多相单绕组交替极永磁型无轴承电机制造技术

本发明专利技术公开了一种多相单绕组交替极永磁型无轴承电机。它包括定子铁心、转子铁心、转子转轴、转子永磁体、多相绕组，定子铁心中设有一套多相绕组，转子永磁体均为同极性排列，转子永磁体之间的转子铁心被交替极化成相同的另一极性。从深入分析交替极无轴承永磁电机的磁悬浮机理着手，通过对多相电机中转矩电流、悬浮电流反向磁场对悬浮力影响的解析分析，提出了一套多相单绕组交替极永磁型无轴承电机的设计方案。本发明专利技术采用一套多相电机绕组，一套多相变频器，实现系统的无轴承运行；所述结构同时具有多相单绕组结构和交替极永磁型无轴承电机的优势，悬浮控制与转矩控制的耦合程度大幅降低，绕组结构简单，易于实现大功率传动，具有更高的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多相单绕组交替极永磁型无轴承电机，适合于高速大功率无轴承交流传动系统，属于采用无轴承技术的磁悬浮电机。
技术介绍
永磁型交替极无轴承电机是一种新型的无轴承电机，其转子结构采用磁钢和硅钢片交替分布的形式，其最大的特点是实现转矩性能和悬浮性能的完全解耦，控制较普通无轴承电机简单，悬浮控制无需转子位置信号，近年来受到了学术界广泛的关注。 目前的交替极永磁型无轴承电机均采用两套极对数不同的三相绕组。在大功率传动系统中，受电力电子器件单管容量水平的限制，只能采用功率器件串联或并联的变频器来满足要求，若要实现无轴承运行，就必须采用两套这样的变频器分别给三相转矩绕组和三相悬浮绕组供电。采用这类变频器(如多电平变频器)存在均压、均流困难等问题，只要有一相出现故障，系统就无法正常工作。多相单绕组无轴承电机为最新研究的一种无轴承电机，其采用一套多相绕组取代传统的两套三相绕组，利用多相电机中不同的控制自由度(平面)，分别控制电机的旋转和悬浮。多相单绕组结构中，类比于传统无轴承电机中转矩绕组和悬浮绕组的概念，定义产生电磁转矩的平面为转矩平面，为电机提供悬浮磁场的平面为悬浮平面。该电机具有损耗低、 高可靠性、易于实现大功率等优势。目前还未有采用多相单绕组结构的交替极永磁型无轴承电机见诸报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种多相单绕组交替极永磁型无轴承电机。多相单绕组交替极永磁型无轴承电机包括定子铁心、转子铁心、转子转轴、转子永磁体、多相绕组，定子铁心中设有一套多相绕组，转子永磁体均为同极性排列，转子永磁体之间的转子铁心被交替极化成相同的另一极性。所述的多相绕组的设计方法的步骤为1)电机相数与转矩平面极对数的选取设a为电机相数，悬浮平面极对数为1，转矩平面极对数为A，使电机转矩电流或者悬浮电流产生的反向磁场不产生悬浮力扰动，电机相数和转矩绕组极对数按照下列关系选取，即《 = 3pa或者《 = 2Pc + l ;2)多相绕组结构的设计采用相带角的绕组分布形式，每相绕组不再沿圆周对称，其中含有奇次和偶次的各次空间谐波；若选取《 = ,则调整绕组节距，使绕组函数的，-〗次空间谐波接近为0，若选取《 = 2j a + l,则调整绕组节距，使得绕组函数的《-八次空间谐波接近为0。本专利技术采用一台单套多相绕组交流电机和一台多相逆变器，在避免电力电子功率器件的直接串、并联的前提下更易于实现大功率传动。此外，与传统的双绕组交替极永磁型无轴承电机相比，本专利技术只需一套多相定子绕组，不仅结构简单，更易于嵌线，还具有更高的可靠性，当一相或几相发生故障时可实现容错运行。附图说明图1是多相单绕组交替极永磁型无轴承电机结构示意图2是九相单绕组交替极无轴承电机中采用的3-1-1-1绕组结构； 图3是3-1-1-1绕组结构的绕组函数各次空间谐波含量；图4是九相单绕组无轴承电机的仿真结果，表示电机水平和垂直方向悬浮力与电机转角的关系。具体实施例方式如图1所示，多相单绕组交替极永磁型无轴承电机包括定子铁心1、转子铁心2、转子转轴3、转子永磁体4、多相绕组5，定子铁心2中设有一套多相绕组5，转子永磁体4均为同极性排列，转子永磁体4之间的转子铁心2被交替极化成相同的另一极性。所述的多相绕组5的设计方法的步骤为1)电机相数与转矩平面极对数的选取设《为电机相数，悬浮平面极对数为1，转矩平面极对数力，使电机转矩电流或者悬浮电流产生的反向磁场不产生悬浮力扰动，电机相数和转矩绕组极对数按照下列关系选取，g卩《 = 或者《 = + 1 ;2)多相绕组结构的设计采用2Λ7 相带角的绕组分布形式，每相绕组不再沿圆周对称，其中含有奇次和偶次的各次空间谐波；若选取《 = 3 ,则调整绕组节距，使绕组函数的M-I次空间谐波接近为0，若选取《 = 2八+1,则调整绕组节距，使得绕组函数的次空间谐波接近为0。实施例一台九相单绕组交替极永磁型无轴承电机，其定子采用一套九相绕组，相邻相差为 2 π/9电角度；其转矩平面的极对数为4，采用此结构时悬浮电流反向旋转磁场(对应8次谐波)不会产生额外的悬浮力。为了保证电机绕组函数的基波和4次谐波幅值，提高电机的转矩性能，采用了如图2所示的3-1-1-1的九相单绕组交替极无轴承电机的绕组结构。图2表示一相绕组的绕组函数，此结构不再关于空间对称，含有奇次和偶次的空间各次谐波。此时需保证绕组函数的&次(5次)空间谐波接近为0，进而降低转矩电流反向磁场对电机悬浮力的影响，由图3所示，节距选取11和21时，电机绕组函数的5次谐波接近为0。当yl=21时，电机的4次谐波幅值在其峰值附近，采用此种结构的电机拥有较好的转矩性能，故选取节距为21的方案。图1表示设计的九相单绕组无轴承电机的定子绕组结构图。为验证所提结构的可行性，给出了图4所示的仿真结果，保持电机转矩电流为0， 通以IOA的悬浮电流，分析在悬浮电流恒定的情况下，电机转角在0-90度的范围内，电机悬浮力的变化情况。如图4所示，与传统的交替极仿真结果类似，所提出的九相单绕组交替极无轴承电机可以提供与转子位置解耦的悬浮力，故该结构实现了悬浮力与转矩平面的完全解耦。本专利技术的工作原理是多相单绕组电机具有一套相数η > 5的绕组，电机定子每相绕组不再关于气隙圆周对称，使之同时含有奇次和偶次的空间各次谐波；根据交替极永磁型无轴承电机原理，电机的转矩和悬浮力可以通过特定极对数的两旋转磁场相互作用来产生。本专利技术利用多相电机的一个控制自由度(平面)控制电机的旋转， 再利用另一个控制自由度控制电机的悬浮。两控制自由度(平面)相互正交，即旋转坐标系下转矩电流和悬浮电流解耦，即旋转坐标系下转矩和悬浮可分别调制。在多相绕组中同时通入下式定义的两组相位差不同的电流，为电机提供转矩和悬浮力，从而实现电机的转矩驱动和转子悬浮。J1、/$分别表示电机的悬浮电流和转矩电流，t、Φ2分别为两组电流中a相电流对应的初始相位，Ilm、表示两组电流的幅值。此两组电流(转矩电流、悬浮电流)分别可以在电机中产生1对极和 对极的磁场，其中凡对极磁场与永磁体相互作用可以产生电磁转矩，而1对极破坏电机磁场的固有平衡，进而产生悬浮力。区别于普通的交替极永磁型无轴承电机，利用多相电机的特点，采用多相单绕组结构的交替极无轴承电机中存在转矩电流和悬浮电流引起的反向旋转磁场，多相单绕组交替极无轴承电机的磁动势可以表示为权利要求1.一种多相单绕组交替极永磁型无轴承电机，其特征在于包括定子铁心(1)、转子铁心(2)、转子转轴(3)、转子永磁体(4)、多相绕组(5)，定子铁心(2)中设有一套多相绕组 (5)，转子永磁体(4)均为同极性排列，转子永磁体(4)之间的转子铁心(2)被交替极化成相同的另一极性。2.根据权利要求1所述的一种多相单绕组交替极永磁型无轴承电机，其特征在于所述的多相绕组(5)的设计方法的步骤为1)电机相数与转矩平面极对数的选取设《为电机相数，悬浮平面极对数为1，转矩平面极对数力，使电机转矩电流或者悬浮电流产生的反向磁场不产生悬浮力扰动，电机相数和转矩绕组极对数按照下列关系选取，即《 = 或者《二 + 1 ;2)多相绕组结构的设计采用2Λ"/ 相带角的绕组分布形式，每相绕组不再沿圆周对称，其中含有奇本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种多相单绕组交替极永磁型无轴承电机，其特征在于包括定子铁心（１）、转子铁心（２）、转子转轴（３）、转子永磁体（４）、多相绕组（５），定子铁心（２）中设有一套多相绕组（５），转子永磁体（４）均为同极性排列，转子永磁体（４）之间的转子铁心（２）被交替极化成相同的另一极性。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄进，姜海博，康敏，袁宝成，李炳楠，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86