CN116317232B - 一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机，包括定子和转子，定子上设有转矩绕组与悬浮力绕组，用于减少绕组耦合，外定子与转子间的气隙为主气隙，内气隙为辅助气隙，定子和转子采用定子永磁型电机的双凸极结构。本发明通过利用功率尺寸方程对双电枢交替极无轴承磁通反向电机进行优化设计，并总结归纳出无轴承电机设计的一般步骤，为以后的电磁分析及参数设计奠定基础；此外还借助有限元分析软件计算分析了双电枢交替极无轴承磁通反向电机的转矩和悬浮力的电磁特性，验证所设计的电机的可行性和有效性，为进一步制定相应的控制策略奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机。
背景技术
过大的噪音、机械摩擦、振动等缺陷是电机转子由轴承支承的传统电机在运行过程中不可避免会产生的。为能够在一定程度上克服上述缺点，在50年代以后气浮轴承、液浮轴承和磁悬浮轴承应运而生。然而直接将磁悬浮轴承与电机进行机械组合,该组合电机需要极大的轴向空间安置，制造成本巨大；与此同时，控制组合电机的系统十分复杂,且可靠性低。这些缺陷极大限制此型高速电机的临界转速，难以在工业生产领域大范围应用。随着永磁材料价格上涨，为了降低电机加工成本，交替极电机结构受到了国内外学者的广泛关注。
交替极结构即把永磁转子(定子)极性相同或相异的永磁体用凸极铁芯替代，该结构不仅可以节约永磁材料，提高其利用率，而且可以保证电机较高的转矩密度。得益于双电枢交替极无轴承磁通反向电机定子齿槽中的绕组是原本磁悬浮轴承中用来产生悬浮力的,使得其完美继承磁悬浮轴承与同步磁阻电机的各自优点。转矩和悬浮力是可以通过控制转矩绕组和悬浮力绕组中的电流而同时产生，因此双电枢交替极无轴承磁通反向电机及其控制系统结构能够更简单，且具有更高的临界转速和更小的体积。
双电枢交替极无轴承磁通反向电机作为定子永磁型无轴承电机的一类典型拓扑，其永磁体、悬浮绕组和转矩绕组均置于定子侧，具有良好的散热性能，尤其适合于飞轮电池磁悬浮支承系统。交替极无轴承磁通反向电机的永磁体结构与表贴式永磁电机相似，交替贴装于定子齿表面，集中式悬浮绕组和转矩绕组均绕置于定子齿上，转子仅由硅钢片构成，结构简单，可实现无刷交流运行，具备运行可靠、实现简单、调磁灵活等特征，因此,双电枢交替极无轴承磁通反向电机在航空航天、生命科学、食品化工、机床加工等领域有着无与伦比的优越性。双电枢交替极无轴承磁通反向电机是一个多变量、非线性、强耦合系统，其悬浮力与电磁转矩之间以及各悬浮力之间都存在着较强的耦合。实现悬浮力与电磁转矩之间以及各悬浮力之间的解耦控制是其能稳定运行的前提。功率尺寸方程对于设计电机前的结构参数至关重要，也是解耦的前提条件。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机，首先分析了双电枢交替极无轴承磁通反向电机拓扑结构及运行机理。然后利用功率尺寸方程对双电枢交替极无轴承磁通反向电机进行优化设计，并总结归纳出无轴承电机设计的一般步骤，为以后的电磁分析及参数设计奠定基础。最后，借助有限元分析软件计算分析了双电枢交替极无轴承磁通反向电机的转矩和悬浮力的电磁特性，验证所设计的电机的可行性和有效性，为进一步制定相应的控制策略奠定基础。
具体方案如下：
一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机，其特征在于：包括定子和转子，所述定子上设有转矩绕组与悬浮力绕组，用于减少绕组耦合，实现无刷化励磁，外定子与转子间的气隙为主气隙，匝链绝大部分永磁磁链，内气隙为辅助气隙，定子和转子采用定子永磁型电机的双凸极结构，转子既无绕组也无永磁体，加强了转子的机械一体性。其结合了交替极结构和无轴承结构的优势，不仅节省了永磁体用量，同时也进一步提升了电机的转矩。双电枢交替极无轴承磁通反向电机在传统交替极磁通反向电机的基础上，在其定子齿上附加一套额外的悬浮绕组。并且双电枢交替极无轴承磁通反向电机的永磁体用量相比于传统磁通反向电机减半，且所有永磁体极性相同，永磁体旁的铁磁极靴自动充当另一极的作用。
作为本发明的进一步改进，所述悬浮力绕组采用集中式绕组的连接方式，用于产生径向悬浮力，每相悬浮力绕组由相对位置的两个绕组线圈串联而成；所述转矩绕组的每相都有四个绕组线圈串联而成用于产生转矩。
作为本发明的进一步改进，其气隙磁场由永磁磁场和定子电枢磁场组成，本质是在交替极磁通反向电机原有一套转矩绕组的基础上多加一套悬浮力绕组而产生额外的径向悬浮力，而定转子及永磁体结构完全一样，所以该电机的功率尺寸方程参考传统的交替极磁通反向电机。
作为本发明的进一步改进，所述的功率尺寸方程的推导过程如下：
不考虑电阻条件下，电机的电磁功率为：
式(1)中：m为相数，此处m＝3，Em为相空载感应电动势幅值，Im为相电流幅值，表示内功率因数；
双电枢交替极无轴承磁通反向电机的相永磁磁链表示为两部分磁通量之和；
式(2)中：kr为相绕组系数，Bpm为气隙磁密基波幅值，Bhm为气隙磁密有效谐波幅值，Ls为电机轴向长度，Dag为气隙直径，Gr为传动比，Pr为永磁体极对数，θr为转子位置机械角度；
根据式(2)计算得相空载感应电动势幅值为：
Em＝N·kvw·Ls·Dag·(Bpm+GrBhm)·ωr (3)
由此得相电流幅值为：
式中：As为气隙电负荷，N为匝数，将式(3)和(4)带入式(1)得到电机的电磁功率尺寸方程表达式为：
本发明的有益效果在于：将普通双电枢交替极磁通反向电机与径向磁轴承悬浮技术融为一体，提出了一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机。首先分析了悬浮力和转矩机理，然后给出电机的功率尺寸方程，为结构参数奠定了基础。最后对电机转矩输出能力及径向悬浮力的影响做了分析，同时着重分析了气隙磁密，通过铜耗和转矩的关系，说明了其优秀的过载能力。
附图说明
图1为双电枢交替极无轴承磁通反向电机拓扑结构图。
图2为悬浮力绕组的连接方式图。
图3为转矩绕组的连接方式图。
图4为结构设计图。
图5为转矩对比图。
图6为径向悬浮力曲线图。
图7为双电枢交替极无轴承磁通反向电机气隙磁密曲线图。
图8为电磁转矩曲线图。
图9为铜耗-转矩曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供了一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机，包括定子和转子，定子上设有转矩绕组与悬浮力绕组，用于减少绕组耦合，实现无刷化励磁，外定子与转子间的气隙为主气隙，匝链绝大部分永磁磁链，内气隙为辅助气隙，定子和转子采用定子永磁型电机的双凸极结构，转子既无绕组也无永磁体，加强了转子的机械一体性。其结合了交替极结构和无轴承结构的优势，不仅节省了永磁体用量，同时也进一步提升了电机的转矩。双电枢交替极无轴承磁通反向电机在传统交替极磁通反向电机的基础上，在其定子齿上附加一套额外的悬浮绕组。并且双电枢交替极无轴承磁通反向电机的永磁体用量相比于传统磁通反向电机减半，且所有永磁体极性相同，永磁体旁的铁磁极靴自动充当另一极的作用。
如图2所示，悬浮力绕组采用集中式绕组的连接方式，将其分为：I1,I2,I3,I4,I5,I6，共六相，用于产生径向悬浮力，每相悬浮力绕组由相对位置的两个绕组线圈串联而成；从图3可以看出，转矩绕组的每相都有四个绕组线圈串联而成，将其分为：A，B、C，共三相，用于产生转矩。可以发现，ABC三相的连接方式是类似的，每相差120°电角度。
为了更加直观地表示出电机的基本结构参数及其定义，其各参数的详细释义在表1和图4中给出。
表1基本结构参数及其定义
在本实施例中，双电枢交替极无轴承磁通反向电机的气隙磁场由永磁磁场和定子电枢磁场组成。双电枢交替极无轴承磁通反向电机结构特殊，对其功率尺寸的分析是数学建模的基础。在双电枢交替极无轴承磁通反向电机设计中，电机的功率尺寸方程是设计过程中十分重要的理论参考依据。考虑到双电枢交替极无轴承磁通反向电机本质只是在交替极磁通反向电机原有一套转矩绕组的基础上多加一套悬浮力绕组而产生额外的径向悬浮力，而定转子及永磁体结构完全一样，所以该电机的功率尺寸方程可以参考传统的交替极磁通反向电机。
在本实施例中，双电枢交替极无轴承磁通反向电机电磁功率尺寸方程的推导过程如下：
不考虑电阻条件下，电机的电磁功率为：
式(1)中：m为相数，此处m＝3，Em为相空载感应电动势幅值，Im为相电流幅值，表示内功率因数；
双电枢交替极无轴承磁通反向电机的相永磁磁链表示为两部分磁通量之和；
式(2)中：kr为相绕组系数，Bpm为气隙磁密基波幅值，Bhm为气隙磁密有效谐波幅值，Ls为电机轴向长度，Dag为气隙直径，Gr为传动比，Pr为永磁体极对数，θr为转子位置机械角度；
根据式(2)计算得相空载感应电动势幅值为：
Em＝N·kvw·Ls·Dag·(Bpm+GrBhm)·ωr (3)
由此得相电流幅值为：
式中：As为气隙电负荷，N为匝数，将式(3)和(4)带入式(1)得到电机的电磁功率尺寸方程表达式为：
图5给出了双电枢交替极无轴承磁通反向电机转矩的图。此时，给定转矩电流为5A，悬浮力绕组电流为0A时，可以看出最大转矩达到了6NM.图中是转子对应的转矩与转子位置(电角度)关系曲线。(I0代表转矩绕组电流，I1代表悬浮力绕组电流)。
图6给出了转矩绕组电流分别均为0A和5A，悬浮力绕组电流分别为0A，5A时，双电枢交替极无轴承磁通反向电机径向悬浮力示意图，可以看出，当悬浮力电流为5A时，最大悬浮力可为32.5N。从图7电机的气隙磁密可以看出，最大气隙磁密为1.0T，符合永磁体工作范围，不会进入饱和状态。
此外，由图8电磁转矩关系可知，转矩电流提高时，转矩也在同步增加，当电枢总铜耗固定为32W时，铜耗-转矩曲线图如图9所示，随着铜耗的增大，双电枢交替极无轴承磁通反向电机产生的转矩反而更大，因此可得，双电枢交替极无轴承磁通反向电机只有在低热负荷下才更有优势。而在铜耗整个变化范围内，双电枢交替极无轴承磁通反向电机拥有更大的转矩，由此可见，双电枢交替极无轴承磁通反向电机拥有更优的过载能力。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机，其特征在于：包括定子和转子，所述定子上设有转矩绕组与悬浮力绕组，用于减少绕组耦合，外定子与转子间的气隙为主气隙，内气隙为辅助气隙，定子和转子采用定子永磁型电机的双凸极结构，转子既无绕组也无永磁体；所述悬浮力绕组采用集中式绕组的连接方式，用于产生径向悬浮力，每相悬浮力绕组由相对位置的两个绕组线圈串联而成；所述转矩绕组的每相都有四个绕组线圈串联而成，用于产生转矩；电机的气隙磁场由永磁磁场和定子电枢磁场组成，是在交替极磁通反向电机原有一套转矩绕组的基础上多加一套悬浮力绕组而产生额外的径向悬浮力，定转子及永磁体结构完全一样，该电机的功率尺寸方程参考传统的交替极磁通反向电机；
所述的功率尺寸方程的推导过程如下：
不考虑电阻条件下，电机的电磁功率为：
式(1)中：m为相数，此处m＝3，Em为相空载感应电动势幅值，Im为相电流幅值，表示内功率因数；
双电枢交替极无轴承磁通反向电机的相永磁磁链表示为两部分磁通量之和；
式(2)中：kr为相绕组系数，Bpm为气隙磁密基波幅值，Bhm为气隙磁密有效谐波幅值，Ls为电机轴向长度，Dag为气隙直径，Gr为传动比，pr为永磁体极对数，θr为转子位置机械角度；
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| GR01 | Patent grant | ||
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