CN114400853B - 一种无轴承开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无轴承开关磁阻电机，包括：定子，包括第一定子和第二定子，所述第一定子和第二定子的内壁上均形成有沿径向向内延伸的6个定子极，所述第一定子上的定子极与所述第二定子上的定子极一一对齐，每个所述定子极上绕设有一独立控制的励磁绕组；转子，位于所述定子的内侧，且与所述定子之间留有气隙，所述转子的前端和后端沿径向各分布有3个转子极，位于前端的所述转子极和位于后端的所述转子极错开一定的机械角度；永磁环，为轴向充磁的永磁环，连接所述第一定子和第二定子。本发明在双定子中间设置环状永磁环能有效构造轴向磁通，提高电机的输出转矩和功率密度，保证五自由度悬浮。

Description

一种无轴承开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及无轴承开关磁阻电机技术领域，具体的涉及一种轴向永磁偏置无轴承开关磁阻电机。

背景技术

开关磁阻电机具有结构简单、容错性能强、高速适应性好等优点，在航空航天与透平机械等领域有较好的应用前景。传统开关磁阻电机采用机械轴承支撑转子，转子的高速或超高速旋转会使机械轴承的摩擦阻力增加，磨损加剧，并导致电机发热等问题，不仅降低了电机的工作效率，缩短了电机和机械轴承的寿命，也增加了电机和轴承的维护负担。因此，将磁悬浮轴承技术运用到开关磁阻电机上，可以从根本上改变传统支撑形式，实现无接触、无磨损、高速度、高精度和长寿命的特性，故无轴承开关磁阻电机可广泛应用于高速、超高速、环境温度变化大或不易维修的驱动场合。

但现有的无轴承开关磁阻电机普遍存在低转矩、低功率密度的问题，为了解决功率低的问题，传统的无轴承开关磁阻电机采用增加绕组数量的形式，但这往往会导致电机系统体积变得庞大。因此，实现更高功率密度的无轴承开关磁阻电机，是目前的研究难点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供了一种能提升轴向承载力和系统功率密度的无轴承开关磁阻电机。

为了实现以上目的及其他目的，本发明是通过包括以下技术方案实现的：本发明提供了一种无轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括：定子，包括第一定子和第二定子，所述第一定子和第二定子的内壁上均形成有沿径向向内延伸的6个定子极，所述第一定子上的定子极与所述第二定子上的定子极一一对齐，每个所述定子极上绕设有一独立控制的励磁绕组；转子，位于所述定子的内侧，且与所述定子之间留有气隙，所述转子的前端和后端沿径向各分布有3个转子极，位于前端的所述转子极和位于后端的所述转子极错开一定的机械角度；永磁环，为轴向充磁的永磁环，连接所述第一定子和第二定子。

在一实施例中，所述永磁环包括第一极和第二极，所述第一极和所述第二极的极性相反，所述第一极的一端与所述第一定子相连，所述第一极的另一端与所述第二极的一端相连，所述第二极的另一端与所述第二定子相连。

在一实施例中，所述永磁环外径Dp与所述定子外径Ds相等，所述永磁环内径dp大于所述定子内径ds，所述永磁环的宽度hp与所述转子前端的转子极与后端的转子极之间的间距Lr相等。

在一实施例中，所述机械角度为15°~45°。

在一实施例中，所述机械角度为30°。

在一实施例中，所述第一定子和第二定子的结构完全相同，所述转子的前端结构与后端结构完全相同。

在一实施例中，所述定子极的极弧宽度θs为所述转子极的极弧宽度θr的6/25~2/7。

在一实施例中，所述第一定子或第二定子的轴向长度hs与所述转子极的轴向长度hr相等。

在一实施例中，所述第一定子、第二定子和永磁环的总长度Hs与所述转子的总长度Hr相等。

在一实施例中，所述气隙为0.05~4 mm。

本发明采用6/3极无轴承开关磁阻电机的结构设计，可以减少励磁绕组的数量及其相应的功率器件数；采用双定子的结构设计，可以提供四自由度径向悬浮力；采用转子的前端转子极与后端转子极错开一定的机械角度的结构设计，可以提升转矩的输出性能；采用永磁环的设计，在无轴承开关磁阻电机的轴向构造了轴向磁通，提高了所述电机的输出转矩，提升了系统功率密度，并且通过轴向磁通产生的轴向力可以实现所述电机的轴向悬浮，与双定子提供的四自由度径向悬浮一同构成五自由度悬浮系统。本发明的转矩控制与悬浮力控制自然解耦，且能在不额外增加控制电机系统体积的情况下，提高电机的输出转矩和功率密度。

附图说明

图1显示为本发明一种6/3极无轴承开关磁阻电机的结构示意图。

图2显示为本发明中定子和永磁体的等轴测视图及定子的主视图。

图3显示为本发明中转子的等轴测视图及主视图。

图4显示为本发明中永磁体的等轴测视图。

图5A显示为本发明的径向磁通分布示意图。

图5B显示为本发明的轴向磁通分布示意图。

图6A显示为在给定3A励磁电流的情况下，实施例1中的磁通分布图。

图6B显示为在给定3A励磁电流的情况下，比较例1中的磁通分布图。。

图7显示为在给定3A励磁电流的情况下，实施例1和比较例1在电动运行过程中的输出转矩对比图。

具体实施方式

请参阅图1至图7。以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供本领域的技术人员了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“前”、“后”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供了一种无轴承开关磁阻电机，所述电机包括定子1、转子2、永磁环3和绕组4。所述定子1包括第一定子11和第二定子12，所述第一定子11和第二定子12结构相同，且所述第一定子11和第二定子12的内壁上均形成有沿径向向内延伸的6个定子极13，所述第一定子11上的定子极13与所述第二定子12上的定子极13一一对齐，且每个所述定子极13上绕设有一独立控制的励磁绕组4。所述第一定子11和第二定子12通过所述永磁环3相连，所述永磁环3为轴向充磁的永磁环，包括第一极31和第二极32，所述第一极31和所述第二极32的极性相反，即所述第一极31为S极，所述第二极32为N极，或者所述第一极31为N极，所述第二极32为S极。所述第一极31的一端与所述第一定子11相连，所述第一极31的另一端与所述第二极32的一端相连，所述第二极32的另一端与所述第二定子12相连。所述转子2位于所述定子1的内侧，且与所述定子1之间留有气隙，所述气隙为0.05~4 mm，例如0.05mm。所述转子2为一体成型结构，所述转子2的前端和后端沿径向各分布有3个转子极21，位于前端的所述转子极21和位于后端的所述转子极21错开一定的机械角度，以实现连续的转矩输出。

由于单个定子可以提供两自由度径向悬浮力，双定子的结构设计可以提供四自由度径向悬浮力。此外，所述永磁环3的设计，在所述电机的轴向构造了轴向磁通，提高了所述电机的输出转矩，提升了系统功率密度，并且通过轴向磁通产生的轴向力可以实现所述电机的轴向悬浮，与双定子提供的四自由度径向悬浮一同构成五自由度悬浮系统。

请结合图1和图2，所述第一定子11和第二定子12的结构完全相同，所述第一定子11或第二定子12的轴向长度为hs，定子外径为Ds，定子内径为ds，所诉定子极13的极弧宽度为θs。所述第一定子11、第二定子12和永磁环3的总长度为Hs。

如图3所示，所述转子2的总长度为Hr，所述转子2前端与后端的转子极21结构完全相同，所述转子2前端的转子极21与后端的转子极21之间的间距为Lr，转子极21的轴向长度均为hr，转子外径为Dr，转子内径为dr，转子极的极弧宽度为θr。所述转子2前端的所述转子极21和所述转子2后端的所述转子极21错开一定的机械角度r，所述机械角度r为15°~45°，进一步地，所述机械角度r为30°。

请结合图1和图4，所述S极31和N极32的结构完全相同，所述永磁环3的宽度为hp，永磁环外径为Dp，永磁环内径为dp。请再结合图2，所述Dp与Ds相等，所述dp大于所述ds。

请结合图2至图4，所述hp与所述Lr相等。所述hs与所述hr相等，所述Hs与Hr相等。进一步地，为了使转矩控制与悬浮力控制自然解耦，所述定子极的极弧宽度θs为所述转子极的极弧宽度θr的6/25~2/7，例如2/7。

本发明提供的6/3极无轴承开关磁阻电机的转矩控制与悬浮力控制自然解耦。其具体工作原理为：12套所述励磁绕组4分别独立控制，每套所述励磁绕组4的电流单向导通，当给所述励磁绕组4通电时，所述励磁绕组4中的电流大小相等，所述电机的径向磁通分布如图5A所示，所述电机的轴向磁通分布如图5B所示。

转矩产生原理：当所述转子极21与所述定子极13开始重叠时，所述定子极13上的所述励磁绕组4导通相同大小的电流，此时所述电机产生切向磁拉力，从而驱动所述转子2旋转；

径向悬浮力产生原理：当所述转子极21与所述定子极13完全重叠时，相邻的所述定子极13上的所述励磁绕组A1和A2导通不对称的电流，从而使得各所述气隙的径向磁通密度不同，进而产生径向悬浮力；

轴向悬浮力产生原理：当所述转子极21与所述定子极13完全重叠时，所述第一定子11的定子极13上的所述励磁绕组A1和所述第二定子12的定子极13上的所述励磁绕组B1导通不对称的电流，从而使得前后两端所述气隙的轴向磁通密度不同，进而产生轴向悬浮力。

<模型>

用于验证的模型即实施例1和比较例1。图1示出了实施例1，将实施例1中的永磁环3改为普通铁芯材料即获得比较例1，实施例1和比较例1的具体结构参数如表1所示。

表1 实施例1和对比例1的结构参数

<评价>

本发明根据表1中的结构参数，建立有限元模型，对实施例1和比较例1进行了磁通分布和输出转矩的分析评价，评价结果见图6和图7所示。

如图6所示，在给定3A励磁电流的情况下，实施例1中的磁通分布见图6A，图6A（a）示出了实施例1中磁通分布的立体图，图6A（b）示出了实施例1中的轴向磁通分布图，图6A（c）示出了实施例1中的径向磁通分布图；比较例1中的磁通分布见图6B，图6B（a）示出了比较例1中磁通分布的立体图，图6B（b）示出了比较例1中的轴向磁通分布图，图6B（c）示出了比较例1中的径向磁通分布图。从两个拓扑磁通分布可以看出，所述永磁环3的使用增加了轴向磁通量，能有效提高电机的功率密度。

图7示出了，在给定3A励磁电流的情况下，实施例1和比较例1在电动运行过程中的输出转矩对比图。实施例1（即曲线—有永磁体）的平均转矩为0.21 N·m，对比例1（即曲线—无永磁体）的平均转矩为0.082 N·m，实施例1的转矩性能提升了2.56倍。因此，采用永磁体的方案提高了电机的输出转矩。

综上，本发明的结构设计能在不额外增加控制电机系统体积的情况下，解决现有无轴承开关磁阻电机存在的低转矩、低功率密度的问题。在双定子中间设置环状永磁环能有效构造轴向磁通，提高电机的输出转矩和功率密度。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种无轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括：

定子，包括第一定子和第二定子，所述第一定子和第二定子的内壁上均形成有沿径向向内延伸的6个定子极，所述第一定子上的定子极与所述第二定子上的定子极一一对齐，每个所述定子极上绕设有一独立控制的励磁绕组，所述第一定子和第二定子的结构完全相同；

转子，位于所述定子的内侧，且与所述定子之间留有气隙，所述转子的前端和后端沿径向各分布有3个转子极，位于前端的所述转子极和位于后端的所述转子极错开一定的机械角度，所述转子的前端结构与后端结构完全相同，所述定子极的极弧宽度θs为所述转子极的极弧宽度θr的6/25~2/7；

永磁环，为轴向充磁的永磁环，连接所述第一定子和第二定子。

2.根据权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述永磁环包括第一极和第二极，所述第一极和所述第二极的极性相反，所述第一极的一端与所述第一定子相连，所述第一极的另一端与所述第二极的一端相连，所述第二极的另一端与所述第二定子相连。

3.根据权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述永磁环外径Dp与所述定子外径Ds相等，所述永磁环内径dp大于所述定子内径ds，所述永磁环的宽度hp与所述转子前端的转子极与后端的转子极之间的间距Lr相等。

4.根据权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述机械角度为15°~45°。

5.根据权利要求4所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述机械角度为30°。

6.根据权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一定子或第二定子的轴向长度hs与所述转子极的轴向长度hr相等。

7.根据权利要求6所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一定子、第二定子和永磁环的总长度Hs与所述转子的总长度Hr相等。

8.根据权利要求1所述的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述气隙为0.05~4 mm。