一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，屬于磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)是將磁軸承技術(shù)與開關(guān)磁阻電機(jī)相結(jié)合，實現(xiàn)磁軸承與開關(guān)磁阻電機(jī)共用一套繞組，通過控制繞組電流使其同時具有自懸浮和電動發(fā)電的能力，實現(xiàn)電機(jī)的無軸承運(yùn)行。由于磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)上與開關(guān)磁阻電機(jī)的相似性，繼磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)電動運(yùn)行研宄之后，拓展磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行模式已經(jīng)成為一個研宄的熱點(diǎn)。
[0003]傳統(tǒng)的磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，其勵磁和發(fā)電過程是周期性分時控制的，難以實現(xiàn)對懸浮力大小的實時跟蹤控制。文獻(xiàn)“三相串聯(lián)勵磁式無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電原理與實現(xiàn)”在雙繞組結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了相鄰三極串聯(lián)懸浮勵磁，一相四極串聯(lián)發(fā)電的懸浮發(fā)電的控制策略。但是勵磁繞組提供懸浮力的同時，要給相鄰三相發(fā)電繞組提供勵磁能量，多個定子極之間磁路耦合嚴(yán)重，發(fā)電電壓和懸浮力的數(shù)學(xué)模型難以建立，懸浮力與發(fā)電電壓解親控制效果有待提尚。
[0004]磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，發(fā)電原理類似于普通開關(guān)磁阻電機(jī)，磁鏈隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化，電感下降區(qū)運(yùn)動電動勢使得部分磁能釋放出來變?yōu)殡娔堋Ｒ?2/8極開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為例，單向?qū)Ｊ较?，同一時刻僅有一相繞組電感位于下降區(qū)，轉(zhuǎn)子只有4極可產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率低，輸出功率密度有待提高。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型提出一種新型磁懸浮發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子集凸極轉(zhuǎn)子和盤形磁軸承于一體，制動轉(zhuǎn)矩與懸浮力之間耦合小，控制算法簡單，功率密度高。
[0006]本實用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0007]一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，包括圓盤，定子凸極，轉(zhuǎn)子凸極，繞組，定子鐵心，氣隙；電機(jī)的轉(zhuǎn)子由圓盤與轉(zhuǎn)子凸極軸向疊加組成，圓盤提供徑向力，轉(zhuǎn)子凸極提供制動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子鐵心徑向上等間隔分布6個轉(zhuǎn)子凸極，電機(jī)的定子包括定子凸極，繞組，定子鐵心，所述定子鐵心上等間隔分布12個定子凸極，所述轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極的極寬相同，每個定子凸極的定子齒上繞有一套繞組，定子上間隔60°兩個齒極上的繞組串聯(lián)作為一相，共6相。
[0008]進(jìn)一步，所述圓盤的軸向厚度與轉(zhuǎn)子凸極的軸向厚度之和為電機(jī)的軸向長度，所述圓盤的直徑與轉(zhuǎn)子凸極外徑相同。
[0009]進(jìn)一步，所述氣隙介于電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間。
[0010]本實用新型的有益效果:
[0011]I)定子極采用集中繞組，轉(zhuǎn)子極無繞組，結(jié)構(gòu)清晰，功能明確。
[0012]2)混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圓盤和轉(zhuǎn)子凸極分別提供懸浮力和制動轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)清晰，控制目標(biāo)明確。
[0013]3)懸浮力不隨轉(zhuǎn)子位置角周期變化，徑向力波動小，徑向負(fù)載能力強(qiáng)。
[0014]4)所有轉(zhuǎn)子凸極同步產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，制動轉(zhuǎn)矩利用效率高，機(jī)械能的轉(zhuǎn)化效率高。
[0015]5)多相繞組同時勵磁，懸浮相發(fā)電相相互獨(dú)立，可連續(xù)輸出發(fā)電電壓，相對于傳統(tǒng)磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)周期分時發(fā)電模式具有明顯優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0016]圖1是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)二維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)三相懸浮繞組結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)三相發(fā)電繞組結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖5是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)一相電流變化以及自電感分布曲線。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實用新型的【具體實施方式】。
[0022]如圖1、2所示，本實用新型所述混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，電機(jī)鐵心由凸極定子、凸極轉(zhuǎn)子和圓盤轉(zhuǎn)軸混合結(jié)構(gòu)組成；包括圓盤1，定子凸極2，轉(zhuǎn)子凸極3，繞組4，定子鐵心5，氣隙6。其中轉(zhuǎn)子由圓盤I與轉(zhuǎn)子凸極3軸向疊加組成；圓盤I提供徑向力，轉(zhuǎn)子凸極3提供制動負(fù)轉(zhuǎn)矩。
[0023]本實用新型所述混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，定子凸極齒數(shù)為12，混合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子凸極齒數(shù)為6，每相繞組由間隔60°的兩個繞組4串聯(lián)組成，每相均獨(dú)立控制。本實用新型轉(zhuǎn)子無繞組，每個定子極繞有一套繞組4，定子上間隔60°兩個齒極上的繞組串聯(lián)作為一相，混合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子凸極3的齒數(shù)為6，轉(zhuǎn)子凸極3與定子凸極2極寬相同；圓盤I與轉(zhuǎn)子凸極3軸向疊加且外徑與轉(zhuǎn)子凸極3外徑相同；轉(zhuǎn)子凸極3與圓盤I軸向長度比例遵循實際懸浮力與制動轉(zhuǎn)矩要求。
[0024]如圖3所示轉(zhuǎn)子凸極3轉(zhuǎn)過對齊位置時，懸浮相分布如圖所示，此時圓盤受到x、y、z三個方向上的徑向力，合成得到懸浮力；x方向的懸浮力由繞組電流ixl控制，其中i xl+為流入電流，ixl-為流出電流，控制ix電流大小即可控制X方向徑向力；同理，y方向的懸浮力由繞組電流iyl提供，其中i yl+為流入電流，i yl_為流出電流，z方向的懸浮力由繞組電流i zl提供，其中izl+為流入電流，i zl_為流出電流。
[0025]發(fā)電相分布如圖4所示，勵磁結(jié)束進(jìn)入發(fā)電階段，各繞組中勵磁電流幅值相同，此時定轉(zhuǎn)子凸極處于對齊位置，以逆時針為旋轉(zhuǎn)正方向，分別為繞組流入流出電流，所有轉(zhuǎn)子凸極3將產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，運(yùn)動電動勢為負(fù)。
[0026]圖5是本實用新型所述發(fā)電機(jī)A相繞組電感和電流隨轉(zhuǎn)子位置角變化曲線，A、B、C三相為空間對稱三相，懸浮發(fā)電過程同步，僅以A相為例說明懸浮與發(fā)電過程。當(dāng)轉(zhuǎn)子位于區(qū)間I內(nèi)Θ e [-15°，15° ]時，A相作為懸浮相導(dǎo)通，此時A相電感位于底部平坦區(qū)域，由于圓盤部分磁路磁阻較小，圓盤提供徑向力的同時不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，采用電流斬波或者PWM斬波等方法控制電流大小，可產(chǎn)生X方向的徑向力，同理B、C相可產(chǎn)生γ、z方向上的徑向力，三個方向的徑向力合成轉(zhuǎn)子懸浮所需任意方向的磁拉力。轉(zhuǎn)子位于區(qū)間II內(nèi)Θ e [15°，30° ]，A相電感位于上升區(qū)，為保證對稱勵磁，需要斬波控制A相繞組與B、C相繞組電流幅值相同，避免發(fā)電階段電流的不平衡導(dǎo)致懸浮力失穩(wěn)；當(dāng)轉(zhuǎn)子位于區(qū)間III內(nèi)Θ e [30°，45° ]，A相作為發(fā)電相自然續(xù)流，其電感位于下降區(qū)，感應(yīng)電動勢釋放磁場儲能，轉(zhuǎn)子凸極轉(zhuǎn)矩為負(fù)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出，與此同時相鄰三相D、E、F作為懸浮相提供徑向懸浮力；隨著轉(zhuǎn)子位置角的變化，勵磁順序依次為ABC-DEF-ABC，實現(xiàn)整個周期內(nèi)懸浮發(fā)電平穩(wěn)運(yùn)行。
[0027]上述過程中，懸浮發(fā)電運(yùn)行時，電機(jī)每相繞組電流獨(dú)立控制，同一時刻只導(dǎo)通定子上互成120°分布且繞組電感處于平坦區(qū)和上升區(qū)的三相，控制繞組電流大小，吸引圓盤產(chǎn)生徑向懸浮力Fx、Fy、Fz,圓盤懸浮于氣隙磁場中，并為隨后的發(fā)電階段提供勵磁；勵磁階段結(jié)束前采用斬波控制三相繞組保持電流幅值相同，勵磁結(jié)束后繞組自然續(xù)流發(fā)電，通過轉(zhuǎn)子制動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化機(jī)械能并釋放磁場儲能；隨后進(jìn)入電感下降區(qū)續(xù)流發(fā)電，與此同時，其余三相繞組進(jìn)入電感平坦區(qū)域重復(fù)上述控制過程，實現(xiàn)發(fā)電相與懸浮相之間功能轉(zhuǎn)換，以此避免懸浮相與發(fā)電相電流耦合。
[0028]所述電機(jī)結(jié)構(gòu)使得每相電感有1/2周期位于底部平坦區(qū)域，1/4位于上升區(qū)域，1/4位于下降區(qū)域。發(fā)電運(yùn)行時，只導(dǎo)通幾何結(jié)構(gòu)上互成120°且電感處于平坦區(qū)和上升區(qū)的三相，每相獨(dú)立控制產(chǎn)生懸浮力并為發(fā)電階段繞組勵磁，剩余處于電感下降區(qū)三相則續(xù)流發(fā)電。該新型發(fā)電機(jī)集徑向磁軸承與開關(guān)磁阻電機(jī)于一體，轉(zhuǎn)子極制動轉(zhuǎn)矩大，發(fā)電出力多，懸浮相電流對發(fā)電相電流影響小，徑向負(fù)載能力強(qiáng)。
[0029]本實用新型可根據(jù)電機(jī)徑向負(fù)載能力和發(fā)電功率要求，合理設(shè)計圓盤與凸極轉(zhuǎn)子軸向長度，也可聯(lián)想設(shè)計同類型如8/4極混合轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步滿足懸浮發(fā)電性能要求，因而本實用新型對相似結(jié)構(gòu)的磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)設(shè)計均具有示范和參考價值。
[0030]應(yīng)理解上述施例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍，在閱讀了本實用新型之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本實用新型的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，其特征在于:包括圓盤(I)，定子凸極(2)，轉(zhuǎn)子凸極(3)，繞組(4)，定子鐵心(5)，氣隙(6); 電機(jī)的轉(zhuǎn)子由圓盤⑴與轉(zhuǎn)子凸極⑶軸向疊加組成，圓盤⑴提供徑向力，轉(zhuǎn)子凸極(3)提供制動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子鐵心徑向上等間隔分布6個轉(zhuǎn)子凸極(3)，電機(jī)的定子包括定子凸極(2)，繞組(4)，定子鐵心(5)，所述定子鐵心(5)上等間隔分布12個定子凸極(2)，所述轉(zhuǎn)子凸極(3)與定子凸極(2)的極寬相同，每個定子凸極(2)的定子齒上繞有一套繞組(4)，定子上間隔60°兩個齒極上的繞組串聯(lián)作為一相，共6相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，其特征在于:所述圓盤⑴的軸向厚度與轉(zhuǎn)子凸極⑶的軸向厚度之和為電機(jī)的軸向長度，所述圓盤(I)的直徑與轉(zhuǎn)子凸極(3)外徑相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，其特征在于:所述氣隙(6)介于電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間。
【專利摘要】本實用新型公開了一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)定子有12個齒極，每個定子齒極繞有一套繞組，轉(zhuǎn)子由6個齒極和一個圓盤軸向疊加而成，無繞組。所述發(fā)電機(jī)定子凸極極寬與轉(zhuǎn)子凸極極寬相同。所述結(jié)構(gòu)使得每相電感有1/2周期位于底部平坦區(qū)域，1/4位于上升區(qū)域，1/4位于下降區(qū)域。發(fā)電運(yùn)行時，只導(dǎo)通機(jī)械結(jié)構(gòu)互成120°且電感處于平坦區(qū)和上升區(qū)的三相，每相獨(dú)立控制產(chǎn)生懸浮力并為發(fā)電階段勵磁，剩余處于電感下降區(qū)三相則續(xù)流發(fā)電。該新型發(fā)電機(jī)集徑向磁軸承與開關(guān)磁阻電機(jī)于一體，轉(zhuǎn)子極制動轉(zhuǎn)矩大，發(fā)電出力多，懸浮相電流對發(fā)電相電流影響小，徑向負(fù)載能力強(qiáng)。
【IPC分類】H02K19-16
【公開號】CN204597745
【申請?zhí)枴緾N201520241065
【發(fā)明人】孫玉坤, 楊凱
【申請人】江蘇大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年4月20日