一種雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)，包括外定子、轉(zhuǎn)矩繞組、永磁體、轉(zhuǎn)子、隔磁環(huán)、內(nèi)定子、懸浮力繞組；外定子、轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子均為凸極結(jié)構(gòu)，以同心同軸的方式嵌套在一起；外定子由多個(gè)U形鐵心單元和多個(gè)永磁體交替拼接而成，永磁體沿切向交替充磁；外定子槽內(nèi)嵌有一套轉(zhuǎn)矩繞組；轉(zhuǎn)子有多個(gè)凸極轉(zhuǎn)子齒，轉(zhuǎn)子中均勻設(shè)有多個(gè)空心隔磁環(huán)；內(nèi)定子包含多個(gè)內(nèi)定子齒，內(nèi)定子槽內(nèi)嵌有一套懸浮力繞組。本發(fā)明不僅具有磁通切換永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度高、效率高的優(yōu)勢(shì)，而且解決了無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組之間的耦合問(wèn)題，在電機(jī)本體上實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和懸浮力的解耦控制，同時(shí)懸浮力不受轉(zhuǎn)子位置角影響的特性有利于無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電工、電機(jī)領(lǐng)域，涉及一種雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，高速、超高速的電機(jī)已被廣泛應(yīng)用于高速機(jī)床、渦輪分子栗、離心機(jī)、壓縮機(jī)、飛輪貯能及航空航天等領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)機(jī)械軸承支撐在定子上，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速或超高速運(yùn)行時(shí)，將對(duì)機(jī)械軸承產(chǎn)生巨大沖擊，造成機(jī)械軸承磨損加劇、電機(jī)發(fā)熱、工作效率下降、軸承和電機(jī)的使用壽命縮短等一系列影響，嚴(yán)重制約著電機(jī)向更高速度和更大功率方向發(fā)展。近三十年發(fā)展起來(lái)的磁軸承具有無(wú)磨損、無(wú)潤(rùn)滑、無(wú)機(jī)械噪聲、高精度、高壽命等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于能源交通、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域。但由于其體積大、成本高、功率和臨界轉(zhuǎn)速都難以大幅度提高等缺點(diǎn)，導(dǎo)致磁軸承仍不能完全滿(mǎn)足高性能超高速懸浮運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。
[0003 ]無(wú)軸承電機(jī)利用磁軸承和電機(jī)結(jié)構(gòu)的相似性，將磁軸承的懸浮力繞組嵌放在電機(jī)的定子槽中，使得電機(jī)轉(zhuǎn)子同時(shí)具有旋轉(zhuǎn)和自懸浮支撐能力，因此，無(wú)軸承電機(jī)具有磁軸承無(wú)接觸、無(wú)磨損等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于其軸向長(zhǎng)度較短，可以實(shí)現(xiàn)更大功率和更高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，極具重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。無(wú)軸承電機(jī)的研究類(lèi)型主要有三種，分別是無(wú)軸承感應(yīng)電機(jī)、無(wú)軸承永磁電機(jī)和無(wú)軸承磁阻電機(jī)。相比而言，無(wú)軸承永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高、功率密度高、體積小、重量輕、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今無(wú)軸承電機(jī)研究領(lǐng)域里的熱點(diǎn)之一O
[0004]目前研究的無(wú)軸承永磁電機(jī)中的永磁體大部分放置在轉(zhuǎn)子上，這使得永磁體很容易受到振動(dòng)和高溫影響，導(dǎo)致其性能下降甚至退磁。同時(shí)由于永磁體機(jī)械強(qiáng)度的限制，轉(zhuǎn)子難以勝任超高速運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著以釹鐵硼為代表的新型稀土永磁材料的出現(xiàn)和功率電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、控制理論的發(fā)展，從上世紀(jì)90年代開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)了三種新型結(jié)構(gòu)的定子永磁型電機(jī):雙凸極永磁電機(jī)、磁通反向永磁電機(jī)和磁通切換永磁電機(jī)。磁通切換永磁電機(jī)具有功率密度高、效率高、轉(zhuǎn)矩輸出能力大和容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，永磁體和集中式電樞繞組均置于定子偵U，易于冷卻和散熱，轉(zhuǎn)子僅僅是設(shè)有凸極的鐵心，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高、適合高速運(yùn)行。因此對(duì)無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)的理論研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)，該電機(jī)利用雙定子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了磁通切換永磁電機(jī)的無(wú)軸承運(yùn)行，并通過(guò)轉(zhuǎn)子上的空心隔磁環(huán)將轉(zhuǎn)矩磁場(chǎng)和懸浮磁場(chǎng)隔離開(kāi)來(lái)，對(duì)轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)分開(kāi)單獨(dú)控制，避免了傳統(tǒng)兩自由度無(wú)軸承電機(jī)中的復(fù)雜解耦控制。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:一種雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)，包括外定子、轉(zhuǎn)矩繞組、永磁體、轉(zhuǎn)子、隔磁環(huán)、內(nèi)定子、懸浮力繞組;所述外定子、轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子自外向內(nèi)設(shè)置均為凸極結(jié)構(gòu)，以同心同軸的方式嵌套在一起；
[0007]所述外定子由多個(gè)U形鐵心單元和多個(gè)永磁體交替拼接而成，永磁體沿切向充磁，且相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反;所述外定子槽內(nèi)嵌有一套轉(zhuǎn)矩繞組;所述轉(zhuǎn)子面向外定子的一側(cè)設(shè)有多個(gè)凸極轉(zhuǎn)子齒，轉(zhuǎn)子中均勻設(shè)有多個(gè)空心隔磁環(huán)，隔磁環(huán)為帶有一定厚度的弧形空心環(huán)，轉(zhuǎn)子面向內(nèi)定子的一側(cè)則光滑;所述內(nèi)定子包含多個(gè)內(nèi)定子齒，內(nèi)定子槽內(nèi)嵌有一套懸浮力繞組。
[0008]進(jìn)一步，所述U形鐵心單元為12個(gè)，永磁體為12個(gè)，轉(zhuǎn)矩繞組線圈為12個(gè)，轉(zhuǎn)子齒為10個(gè)，隔磁環(huán)為4個(gè)，內(nèi)定子包含4個(gè)內(nèi)定子齒，懸浮力繞組線圈為4個(gè)。
[0009]進(jìn)一步，所述轉(zhuǎn)矩繞組采用集中繞組的形式，由12個(gè)轉(zhuǎn)矩繞組線圈組成，共分為三相，每相繞組含有4個(gè)線圈。例如4相由41)2^3)4串聯(lián)而成，8、(:相以此類(lèi)推。每個(gè)轉(zhuǎn)矩繞組線圈橫跨在相鄰兩個(gè)U形鐵心單元上。
[0010]進(jìn)一步，所述懸浮力繞組采用集中繞組的形式，由多個(gè)懸浮力繞組線圈組成，每個(gè)懸浮力繞組線圈橫跨在一個(gè)內(nèi)定子齒上，通過(guò)單獨(dú)控制每個(gè)懸浮力繞組線圈的導(dǎo)通情況和電流值得到所需懸浮力。
[0011]進(jìn)一步，所述轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組的磁通路徑相互獨(dú)立。
[0012]進(jìn)一步，所述永磁體材料為釹鐵硼。
[0013]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后具有的有益效果是:
[0014]1.電機(jī)采用內(nèi)、外雙定子結(jié)構(gòu)，用于分別繞制轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組，不僅具有磁通切換永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度高、效率高的優(yōu)勢(shì)，而且解決了無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組之間的耦合問(wèn)題，在電機(jī)本體上實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和懸浮力的解耦控制，使得控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本較低。
[0015]2.轉(zhuǎn)子中的空心隔磁環(huán)能有效隔離轉(zhuǎn)矩繞組磁場(chǎng)和懸浮力繞組磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組的磁通路徑相互獨(dú)立，極大降低了無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)的耦合程度。
[0016]3.轉(zhuǎn)子面向內(nèi)定子的一側(cè)光滑，從而內(nèi)定子齒與轉(zhuǎn)子的對(duì)齊面積保持等于內(nèi)定子齒寬，懸浮力幾乎不隨轉(zhuǎn)子位置角的變化而變化，改善了無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)的懸浮性能，實(shí)現(xiàn)了無(wú)軸承電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。
[0017]4.永磁體置于定子上，避免了電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)永磁體受到離心力的影響被甩落以及散熱困難引發(fā)永磁體性能下降甚至退磁等問(wèn)題。
[0018]5.轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體又無(wú)繞組，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高，有利于無(wú)軸承電機(jī)高速運(yùn)行。
[0019]6.轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組采用端部較小的集中繞組，減少了用銅量及電機(jī)銅耗，損耗低，提高了運(yùn)行效率。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組共同導(dǎo)通時(shí)的磁場(chǎng)分布圖。
[0022]圖3是本發(fā)明雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)無(wú)轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)時(shí)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組共同導(dǎo)通時(shí)的磁場(chǎng)分布圖。
[0023]圖中:1、夕卜定子;2、轉(zhuǎn)矩繞組;3、永磁體;4、轉(zhuǎn)子;5、隔磁環(huán);6、內(nèi)定子;7、懸浮力繞組。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。
[0025]圖1所示為本發(fā)明雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括外定子1、轉(zhuǎn)矩繞組2、永磁體3、轉(zhuǎn)子4、隔磁環(huán)5、內(nèi)定子6、懸浮力繞組7。其中，夕卜定子1、轉(zhuǎn)子4、內(nèi)定子6均為凸極結(jié)構(gòu)，且以同心同軸的方式嵌套在一起。夕卜定子I由12個(gè)U形鐵心單元和12個(gè)永磁體3交替拼接而成，永磁體3沿切向充磁，且相鄰兩塊永磁體3的充磁方向相反。外定子I槽內(nèi)嵌有一套轉(zhuǎn)矩繞組2，采用集中繞組的形式，由12個(gè)轉(zhuǎn)矩繞組線圈組成，共分為三相，每相繞組含有4個(gè)線圈。例如A相由A1、A2、A3、A4串聯(lián)而成，B、C相以此類(lèi)推。轉(zhuǎn)子4面向外定子I的一側(cè)設(shè)有10個(gè)凸極轉(zhuǎn)子齒，轉(zhuǎn)子4中均勻設(shè)有四個(gè)空心隔磁環(huán)5，隔磁環(huán)5為帶有一定厚度的弧形空心環(huán)，轉(zhuǎn)子4面向內(nèi)定子6的一側(cè)則光滑。內(nèi)定子6包含4個(gè)內(nèi)定子齒Pl?P4，內(nèi)定子槽內(nèi)嵌有一套懸浮力繞組7，由4個(gè)懸浮力繞組線圈組成，每個(gè)懸浮力繞組線圈橫跨在一個(gè)內(nèi)定子齒上。
[0026]本發(fā)明雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理與傳統(tǒng)磁通切換永磁電機(jī)相同。在轉(zhuǎn)子齒與同一相轉(zhuǎn)矩繞組線圈下分屬于相鄰兩個(gè)U形鐵心單元的定子齒分別對(duì)齊過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩繞組2里匝鏈的永磁磁鏈極性和數(shù)值大小會(huì)發(fā)生改變，又由于其獨(dú)有的轉(zhuǎn)矩繞組一致性和互補(bǔ)性，電機(jī)每相磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)波形成雙極性正弦分布，故通入與反電動(dòng)勢(shì)同相位的正弦波形電流，可以產(chǎn)生平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩。
[0027]本發(fā)明雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)的懸浮力產(chǎn)生原理是通過(guò)單獨(dú)控制每個(gè)懸浮力繞組線圈的導(dǎo)通情況和電流值得到所需任意方向上的懸浮力。內(nèi)定子6設(shè)置4個(gè)內(nèi)定子齒？112、？3、？4，？1和？3極上的懸浮力繞組控制1軸正負(fù)方向上的懸浮力，？2和?4極上的懸浮力繞組控制y軸正負(fù)方向上的懸浮力，X方向和y方向的懸浮力可以合成任意方向的懸浮力。當(dāng)轉(zhuǎn)子4向X軸負(fù)方向發(fā)生偏心時(shí)，內(nèi)定子6和轉(zhuǎn)子4之間的氣隙大小不均勾，X軸正方向處氣隙長(zhǎng)度減小、X軸負(fù)方向處氣隙長(zhǎng)度增大，從而X軸正方向處的氣隙磁密大于X軸負(fù)方向處的氣隙磁密，此時(shí)轉(zhuǎn)子4受到一個(gè)X軸負(fù)方向的麥克斯韋力，而且此力的大小隨著轉(zhuǎn)子4偏心量的增加而增大。此時(shí)給P3極上的懸浮力繞組通入一定大小的電流，使得X軸負(fù)方向處的氣隙磁密大于X軸正方向處的氣隙磁密，產(chǎn)生一個(gè)X軸正方向的麥克斯韋力，將轉(zhuǎn)子4拉回平衡位置。
[0028]圖2所示為本發(fā)明雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組共同導(dǎo)通時(shí)的磁場(chǎng)分布圖。圖3所示為本發(fā)明雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)無(wú)轉(zhuǎn)子隔磁環(huán)時(shí)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組共同導(dǎo)通時(shí)的磁場(chǎng)分布圖。由圖2、圖3可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)子4上沒(méi)有隔磁環(huán)5時(shí)，轉(zhuǎn)矩繞組磁場(chǎng)和懸浮力繞組磁場(chǎng)互相耦合；當(dāng)轉(zhuǎn)子4中均勻設(shè)有四個(gè)空心隔磁環(huán)5時(shí)，轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)磁場(chǎng)幾乎沒(méi)有磁力線進(jìn)入懸浮系統(tǒng)內(nèi)，懸浮系統(tǒng)磁場(chǎng)也幾乎沒(méi)有磁力線進(jìn)入轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)內(nèi)。根據(jù)磁阻最小原理，轉(zhuǎn)矩繞組磁場(chǎng)和懸浮力繞組磁場(chǎng)之間的耦合在很大程度上被空心隔磁環(huán)5隔開(kāi)，達(dá)到了轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)之間電磁隔離的目的。
[0029]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0030]在本說(shuō)明書(shū)的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示意性實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書(shū)中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0031]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)，其特征在于，包括外定子(I)、轉(zhuǎn)矩繞組(2)、永磁體(3)、轉(zhuǎn)子(4)、隔磁環(huán)(5)、內(nèi)定子(6)、懸浮力繞組(7);所述外定子(I)、轉(zhuǎn)子(4)、內(nèi)定子(6)自外向內(nèi)設(shè)置均為凸極結(jié)構(gòu)，以同心同軸的方式嵌套在一起； 所述外定子(I)由多個(gè)U形鐵心單元和多個(gè)永磁體(3)交替拼接而成;所述永磁體(3)沿切向充磁，且相鄰兩塊永磁體(3)的充磁方向相反;所述外定子(I)槽內(nèi)嵌有一套轉(zhuǎn)矩繞組(2);所述轉(zhuǎn)子(4)面向外定子(I)的一側(cè)設(shè)有多個(gè)凸極轉(zhuǎn)子齒，轉(zhuǎn)子(4)中均勻設(shè)有多個(gè)空心隔磁環(huán)(5)，隔磁環(huán)(5)為帶有一定厚度的弧形空心環(huán)，轉(zhuǎn)子(4)面向內(nèi)定子(6)的一側(cè)則光滑;所述內(nèi)定子(6)包含多個(gè)內(nèi)定子齒，內(nèi)定子槽內(nèi)嵌有一套懸浮力繞組(7)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)，其特征在于，所述U形鐵心單元為12個(gè)，永磁體(3)為12個(gè)，轉(zhuǎn)矩繞組線圈為12個(gè)，轉(zhuǎn)子齒為10個(gè)，隔磁環(huán)(5)為4個(gè)，內(nèi)定子(6)包含4個(gè)內(nèi)定子齒，懸浮力繞組線圈為4個(gè)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)矩繞組(2)采用集中繞組的形式，由12個(gè)轉(zhuǎn)矩繞組線圈組成，共分為三相，每相繞組含有4個(gè)線圈。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)，其特征在于，所述懸浮力繞組(7)采用集中繞組的形式，由多個(gè)懸浮力繞組線圈組成，每個(gè)懸浮力繞組線圈橫跨在一個(gè)內(nèi)定子齒上，通過(guò)單獨(dú)控制每個(gè)懸浮力繞組線圈的導(dǎo)通情況和電流值得到所需懸浮力。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)矩繞組(2)和懸浮力繞組(7)的磁通路徑相互獨(dú)立。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙定子無(wú)軸承磁通切換永磁電機(jī)，其特征在于，所述永磁體(3)材料為釹鐵硼。
【文檔編號(hào)】H02K1/22GK105846624SQ201610321888
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】孫宇新, 吳昊洋, 朱熀秋, 杜懌, 錢(qián)忠波, 唐敬偉, 沈啟康
【申請(qǐng)人】江蘇大學(xué)