CN112953045A - 一种径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机，包括外定子(1)和转子(2)，在外定子(1)的内壁上设置有主绕组极(2)且每个主绕组极(2)上设有一套主绕组(3)、转子(2)的外壁上设置有转子极(4)且转子极(4)上无绕组，转子极(4)的极宽大于主绕组极(2)的极宽；互不相接的主绕组(3)至少分为三相且有两相同时导通，其中一导通相工作在悬浮励磁区且悬浮励磁区在该导通相的主绕组(3)的最大相电感平顶区、另一导通相工作在转矩励磁区。本发明能够解决磁阻电机内的悬浮力和电磁转矩之间非线性强耦合的技术问题，能增强电机的径向负载能力和抗扰动能力，改善转子径向悬浮性能，能用于飞机和汽车的发动机系统等方面。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮电机技术领域，具体地说是一种以期实现电动/发电功能与径向悬浮功能的解耦控制并增强径向负载能力和抗径向扰动能力的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机。
背景技术
磁悬浮开关磁阻电机是通过改变开关磁阻电机原有的磁场分布，产生作用于转子上的可控的悬浮力，从而将转子悬浮于空间，可以在保留开关磁阻电机性能优点的基础上，进一步消除机械轴承带来的摩擦损耗，且无需润滑装置。它可以高速及超高速电动/发电运行，在工业、化工、生物以及军工等诸多领域均具有广阔的应用前景。
根据每个定子齿上的绕组套数，磁悬浮开关磁阻电机可以分为双绕组结构和单绕组结构两种形式。其中双绕组磁悬浮开关磁阻电机是在原普通开关磁阻电机的定子齿上增加一套悬浮力绕组，通过控制两套绕组电流来改变电机的气隙磁场分布，从而产生使转子旋转和自悬浮所需的转矩和径向悬浮力。而单绕组磁悬浮开关磁阻电机则是在不改变原来开关磁阻电机结构的基础上，通过合理控制每个定子齿上的绕组电流大小，以产生转矩和径向悬浮力。根据转子与定子的相对位置，磁悬浮开关磁阻电机可以分为传统的内转子结构和新型的外转子结构两种形式。其中外转子磁悬浮开关磁阻电机的转子安装在定子外侧。
磁悬浮开关磁阻电机是一个时变的非线性系统，转矩和悬浮力之间存在复杂的耦合关系，很难在控制策略和数学模型中实现二者的完全解耦，限制了电机性能的提高，已经成为了制约其进入工程应用的主要瓶颈。
为了实现转矩与径向力的解耦，研究人员主要从控制策略设计和电机拓扑结构优化两个方面开展了研究。在解耦控制策略方面，有基于逆系统理论的悬浮力解耦控制以及瞬时悬浮力与平均转矩的解耦控制方法。逆系统理论要以精确的数学模型为基础；而瞬时悬浮力与平均转矩的解耦控制方案内并不能实现瞬时悬浮力与瞬时转矩的解耦，转矩波动大，影响转速控制效果。
在电机拓扑结构优化方面，申请号为201310208638.X的发明专利提出了一种复合结构无轴承开关磁阻电机及其控制方法，其特征在于转子由转矩转子与悬浮力转子轴向叠加组成，径向承载力大；利用最小电感区实行悬浮控制，悬浮电流对转矩电流的影响小，相间耦合作用小。然而复合转子带负载运行时，容易增加轴向长度，增大整机体积，影响了系统的机械强度，限制了临界转速的提高，不利于发挥磁悬浮电机的高速适应性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种以期实现电动/发电功能与径向悬浮功能的解耦控制并增强径向负载能力和抗径向扰动能力的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机，该磁阻电机能够改善系统的动力特性和稳定性，以进一步发挥磁悬浮开关磁阻电机的高速适应性特性。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机，包括外定子和位于外定子内腔中的转子，其特征在于：所述外定子的圆周内壁上等间隔地设置有内凸的主绕组极且每个主绕组极上设有一套主绕组、转子的圆周外壁上等间隔地设置有外凸的转子极且转子极上无绕组，转子极的极宽大于主绕组极的极宽；互不相接的主绕组至少分为三相且有两相同时导通，其中一导通相工作在悬浮励磁区以提供径向悬浮力且悬浮励磁区在该导通相的主绕组的最大相电感平顶区、另一导通相工作在转矩励磁区以提供电磁转矩。
该磁阻电机还包括位于转子内腔中的内定子和永磁体，永磁体的两侧对称设置内定子且三者沿转子的轴向设置，在内定子的圆周外壁上等间隔地设置有外凸的辅助悬浮极，且辅助悬浮极上分别设有一套次绕组；所述次绕组提供辅助径向悬浮力所需的控制磁通、所述永磁体提供辅助径向悬浮力所需的偏置磁通，次绕组和永磁体共同作用产生辅助的径向悬浮力。
径向对称设置的辅助悬浮极上的次绕组相互串接。
所述主绕组极的极弧宽度βm和转子极的极弧宽度βr之间的关系为：βm＜βr≤2βm。
所述主绕组极的极弧宽度βm和辅助悬浮极的极弧宽度βas之间的关系为：βm≤βas≤2βm。
所述转子极与主绕组极之间的第三气隙g3与转子极与外定子的齿槽之间的第四气隙g4之间的关系为：g4＝(20～30)g3。
所述转子极与主绕组极之间的第三气隙g3的宽度小于0.25mm。
所述辅助悬浮极与转子的铁心圆形内壁之间的第一气隙g1的宽度小于0.25mm。
所述的永磁体和其两侧的内定子固定连接，且永磁体和内定子的相互位置关系在转子旋转过程中不会改变。
所述的内定子上设有四个或八个辅助悬浮极。
工作在转矩励磁区的导通相成为转矩励磁相，该转矩励磁相的选择与该电机的运行模式相匹配，若运行于电动模式则选取电感上升相作为转矩励磁相，若运行于发电模式则选取电感下降相作为转矩励磁相。
本发明相比现有技术有如下优点：
(1)、结构清晰且功能明确，外定子上的主绕组实现电动/发电与转子径向悬浮功能，内定子上的次绕组实现转子的辅助径向悬浮功能，结构清晰、功能明确、维护和控制方便。
(2)、径向负载和抗扰动能力增强，主绕组和次绕组都能独立地为转子提供径向悬浮力，二者之间没有耦合影响；转子极的极宽大于主绕组极的极宽，使得转子旋转过程中，始终有一相的主绕组极与转子极的对齐面积保持等于主绕组极的极宽，该主绕组极上主绕组的电感也相应保持在相电感最大的平顶区，不随转子位置角的改变而变化，选择该相主绕组作为悬浮励磁相；辅助悬浮极与转子铁心的圆形内壁之间的对齐面积保持等于辅助悬浮极的极宽，辅助悬浮极上次绕组的电感也不受转子位置角影响。
(3)、有效削弱电磁转矩和径向悬浮力的耦合并减少了控制器设计的难度，主绕组励磁相的电感变化率会影响电磁转矩的大小，通常主绕组励磁相的电感变化率越大，产生的电磁转矩也越大，本发明中的主绕组采用双相导通控制策略，悬浮励磁区对应的相电感保持在最大平顶区，关于转子位置角的变化率近似为零，故悬浮励磁区的主绕组在励磁后不会产生电磁转矩；又因为转子铁心上没有绕组，与外定子铁心共同为主绕组电流提供磁通路径，也与内定子铁心共同为磁绕组电流提供磁通路径，次绕组与主绕组的磁通路径互不交链，因此能从结构上有效削弱辅助悬浮力与电磁转矩之间的耦合。
(4)、降低悬浮电流跟踪及斩波控制的难度，绕组的运动电动势正比于绕组电感关于转子位置角的变化率，在转子旋转过程中，辅助悬浮极与转子铁心的圆形内壁之间的对齐面积保持等于辅助悬浮极的极宽，使辅助悬浮极上的次绕组的电感关于转子位置角的变化率近似为零，因此次绕组的运动电动势近似为零；悬浮励磁区主绕组的电感关于转子位置角的变化率也近似为零，因此悬浮励磁区主绕组的运动电动势也近似为零；在高速运行时，能够降低磁悬浮开关磁阻电机的悬浮电流跟踪及斩波控制的难度。
附图说明
附图1为本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的结构示意图；
其中：1—外定子；2—主绕组极；3—主绕组；4—转子极；5—转子；6—内定子；7—辅助悬浮极；8—次绕组；9—永磁体。
附图2是本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的主绕组分布示意图；
其中：主绕组极A1、A2、A3、A4上的四极主绕组构成A相主绕组，A相主绕组互不串接，电流分别记作iA1、iA2、iA3、iA4；主绕组极B1、B2、B3、B4上的四极主绕组构成B相主绕组，B相主绕组互不串接，电流分别记作iB1、iB2、iB3、iB4；主绕组极C1、C2、C3、C4上的四极主绕组构成C相主绕组，C相主绕组互不串接，电流分别记作iC1、iC2、iC3、iC4。
附图3是本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的次绕组分布示意图；
其中：内定子分成左右两个部分，左内定子上的辅助悬浮极D1、D2上的次绕组互相串接，电流计作iLFx；右内定子上的辅助悬浮极F1、F2上的次绕组互相串接，电流计作iRFx；左内定子上的辅助悬浮极E1、E2上的次绕组互相串接，电流计作iLFy；右内定子上的辅助悬浮极G1、G2上的次绕组互相串接，电流计作iRFy；iLFx和iRFx一起提供x轴方向辅助悬浮力的控制磁通、iLFy和iRFy一起提供y轴方向辅助悬浮力的控制磁通；D1、D2、F1、F2位于x轴方向；E1、E2、G1、G2位于y轴方向。
附图4是本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的A相主绕组相电感关于转子位置角的变化曲线示意图；
附图5是本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的主绕组磁通路径示意图；
其中：φAT是A相主绕组产生的一个四极磁通。
附图6是本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的左内定子上的次绕组磁通路径示意图；
其中：φLFy是iLFy提供的y轴方向辅助悬浮力的控制磁通。
附图7是本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的永磁体磁通路径示意图；
其中：φpM是永磁体提供产生辅助悬浮力所需的偏置磁通；φLFy是iLFy提供的y轴方向辅助悬浮力的控制磁通；φRFy是iRFy提供y轴方向辅助悬浮力的控制磁通(图中仅标出了沿y轴方向的辅助悬浮力控制磁通，略去了沿x轴方向的辅助悬浮力控制磁通)。
附图8是本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的主绕组双相导通控制运行区间示意图。
附图9是本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的主绕组相电感的有限元仿真结果；
其中：LA是A相主绕组的自感，LB是B相主绕组的自感，LC是C相主绕组的自感，横轴为转子位置角。
附图10是本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的永磁体产生的磁场密度分布图，由三维有限元仿真得到结果。
附图11是本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的内定子上x轴方向次绕组电流产生的磁场密度分布图，由三维有限元仿真得到结果。
附图12是本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的外定子上A相主绕组对称励磁电流产生的磁场密度分布图，由三维有限元仿真得到结果。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
本发明提供的一种径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的结构如图1所示，该电机的定子、转子5均采用凸极结构，共包含一个转子5和内定子6、外定子1两个定子，三者以同心地方式嵌套在一起。本发明的内定子可以采用4极结构或者8极结构；外定子1和转子5的凸极极数设置规则与常规开关磁阻电机一样，可以采用三相6/2极、三相6/4极、三相12/8极、三相12/10极、四相8/6极、四相8/10极等多种结构，要使得该电机具备正、反向自启动能力，本发明要求至少是三相。
以三相12/8/4的三凸极结构为例，外定子1上等间隔地设置有12个主绕组极2，每个主绕组极2上分别设有一套主绕组3；转子5上等间隔地设置有8个转子极4，且转子极4的极宽大于主绕组极2的极宽。参见图2的是主绕组分布示意图和图3的次绕组分布示意图。在12个主绕组极2上分别绕有主绕组3，4个辅助悬浮极7上也分别绕有次绕组8；主绕组3互不串接，径向相对垂直四极上的主绕组3为一相，共分为三相；B、C相分别位于距A相旋转方向的1/3和2/3位置；径向相对的两极次绕组3相互串接。
该电机内实际起作用的四个气隙为：内定子6的辅助悬浮极7与转子5的铁心圆形内壁之间的第一气隙，记作g1；内定子6的齿槽与转子5的铁心圆形内壁之间的第二气隙，记作g2；转子5的转子极4与外定子1的主绕组极2之间的第三气隙，记作g3；转子5的转子极4与外定子1的齿槽之间的第四气隙，记作g4；g1<g2，g3<g4。g1影响次绕组8电感的最大值、g2影响次绕组8电感的最小值，g3影响主绕组3电感的最大值、g4影响主绕组3电感的最小值。为了取得较大的电磁转矩和径向悬浮力，要求第一气隙g1和第三气隙g3尽可能小；但受装配工艺、加工工艺的约束，气隙也不能太小，因此要求小型磁悬浮开关磁阻电机的第一气隙g1和第三气隙g3一般不应小于0.25mm。为了提高电机的输出功率，要求主绕组3电感的最小值尽量小，因此需要尽量增大第四气隙g4，但第四气隙g4过大会导致转子轴径不够或者转子轭高不够，故取g4＝(20～30)g3。
主绕组极2的极弧宽度βm和转子极4的极弧宽度βr对该电机的性能影响很大。为了获得较好的转矩特性和悬浮力特性，要求βm＜βr≤2βm；当βr比βm越宽，主绕组3的悬浮励磁区间越大而转矩励磁区间越小。
内定子6的铁心沿转轴方向分开为相同的左右两个部分，并在中心位置嵌放一个沿轴向方向磁化的永磁体9，所述内定子6的铁心和永磁体9的左右两个部分是固定连接的结构，在转子5旋转过程中相互之间的位置关系不会改变；该永磁体9两侧的左右内定子6的铁心上均等间隔地设置4个辅助悬浮极7，每个辅助悬浮极7上各设置一套次绕组8。辅助悬浮极7的极弧宽度βas越大，次绕组8的电感越大，辅助悬浮力也越大，但是径向两自由度的辅助悬浮力之间的耦合影响会越大，因此选取βm≤βas≤2βm。
在该径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机中，径向相对的四极主绕组3构成同一相，十二极主绕组3共分为A、B、C三相。主绕组3采用双相导通模式，同时提供电磁转矩与径向悬浮力，其中一导通相工作在悬浮励磁区、另一导通相工作在转矩励磁区。对每一相主绕组3而言，以相电感最大的平顶区作为该相的悬浮励磁区，通过不对称励磁后产生径向悬浮力；以相电感变化区作为该相的转矩励磁区，通过对称励磁后产生电磁转矩，实现电机电动或发电运行。在转子5受到严重的径向扰动时，次绕组8与永磁体9共同为转子5的径向悬浮提供辅助悬浮力，从而提高电机的径向抗扰动性能，其中永磁体9提供恒定的辅助悬浮力偏置磁场、次绕组8提供产生辅助悬浮力所需的控制磁场。
参见图4的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的A相主绕组的相电感关于转子位置角的变化曲线示意图，一个相电感周期为45°。定义转子极4的中心与A相主绕组极2的中心重合处为转子位置角θ的零度，转速以顺时针方向为正。参见图8的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的主绕组双相导运行区间示意图，在电机运行过程中，以相电感最大的平顶区作为该相的悬浮励磁区，通过不对称励磁后产生径向悬浮力；以相电感变化区作为该相的转矩励磁区，通过对称励磁后产生电磁转矩，实现电机电动或发电运行。悬浮励磁区负责径向悬浮功能。以A相主绕组为例，iA1和iA2分别为位于x、y轴正方向的悬浮力绕组电流，iA3和iA4分别为x、y轴负方向的悬浮绕组电流。在A相绕组电感最大的平顶区通过iA1、iA2、iA3和ia4的不对称励磁，产生转子悬浮所需的径向力。具体地，iA1导通时产生沿x轴正方向的悬浮力，iA3导通时产生沿x轴负方向的悬浮力；iA2导通时，产生沿y轴正方向的悬浮力，iA4导通时产生沿y轴负方向的悬浮力；通过控制x轴方向和y轴方向的悬浮力，即可合成任意方向的悬浮力，从而实现电机转子径向悬浮。同理，在B相绕组电感最大的平顶区和C相绕组电感最大的平顶区，也可以通过不对称励磁产生转子悬浮所需的径向力。
定义转子极4的中心与A相主绕组极2的中心线重合处为转子位置角θ的零度，转速以顺时针方向为正。主绕组3的导通规则见表1，在-22.5°≤θ<-7.5°区间，B相主绕组3的自感最大，故选择B相作为悬浮励磁相；在-7.5°≤θ<7.5°区间，A相主绕组3的自感最大，故选择以A相作为悬浮励磁相；在7.5°≤θ<22.5°区间，C相主绕组3的自感最大，故选择以C相作为悬浮励磁相。
表1：主绕组励磁区间选择规则
转矩励磁相的选择要与该电机的运行模式相匹配，若运行于电动模式则选取电感上升相作为转矩励磁相，若运行于发电模式则选取电感下降相作为转矩励磁相。具体的，在-22.5°≤θ<-7.5°区间，A相主绕组3的自感逐渐增加而C相主绕组3的自感逐渐减小，故当电机作为电动机运行时，选择A相作为转矩励磁相，由A相主绕组3的电流提供正的电磁转矩；当电机作为发电机运行时，选择C相作为转矩励磁相，由C相主绕组3的电流提供负的电磁转矩，向外输出电能。同理，在-7.5°≤θ<7.5°区间，C相主绕组3的自感逐渐增加而B相主绕组3的自感逐渐减小，故当电机作为电动机运行时，选择C相作为转矩励磁相，由C相主绕组3的电流提供正的电磁转矩；当电机作为发电机运行时，选择B相作为转矩励磁相，由B相主绕组3的电流提供负的电磁转矩，向外输出电能。在7.5°≤θ<22.5°区间，B相主绕组3的自感逐渐增加而A相主绕组3的自感逐渐减小，故当电机作为电动机运行时，选择B相作为转矩励磁相，由B相主绕组3的电流提供正的电磁转矩；当电机作为发电机运行时，选择A相作为转矩励磁相，由A相主绕组3的电流提供负的电磁转矩，向外输出电能。
在径向悬浮力的控制策略方面：为了表述方便，记位于悬浮励磁区的主绕组3所通过的电流为imF，用于产生径向悬浮力；记位于转矩励磁区的主绕组3所通过的电流为imT，用于产生电磁转矩。
参见图5、6、7所示的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的主绕组、次绕组和永磁体的磁路分布示意图，其中图5是主绕组磁通路径示意图、图6是次绕组磁通路径示意图、图7是永磁体磁通路径示意图。A相主绕组产生一个四极磁通φAT，经过外定子1的铁心、第三气隙g3、转子5的铁心构成完整的磁通路径；y轴方向次绕组8产生一个二极磁通，经过内定子6的铁心、第一气隙g1、转子5的铁心构成完整的磁通路径；主绕组3和次绕组8的磁通路径之间互相独立，解决了传统磁悬浮开关磁阻电机中主、副绕组的强耦合问题。永磁体9的磁通经轴向磁路后，分别经过内定子6的铁心、第一气隙g1、转子5的铁心构成完整的磁通路径；永磁体9提供产生辅助悬浮力所需的偏置磁通φpM；iLFx提供x轴方向辅助悬浮力的控制磁通φLFx；iRFx提供x轴方向辅助悬浮力的控制磁通φRFx；iLFy提供y轴方向辅助悬浮力的控制磁通φLFy；iRFy提供y轴方向辅助悬浮力的控制磁通φRFy。偏置磁通φpM和控制磁通φLFx、φRFx共同作用，产生沿x轴方向的可控的辅助悬浮力；偏置磁通φpM和控制磁通φLFx、φRFx共同作用，产生沿y轴方向的可控的辅助悬浮力。(图中仅标出了沿y轴方向的辅助悬浮力控制磁通，未画出沿x轴方向的辅助悬浮力控制磁通。)
参见图10的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机内永磁体产生的磁场密度分布图，由三维有限元仿真得到结果。能够看出永磁体9的磁通经轴向磁路后，分别经过内定子6的铁心、第一气隙g1、转子5的铁心构成完整的磁通路径。永磁体9附近的磁场密度最大，左右两个内定子6的四个辅助悬浮极7上的磁场密度对称分布。
参见图11的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的永磁体和内定子上的x轴方向次绕组电流以共同产生的磁场密度分布图，由三维有限元仿真得到结果。能够看出，在图10的基础上，x轴负方向的第一气隙g1处的磁场密度增强，而x轴正方向的第一气隙g1处的磁场密度减弱，气隙磁密差会生成沿x轴方向的辅助悬浮力。
参见图12的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机的永磁体和外定子上的A相主绕组对称励磁电流共同产生的磁场密度分布图，由三维有限元仿真得到结果。能够看出在图10的基础上，A相各极主绕组对应的第三气隙g3处的磁场密度对称。在产生电磁转矩的同时，并不会产生悬浮力。
本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机使用时，参见图9的主绕组相电感的有限元仿真结果，其中LA是A相主绕组的自感，LB是B相主绕组的自感，LC是C相主绕组的自感，横轴为转子位置角。能够看出在电机旋转过程中，每一相主绕组3的电感均存在最大值平顶区、上升区和下降区，三相主绕组3的电感按周期性规律变化。
具体的径向悬浮力分配控制策略如下：当在转子5受到严重的径向扰动时，需要瞬时提供足够大的主动径向悬浮力才能即使调整转子5快速恢复到径向中心的位置。
以x方向悬浮力为例，定义转子5期望获得的径向悬浮力为
期望由位于悬浮励磁区的主绕组3提供的悬浮力记作
期望由次绕组8和永磁体9共同提供的辅助悬浮力记作
F1是在电机初始设计时确定好的一个临界值，由电机的结构参数和绕组参数共同决定。
当
时，所需x方向悬浮力
全部由位于悬浮励磁区的主绕组3提供：
当
时，所需x方向悬浮力
由位于悬浮励磁区的主绕组3和次绕组8及永磁体9共同提供：
同理，对于y方向悬浮力，定义转子5期望获得的径向悬浮力为
期望由位于悬浮励磁区的主绕组3提供的悬浮力记作
期望由次绕组8和永磁体9共同提供的辅助悬浮力记作
当
时，所需y方向悬浮力
全部由位于悬浮励磁区的主绕组3提供：
当
时，所需y方向悬浮力
由位于悬浮励磁区的主绕组3和次绕组8及永磁体9共同提供：
当电机结构参数和绕组参数确定好后，主绕组3能提供的悬浮力Fmx、Fmy仅与转子位置角θ和悬浮励磁电流imF有关。当主绕组3提供的悬浮力Fmx、Fmy均小于临界值F1时，才可以获得较满意的Fmx-imF、Fmy-imF曲线，即imF能够较好地为提供悬浮力而出力。否则，因为磁饱和效应的影响，会降低悬浮力效率，影响经济性。
通常绕组电感越大，提供的径向悬浮力会越大。而传统磁悬浮开关磁阻电机中，当定子齿槽与转子凸极对齐时，绕组电感为最小值，不能有效产生径向悬浮力，影响电机径向悬浮力的连续性和可靠性。而本发明中的转子5的宽齿结构能够在转子旋转过程中，始终有一相的主绕组3的电感保持为最大值，故能消除传统磁悬浮开关磁阻电机中，当定、转子临界对齐时不能有效产生悬浮力的问题，改善径向悬浮性能。
本发明的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机由一个外定子1、一个转子5和一个内定子6组成三凸极结构，三者由外向内以同心地方式嵌套在一起。通过增大转子极5的极宽，使转子极5的极宽大于主绕组极2的极宽，构造出主绕组3相最大电感的平顶区，实现主绕组3电磁转矩和径向悬浮力的解耦；内定子6的辅助悬浮极7上绕有次绕组8，与永磁体9共同作用提供辅助的径向悬浮力。主绕组3和次绕组8的磁通路径之间互相独立，自然解耦；主绕组3提供的径向悬浮力不受在转子位置角影响；次绕组8能够在电机受到径向扰动冲击时提供有效的辅助径向悬浮力，有利于改善提高转子5的径向悬浮性能。解决了电机高速运行时机械磨损严重的问题，并且克服了电动/发电功能与转子径向悬浮功能之间的耦合问题，增大了控制的灵活性，为优化电机性能创造了条件，在飞机和汽车的发动机系统等方面具有独特的应用价值。
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；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机，包括外定子(1)和位于外定子(1)内腔中的转子(2)，其特征在于：所述外定子(1)的圆周内壁上等间隔地设置有内凸的主绕组极(2)且每个主绕组极(2)上设有一套主绕组(3)、转子(2)的圆周外壁上等间隔地设置有外凸的转子极(4)且转子极(4)上无绕组，转子极(4)的极宽大于主绕组极(2)的极宽；互不相接的主绕组(3)至少分为三相且有两相同时导通，其中一导通相工作在悬浮励磁区以提供径向悬浮力且悬浮励磁区在该导通相的主绕组(3)的最大相电感平顶区、另一导通相工作在转矩励磁区以提供电磁转矩。
2.根据权利要求1所述的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：该磁阻电机还包括位于转子(2)内腔中的内定子(6)和永磁体(9)，永磁体(9)的两侧对称设置内定子(6)且三者沿转子(2)的轴向设置，在内定子(6)的圆周外壁上等间隔地设置有外凸的辅助悬浮极(7)，且辅助悬浮极(7)上分别设有一套次绕组(8)；所述次绕组(8)提供辅助径向悬浮力所需的控制磁通、所述永磁体(9)提供辅助径向悬浮力所需的偏置磁通，次绕组(8)和永磁体(9)共同作用产生辅助的径向悬浮力。
3.根据权利要求2所述的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：径向对称设置的辅助悬浮极(7)上的次绕组(8)相互串接。
4.根据权利要求1-3任一所述的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：所述主绕组极(2)的极弧宽度βm和转子极(4)的极弧宽度βr之间的关系为：βm＜βr≤2βm。
5.根据权利要求2或3所述的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：所述主绕组极(2)的极弧宽度βm和辅助悬浮极(7)的极弧宽度βas之间的关系为：βm≤βas≤2βm。
6.根据权利要求1所述的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：所述转子极(4)与主绕组极(2)之间的第三气隙g3与转子极(4)与外定子(1)的齿槽之间的第四气隙g4之间的关系为：g4＝(20～30)g3。
7.根据权利要求6所述的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：所述转子极(4)与主绕组极(2)之间的第三气隙g3的宽度小于0.25mm。
8.根据权利要求2所述的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：所述辅助悬浮极(7)与转子(5)的铁心圆形内壁之间的第一气隙g1的宽度小于0.25mm。
9.根据权利要求2所述的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：所述的永磁体(9)和其两侧的内定子(6)固定连接，且永磁体(9)和内定子(6)的相互位置关系在转子(5)旋转过程中不会改变。
10.根据权利要求1所述的径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：工作在转矩励磁区的导通相成为转矩励磁相，该转矩励磁相的选择与该电机的运行模式相匹配，若运行于电动模式则选取电感上升相作为转矩励磁相，若运行于发电模式则选取电感下降相作为转矩励磁相。
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| CN202110177657.5A CN112953045A (zh) | 2021-02-07 | 2021-02-07 | 一种径向强抗扰磁悬浮开关磁阻电机 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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