CN203800784U - 一种双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机，从内到外依次包括凸极型的内定子、转子和外定子，且三者同心嵌套；外定子上等间隔地设置有M个主绕组极，每个主绕组极上设有实现起动及发电功能的主绕组；转子上等间隔地设置有N个转子凸极；内定子上等间隔地设置有O个悬浮极，每个悬浮极上设有实现转子悬浮功能的悬浮绕组；主绕组的磁通路径与悬浮绕组的磁通路径相互独立，解决了启动/发电功能与转子悬浮功能之间的耦合问题，悬浮极与转子的对齐面积等于悬浮极的极宽改善了径向悬浮性能；本实用新型集启动、发电和转子自悬浮功能于一体，使得发动机结构更紧凑，维护和控制方便。

Description

一种双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机

技术领域

本实用新型涉及一种双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机，属于电机类的启动机/发电机领域。 

背景技术

开关磁阻启动机/发电机具有机械强度大、转速升高对电磁损耗影响小、运行效率高、发电电流为直流脉动电流等优点。但转子高速运行将引起机械轴承磨损，缩短电机和轴承的使用寿命。运行过程中容易出现转矩脉动和电磁噪声，限制了开关磁阻电机的应用范围。 

磁悬浮开关磁阻启动机/发电机利用磁场力将转子浮于空间，可以综合利用开关磁阻电机和磁轴承的性能优势，消除机械轴承引起的摩擦损耗，且无需润滑装置。它可以方便地实现电起动和发电两种功能，能极大地拓宽开关磁阻启动机/发电机的应用范围，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。 

日本学者M.Takemoto等人在20世纪90年代末首次提出了三相12/8极磁悬浮开关磁阻电动机的概念，在数学模型和转矩控制策略方面进行了理论和实验研究，但是悬浮力与旋转力之间存在多变量的非线性强耦合关系，系统建模以及解耦控制难，这些已经成为了制约该技术发展和应用的主要瓶颈。韩国学者D.H.Lee和J.W.Ahn近年来提出了8/10极和12/14极单绕组混合定子磁悬浮开关磁阻电动机， 该电动机通过在定子上分别设置悬浮极和旋转极来减弱悬浮力和转矩之间的耦合。2011年发表于《Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers》的文献“Design and analysis of double stator type bearingless switched reluctance motor”提出了一种双定子类型的磁悬浮开关磁阻电动机并进行了初步研究，通过有限方法分析了其磁通分布、电感、转矩和径向力特性，验证了该方案的可行性，可以有效克服径向力与转矩间的耦合。上述均是针对磁悬浮开关磁阻电动机的研究。 

关于磁悬浮开关磁阻发电机的研究目前仍比较少，2011年发表于《中国电机工程学报》的文献“全周期无轴承磁悬浮开关磁阻发电机的设计”公布了一种磁悬浮开关磁阻全周期发电机，其特征在于悬浮绕组同时担任悬浮和励磁两种功能，并且在悬浮绕组完成励磁关断电流后由主绕组续流发电，但是悬浮力和发电电压之间存在复杂的非线性强耦合关系，基本数学模型随发电机工作状态变化的波动很大，悬浮性能有待提高。申请号为201110313992.X，公开号为CN102347718A，专利名称为一种磁悬浮开关磁阻发电机的实用新型专利和申请号为201210541096.3，公开号为CN103001433A，专利名称为一种定子混合型短磁路磁悬浮开关磁阻发电机的实用新型专利均公布了一种混合定子型的磁悬浮开关磁阻发电机，其定子采用宽-窄极的混合定子结构，可以减弱发电极和悬浮极之间的耦合，但是在该电机中仅有部分的定子极用于励磁和发电，发电功率密度有待提高，而且励磁电流对径向悬浮了仍有较大的影响。 

申请号为200510040266.X，专利公开号为CN100385774，专利名称为无轴承开关磁阻起动发电机及控制方法的实用新型专利提出了一种12/8极的双绕组无轴承开关磁阻起动发电机以及控制方法，减少了开关磁阻起动/发电机系统中的机械磨损，提高了可靠性和高速适应性，延长了使用寿命，降低了电机噪声。但是主绕组与悬浮绕组同时叠绕在定子极上，存在复杂的非线性强耦合影响，悬浮性能有待提高，且两绕组有效工作区域互相牵制，限制了控制方法选择的灵活性。 

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型目的是提供一种主绕组与悬浮绕组解耦，径向悬浮性能改善，集电启动机、发电机和磁轴承功能于一体的双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机，本实用新型释放了发动机空间，解决了机械轴承的磨损问题，并且克服了起动/发电功能与转子悬浮功能之间的耦合，增大了主绕组、悬浮绕组控制的灵活性。 

为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现： 

本实用新型一种双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机，从内到外依次包括凸极型的内定子、转子和外定子，且三者同心嵌套；外定子上等间隔地设置有M个主绕组极，每个主绕组极上设有实现起动及发电功能的主绕组；转子上等间隔地设置有N个转子凸极；内定子上等间隔地设置有O个悬浮极，每个悬浮极上设有实现转子悬浮功能的悬浮绕组；主绕组的磁通路径与悬浮绕组的磁通路径相互独立； 其中，M、N、O之间的关系及取值范围如下：M，N，O均为偶数，M=N±2，N≥4，O≥4。 

主绕组相数Q为自然数，Q≥3，Q越大则电磁转矩越平滑，电机和控制器的成本和复杂性则越高，设计时按实际要求折中选择。 

当M是4Q的整数倍时，径向相对垂直四极上的主绕组相互串接为一相；当M非4Q的整数倍时，均是径向相对两极上的的主绕组相互串接为一相。 

本实用新型有益效果如下： 

(1)结构清晰，功能明确 

外定子上的主绕组实现电启动和发电功能，内定子上的悬浮绕组实现转子的稳定悬浮功能，结构清晰，功能明确，维护和控制方便。 

(2)悬浮力不随转子位置角改变，改善了电机的悬浮性能 

悬浮极与转子内表面的对齐面积保持等于悬浮极的极宽，悬浮极磁链不受转子位置角影响，当给定径向力绕组电流时，在转子旋转过程中可以基本保持悬浮力恒定，消除了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，改善了径向悬浮性能。 

(3)主绕组与悬浮绕组解耦，不存在彼此制约，提高了控制的灵活性 

主绕组实现起动发电功能，悬浮绕组实现转子悬浮功能。与传统磁悬浮开关磁阻电机不同，径向力不是由悬浮绕组产生的磁场与主绕组产生的偏执磁场叠加而得到，仅由悬浮绕组单独承担，且主绕组与 悬浮绕组的磁路解耦。选择主绕组、悬浮绕组的导通区间时，无需兼顾悬浮与起动/发电功能的有效运行区间，二者不存在彼此制约，因此可大大提高绕组导通区域选择的灵活性，方便研究和选择不同的控制策略。 

(4)集成了启动、发电和转子自悬浮功能，结构紧凑 

将磁轴承技术用于开关磁阻启动机/发电机中，在保留开关磁阻启动机/发电机优良性能的基础上，消除了机械轴承带来的摩擦损耗，且无需润滑装置。该电机集启动、发电和转子自悬浮的功能于一体，并且起动/发电功能与转子自悬浮功能解耦，可以使发动机系统的结构更紧凑，为优化发动机性能创造了条件。 

附图说明

图1是本实用新型双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机的结构示意图； 

其中：1、外定子；2、主绕组极；3、主绕组；4、转子；5、转子凸极；6、内定子；7、悬浮极；8、悬浮绕组； 

图2是本实用新型双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机的主绕组电感随转子位置角的变化曲线； 

图3是本实用新型双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机的径向力随转子位置角的变化曲线； 

图4是本实用新型双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机的主绕组电感； 

图5是本实用新型双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机的主绕 组电流示意图。 

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。 

参见图1，本实施例的双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机包括一个外定子1、一个转子4和一个内定子6组成三凸极结构，转子4和内、外两个定子以同心地方式嵌套在一起。 

十二个主绕组极2等间隔地设置在外定子1上，主绕组极2的极宽为15°，分别绕有主绕组3，径向相对垂直四极上的主绕组3相互串接为一相，共分为三相(图1中仅画出了一相，略去了其余二相)。 

八个转子凸极5等间隔地设置在转子4上，不绕有任何绕组。 

四个悬浮极7等间隔地设置在内定子6上，分别绕有悬浮绕组8，各悬浮绕组8相互之间不串接。 

悬浮绕组8负责转子4的悬浮功能，通过单独控制每个悬浮绕组8的电流大小以获得所需悬浮力。 

x方向悬浮力由悬浮绕组8的电流i_x1和i_x2控制，当i_x1导通时，产生x正方向悬浮力，反之，当i_x2导通时，产生x负方向悬浮力；同理，y方向也可产生正、负方向的悬浮力；x方向和y方向悬浮力可合成任意方向的悬浮力，从而实现发电机的转子4自悬浮功能，图中i_x1+，i_y1+和i_x2+，i_y2+分别为x，y轴正方向和负方向悬浮绕组8流入电流；i_x1-，i_y1-和i_x2-，i_y2-分别为x，y轴正方向和负方向悬浮绕组8流出电流。由 于转子4旋转过程中，悬浮极7与转子4的对齐面积始终等于悬浮极7的极宽，有利于产生径向力，并且径向力不随转子4位置角改变；因此仅需较小的悬浮绕组8电流就可以将转子4控制在径向中心位置，能有效增强径向悬浮能力，并且改善悬浮子系统的动、静态性能。 

主绕组3负责起动和发电功能，径向垂直相对的四极主绕组串联为一相，共分成A、B、C三相，由三相不对称半桥功率电路进行控制，B、C相分别位于距A相旋转方向的1/3和2/3位置。图中i_ma+为A相主绕组流入电流；i_ma-为A相主绕组流出电流。定义转子凸极5与主绕组极2对齐时为转子4位置角θ的零度位置，以逆时针方向为正。悬浮极7与转子4的对齐面积始终等于悬浮极7的极宽，悬浮绕组8磁链不随转子4位置角变化，说明悬浮力不受转子4位置角影响，在转子4旋转过程中始终能有效地产生悬浮力。 

启动时，该双绕组磁悬浮开关磁阻启动机/发电机作为电启动机运行，以外定子1上的A相主绕组为例，通以转矩电流i_ma将会产生四极对称主磁通，依据磁阻最小原理，转子4将在主绕组3磁场的作用下向与定子极对齐的方向运动，当控制A、B、C三相绕组依次轮流导通时，转子4顺时针方向旋转，反之则按逆时针旋转。发电时，该双绕组磁悬浮开关磁阻启动机/发电机作为发电机机运行。以外定子1上的A相主绕组为例，设电机在外力的驱动下，以逆时针方向旋转，当转子4磁极轴线运动到与定子C相绕组重合时，给定子A相主绕组通电，即开关管闭合，该相通过直流电源进行励磁。转子凸极5将有向定子A相运动的趋势，并受到与外力驱动力矩相反方向(即 顺时针方向)的力矩作用，同时转子4上的机械能讲转化成磁能储藏在磁场中。当开关管断开时，A相电流通过二极管续流，绕组内的电流方向不改变，储存在磁场中的磁能将释放出来，并转化为电能回馈至电源，从而完成了机械能和电能之间以磁场为媒介的机电能量转化过程。如此连续不断地按A-B-C-A的顺序给电机励磁，作用在转子4上的机械能将持续转化为电能，实现发电运行。若外力驱动力矩反方向时，也只需改变励磁顺序，便可维持其发电状态。 

本实用新型的主绕组3和悬浮绕组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绕组3、悬浮绕组8的强耦合问题。 

参见图2，在电机旋转过程中，主绕组3电感随转子4位置角的改变而变化，同时增大主绕组3电流时，铁心的饱和程度将增大，因此主绕组3电感有所下降。 

参见图3，当给定径向力绕组电流时，在转子4旋转过程中可以基本保持悬浮力恒定，消除了传统磁悬浮开关磁阻电机中，当定子、转子临界对齐时不能有效产生悬浮力的问题，改善了径向悬浮性能。 

参见图4和图5，各相主绕组3开关电路的主开关在θ＝θ_on的时刻触发，在θ＝θ_off的时刻关断。即θ_on≤θ≤θ_off阶段为励磁阶段，通过外界给系统提供能量Q₁；θ_off＜θ≤2θ_off-θ_on阶段为回馈发电阶段，以脉冲电能的形式向外提供能量Q₂；发电实际输出的功率为发电功率Q₂和励磁功率之差Q₁。 

本实用新型外定子1的主绕组极2上绕有主绕组3，实现启动和 发电功能；内定子6的悬浮极7上绕有悬浮绕组8绕，实现转子4悬浮功能。主绕组3和悬浮绕组8的磁通路径之间互相独立，解决了/发电功能与转子悬浮功能之间的耦合问题；给定径向力绕组电流，在转子4旋转过程中，悬浮力可以基本保持恒定不变，改善了径向悬浮性能。径向力的产生不需要主绕组3提供偏置磁场，主绕组3、悬浮绕组8的导通区间不存在彼此制约，提高了控制方法研究和选择的灵活性。将磁轴承技术应用于开关磁阻启动机/发电机中，在保留开关磁阻启动机/发电机优良性能的基础上，进一步消除机械轴承带来的摩擦损耗，且无需润滑装置。集启动、发电和转子自悬浮功能于一体，可以有效释放发动机空间，使得发动机结构更紧凑，有利于优化发动机性能。 

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (2)

1.一种双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机，其特征在于，从内到外依次包括凸极型的内定子（6）、转子(4)和外定子（1），且三者同心嵌套； 

所述外定子（1）上等间隔地设置有M个主绕组极（2），每个所述主绕组极（2）上设有实现起动及发电功能的主绕组（3）； 

所述转子(4)上等间隔地设置有N个转子凸极（5）； 

所述内定子（6）上等间隔地设置有O个悬浮极（7），每个所述悬浮极（7）上设有实现转子悬浮功能的悬浮绕组（8）； 

所述主绕组（3）的磁通路径与悬浮绕组（8）的磁通路径相互独立； 

其中，M、N、O之间的关系及取值范围如下： 

M，N，O均为偶数，M=N±2，N≥4，O≥4。 

2.根据权利要求1所述的双定子磁悬浮开关磁阻启动机/发电机，其特征在于， 

主绕组相数Q为自然数，Q≥3，当M是4Q的整数倍时，径向相对垂直四极上的主绕组（3）相互串接为一相；当M非4Q的整数倍时，均是径向相对两极上的的主绕组（3）相互串接为一相。