CN103715789A - 一种磁悬浮开关磁阻全周期电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁悬浮开关磁阻全周期电机，电机由一个定子铁芯，一个转子铁芯，12个等距等极弧宽定子极，8个等距等极弧宽转子极，3相转矩悬浮绕组和3相发电绕组组成。3相转矩悬浮绕组分别叠绕在12个转子极上，共有12套转矩悬浮绕组，每套转矩悬浮绕组独立控制，相差90°的4套转矩悬浮绕组构成一相。发电绕组也有12套，分为3相，每相发电绕组串联叠绕在相差90°的4个定子极上。本发明采用的绕组结构简单，紧凑，易于控制。转矩悬浮绕组的电流不仅可以提供悬浮力，转矩，也可以充当发电绕组的励磁电流，同时实现磁悬浮开关磁电机的电动和发电两种模式，且发电模式在悬浮转矩励磁期间和续流期间均有效。

Description

一种磁悬浮开关磁阻全周期电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，涉及一种磁悬浮开关磁阻全周期电机。 

背景技术

目前，1）磁悬浮开关磁阻发电机具备发电和自悬浮功能，其发电电压经整流、滤波和稳压后，可在电网电压波动或者负载变化时输出基本不受影响的直流电压，特别适合运用于光伏发电等可再生能源并网运行的动量补偿、峰值调节和负载平衡，具有广阔的工程应用前景。2）到目前为止，对磁悬浮开关磁阻电机的研究主要是以传统的12/8极双绕组磁悬浮开关磁阻电机为对象，针对其电动运行状态开展的。例如，日本学者A.Chiba和M.Takemoto对双绕组磁悬浮开关磁阻电机做了详细的分析和研究。针对发电运行的研究处于前期探索阶段。3）传统的磁悬浮开关磁阻电机悬浮绕组和转矩绕组是分开叠绕在定子极，在此基础上再加一套发电绕组，很大程度上增了电机的复杂性与成本。且传统磁悬浮开关磁阻电机的发电运行方式为周期性分时发电模式，主绕组在正转矩区间内励磁，仅在负转矩区间内向外输出电能，发电功率密度较低。 

发明内容

本发明在单绕组磁悬浮开关磁阻电机的基础上提出一种全周期电机。该电机可以同时进行电动和发电两种状态，且在悬浮转矩励磁期间和续流期间均可发电，即为全周期电机。本发明提高了电机的工作效率和功率密度。 

本发明所采用的技术方案是：本电机由定子铁芯、转子铁芯、定子极、转子极、转矩悬浮绕组和发电绕组组成。转子极上无绕组，定子极上有转矩悬浮绕组和发电绕组。所述定子铁芯内壁圆周方向有等距等极弧宽定子极，定子极数量为12，每个定子极之间相隔30°，定子极弧宽16°。所述转子铁芯内壁圆周方向有等距等极弧宽转子极，转子数量为8，每个转子极相隔45°，转子极弧宽15°。 

作为本发明的进一步改进，所述电机的转矩悬浮绕组共有12套，分别叠绕在12个定子极上，每套转矩悬浮绕组独立控制，相差90°的4套转矩悬浮绕组构成一相，共有三相。绕组N_a1，N_a2，N_a3，N_a4构成A相转矩悬浮绕组，绕组N_b1，N_b2，N_b3，N_b4构成B相转矩悬浮绕组，绕组N_c1，N_c2，N_c3，N_c4构成C相转矩悬浮绕组，每套绕组可以同时提供电动的转矩力和转子悬浮的悬浮力。 

作为本发明的进一步改进，所述电机的发电绕组共有12套，分为3相，每相发电绕组串 联等间隔叠绕在4个定子极上。绕组G_a1，G_a2，G_a3，G_a4串联构成A相发电绕组，绕组G_b1，G_b2，G_b3，G_b4串联构成B相发电绕组，绕组G_c1，G_c2，G_c3，G_c4串联构成C相发电绕组。 

作为本发明的进一步改进，所述绕组G_a1和绕组N_a1在同一定子极上，绕组G_a2和绕组N_a2在同一定子极上，绕组G_a3和绕组N_a3在同一定子极上，绕组G_a4和绕组N_a4在同一定子极上；绕组G_b1和绕组N_b1在同一定子极上，绕组G_b2和绕组N_b2在同一定子极上，绕组G_b3和绕组N_b3在同一定子极上，绕组G_b4和绕组N_b4在同一定子极上；绕组G_c1和绕组N_c1在同一定子极上，绕组G_c2和绕组N_c2在同一定子极上，绕组G_c3和绕组N_c3在同一定子极上，绕组G_c4和绕组N_c4在同一定子极上。 

作为本发明的进一步改进，在电机旋转的过程中，部分定子极和部分转子极对齐时，对齐的定子极和转子极之间的气隙宽度为0.25mm。 

本发明有益效果： 

1.将传统的磁悬浮开关磁阻电机中的转矩和悬浮两套绕组合并为一套转矩悬浮绕组。通过控制定子极上的转矩悬浮绕组电流，可以使该电机在转子悬浮的状态下，稳定运行。绕组结构简单，紧凑，降低成本。 

2.在每个定子极上叠绕发电绕组，该发电绕组在转矩悬浮绕组励磁期间，可以产生相应的发电电流，在转矩悬浮绕组续流期间，可以产生相应的发电电流。即在转矩悬浮绕组励磁，续流期间，均可发电，达到全周期发电效果，大大提高了电机的效率和功率密度。 

3.该电机是一种基于单绕组磁悬浮原理开关磁阻全周期电机。在工作期间既可作为电动机使用，也可作为发电机使用，是电动/发电一体化的磁悬浮开关磁阻电机。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明： 

图1是本发明的结构示意图； 

图2是本发明的A相转矩悬浮绕组通电时，发电绕组的发电示意图； 

图3是本发明所述电机转子在不同位置时，转矩悬浮绕组的电感、磁链，发电绕组的电流示意图； 

图中：1、定子铁芯，2、定子极，3、转子铁芯，4、转子极，5、转矩悬浮绕组，6、发电绕组，7、转矩悬浮绕组电感，8、转矩悬浮绕组磁链，9、转矩悬浮绕组在导通区间电流大小，10、发电绕组在转矩悬浮绕组有励磁电流时感应的电流，11、发电绕组在转矩悬浮绕组 在续流期间感应的电流。 

具体实施方式

本发明所述的是一种基于单绕组磁悬浮原理开关磁阻全周期电机，如图1所示，电机采用定子12极，转子8极的双凸极结构，由定子铁芯1，定子极2，转子铁芯3，转子极4，转矩悬浮绕组5和发电绕组6组成。定子铁芯1内壁圆周方向，分别设置等距等极弧宽的定子极2，每个定子极之间相隔30°，每个定子极弧宽16°，定子极2数量为12。转子铁芯3内壁圆周方向，分别设置等距等极弧的转子极4，每个转子极之间相隔45°，每个转子极弧宽15^°，转子极数量为8。每个定子极上都有一套转矩悬浮绕组5，依次为：N_a1，N_b1，N_c1，N_a2，N_b2，N_c2，N_a3，N_b3，N_c3，N_a4，N_b4，N_c4。其中绕组N_a1，N_a2，N_a3，N_a4构成A相转矩悬浮绕组，绕组N_b1，N_b2，N_b3，N_b4构成B相转矩悬浮绕组，绕组N_c1，N_c2，N_c3，N_c4构成C相转矩悬浮绕组，共有3相。每个定子极上都有一套发电绕组，依次为：G_a1，G_b1，G_c1，G_a2，G_b2，G_c2，G_a3，G_b3，G_c3，G_a4，G_b4，G_c4。其中G_a1，G_a2，G_a3，G_a4串联构成A相发电绕组，绕组G_b1，G_b2，G_b3，G_b4串联构成B相发电绕组，绕组G_c1，G_c2，G_c3，G_c4串联构成C相发电绕组。 

如图2所示，以A相为例，分别在转矩悬浮绕组N_a1，N_a2，N_a3，N_a4中分别施加电流i_a1，i_a2，i_a3，i_a4，其中i_a1=i_ma1+i_sa1，i_a2=i_ma2+i_sa2，i_a3=i_ma3+i_sa3，i_a4=i_ma4+i_sa4。i_a1的分量i_ma1为本发明电机的转矩电流，根据磁阻最小原理，可以带动电机旋转。i_a1的分量i_sa1为本发明电机维持转子稳定悬浮的悬浮电流，通过调节i_sa1，i_sa2，i_sa3，i_sa4的大小，可以达到磁悬浮效果。 

如图3所示，图中8为电机内部磁链变化示意图，9为A相转矩悬浮绕组的电流，θ_on为转矩悬浮绕组电流导通时刻，θ_off为转矩悬浮绕组电流关断时刻，10和11为发电绕组电磁感应生成的电流。在转矩悬浮绕组N_a1，N_a2，N_a3，N_a4通电期间，发电绕组向负载供电，当转矩悬浮绕组N_a1，N_a2，N_a3，N_a4在关断后至下次开通期间，即续流期间，发电绕组也可向负载供电，实现全周期发电效果，提高了电机的效率和功率密度。 

本所述实施例为本发明的优选的实施方式，但发明并不限于上述实施方式，在不背离本 发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种磁悬浮开关磁阻全周期电机，其特征在于：由定子铁芯（1），定子极（2），转子铁芯（3），转子极（4），转矩悬浮绕组（5）和发电绕组（6）组成；所述定子铁芯（1）的内壁圆周方向分别设置12个等距等极弧宽的定子极（2），每个定子极之间相隔30°，每个定子极弧宽16°；所述转子铁芯（3）的内壁圆周方向分别设置8个等距等极弧的转子极（4），每个转子极之间相隔45°，每个转子极弧宽15°；每个定子极（2）上都有一套转矩悬浮绕组（5）和一套发电绕组（6）。

2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮开关磁阻全周期电机，其特征在于：所述转矩悬浮绕组（5）共有12套，每套独立控制，分别叠绕在12个定子极（2）上，相差90^°的4套转矩悬浮绕组（5）构成一相，绕组N_a1，N_a2，N_a3，N_a4构成A相转矩悬浮绕组（5），绕组N_b1，N_b2，N_b3，N_b4构成B相转矩悬浮绕组（5），绕组N_c1，N_c2，N_c3，N_c4构成C相转矩悬浮绕组（5）。

3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮开关磁阻全周期电机，其特征在于：所述发电绕组（5）共有12套，每套独立控制，分为3相，相差90°的4套发电绕组（6）串联叠绕在相差90^°的4个定子极（2）上构成一相，绕组G_a1，G_a2，G_a3，G_a4串联构成A相发电绕组（6），绕组G_b1，G_b2，G_b3，G_b4串联构成B相发电绕组（6），绕组G_c1，G_c2，G_c3，G_c4串联构成C相发电绕组（6）。

4.根据权利要求2或3所述的一种磁悬浮开关磁阻全周期电机，其特征在于：所述绕组G_a1和绕组N_a1在同一定子极上，绕组G_a2和绕组N_a2在同一定子极上，绕组G_a3和绕组N_a3在同一定子极上，绕组G_a4和绕组N_a4在同一定子极上；所述绕组G_b1和绕组N_b1在同一定子极上，绕组G_b2和绕组N_b2在同一定子极上，绕组G_b3和绕组N_b3在同一定子极上，绕组G_b4和绕组N_b4在同一定子极上；所述绕组G_c1和绕组N_c1在同一定子极上，绕组G_c2和绕组N_c2在同一定子极上，绕组G_c3和绕组N_c3在同一定子极上，绕组G_c4和绕组N_c4在同一定子极上。

5.根据权利要求1所述的一种磁悬浮开关磁阻全周期电机，其特征在于：在电机旋转过程中，部分定子极（2）和部分转子极（4）对齐时，对齐的定子极（2）和转子极（4）之间的气隙宽度为0.25mm。

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