CN103296810A - 一种无轴承式半齿绕开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半齿绕组的无轴承开关磁阻电机，定子上设有偶数个定子齿，每个定子齿上均套有一个集中式短距绕组线圈，包括转矩绕组和悬浮力绕组，两种绕组间隔放置。转矩绕组用于输出机械转矩，悬浮力绕组用于控制电机转子的水平X轴方向和垂直Y轴方向的位移。本发明的电机保留了开关磁阻电机结构简单牢靠的优点，且每个定子齿上只有一个线圈，槽满率高，可靠性好，同时通过绕组方式的巧妙改变实现了开关磁阻电机的无轴承运行，使开关磁阻电机可以发挥出适合高速与超高速工作的优势，具有很高的理论和实用价值。

Description

一种无轴承式半齿绕开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及电机制造的技术领域，尤其涉及一种新型半齿绕组的无轴承开关磁阻电机。

背景技术

随着稀土永磁材料价格的快速上涨与供应不稳定，不需永磁体的开关磁阻电机***得到越来越广泛的关注。开关磁阻电机为双凸极结构，定转子均由普通硅钢片叠压制成，转子上无永磁体也无绕组，定子上只有集中式绕组，其依据“磁阻最小”原理工作。开关磁阻电机制造和维护成本低，结构简单牢靠、鲁棒性好，起动电流小、转矩大，调速范围宽，动态响应快，有优良的容错性与可靠性，此外，由于其转子上无永磁体和绕组，非常适合于高速运行。开关磁阻电机应用范围十分广泛，在工业调速***、家用电器、航空航天、电动汽车等方面已展现出强大的竞争力。

另一方面，高速与超高速驱动、密封传动和航空航天等领域，对电机的无轴承运行技术有着迫切需求。由于机械轴承的诸多局限，普通电机无法满足长期高速运转的要求；气浮和液浮轴承的控制设备较庞大，成本高，可靠性低；磁悬浮轴承具有无机械磨损、无需润滑和***密封，环境适应能力强等优点，但磁轴承电机***整体结构较复杂，占用轴向空间、功率密度不高，临界转速和功率容量难以大幅度提高。1985年，快速且负载能力强的功率开关器件和数字信号处理器的出现，使得已经提出20多年的交流电机矢量控制技术得以实际应用，这样解决了无轴承电机数字控制的难题。瑞士苏黎世联邦工学院的比克尔在这些科技进步的基础上，于20世纪80年代后期才首次制造出无轴承电机。通过对放置在定子上的绕组的合理控制，无轴承电机可以像机械轴承支撑的电机一样简单，电气控制***并不十分复杂。

无轴承电机集旋转驱动和磁轴承功能于一体，其利用磁轴承和电机结构上的相似性，将磁轴承中的悬浮绕组和电机绕组一同叠绕在定子铁心上，通过控制悬浮绕组电流的大小和方向使其产生的磁场打破电机原绕组在气隙中产生磁场的平衡，从而在转子上产生一个大小和方向均可控的悬浮力，以实现电机转子的旋转和自悬浮。

相比于采用无轴承技术的感应电机和永磁同步电机，无轴承开关磁阻电机结构简单、制造维护成本低、控制方便，无需使用永磁体、鲁棒性好、可靠性高，转子也适于超高速运行。

目前所提出的无轴承开关磁阻电机主要都是在电机的每个定子齿上绕制两套绕组，分别承担转矩绕组与悬浮力绕组的功能，这样，电机的线圈数是定子齿数的两倍，采用这种方法的无轴承开关磁阻电机，结构复杂，槽满率低，且转矩绕组与悬浮力绕组嵌套在同一个定子齿上，磁路几乎完全相同，容错性和可靠性低，磁路耦合十分严重，限制了无轴承开关磁阻电机的实际带负载能力，成为其工程应用的一个主要瓶颈。

因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，结合无轴承电机和新型半齿绕开关磁阻电机的基本特点，提供一种槽满率更高、效率更优、容错性和可靠性更高的无轴承式半齿绕开关磁阻电机结构，且该结构适合任意相数、任意定转子齿槽数配合的开关磁阻电机。

为实现上述发明目的，本发明无轴承式半齿绕开关磁阻电机可采用如下技术方案：

一种无轴承式半齿绕开关磁阻电机，包括定子和转子，所述的定子上设有偶数个定子齿，且定子齿上均设有集中绕组，集中绕组线圈包括用于输出机械能的转矩绕组和用于悬浮电机转子的悬浮力绕组；在相邻两个定子齿中，一个定子齿上绕有转矩绕组，另一个定子齿上绕有悬浮力绕组，转子上既无永磁体，也无绕组。

进一步的，悬浮力绕组至少有两组，一组控制水平X轴方向的转子位移，另一组控制垂直Y轴方向的转子位移

进一步的，该电机可以采用内转子结构，也可以采用外转子结构。

进一步的，该电机既可以作电动运行，又可以作发电运行。

进一步的，电机定子上的转矩齿的齿形与齿宽和悬浮力齿的齿形与齿宽相同或不相同

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的无轴承式半齿绕开关磁阻电机在不改变普通开关磁阻电机铁心冲片的情况下实现了电机的无轴承设计。电机定子与转子铁心都不需要改变，由普通硅钢片冲片叠压构成，只是绕组绕法有了较大改变。电机定子齿被分为转矩齿和悬浮力齿，转矩齿上套有用于输出转矩的转矩绕组，悬浮力齿上套有用于悬浮转子的悬浮力齿，两套绕组的匝数和线径均不相同。

2、结构简单牢靠，制造成本低，不需要使用永磁体，鲁棒性好。另外，转矩绕组和悬浮力绕组均为集中式线圈，绕制难度低，端部较短，有效的减少了铜耗，降低了轴向长度，提高了功率密度，并且利于电机的散热。

3、电机转子上无绕组和永磁体，转动惯量小，且无轴承结构避免了机械轴承带来的摩擦损耗，非常适合高速与超高速运行。

4、转矩绕组和悬浮力绕组不嵌套于同一个定子齿上，耦合较少，可以独立控制。

本发明的悬浮力绕组与转矩绕组嵌套在不同定子齿上，依靠悬浮力绕组通电后与气隙磁场的相互作用，分别产生大小和方向可控的水平方向径向悬浮力与垂直方向径向悬浮力，从而实现转子的稳定磁悬浮；依靠转矩绕组通电后与气隙磁场的相互作用，产生电磁转矩，驱动转子旋转。

附图说明

图1是本发明实施例1采用三相定子12槽/转子8极结构的半齿绕式无轴承开关磁阻电机的横向剖视结构示意图。

图2是本发明实施例1所示结构在某转子位置的气隙磁场变化和所受径向力的示意图。

图3是本发明实施例2采用四相定子8槽/转子6极结构的半齿绕式无轴承开关磁阻电机的横向剖视结构示意图。

图4是本发明实施例2所示结构在某转子位置的气隙磁场变化和所受径向力的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明的一种无轴承式半齿绕开关磁阻电机，包括定子1和转子4。定子1上设有偶数个定子齿。相邻定子齿之间形成定子槽。每个定子齿沿定子的径向都有一个定子齿与其相对。定子齿上设有集中绕组线圈，该集中绕组线圈包括用于输出机械能量的转矩绕组2和用于悬浮转子的悬浮力绕组3。集中绕组套于定子1的定子槽中，将定子齿缠绕。在相邻两个定子齿中，一个定子齿上绕有转矩绕组2的线圈，另一个定子齿上绕有悬浮力绕组3的线圈。也就是说，转矩绕组2和悬浮力绕组3沿着定子1的周向交替布置。

进一步，所述的定子1和转子4均为凸极结构，且转子4可以设置为内转子，也可以设置为外转子。当转子4为内转子时，定子1位于转子4的外侧。当转子4为外转子时，定子1位于转子4的内侧。转子4上无绕组和永磁体。

本发明的无轴承半齿绕式开关磁阻电机的工作机理是：遵循磁阻最小原理，即磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，当定子齿和转子齿中心线不重合，即磁导不为最大时，磁场就会产生切向磁拉力，形成磁阻转矩，使转子4转到磁导最大的位置；此外，当转子在不同位置时，依据不同的转子位移，给合适的悬浮力绕组通电，会产生径向磁拉力消除转子偏心，使转子稳定悬浮。

本发明的关键为在于，仅通过改变绕组结构，即可使电机转子稳定磁悬浮并输出转矩，电机定子上绕有转矩绕组的定子齿和绕有悬浮力绕组的定子齿的齿形和齿宽可以相同，也可以不用。

本发明可以应用于任意相数、任意定转子齿槽数组合的开关磁阻电机结构。下面例举两个实施例来具体说明本发明的技术方案及其工作原理。

实施例1：以三相定子12槽/转子8极开关磁阻电机结构为例进行说明。

如图1所示，本实施例采用三相定子12槽/转子8极电机结构，定子上有12个凸极齿，每个定子齿上均套有一个集中绕组线圈，总共套有12个线圈，按逆时针方向依次称为：第一转矩绕组线圈2A1、第一悬浮力绕组线圈3X11、第二转矩绕组线圈2B1、第二悬浮力绕组线圈3Y1、第三转矩绕组线圈2C1、第三悬浮力绕组线圈3X21、第四转矩绕组线圈2A2、第四悬浮力绕组线圈3X22、第五转矩绕组线圈2B2、第五悬浮力绕组线圈3Y2、第六转矩绕组线圈2C2和第六悬浮力绕组线圈3X12。

转矩绕组2包括第一转矩绕组线圈2A1、第二转矩绕组线圈2B1、第三转矩绕组线圈2C1、第四转矩绕组线圈2A2、第五转矩绕组线圈2B2和第六转矩绕组线圈2C2，第一转矩绕组线圈2A1与第四转矩绕组线圈2A2径向相对，且两者通电后磁链方向相顺，顺序串联或并联组成A相转矩绕组，；第二转矩绕组线圈2B1与第五转矩绕组线圈2B2径向相对，且两者通电后磁链方向相顺，顺序串联或并联组成B相转矩绕组；第三转矩绕组线圈2C1与第六转矩绕组线圈2C2径向相对，且两者通电后磁链方向相顺，顺序串联或并联组成C相转矩绕组；悬浮力绕组3包括第一悬浮力绕组线圈3X11、第二悬浮力绕组线圈3Y1、第三悬浮力绕组线圈3X21、第四悬浮力绕组线圈3X22、第五悬浮力绕组线圈3Y2和第六悬浮力绕组线圈3X12，第一悬浮力绕组线圈3X11与第四悬浮力绕组线圈3X22径向相对，第二悬浮力绕组线圈3Y1与第五悬浮力绕组线圈3Y2径向相对，第三悬浮力绕组线圈3X21与第六悬浮力绕组线圈3X12径向相对。将第一悬浮力绕组线圈3X11与第六悬浮力绕组线圈3X12顺序串联或并联后组成X1相悬浮力绕组，控制电机转子向X轴正方向偏移；将第三悬浮力绕组线圈3X21与第四悬浮力绕组线圈3X22顺序串联或并联后组成X2相悬浮力绕组，控制电机转子向X轴负方向偏移；第二悬浮力绕组线圈3Y1单独作为Y1相悬浮力绕组，控制电机转子向Y轴正方向偏移；第五悬浮力绕组线圈3Y2单独作为Y2相悬浮力绕组，控制电机转子向Y轴负方向偏移。

在图2所示电机转子位置，A相转矩绕组通电，此时，定子2A1齿尖与2A2齿尖处气隙处均产生方向向左的磁链。如图2(a)所示，当X1相悬浮力绕组按所示方向通电时，2A1齿尖气隙处的磁密被加强，而2A2齿尖气隙处的磁密基本不变，故2A1与2A2齿尖处气隙磁密将不再平衡，电机转子将受到方向向右的径向磁拉力；如图2(b)所示，当X2相悬浮力绕组按所示方向通电时，2A2齿尖气隙处的磁密被加强，而2A1齿尖气隙处的磁密基本不变，故2A2与2A1齿尖处气隙磁密将不再平衡，电机转子将受到方向向左的径向磁拉力；如图2(c)所示，当Y1相悬浮力绕组按所示方向通电时，3Y1齿尖气隙处的磁密被加强，而3Y2齿尖气隙处的磁密基本不变，故3Y1与3Y2齿尖处气隙磁密将不再平衡，电机转子将受到方向向上的径向磁拉力；如图2(d)所示，当Y2相悬浮力绕组按所示方向通电时，3Y2齿尖气隙处的磁密被加强，而3Y1齿尖气隙处的磁密基本不变，故3Y2与3Y1齿尖处气隙磁密将不再平衡，电机转子将受到方向向下的径向磁拉力。

该电机中存在两套绕组，即A、B、C三相转矩绕组和X1、X2、Y1、Y2四相悬浮力绕组。该***可以用七相功率电路驱动。

需要强调的是，在该实施例中，电机定子的转矩齿和悬浮力齿经过优化，它们的齿形和齿宽不相同。并且，转矩绕组与悬浮力绕组的线径与匝数是不同的。

实施例2：以四相定子8槽/转子6极开关磁阻电机结构为例进行说明。

如图3所示，本实施例采用四相定子8槽/转子6极电机结构，定子上有8个凸极齿，每个定子齿上均套有一个集中绕组线圈，总共套有8个线圈，按逆时针方向依次称为：第一悬浮力绕组线圈3X11、第一转矩绕组线圈2A1、第二悬浮力绕组线圈3Y1、第二转矩绕组线圈2B1、第四悬浮力绕组线圈3X22、第四转矩绕组线圈2A2、第五悬浮力绕组线圈3Y2,、第五转矩绕组线圈2B2。

转矩绕组2包括第一转矩绕组线圈2A1、第二转矩绕组线圈2B1、第四转矩绕组线圈2A2和第五转矩绕组线圈2B2，第一转矩绕组线圈2A1与第四转矩绕组线圈2A2径向相对，且两者通电后磁链方向相顺，顺序串联或并联组成A相转矩绕组；第二转矩绕组线圈2B1与第五转矩绕组线圈2B2径向相对，且两者通电后磁链方向相顺，顺序串联或并联组成B相转矩绕组；悬浮力绕组3包括第一悬浮力绕组线圈3X11、第二悬浮力绕组线圈3Y1、第四悬浮力绕组线圈3X22和第五悬浮力绕组线圈3Y2，第一悬浮力绕组线圈3X11与第四悬浮力绕组线圈3X22径向相对，第二悬浮力绕组线圈3Y1与第五悬浮力绕组线圈3Y2径向相对。第一悬浮力绕组线圈3X11单独作为X1相悬浮力绕组，控制电机转子向X轴正方向偏移；第四悬浮力绕组线圈3X22单独作为X2相悬浮力绕组，控制电机转子向X轴负方向偏移；第二悬浮力绕组线圈3Y1单独作为Y1相悬浮力绕组，控制电机转子向Y轴正方向偏移；第五悬浮力绕组线圈3Y2单独作为Y2相悬浮力绕组，控制电机转子向Y轴负方向偏移。

在图4所示电机转子位置，A相转矩绕组通电。此时，定子2A1齿尖与2A2齿尖处气隙处均产生方向向左下方的磁链。如图4(a)所示，当X1相悬浮力绕组按所示方向通电时，3X11齿尖气隙处的磁密被加强，而3X22齿尖气隙处的磁密基本不变，故3X11与3X22齿尖处气隙磁密将不再平衡，电机转子将受到方向向右的径向磁拉力；如图4(b)所示，当X2相悬浮力绕组按所示方向通电时，3X22齿尖气隙处的磁密被加强，而3X11齿尖气隙处的磁密基本不变，故3X22与3X11齿尖处气隙磁密将不再平衡，电机转子将受到方向向左的径向磁拉力；如图4(c)所示，当Y1相悬浮力绕组按所示方向通电时，3Y1齿尖气隙处的磁密被加强，而3Y2齿尖气隙处的磁密基本不变，故3Y1与3Y2齿尖处气隙磁密将不再平衡，电机转子将受到方向向上的径向磁拉力；如图4(d)所示，当Y2相悬浮力绕组按所示方向通电时，3Y2齿尖气隙处的磁密被加强，而3Y1齿尖气隙处的磁密基本不变，故3Y2与3Y1齿尖处气隙磁密将不再平衡，电机转子将受到方向向下的径向磁拉力。

该电机中存在两套绕组，即A、B两相转矩绕组和X1、X2、Y1、Y2四相悬浮力绕组。该***可以用六相功率电路驱动。

需要强调的是，在该实施例中，电机定子上的转矩齿和悬浮力齿保持齿形和齿宽相同，但是转矩绕组和悬浮力绕组的线径与匝数不相同。

Claims (4)

1.一种无轴承式半齿绕开关磁阻电机，包括定子（1）和转子（4），其特征在于：所述的定子（1）上设有偶数个定子齿，且定子齿上均设有集中绕组，集中绕组线圈包括用于输出机械能的转矩绕组（2）和用于悬浮电机转子的悬浮力绕组（3）；在相邻两个定子齿中，一个定子齿上绕有转矩绕组（2），另一个定子齿上绕有悬浮力绕组（3），转子上既无永磁体，也无绕组。

2.根据权利要求1所述的无轴承式半齿绕开关磁阻电机，其特征在于：悬浮力绕组至少有两组，一组控制水平X轴方向的转子位移，另一组控制垂直Y轴方向的转子位移。

3.根据权利要求1或2所述的无轴承式半齿绕开关磁阻电机，其特征在于：该电机作电动运行或发电运行。

4.根据权利要求1所述的无轴承式半齿绕开关磁阻电机，其特征在于：所述定子（1）上的绕有转矩绕组的定子齿的齿形与齿宽和绕有悬浮力绕组的定子齿的齿形与齿宽相同或不相同。

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