CN112713814B - 一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，由两个结构完全相同，独立控制的12/14锥形单元组成。本发明通过两个12/14锥形单元同轴连接，实现转子五自由度的悬浮和旋转驱动。两个12/14锥形单元之间安装有环形永磁体，该环形永磁体与12/14锥形单元中的定子轭紧密连接，该环形永磁体轴向充磁，产生电机转子悬浮所需的偏置磁通，降低了损耗且系统结构紧凑，提高了功率密度。本发明解决了磁悬浮开关磁阻电机转矩绕组和悬浮力绕组之间的耦合问题，在电机本体上实现了转矩和悬浮力的解耦控制，同时悬浮力不受转子位置角影响的特性有利于磁悬浮开关磁阻电机转子高速稳定悬浮，在透平机械中有着重要的应用前景。

Description

一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机
技术领域
本发明涉及一种五自由度混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，可作为高速、高效率电机，特别适合用于透平机械。
背景技术
传统电机中一般都使用机械轴承来支承转轴，但经济社会的发展对电机的转速提出越来越高的要求，机械轴承易磨损、需定期维护等缺点严重限制电机转速进一步提高，还因为增大摩擦阻力产生大量的热，降低电机运行效率。为避免这些问题，采用悬浮技术替代机械轴承称为最好解决方案。气浮轴承、液浮轴承需要额外配备加压设备，增大了设备体积。而磁悬浮电机集传统电机和磁轴承悬浮功能于一体，无需增加设备，以同时产生驱动负载的电磁转矩和支承转子的悬浮力为目标，成为高速电机研究领域的新热点。为此，本专利提出一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机系统，实现了悬浮系统和驱动电机一体化，减小了支承损耗，大大提高了电机的转速上限，在高速透平机械领域具有重大的研究与应用价值。
发明内容
本发明提出一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，由两个12/14锥形单元、环形永磁体、转轴组成。两个12/14锥形单元通过转轴、环形永磁体连成一个整体，实现了悬浮系统与驱动电机一体化。环形永磁体便于加工，节约了成本，为转子悬浮提供偏置磁通，省去了偏置线圈，使系统结构紧凑，功率密度提高。
本发明的技术方案为：一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，由12/14锥形单元1(1)、12/14锥形单元2(2)、环形永磁体(3)和转轴(4)组成；所述12/14锥形单元1(1)、12/14锥形单元2(2)之间设有环形永磁体(3)，且同轴布置在转轴(4)上；所述12/14锥形单元1(1)包括四个间隔90°均匀分布的锥形悬浮极(101)，四个间隔90°的转矩极(104)，锥形悬浮极(101)和转矩极(104)沿圆周交错设置；悬浮极(101)上绕有悬浮绕组(102)，转矩极(104)截面为П形状，共绕有八个转矩绕组(105)，两两悬浮极(101)之间的凹槽内表贴有隔磁板(103)，共有四个间隔90°均匀分布的隔磁板(103)，12/14锥形单元1(1)的转子(106)径向截面为凸极齿结构；所述12/14锥形单元2(2)包括四个间隔90°均匀分布的锥形悬浮极(201)，四个间隔90°的转矩极(204)，锥形悬浮极(201)和转矩极(204)沿圆周交错设置；悬浮极(201)上绕有悬浮绕组(202)，转矩极(204)截面为П形状，共绕有八个转矩绕组(205)，两两悬浮极(201)之间的凹槽内表贴有隔磁板(203)，共有四个间隔90°均匀分布的隔磁板(203)，12/14锥形单元2(2)的转子(206)径向截面为凸极齿结构；12/14锥形单元1(1)的悬浮极(101)和转子(106)之间、12/14锥形单元2(2)的悬浮极(201)和转子(206)之间既可以产生轴向悬浮力又可以产生径向悬浮力，实现了转子五自由度悬浮。
进一步，12/14锥形单元1(1)中，转子(106)呈锥形、悬浮极(101)呈直角梯形。
进一步，12/14锥形单元2(2)的锥形转子(206)呈锥形、斜梯形的悬浮极(201)呈直角梯形。
与现有技术相比本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
(1)结构紧凑、功率密度高
该电机因其自身结构的特性能够产生转子径向以及轴向的悬浮力，省去了磁悬浮轴承，缩短了电机的轴向长度，提高了电机的效率和功率密度。
(2)同时实现五自由度悬浮
利用两个12/14锥形单元同轴连接实现五自由度悬浮控制，偏置磁场由环形永磁体提供，降低电磁功耗，磁悬浮开关磁阻电机转矩部分采用短磁路结构，降低了系统漏磁，提高电机系统运行效率。
(3)控制简单，运行可靠
五自由度磁悬浮支承与传动系统中的磁悬浮开关磁阻电机采用转矩/悬浮自解耦结构，降低了控制难度，提高了系统运行的稳定性与可靠性。
附图说明
图1所示为一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机定转子剖分图。
图2所示为一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的12/14锥形单元1示意图。
图3所示为一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的12/14锥形单元2示意图。图4一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机系统的12/14锥形单元1、2的工作原理图。(a)为锥形单元1；(b)为锥形单元2；
图5一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机系统的12/14磁悬浮开关磁阻电机转子产生轴向力的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机系统轴向剖分图，包括12/14锥形单元1、12/14锥形单元2、环形永磁体3、转轴4。12/14锥形单元1、12/14锥形单元2通过环形永磁体3紧密连接，实现了悬浮系统与驱动电机一体化。环形永磁体3采用轴向充磁，既为12/14锥形单元1提供了产生悬浮力所需的偏置磁场又为12/14锥形单元2提供了产生悬浮力所需的偏置磁场。
如图2、3所示，所述五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机系统由两个12/14锥形单元、环形永磁体、转轴组成。两个12/14锥形单元的定子轭通过永磁体紧密连接，锥形转子通过转轴连接，实现了悬浮系统与驱动电机一体化。
所述五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机的12/14锥形单元：采用转矩/悬浮自解耦结构，提高了系统运行的稳定性与可靠性，磁悬浮开关磁阻电机转矩部分采用短磁路结构，降低了系统漏磁。两个12/14锥形单元各由四个隔磁板、四个电机悬浮极、四个电机悬浮绕组、四个电机转矩极、八个转矩绕组、一个锥形转子构成。其中，电机定子轭外部与电机侧导磁板相连，电机定子轭内部与四个电机悬浮极相连，每个电机悬浮极上叠绕一个电机悬浮绕组，绕组均由直流电控制；相邻两个电机悬浮极之间安装一个隔磁板，隔磁板外侧与电机定子轭相连，共有四个隔磁板；每个隔磁板内侧安装一个电机转矩极，每个电机转矩极上有两个齿，每个齿上叠绕转矩绕组；电机转矩极、电机悬浮极和电机转子之间留有等间隙的径向气隙；电机转子上共有十四个等间距分布的齿，电机转子嵌套在转轴上。四个电机悬浮极，相隔90°等间距分布。
12/14锥形单元1包括：间隔90°均匀分布的四个悬浮极P1、P2、P3、P4、间隔90°均匀分布的四个转矩极A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4。12/14锥形单元2包括：间隔90°均匀分布的四个悬浮极P5、P6、P7、P8、间隔90°均匀分布的四个转矩极A5、A6、A7、A8、B5、B6、B7、B8、间隔90°均匀分布的隔磁板。
如图4所示，12/14锥形单元1的绕组分为A、B两相，A相包括A1、A2、A3、A4，控制电流为iA，B相包括B1、B2、B3、B4，控制电流为iB；12/14锥形单元2绕组的分为A、B两相，A相包括A5、A6、A7、A8，控制电流为iA，B相包括B5、B6、B7、B8，控制电流为iB。控制电流iA、iB独立控制，具有单绕组结构，系统容错能力强。
如图4所示，12/14锥形单元1的悬浮极包括P1、P2、P3、P4，控制电流分别为i1、i2、i3、i4；12/14锥形单元2的悬浮极包括P5、P6、P7、P8，控制电流分别为i5、i6、i7、i8。悬浮极P1、P2上的绕组产生x1方向上的悬浮磁通，悬浮极P3、P4上的绕组产生y1方向上的悬浮磁通。12/14极BSRM2的悬浮极P5、P6上的绕组产生x2方向上的悬浮磁通，P7、P8上的绕组产生y2方向上的悬浮磁通。
如图5所示，P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8对转子施加的电磁力F可分解为径向力FRD和轴向力Fz，可控轴向力Fz的存在使得转子能够实现五自由度悬浮。
综上，本发明提出一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，由两个结构完全相同，独立控制的12/14锥形单元组成。本发明通过两个12/14锥形单元同轴连接，实现转子五自由度的悬浮和旋转驱动。两个12/14锥形单元之间安装有环形永磁体，该环形永磁体与12/14锥形单元中的定子轭紧密连接，该环形永磁体轴向充磁，产生电机转子悬浮所需的偏置磁通，降低了损耗且系统结构紧凑，提高了功率密度。本发明解决了磁悬浮开关磁阻电机转矩绕组和悬浮力绕组之间的耦合问题，在电机本体上实现了转矩和悬浮力的解耦控制，同时悬浮力不受转子位置角影响的特性有利于磁悬浮开关磁阻电机转子高速稳定悬浮，在透平机械中有着重要的应用前景。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，由12/14锥形单元1(1)、12/14锥形单元2(2)、环形永磁体(3)和转轴(4)组成；所述12/14锥形单元1(1)、12/14锥形单元2(2)之间设有环形永磁体(3)，且同轴布置在转轴(4)上；
所述12/14锥形单元1(1)包括四个间隔90°均匀分布的锥形第一悬浮极(101)，四个间隔90°的第一转矩极(104)，锥形第一悬浮极(101)和第一转矩极(104)沿圆周交错设置；第一悬浮极(101)上绕有第一悬浮绕组(102)，第一转矩极(104)截面为П形状，共绕有八个第一转矩绕组(105)，两两第一悬浮极(101)之间的凹槽内表贴有第一隔磁板(103)，共有四个间隔90°均匀分布的第一隔磁板(103)，12/14锥形单元1(1)的第一转子(106)径向截面为凸极齿结构；
所述12/14锥形单元2(2)包括四个间隔90°均匀分布的锥形第二悬浮极(201)，四个间隔90°的第二转矩极(204)，锥形第二悬浮极(201)和第二转矩极(204)沿圆周交错设置；第二悬浮极(201)上绕有第二悬浮绕组(202)，第二转矩极(204)截面为П形状，共绕有八个第二转矩绕组(205)，两两第二悬浮极(201)之间的凹槽内表贴有第二隔磁板(203)，共有四个间隔90°均匀分布的第二隔磁板(203)，12/14锥形单元2(2)的第二转子(206)径向截面为凸极齿结构；
12/14锥形单元1(1)的第一悬浮极(101)和第一转子(106)之间、12/14锥形单元2(2)的第二悬浮极(201)和第二转子(206)之间既可以产生轴向悬浮力又可以产生径向悬浮力，实现了转子五自由度悬浮；
12/14锥形单元1(1)包括：间隔90°均匀分布的四个第一悬浮极(101)P1、P2、P3、P4、间隔90°均匀分布的四个第一转矩极(104)A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4，12/14锥形单元2(2)包括：间隔90°均匀分布的四个第二悬浮极(201)P5、P6、P7、P8、间隔90°均匀分布的四个第二转矩极(204)A5、A6、A7、A8、B5、B6、B7、B8；
12/14锥形单元1(1)的绕组分为A、B两相，A相包括A1、A2、A3、A4，控制电流为iA，B相包括B1、B2、B3、B4，控制电流为iB；12/14锥形单元2(2)绕组的分为A、B两相，A相包括A5、A6、A7、A8，控制电流为iA，B相包括B5、B6、B7、B8，控制电流为iB，控制电流iA、iB独立控制，具有单绕组结构，系统容错能力强；
12/14锥形单元1(1)的第一悬浮极(101)包括P1、P2、P3、P4，控制电流分别为i1、i2、i3、i4；12/14锥形单元2(2)的第二悬浮极(201)包括P5、P6、P7、P8，控制电流分别为i5、i6、i7、i8，第一悬浮极(101)P1、P2上的绕组产生x1方向上的悬浮磁通，第一悬浮极(101)P3、P4上的绕组产生y1方向上的悬浮磁通，12/14极BSRM2的第二悬浮极(201)P5、P6上的绕组产生x2方向上的悬浮磁通，第二悬浮极(201)P7、P8上的绕组产生y2方向上的悬浮磁通；
P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8对转子施加的电磁力F可分解为径向力FRD和轴向力Fz，可控轴向力Fz的存在使得转子能够实现五自由度悬浮。
2.如权利要求1所述一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征是：12/14锥形单元1(1)中，第一转子(106)呈锥形、第一悬浮极(101)呈直角梯形。
3.如权利要求1所述一种五自由度锥形混合励磁磁悬浮开关磁阻电机，其特征是：12/14锥形单元2(2)的锥形第二转子(206)呈锥形、斜梯形的第二悬浮极(201)呈直角梯形。
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