CN117477816B - 一种柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机 - Google Patents

一种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、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，柱形转子同轴设置在柱形定子的中部，锥形转子同轴设置在锥形定子的中部。本发明采用上述一种柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，从电机本体上实现了转子的五自由度悬浮，解决了传统无轴承开关磁阻电机无法依靠电机自身控制转子轴向悬浮的问题，并且在电机结构上进行改进，提高了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上设置阶梯结构来增加启动转矩，降低转矩脉动，使电机能够在任意转子位置下自启动。

Description

一种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
开关磁阻电机由于结构简单牢固、机械强度大、调速范围宽等优点，特别适用于高速、超高速运行，但高速、超高速电机存在一个突出问题，即机械轴承磨损问题。机械轴承磨损不仅会使电机产生机械振动与噪音，严重时会影响电机动态性能，缩短电机使用寿命，这制约了开关磁阻电机向更大功率、更高转速发展。磁轴承的出现克服了机械轴承的缺点，它具有机械磨损小、能耗低、无需润滑等优点，广泛应用于高速、航天航空、涡轮机等特殊领域。然而，它的使用极大地增加了电机轴向长度，降低了电机的临界转速，同时增加了电机的制造成本。
为此，学者们提出将磁轴承的悬浮绕组叠绕在电机定子上来控制转子的悬浮，即无轴承技术，无轴承技术在开关磁阻电机上应用便产生了无轴承开关磁阻电机。无轴承开关磁阻电机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。随着国内外学者的深入研究，无轴承开关磁阻电机的结构形式越来越多，性能越来越好。但目前大多数无轴承开关磁阻电机均不具有轴向悬浮控制能力，为实现电机转子的五自由度悬浮，其需要磁轴承的协助，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柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，从电机本体上实现了转子的五自由度悬浮，解决了传统无轴承开关磁阻电机无法依靠电机自身控制转子轴向悬浮的问题，并且在电机结构上进行改进，提高了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上设置阶梯结构来增加启动转矩，降低转矩脉动，使电机能够在任意转子位置下自启动。
为实现上述目的，本发明提供了一种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、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，柱形转子同轴设置在柱形定子的中部，锥形转子同轴设置在锥形定子的中部；
柱形定子为八极凸极结构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，锥形定子为十二极混合定子极结构，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，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，悬浮绕组分别缠绕在每一个悬浮力极上；
柱形转子为十四极柱形凸极转子结构包括柱形转子齿和柱形转子轭一，柱形转子齿设置在柱形转子轭一的圆周外侧，锥形转子为十四极锥形凸极结构，锥形转子的圆周外侧呈圆锥形结构，锥形转子包括锥形转子齿和柱形转子轭二，锥形转子齿设置柱形转子轭二的圆周外侧，柱形转子齿与两侧的锥形转子齿轴向叠加。
优选的，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，柱形转子的十四个柱形转子齿的边侧均设有阶梯结构。
优选的，转矩绕组和悬浮绕组均采用直流电供电方式。
优选的，转矩绕组为集中式绕组，包括A、B两相，每相绕组均由沿中心轴径向相对设置的定子齿上的转矩线圈串联而成，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、绕向均相同。
优选的，悬浮绕组包括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负方向的两个悬浮线圈，x轴悬浮线圈在两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负方向的两个悬浮线圈，y轴悬浮线圈的连接方式与x轴悬浮线圈相同。
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均设置有相匹配的圆锥结构，使电磁力可以分解为径向的电磁力和轴向的电磁力，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依靠电机自身控制转子轴向悬浮的问题；
(2)柱形转子开关磁阻电机结构的加入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上设置阶梯结构，增加了电机的启动转矩，降低了转矩脉动，使电机能够在任意转子位置下自启动。
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是本发明柱形转子的示意图；
图7是本发明锥形转子的侧视图；
图8是本发明锥形转子的立体图；
图9是本发明A相转矩绕组连接示意图；
图10是本发明悬浮绕组连接示意图；
图11是本发明转矩绕组通电后的磁通路径示意图；
图12是本发明径向悬浮力产生的原理图；
图13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；3、柱形转子；31、柱形转子齿；32、柱形转子轭一；4、锥形转子；41、锥形转子齿；42、柱形转子轭二；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并与其同轴设置。
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和锥形定子轭23，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，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是本发明柱形转子的示意图，图7是本发明锥形转子的侧视图，图8是本发明锥形转子的立体图，如图所示，柱形转子3为十四极柱形凸极转子结构，包括柱形转子齿31和柱形转子轭一32，柱形转子齿31设置在柱形转子轭一32的圆周外侧，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和柱形转子轭二42，锥形转子齿41设置在柱形转子轭二42的圆周外侧，柱形转子齿31与两侧的锥形转子齿41轴向叠加。柱形转子3的十四个柱形转子齿31的边侧均设有阶梯结构，阶梯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。
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均采用直流电供电方式。转矩绕组5为集中式绕组，包括A、B两相，每相绕组均由沿中心轴径向相对设置的定子齿上的转矩线圈串联而成，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、绕向均相同。
图9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并联，再与PA3定子齿和PA4定子齿并联后的线圈串联而成，在四个定子齿上的线圈匝数相等，绕向相同，通入A相电流iA后可产生对称的转矩磁通。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并联，再和PB3定子齿和PB4定子齿上并联后的转矩线圈串联而成，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，又可以减小转矩绕组5电感，满足电机高速运行的需求。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的对齐位置，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。
图10是本发明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轴上的悬浮线圈在两个悬浮极上的匝数相同，绕向也相同，通入直流电ixp和直流电ixn后分别可产生x正方向和x负方向上的悬浮力。同理，y轴悬浮绕组包括Pyp悬浮极和Pyn悬浮极上的悬浮线圈，y轴悬浮线圈连接方式与x轴悬浮线圈的连接方式相同，通入直流电iyp和直流电iyn后可产生y方向的悬浮力。
图11是本发明转矩绕组通电后的磁通路径示意图，图12是本发明径向悬浮力产生的原理图，如图所示，径向悬浮力F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ixp、iyp、ixn、iyn可以改变径向悬浮力F的大小和方向，实现复合转子径向方向上的自由悬浮。图13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，电磁合力fm可以分解为径向电磁力fmr和轴向电磁力fmz，使得该电机不仅具有径向悬浮能力，而且具有轴向悬浮能力。
具体的工作原理为：
如图11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，B相转矩绕组与之相同，转矩磁通ΦT分别从PA2定子齿和PA3定子齿出发，通过转矩气隙、转子齿、转子轭后，经PA1定子齿、PA4定子齿和定子轭返回PA2定子齿和PA3定子齿形成闭合回路，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。
如图13所示，当悬浮绕组6通电时，复合转子受到垂直于锥形转子齿41面的电磁合力fm。此时，电磁合力fm可分解为径向方向的力fmr和轴向方向的力fmz。当径向对称的两个悬浮力极22通以相同电流时，如悬浮力极Pyp和悬浮力极Pyn通以相同激励电流，则两者在径向方向产生的力fmr1和fmr2大小相等、方向相反，相互抵消，通电产生的轴向方向的悬浮力相叠加，通过调节悬浮力极22的电流实现电机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 (4)

1.一种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、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，柱形转子同轴设置在柱形定子的中部，锥形转子同轴设置在锥形定子的中部；
柱形定子为八极凸极结构，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，锥形定子为十二极混合定子极结构，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，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，悬浮绕组分别缠绕在每一个悬浮力极上；
柱形转子为十四极柱形凸极转子结构，包括柱形转子齿和柱形转子轭一，柱形转子齿设置在柱形转子轭一的圆周外侧，锥形转子为十四极锥形凸极结构，锥形转子的圆周外侧呈圆锥形结构，锥形转子包括锥形转子齿和柱形转子轭二，锥形转子齿设置柱形转子轭二的圆周外侧，柱形转子齿与两侧的锥形转子齿轴向叠加；
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；
柱形转子的十四个柱形转子齿的边侧均设有阶梯结构；
转矩绕组为集中式绕组，包括A、B两相，每相绕组均由沿中心轴径向相对设置的定子齿上的转矩线圈串联而成，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、绕向均相同。
2.根据权利要求1所述的一种柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，其特征在于：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直流电供电方式。
4.根据权利要求1所述的一种柱锥混合转子无轴承开关磁阻电机，其特征在于：悬浮绕组包括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负方向的两个悬浮线圈，x轴悬浮线圈在两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负方向的两个悬浮线圈，y轴悬浮线圈的连接方式与x轴悬浮线圈相同。
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