CN103825418A

CN103825418A - 单绕组无轴承磁通切换永磁电机

Info

Publication number: CN103825418A
Application number: CN201310756476.3A
Authority: CN
Inventors: 修杰; 夏长亮; 修妍; 王世宇; 邢静玥
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-05-28

Abstract

本发明属于电机技术领域，涉及一种单绕组无轴承磁通切换永磁电机，包括定子铁心，转子铁心，嵌于定子齿中间的永磁体和集中绕组，其定子、转子均为双凸极结构，其特征在于，定子铁心由6个U型叠片组成，每两个叠片之间嵌有一块切向交替充磁的永磁体，共同组成一个定子齿，具有轴对称性，定子齿上安装有集中绕组，绕组端部较小，空间相对的两个定子齿上的绕组构成一相，形成三相绕组，绕组电流的激磁为径向励磁方式，每一个绕组均为独立控制，其绕组电流可正反方向双向流动，电流大小可按需控制，电流的相位则与反电动势同相位。本发明具有高速、大功率、高效率、高功率密度、运行稳定性高、可靠性高、适合交流运行方式的特点。

Description

单绕组无轴承磁通切换永磁电机

所属技术领域

本发明属于高速无轴承电机技术领域，涉及一种定子永磁式单绕组无轴承磁通切换永磁电机

背景技术

高速和超高速电机在高速机床、涡轮分子泵、高速飞轮等设备中得到广泛应用，用机械轴承支撑时，由转子高速运行带来的摩擦阻力增加，使轴承磨损加剧，造成电机气隙不均，绕组发热，不仅降低电机工作效率，缩短电机和轴承的使用寿命，也增加了对电机和轴承维护的负担。

磁轴承电机的提出解决了机械轴承的磨损问题，但磁轴承占有独立的轴向空间，使得磁轴承电机的轴向利用率较低，而磁轴承结构和电机定子结构具有一定的相似性，如果把磁轴承中的悬浮绕组叠绕在电机定子绕组上，使两种磁场合成一体，且能同时控制电机转子的悬浮和旋转是最为理想的，无轴承电机正是基于这一设想而提出的。电机中两套绕组的磁场相互作用产生了作用在电机转子上的径向力，通过控制电机中的径向力可实现转子的悬浮。与传统磁轴承电机相比，该电机具有同时产生旋转力矩和径向悬浮力的功能。

现有高速无轴承电机主要有无轴承异步电机、无轴承永磁同步电机、无轴承开关磁阻电机等。其中无轴承异步电机的功率因数和效率较低，无轴承永磁同步电机的效率和功率因数高，但其为转子永磁式电机，转子的高速旋转带来结构不稳定的问题且存在因紧固装置引起的高温下永磁体退磁的问题。无轴承开关磁阻电机具有结构简单、适合高速运转等优点。但其需要主绕组提供偏置磁场以保证转子的悬浮。这增加了电机的损耗，降低了其效率。同时，其半周期通电的工作方式，降低了绕组的利用率和电机的功率密度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种高速、大功率、高效率、高功率密度、运行稳定性高、可靠性高、适合交流运行方式的定子永磁式无轴承电机。

本发明的技术方案如下：

一种单绕组无轴承磁通切换永磁电机，包括定子铁心，转子铁心，嵌于定子齿中间的永磁体和集中绕组，其定子、转子均为双凸极结构，定子铁心由6个U型叠片组成，每两个叠片之间嵌有一块切向交替充磁的永磁体，共同组成一个定子齿，具有轴对称性，定子齿上安装有集中绕组，绕组端部较小，空间相对的两个定子齿上的绕组构成一相，形成三相绕组，绕组电流的激磁为径向励磁方式，每一个绕组均为独立控制，其绕组电流可正反方向双向流动，电流大小可按需控制，电流的相位则与反电动势同相位。

本发明提出了单绕组无轴承磁通切换永磁电机这一新型定子永磁式无轴承电机。这一新型电机可实现大功率和高速、超高速旋转且运行的稳定性和可靠性很高。这一新型电机还具有很高的***效率和功率密度。

1）永磁体置于定子，不存在转子永磁式电机高速旋转时永磁体脱落的问题。提高了电机高速运行的结构稳定性和可靠性。

2）永磁体置于定子，便于散热，避免了永磁体的高温去磁，提高了电机运行的稳定性和可靠性。

3）气隙磁场主要由永磁体建立，省去了绕组电流中的励磁分量，减小了励磁损耗，提高了***效率，降低了温升，避免永磁体的高温去磁，提高电机运行的可靠性。

4）永磁体可产生很高的气隙磁密，在永磁磁链的全区内均可产生有效转矩，提高了绕组的利用率，这些都有效提高了***的功率密度。

5）绕组中的永磁磁链、反电动势和电流均接近双极性正弦波型，适合交流电机方式驱动，可在磁通-磁势平面坐标系的四个象限中实现能量转换，力能指标高，功率密度大。

6）因气隙磁密高，使得相同电流下所产生的转矩和径向力均得到增大，有效提高了电机的负载能力。

7）绕组为集中绕组，端部短，可减小绕组铜耗，提高电机的效率。

8）转子上无永磁体、无绕组、无电刷，具有最简结构。同时，其为硅钢片叠压而成的一个整体，结构简单且坚固，十分适合高速和超高速旋转，可提高电机的极限转速，提高功率密度。

9）通过采用导通相邻相的短磁路结构，避免悬浮励磁磁通穿过磁阻很大的永磁体，减小了励磁损耗，且避免了永磁体的退磁。

10）提出的短磁路悬浮励磁磁路结构可以以很小的悬浮励磁绕组电流实现对气隙合成磁通大小的控制，完成对转子径向位置的控制，从而实现单绕组无轴承磁通切换永磁电机的稳定悬浮运转。

11）无轴承的径向转子磁悬浮支撑结构，可消除轴承的机械摩擦损耗，无须润滑，***寿命长，可实现磁通切换永磁电机的高速、超高速运转。

12这一电机的轴向长度短，临界转速高，可实现大功率和高速运转。

13）电机结构简单、可靠性高、控制灵活、动态响应快、调速性能好、转矩/电流比大；

14）可实现各种特殊要求的转矩-转速特性，效率高，功率因数接近于1；

附图说明

图1本发明的单绕组无轴承磁通切换永磁电机基本结构图。

图2绕组永磁磁链、反电动势、电流在一个转子周期内的变化示意图。

图3功率变换器。

图4单绕组无轴承磁通切换永磁电机的径向悬浮力产生原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

综合磁通切换永磁电机和磁轴承电机的优良特性，本发明提出了单绕组无轴承磁通切换永磁电机这一新型电机。其基本结构如图1所示，主要电机由定子铁心1，转子铁心2，嵌于定子齿中间的永磁体3，单层绕组4构成。其定、转子均为双凸极结构，具有轴对称性，定、转子铁心均由硅钢片叠压而成。其转子与开关磁阻电机类似，其上无绕组、无永磁体，制造方便，成本较低且结构简单坚固适合高速旋转。定子铁心由6个U型叠片组成，每两个叠片之间嵌有一块切向交替充磁的永磁体，共同组成一个定子齿。定子齿上安装有集中绕组，绕组端部较小，节省用铜量并降低铜耗，空间相对的两个定子齿上的绕组构成一相，形成三相绕组，绕组电流的激磁为径向励磁方式。永磁体从转子移到了定子，采用切向安装形式，两块永磁体相邻侧的极性相同，这种安装形式充分利用了永磁体的聚磁效应，提高了气隙磁密，减少了定子开槽空间和永磁体的用量，降低了电机的成本。另外，永磁体置于定子的结构会产生高磁阻磁路，这使得电枢反应磁通在通过永磁体时受到了限制。而且电枢绕组磁场与永磁磁场的作用是并联关系，它基本消除了电枢反应对永磁体工作点的影响，避免了永磁体的不可逆退磁，使得电机的电枢电流和负载能力都可以很高。

这一新型电机与普通磁通切换永磁电机的不同在于其每一定子齿极上的绕组均为独立控制，绕组通入的电流的大小和方向均可独立控制。

本发明提出的单绕组无轴承双凸极永磁开关磁阻电机，通过采用永磁体来建立气隙基本磁场，可产生较高的气隙磁密，这一气隙磁通即可用来产生转矩又可提供悬浮力，避免了需要主绕组电流来建立气隙偏置磁场，减小了主绕组电流，降低了电机的损耗，提高了电机的整体效率和功率密度，降低温升，提高电机运行的稳定性和可靠性。其永磁体放置于定子铁心的轭部，为定子永磁式电机，不存在高速旋转时永磁体甩落的问题，大大提高了电机高速运行时的稳定性和可靠性。同时，永磁体置于定子上，便于永磁体的散热。此外，定子每极绕组为单层结构，相对于普通无轴承开关磁阻电机的双层绕组结构，提高了槽的利用率，绕组为集中式绕组，端部短，损耗小，进一步提高了电机效率和功率密度，简化了电机结构，降低了生产加工的复杂性。绕组中的永磁磁链、反电动势和电流均接近双极性正弦波型，适合交流电机方式驱动，可在磁通-磁势平面坐标系的四个象限中实现能量转换，力能指标高，功率密度大。其转子为硅钢片叠压而成的一个整体，转子上无绕组、无永磁体、无电刷，结构简单坚固，非常适合高速和超高速旋转，可提高电机的极限转速。

本发明的单绕组无轴承磁通切换永磁电机是利用磁轴承结构和磁通切换永磁电机定子结构的相似性，采用电力电子技术和数字控制技术，通过独立控制每一齿极上绕组中的电流，实现悬浮和旋转功能于一体。这一电机的电磁转矩产生原理与普通磁通切换永磁电机相同。根据转子位置，在绕组中通入与反电动势同相位的交流电流则会产生平稳的转矩，如图2所示。而径向力产生原理则与磁轴承悬浮原理相似，即通过独立控制每一定子齿极上的绕组电流，有目的地改变原电机中由永磁体产生的气隙磁场的分布和强度，从而控制作用在转子上的麦克斯韦力的大小和方向以实现转子悬浮。

这一电机运行时还需功率变换器的配合，根据转子位置，给相应定子绕组通电，功率变换器为6相全桥结构。功率变换器的结构如图3所示。其每一桥臂的功率管均采用P-MOSFET。

下面以本发明提出的三相6/4极结构单绕组无轴承磁通切换永磁电机为例，说明其转矩和径向悬浮力产生原理。

转矩产生原理：

以转子齿极中心线对齐定子齿极中心线为转子0°位置。在一个转子极距内，定子绕组磁通、反电动势、电流变化一个周期，因电机结构特点，其磁通、反电动势均近似正弦波形，适用于永磁无刷交流电机的控制方式。故通入与反电动势同相位的正弦波形电流，可产生平稳的转矩。同时，因这种电机的绕组磁链是双极性的，所以具有较高的转矩输出能力。其A相的a1绕组在一个转子周期内的永磁磁链、反电动势和电流的变化波形如图3所示。B、C相的磁链、反电动势和电流波形与A相类似但相位分别相差120°和240°电角度。

径向悬浮力产生原理如图4所示，单绕组无轴承磁通切换永磁电机采用集中绕组，每个定子凸极上有一个绕组，每一个绕组均为独立控制，其绕组电流可正反方向双向流动，电流大小可按需控制，电流的相位则与反电动势同相位。以A相为例，图1中I_a1、I_a2分别是A相2个相对齿极上绕组中的电流，其幅值不同方向相反。气隙磁场主要由永磁体建立。实线代表由永磁体产生的磁通，虚线代表绕组电流产生的磁通。当转子位于图示θ=18°位置处，A相和B相各绕组通入如图所示方向的电流时，在气隙1处，绕组电流I_a1 和I_b2产生的磁场方向与永磁体产生的磁场方向相同，气隙磁密增强；在气隙2处，绕组电流I_a2和I_b1产生的磁场方向与永磁体产生的磁场方向也相同，但因各绕组电流幅值不同，设电流I_a2和I_b1产生的磁动势之和小于I_a1和I_b2产生的磁动势之和，故气隙2处的磁密要小于气隙1处的磁密。这样，气隙1处的磁场和气隙2处的磁场在相应转子极表面产生的麦克斯韦力大小不一样，其合力为一个指向磁密较大方向的径向力F_r1作用在转子上，这一径向力沿x、y坐标分解可得到其x、y轴分量F_r1x和F_r1y。保持电流方向不变，改变绕组电流I_a1、I_a2和I_b1、I_b2的幅值，让I_a2和I_b1产生的磁动势之和大于I_a1和I_b2产生的磁动势之和则可产生方向相反的径向悬浮力。B、C相绕组结构与A相相同，但在空间位置上分别与A相相差120°和-120°。同理，因B相和C相径向相对绕组中通入的电流幅值不同，使得气隙3、4处的磁密幅值不同，则在对应转子齿极表面上分别产生麦克斯韦力，其合力F_r2指向磁密较大的一方，此径向力合力经坐标分解得到其相应的x、y轴分量F_r2x和F_r2y，三相绕组产生的在x、y方向上的径向力分量合成得到x、y方向上的总的径向力F_rx和F_ry。通过绕组电流的控制可产生任意方向和大小的径向力。根据所需径向力，通过径向力与绕组电流间的映射关系确定三相六个绕组电流的大小和方向，控制实际绕组电流跟随给定值变化，产生所需的径向力，即可实现转子的稳定悬浮。

Claims

1.一种单绕组无轴承磁通切换永磁电机，包括定子铁心，转子铁心，嵌于定子齿中间的永磁体和集中绕组，其定子、转子均为双凸极结构，其特征在于，定子铁心由6个U型叠片组成，每两个叠片之间嵌有一块切向交替充磁的永磁体，共同组成一个定子齿，具有轴对称性，定子齿上安装有集中绕组，绕组端部较小，空间相对的两个定子齿上的绕组构成一相，形成三相绕组，绕组电流的激磁为径向励磁方式，每一个绕组均为独立控制，其绕组电流可正反方向双向流动，电流大小可按需控制，电流的相位则与反电动势同相位。