双绕组无轴承磁通切换永磁电机的制作方法

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双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。

双绕组无轴承磁通切换永磁电机的结构与开关磁阻电机类似，但在定子齿的中间加装高性能永磁磁体，以建立工作所需的气隙磁场，这一磁场可同时提供转矩和产生悬浮力的需要。从而不需要主绕组电流建立气隙基本磁场，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。在定子齿极上绕有双层集中绕组，每个齿极上的绕组均单独控制而非串并联，这样通过给不同的绕组通以不同的电流，使得不同齿极下的气隙磁密不等而产生不同方向的径向磁拉力，合成后可以得到任意方向的径向悬浮力，从而实现转子的连续稳定悬浮。同时，绕组电流与永磁磁链相互作用产生电磁转矩推动转子的旋转。

双绕组无轴承磁通切换永磁电机具有以下突出的优点：1)通过在定子铁心齿部中间加装永磁体，相邻齿极的永磁体为聚磁结构，产生的气隙磁密很高，大幅度提高了电机的效率和功率密度；2)气隙磁密很高，相同电流可产生更大的转矩和径向悬浮力，提高电机的负载能力；3)永磁磁链、反电动势和绕组电流均接近双极性正弦波形，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；4)具备一定的容错运行能力；5)永磁体置于定子，结构坚固，便于散热，无永磁体脱落的隐患，提高电机高速运行的稳定性和可靠性；6)转子是仅由硅钢片做成的总体，无电刷，无绕组，无永磁体，具有最简结构且坚固，适合高速和超高速运转。这一电机的高速运转适应性极强。

技术实现要素：

针对现有技术，本发明提供一种新型高速、大功率、高效率、高功率密度、运行稳定性高、可靠性高的定子永磁式无轴承电机。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种双绕组无轴承磁通切换永磁电机，包括定子、转子和绕组，所述定子和转子均为双凸极结构，且具有轴对称性，定子铁心和转子铁心均由硅钢片叠压而成；所述定子铁心由6个u型叠片组成，每两个u型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；所述绕组为集中式绕组并安装在所述定子齿上，绕组的端部较小；所述绕组分为两套，其中，一套绕组由空间相对的两个定子齿上的线圈首尾顺序串接连在一起构成一相，从而形成了三相转矩控制绕组；另外一套绕组由空间相对的两个定子齿上的线圈反序串接连在一起构成一相，消除了两线圈中的感应电动势，从而形成了悬浮力控制绕组；相邻永磁体的相邻侧的极性相同；所述绕组中的永磁磁链、反电动势和电流均接近双极性正弦波型。

本发明中，所述永磁体放置于所述定子铁心的轭部，形成了定子永磁式电机。

与现有技术相比，本发明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，同时，还具有很高的系统效率和功率密度。主要特点如下：

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，提高了系统效率，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，这些都有效提高了系统的功率密度。

5)绕组中的永磁磁链、反电动势和电流均接近双极性平顶波型，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，从而实现双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，系统寿命长，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是本发明双绕组无轴承磁通切换永磁电机基本结构；

图2是有限元分析得到的反电动势波形；

图3是功率变换器示意图；

图4是绕组反电动势和电流在一个转子周期内的变化曲线；

图5是径向悬浮力产生原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明的设计思路是：综合磁通切换永磁电机和磁轴承电机的优良特性，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，便于永磁体的散热。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。

本发明提出了双绕组无轴承磁通切换永磁电机，其基本结构如图1所示，主要包括定子、转子和绕组等部件。所述定子和转子均为双凸极结构，且具有轴对称性，定子铁心30和转子铁心50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。所述定子铁心30由6个u型叠片组成，每两个u型叠片之间嵌有一块切向交替充磁的永磁体40，共同组成一个定子齿；本发明中，所述永磁体40放置于所述定子铁心30的轭部，从而形成了定子永磁式电机。所述绕组为集中式绕组并安装在所述定子齿上，绕组的端部较小，节省用铜量并降低铜耗。

本发明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为两套，两套绕组分别用来控制转矩和径向悬浮力。即所述绕组分为两套，其中，一套绕组标记为uvw，由空间相对的两个定子齿上的线圈首尾顺序串接连在一起构成一相，从而形成了三相转矩控制绕组，即本发明中，转矩控制绕组则为通常的三相对称绕组。另外一套绕组标记为abc，由空间相对的两个定子齿上的线圈反序串接连在一起构成一相，这样可消除两线圈中的感应电动势，其构成悬浮力控制绕组。

本发明中，永磁体40从转子移到了定子，并采用切向安装形式，相邻永磁体40的相邻侧的极性相同，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40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。

本发明双绕组无轴承磁通切换永磁电机的运行原理如下：

利用磁通切换永磁电机结构和磁轴承结构的相似性，采用电力电子技术和数字控制技术，经解耦后通过独立控制转矩控制绕组和悬浮力控制绕组中的电压和电流，实现旋转和悬浮功能于一体。

采用有限元分析得到的这一电机的反电动势波形如图2所示，其近似梯形波而不是正弦波，所以采用永磁无刷直流电机的控制方式，其电磁转矩产生原理与普通2相导通3相6状态的永磁无刷直流电机相同，这样可以减小转矩脉动，提高输出功率，简化控制。而径向力产生原理则与磁轴承悬浮原理相似，即通过独立控制悬浮力控制绕组中的电流，有目的地改变原电机中主要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。

本发明双绕组无轴承磁通切换永磁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，悬浮绕组控制用功率变换器为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power-mosfet。

下面以三相6/4极结构双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(90°机械角-对应360°电角度)，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，其反电动势近似梯形波而不是正弦波形，适用于永磁无刷直流电机的控制方式。故通入与反电动势同相位的方波电流，可产生平稳的转矩。这种控制方式也简化了控制算法。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相绕组在一个转子周期内的反电动势和电流的变化波形如图4所示。b、c相的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：以悬浮力控制绕组两相通电为例，基本气隙磁场主要由永磁体建立，当在a相绕组中通入如图5所示方向的电流时，气隙1处的磁密增加而气隙2处的磁密减小，转子齿1-1’两侧气隙磁密的不等导致产生沿齿极中心线fr1方向的径向力。同理，在b相绕组中通入如图所示的电流时，也会在转子齿2-2’上产生沿齿极中心线fr2方向的径向力。因在此转子位置，转子齿极不与c相绕组相对，c相绕组下的气隙很大，c相绕组通电产生的悬浮力很小，故此时c相绕组不通电。

通过控制a、b两个悬浮力控制绕组中电流的大小和方向即可产生所需的任意方向和大小的可控径向力实现转子的悬浮。随转子的旋转适时切换导通的悬浮力控制绕组，就可以有效地产生连续的径向悬浮力。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。