轴向径向混合励磁的无轴承双凸极永磁开关磁阻电机制造技术

本发明专利技术属于无轴承高速电机技术领域，涉及一种轴向径向混合励磁的无轴承双凸极永磁开关磁阻电机，包括定子、转子、定子铁心、转子铁心、主绕组和悬浮绕组，定子、转子均为凸极结构，在定子轭部嵌有永磁体，主绕组绕在定子齿极上，其通入的电流产生径向磁场，悬浮绕组绕在位于定子铁芯端部的悬浮绕组铁心上，其通入的电流产生轴向磁场，悬浮线圈的数目与定子齿极数相等；悬浮绕组分为轴线相互垂直的两组，通过控制两套悬浮绕组产生不同大小和方向的径向悬浮力，两者的合成则产生沿任意方向的可控径向悬浮力，利用三相绕组的轮流导通和转子位移的负反馈控制，产生转子悬浮所需的连续径向悬浮力。本发明专利技术具有高速、大功率、高效率、高功率密度、运行稳定性高、可靠性高的优点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于无轴承高速电机
，涉及一种轴向径向混合励磁的无轴承双凸极永磁开关磁阻电机，包括定子、转子、定子铁心、转子铁心、主绕组和悬浮绕组，定子、转子均为凸极结构，在定子轭部嵌有永磁体，主绕组绕在定子齿极上，其通入的电流产生径向磁场，悬浮绕组绕在位于定子铁芯端部的悬浮绕组铁心上，其通入的电流产生轴向磁场，悬浮线圈的数目与定子齿极数相等；悬浮绕组分为轴线相互垂直的两组，通过控制两套悬浮绕组产生不同大小和方向的径向悬浮力，两者的合成则产生沿任意方向的可控径向悬浮力，利用三相绕组的轮流导通和转子位移的负反馈控制，产生转子悬浮所需的连续径向悬浮力。本专利技术具有高速、大功率、高效率、高功率密度、运行稳定性高、可靠性高的优点。【专利说明】轴向径向混合励磁的无轴承双凸极永磁开关磁阻电机所属
本专利技术属于无轴承高速电机
，具体涉及一种轴向径向混合励磁的无轴承双凸极永磁开关磁阻电机。
技术介绍
高速和超高速电机在高速机床、涡轮分子泵、高速飞轮等设备中得到广泛应用，用机械轴承支撑时，由转子高速运行带来的摩擦阻力增加，使轴承磨损加剧，造成电机气隙不均，绕组发热，不仅降低电机工作效率，缩短电机和轴承的使用寿命，也增加了对电机和轴承维护的负担。磁轴承占有独立的轴向空间，使得磁轴承电机的轴向利用率较低，而磁轴承结构和电机定子结构具有一定的相似性，如果把磁轴承中的悬浮绕组叠绕在电机定子绕组上，使两种磁场合成一体，且能同时控制电机转子的悬浮和旋转是最为理想的，无轴承电机正是基于这一设想而提出的。电机中两套绕组的磁场相互作用产生了作用在电机转子上的径向力，通过控制电机中的径向力可实现转子的悬浮。与传统磁轴承电机相比，该电机具有同时产生旋转力矩和径向悬浮力的功能。现有高速电机主要有无轴承异步电机、无轴承永磁电机、无轴承开关磁阻电机等。无轴承异步电机的效率和功率因数较低。无轴承永磁电机的效率和功率因数高，但其为转子永磁式电机，高速旋转时存在结构不稳定的问题及散热不畅导致永磁体去磁的风险。无轴承开关磁阻电机具有结构简单、适合高速运转等优点。但其需要主绕组提供偏置磁场以保证转子的悬浮。这增加了电机的损耗，降低了其效率。且其只能在磁链曲线的上升段通入电流产生转矩，而下降段不通电。绕组的利用率较低，导致该电机的转矩密度和功率密度均较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种闻速、大功率、闻效率、闻功率密度、运行稳定性高、可靠性高的定子永磁式无轴承电机。本专利技术的技术方案如下:一种轴向径向混合励磁的无轴承双凸极永磁开关磁阻电机，包括定子、转子、定子铁心、转子铁心、主绕组和悬浮绕组，定子、转子均为凸极结构，其特征在于，在定子轭部嵌有永磁体，主绕组绕在定子齿极上，其通入的电流产生径向磁场，悬浮绕组绕在位于定子铁芯端部的悬浮绕组铁心上，其通入的电流产生轴向磁场，悬浮线圈的数目与定子齿极数相等；对于三相中的每一相，永磁体产生的对称磁通，起到磁轴承中的偏置磁通的作用；悬浮绕组分为轴线相互垂直的两组，通过控制两套悬浮绕组产生不同大小和方向的径向悬浮力，两者的合成则产生沿任意方向的可控径向悬浮力，利用三相绕组的轮流导通和转子位移的负反馈控制，产生转子悬浮所需的连续径向悬浮力。作为优选实施方式，所述的轴向径向混合励磁的无轴承双凸极永磁开关磁阻电机，其特征在于，其转矩的产生方式为:在永磁磁链的上升段给主绕组通入正向电流产生正向转矩，在永磁磁链的下降段，给主绕组通入负向电流，也产生正向转矩；定子铁心、转子铁心均由硅钢片叠压而成，悬浮绕组铁心由导磁钢材制成。本专利技术提出一种新型轴向径向混合励磁的无轴承双凸极永磁开关磁阻电机，通过采用永磁体来建立气隙基本磁场，可产生较高的气隙磁密，这一气隙磁通即可用来产生转矩又可提供悬浮力，避免了需要主绕组电流来建立气隙偏置磁场，减小了主绕组电流，降低了电机的损耗，提高了电机的整体效率和功率密度，降低温升，提高电机运行的稳定性和可靠性。其永磁体放置于定子铁心的轭部，为定子永磁式电机，不存在高速旋转时永磁体甩落的问题，大大提高了电机高速运行时的稳定性和可靠性。同时，永磁体置于定子，便于永磁体的散热，可避免高温去磁问题。此外，定子每极绕组为单层结构，相对于普通无轴承开关磁阻电机的双层绕组结构，提高了槽的利用率，绕组为集中式绕组，端部短，损耗小，进一步提高了电机效率和功率密度，简化了电机结构，降低了生产加工的复杂性。其转子为硅钢片叠压而成的一个整体，转子上无绕组、无永磁体、无电刷，结构简单坚固，非常适合高速和超高速旋转，可提高电机的极限转速。【专利附图】【附图说明】图1轴向径向混合励磁无轴承双凸极永磁开关磁阻电机基本结构(a)为整体结构图，(b)为悬浮绕组示意图。图2主绕组功率变换器。图3悬浮绕组H桥功率变换器。图4 (a)12 / 8结构轴向径向混合励磁的无轴承双凸极永磁开关磁阻电机径向悬浮力产生原理图径向悬浮力产生原理图(b)为悬浮磁通磁路示意图。图5转矩产生原理。【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本专利技术进行说明。综合双凸极永磁开关磁阻电机和磁轴承电机的优良特性，本专利技术提出了轴向径向混合励磁的无轴承双凸极永磁开关磁阻电机这一新型电机。其基本结构如图1所示，包括嵌于定子轭部的永磁体1，悬浮绕组铁心2，转子铁心3，定子铁心4，主绕组5，悬浮绕组6。其为轴向、径向混合励磁方式。主绕组绕在定子齿极上，其通入的电流产生径向磁场。悬浮绕组绕在构成悬浮绕组磁路的铁芯上，其通入的电流产生轴向磁场。定子、转子铁心均由硅钢片叠压而成。定子、转子均为凸极结构。悬浮绕组铁心由导磁钢材制成，为整体结构。运行时，由永磁体I建立气隙基本磁场，其磁路为径向方向。气隙磁场与主绕组5的电流相互作用产生转矩，推动转子的旋转。悬浮绕组6产生沿轴向的磁场与永磁体I产生的磁场在气隙中合成，根据产生径向悬浮力的要求，悬浮绕组6产生的磁场方向可与永磁体I产生的磁场方向相同或相反，使得不同转子极下的气隙磁密大小不等，进而产生x、y方向的径向悬浮力，支撑转子的悬浮。这样由DSP控制器根据转子位置反馈信号及转矩和悬浮力要求，按一定算法输出控制信号，通过功率变换器控制主绕组电流和悬浮绕组电流的大小和方向即可实现这一新型电机的旋转和悬浮。这一电机的运行还需功率变换器的配合，主绕组的功率变换器为3相4桥臂结构，如图2所示。为实现悬浮绕组每一相悬浮绕组电流的方向和大小均可独立控制，采用了 6相独立H桥结构的功率变换器，如图3所示。这一电机的详细工作原理如下所述。轴向径向混合励磁的无轴承双凸极永磁开关磁阻电机是利用麦克斯韦力(即径向悬浮力)实现转子的悬浮。图4是12 / 8结构轴向径向混合励磁的无轴承双凸极永磁开关磁阻电机径向悬浮力产生原理图，为清楚起见，图中只画出A相主绕组及其悬浮绕组的磁力线。无轴承永磁开关磁阻电机与普通开关磁阻电机一样采用集中绕组，每相绕组由对称均布的4个凸极上的绕组线圈串联而成。而悬浮绕组由绕在悬浮铁心上的相对的两个线圈串联组成，悬浮线圈的数目与电机的定子齿极数相等。在主绕组中通入的电流标记为im，在悬浮绕组中通入的电流标记为is。在本电机中，永磁体和悬浮线圈磁路互不相同，悬浮线圈磁路如图5中虚线所示。悬浮线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轴向径向混合励磁的无轴承双凸极永磁开关磁阻电机，包括定子、转子、定子铁心、转子铁心、主绕组和悬浮绕组，定子、转子均为凸极结构，其特征在于，在定子轭部嵌有永磁体，主绕组绕在定子齿极上，其通入的电流产生径向磁场，悬浮绕组绕在位于定子铁芯端部的悬浮绕组铁心上，其通入的电流产生轴向磁场，悬浮线圈的数目与定子齿极数相等；对于三相中的每一相，永磁体产生的对称磁通，起到磁轴承中的偏置磁通的作用；悬浮绕组分为轴线相互垂直的两组，通过控制两套悬浮绕组产生不同大小和方向的径向悬浮力，两者的合成则产生沿任意方向的可控径向悬浮力，利用三相绕组的轮流导通和转子位移的负反馈控制，产生转子悬浮所需的连续径向悬浮力。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：修杰，夏长亮，修妍，王世宇，邢静玥，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12