一种转矩与悬浮力轴向平衡的三单元弱耦合磁悬浮开关磁阻电机制造技术

本发明专利技术提出一种转矩与悬浮力轴向平衡的三单元弱耦合磁悬浮开关磁阻电机，由三个6/3双凸极单元组成，其中6/3双凸极单元1、2结构相同且镜像对称，6/3双凸极单元3的定、转子铁芯轴向长度为6/3双凸极单元1、2的两倍且6/3双凸极单元3的转子与6/3双凸极单元1、2的转子在空间上错位30

【技术实现步骤摘要】
一种转矩与悬浮力轴向平衡的三单元弱耦合磁悬浮开关磁阻电机


[0001]本专利技术属于电机设计
，涉及一种弱耦合磁悬浮开关磁阻电机。

技术介绍

[0002]结合储能、氢能等新技术，提升可再生能源在区域能源供应中的比重，为响应国家的号召，研发更加节能环保的新能源汽车已然成为必然趋势。
[0003]新能源汽车的动力电池主要通过储能的方式供电，现阶段的储能技术根据储存介质的不同可分为五大类，分别为机械储能、电磁储能、电化学储能、热储能以及化学储能。当前市场下的新能源汽车主要采用电化学储能的方式，但电化学储能普遍存在能耗高、废弃后高污染等缺点，而机械储能中的飞轮储能运行可靠、环保，适合作新能源汽车的动力电池用。
[0004]飞轮储能系统包括飞轮转子、充发电一体化电机、轴承以及密封壳体。充电时飞轮电动机带动飞轮转子旋转，外部电能转化为机械能储存在高速旋转的飞轮中；放电时，飞轮转子带动发电机旋转向外部输送电能，同时飞轮转速降低为下一次充电做准备。
[0005]电机是飞轮储能系统充发电的核心部件，目前飞轮储能用电机主要包括感应电机、永磁电机以及开关磁阻电机。感应电机转换效率偏低，难以做到高速运行且控制困难；永磁电机在高温工况下容易出现永磁体退磁现象，导致电流持续上升，能耗增加的同时也提升了用户成本；开关磁阻电机具有结构简单、机械强度高、调速范围宽等优点，适合作为飞轮储能用高速电机。
[0006]传统开关磁阻电机采用机械轴承支撑转子，高速运行工况下传统机械轴承不可避免地产生摩擦损耗，很大程度上降低了电机的效率。而磁轴承通过控制径向相对绕组中的电流大小可产生指定方向的电磁力使得转子悬浮，转子与轴承无机械接触并且转子位移可通过闭环系统控制。结合开关磁阻电机与磁轴承的优点，磁悬浮开关磁阻电机应运而生。日本学者M.Takemoto率先研究出12/8双绕组磁悬浮开关磁阻电机，每个定子齿上在原有转矩绕组的基础上额外添加悬浮绕组，通过对悬浮绕组不对称励磁产生指定方向的悬浮力；随着对双绕组磁悬浮开关磁阻电机的研究相对完善后，单绕组磁悬浮开关磁阻电机的概念被提出，德国学者L.Chen研究出8/6单绕组结构，中国台湾学者F.C.Lin提出了12/8单绕组结构，转矩电流与悬浮控制电流在同一套绕组中流通，调节悬浮控制电流大小可产生所需悬浮力。上述结构虽能实现磁悬浮开关磁阻电机的基本功能，但转矩系统与悬浮系统之间耦合严重，控制困难。本专利技术提出一种转矩与悬浮力轴向平衡的三单元弱耦合磁悬浮开关磁阻电机，绕组遵循分时复用的原则，在同一时刻可在不同的电机单元中分别产生转矩与悬浮力，转矩系统与悬浮系统之间呈现弱耦合特征，控制简单。
[0007]申请号为CN202011484297.5的专利技术中提出的双6/3磁悬浮开关磁阻电机运行过程中转矩与悬浮力同一时刻下会在两个电机单元中分别产生，然而高速运行工况下每相在转矩相与悬浮相之间频繁切换，双单元结构转矩和悬浮力轴向分布的不平衡性会使得电机转
子产生高频振动，运行噪声也随之增大。而振动与噪声是车载飞轮电池设计中的重要指标，传统双6/3磁悬浮开关磁阻电机难以满足。三单元6/3磁悬浮开关磁阻电机每相绕组仍然遵循分时复用原则，同一时刻下可在不同的电机单元中分别产生转矩与悬浮力，实现转矩系统与悬浮系统的弱耦合运行，在此基础上还可进一步保证电机运行过程中转矩与悬浮力轴向上由前后侧电机单元同时产生或者由中部电机单元提供，轴向分布更平衡，从而有效降低电机高速运行下由于相绕组频繁切换工作状态所产生的振动与噪声，进一步提升车载飞轮电池的运行性能。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是实现开关磁阻电机机械强度高、调速范围宽与磁轴承无机械磨损、效率高的优点，三单元结构不仅实现了转矩系统与悬浮系统之间的弱耦合运行，而且保证了电机工作过程中转矩与悬浮力的连续性以及轴向分布的平衡性。为此，提出一种转矩与悬浮力轴向平衡的三单元弱耦合磁悬浮开关磁阻电机。
[0009]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0010]一种转矩与悬浮力轴向平衡的三单元弱耦合磁悬浮开关磁阻电机，由五个部分组成：6/3双凸极单元1、6/3双凸极单元2、6/3双凸极单元3、绕组以及转轴；其中，6/3双凸极单元1与6/3双凸极单元2结构尺寸完全相同且关于转轴中心所在径向截面镜像对称，6/3双凸极单元3的定、转子铁芯轴向长度为6/3双凸极单元1、6/3双凸极单元2的两倍；三个6/3双凸极单元的定子齿轴向精确对齐，6/3双凸极单元3的转子与6/3双凸极单元1、2的转子同轴连接且转子齿空间上存在30
°
机械角度的错位；
[0011]6/3双凸极单元1、6/3双凸极单元2分别位于电机前、后侧，6/3双凸极单元3位于电机中部；6/3双凸极单元1与6/3双凸极单元2的定、转子结构尺寸完全相同。
[0012]进一步，为使电机产生的转矩与悬浮力连续且轴向平衡，6/3双凸极单元3的定子铁芯、转子铁芯轴向长度为6/3双凸极单元1、6/3双凸极单元2的两倍。
[0013]进一步，6/3双凸极单元1的六个定子齿1
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1、定子齿1
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2、定子齿1
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3、定子齿1
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4、定子齿1
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5、定子齿1
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6，6/3双凸极单元2的六个定子齿2
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1、定子齿2
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2、定子齿2
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3、定子齿2
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4、定子齿2
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5、定子齿2
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6以及6/3双凸极单元3的六个定子齿3
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1、定子齿3
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2、定子齿3
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3、定子齿3
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4、定子齿3
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5、定子齿3
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6在空间上轴向精确对齐；6/3双凸极单元1的三个转子齿1
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7、转子齿1
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8、转子齿1
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9与6/3双凸极单元2的三个转子齿2
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7、转子齿2
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8、转子齿2
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9在空间上轴向精确对齐，6/3双凸极单元3的三个转子齿3
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7、转子齿3
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8、转子齿3
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9与6/3双凸极单元1、6/3双凸极单元2的转子齿空间上存在30
°
机械角度的错位。
[0014]进一步，该电机共有四相，每相绕组构成以及连接方式为：6/3双凸极单元1的定子齿1
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1、定子齿1
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3、定子齿1
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5上的绕组1
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10，绕组1
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12，绕组1
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14分别与6/3双凸极单元2的定子齿2
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1、定子齿2
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3、定子齿2
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5上的绕组2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种转矩与悬浮力轴向平衡的三单元弱耦合磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，由五个部分组成：6/3双凸极单元1、6/3双凸极单元2、6/3双凸极单元3、绕组以及转轴；其中，6/3双凸极单元1与6/3双凸极单元2结构尺寸完全相同且关于转轴中心所在径向截面镜像对称，6/3双凸极单元3的定、转子铁芯轴向长度为6/3双凸极单元1、6/3双凸极单元2的两倍；三个6/3双凸极单元的定子齿轴向精确对齐，6/3双凸极单元3的转子与6/3双凸极单元1、2的转子同轴连接且转子齿空间上存在30
°
机械角度的错位；6/3双凸极单元1、6/3双凸极单元2分别位于电机前、后侧，6/3双凸极单元3位于电机中部；6/3双凸极单元1与6/3双凸极单元2的定、转子结构尺寸完全相同。2.根据权利要求1所述的一种电机，其特征在于：为使电机产生的转矩与悬浮力连续且轴向平衡，6/3双凸极单元3的定子铁芯、转子铁芯轴向长度为6/3双凸极单元1、6/3双凸极单元2的两倍。3.根据权利要求1所述的一种电机，其特征在于：6/3双凸极单元1的六个定子齿1
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1、定子齿1
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2、定子齿1
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3、定子齿1
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4、定子齿1
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5、定子齿1
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6，6/3双凸极单元2的六个定子齿2
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1、定子齿2
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2、定子齿2
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3、定子齿2
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4、定子齿2
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5、定子齿2
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6以及6/3双凸极单元3的六个定子齿3
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1、定子齿3
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2、定子齿3
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3、定子齿3
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4、定子齿3
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5、定子齿3
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6在空间上轴向精确对齐；6/3双凸极单元1的三个转子齿1
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7、转子齿1
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8、转子齿1
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9与6/3双凸极单元2的三个转子齿2
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7、转子齿2
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8、转子齿2
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9在空间上轴向精确对齐，6/3双凸极单元3的三个转子齿3
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7、转子齿3
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8、转子齿3
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9与6/3双凸极单元1、6/3双凸极单元2的转子齿空间上存在30
°
机械角度的错位。4.根据权利要求1所述的一种电机，其特征在于：该电机共有四相，每相绕组构成以及连接方式为：6/3双凸极单元1的定子齿1
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1、定子齿1
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3、定子齿1
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5上的绕组1
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10，绕组1
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12，绕组1
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14分别与6/3双凸极单元2的定子齿2
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1、定子齿2
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3、定子齿2
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5上的绕组2
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10，绕组2
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12，绕组2
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14串联构成A相；6/3双凸极单元1的定子齿1
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2、定子齿1
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4、定子齿1
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6上的绕组1
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11，绕组1
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13，绕组1
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15分别与...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永红，孙猛，袁野，何昕玥，杨帆，刘丹，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：