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CN115224903B - 一种混合励磁式无轴承开关磁阻电机 - Google Patents

一种混合励磁式无轴承开关磁阻电机

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CN115224903B
CN115224903B CN202210935471.6A CN202210935471A CN115224903B CN 115224903 B CN115224903 B CN 115224903B CN 202210935471 A CN202210935471 A CN 202210935471A CN 115224903 B CN115224903 B CN 115224903B
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CN
China
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stator
rotor
winding coil
torque winding
permanent magnet
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丁嘉露
于思洋
金石
刘光伟
王皓
贾广隆
易铁航
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Shenyang University of Technology
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Shenyang University of Technology
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Abstract

本申请提供了一种混合励磁式无轴承开关磁阻电机，包括第一定子、转子和第二定子，所述第二定子嵌入第一定子的内侧，转子位于第一定子和第二定子之间，第一定子与转子之间以及转子与第二定子之间均设置有气隙，以使转子在第一定子和第二定子之间转动，第一定子采用混合定子极结构，转子采用圆筒形结构，第二定子采用凸极结构，包括八个凸极和四个永磁体块，其中永磁体块设置在第二定子铁芯内部。本申请解决了传统无轴承开关磁阻电机的转矩与悬浮力控制相互耦合、不同方向的悬浮力极产生的磁通相互耦合、绕组中通入励磁电流来产生偏置磁场，导致电机的转矩与悬浮力控制性能下降、控制难度增加、效率降低的问题。

Description

一种混合励磁式无轴承开关磁阻电机
技术领域
本申请属于电机技术领域，具体涉及一种混合励磁式无轴承开关磁阻电机。
背景技术
随着电力电子技术的迅速发展，开关磁阻电机及其调速系统得到了广泛应用。由于具有结构简单、转子无绕组、机械强度大、调速范围宽等优点，开关磁阻电机特别适合高速、超高速运行。然而，传统开关磁阻电机的转子采用机械轴承支承，高速运行会使机械轴承的磨损加剧、发热严重，导致机械轴承寿命大幅减小，进而降低电机系统的可靠性。
无轴承开关磁阻电机结合了开关磁阻电机与无轴承技术，既保留了开关磁阻电机结构简单、成本低、容错性强等优点，又兼具无轴承电机使用寿命长、输出功率大等优良特性，在高速驱动领域具有广阔应用前景。然而，传统无轴承开关磁阻电机的转矩与悬浮力控制相互耦合，不同方向的悬浮力极产生的磁通相互耦合，这不仅影响了电机的转矩与悬浮力控制性能，而且大大增加了电机的控制难度。同时，为产生所需悬浮力，传统无轴承开关磁阻电机需在绕组中通入励磁电流来产生偏置磁场，导致电机的损耗增大，效率降低。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种混合励磁式无轴承开关磁阻电机，能够解决现有传统无轴承开关磁阻电机的转矩与悬浮力控制相互耦合、不同方向的悬浮力极产生的磁通相互耦合、绕组中通入励磁电流来产生偏置磁场，导致电机的转矩与悬浮力控制性能下降、控制难度增加、效率降低的问题。
为了解决上述问题，本申请提供了一种混合励磁式无轴承开关磁阻电机，包括第一定子、转子和第二定子，所述第二定子嵌入第一定子的内侧，转子位于第一定子和第二定子之间，第一定子与转子之间以及转子与第二定子之间均设置有气隙，以使转子在第一定子和第二定子之间转动；
第一定子采用混合定子极结构；
转子采用圆筒形结构；
第二定子采用凸极结构，其中，凸极结构包括永磁体块、第二定子铁芯和悬浮绕组线圈，悬浮绕组线圈缠绕在第二定子铁芯的凸极上，永磁体块设置在第二定子铁芯内部；
可选的，所述转子采用圆筒形结构，圆筒形结构包括转子块、转子隔磁环和环形铁芯，转子块的数量为八个，转子块沿着转子隔磁环的周向方向均匀等间距嵌入在转子隔磁环的外侧，环形铁芯嵌在转子隔磁环的内侧，从而使转子隔磁环将转子与第一定子之间流通的磁通以及转子与第二定子之间流通的磁通分隔开；
其中，转子块的形状为扇形，八个转子块的大小和形状均相同，转子的内表面和外表面均光滑。
可选的，永磁体块的数量为四个，永磁体块的大小和形状均相同，第二定子设置有八个凸极，八个凸极大小和形状均相同；所述第二定子铁芯的内部嵌有四个永磁体块，四个永磁体块在第二定子铁芯的内部沿圆周方向正交分布，且每个永磁体块均位于两个凸极之间的中心线上，四个永磁体块采用周向充磁，且轴心对称的两个永磁体块的充磁方向相同，相邻的两个永磁体块的充磁方向相反；
相邻两个永磁体块之间的中心线位置上设置有隔磁桥，相邻两个隔磁桥之间的第二定子铁芯的凸极上的悬浮绕组线圈相连构成一相。
可选的，所述悬浮绕组线圈匝数相同，且均为集中式绕组。
可选的，所述第一定子采用混合定子极结构，混合定子极结构包括励磁极和辅助极，励磁极和辅助极均由第一定子的内壁沿径向方向向内侧延伸形成，其中，励磁极和辅助极的数量均为六个，且大小和形状均相同；
六个励磁极和六个辅助极均沿着第一定子的周向方向交叉等间距设置在第一定子的内侧，其中，励磁极的极弧宽度大于辅助极的两倍的极弧宽度。
可选的，六个所述励磁极上分别缠绕转矩绕组线圈I、转矩绕组线圈II、转矩绕组线圈III、转矩绕组线圈IV、转矩绕组线圈V和转矩绕组线圈VI，且所有转矩绕组线圈的缠绕方向一致，其中，转矩绕组线圈的匝数相同，且均为集中式绕组。
可选的，所述第一定子的直径上相对设置的两个所述励磁极上的转矩绕组线圈相连构成一相。
可选的，所述第一定子、转子块、环形铁芯以及第二定子铁芯的制作材料均采用具有导磁性能的材料；
转子隔磁环的制作材料采用不具有导磁性能的材料；
转矩绕组线圈I、转矩绕组线圈II、转矩绕组线圈III、转矩绕组线圈IV、转矩绕组线圈V、转矩绕组线圈VI以及悬浮绕组线圈的制作材料均采用具有导电性能的铜线；
永磁体块的制作材料采用具有剩磁密度的永磁体。
有益效果
本发明的实施例中所提供的一种混合励磁式无轴承开关磁阻电机，包括第一定子、转子和第二定子，转子上的八个转子块和环形铁芯与第一定子和第二定子分别构成外单元电机和内单元电机，再加以转子隔磁环以及隔磁桥的配合，与传统无轴承开关磁阻电机相比，本申请的混合励磁式无轴承开关磁阻电机将转矩绕组线圈与悬浮绕组线圈产生的磁通彻底分离开，并将不同方向的悬浮力极产生的磁通分离开，实现了转矩和悬浮力控制的自然解耦，实现了不同方向的悬浮力控制的自然解耦，进而降低了电机的控制难度，提高了电机的转矩与悬浮力控制性能。此外，本申请的外单元电机采用分块转子和混合定子极结构，缩短了磁通路径，提高了磁通利用率并消除了转矩绕组电流换相时定子内的逆转磁通，进而提高了电机的输出转矩并降低了电机的铁芯损耗，同时本申请的内单元电机采用永磁体块提供偏置磁场，降低了电机的运行损耗，故本申请的混合励磁式无轴承开关磁阻电机可提高电机的运行效率。
附图说明
图1为本申请实施例的混合励磁式无轴承开关磁阻电机总体结构示意图；
图2为本申请实施例的第一定子的结构示意图；
图3为本申请实施例的转子的结构示意图；
图4为本申请实施例的第二定子的结构示意图；
图5为本申请实施例的混合励磁式无轴承开关磁阻电机整体装配状态结构示意图；
图6为本申请实施例的转矩绕组线圈供电的磁通路径示意图；
图7为本申请实施例的悬浮绕组线圈供电的磁通路径示意图。
附图标记表示为：
1、第一定子；10、励磁极；11、辅助极；
2、转子；20、转子块；21、转子隔磁环；22、环形铁芯；
3、第二定子；30、永磁体块；31、第二定子铁芯；32、悬浮绕组线圈；
4、转矩绕组线圈；4a、转矩绕组线圈I；4b、转矩绕组线圈II；4c、转矩绕组线圈III；4d、转矩绕组线圈IV；4e、转矩绕组线圈V；4f、转矩绕组线圈VI；
5、隔磁桥。
具体实施方式
结合参见图1至图7所示，根据本申请的实施例，一种混合励磁式无轴承开关磁阻电机，包括第一定子1、转子2和第二定子3，第二定子3嵌入第一定子1的内侧，转子2位于第一定子1和第二定子3之间，第一定子1与转子2之间以及转子2与第二定子3之间均设置有气隙，以使转子2在第一定子1和第二定子3之间转动；
第一定子1采用混合定子极结构，混合定子极结构包括励磁极10和辅助极11，励磁极10和辅助极11均由第一定子1的内壁沿径向方向向内侧延伸形成；
转子2采用圆筒形结构，其中，圆筒形结构包括转子块20、转子隔磁环21和环形铁芯22，转子块20的数量为八个，转子块20沿着转子隔磁环21的周向方向均匀等间距嵌入在转子隔磁环21的外侧，环形铁芯22嵌在转子隔磁环21的内侧，从而使转子隔磁环21将转子2与第一定子1之间流通的磁通以及转子2与第二定子3之间流通的磁通分隔开；
第二定子3采用凸极结构，其中，凸极结构包括永磁体块30，第二定子铁芯31和悬浮绕组线圈32，悬浮绕组线圈32缠绕在第二定子铁芯31的凸极上，永磁体块30嵌入在第二定子铁芯31内部；
通过第二定子3嵌入到第一定子1内，同时转子2设置在第一定子1和第二定子3之间，且转子2在第一定子1和第二定子3之间进行转动，转子2上的八个转子块20和环形铁芯22与第一定子1和第二定子3分别构成外单元电机和内单元电机，再加以转子隔磁环21以及隔磁桥5的配合，与传统无轴承开关磁阻电机相比，所述混合励磁式无轴承开关磁阻电机将转矩绕组线圈4与悬浮绕组线圈32产生的磁通彻底分离开，并将不同方向的悬浮力极产生的磁通分离开，实现了转矩和悬浮力控制的自然解耦，实现了不同方向的悬浮力控制的自然解耦，进而降低了电机的控制难度，提高了电机的转矩与悬浮力控制性能。此外，所述混合励磁式无轴承开关磁阻电机的外单元电机采用分块转子和混合定子极结构，缩短了磁通路径，提高了磁通利用率并消除了转矩绕组线圈4电流换相时定子内的逆转磁通，进而提高了电机的输出转矩并降低了电机的铁芯损耗；同时，所述混合励磁式无轴承开关磁阻电机的内单元电机采用永磁体块30提供偏置磁场，降低了电机的运行损耗，故所述混合励磁式无轴承开关磁阻电机可提高电机的运行效率。
进一步的，第一定子1位于最外侧，第二定子3位于最内侧，转子2位于第一定子1和第二定子3之间，且第一定子1与转子2之间以及转子2与第二定子3之间均设置有气隙，其中气隙是等间隙的气隙，即第一定子1与转子2之间的气隙等于转子2和第二定子3之间的气隙。
如图2和图5所示，第一定子1采用混合定子极结构，包括六个形状大小相同的励磁极10和六个形状大小相同的辅助极11，它们沿着圆周方向交叉等间距分布在第一定子1的内侧。励磁极10的极弧宽度大于辅助极11的两倍的极弧宽度。
进一步的，转矩绕组线圈I4a、转矩绕组线圈II4b、转矩绕组线圈III4c、转矩绕组线圈IV4d、转矩绕组线圈V4e和转矩绕组线圈VI4f以集中绕组形式分别缠绕在六个励磁极10上，用于产生旋转转矩，且所有励磁极10上的转矩绕组线圈4匝数相同，缠绕方向一致。此外，第一定子1的直径上相对设置的两个励磁极10上的转矩绕组线圈4相连构成一相，如转矩绕组线圈I4a和转矩绕组线圈IV4d相连构成一相，转矩绕组线圈II4b和转矩绕组线圈V4e相连构成一相，转矩绕组线圈III4c和转矩绕组线圈VI4f相连构成一相。
进一步的，辅助极11上既不缠绕绕组线圈4，也不包含永磁体，它们只为转矩绕组线圈4产生的磁通提供回路。
如图3和图5所示，转子2采用圆筒形结构，包括八个形状大小相同的转子块20、转子隔磁环21和环形铁芯22。八个转子块20等间距嵌入在转子隔磁环21的外侧，环形铁芯22嵌在转子隔磁环21的内侧。转子隔磁环21不仅起固定转子块20和环形铁芯22的作用，而且可将转矩绕组线圈4产生的磁通和悬浮绕组线圈32产生的磁通分隔开，从而实现转矩与悬浮力控制的自然解耦，进而降低电机的控制难度，并提高电机转矩与悬浮力的控制性能。此外，转子2的内外表面光滑，没有任何凸起，使转子在任意旋转位置下均可产生稳定的悬浮力，可进一步提高悬浮力控制性能。同时，当电机高速旋转时，转子2结构有利于减小风摩损耗，提高电机的工作效率。
进一步的，转子2采用八个转子块20，可使电机具有较低的运行频率，进而使电机高速运行时产生较小的铁芯损耗，从而提高整个电机系统的运行效率。此外，转子2采用八个转子块20可使与同一励磁极10重叠的相邻两个转子块20产生的转矩波形不一致且相互交叉重叠，从而有利于降低电机的转矩脉动。
如图4和图5所示，第二定子3采用凸极结构，包括永磁体块30，第二定子铁芯31和悬浮绕组线圈32。
进一步的，永磁体块30的数量为四个，永磁体块30的大小和形状均相同，第二定子3设置有八个磁极。
进一步的，第二定子铁芯31上的八个凸极均匀分布在第二定子铁芯31的外侧，八个凸极它们大小相等，形状相同，每个凸极上均缠绕有匝数相同的悬浮绕组线圈32用于控制悬浮力，且它们在每个凸极上的缠绕方向相同。
进一步的，第二定子铁芯31的内部嵌有四个形状大小相同的永磁体块30，用于提供偏置磁场。四个永磁体块30在第二定子铁芯31的内部沿圆周方向正交分布，且每个永磁体块30均位于两个凸极之间的中心线上。四个永磁体块30采用周向充磁，且轴心对称的两个永磁体块30的充磁方向相同，相邻的两个永磁体块30的充磁方向相反。相邻两个永磁体块30间的中心线位置设有隔磁桥5，用于分离两个永磁体块30产生的磁场。此外，相邻两个隔磁桥5之间的第二定子铁芯31凸极上的悬浮绕组线圈32相连构成一相。
进一步的，采用永磁体块30替代传统无轴承开关磁阻电机中的励磁电流来产生偏置磁场，可有效减少电机的铜耗，进而提高整个电机系统的工作效率。
如图6所示，转矩绕组线圈I4a和转矩绕组线圈IV4d相连构成一相，当给转矩绕组线圈I4a和转矩绕组线圈IV4d供电时，其产生的磁通由所在的励磁极10出发，穿过气隙，经过转子块20和辅助极11形成闭合回路。该磁通路径较短，可有效减少漏磁通，提高磁通利用率，进而提高电机的输出转矩。同时，由于转子隔磁环21的作用，转矩绕组线圈I4a和转矩绕组线圈IV4d产生的磁通不会进入到环形铁芯22和第二定子3中。此外，当转矩绕组电流由一相换到另一相时，第一定子1中不存在逆转磁通，这有利于减小铁芯损耗，进一步提高电机效率。
如图7所示，转子2处于平衡位置，当悬浮绕组线圈32不通电时，永磁体块30产生的磁通由永磁体块30出发，通过第二定子铁芯31的一个凸极，穿过气隙，经过环形铁芯22和相邻的第二定子铁芯31的凸极形成闭合回路，如图中长虚线所示，此时电机气隙中的磁场均匀对称分布，电机不产生悬浮力。当给悬浮绕组线圈32通电时，其产生的磁通如图中点虚线所示。悬浮绕组线圈32产生的磁通与永磁体块30产生的磁通相互作用，使电机气隙中的磁场分布不对称，从而产生悬浮力。因此，通过控制不同悬浮绕组线圈32中的电流大小及方向，即可产生所需求的悬浮力。
进一步的，如图7所示，由于转子隔磁环21和隔磁桥5的作用，永磁体块30和悬浮绕组线圈32产生的磁通均不会进入到转子块20和第一定子1中，亦不会进入到相邻的悬浮力极中，消除了传统无轴承开关磁阻电机中不同方向悬浮力极间的磁通耦合，从而可降低电机悬浮力的控制难度。
进一步的，第一定子1、转子块20、环形铁芯22以及第二定子铁芯31的制作材料均采用导磁性能良好的电工薄钢板，如电工纯铁、电工硅钢片DW350、DR470、DR510、35PN440、35PN210和M19等磁性材料，冲压叠制而成；
转子隔磁环21的制作材料采用非导磁材料制成，如铝、钢、钛合金等；
转矩绕组线圈I4a、转矩绕组线圈II4b、转矩绕组线圈III4c、转矩绕组线圈IV4d、转矩绕组线圈V4e、转矩绕组线圈VI4f以及悬浮绕组线圈32的制作材料均采用导电性能良好的铜线绕制后浸漆烘干而成；
永磁体块30的制作材料采用剩磁密度较高的钕铁硼NdFeB、钐钴(SmCo)或铝镍钴AlNiCo永磁体。
本申请的混合励磁式无轴承开关磁阻电机，包括第一定子1、转子2和第二定子3，转子2上的八个转子块20和环形铁芯22与第一定子1和第二定子3分别构成外单元电机和内单元电机，再加以转子隔磁环21以及隔磁桥5的配合，与传统无轴承开关磁阻电机相比，该电机将转矩绕组线圈4与悬浮绕组线圈32产生的磁通彻底分离开，并将不同方向的悬浮力极产生的磁通分离开，实现了转矩和悬浮力控制的自然解耦，实现了不同方向的悬浮力控制的自然解耦，进而降低了电机的控制难度，提高了电机的转矩与悬浮力控制性能。此外，本申请所述的外单元电机采用分块转子和混合定子极结构，缩短了磁通路径，提高了磁通利用率并消除了转矩绕组线圈4电流换相时定子内的逆转磁通，进而提高了电机的输出转矩并降低了电机的铁芯损耗；同时，本申请所述的内单元电机采用永磁体块30提供偏置磁场，降低了电机的运行损耗，故本申请的混合励磁式无轴承开关磁阻电机可提高电机的运行效率。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

Claims (6)

1.一种混合励磁式无轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括第一定子(1)、转子(2)和第二定子(3)，所述第二定子(3)嵌入第一定子(1)的内侧，转子(2)位于第一定子(1)和第二定子(3)之间，第一定子(1)与转子(2)之间以及转子(2)与第二定子(3)之间均设置有气隙，以使转子(2)在第一定子(1)和第二定子(3)之间转动；
第一定子(1)采用混合定子极结构；
转子(2)采用圆筒形结构；
第二定子(3)采用凸极结构，其中，凸极结构包括永磁体块(30)、第二定子铁芯(31)和悬浮绕组线圈(32)，悬浮绕组线圈(32)缠绕在第二定子铁芯(31)的凸极上，永磁体块(30)设置在第二定子铁芯(31)内部；
所述第二定子铁芯(31)的内部嵌有四个永磁体块(30)，四个永磁体块(30) 在第二定子铁芯(31)的内部沿圆周方向正交分布，且每个永磁体块(30)均位于两个凸极之间的中心线上，四个永磁体块(30)采用周向充磁，且轴心对称的两个永磁体块(30)的充磁方向相同，相邻的两个永磁体块(30)的充磁方向相反；相邻两个永磁体块(30)之间的中心线位置上设置有隔磁桥(5)，相邻两个隔磁桥(5)之间的第二定子铁芯(31)的凸极上的悬浮绕组线圈(32)相连构成一相；
所述第一定子(1)采用混合定子极结构，混合定子极结构包括励磁极(10)和辅助极(11)，励磁极(10)和辅助极(11)均由第一定子(1)的内壁沿径向方向向内侧延伸形成，其中，励磁极(10)和辅助极(11)的数量均为六个，且大小和形状均相同；六个励磁极(10)和六个辅助极(11)均沿着第一定子(1)的周向方向交叉等间距设置在第一定子(1)的内侧，其中，励磁极(10)的极弧宽度大于辅助极(11)的两倍的极弧宽度；
六个所述励磁极(10)上分别缠绕转矩绕组线圈I(4a)、转矩绕组线圈II(4b)、转矩绕组线圈III(4c)、转矩绕组线圈IV(4d)、转矩绕组线圈V(4e)和转矩绕组线圈VI(4f)；转矩绕组线圈(4)包括：转矩绕组线圈I(4a)、转矩绕组线圈II(4b)、转矩绕组线圈III(4c)、转矩绕组线圈IV(4d)、转矩绕组线圈V(4e)和转矩绕组线圈VI(4f)；且所有转矩绕组线圈(4)的缠绕方向一致，其中，转矩绕组线圈(4)的匝数相同，且均为集中式绕组。
2.根据权利要求1所述的混合励磁式无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述转子（2）采用圆筒形结构，圆筒形结构包括转子块（20）、转子隔磁环（21）和环形铁芯（22），转子块（20）的数量为八个，转子块（20）沿着转子隔磁环（21）的周向方向均匀等间距嵌入在转子隔磁环（21）的外侧，环形铁芯（22）嵌在转子隔磁环（21）的内侧，从而使转子隔磁环（21）将转子（2）与第一定子（1）之间流通的磁通以及转子（2）与第二定子（3）之间流通的磁通分隔开；
其中，转子块（20）的形状为扇形，八个转子块（20）的大小和形状均相同，转子（2）的内表面和外表面均光滑。
3.根据权利要求1所述的混合励磁式无轴承开关磁阻电机，其特征在于，永磁体块（30）的数量为四个，永磁体块（30）的大小和形状均相同，第二定子（3）设置有八个凸极，第二定子铁芯（31）上设置的八个凸极大小和形状均相同。
4.根据权利要求1所述的混合励磁式无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述悬浮绕组线圈（32）匝数相同，且均为集中式绕组。
5.根据权利要求1所述的混合励磁式无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一定子（1）的直径上相对设置的两个所述励磁极（10）上的转矩绕组线圈（4）相连构成一相。
6.根据权利要求1所述的混合励磁式无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一定子（1）、转子块（20）、环形铁芯（22）以及第二定子铁芯（31）的制作材料均采用具有导磁性能的材料；
转子隔磁环（21）的制作材料采用不具有导磁性能的材料；
转矩绕组线圈I（4a）、转矩绕组线圈II（4b）、转矩绕组线圈III（4c）、转矩绕组线圈IV（4d）、转矩绕组线圈V（4e）、转矩绕组线圈VI（4f）以及悬浮绕组线圈（32）的制作材料均采用具有导电性能的铜线；
永磁体块（30）的制作材料采用具有剩磁密度的永磁体。
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