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CN108809023B - 一种盘式三自由度磁悬浮开关磁阻电机 - Google Patents

一种盘式三自由度磁悬浮开关磁阻电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种盘式三自由度磁悬浮开关磁阻电机，包括定子和双盘式转子，所述定子包括从外向内同轴依次相连的轴向定子铁心、永磁环、径向定子铁心；所述轴向定子铁心的轴向两端分布有轴向悬浮齿，相邻轴向悬浮齿之间通过轴向隔磁块均布有数个轴向转矩齿，所述轴向悬浮齿和轴向转矩齿上分别绕制有轴向悬浮绕组和轴向转矩绕组；所述径向定子铁心的内圆周有径向悬浮齿，相邻径向悬浮齿之间通过径向隔磁块均布有径向转矩齿，所述径向悬浮齿和径向转矩齿上分别绕制有径向悬浮绕组和径向转矩绕组；所述双盘式转子由转子铁心、盘式转子、转轴组成，所述盘式转子内端设置有轴向转子齿，所述转子铁心中部设置有径向转子齿。

Description

一种盘式三自由度磁悬浮开关磁阻电机
技术领域
本发明涉及无轴承磁悬浮电机技术领域，具体涉及一种盘式三自由度磁悬浮开关磁阻电机。
背景技术
无轴承电机具有无摩擦、磨损、无需润滑和密封，易于实现更高转速和更大功率运行，在航空航天、涡轮分子泵、飞轮储能、密封泵、高速电主轴等领域具有广阔的应用前景。无轴承电机主要分为无轴承异步（感应）电机、无轴承永磁同步电机和无轴承开关磁阻电机三种。特别是其中的无轴承开关磁阻电机具有结构简单，机械强度高、控制灵活、容错性能好，鲁棒性好等优势，在电动汽车、通用工业、家用电器等领域具有广阔的应用前景。
要实现无轴承开关磁阻电机转子稳定悬浮，必须在径向四个自由度和轴向单自由度上同时施加主动控制力。传统的五自由度无轴承开关磁阻电机通常有以下三种结构：
1、采用一个轴承磁轴承和两个两自由度无轴承开关磁阻电机构成；
2、采用一个轴向磁轴承、一个径向磁轴承和一个两自由度无轴承开关磁阻电机构成；
3、采用一个三自由度径向-轴向磁轴承和一个无轴承开关磁阻电机构成；
这三种结构均需单独采用轴向磁轴承，增大了系统轴向长度，降低了系统临界转速，限制了转速和功率的进一步提升，并且传统的无轴承开关磁阻电机每个定子齿上均绕制两套绕组，即悬浮绕组和转矩绕组，且两套绕组极对数必须满足加减一的关系，通过协调控制转矩绕组和悬浮绕组电流，同时产生转矩和悬浮力，转矩控制和悬浮控制之间存在强耦合。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小、重量轻、结构紧凑的盘式三自由度磁悬浮开关磁阻电机，为特种电气传动提供新的解决方案。
本发明通过以下技术方案实现：
一种盘式三自由度磁悬浮开关磁阻电机，包括定子和双盘式转子，所述定子包括从外向内同轴依次相连的轴向定子铁心、永磁环、径向定子铁心；所述轴向定子铁心的轴向两端均匀分布有数个轴向悬浮齿，相邻轴向悬浮齿之间的轴向定子铁心端面连接有轴向隔磁块，所述轴向隔磁块上均布有数个轴向转矩齿，所述轴向悬浮齿和轴向转矩齿上分别绕制有轴向悬浮绕组和轴向转矩绕组；所述径向定子铁心的内圆周均布有数个径向悬浮齿，相邻径向悬浮齿之间的径向定子铁心内圆周连接有径向隔磁块，所述径向隔磁块上均布有数个径向转矩齿，所述径向悬浮齿和径向转矩齿上分别绕制有径向悬浮绕组和径向转矩绕组；所述双盘式转子由转子铁心，以及分别同轴连接于转子铁心两端的盘式转子组成，所述转子铁心同轴连接有延伸出盘式转子外端的转轴，盘式转子的内端设置有正对轴向定子铁心的轴向转子齿，所述转子铁心贯穿定子，其中部设置有正对径向定子铁心的径向转子齿。
本发明的进一步方案是，所述轴向悬浮齿的齿宽大于轴向转矩齿的齿宽和电机的极距；所述径向悬浮齿的齿宽大于径向转矩齿的齿宽和电机的极距。
本发明的进一步方案是，所述永磁环采用稀土永磁体或铁氧体永磁体制成。
本发明与现有技术相比的优点在于：
由一个位于轴向定子铁心与径向定子铁心之间的、沿径向磁化的永磁环提供偏置磁通；轴向悬浮绕组通电后产生轴向悬浮控制磁通，径向悬浮绕组通电后产生径向悬浮控制磁通，径向悬浮控制磁通、轴向悬浮磁通分别与偏置磁通相互作用产生使转子径向、轴向稳定悬浮的悬浮力；径向转矩绕组通电产生的磁阻转矩和轴向转矩绕组通电产生的磁阻转矩合成电机转矩。与每个定子齿上设置有两套绕组的无轴承开关磁阻电机相比，悬浮控制、转矩控制相互独立，控制简单，易于实现；与一个轴向磁轴承和两自由度无轴承开关磁阻电机组成的三自由度无轴承开关磁阻电机相比，轴向长度更短，能够实现更高高速、更大功率运行，且所需位移传感器较少，驱动电路较少，控制系统硬件简单的特点。
附图说明
图1为本发明的爆炸图。
图2为本发明的正视剖面与磁通示意图。
图3为本发明的径向铁心左视图。
图4为本发明的三维结构示意图。
具体实施方式
如图1~4所示的一种盘式三自由度磁悬浮开关磁阻电机，以轴向定子齿数/轴向转子齿数、径向定子齿数/径向转子齿数均为12/14为例；包括定子和双盘式转子，所述定子包括从外向内同轴依次相连的轴向定子铁心1、永磁环3、径向定子铁心2；所述轴向定子铁心1的轴向左、右两端均匀分布有四个位于x方向和y方向的、沿轴向延伸的左轴向悬浮齿13、右轴向悬浮齿14，相邻的左轴向悬浮齿13之间的轴向定子铁心1左端面，以及相邻的右轴向悬浮齿14之间的轴向定子铁心1右端面分别连接有铝制的左轴向隔磁块4、右轴向隔磁块5，每个所述左轴向隔磁块4、右轴向隔磁块5上分别均布有两个左轴向转矩齿15、右轴向转矩齿16，所述左轴向悬浮齿13、右轴向悬浮齿14的齿宽大于左轴向转矩齿15、右轴向转矩齿16的齿宽，且左轴向悬浮齿13、右轴向悬浮齿14的齿宽大于电机一个极距；所述左轴向悬浮齿13、右轴向悬浮齿14、左轴向转矩齿15、右轴向转矩齿16上分别绕制有左轴向悬浮绕组7、右轴向悬浮绕组9、左轴向转矩绕组8、右轴向转矩绕组10；所述径向定子铁心2的内圆周均布有四个位于x方向和y方向的径向悬浮齿17，相邻径向悬浮齿17之间的径向定子铁心2内圆周连接有径向隔磁块6，所述径向隔磁块上均布有两个径向转矩齿18，所述径向悬浮齿17的齿宽大于径向转矩齿18的齿宽和电机的极距，所述径向悬浮齿17和径向转矩齿18上分别绕制有径向悬浮绕组11和径向转矩绕组12，所述左轴向悬浮绕组7、右轴向悬浮绕组9、左轴向转矩绕组8、右轴向转矩绕组10、径向悬浮绕组11、径向转矩绕组12均为集中式绕组，采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成；所述双盘式转子由转子铁心22，以及分别同轴连接于转子铁心22左、右两端的左盘式转子19、右盘式转子20组成，所述转子铁心（22）同轴连接有延伸出左盘式转子19、右盘式转子20外端的转轴（21），左盘式转子19、右盘式转子20的内端边沿分均布有十四个正对轴向定子铁心1的左轴向转子齿24、右轴向转子齿25；所述转子铁心22贯穿定子，其中部设置有正对径向定子铁心2的径向转子齿23。
所述永磁环3采用稀土永磁体或铁氧体永磁体制成，所述轴向定子铁心1、径向定子铁心2、左盘式转子19、右盘式转子20、转子铁心7均由导磁性能良好的材料制成。
其三自由度悬浮原理是：永磁环3产生不经过左轴向转矩齿15、右轴向转矩齿16和径向转矩齿18的左偏置磁通27、右偏置磁通28，其中左偏置磁通27从永磁环3的N极出发，经过左轴向悬浮齿13、左轴向气隙、由左轴向转子齿24进入左盘式转子19、转子铁心22、径向转子齿23、径向气隙、径向悬浮齿17回到永磁环3的S极形成左侧闭合路径；右偏置磁通28从永磁环3的N极出发，经过右轴向悬浮齿14、右轴向气隙、由右轴向转子齿25进入右盘式转子20、转子铁心22、径向转子齿23、径向气隙、径向悬浮齿17回到永磁环3的S极形成右侧闭合路径。
左轴向悬浮绕组7、右轴向悬浮绕组9同向并联或串联，通电后产生轴向悬浮控制磁通26，径向悬浮绕组11通电后产生径向悬浮控制磁通29，径向悬浮控制磁通29、轴向悬浮磁通26分别与左偏置磁通27和右偏置磁通28相互作用产生使转子径向、轴向稳定悬浮的悬浮力。根据现有技术，在轴向定子和径向定子上分别安装位移传感器，建立位移闭环系统，当转子偏移轴向和径向平衡位置时，通过位移负反馈，调节轴向悬浮绕组和径向悬浮绕组电流值，产生使转子回到平衡位置的悬浮力，实现转子轴向和径向稳定悬浮。
旋转原理是：根据电机径向极距与轴向极距相等原则来确定径向转矩齿18和左轴向转矩齿15、右轴向转矩齿16、左轴向转子齿24、右轴向转子齿25的数目及转矩绕组换向频率，左轴向转矩绕组8、右轴向转矩绕组10和径向转矩绕组12分为多相结构，每相同向串联或并联，通过对每相转矩绕组轮流通电产生的磁阻转矩实现电机旋转。

Claims (3)

1.一种盘式三自由度磁悬浮开关磁阻电机，包括定子和双盘式转子，其特征在于：所述定子包括从外向内同轴依次相连的轴向定子铁心（1）、永磁环（3）、径向定子铁心（2）；所述轴向定子铁心（1）的轴向两端均匀分布有数个轴向悬浮齿，相邻轴向悬浮齿之间的轴向定子铁心（1）端面连接有轴向隔磁块，所述轴向隔磁块上均布有数个轴向转矩齿，所述轴向悬浮齿和轴向转矩齿上分别绕制有轴向悬浮绕组和轴向转矩绕组；所述径向定子铁心（2）的内圆周均布有数个径向悬浮齿（17），相邻径向悬浮齿（17）之间的径向定子铁心（2）内圆周连接有径向隔磁块（6），所述径向隔磁块（6）上均布有数个径向转矩齿（18），所述径向悬浮齿（17）和径向转矩齿（18）上分别绕制有径向悬浮绕组（11）和径向转矩绕组（12）；所述双盘式转子由转子铁心（22），以及分别同轴连接于转子铁心（22）两端的盘式转子组成，所述转子铁心（22）同轴连接有延伸出盘式转子外端的转轴（21），盘式转子的内端设置有正对轴向定子铁心（1）的轴向转子齿，所述转子铁心（22）贯穿定子，其中部设置有正对径向定子铁心（2）的径向转子齿（23）。
2.如权利要求1所述的一种盘式三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：所述轴向悬浮齿的齿宽大于轴向转矩齿的齿宽和电机的极距；所述径向悬浮齿（17）的齿宽大于径向转矩齿（18）的齿宽和电机的极距。
3.如权利要求1所述的一种盘式三自由度磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：所述永磁环（3）采用稀土永磁体或铁氧体永磁体制成。
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