一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機，包括外定子、轉(zhuǎn)矩繞組、永磁體、轉(zhuǎn)子、隔磁環(huán)、內(nèi)定子、懸浮力繞組；外定子、轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子均為凸極結(jié)構(gòu)，以同心同軸的方式嵌套在一起；外定子由多個U形鐵心單元和多個永磁體交替拼接而成，永磁體沿切向交替充磁；外定子槽內(nèi)嵌有一套轉(zhuǎn)矩繞組；轉(zhuǎn)子有多個凸極轉(zhuǎn)子齒，轉(zhuǎn)子中均勻設(shè)有多個空心隔磁環(huán)；內(nèi)定子包含多個內(nèi)定子齒，內(nèi)定子槽內(nèi)嵌有一套懸浮力繞組。本發(fā)明不僅具有磁通切換永磁電機轉(zhuǎn)矩密度高、效率高的優(yōu)勢，而且解決了無軸承電機轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組之間的耦合問題，在電機本體上實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和懸浮力的解耦控制，同時懸浮力不受轉(zhuǎn)子位置角影響的特性有利于無軸承電機轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。
【專利說明】
一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電工、電機領(lǐng)域，涉及一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，高速、超高速的電機已被廣泛應(yīng)用于高速機床、渦輪分子栗、離心機、壓縮機、飛輪貯能及航空航天等領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)子通過機械軸承支撐在定子上，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速或超高速運行時，將對機械軸承產(chǎn)生巨大沖擊，造成機械軸承磨損加劇、電機發(fā)熱、工作效率下降、軸承和電機的使用壽命縮短等一系列影響，嚴(yán)重制約著電機向更高速度和更大功率方向發(fā)展。近三十年發(fā)展起來的磁軸承具有無磨損、無潤滑、無機械噪聲、高精度、高壽命等優(yōu)點，已成功應(yīng)用于能源交通、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域。但由于其體積大、成本高、功率和臨界轉(zhuǎn)速都難以大幅度提高等缺點，導(dǎo)致磁軸承仍不能完全滿足高性能超高速懸浮運轉(zhuǎn)的要求。
[0003 ]無軸承電機利用磁軸承和電機結(jié)構(gòu)的相似性，將磁軸承的懸浮力繞組嵌放在電機的定子槽中，使得電機轉(zhuǎn)子同時具有旋轉(zhuǎn)和自懸浮支撐能力，因此，無軸承電機具有磁軸承無接觸、無磨損等優(yōu)點，同時由于其軸向長度較短，可以實現(xiàn)更大功率和更高轉(zhuǎn)速運行，極具重要的工業(yè)應(yīng)用價值。無軸承電機的研究類型主要有三種，分別是無軸承感應(yīng)電機、無軸承永磁電機和無軸承磁阻電機。相比而言，無軸承永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率高、功率密度高、體積小、重量輕、控制性能好等優(yōu)點，成為當(dāng)今無軸承電機研究領(lǐng)域里的熱點之一O
[0004]目前研究的無軸承永磁電機中的永磁體大部分放置在轉(zhuǎn)子上，這使得永磁體很容易受到振動和高溫影響，導(dǎo)致其性能下降甚至退磁。同時由于永磁體機械強度的限制，轉(zhuǎn)子難以勝任超高速運轉(zhuǎn)。隨著以釹鐵硼為代表的新型稀土永磁材料的出現(xiàn)和功率電子學(xué)、計算機、控制理論的發(fā)展，從上世紀(jì)90年代開始陸續(xù)出現(xiàn)了三種新型結(jié)構(gòu)的定子永磁型電機:雙凸極永磁電機、磁通反向永磁電機和磁通切換永磁電機。磁通切換永磁電機具有功率密度高、效率高、轉(zhuǎn)矩輸出能力大和容錯能力強等優(yōu)點，永磁體和集中式電樞繞組均置于定子偵U，易于冷卻和散熱，轉(zhuǎn)子僅僅是設(shè)有凸極的鐵心，結(jié)構(gòu)簡單、機械強度高、適合高速運行。因此對無軸承磁通切換永磁電機的理論研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機，該電機利用雙定子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了磁通切換永磁電機的無軸承運行，并通過轉(zhuǎn)子上的空心隔磁環(huán)將轉(zhuǎn)矩磁場和懸浮磁場隔離開來，對轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)分開單獨控制，避免了傳統(tǒng)兩自由度無軸承電機中的復(fù)雜解耦控制。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機，包括外定子、轉(zhuǎn)矩繞組、永磁體、轉(zhuǎn)子、隔磁環(huán)、內(nèi)定子、懸浮力繞組;所述外定子、轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子自外向內(nèi)設(shè)置均為凸極結(jié)構(gòu)，以同心同軸的方式嵌套在一起；
[0007]所述外定子由多個U形鐵心單元和多個永磁體交替拼接而成，永磁體沿切向充磁，且相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反;所述外定子槽內(nèi)嵌有一套轉(zhuǎn)矩繞組;所述轉(zhuǎn)子面向外定子的一側(cè)設(shè)有多個凸極轉(zhuǎn)子齒，轉(zhuǎn)子中均勻設(shè)有多個空心隔磁環(huán)，隔磁環(huán)為帶有一定厚度的弧形空心環(huán)，轉(zhuǎn)子面向內(nèi)定子的一側(cè)則光滑;所述內(nèi)定子包含多個內(nèi)定子齒，內(nèi)定子槽內(nèi)嵌有一套懸浮力繞組。
[0008]進一步，所述U形鐵心單元為12個，永磁體為12個，轉(zhuǎn)矩繞組線圈為12個，轉(zhuǎn)子齒為10個，隔磁環(huán)為4個，內(nèi)定子包含4個內(nèi)定子齒，懸浮力繞組線圈為4個。
[0009]進一步，所述轉(zhuǎn)矩繞組采用集中繞組的形式，由12個轉(zhuǎn)矩繞組線圈組成，共分為三相，每相繞組含有4個線圈。例如4相由41)2^3)4串聯(lián)而成，8、(:相以此類推。每個轉(zhuǎn)矩繞組線圈橫跨在相鄰兩個U形鐵心單元上。
[0010]進一步，所述懸浮力繞組采用集中繞組的形式，由多個懸浮力繞組線圈組成，每個懸浮力繞組線圈橫跨在一個內(nèi)定子齒上，通過單獨控制每個懸浮力繞組線圈的導(dǎo)通情況和電流值得到所需懸浮力。
[0011]進一步，所述轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組的磁通路徑相互獨立。
[0012]進一步，所述永磁體材料為釹鐵硼。
[0013]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后具有的有益效果是:
[0014]1.電機采用內(nèi)、外雙定子結(jié)構(gòu)，用于分別繞制轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組，不僅具有磁通切換永磁電機轉(zhuǎn)矩密度高、效率高的優(yōu)勢，而且解決了無軸承電機轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組之間的耦合問題，在電機本體上實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和懸浮力的解耦控制，使得控制系統(tǒng)簡單，成本較低。
[0015]2.轉(zhuǎn)子中的空心隔磁環(huán)能有效隔離轉(zhuǎn)矩繞組磁場和懸浮力繞組磁場，轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組的磁通路徑相互獨立，極大降低了無軸承電機轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)的耦合程度。
[0016]3.轉(zhuǎn)子面向內(nèi)定子的一側(cè)光滑，從而內(nèi)定子齒與轉(zhuǎn)子的對齊面積保持等于內(nèi)定子齒寬，懸浮力幾乎不隨轉(zhuǎn)子位置角的變化而變化，改善了無軸承磁通切換永磁電機的懸浮性能，實現(xiàn)了無軸承電機轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。
[0017]4.永磁體置于定子上，避免了電機高速運行時永磁體受到離心力的影響被甩落以及散熱困難引發(fā)永磁體性能下降甚至退磁等問題。
[0018]5.轉(zhuǎn)子上既無永磁體又無繞組，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、機械強度高，有利于無軸承電機高速運行。
[0019]6.轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組采用端部較小的集中繞組，減少了用銅量及電機銅耗，損耗低，提高了運行效率。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明雙定子無軸承磁通切換永磁電機的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明雙定子無軸承磁通切換永磁電機轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組共同導(dǎo)通時的磁場分布圖。
[0022]圖3是本發(fā)明雙定子無軸承磁通切換永磁電機無轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)時轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組共同導(dǎo)通時的磁場分布圖。
[0023]圖中:1、夕卜定子;2、轉(zhuǎn)矩繞組;3、永磁體;4、轉(zhuǎn)子;5、隔磁環(huán);6、內(nèi)定子;7、懸浮力繞組。
【具體實施方式】
[0024]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。
[0025]圖1所示為本發(fā)明雙定子無軸承磁通切換永磁電機的結(jié)構(gòu)示意圖，包括外定子1、轉(zhuǎn)矩繞組2、永磁體3、轉(zhuǎn)子4、隔磁環(huán)5、內(nèi)定子6、懸浮力繞組7。其中，夕卜定子1、轉(zhuǎn)子4、內(nèi)定子6均為凸極結(jié)構(gòu)，且以同心同軸的方式嵌套在一起。夕卜定子I由12個U形鐵心單元和12個永磁體3交替拼接而成，永磁體3沿切向充磁，且相鄰兩塊永磁體3的充磁方向相反。外定子I槽內(nèi)嵌有一套轉(zhuǎn)矩繞組2，采用集中繞組的形式，由12個轉(zhuǎn)矩繞組線圈組成，共分為三相，每相繞組含有4個線圈。例如A相由A1、A2、A3、A4串聯(lián)而成，B、C相以此類推。轉(zhuǎn)子4面向外定子I的一側(cè)設(shè)有10個凸極轉(zhuǎn)子齒，轉(zhuǎn)子4中均勻設(shè)有四個空心隔磁環(huán)5，隔磁環(huán)5為帶有一定厚度的弧形空心環(huán)，轉(zhuǎn)子4面向內(nèi)定子6的一側(cè)則光滑。內(nèi)定子6包含4個內(nèi)定子齒Pl?P4，內(nèi)定子槽內(nèi)嵌有一套懸浮力繞組7，由4個懸浮力繞組線圈組成，每個懸浮力繞組線圈橫跨在一個內(nèi)定子齒上。
[0026]本發(fā)明雙定子無軸承磁通切換永磁電機的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理與傳統(tǒng)磁通切換永磁電機相同。在轉(zhuǎn)子齒與同一相轉(zhuǎn)矩繞組線圈下分屬于相鄰兩個U形鐵心單元的定子齒分別對齊過程中，轉(zhuǎn)矩繞組2里匝鏈的永磁磁鏈極性和數(shù)值大小會發(fā)生改變，又由于其獨有的轉(zhuǎn)矩繞組一致性和互補性，電機每相磁鏈和反電動勢波形成雙極性正弦分布，故通入與反電動勢同相位的正弦波形電流，可以產(chǎn)生平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩。
[0027]本發(fā)明雙定子無軸承磁通切換永磁電機的懸浮力產(chǎn)生原理是通過單獨控制每個懸浮力繞組線圈的導(dǎo)通情況和電流值得到所需任意方向上的懸浮力。內(nèi)定子6設(shè)置4個內(nèi)定子齒？112、？3、？4，？1和？3極上的懸浮力繞組控制1軸正負(fù)方向上的懸浮力，？2和?4極上的懸浮力繞組控制y軸正負(fù)方向上的懸浮力，X方向和y方向的懸浮力可以合成任意方向的懸浮力。當(dāng)轉(zhuǎn)子4向X軸負(fù)方向發(fā)生偏心時，內(nèi)定子6和轉(zhuǎn)子4之間的氣隙大小不均勾，X軸正方向處氣隙長度減小、X軸負(fù)方向處氣隙長度增大，從而X軸正方向處的氣隙磁密大于X軸負(fù)方向處的氣隙磁密，此時轉(zhuǎn)子4受到一個X軸負(fù)方向的麥克斯韋力，而且此力的大小隨著轉(zhuǎn)子4偏心量的增加而增大。此時給P3極上的懸浮力繞組通入一定大小的電流，使得X軸負(fù)方向處的氣隙磁密大于X軸正方向處的氣隙磁密，產(chǎn)生一個X軸正方向的麥克斯韋力，將轉(zhuǎn)子4拉回平衡位置。
[0028]圖2所示為本發(fā)明雙定子無軸承磁通切換永磁電機轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組共同導(dǎo)通時的磁場分布圖。圖3所示為本發(fā)明雙定子無軸承磁通切換永磁電機無轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)時轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組共同導(dǎo)通時的磁場分布圖。由圖2、圖3可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)子4上沒有隔磁環(huán)5時，轉(zhuǎn)矩繞組磁場和懸浮力繞組磁場互相耦合；當(dāng)轉(zhuǎn)子4中均勻設(shè)有四個空心隔磁環(huán)5時，轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)磁場幾乎沒有磁力線進入懸浮系統(tǒng)內(nèi)，懸浮系統(tǒng)磁場也幾乎沒有磁力線進入轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)內(nèi)。根據(jù)磁阻最小原理，轉(zhuǎn)矩繞組磁場和懸浮力繞組磁場之間的耦合在很大程度上被空心隔磁環(huán)5隔開，達(dá)到了轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)之間電磁隔離的目的。
[0029]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0030]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示意性實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0031]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
【主權(quán)項】
1.一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機，其特征在于，包括外定子(I)、轉(zhuǎn)矩繞組(2)、永磁體(3)、轉(zhuǎn)子(4)、隔磁環(huán)(5)、內(nèi)定子(6)、懸浮力繞組(7);所述外定子(I)、轉(zhuǎn)子(4)、內(nèi)定子(6)自外向內(nèi)設(shè)置均為凸極結(jié)構(gòu)，以同心同軸的方式嵌套在一起； 所述外定子(I)由多個U形鐵心單元和多個永磁體(3)交替拼接而成;所述永磁體(3)沿切向充磁，且相鄰兩塊永磁體(3)的充磁方向相反;所述外定子(I)槽內(nèi)嵌有一套轉(zhuǎn)矩繞組(2);所述轉(zhuǎn)子(4)面向外定子(I)的一側(cè)設(shè)有多個凸極轉(zhuǎn)子齒，轉(zhuǎn)子(4)中均勻設(shè)有多個空心隔磁環(huán)(5)，隔磁環(huán)(5)為帶有一定厚度的弧形空心環(huán)，轉(zhuǎn)子(4)面向內(nèi)定子(6)的一側(cè)則光滑;所述內(nèi)定子(6)包含多個內(nèi)定子齒，內(nèi)定子槽內(nèi)嵌有一套懸浮力繞組(7)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙定子無軸承磁通切換永磁電機，其特征在于，所述U形鐵心單元為12個，永磁體(3)為12個，轉(zhuǎn)矩繞組線圈為12個，轉(zhuǎn)子齒為10個，隔磁環(huán)(5)為4個，內(nèi)定子(6)包含4個內(nèi)定子齒，懸浮力繞組線圈為4個。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙定子無軸承磁通切換永磁電機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)矩繞組(2)采用集中繞組的形式，由12個轉(zhuǎn)矩繞組線圈組成，共分為三相，每相繞組含有4個線圈。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙定子無軸承磁通切換永磁電機，其特征在于，所述懸浮力繞組(7)采用集中繞組的形式，由多個懸浮力繞組線圈組成，每個懸浮力繞組線圈橫跨在一個內(nèi)定子齒上，通過單獨控制每個懸浮力繞組線圈的導(dǎo)通情況和電流值得到所需懸浮力。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙定子無軸承磁通切換永磁電機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)矩繞組(2)和懸浮力繞組(7)的磁通路徑相互獨立。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙定子無軸承磁通切換永磁電機，其特征在于，所述永磁體(3)材料為釹鐵硼。
【文檔編號】H02K1/22GK105846624SQ201610321888
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】孫宇新, 吳昊洋, 朱熀秋, 杜懌, 錢忠波, 唐敬偉, 沈啟康
【申請人】江蘇大學(xué)