X悬浮齿磁通图；
图5为本发明一种新结构的圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机Y悬浮齿磁通图；
图6为本发明一种新结构的圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机Z悬浮齿磁通图。
图中，1、定子，2、转子，3、轴向定子铁芯，4、永磁环，5、电机定子铁芯，6、隔磁铝块，7、隔磁铝片，8、轴向悬浮绕组，9、转轴，10、转子铁芯，11、静态偏置磁通，12、径向悬浮控制磁通，13、轴向悬浮控制磁通，14、径向悬浮绕组。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示的一种圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机，包括定子1和位于定子1内部的转子2；转子2包括转子铁芯10和贯穿转子铁芯10的转轴9，转子铁芯10外圆周等距间隔设置有12个转子齿，在转子齿两端均插入未贯穿转子铁芯10的隔磁铝片7。为了便于描述，12个转子齿分别为：转子齿R1～转子齿R12。
定子1包括轴向定子铁芯3、永磁环4和电机定子铁芯5，电机定子铁芯5通过永磁环4与轴向定子铁芯3的内壁相连接；电机定子铁芯5的内圆周等间隔设置有3个悬浮齿和3个转矩铁芯，为了便于描述也是为了便于在附图中标记清楚，3个悬浮齿分别记为悬浮齿A、悬浮齿B、悬浮齿C，3个转矩铁芯分别为转矩铁芯X、转矩铁芯Y、转矩铁芯Z。悬浮齿和转矩铁芯之等间隔交错设置。3个转矩铁芯X、Y和Z分别通过隔磁铝块6与电机定子铁芯5内圆周相连接。3个转矩铁芯X、Y和Z分别设有向圆心方向凸出的一对转矩齿，每个转矩铁芯上的一对转矩齿分别记为：转矩齿X1、转矩齿X2、转矩齿Y1、转矩齿Y2、转矩齿Z1、转矩齿Z2。
3个悬浮齿上均绕制三相对称悬浮绕组14，悬浮齿A、悬浮齿B、悬浮齿C上绕制的悬浮绕组分别记为：悬浮绕组WA、悬浮绕组WB、悬浮绕组WC，且悬浮绕组WA、悬浮绕组WB、悬浮绕组WC均为星形连接；每个转矩齿上均绕制转矩绕组，同一个转矩铁芯10上的一对转矩齿的转矩绕组反向串联为一相，转矩铁芯X、转矩铁芯Y、转矩铁芯Z上的转子齿绕制的转矩绕组分别记为：转矩绕组WX、转矩绕组WY、转矩绕组WZ，在电机定子铁芯5两侧，且靠近轴向定子铁芯3内侧设置有相串联的轴向悬浮绕组8。
参加附图2，两两相邻的悬浮齿之间互差120°，且悬浮齿A与+x方向对齐。
电机定子铁芯5、轴向定子铁芯3的内径相同，且轴向定子铁芯3的内侧轴向宽度与转子铁芯10外侧轴向宽度相等且径向位置对齐。隔磁铝片7插入深度与电机定子铁芯5轴向侧壁到轴向定子铁芯3内侧壁之间的距离相等。
悬浮齿A、悬浮齿B、悬浮齿C的弧度均大于15°，且转子齿R1～转子齿R12弧度均为15°，转矩齿X1、转矩齿X2、转矩齿Y1、转矩齿Y2、转矩齿Z1、转矩齿Z2的弧度均为15°。当悬浮齿A、悬浮齿B、悬浮齿C分别与转子齿R12、转子齿R4、转子齿R8轴线对齐时，转矩齿X1、转矩齿X2分别逆时针超前转子齿R1、转子齿R2的角度为10°，转矩齿Y1、转矩齿Y2分别逆时针滞后转子齿R6、转子齿R7的角度为10°，转矩齿Z1、转矩齿Z2分别与转子齿R10、转子齿R11对齐。
本实施方式中，转子铁芯10为圆柱形结构。
电机定子铁芯5、转矩铁芯、转子齿均由硅钢片叠压而成，轴向定子铁芯3以及转子铁芯10由整块导磁材料制成。永磁体4采用稀土永磁体或铁氧体永磁体制成，三相对称悬浮绕组、转矩绕组均采用导电良好的电磁线圈绕制后浸漆烘干而成。
环形永磁体4提供静态偏置磁通11，静态偏置磁通11的磁路为：磁通从环形永磁体4的N极出发，通过轴向定子铁芯3、轴向定子铁芯3与转子铁芯10之间气隙、转子铁芯10外侧、绕过隔磁铝块7、悬浮齿A、B、C下的转子齿、悬浮齿A、B、C与转子齿之间气隙、回到永磁环4的S极。
三相对称悬浮绕组WA、WB、WC通电产生的径向悬浮控制磁通12，详细参见附图1与附图3中的虚线部分，其磁路为：悬浮齿A、B、C与转子齿之间气隙、悬浮齿下的转子齿，以及电机定子铁芯5的轭部形成闭合路径。
轴向悬浮绕组8通电产生的轴向悬浮控制磁通13，其磁路为：轴向定子铁芯3、轴向定子铁芯3与转子铁芯10之间气隙、转子铁芯10形成闭合路径。
悬浮原理：径向由静态偏置磁通11与径向悬浮控制磁通12相互作用，使得与转子径向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。轴向由静态偏置磁通11与轴向悬浮控制磁通13相互作用，使得与转子轴向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，将转子拉回轴向平衡位置。
旋转原理：如图4～图6，当转子处于如图4状态下，绕组WX通电，在转矩齿X1、转矩齿X2，转矩齿X1、转矩齿X2下的气隙、转矩齿X1、转矩齿X2下的转子齿之间形成闭合回路的磁通，由于转矩齿X1、转矩齿X2逆时针超前对应的转子齿10°，闭合磁通产生磁阻力使转子逆时针旋转10°，转矩齿X1、转矩齿X2上的两个齿与转子齿对齐。而转矩齿Y1、转矩齿Y2逆时针超前转子齿10°，然后绕组WY通电，使转子继续旋转10°，使转矩齿Y1、转矩齿Y2与转子齿对齐后；绕组WZ通电，使转子继续旋转10°，形成一个通电周期，实现转子连续不断地旋转。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征特在于，包括定子(1)和位于定子(1)内部的转子(2)；转子(2)包括转子铁芯(10)和贯穿转子铁芯(10)的转轴(9)，转子铁芯(10)外圆周等距间隔设置有12个转子齿，在转子齿两端均插入未贯穿转子铁芯(10)的隔磁铝片(7)；
定子(1)包括轴向定子铁芯(3)、永磁环(4)和电机定子铁芯(5)，电机定子铁芯(5)通过永磁环(4)与轴向定子铁芯(3)的内壁相连接；电机定子铁芯(5)的内圆周等间隔设置有3个悬浮齿和3个转矩铁芯，转矩铁芯通过隔磁铝块(6)与电机定子铁芯(5)内圆周相连接，转矩铁芯设有向圆心方向凸出的一对转矩齿；悬浮齿上绕制三相对称悬浮绕组(14)，转矩齿上均绕制转矩绕组，在电机定子铁芯(5)两侧，且靠近轴向定子铁芯(3)内侧设置有相串联的轴向悬浮绕组(8)；电机定子铁芯(5)、轴向定子铁芯(3)的内径相同，且轴向定子铁芯(3)的内侧轴向宽度与转子铁芯(10)外侧轴向宽度相等且径向位置对齐；仅需一个三相逆变器与一个开关功放就能实现转子径向-轴向三自由度稳定悬浮，且悬浮控制与转矩控制无耦合。
2.根据权利要求1所述的一种圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征特在于，同一个转矩铁芯(10)上的一对转矩齿的转矩绕组反向串联为一相。
3.根据权利要求1所述的一种圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征特在于，隔磁铝片(7)插入深度与电机定子铁芯(5)轴向侧壁到轴向定子铁芯(3)内侧壁之间的距离相等。
4.根据权利要求1所述的一种圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征特在于，悬浮齿的弧度大于15°，转子齿弧度为15°，转矩齿的弧度均为15°。
5.根据权利要求1所述的一种圆柱转子三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征特在于，电机定子铁芯(5)、转矩铁芯、转子齿均由硅钢片叠压而成，轴向定子铁芯(3)以及转子铁芯(10)由整块导磁材料制成， 永磁环 (4)采用稀土永磁体或铁氧体永磁体制成，三相对称悬浮绕组、转矩绕组均采用导电良好的电磁线圈绕制后浸漆烘干而成。
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