CN104009601A - 一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机。所述电机包括电机定子、电机转子和电机绕组；所述电机定子由磁阻电机定子、隔磁盘定子和磁轴承定子构成；电机转子由磁阻电机转子、隔磁盘转子和磁轴承转子构成；磁轴承定子为［型结构，磁轴承转子为圆柱结构；磁阻电机定子、转子均为凸极结构；所述电机绕组包括转矩绕组和悬浮力绕组；每个转矩绕组缠绕在磁阻电机定子、隔磁盘定子及磁轴承定子［型铁心的一个齿之上；每个悬浮力绕组缠绕在磁轴承定子[型铁心的另一个齿上。本发明磁阻电机转子产生转矩，悬浮力转子产生悬浮力，结构上实现了转矩和悬浮力的解耦；悬浮导通区间，运动电动势为零，削除了运动电动势对电流斩波控制的影响，改善了电流实时控制效果。

Description

一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，涉及一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机。

背景技术

无轴承开关磁阻电机是20世纪末发展起来的一种新型磁悬浮电机。按定子上绕有绕组的数量，可分为单绕组和双绕组结构。复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机是将产生悬浮力的悬浮绕组和原来开关磁阻电机的绕组一起叠绕在电机的定子上，通过控制两套绕组电流使其同时具有旋转和自悬浮能力，从而实现电机的超高速运行。

复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机的转矩和悬浮力之间存在着强耦合关系，且很难在控制策略和数学模型中实现二者的完全解耦，这是复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机悬浮和运行性能难以提高的主要因素之一。另外，因悬浮力控制所需，必须对绕组电流进行斩波控制，而高速运行时，运动电动势和感应电动势的双重作用导致无法对电流进行跟踪斩波控制，即会出现斩不住的现象，这大大影响了复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机高速性能的发挥。

为解决复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机的上述两个缺点，南京航空航天大学通过改变传统12/8极结构复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机悬浮绕组的连接方式提出了串励式双绕组无轴承开关磁阻发电机。它将同一方向上的三相悬浮绕组串联为一套绕组，这样悬浮绕组磁导在一个转子周期恒定不变，悬浮电流不产生转矩。由于悬浮绕组和转矩绕组共磁路，两套绕组之间及相间耦合强度大，仅能部分解决了转矩和悬浮力耦合问题。悬浮绕组漆包线需求量大，费铜，且绕组利用低；另外，该电机仅能作为发电机，限制了其应用范围。

发明内容

本发明目的是提出一种悬浮力和转矩解耦、转矩磁路和悬浮力磁路分离、高速适应性强且径向承载力大的新型双绕组无轴承开关磁阻电机。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机，包括电机定子、电机转子和电机绕组； 

所述电机定子由磁阻电机定子、隔磁盘定子和磁轴承定子构成，所述隔磁盘定子处于磁阻电机定子与磁轴承定子之间；

所述电机转子由磁阻电机转子、隔磁盘转子和磁轴承转子构成；所述隔磁盘转子处于磁阻电机转子与磁轴承转子之间；

所述磁阻电机定子和磁轴承定子齿数均为12，磁阻电机定子铁心为凸极结构，磁轴承定子由12个［ 型铁心组合而成，且 [ 型铁心开口处正对于磁轴承转子，每个［ 型铁心包括两个凸极齿；磁轴承定子、隔磁盘定子和磁阻电机定子轴向齿对齐，且齿宽均相同；

所述磁轴承转子布置在磁轴承定子内，隔磁盘转子布置在隔磁盘定子内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；磁阻电机转子及隔磁盘转子均为8极凸极结构，磁轴承转子为圆柱结构；

所述电机绕组包括转矩绕组和悬浮力绕组；所述转矩绕组共有12个，每个转矩绕组缠绕在磁阻电机定子、隔磁盘定子及磁轴承定子［ 型铁心的一个齿之上，该齿比［ 型铁心的另一个齿与磁阻电机定子近；所述悬浮力绕组共有12个，每个悬浮力绕组缠绕在磁轴承定子 [ 型铁心的另一个齿上；

所述无轴承开关磁阻电机为三相电机，每相绕组由一套转矩绕组和两套悬浮力绕组构成，其中，所述一套转矩绕组由4个空间上相隔90°的转矩绕组正向串联而成，4个转矩绕组产生的磁通呈NSNS交替分布；两套悬浮力绕组分别由与磁阻电机定子处于同一周向位置处的4个磁轴承定子齿上的4个线圈连接而成，具体连接方式为，两对相隔180°的轴承定子齿上的线圈反向串联为一套悬浮力绕组，另外两个相隔180°的线圈反向串联为另一套悬浮力绕组；两套悬浮力绕组产生的磁通呈NNSS分布。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机，采用本发明的技术方案，具有如下技术效果：

（1）悬浮力和转矩解耦，高速悬浮性能好；

（2）悬浮控制类似径向磁轴承，控制方便；

（3）削除了运动电动势的对绕组电流斩波控制的影响，电流实时控制效果好；

（4）径向悬浮力大，高速适应性强；

（5）各相悬浮磁路分离，且转矩磁路与悬浮磁路也隔离，磁路耦合性弱。

附图说明

图1是本发明电机的三维结构示意图。

图2是本发明电机的磁通磁路示意图。

图3是本发明电机的A相转矩绕组结构和磁通分布示意图。

图4为本发明电机的A相悬浮力绕组结构示意图。

图5为本发明电机的A相转矩绕组电感、转矩绕组电流和悬浮力绕组电流的示意图。

图6 为本发明电机的A相悬浮力绕组电感和悬浮力有限元仿真结果。

图7 为本发明电机的A相转矩绕组产生的转矩有限元仿真结果。

附图标记说明：图1至图7中，1是磁阻电机定子铁心，2是磁阻电机转子， 3是磁轴承定子铁心，4是磁轴承转子，5是隔磁盘定子，6是隔磁盘转子，7是转矩绕组，8是悬浮力绕组，9是第一气隙，10是第二气隙，11是转矩绕组电流在磁轴承中产生的磁通，12是悬浮力绕组电流产生的磁通，13是转矩绕组电流在磁阻电机中产生的四极磁通，14是A相转矩绕组N_ma，15、16分别为转矩绕组的流入电流i _ma +和流出电流i _ma -，17、18分别为A相α、β方向的悬浮力绕组N_sa1和N_sa2，19、20分别为α方向悬浮力绕组的流入电流i _sa1+和流出电流i _sa1-，21、22分别为β方向悬浮力绕组的流入电流i _sa2+和流出电流i _sa2-，23、24分别为直角坐标系的两个方向α和β，25为A相转矩绕组N_ma的电感有限元仿真值，26为A相转矩绕组的电流示意图，27为A相α正方向悬浮绕组N_sa1的电流示意图，28为A相β正方向悬浮绕组N_sa2的电流示意图，29是A相悬浮力绕组的电感有限元仿真值，30为A相绕组共同作用产生的悬浮力有限元仿真值，31为A相转矩绕组产生的转矩有限元仿真值，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别表示三个励磁区间。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明的一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机的三维结构示意图，其中，1为磁阻电机定子铁心、2是磁阻电机转子铁心、3是磁轴承定子铁心、4是磁轴承转子铁心、5是隔磁盘定子、6是隔磁盘转子、7是转矩绕组、8是悬浮力绕组。

所述电机定子由磁阻电机定子、隔磁盘定子和磁轴承定子通过轴向叠加构成，其中隔磁盘定子布置在磁阻电机定子与磁轴承定子之间；磁阻电机定子和磁轴承定子齿数均为12，磁阻电机定子铁心为凸极结构，12个单独 ［ 型铁心共同组合为磁轴承定子，且 [ 型铁心开口处正对于磁轴承转子，每个磁轴承定子包括两个凸极齿；磁轴承定子、隔磁盘定子和磁阻电机定子轴向处于齿与齿对齐状态，且三者定子齿宽相同，以方便绕线，简化绕线工艺。

所述电机绕组，包括转矩绕组和悬浮力绕组两类绕组，其中，每个转矩绕组缠绕在磁阻电机定子、隔磁盘定子及与之相近一个磁轴承定子齿之上，共有12个；每个悬浮力绕组缠绕在磁轴承定子 [ 型铁心的另一个齿上，该定子齿远离磁阻电机定子，共有12个。

所述电机转子由磁阻电机转子、隔磁盘转子和磁轴承转子通过轴向叠加构成，隔磁盘转子布置在磁阻电机转子与磁轴承转子之间，其中磁轴承转子布置在磁轴承定子内，隔磁盘转子布置在隔磁盘定子内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；磁阻电机转子铁心及隔磁盘转子均为8极凸极结构，磁轴承转子铁心为圆柱结构；

所述电机为三相制电机，每相绕组由一套转矩绕组和两套悬浮力绕组构成，其中，一套转矩绕组由4个空间上相隔90°的转矩绕组正向串联而成，4个转矩绕组产生的磁通呈NSNS交替分布；两套悬浮力绕组分别由与磁阻电机定子处于同一周向位置处的4个磁轴承定子齿上的4个线圈连接而成，具体连接方式为，两对相隔180°的轴承定子齿上的线圈反向串联为一套悬浮力绕组，另外两个相隔180°的线圈反向串联为另一套悬浮力绕组；两套悬浮力绕组产生的磁通呈NNSS分布。

图2为本发明一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机磁通磁路示意图。当A相转矩绕组N_ma和β方向悬浮力绕组N_sa2导通时，两者产生的磁通在第一气隙处方向相同，磁通增强，而在第二气隙处方向相反，磁通减弱，导致第一气隙处的磁通大于第二气隙处的磁通，进而产生一个β正方向的悬浮力；当改变β方向悬浮力绕组N_sa2电流的方向，将产生一个β负方向的悬浮力。同理，悬浮力绕组N_sa1导通时也可产生一个α方向悬浮力，合理控制转矩绕组N_ma、悬浮力绕组N_sa1和悬浮力绕组N_sa2电流即可产生任意大小和方向的悬浮力。

图3为本发明一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机的A相转矩绕组结构和磁通分布示意图。A相转矩绕组由分布在4个相对齿的线圈串联而成，彼此在空间上相隔90°，A相转矩绕组电流产生的四极对称磁通，呈NSNS分布。当A相转矩绕组导通时，在磁阻电机内产生的磁场，用于产生转矩，在磁轴内产生的磁场用于悬浮控制的偏置磁场。；B、C相的转矩绕组与A相转矩绕组结构相同，仅在位置上与A相相差30°和-30°。

图4为本发明一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机的A相悬浮力绕组结构示意图。A相α、β方向悬浮力绕组由磁轴承两个相对齿上的绕组反向串联而成，产生两极对称磁通，彼此磁路相互隔离，呈NS分布；B、C相的悬浮力绕组与A相悬浮力绕组结构相同，仅在位置上与A相相差30°和-30°。

图5为本发明一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机的A相转矩绕组电感、转矩绕组电流和悬浮力绕组电流的示意图。定义定子齿与转子槽对齐位置为零度位置，即为不对齐位置。对三相12/8极无轴承开关磁阻电机而言，一个转子周期角为45°，则每相绕组产生悬浮力的区间为15°，这样才能保证电机的稳定悬浮运行。

以A相为例，来说明本发明一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机的运行方式。设置转子位置角为θ，在θ∈[-7.5°，7.5°]内，由于转矩绕组自感分布相对平滑，有利于削弱运动电势对电流斩波控制的影响，从而可采用电流斩波控制方法实现径向悬浮力的瞬时控制。可设计电机运行工作模式如下：

 当电动运行时，在[-7.5°，7.5°]内（Ⅱ区），以不同的驱动信号同时开通A相各绕组的主功率开关，分别控制A相转矩绕组电流的大小、及α方向悬浮力绕组和β方向悬浮绕组电流大小和方向，产生作用于转子的悬浮力，而此时的转矩则由B相的转矩绕组励磁产生。在[7.5°，22.5°]内（Ⅲ区），A相悬浮励磁结束，两个悬浮力绕组关断，转矩绕组则继续导通，产生转矩，具体的电流控制方法可采用斩波电流控制，PWM控制，以及单脉冲控制，此时悬浮力由C相绕组导通产生。由此可见，在电动运行时的转矩绕组励磁相序是BA-AC-CB，悬浮力绕组励磁相序为A-C-B。

 当发电运行时，可选择在转角θ∈[-22.5°，-7.5°]内（Ⅰ区）开通A相转矩绕组的主功率开关，向外输出电能，此时悬浮力由B相绕组产生。仍在[-7.5°，7.5°]内（Ⅱ区），同时控制A相转矩绕组和悬浮力绕电流，产生作用于转子的悬浮力，此时C相进入发电状态。因此，在发电运行时的转矩绕组励磁相序是CA-AB-BC，悬浮力绕组励磁相序为A-B-C。

悬浮力控制原理为：A相悬浮励磁区间为[-7.5°，7.5°]，α方向悬浮力由转矩绕组电流i _ma 和α方向悬浮力绕组电流i _sa1控制，当i _sa1>0时，产上α正方向悬浮力，反之，产生α负方向悬浮力；同理，β方向悬浮力由转矩绕组电流i _ma 和β方向悬浮力绕组电流i _sa2控制，当i _sa2>0时，产上β正方向悬浮力，反之，产生β负方向悬浮力；α方向和β方向悬浮力可合成任意方向的悬浮力，因此通过合理控制3套绕组电流，可产生任意方向和大小的悬浮力，进而实现电机的自悬浮功能。同理，[-22.5°，-7.5°]和[7.5°，22.5°]区间的悬浮力可分别由B相和C相绕组产生，进而实现整个转子周期内的悬浮运行。

图6 为本发明一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机的A相悬浮力绕组电感和悬浮力有限元仿真结果。仿真时A相转矩绕组N_ma和β方向悬浮力绕组N_sa2均施加一恒定电流，分别计算不同转子位置时的电感和悬浮力值。仿真结果显示，悬浮力绕组的电感为恒值，故可削除运动电动势对电流斩波控制的影响。在A相悬浮励磁区间[-7.5°，7.5°]内，产生的悬浮力也为恒值，有利于悬浮控制，且可把转矩绕组和悬浮力绕组电流在[-7.5°，7.5°]内控制为方波形式。

图7为本发明一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机的A相转矩绕组产生的转矩有限元仿真结果。仿真时仅A相转矩绕组N_ma施加一恒定电流值，分别计算不同转子位置产生的转矩。仿真结果显示，在A相悬浮励磁区间[-7.5°，7.5°]内，产生的转矩正反对称，且数值很小，该区间内转矩合成值为零，可认为该区间不产生转矩。因此，悬浮励磁区间仅有悬浮力产生，而无转矩输出，实现了转矩和悬浮力的解耦。

综上所述，本发明凸极结构的磁阻电机转子用于产生转矩，圆柱结构的磁轴承转子用于产生悬浮力；在结构上实现了转矩和悬浮力的解耦；悬浮导通区间，转矩绕组和悬浮力绕组的电感均为恒值，运动电动势为零，削除了运动电动势的对绕组电流斩波控制的影响，改善了电流实时控制效果。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。

Claims (1)

1.一种复合结构双绕组无轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括电机定子、电机转子和电机绕组； 

所述电机定子由磁阻电机定子、隔磁盘定子和磁轴承定子构成，所述隔磁盘定子处于磁阻电机定子与磁轴承定子之间；

所述电机转子由磁阻电机转子、隔磁盘转子和磁轴承转子构成；所述隔磁盘转子处于磁阻电机转子与磁轴承转子之间；

所述磁阻电机定子和磁轴承定子齿数均为12，磁阻电机定子铁心为凸极结构，磁轴承定子由12个［ 型铁心组合而成，且 [ 型铁心开口处正对于磁轴承转子，每个［ 型铁心包括两个凸极齿；磁轴承定子、隔磁盘定子和磁阻电机定子轴向齿对齐，且齿宽均相同；

所述磁轴承转子布置在磁轴承定子内，隔磁盘转子布置在隔磁盘定子内，磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内；磁阻电机转子及隔磁盘转子均为8极凸极结构，磁轴承转子为圆柱结构；

所述电机绕组包括转矩绕组和悬浮力绕组；所述转矩绕组共有12个，每个转矩绕组缠绕在磁阻电机定子、隔磁盘定子及磁轴承定子［ 型铁心的一个齿之上，该齿比［ 型铁心的另一个齿与磁阻电机定子近；所述悬浮力绕组共有12个，每个悬浮力绕组缠绕在磁轴承定子 [ 型铁心的另一个齿上；

所述无轴承开关磁阻电机为三相电机，每相绕组由一套转矩绕组和两套悬浮力绕组构成，其中，所述一套转矩绕组由4个空间上相隔90°的转矩绕组正向串联而成，4个转矩绕组产生的磁通呈NSNS交替分布；两套悬浮力绕组分别由与磁阻电机定子处于同一周向位置处的4个磁轴承定子齿上的4个线圈连接而成，具体连接方式为，两对相隔180°的轴承定子齿上的线圈反向串联为一套悬浮力绕组，另外两个相隔180°的线圈反向串联为另一套悬浮力绕组；两套悬浮力绕组产生的磁通呈NNSS分布。