本實用新型涉及一種多變量、非線性、強(qiáng)耦合的無軸承同步磁阻電機(jī)，屬于電機(jī)制造及控制領(lǐng)域，應(yīng)用于高速電力傳動場合、機(jī)床電主軸、生物工程、有毒物質(zhì)傳輸和半導(dǎo)體制造等工業(yè)領(lǐng)域及航空航天等軍事領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無軸承同步磁阻電機(jī)的定子轉(zhuǎn)矩繞組中疊入極對數(shù)相差1的懸浮力繞組，控制這兩套繞組可同時產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力。因此，無軸承同步磁阻電機(jī)兼?zhèn)浯泡S承與同步磁阻電機(jī)的優(yōu)點，能夠最大限度地利用磁阻轉(zhuǎn)矩。凸極式轉(zhuǎn)子無軸承同步磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、易實現(xiàn)高速或超高速運(yùn)行等優(yōu)勢，但凸極式轉(zhuǎn)子無軸承同步磁阻電機(jī)的凸極比（交軸電感與直軸電感之比）較低，造成電機(jī)功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩密度和效率偏低，限制了其使用范圍。無軸承同步磁阻電機(jī)是多層磁障式轉(zhuǎn)子，凸極比雖高，但轉(zhuǎn)矩密度偏低。在無軸承同步磁阻電機(jī)的磁障轉(zhuǎn)子中注入永磁體形成的新型永磁輔助式無軸承同步磁阻電機(jī)，具有功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩密度和效率均較高的優(yōu)點，并且具備較寬的弱磁調(diào)速能力，進(jìn)一步拓寬了無軸承同步磁阻電機(jī)的應(yīng)用范圍。

中國專利申請?zhí)枮镃N201080041649.8的文獻(xiàn)中公開了一種永磁輔助式同步磁阻電機(jī)，其磁障結(jié)構(gòu)并沒有使得磁阻轉(zhuǎn)矩最大化；轉(zhuǎn)子中未設(shè)置永磁體安裝槽，高速運(yùn)行時永磁體可能發(fā)生脫落，從而引發(fā)電機(jī)故障；磁障內(nèi)嵌入高剩磁的釹鐵硼永磁材料是不可再生資源，價格昂貴，嵌入同步磁阻電機(jī)中的性價比極差，這是由于永磁體所嵌位置與氣隙具有較大的距離，永磁體磁能進(jìn)入氣隙的過程具有較多的障礙，將致使永磁體的利用率較低。中國專利申請?zhí)枮镃N201410243253.1和CN201410243245.7的文獻(xiàn)中公開了兩種永磁輔助同步磁阻電機(jī)，永磁體仍使用高剩磁的釹鐵硼永磁材料，并且永磁體體積較大，規(guī)格較多，僅有第一層永磁體與氣隙直接接觸可輸出一定的有效磁能，其余永磁體的利用率較低。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩密度略高于內(nèi)置式永磁電機(jī)，但電機(jī)成本大幅提高，性價比較低，不宜推廣應(yīng)用。中國專利申請?zhí)枮镃N201210056204.8和CN201210056244.2的文獻(xiàn)中公開了兩種永磁輔助同步磁阻電機(jī)，磁障內(nèi)嵌入的是圓弧形鐵氧體永磁，其價格低廉，但鐵氧體材料較脆，只能進(jìn)行切片或者輕微的磨加工，因此圓弧形鐵氧體永磁加工成本較高，生產(chǎn)工藝較繁瑣。

因此，在選擇合適的永磁體材料及結(jié)構(gòu)的同時，如何獲得高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度的無軸承同步磁阻電機(jī)已成為當(dāng)前無軸承同步磁阻電機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是為了解決傳統(tǒng)無軸承同步磁阻電機(jī)凸極比偏低導(dǎo)致的電機(jī)功率因數(shù)低、轉(zhuǎn)矩密度偏低的問題而提出一種高凸極比、高功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩密度的永磁輔助式無軸承同步磁阻電機(jī)。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是：包括定子、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)子同軸位于定子內(nèi)部且同軸套在轉(zhuǎn)軸外，定子內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子外壁之間具有徑向氣隙，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部沿圓周向方向均勻設(shè)置有四組磁障體，每組磁障體均由沿徑向間隔布置的圓弧形的內(nèi)層磁障和外層磁障組成，每個內(nèi)層磁障和外層磁障的中間段都設(shè)有一個永磁體安裝槽，每個永磁體安裝槽中嵌有一塊永磁體，內(nèi)層磁障、外層磁障和永磁體均沿電機(jī)d軸對稱分布；定子上外層繞有轉(zhuǎn)矩繞組，內(nèi)層繞有懸浮力繞組；相鄰兩組磁障體中的永磁體的充磁方向相反，同一組磁障體中的永磁體的充磁方向相同，永磁體靠近氣隙端為N極，靠近轉(zhuǎn)軸端為S極。

進(jìn)一步地，定子由定子齒、定子槽和定子軛組成，相鄰兩個定子齒之間形成定子槽，設(shè)有24個定子槽，內(nèi)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組安放在定子槽內(nèi)；定子齒徑向橫截面為T型，T型的頂部靠近轉(zhuǎn)子，T型的底部與定子軛連為一體，定子軛的徑向?qū)挾葹?i>t₁，定子齒的中心處齒寬為t₂，t₁=2~3t₂；

更一步地，懸浮力繞組和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩繞組分別由兩個三相逆變器驅(qū)動，懸浮力繞組是每極每相槽數(shù)為4的分布式繞組，相鄰的每四個槽為一相的進(jìn)線端或出線端；轉(zhuǎn)矩繞組是每極每相槽數(shù)為2的分布式繞組，相鄰的每兩個槽為一相的進(jìn)線端或出線端。

進(jìn)一步地，外層磁障的弧形端部和轉(zhuǎn)子的圓心O的連線與d軸所成的夾角為a₁，內(nèi)層磁障的弧形端部和轉(zhuǎn)子的圓心O的連線與d軸所成的夾角為a₂，滿足a₂>a₁，0.85×2p/2p<a₁<0.95×2p/2p，p為極對數(shù)；

更一步地，內(nèi)層磁障沿d軸方向上的厚度為l₁，外層磁障沿d軸方向上的厚度為l₂，滿足l₁>l₂；內(nèi)層磁障中心距離圓心O的長度為轉(zhuǎn)子半徑長度的一半，外層磁障中心距離圓心O的長度為轉(zhuǎn)子半徑長度的四分之三。

本實用新型的優(yōu)點在于：

1、本實用新型在轉(zhuǎn)子直軸磁路上增加了磁障，同時在轉(zhuǎn)子直軸磁路上采用分層式矩形永磁體結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)的直軸電感大于交軸電感，克服了傳統(tǒng)無軸承同步磁阻電機(jī)固有的凸極比偏低所導(dǎo)致功率因數(shù)低的缺陷，并且增加了電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度；高速運(yùn)行時電機(jī)較容易實現(xiàn)弱磁控制，恒功率調(diào)速范圍較寬。

2、本實用新型在給定電機(jī)輸出功率時，可選用較小容量的逆變器，降低了系統(tǒng)成本。

3、永磁體產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)地增加了無軸承同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。

4、由于轉(zhuǎn)子中注入的永磁體量較少，高速運(yùn)行時較容易實現(xiàn)弱磁，恒功率調(diào)速范圍很寬。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1為本實用新型永磁輔助式無軸承同步磁阻電機(jī)的軸向安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型永磁輔助式無軸承同步磁阻電機(jī)的徑向結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2中定子的局部結(jié)構(gòu)放大示意圖；

圖4為圖2中的懸浮力繞組連接方式示意圖；

圖5為圖2中的轉(zhuǎn)矩繞組連接方式示意圖；

圖6為圖2中轉(zhuǎn)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部放大示意圖；

圖7為傳統(tǒng)無軸承同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)向量圖；

圖8為本實用新型永磁輔助式無軸承同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)向量圖。

圖中：1.定子；2.轉(zhuǎn)子；3.永磁體；4.永磁體安裝槽；5.磁障體；5-1.內(nèi)層磁障；5-2.外層磁障；6.轉(zhuǎn)軸；7.定子齒；8.定子槽；9.定子軛；10.轉(zhuǎn)矩繞組；11.懸浮力繞組；12.光電編碼器；13.電渦流傳感器；14.機(jī)殼；15.調(diào)心球軸承；16.輔助軸承；17.內(nèi)螺紋冷卻管；18.左端蓋；19.右端蓋。

具體實施方式

參見圖1和圖2，本實用新型永磁輔助式無軸承同步磁阻電機(jī)包括定子1、轉(zhuǎn)子2和轉(zhuǎn)軸6，轉(zhuǎn)子2同軸位于定子1內(nèi)部，轉(zhuǎn)子2同軸套在轉(zhuǎn)軸6外，轉(zhuǎn)子2上開槽用于安放轉(zhuǎn)軸6。定子1上繞有內(nèi)、外雙層繞組，外層繞組為轉(zhuǎn)矩繞組10，內(nèi)層繞組為懸浮力繞組11。在定子1的外部是機(jī)殼14，機(jī)殼14的軸向左右兩端分別是左端蓋18和右端蓋19，機(jī)殼14用于固定定子1、左端蓋18和右端蓋19，左端蓋18通過調(diào)心球軸承15連接轉(zhuǎn)軸6，右端蓋19通過輔助軸承16連接轉(zhuǎn)軸6。調(diào)心球軸承15使轉(zhuǎn)軸6在軸向固定，而在徑向二自由度內(nèi)靈活運(yùn)動。輔助軸承16用來避免電機(jī)懸浮或靜止過程中造成的碰撞。在轉(zhuǎn)軸6的左右兩端分別安裝光電編碼器12和電渦流傳感器13，分別用來檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速和徑向位移。定子1內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子2外壁之間具有徑向氣隙，徑向氣隙的厚度與電機(jī)的功率等級、所選取的永磁材料以及定子1與轉(zhuǎn)子2的加工和裝配工藝有關(guān)。

在轉(zhuǎn)子2內(nèi)部，沿圓周向方向均勻設(shè)置有四組磁障體5，每組磁障體5均由兩個沿轉(zhuǎn)子2的徑向間隔布置的圓弧形磁障組成，每個圓弧形磁障的中間段都設(shè)有一個永磁體安裝槽4，每個永磁體安裝槽4中對應(yīng)地嵌入一塊永磁體3。在圓弧形磁障的空隙處填入環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料以增強(qiáng)轉(zhuǎn)子2強(qiáng)度。

定子1和轉(zhuǎn)子2都由0.35mm厚度的硅鋼片疊壓而成，疊壓系數(shù)為0.95。轉(zhuǎn)軸6由不導(dǎo)磁材料組成。

再結(jié)合圖3，定子1由定子齒7、定子槽8和定子軛9組成。相鄰兩個定子齒7之間形成定子槽8，在定子槽8內(nèi)安放轉(zhuǎn)矩繞組10和懸浮力繞組11。定子齒7徑向橫截面為T型，T型的頂部靠近轉(zhuǎn)子2，T型的底部與定子軛9連為一體。定子軛9的徑向?qū)挾葹?i>t₁，定子齒7的中心處齒寬為t₂，為了防止定子軛9磁路飽和，要求t₁=2~3t₂。

定子1設(shè)有24個定子槽8，24個定子槽8沿圓周方向均勻布置，轉(zhuǎn)矩繞組10和懸浮力繞組11置放在24個定子槽8內(nèi)，并采用分布式結(jié)構(gòu)。

如圖2和圖4所示，懸浮力繞組11是每極每相槽數(shù)為4的分布式繞組，按順時針方向定義為A1+、Z1-、B1+、X1-、C1+、Y1-排列，相鄰的每四個槽為一相的進(jìn)線端或出線端，這樣排列使得懸浮力繞組11產(chǎn)生兩極磁場。為直觀理解懸浮力繞組11的接線安排與電流流向，將懸浮力繞組11水平展開，具體連線方式和電流流向如圖4所示，懸浮力繞組11采用同心式繞組，以A相為例，每四個槽的繞組為一相的進(jìn)線端或出線端，懸浮力繞組按A1+、Z1-、B1+、X1-、C1+、Y1-（+、-號分別表示電流流入與流出）排列，A相的接線是從A1+側(cè)進(jìn)線，從相鄰的X1-側(cè)出線。B相和C相的接線方法相同。

如圖2和圖5所示，轉(zhuǎn)矩繞組10是每極每相槽數(shù)為2的分布式繞組，按順時針方向定義為A2+、Z2-、B2+、X2-、C2+、Y2-、A2+、Z2-、B2+、X2-、C2+、Y2-排列，相鄰的每兩個槽為一相的進(jìn)線端或出線端，這樣的排列使得轉(zhuǎn)矩繞組10為兩對極，和轉(zhuǎn)子極對數(shù)一樣，可產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。為直觀理解轉(zhuǎn)矩繞組10的接線安排與電流流向，將轉(zhuǎn)矩繞組10水平展開，具體連線方式和電流流向如圖5所示，轉(zhuǎn)矩繞組10采用鏈?zhǔn)嚼@組，以A相為例，每兩個槽的繞組為一相的進(jìn)線端或出線端。轉(zhuǎn)矩繞組按A2+、Z2-、B2+、X2-、C2+、Y2-、A2+、Z2-、B2+、X2-、C2+、Y2-排列，接線方式與懸浮力繞組11一致。

懸浮力繞組11和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩繞組10分別由兩個三相逆變器驅(qū)動，三相逆變器的A相接線到A+側(cè)進(jìn)線，從A-側(cè)出線，B相和C相也遵循這一接線準(zhǔn)則進(jìn)行布線。繞組的繞線方式均按星形連接。懸浮力繞組11產(chǎn)生的兩極磁場與轉(zhuǎn)矩繞組10和永磁體2產(chǎn)生的四極合成磁場相疊加，從而產(chǎn)生徑向懸浮力。

參見圖6，每組磁障體5中的兩個圓弧形磁障分別是內(nèi)層磁障5-1和外層磁障5-2，每個磁障均沿電機(jī)d軸對稱分布，每塊永磁體3也沿電機(jī)d軸對稱分布。兩個圓弧形磁障的弧形兩端部均具有圓角，外層磁障5-2的弧形端部和轉(zhuǎn)子2的圓心O的連線與d軸所成的夾角為a₁，內(nèi)層磁障5-1的弧形端部和轉(zhuǎn)子2的圓心O的連線與d軸所成的夾角為a₂，滿足a₂>a₁，0.85×2p/2p<a₁<0.95×2p/2p，其中p為極對數(shù)。內(nèi)層磁障5-1沿d軸方向上的厚度為l₁，外層磁障5-2沿d軸方向上的厚度為l₂，滿足l₁>l₂。內(nèi)層磁障5-1中心距離圓心O的長度為轉(zhuǎn)子2半徑長度的一半，外層磁障5-2中心距離圓心O的長度為轉(zhuǎn)子2半徑長度的四分之三。內(nèi)層磁障5-1和外層磁障5-2的兩端距轉(zhuǎn)子2的外邊緣長度為R_s，R_s在1-2mm之間，具體長度可根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子2的尺寸來合理設(shè)計。

內(nèi)層磁障5-1和外層磁障5-2中心處的永磁體安裝槽4是矩形，內(nèi)層磁障5-1上的矩形永磁體安裝槽4沿d軸方向上是寬度h₁，內(nèi)層磁障5-1上的矩形永磁體安裝槽4的長度是2×w₁。外層磁障5-2上的矩形永磁體安裝槽4沿d軸方向上是寬度h₂，外層磁障5-2上的矩形永磁體安裝槽4的長度是2×w₂。滿足w₁>w₂，h₁>h₂，w₁> h₁，arctan( h₁/ w₁)=arctan(h₂/ w₂)。

內(nèi)層磁障5-1上的矩形永磁體安裝槽4靠近轉(zhuǎn)子2圓心O的這側(cè)槽邊向圓心O方向凹陷厚度為h₃，外層磁障5-2上的矩形永磁體安裝槽4在靠近轉(zhuǎn)子2圓心O的這側(cè)槽邊向圓心O方向凹陷厚度為h₄，滿足0<h₃<0.3h₁，0<h₄<0.3h₂。

永磁體3采用鐵氧體永磁，每個永磁體安裝槽4中的永磁體3都填滿于永磁體安裝槽4中，永磁體3沿著徑向方向平行充磁。相鄰兩組磁障體5中的永磁體3的充磁方向相反，同一組磁障體5中的永磁體3的充磁方向相同，永磁體3靠近氣隙端為N極，靠近轉(zhuǎn)軸端為S極。

參見圖7和圖8，d軸對應(yīng)的電機(jī)電感稱為直軸電感L_d，q軸對應(yīng)的電機(jī)電感稱為交軸電感L_q。圖7為傳統(tǒng)無軸承同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)的向量圖，傳統(tǒng)無軸承同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子中不存在永磁體，因此沒有永磁通，電磁轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)子2各向異性產(chǎn)生，所以一般設(shè)計時使交軸電感L_q、直軸電感L_d差異盡量大。傳統(tǒng)無軸承同步磁阻電機(jī)的d軸方向電流i_d產(chǎn)生d軸方向磁通L_di_d，q軸方向電流i_q產(chǎn)生q軸方向磁通L_qi_q，d軸和q軸合成磁通ψ_s產(chǎn)生電動勢E_s，轉(zhuǎn)矩繞組電流i_s與轉(zhuǎn)矩繞組電阻R₁乘積為轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生的電動勢，E_s與R₁i_s之和為端電壓u，端電壓u與轉(zhuǎn)矩繞組電流i_s之間夾角很大，導(dǎo)致傳統(tǒng)無軸承同步磁阻電機(jī)的功率因數(shù)偏低，并且電機(jī)中一部分d 軸磁通會由磁障端部的鐵芯肋部漏掉，增大了L_d，使得轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)進(jìn)一步減小。圖8為本實用新型永磁輔助式無軸承同步磁阻電機(jī)的向量圖，本實用新型電機(jī)的d軸方向電流i_d產(chǎn)生d軸方向磁通L_di_d，q軸方向電流i_q產(chǎn)生q軸方向磁通L_qi_q，由于d軸方向上添加的永磁體3產(chǎn)生永磁磁通ψ_f，削弱了d軸磁通ψ_d，d、q軸合成磁通ψ_s產(chǎn)生電動勢E_s，轉(zhuǎn)矩繞組電流i_s與轉(zhuǎn)矩繞組電阻R₁乘積為轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生的電動勢，E_s與R₁i_s之和為端電壓u。對比圖7可以發(fā)現(xiàn)，端電壓矢量u與端電流矢量i_s之間夾角減小，從而增大了電機(jī)的功率因數(shù)。此外，永磁體3位于直軸d軸上，使得直軸電感增加，這樣使得直軸電感與交軸電感差異增大，從而增加電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，永磁體3產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩也使得本實用新型電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步增加。

本實用新型工作時，由于轉(zhuǎn)子2中注入的永磁體量較少，高速運(yùn)行時較容易實現(xiàn)弱磁，恒功率調(diào)速范圍很寬，能滿足無軸承同步磁阻電機(jī)在全運(yùn)行區(qū)間內(nèi)寬調(diào)速、高轉(zhuǎn)矩密度和高功率密度的性能要求。