CN117477815B - 一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机 - Google Patents

一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，包括柱形定子、锥形定子、柱形转子组件、锥形转子、转矩绕组和悬浮绕组，柱形定子与锥形定子轴向叠加为复合定子，柱形转子组件与锥形转子轴向叠加为复合转子，复合转子同轴设置在复合定子的内侧，锥形定子的悬浮力极中部内嵌有永磁体，悬浮力极上位于永磁体两侧设有开槽。本发明采用上述一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，解决了传统无轴承开关磁阻电机无法独立实现转子五自由度悬浮的问题，提高了电机的转矩和输出功率密度，同时通过在悬浮力极内嵌放永磁体来产生偏置磁场，提升了电机的电流刚度、减小了悬浮绕组损耗、降低了悬浮控制难度。

Description

一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机。
背景技术
开关磁阻电机转子既无永磁体，也无绕组，结构简单坚固，机械强度大，能承受巨大的离心力，非常适合应用于高速、超高速驱动领域。然而，传统的开关磁阻电机转轴由机械轴承支承，当电机高速运行时，机械轴承存在摩擦、发热、腐蚀等一系列问题，导致其使用寿命短，必须定期对其进行维护保养。为解决这一问题，可采用磁轴承。磁轴承具有无接触、无磨损、高速度、长寿命和易于实现主动控制等一系列优良特性，已被广泛应用于高速电机领域。然而，磁轴承在电机中仅起到悬浮支承作用，不产生任何转矩，而且它的存在增加了电机轴向长度，致使转子临界转速降低，从而导致电机的输出功率密度难以进一步提高。
为解决上述问题，学者们提出了无轴承技术，即在电机定子齿上额外增加一套悬浮绕组来控制转子的悬浮。无轴承开关磁阻电机实现了开关磁阻电机和无轴承技术的结合，具有开关磁阻电机和无轴承技术的双重优势，在航天航空、飞轮储能、电动汽车等领域具有广阔应用前景。无轴承开关磁阻电机结构被国内外学者进行了多次改善优化，性能越来越好，但目前大多数无轴承开关磁阻电机无法独立实现电机转子的五自由度悬浮，为实现电机转子的五自由度悬浮，其必须与轴向磁轴承配合运行，这不仅增大了系统损耗，降低了系统效率，而且限制了转子临界转速。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，从电机本体上实现转子的五自由度悬浮，解决传统无轴承开关磁阻电机无法独立实现转子的五自由度悬浮问题，并且通过增加柱形转子开关磁阻电机结构，提高电机的转矩和输出功率密度。同时，通过在柱形转子的柱形转子齿一侧增加一段不对称极弧，增加启动转矩，使电机能够在任意转子位置下自启动，并且降低电机的转矩脉动。此外，通过在每个悬浮力极内嵌放永磁体来产生偏置磁场，以提升电机的电流刚度、减小悬浮绕组损耗、降低悬浮控制难度。
为实现上述目的，本发明提供了一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，包括柱形定子、锥形定子、柱形转子组件、锥形转子、转矩绕组和悬浮绕组，柱形定子设置在两个锥形定子之间，柱形转子组件设置在两个锥形转子之间，柱形转子组件设置在柱形定子的中部，锥形转子设置在锥形定子的中部；
柱形定子包括转矩极一和柱形定子轭，转矩极一设置在柱形定子轭的圆周内侧，锥形定子圆周内侧轴向呈圆锥形分布，锥形定子包括转矩极二、悬浮力极和锥形定子轭，转矩极二、悬浮力极交替设置在锥形定子轭的圆周内侧，悬浮力极中部内嵌有永磁体，悬浮力极上位于永磁体的两侧设有开槽，转矩极一和两侧的转矩极二轴向叠加组合为定子齿，定子齿上缠绕有转矩绕组，悬浮力极上缠绕有悬浮绕组。
优选的，柱形定子为八极凸极结构，柱形定子包括八个转矩极一，八个转矩极一同心设置，每两个转矩极一为一组间隔均匀分布。
优选的，锥形定子为十二极混合定子极结构，锥形定子包括四个悬浮力极和八个转矩极二，四个悬浮力极等间距相间设置，相邻两个悬浮力极之间均设置有两个均匀分布的转矩极二，悬浮力极的宽度为转矩极二宽度的二倍。
优选的，柱形转子组件包括柱形转子一和柱形转子二，柱形转子一和柱形转子二均为十四极柱形凸极转子结构，柱形转子一包括柱形转子轭一和设置在柱形转子轭一圆周外侧的柱形转子齿一，柱形转子二包括柱形转子轭二和设置在柱形转子轭二圆周外侧的柱形转子齿二，柱形转子一平行设置在两个柱形转子二之间，柱形转子齿一与柱形转子齿二轴向叠加，柱形转子轭一与柱形转子轭二轴向叠加。
优选的，柱形转子齿一的极弧宽度大于柱形转子齿二的极弧宽度，柱形转子齿一的一侧边与柱形转子齿二的一侧边平齐，柱形转子齿一的另一侧边凸出于柱形转子齿二的另一侧边。
优选的，锥形转子为十四极锥形凸极结构，锥形转子的圆周外侧轴向呈圆锥形结构，锥形转子包括锥形转子轭和设置在锥形转子轭圆周外侧的锥形转子齿，锥形转子轭与柱形转子轭一和柱形转子轭二轴向叠加，锥形转子齿与柱形转子齿一与柱形转子齿二轴向叠加。
优选的，转矩绕组和悬浮绕组均采用脉冲供电方式。
优选的，转矩绕组为集中式绕组，包括A、B两相，每相绕组均由相邻两个悬浮力极之间的相邻两个定子齿上的转矩线圈先串联，再与沿中心轴径向相对设置的定子齿上串联后的转矩线圈并联而成，转矩线圈在相邻两个悬浮力极之间的相邻两个定子齿上缠绕的匝数相等、绕向相反。
优选的，悬浮绕组分别缠绕在每个悬浮力极上，包括x轴悬浮绕组和y轴悬浮绕组，x轴悬浮绕组包括x正方向和x负方向的悬浮线圈，x轴悬浮线圈在每个悬浮力极上缠绕的匝数、绕向相同；y轴悬浮绕组包括y正方向和y负方向的悬浮线圈，y轴每个悬浮极上的悬浮线圈匝数与x轴每个悬浮极上的悬浮线圈匝数相同，y轴悬浮线圈的连接方式与x轴悬浮线圈相同，y轴悬浮线圈的绕向与x轴悬浮线圈的绕向相反。
本发明的有益效果：
(1)通过将锥形定子的圆周内侧和锥形转子的圆周外侧设置相匹配的圆锥结构，使产生的电磁力可以分解为径向电磁力和轴向电磁力，从而使电机既能实现转子的径向悬浮，又能实现转子的轴向悬浮，解决了传统无轴承开关磁阻电机无法独立实现转子的五自由度悬浮问题；
(2)通过增加柱形转子开关磁阻电机结构，使电机的轴向空间利用率得到进一步提高，进而增加了电机的转矩和输出功率密度；
(3)通过在柱形转子的柱形转子齿一侧增加一段不对称极弧，拓宽了正转矩的宽度，进而增加了电机的启动转矩，降低了转矩脉动，并使电机能够在任意转子位置下自启动；
(4)通过在每个悬浮力极内嵌放永磁体来产生偏置磁场，电机可使用较小的控制电流便可产生较大的悬浮力，而且悬浮力的大小与控制电流线性相关，从而提升了电机电流刚度、减小了悬浮绕组损耗，降低了悬浮控制难度。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机的整体结构示意图；
图2是本发明一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机的剖视图；
图3是本发明一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机的剖面示意图；
图4是本发明柱形定子的示意图；
图5是本发明锥形定子的示意图；
图6是本发明柱形转子组件的示意图；
图7是本发明柱形转子组件的爆炸示意图；
图8是本发明锥形转子的侧视图；
图9是本发明锥形转子的立体图；
图10是本发明A相转矩绕组连接示意图；
图11是本发明单个锥形定子上的悬浮绕组连接示意图；
图12是本发明转矩绕组通电后的磁通路径示意图；
图13是本发明径向悬浮力产生的原理图；
图14是本发明轴向悬浮力产生的原理图；
附图标记：
1、柱形定子；11、转矩极一；12、柱形定子轭；2、锥形定子；21、转矩极二；22、悬浮力极；23、锥形定子轭；24、永磁体；25、第二气隙；3、柱形转子组件；31、柱形转子一；311、柱形转子轭一；312、柱形转子齿一；32、柱形转子二；321、柱形转子轭二；322、柱形转子齿二；4、锥形转子；41、锥形转子齿；42、锥形转子轭；5、转矩绕组；6、悬浮绕组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步描述。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明提到的上述特征或具体实例提到的特征可以任意组合，这些具体实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例
图1是本发明一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机的整体结构示意图，图2是本发明一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机的剖视图，图3是本发明一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机的剖面示意图，如图所示，本发明提供了一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，包括柱形定子1、锥形定子2、柱形转子组件3、锥形转子4、转矩绕组5和悬浮绕组6，柱形定子1设置在两个锥形定子2之间，柱形定子1与锥形定子2轴向叠加为复合定子，柱形转子组件3同轴设置在柱形定子1的中部，锥形转子4同轴设置在锥形定子2的中部，柱形转子组件3与锥形转子4轴向叠加为复合转子，复合转子设置在复合定子的圆周内侧。
图4是柱形定子的示意图，如图所示，柱形定子1为八极凸极结构，包括转矩极一11和柱形定子轭12，转矩极一11设置在柱形定子轭12的圆周内侧，柱形定子1包括八个转矩极一11，八个转矩极一11同心设置，每两个转矩极一11为一组间隔均匀分布。
图5是本发明锥形定子的示意图，如图所示，锥形定子2为十二极混合定子极结构，锥形定子2圆周内侧轴向呈圆锥形结构，锥形定子2包括转矩极二21、悬浮力极22、锥形定子轭23和永磁体24，转矩极二21、悬浮力极22交替设置在锥形定子轭23的圆周内侧，悬浮力极22中部内嵌有永磁体24，悬浮力极22上位于永磁体24的两侧设有开槽，形成两个第二气隙25，永磁体24可为悬浮绕组6提供偏置磁场，该偏置磁场与悬浮绕组产生的控制磁场相互配合，产生可控悬浮力，实现转子稳定悬浮，第二气隙25可降低永磁体的漏磁，并为悬浮绕组提供相对磁阻较小的磁通路径，进而增大单位电流产生的磁通。
锥形定子2包括四个悬浮力极22和八个转矩极二21，四个悬浮力极22等间距相间设置，相邻两个悬浮力极22之间均设置有两个均匀分布的转矩极二21，悬浮力极22的宽度为转矩极二21宽度的二倍。转矩极一11和两侧的转矩极二21轴向叠加组合为定子齿，定子齿上缠绕有转矩绕组5，悬浮绕组6缠绕在每一个悬浮力极22上。
图6是本发明柱形转子组件的示意图，图7是本发明柱形转子组件的爆炸示意图，如图所示，柱形转子组件3包括柱形转子一31和柱形转子二32，柱形转子一31和柱形转子二32均为十四极柱形凸极转子结构，柱形转子一31包括柱形转子轭一311和设置在柱形转子轭一311圆周外侧的柱形转子齿一312，柱形转子二32包括柱形转子轭二321和设置在柱形转子轭二321圆周外侧的柱形转子齿二322，柱形转子一31平行设置在两个柱形转子二32之间，柱形转子齿一312与柱形转子齿二322轴向叠加，柱形转子轭一311与柱形转子轭二321轴向叠加。
柱形转子齿一312的极弧宽度大于柱形转子齿二322的极弧宽度，柱形转子齿一312的一侧边与柱形转子齿二322的一侧边平齐，柱形转子齿一312的另一侧边凸出于柱形转子齿二322的另一侧边。即柱形转子齿一312比柱形转子齿二322边侧多出一段极弧，使柱形转子组件的转子齿两侧边结构不对称，该结构可提供启动转矩，使电机能够在任意转子位置下自启动，而且该结构可有效降低电机的转矩脉动。
图8是本发明锥形转子的侧视图，图9是本发明锥形转子的立体图，如图所示，锥形转子4为十四极锥形凸极结构，锥形转子4的圆周外侧轴向呈圆锥形分布，锥形转子4的圆锥结构与锥形定子2的圆周结构相匹配。锥形转子4包括锥形转子齿41和锥形转子轭42，锥形转子齿41设置在锥形转子轭42的圆周外侧，锥形转子轭42与柱形转子轭一311和柱形转子轭二321轴向叠加，锥形转子齿41与柱形转子齿一312与柱形转子齿二322轴向叠加。
转矩绕组5用于产生旋转转矩，悬浮绕组6用于产生悬浮力，转矩绕组5和悬浮绕组6均采用脉冲供电方式。转矩绕组5为集中式绕组，包括A、B两相，每相绕组均由相邻两个悬浮力极22之间的相邻两个定子齿上的转矩线圈先串联，再与沿中心轴径向相对设置的定子齿上串联后的转矩线圈并联而成，转矩线圈在相邻两个悬浮力极22之间的相邻两个定子齿上缠绕的匝数相等、绕向相反。
图10是本发明A相转矩绕组连接示意图，如图所示，A相绕组由PA1定子齿和PA2定子齿的转矩线圈先串联，再与PA3定子齿和PA4定子齿串联后的线圈并联而成，在四个定子齿上的线圈匝数相等，相邻定子齿绕向相反。同理，B相转矩绕组由PB1定子齿和PB2定子齿上的转矩线圈先串联，再和PB3定子齿和PB4定子齿上串联后的转矩线圈并联而成，A、B两相绕组的连接方式均相同，既可以保证电机具有较大的输出转矩，又可以降低转矩绕组的相电感，提高转矩绕组的相峰值电流，满足电机高速运行的需求。
图11是本发明单个锥形定子上的悬浮绕组连接示意图，如图所示，悬浮绕组6包括x轴悬浮绕组和y轴悬浮绕组，分别提供x方向和y方向的悬浮力。x轴悬浮绕组包括Pxp悬浮极和Pxn悬浮极上的悬浮线圈，x轴上的悬浮线圈在每个悬浮极上的匝数相同、绕向相同。当永磁体24在悬浮力极Pyp、Pxp、Pyn、Pxn上形成的磁极分别为N(磁场由悬浮力极流向转子)、S(磁场由转子流向悬浮力极)、N、S时，悬浮绕组通以正向电流时，产生的控制磁场增强永磁体产生的偏置磁场，悬浮绕组通以反向电流时，产生的控制磁场削弱永磁体产生的偏置磁场，通过控制电流ixp和电流ixn的大小与方向，即可产生有效的x方向悬浮力和轴向悬浮力。同理，y轴悬浮绕组包括Pyp悬浮力极和Pyn悬浮力极上的悬浮线圈，y轴每个悬浮极上的悬浮线圈匝数与x轴每个悬浮极上的悬浮线圈匝数相同，y轴悬浮线圈连接方式与x轴悬浮线圈的连接方式相同，y轴悬浮线圈的绕向与x轴悬浮线圈的绕向相反，也就是说相邻的两个悬浮极上的悬浮绕组绕向相反。通过控制电流iyp和电流iyn的大小与方向可产生y方向的悬浮力和轴向悬浮力。
具体的工作原理为：
图12是本发明转矩绕组通电后的磁通路径示意图，如图所示，A相转矩绕组在对齐位置下单独励磁时可产生两极对称转矩磁通ΦT，转矩磁通ΦT分别从PA2定子齿和PA4定子齿出发，通过转矩气隙(即第一气隙)、转子齿、转子轭后，经PA1定子齿、PA3定子齿和定子轭返回PA2定子齿和PA4定子齿形成闭合回路。B相转矩绕组产生磁通的流通路径与A相相仿。根据开关磁阻电机运行原理，当某一相转矩绕组5通电时，产生的转矩磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，磁场畸变产生的电磁力推动复合转子运动到磁阻最小的位置，即该相转矩绕组5所在定子齿与转子极处于对齐位置，因此电机工作时A、B两相绕组交替导通关闭，进而产生连续电磁转矩。由于转矩磁通ΦT的磁路较短，而且转矩绕组5换相期间，柱形定子轭12、锥形定子轭23和转矩极中均不会有磁通反转发生，使电机运行产生的铁耗大大降低。此外，该电机在结构上实现了转矩和悬浮力控制的自然解耦，进而降低控制难度，提高系统运行的稳定性和可靠性。
图13是本发明径向悬浮力产生的原理图，如图所示，永磁体24在悬浮力极Pyp、Pxp、Pyn、Pxn上形成的磁极分别为N、S、N、S，径向悬浮力Fr是由x轴方向的悬浮力Fx和y轴方向的悬浮力Fy合成的，通过调节电流ixp、iyp、ixn和iyn可以改变径向悬浮力Fr的大小和方向，实现复合转子径向方向上的自由悬浮。以x方向悬浮力Fx为例，ixp正向导通，增强偏置磁场，悬浮力极Pxp与转子间的气隙磁场增强，ixn反向导通，削弱偏置磁场，悬浮力极Pxn与转子间的气隙磁场减弱，使转子右侧磁场强于左侧磁场，进而产生x正方向悬浮力。同理，ixp反向导通，削弱偏置磁场，悬浮力极Pxp与转子间的气隙磁场减弱，ixn正向导通，增强偏置磁场，悬浮力极Pxn与转子间的气隙磁场增强，使转子左侧磁场强于右侧磁场，进而产生x负方向悬浮力。
图14是本发明轴向悬浮力产生的原理图，如图所示，由于锥形转子4与锥形定子2的圆周结构，复合转子受到垂直于锥形转子齿面的电磁合力fm，该力可以分解为径向电磁力fmr和轴向电磁力fmz，故本发明电机可同时产生径向和轴向电磁力。另外，当锥形定子2上径向对称的悬浮力极22上的悬浮绕组6均正向导通且激励电流大小相等时，如悬浮力极Pxp和Pxn上的悬浮绕组6均通以正向且大小相等的激励电流时，则悬浮力极Pxp与转子间的气隙磁场和悬浮力极Pxn与转子间的气隙磁场相平衡，此时电机在径向产生的电磁力大小相等，方向相反，相互抵消，电机只产生轴向电磁力fmz。因此，通过调节悬浮绕组6中电流大小可产生大小和方向均可控的轴向悬浮力，进而实现电机转子轴向方向上的稳定悬浮。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，其特征在于：包括柱形定子、锥形定子、柱形转子组件、锥形转子、转矩绕组和悬浮绕组，柱形定子设置在两个锥形定子之间，柱形转子组件设置在两个锥形转子之间，柱形转子组件设置在柱形定子的中部，锥形转子设置在锥形定子的中部；
柱形定子包括转矩极一和柱形定子轭，转矩极一设置在柱形定子轭的圆周内侧，锥形定子圆周内侧轴向呈圆锥形分布，锥形定子包括转矩极二、悬浮力极和锥形定子轭，转矩极二、悬浮力极交替设置在锥形定子轭的圆周内侧，悬浮力极中部内嵌有永磁体，悬浮力极上位于永磁体的两侧设有开槽，转矩极一和两侧的转矩极二轴向叠加组合为定子齿，定子齿上缠绕有转矩绕组，悬浮力极上缠绕有悬浮绕组；
柱形转子组件包括柱形转子一和柱形转子二，柱形转子一和柱形转子二均为十四极柱形凸极转子结构，柱形转子一包括柱形转子轭一和设置在柱形转子轭一圆周外侧的柱形转子齿一，柱形转子二包括柱形转子轭二和设置在柱形转子轭二圆周外侧的柱形转子齿二，柱形转子一平行设置在两个柱形转子二之间，柱形转子齿一与柱形转子齿二轴向叠加，柱形转子轭一与柱形转子轭二轴向叠加；
柱形转子齿一的极弧宽度大于柱形转子齿二的极弧宽度，柱形转子齿一的一侧边与柱形转子齿二的一侧边平齐，柱形转子齿一的另一侧边凸出于柱形转子齿二的另一侧边。
2.根据权利要求1所述的一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，其特征在于：柱形定子为八极凸极结构，柱形定子包括八个转矩极一，八个转矩极一同心设置，每两个转矩极一为一组间隔均匀分布。
3.根据权利要求1所述的一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，其特征在于：锥形定子为十二极混合定子极结构，锥形定子包括四个悬浮力极和八个转矩极二，四个悬浮力极等间距相间设置，相邻两个悬浮力极之间均设置有两个均匀分布的转矩极二，悬浮力极的宽度为转矩极二宽度的二倍。
4.根据权利要求1所述的一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，其特征在于：锥形转子为十四极锥形凸极结构，锥形转子的圆周外侧轴向呈圆锥形结构，锥形转子包括锥形转子轭和设置在锥形转子轭圆周外侧的锥形转子齿，锥形转子轭与柱形转子轭一和柱形转子轭二轴向叠加，锥形转子齿与柱形转子齿一与柱形转子齿二轴向叠加。
5.根据权利要求1所述的一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，其特征在于：转矩绕组和悬浮绕组均采用脉冲供电方式。
6.根据权利要求1所述的一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，其特征在于：转矩绕组为集中式绕组，包括A、B两相，每相绕组均由相邻两个悬浮力极之间的相邻两个定子齿上的转矩线圈先串联，再与沿中心轴径向相对设置的定子齿上串联后的转矩线圈并联而成，转矩线圈在相邻两个悬浮力极之间的相邻两个定子齿上缠绕的匝数相等、绕向相反。
7.根据权利要求1所述的一种永磁偏置式柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，其特征在于：悬浮绕组分别缠绕在每一个悬浮力极上，包括x轴悬浮绕组和y轴悬浮绕组，x轴悬浮绕组包括x正方向和x负方向的悬浮线圈，x轴悬浮线圈在每个悬浮力极上缠绕的匝数、绕向相同；y轴悬浮绕组包括y正方向和y负方向的悬浮线圈，y轴每个悬浮极上的悬浮线圈匝数与x轴每个悬浮极上的悬浮线圈匝数相同，y轴悬浮线圈的连接方式与x轴悬浮线圈相同，y轴悬浮线圈的绕向与x轴悬浮线圈的绕向相反。
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