CN113162314B - 一种三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机 - Google Patents

一种三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机 Download PDF

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CN113162314B CN202110366564.7A CN202110366564A CN113162314B CN 113162314 B CN113162314 B CN 113162314B CN 202110366564 A CN202110366564 A CN 202110366564A CN 113162314 B CN113162314 B CN 113162314B
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郭鸿浩
张文峰
姜永将
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Abstract

本发明公布了一种三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机。所述电机的转矩定子与径向力定子、轴向力定子相互隔离，因此产生转矩的转矩磁路与产生悬浮力的偏置磁路、悬浮磁路也相互隔离；由于悬浮定子齿的极弧角等于一个转子周期角，径向悬浮磁路不产生转矩，而且轴向悬浮磁路与转矩磁路无交叠，也不产生转矩；另外，三相转矩磁路均为短磁路结构，相与相间相互隔离，容错性和可靠性高。本发明集旋转和三自由度悬浮功能于一体，且转矩和三个悬浮力在结构上自然解耦，轴向长度短，有利于减小电机体积和重量，铁心损耗小，临界转矩和功率密度高；偏置磁通可由永磁励磁、电励磁和混合励磁等三种方法产生，可根据需要选择，应用场合和工况适应性强。

Description

一种三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机
技术领域
本发明涉及一种三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机，属于磁悬浮电机领域。
背景技术
开关磁阻电机结构简单，定转子均为凸极结构，定子上绕有集中式绕组，转子无绕组、无永磁体，高速性能好，容错性能强，耐高温耐油脂，环境适应性强，在航空航天、电动汽车、飞轮储能，纺织石油矿山等领域应用广泛。磁悬浮轴承具有无接触、无摩擦、便于维护等优点，可有效解决高速电机的轴承支撑问题，在电机领域应用广泛。将磁悬浮功能集成到开关磁阻电机中，便构成了无轴承开关磁阻电机。无轴承开关磁阻电机因集旋转与悬浮两功能于一体，不仅可有效解决高速运行时轴承摩擦带来的损耗和发热等问题，还能进一步发挥开关磁阻电机的高速适应性，从而强化其在航空航天、飞轮储能、舰船等高速领域的应用基础。然而，无轴承开关磁阻电机仅能实现两自由度径向悬浮运行，如果要构成一个稳定的五自由度磁悬浮电机***，至少需要一个轴向磁悬浮轴承与无轴承开关磁阻电机配合。进而，导致电机***的轴向长度增加，临界转速和功率密度下降，不利于电机超高速和大功率运行。
将具有两自由度悬浮能力的无轴承开关磁阻电机与轴向磁悬浮轴承进一步结构集成，缩短电机轴向长度，减小磁悬浮电机体积，对提升***临界转速和功率密度，具有重要理论意义和工程实践价值，并有助于充分发挥开关磁阻电机的高速适应性。
发明内容
本发明目的是提出一种具有轴向径向悬浮能力、转矩与悬浮力自然解耦且集成度高的三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机，包括径向力定子、转矩定子、非导磁支撑架、转矩线圈、径向悬浮线圈、偏置线圈、永磁体、定子环形导磁轭、轴向力定子Ⅰ、轴向力定子Ⅱ、轴向悬浮线圈Ⅰ、轴向悬浮线圈Ⅱ、转子、转子环形导磁轭和转轴；
所述径向力定子为凸极结构，齿数为6，所述径向力定子的6个齿空间上均匀分布，齿与齿间相隔60°；
所述转矩定子由6个C型定子组成，所述C型定子为凸极结构，齿数为2；每个所述C型定子中齿与齿相差22.5°；
所述非导磁支撑架由6个C型非导磁结构组成；
所述永磁体为矩形结构，共6个；
所述定子环形导磁轭为环形结构，所述转子环形导磁轭为环形结构；
所述转子为凸极结构，齿数为16，16个转子齿均匀分布，齿与齿间相隔22.5°；
所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ均为
Figure BDA0003007295780000021
型结构，所述
Figure BDA0003007295780000022
型结构凸极方向形成一个环形齿，所述
Figure BDA0003007295780000023
型结构内布置有1个通孔，所述通孔的中心线与环形齿的中心线重合；
所述通孔的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ，且布置在所述通孔内；
所述转矩定子、非导磁支撑架、径向力定子紧密布置，且所述非导磁支撑架紧密布置在转矩定子和径向力定子之间；所述径向力定子的齿与齿间均布置有1个C型定子和1个C型非导磁结构，共6个C型定子和6个C型非导磁结构；所述C型定子的中心线、C型非导磁结构的中心线与所述径向力定子的相邻两齿中心线重合；
所述轴向力定子Ⅰ、径向力定子和轴向力定子Ⅱ均布置在定子环形导磁轭内，所述径向力定子布置在所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ中间，所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ紧密布置在定子环形导磁轭两端；所述轴向力定子Ⅰ和径向力定子间的间距与所述轴向力定子Ⅱ和径向力定子间的间距相等；所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ的凸极环形齿均指向径向力定子；
所述转子布置在径向力定子和转矩定子内，所述转子套在转子环形导磁环上，所述转子环形导磁轭套在所述转轴上；
所述C型定子的每个齿上绕有1个转矩线圈，每个C型定子两个齿上的转矩线圈串联构成1个转矩线圈串，共6个；空间上相差180°的2个转矩线圈串，串联为1个转矩绕组，共3个，依次为A、B和C相转矩绕组；
所述轴向力定子Ⅰ中的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅰ，轴向力定子Ⅱ中的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅱ，所述轴向悬浮线圈Ⅰ和轴向悬浮线圈Ⅱ串联构成1个轴向悬浮绕组；
所述三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机存在三种产生偏置磁通的励磁方式，分别为永磁励磁方式、电励磁方式、混合励磁方式；
(1)永磁励磁方式，此时永磁体产生偏置磁通；所述径向力定子与定子环形导磁轭间紧密布置有6个永磁体，6个永磁体的中心线分别与所述径向力定子的6个齿中心线重合，且所述径向力定子中的2个齿中心线与水平方向重合；
所述径向力定子的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈，共6个；处于水平方向径向力定子齿上的2个径向悬浮线圈串联为1个水平径向悬浮绕组；剩余4个径向悬浮线圈串联为1个竖直径向悬浮绕组；
(2)电励磁方式，此时偏置绕组产生偏置磁通；所述径向力定子紧密布置在定子环形导磁轭内；
所述径向力定子的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈和1个偏置线圈，共6个径向悬浮线圈和6个偏置线圈；处于水平方向径向力定子齿上的2个径向悬浮线圈串联为1个水平径向悬浮绕组；剩余4个径向悬浮线圈串联为1个竖直径向悬浮绕组；6个所述偏置线圈串联构成1个偏置绕组；
(3)混合励磁方式，此时永磁体和偏置绕组共同产生偏置磁通；所述径向力定子与定子环形导磁轭间紧密布置有6个永磁体，6个永磁体的中心线分别与所述径向力定子的6个齿中心线重合，且所述径向力定子中的2个齿中心线与水平方向重合；
所述径向力定子的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈和1个偏置线圈，共6个径向悬浮线圈和6个偏置线圈；处于水平方向径向力定子齿上的2个径向悬浮线圈串联为1个水平径向悬浮绕组；剩余4个径向悬浮线圈串联为1个竖直径向悬浮绕组；6个所述偏置线圈串联构成1个偏置绕组。
所述径向力定子每个齿的极弧角为一个转子周期角，即22.5°；每个所述C型定子两个齿上的转矩线圈施加电流时，在其两个齿上产生的磁通极性相反，进而在两个齿形成一个串联磁路；所述水平径向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，且在径向力定子中的两个水平方向齿上产生的磁通极性相反；定义水平正方向为零度空间角位置，逆时针方向变化时空间角度为正，所述竖直径向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，在径向力定子位于空间角为60°和120°位置处两个齿上产生的磁通极性相同，在径向力定子位于空间角为240°和300°位置处两个齿上产生的磁通极性相同，且径向力定子位于空间角为60°和120°位置处两个齿上的磁通极性，与径向力定子位于空间角为240°和300°位置处两个齿上的磁通极性相反；所述轴向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，在所述轴向力定子Ⅰ中环形齿上产生的磁通极性与轴向力定子Ⅱ中环形齿上产生的磁通极性相反。
采用永磁励磁方式时，所述永磁体采用径向充磁方式，且6个所述永磁体充磁方向相同。
采用电励磁方式时，当所述偏置绕组施加电流时，6个偏置线圈在径向力定子齿上产生的磁通极性相同。
采用混合励磁方式时，所述永磁体采用径向充磁方式，且6个所述永磁体充磁方向相同；当所述偏置绕组施加电流时，6个偏置线圈在径向力定子齿上产生的磁通极性与6个永磁体产生的磁通极性相同。
所述A、B、C三相转矩绕组采用传统开关磁阻电机的单极性驱动方式，轮流导通产生输出转矩；所述偏置绕组采用单极性驱动方式，所述水平径向悬浮绕组、竖直径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组采用双极性驱动方式，三个悬浮绕组恒导通励磁，分别产生水平方向悬浮力、竖直方向悬浮力和轴向方向悬浮力。
本发明的有益效果：本发明提出了一种具有轴向径向悬浮功能的三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：
(1)同时具有旋转、轴向悬浮和两个径向悬浮能力，集成度高，轴向长度短，临界转速高，功率密度高；
(2)转矩控制磁路与悬浮控制励磁相互隔离，无耦合，转矩和悬浮力在结构上自然解耦；
(3)三相转矩磁路均为短磁路结构，且相与相间相互隔离，容错性能好，铁心损耗小；
(4)偏置磁通励磁方法灵活，可采用永磁励磁、电励磁和混合励磁等三种方法产生偏置磁通，可适应多种运行工况；永磁体产生悬浮力所需的偏置磁通时，体积重量小，功率密度高，悬浮力/悬浮电流比大，有利于降低悬浮功耗；偏置绕组产生偏置磁通时，固有刚度大，临界转速高，耐高温，环境适应性强；偏置绕组和永磁体共同产生偏置磁通时，兼顾永磁和电磁两种励磁方式的优点，且悬浮承载力大幅度增强，尤其适合磁悬浮列车、飞轮储能和航空航天等领域。
附图说明
图1是本发明实施例一的三维结构示意图。
图2是本发明实施例一A相绕组电流在转子处于不对齐位置时产生的磁通示意图。
图3是本发明实施例一A相绕组电流在转子处于对齐位置时产生的磁通示意图。
图4是本发明实施例一永磁体和两个径向悬浮绕组电流产生的偏置磁通和径向悬浮控制磁通示意图。
图5是本发明实施例一永磁体和轴向悬浮绕组电流产生的偏置磁通和轴向悬浮控制磁通示意图。
图6是本发明实施例二的三维结构示意图。
图7是本发明实施例二偏置绕组电流和两个径向悬浮绕组电流产生的偏置磁通和径向悬浮控制磁通示意图。
图8是本发明实施例三的三维结构示意图。
图9是本发明实施例三永磁体和偏置绕组电流产生的偏置磁通示意图。
附图标记说明：图1至图9中，1是径向力定子，2是转矩定子，3是非导磁支撑架，4是径向悬浮线圈，5是转矩线圈，6是永磁体，7是定子环形导磁轭，8是轴向力定子Ⅰ，9是轴向力定子Ⅱ，10是轴向悬浮线圈Ⅰ，11是轴向悬浮线圈Ⅱ，12是转子，13是转子环形导磁轭，14是转轴，15是A相绕组电流在转子处于不对齐位置时产生的磁通，16是A相绕组电流在转子处于对齐位置时产生的磁通，17是永磁体产生的偏置磁通，18是水平径向悬浮绕组电流产生的径向悬浮控制磁通，19是竖直径向悬浮绕组电流产生的径向悬浮控制磁通，20是轴向悬浮绕组电流产生的轴向悬浮控制磁通，21是偏置线圈，22是偏置绕组电流产生的偏置磁通，ia+为A相绕组的流入电流，ia-为A相绕组的流出电流，ibias+为偏置绕组的流入电流，ibias-为偏置绕组的流出电流，ix+、iy+、iz+分别为水平径向悬浮绕组、竖直径向悬浮绕组、轴向悬浮绕组的流入电流，ix-、iy-、iz-分别为水平径向悬浮绕组、竖直径向悬浮绕组、轴向悬浮绕组的流出电流，X、Y、Z分别为直角坐标系的三坐标轴。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机的技术方案进行详细说明：
如图1所示，是本发明实施例一的三维结构示意图，其中，1是径向力定子，2是转矩定子，3是非导磁支撑架，4是径向悬浮线圈，5是转矩线圈，6是永磁体，7是定子环形导磁轭，8是轴向力定子Ⅰ，9是轴向力定子Ⅱ，10是轴向悬浮线圈Ⅰ，11是轴向悬浮线圈Ⅱ，12是转子，13是转子环形导磁轭，14是转轴，X、Y、Z分别为直角坐标系的三坐标轴。
所述三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机，包括径向力定子、转矩定子、非导磁支撑架、转矩线圈、径向悬浮线圈、永磁体、定子环形导磁轭、轴向力定子Ⅰ、轴向力定子Ⅱ、轴向悬浮线圈Ⅰ、轴向悬浮线圈Ⅱ、转子、转子环形导磁轭和转轴；
所述径向力定子为凸极结构，齿数为6，所述径向力定子的6个齿空间上均匀分布，齿与齿间相隔60°；
所述转矩定子由6个C型定子组成，所述C型定子为凸极结构，齿数为2；每个所述C型定子中齿与齿相差22.5°；
所述非导磁支撑架由6个C型非导磁结构组成；
所述永磁体为矩形结构，共6个；
所述定子环形导磁轭为环形结构，所述转子环形导磁轭为环形结构；
所述转子为凸极结构，齿数为16，16个转子齿均匀分布，齿与齿间相隔22.5°；
所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ均为
Figure BDA0003007295780000061
型结构，所述
Figure BDA0003007295780000062
型结构凸极方向形成一个环形齿，所述
Figure BDA0003007295780000063
型结构内布置有1个通孔，所述通孔的中心线与环形齿的中心线重合；
所述通孔的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ，且布置在所述通孔内；
所述转矩定子、非导磁支撑架、径向力定子紧密布置，且所述非导磁支撑架紧密布置在转矩定子和径向力定子之间；所述径向力定子的齿与齿间均布置有1个C型定子和1个C型非导磁结构，共6个C型定子和6个C型非导磁结构；所述C型定子的中心线、C型非导磁结构的中心线与所述径向力定子的相邻两齿中心线重合；
所述径向力定子与定子环形导磁轭间紧密布置有6个永磁体，6个永磁体的中心线分别与所述径向力定子的6个齿中心线重合，且所述径向力定子中的2个齿中心线与水平方向重合；
所述轴向力定子Ⅰ、径向力定子和轴向力定子Ⅱ均布置在定子环形导磁轭内，所述径向力定子布置在所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ中间，所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ紧密布置在定子环形导磁轭两端；所述轴向力定子Ⅰ和径向力定子间的间距与所述轴向力定子Ⅱ和径向力定子间的间距相等；所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ的凸极环形齿均指向径向力定子；
所述转子布置在径向力定子和转矩定子内，所述转子套在转子环形导磁环上，所述转子环形导磁轭套在所述转轴上；
所述C型定子的每个齿上绕有1个转矩线圈，每个C型定子两个齿上的转矩线圈串联构成1个转矩线圈串，共6个；空间上相差180°的2个转矩线圈串，串联为1个转矩绕组，共3个，依次为A、B和C相转矩绕组；
处于水平方向径向力定子齿上的2个径向悬浮线圈串联为1个水平径向悬浮绕组；剩余4个径向悬浮线圈串联为1个竖直径向悬浮绕组；
所述轴向力定子Ⅰ中的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅰ，轴向力定子Ⅱ中的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅱ，所述轴向悬浮线圈Ⅰ和轴向悬浮线圈Ⅱ串联构成1个轴向悬浮绕组；
所述永磁体采用径向充磁方式，且6个所述永磁体充磁方向相同；所述径向力定子每个齿的极弧角为一个转子周期角，即22.5°；每个所述C型定子两个齿上的转矩线圈施加电流时，在其两个齿上产生的磁通极性相反，进而在两个齿形成一个串联磁路；所述水平径向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，且在径向力定子中的两个水平方向齿上产生的磁通极性相反；定义水平正方向为零度空间角位置，逆时针方向变化时空间角度为正，所述竖直径向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，在径向力定子位于空间角为60°和120°位置处两个齿上产生的磁通极性相同，在径向力定子位于空间角为240°和300°位置处两个齿上产生的磁通极性相同，且径向力定子位于空间角为60°和120°位置处两个齿上的磁通极性，与径向力定子位于空间角为240°和300°位置处两个齿上的磁通极性相反；所述轴向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，在所述轴向力定子Ⅰ中环形齿上产生的磁通极性与轴向力定子Ⅱ中环形齿上产生的磁通极性相反；
所述A、B、C三相转矩绕组采用传统开关磁阻电机的单极性驱动方式，轮流导通产生输出转矩；所述永磁体产生方向和大小均恒定的偏置磁通；所述水平径向悬浮绕组、竖直径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组采用双极性驱动方式，三个悬浮绕组恒导通励磁，分别产生水平方向悬浮力、竖直方向悬浮力和轴向方向悬浮力。
如图2、图3所示，分别是本发明实施例一A相绕组电流在转子处于不对齐位置、对齐位置时产生的磁通示意图。15是A相绕组电流在转子处于不对齐位置时产生的磁通，16是A相绕组电流在转子处于对齐位置时产生的磁通。定义X轴位于水平方向，Y轴位于竖直方向，Z轴位于轴向方向。
定义转子齿中心线与转矩齿中心线重合时为对齐位置，此时磁路磁阻最小；定子相邻两转子齿中线与转矩齿中心重合时为不对齐位置，此时磁路磁阻最大。所述C型定子的每个齿上绕有1个转矩线圈，每个C型定子两个齿上的转矩线圈串联构成1个转矩线圈串，共6个；空间上相差180°的2个转矩线圈串，串联为1个转矩绕组，共3个，依次为A、B和C相转矩绕组；
当A相绕组施加的电流为ia时，将产生一个两极对称磁通，每个磁通在每个C型定子两个齿呈NS分布；每个磁通回路为：C型定子一个齿、径向气隙、转子齿和转子轭(或转子齿)、径向气隙、C型定子另一个齿、C型定子定子轭，再到该C型定子齿闭合，该磁通为一短磁路分布的磁通。同理，当B相和C相绕组施加电流时，也将产生一个两极对称分布的短磁路磁通。采用传统开关磁阻电机的单极性驱动方式，A、B、C三相转矩绕组轮流导通产生输出转矩，实现所述电机旋转运行。
如图4、图5所示，分别是本发明实施例一永磁体和两个径向悬浮绕组电流产生的偏置磁通和径向悬浮控制磁通示意图、本发明实施例一永磁体和轴向悬浮绕组电流产生的偏置磁通和轴向悬浮控制磁通示意图。17是永磁体产生的偏置磁通，18是水平径向悬浮绕组电流产生的径向悬浮控制磁通，19是竖直径向悬浮绕组电流产生的径向悬浮控制磁通，20是轴向悬浮绕组电流产生的轴向悬浮控制磁通。
6个所述永磁体采用径向充磁方式，且所有永磁充磁方向相同。永磁体产生的偏置磁通经径向力定子轭、径向力定子齿、径向气隙、转子齿、转子轭、转子环形导磁轭，然后一分为二，一路经轴向气隙、轴向定子Ⅰ环形齿、轴向定子Ⅰ的轭部、定子环形导磁轭，再到永磁体径向闭合回路；另一路经轴向气隙、轴向定子Ⅱ环形齿、轴向定子Ⅱ的轭部、定子环形导磁轭，再到永磁体径向形成另一闭合回路；
水平径向悬浮绕组施加电流为ix时，将产生一个径向两极对称磁通。每个磁通经径向力定子的水平正方向齿、径向气隙、转子水平正方向齿、转子轭、转子水平负方向齿、径向气隙、径向力定子的水平负方向齿、径向力定子的轭部，最后再到径向力定子的水平正方向齿，形成闭合回路。水平径向悬浮绕组施加如图4所示的电流ix时，水平正方向处的气隙磁通增强，水平负方向气隙磁通减弱，将产生一个水平(X轴)正方向悬浮力；当电流ix方向改变时，将产生一个水平(X轴)负方向悬浮力。
竖直径向悬浮绕组施加电流为iy时，也将产生一个径向两极对称磁通。其中一个磁通经径向力定子的60°位置齿、径向气隙、转子齿、转子轭、转子齿、径向气隙、径向力定子的300°位置齿、径向力定子的轭部，最后再到径向力定子的60°位置齿，形成闭合回路。竖直径向悬浮绕组施加如图4所示的电流iy时，径向力定子60°位置齿和120°位置齿下的气隙磁通增强，径向力定子240°位置齿和300°位置齿下的气隙磁通减弱，将产生一个竖直(Y轴)正方向悬浮力；当电流iy方向改变时，将产生一个竖直(Y轴)负方向悬浮力。
轴向悬浮绕组施加电流为iz时，也将产生一个径向两极对称磁通。每个磁通经轴向力定子Ⅰ的环形齿、轴向力定子Ⅰ的轭部、定子环形导磁轭、轴向力定子Ⅱ的轭部、轴向力定子Ⅱ的环形齿、轴向负方向气隙、转子环形导磁轭、轴向正方向气隙，最后再到轴向力定子Ⅰ的环形齿，形成闭合回路。轴向悬浮绕组施加如图5所示的电流iz时，轴向负方向气隙内的磁通增强，轴向正方向气隙内的磁通减弱，将产生一个轴向(Z轴)负方向悬浮力；当电流iz方向改变时，将产生一个轴向(Z轴)负方向悬浮力。
为此，采用双极性驱动方式，合理控制三个悬浮绕组电流的大小和方向即可控制三个悬浮力的大小和方向，从而产生三个任意方向和大小的悬浮力，进而实现转子的轴向和两个径向稳定悬浮运行。
如图6所示，是本发明实施例二的三维结构示意图，其中，1是径向力定子，2是转矩定子，3是非导磁支撑架，4是径向悬浮线圈，5是转矩线圈，7是定子环形导磁轭，8是轴向力定子Ⅰ，9是轴向力定子Ⅱ，10是轴向悬浮线圈Ⅰ，11是轴向悬浮线圈Ⅱ，12是转子，13是转子环形导磁轭，14是转轴，21是偏置线圈。
所述三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机，包括径向力定子、转矩定子、非导磁支撑架、转矩线圈、径向悬浮线圈、偏置线圈、定子环形导磁轭、轴向力定子Ⅰ、轴向力定子Ⅱ、轴向悬浮线圈Ⅰ、轴向悬浮线圈Ⅱ、转子、转子环形导磁轭和转轴；
所述径向力定子为凸极结构，齿数为6，所述径向力定子的6个齿空间上均匀分布，齿与齿间相隔60°；
所述转矩定子由6个C型定子组成，所述C型定子为凸极结构，齿数为2；每个所述C型定子中齿与齿相差22.5°；
所述非导磁支撑架由6个C型非导磁结构组成；
所述永磁体为矩形结构，共6个；
所述定子环形导磁轭为环形结构，所述转子环形导磁轭为环形结构；
所述转子为凸极结构，齿数为16，16个转子齿均匀分布，齿与齿间相隔22.5°；
所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ均为
Figure BDA0003007295780000091
型结构，所述
Figure BDA0003007295780000092
型结构凸极方向形成一个环形齿，所述
Figure BDA0003007295780000093
型结构内布置有1个通孔，所述通孔的中心线与环形齿的中心线重合；
所述通孔的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ，且布置在所述通孔内；
所述转矩定子、非导磁支撑架、径向力定子紧密布置，且所述非导磁支撑架紧密布置在转矩定子和径向力定子之间；所述径向力定子的齿与齿间均布置有1个C型定子和1个C型非导磁结构，共6个C型定子和6个C型非导磁结构；所述C型定子的中心线、C型非导磁结构的中心线与所述径向力定子的相邻两齿中心线重合；
所述轴向力定子Ⅰ、径向力定子和轴向力定子Ⅱ均紧密布置在定子环形导磁轭内，所述径向力定子布置在所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ中间，所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ紧密布置在定子环形导磁轭两端；所述轴向力定子Ⅰ和径向力定子间的间距与所述轴向力定子Ⅱ和径向力定子间的间距相等；所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ的凸极环形齿均指向径向力定子；
所述转子布置在径向力定子和转矩定子内，所述转子套在转子环形导磁环上，所述转子环形导磁轭套在所述转轴上；
所述C型定子的每个齿上绕有1个转矩线圈，每个C型定子两个齿上的转矩线圈串联构成1个转矩线圈串，共6个；空间上相差180°的2个转矩线圈串，串联为1个转矩绕组，共3个，依次为A、B和C相转矩绕组；
所述径向力定子的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈和1个偏置线圈，共6个径向悬浮线圈和6个偏置线圈；处于水平方向径向力定子齿上的2个径向悬浮线圈串联为1个水平径向悬浮绕组；剩余4个径向悬浮线圈串联为1个竖直径向悬浮绕组；6个所述偏置线圈串联构成1个偏置绕组；
所述轴向力定子Ⅰ中的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅰ，轴向力定子Ⅱ中的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅱ，所述轴向悬浮线圈Ⅰ和轴向悬浮线圈Ⅱ串联构成1个轴向悬浮绕组；
所述径向力定子每个齿的极弧角为一个转子周期角，即22.5°；每个所述C型定子两个齿上的转矩线圈施加电流时，在其两个齿上产生的磁通极性相反，进而在两个齿形成一个串联磁路；所述水平径向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，且在径向力定子中的两个水平方向齿上产生的磁通极性相反；定义水平正方向为零度空间角位置，逆时针方向变化时空间角度为正，所述竖直径向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，在径向力定子位于空间角为60°和120°位置处两个齿上产生的磁通极性相同，在径向力定子位于空间角为240°和300°位置处两个齿上产生的磁通极性相同，且径向力定子位于空间角为60°和120°位置处两个齿上的磁通极性，与径向力定子位于空间角为240°和300°位置处两个齿上的磁通极性相反；所述轴向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，在所述轴向力定子Ⅰ中环形齿上产生的磁通极性与轴向力定子Ⅱ中环形齿上产生的磁通极性相反；
所述A、B、C三相转矩绕组采用传统开关磁阻电机的单极性驱动方式，轮流导通产生输出转矩；所述偏置绕组采用单极性驱动方式，产生方向不变的偏置磁通；所述水平径向悬浮绕组、竖直径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组采用双极性驱动方式，三个悬浮绕组恒导通励磁，分别产生水平方向悬浮力、竖直方向悬浮力和轴向方向悬浮力。
如图7所示，是本发明实施例二偏置绕组电流和两个径向悬浮绕组电流产生的偏置磁通和径向悬浮控制磁通示意图。18是水平径向悬浮绕组电流产生的径向悬浮控制磁通，19是竖直径向悬浮绕组电流产生的径向悬浮控制磁通，22是偏置绕组电流产生的偏置磁通。
当所述偏置绕组施加电流为ibias时，6个偏置线圈电流在径向力定子齿上产生的磁通极性相同；每个偏置线圈电流产生的偏置磁通路径与图4中所述永磁体产生的偏置磁通路径类似，即偏置磁通经径向力定子齿、径向气隙、转子齿、转子轭、转子环形导磁轭，然后一分为二，一路经轴向气隙、轴向定子Ⅰ环形齿、轴向定子Ⅰ的轭部、定子环形导磁轭、径向力定子轭，再到径向力定子齿径向闭合回路；另一路经轴向气隙、轴向定子Ⅱ环形齿、轴向定子Ⅱ的轭部、定子环形导磁轭、径向力定子轭，再到径向力定子齿径向形成另一闭合回路；
水平径向悬浮绕组和竖直径向绕组施加电流时，分别产生一个两极控制磁通，与图4中的径向控制磁通路径相同；轴向悬浮绕组施加电流时，也产生一个两极控制磁通，与图5中的轴向控制磁通路径相同；
因此，实施例二与实施例一的悬浮力产生原理也完全相同。当偏置绕组采用单极性驱动方式且恒导通时，将产生一个恒定偏置磁通；而三个悬浮绕组采用双极性驱动方式时，合理控制三个悬浮绕组电流的大小和方向即可控制三个悬浮力的大小和方向，从而产生三个任意方向和大小的悬浮力，进而实现转子的轴向和两个径向稳定悬浮运行。与实施例一中永磁偏置磁通不可调节相反，实施例二中可方便调节偏置绕组电流的大小以动态控制偏置磁通的幅值，进而满足不同悬浮工况需求。
如图8所示，是本发明实施例三的三维结构示意图，其中，1是径向力定子，2是转矩定子，3是非导磁支撑架，4是径向悬浮线圈，5是转矩线圈，6是永磁体，7是定子环形导磁轭，8是轴向力定子Ⅰ，9是轴向力定子Ⅱ，10是轴向悬浮线圈Ⅰ，11是轴向悬浮线圈Ⅱ，12是转子，13是转子环形导磁轭，14是转轴，21是偏置线圈。
所述三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机，包括径向力定子、转矩定子、非导磁支撑架，转矩线圈、径向悬浮线圈、偏置线圈、永磁体、定子环形导磁轭、轴向力定子Ⅰ、轴向力定子Ⅱ、轴向悬浮线圈Ⅰ、轴向悬浮线圈Ⅱ、转子、转子环形导磁轭和转轴；
所述径向力定子为凸极结构，齿数为6，所述径向力定子的6个齿空间上均匀分布，齿与齿间相隔60°；
所述转矩定子由6个C型定子组成，所述C型定子为凸极结构，齿数为2；每个所述C型定子中齿与齿相差22.5°；
所述非导磁支撑架由6个C型非导磁结构组成；
所述永磁体为矩形结构，共6个；
所述定子环形导磁轭为环形结构，所述转子环形导磁轭为环形结构；
所述转子为凸极结构，齿数为16，16个转子齿均匀分布，齿与齿间相隔22.5°；
所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ均为
Figure BDA0003007295780000121
型结构，所述
Figure BDA0003007295780000122
型结构凸极方向形成一个环形齿，所述
Figure BDA0003007295780000123
型结构内布置有1个通孔，所述通孔的中心线与环形齿的中心线重合；
所述通孔的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿所述轴向定子Ⅰ与轴向定子Ⅱ，且布置在所述通孔内；
所述转矩定子、非导磁支撑架、径向力定子紧密布置，且所述非导磁支撑架紧密布置在转矩定子和径向力定子之间；所述径向力定子的齿与齿间均布置有1个C型定子和1个C型非导磁结构，共6个C型定子和6个C型非导磁结构；所述C型定子的中心线、C型非导磁结构的中心线与所述径向力定子的相邻两齿中心线重合；
所述径向力定子与定子环形导磁轭间紧密布置有6个永磁体，6个永磁体的中心线分别与所述径向力定子的6个齿中心线重合，且所述径向力定子中的2个齿中心线与水平方向重合；
所述轴向力定子Ⅰ、径向力定子和轴向力定子Ⅱ均布置在定子环形导磁轭内，所述径向力定子布置在所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ中间，所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ紧密布置在定子环形导磁轭两端；所述轴向力定子Ⅰ和径向力定子间的间距与所述轴向力定子Ⅱ和径向力定子间的间距相等；所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ的凸极环形齿均指向径向力定子；
所述转子布置在径向力定子和转矩定子内，所述转子套在转子环形导磁环上，所述转子环形导磁轭套在所述转轴上；
所述C型定子的每个齿上绕有1个转矩线圈，每个C型定子两个齿上的转矩线圈串联构成1个转矩线圈串，共6个；空间上相差180°的2个转矩线圈串，串联为1个转矩绕组，共3个，依次为A、B和C相转矩绕组；
所述径向力定子的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈和1个偏置线圈，共6个径向悬浮线圈和6个偏置线圈；处于水平方向径向力定子齿上的2个径向悬浮线圈串联为1个水平径向悬浮绕组；剩余4个径向悬浮线圈串联为1个竖直径向悬浮绕组；6个所述偏置线圈串联构成1个偏置绕组；
所述轴向力定子Ⅰ中的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅰ，轴向力定子Ⅱ中的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅱ，所述轴向悬浮线圈Ⅰ和轴向悬浮线圈Ⅱ串联构成1个轴向悬浮绕组；
所述永磁体采用径向充磁方式，且6个所述永磁体充磁方向相同；所述径向力定子每个齿的极弧角为一个转子周期角，即22.5°；每个所述C型定子两个齿上的转矩线圈施加电流时，在其两个齿上产生的磁通极性相反，进而在两个齿形成一个串联磁路；所述水平径向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，且在径向力定子中的两个水平方向齿上产生的磁通极性相反；定义水平正方向为零度空间角位置，逆时针方向变化时空间角度为正，所述竖直径向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，在径向力定子位于空间角为60°和120°位置处两个齿上产生的磁通极性相同，在径向力定子位于空间角为240°和300°位置处两个齿上产生的磁通极性相同，且径向力定子位于空间角为60°和120°位置处两个齿上的磁通极性，与径向力定子位于空间角为240°和300°位置处两个齿上的磁通极性相反；所述轴向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，在所述轴向力定子Ⅰ中环形齿上产生的磁通极性与轴向力定子Ⅱ中环形齿上产生的磁通极性相反；
所述A、B、C三相转矩绕组采用传统开关磁阻电机的单极性驱动方式，轮流导通产生输出转矩；所述偏置绕组采用单极性驱动时，将与永磁体一起共同产生偏置磁通；所述水平径向悬浮绕组、竖直径向悬浮绕组和轴向悬浮绕组采用双极性驱动方式，三个悬浮绕组恒导通励磁，分别产生水平方向悬浮力、竖直方向悬浮力和轴向方向悬浮力。
如图9所示，是本发明实施例三永磁体和偏置绕组电流产生的偏置磁通示意图。17是永磁体产生的偏置磁通，22是偏置绕组电流产生的偏置磁通。
所述永磁体采用径向充磁方式，且6个所述永磁体充磁方向相同，故产生的偏置磁通极性相同；如图9所示，当所述偏置绕组施加电流时，6个偏置线圈在径向力定子齿上产生的磁通极性与6个永磁体产生的磁通极性相同，且二者产生的偏置磁通路径也完全相同，与图4和图5所示的磁通完全一样；因此，实施三的悬浮力产生和控制原理与实施一、二相同。
需要说明的是，实施例三中的6个偏置线圈不仅可绕在径向力定子齿上，还可绕组永磁体上，两种绕线方式产生的偏置磁通路径和效果一样。
三种实施例中由于径向力定子每个齿的极弧角为一个转子周期角，两个径向悬浮绕组和永磁体在径向力定子内形成磁路的磁阻，不随转子位置变化而变化，因此径向悬浮绕组和永磁体均不产生运动电动势，均不产生转矩。从而，本发明可在结构上实现转矩和悬浮力的自然解耦。
综上所述，本发明将开关磁阻电机与三自由度磁悬浮轴承进行结构综合集成，构成了一种具有轴向径向悬浮和旋转运行的三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机。定子采用隔离结构，定子中转矩磁路与永磁偏置磁通和悬浮磁路相互隔离，另外由于悬浮齿的极弧角等于一个转子周期角，径向悬浮电流和永磁体均不产生转矩；轴向悬浮控制磁路与转矩磁路无交叠，也不产生转矩，故转矩和三个悬浮力在结构上自然解耦。三相转矩磁路均为短磁路结构，且相与相间相互隔离，容错性能好，铁心损耗小；本发明结构和功能集成度高，有利于减小电机体积，提升临界转矩和功率密度。
另外，本发明偏置磁通励磁方法灵活，可采用永磁励磁、电励磁和混合励磁等三种方法产生偏置磁通，可适应多种运行工况；永磁体产生悬浮力所需的偏置磁通时，体积重量小，功率密度高，悬浮力/悬浮电流比大，有利于降低悬浮功耗；偏置绕组产生偏置磁通时，固有刚度大，临界转速高，耐高温，环境适应性强；偏置绕组和永磁体共同产生偏置磁通时，兼顾永磁和电磁两种励磁方式的优点，且悬浮承载力大幅度增强，尤其适合磁悬浮列车、飞轮储能和航空航天等领域。
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 (5)

1.一种三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机，包括径向力定子、转矩定子、非导磁支撑架、转矩线圈、径向悬浮线圈、偏置线圈、永磁体、定子环形导磁轭、轴向力定子Ⅰ、轴向力定子Ⅱ、轴向悬浮线圈Ⅰ、轴向悬浮线圈Ⅱ、转子、转子环形导磁轭和转轴；
其特征在于，所述径向力定子为凸极结构，齿数为6，所述径向力定子的6个齿空间上均匀分布，齿与齿间相隔60°；
所述转矩定子由6个C型定子组成，所述C型定子为凸极结构，齿数为2；每个所述C型定子中齿与齿相差22.5°；
所述非导磁支撑架由6个C型非导磁结构组成；
所述永磁体为矩形结构，共6个；
所述定子环形导磁轭为环形结构，所述转子环形导磁轭为环形结构；
所述转子为凸极结构，齿数为16，16个转子齿均匀分布，齿与齿间相隔22.5°；
所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ均为
Figure FDA0003736796340000011
型结构，所述
Figure FDA0003736796340000012
型结构凸极方向形成一个环形齿，所述
Figure FDA0003736796340000013
型结构内布置有1个通孔，所述通孔的中心线与环形齿的中心线重合；
所述通孔的内径大于转轴的外径；所述转轴贯穿所述轴向力定子Ⅰ与轴向力定子Ⅱ，且布置在所述通孔内；
所述转矩定子、非导磁支撑架、径向力定子紧密布置，且所述非导磁支撑架紧密布置在转矩定子和径向力定子之间；所述径向力定子的齿与齿间均布置有1个C型定子和1个C型非导磁结构，共6个C型定子和6个C型非导磁结构；所述C型定子的中心线、C型非导磁结构的中心线与所述径向力定子的相邻两齿中心线重合；
所述轴向力定子Ⅰ、径向力定子和轴向力定子Ⅱ均布置在定子环形导磁轭内，所述径向力定子布置在所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ中间，所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ紧密布置在定子环形导磁轭两端；所述轴向力定子Ⅰ和径向力定子间的间距与所述轴向力定子Ⅱ和径向力定子间的间距相等；所述轴向力定子Ⅰ和轴向力定子Ⅱ的凸极环形齿均指向径向力定子；
所述转子布置在径向力定子和转矩定子内，所述转子套在转子环形导磁环上，所述转子环形导磁轭套在所述转轴上；
所述C型定子的每个齿上绕有1个转矩线圈，每个C型定子两个齿上的转矩线圈串联构成1个转矩线圈串，共6个；空间上相差180°的2个转矩线圈串，串联为1个转矩绕组，共3个，依次为A、B和C相转矩绕组；
所述轴向力定子Ⅰ中的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅰ，轴向力定子Ⅱ中的环形齿上绕有1个轴向悬浮线圈Ⅱ，所述轴向悬浮线圈Ⅰ和轴向悬浮线圈Ⅱ串联构成1个轴向悬浮绕组；
所述三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机存在三种产生偏置磁通的励磁方式，分别为永磁励磁方式、电励磁方式、混合励磁方式；
所述永磁励磁方式，此时永磁体产生偏置磁通；所述径向力定子与定子环形导磁轭间紧密布置有6个永磁体，6个永磁体的中心线分别与所述径向力定子的6个齿中心线重合，且所述径向力定子中的2个齿中心线与水平方向重合；
所述径向力定子的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈，共6个；处于水平方向径向力定子齿上的2个径向悬浮线圈串联为1个水平径向悬浮绕组；剩余4个径向悬浮线圈串联为1个竖直径向悬浮绕组；
所述电励磁方式，此时偏置绕组产生偏置磁通；所述径向力定子紧密布置在定子环形导磁轭内；
所述径向力定子的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈和1个偏置线圈，共6个径向悬浮线圈和6个偏置线圈；处于水平方向径向力定子齿上的2个径向悬浮线圈串联为1个水平径向悬浮绕组；剩余4个径向悬浮线圈串联为1个竖直径向悬浮绕组；6个所述偏置线圈串联构成1个偏置绕组；
所述混合励磁方式，此时永磁体和偏置绕组共同产生偏置磁通；所述径向力定子与定子环形导磁轭间紧密布置有6个永磁体，6个永磁体的中心线分别与所述径向力定子的6个齿中心线重合，且所述径向力定子中的2个齿中心线与水平方向重合；
所述径向力定子的每个齿上绕有1个径向悬浮线圈和1个偏置线圈，共6个径向悬浮线圈和6个偏置线圈；处于水平方向径向力定子齿上的2个径向悬浮线圈串联为1个水平径向悬浮绕组；剩余4个径向悬浮线圈串联为1个竖直径向悬浮绕组；6个所述偏置线圈串联构成1个偏置绕组。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机，其特征在于：所述径向力定子每个齿的极弧角为一个转子周期角，即22.5°；每个所述C型定子两个齿上的转矩线圈施加电流时，在其两个齿上产生的磁通极性相反，进而在两个齿形成一个串联磁路；所述水平径向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，且在径向力定子中的两个水平方向齿上产生的磁通极性相反；定义水平正方向为零度空间角位置，逆时针方向变化时空间角度为正，所述竖直径向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，在径向力定子位于空间角为60°和120°位置处两个齿上产生的磁通极性相同，在径向力定子位于空间角为240°和300°位置处两个齿上产生的磁通极性相同，且径向力定子位于空间角为60°和120°位置处两个齿上的磁通极性，与径向力定子位于空间角为240°和300°位置处两个齿上的磁通极性相反；所述轴向悬浮绕组施加电流时，将产生一个两极磁通，在所述轴向力定子Ⅰ中环形齿上产生的磁通极性与轴向力定子Ⅱ中环形齿上产生的磁通极性相反。
3.根据权利要求1或2所述的一种三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机，采用永磁励磁方式时，其特征在于：所述永磁体采用径向充磁方式，且6个所述永磁体充磁方向相同。
4.根据权利要求1或2所述的一种三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机，采用电励磁方式时，其特征在于：当所述偏置绕组施加电流时，6个偏置线圈在径向力定子齿上产生的磁通极性相同。
5.根据权利要求1或2所述的一种三自由度磁悬浮开关磁阻集成电机，采用混合励磁方式时，其特征在于：所述永磁体采用径向充磁方式，且6个所述永磁体充磁方向相同；当所述偏置绕组施加电流时，6个偏置线圈在径向力定子齿上产生的磁通极性与6个永磁体产生的磁通极性相同。
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