一种复合结构磁悬浮开关磁阻电的制造方法
【专利摘要】本发明提出了一种复合结构磁悬浮开关磁阻电机，包括转矩定子、悬浮力定子、转矩转子、悬浮力转子、绕组和永磁体；转矩定子和悬浮力定子轴向叠加在一起，转矩转子和悬浮力转子轴向叠加在一起；转矩定子为凸极结构，悬浮力定子为锥形凸极结构，均有12个齿；转矩转子为凸极结构，有8个齿，悬浮力转子为锥形圆柱结构；悬浮力定子内径圆周轴向呈圆锥形分布，悬浮力转子为外径圆周轴向呈圆锥形分布；每个绕组缠绕在转矩定子和悬浮力定子组合成的一个定子齿上，共有12个。本发明在结构上实现了转矩和悬浮力的解耦，控制方便；削除了运动电动势对电流斩波控制的影响，电流控制效果好，高速适应性强；具有径向和轴向悬浮能力，集成度高。
【专利说明】一种复合结构磁悬淳开关磁阻电机
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机【技术领域】，涉及一种复合结构磁悬浮开关磁阻电机。
【背景技术】
[0002] 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。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。而单绕组无轴承开关磁阻电机则是通过控制一套绕组电流使其同时具有旋转和自 悬浮能力。
[0003] 双绕组无轴承开关磁阻电机的主要缺点是多余一套绕组，这无疑增加了功率开关 管数目和控制算法难度，而且降低通用性，影响其实用化进程。而单绕组BSRM，由于没有改 变传开关磁阻电机的结构，则更具通用性和实用性，是目前该领域研究的热点和趋势。
[0004] 典型的无轴承电机仅能控制径向两个自由度的悬浮，然而实现转子的稳定悬浮需 要在五个自由度上施加约束，因此它必须和磁轴承配合使用才能构成一个完整五自由度悬 浮的磁悬浮电机。五自由度磁悬浮电机通常有以下几种组成形式：1 )1个无轴承电机+1个 轴向径向磁轴承，2) 1个无轴承电机+1个径向磁轴承+1个轴向磁轴承，3)2个无轴承电机 +1个轴向磁轴承。由上述3种组成形式可知，无轴承电机至少需要与一个轴向磁轴承配合 才能构成一个五自由度磁悬浮系统，这也是无轴承电机的技术瓶颈。因此，如果将轴向磁轴 承集成到无轴承电机中，将进一步提升系统的集成度、临界转速和功率密度。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足，提出一种复合结构磁悬 浮开关磁阻电机。所述电机是一种单绕组结构、悬浮力和转矩解耦、高速适应性强、高功率 密度、承载力大且同时具有径向轴向悬浮能力的磁悬浮开关磁阻电机。
[0006] 本发明为实现上述目的，采用如下技术方案： 一种复合结构磁悬浮开关磁阻电机，包括电机定子、电机转子和绕组； 所述电机定子由转矩定子和悬浮力定子通过轴向叠加而成，转矩定子为凸极结构，悬 浮力定子为锥形凸极结构，转矩定子和悬浮力定子的齿数都为12个； 所述电机转子由转矩转子和悬浮力转子通过轴向叠加而成；所述转矩转子为凸极结 构，所述凸极结构的齿数为8个；所述悬浮力转子为锥形圆柱结构，所述转矩转子布置在转 矩定子内，悬浮力转子布置在悬浮力定子内； 所述绕组共有12个，每个绕组线圈横跨转矩定子齿和悬浮力定子齿，并缠绕在二者之 上； 所述复合结构磁悬浮开关磁阻电机为三相制电机，每相绕组由4个空间上相隔90°定 子上的线圈构成，每个绕组线圈单独为一套绕组，独立控制每套绕组中的电流，产生的磁通 呈NSNS交替分布。
[0007] 所述悬浮力定子内径圆周轴向呈圆锥形分布。
[0008] 所述转矩定子与悬浮力定子处于齿与齿对齐状态。
[0009] 所述悬浮力转子的外径圆周轴向呈圆锥形分布。
[0010] 所述转矩转子用于产生转矩，悬浮力转子用于产生悬浮力。
[0011] 本发明的有益效果是：本发明提出了的一种复合结构磁悬浮开关磁阻电机，采用 本发明的技术方案，具有如下技术效果： (1) 定子齿上只有一个绕组，相对于传统双绕组无轴承开关磁阻电机，槽满率高，省铜 省娃钢片； (2) 控制灵活，可根据实际需要，动态调整绕组匝数，便于优化控制策略； (3) 悬浮力和转矩解耦，高速悬浮性能好； (4) 可产生径向悬浮力和轴向悬浮力，具有径向和轴向悬浮能力，集成度高； (5) 功率密度高，高速适应性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是本发明复合结构磁悬浮开关磁阻电机的结构示意图。
[0013] 图2为本发明复合结构磁悬浮开关磁阻电机的A相绕组示意图。
[0014] 图3为本发明复合结构磁悬浮开关磁阻电机的三相绕组电感和电流示意图。
[0015] 图4为本发明复合结构磁悬浮开关磁阻电机的A相悬浮力转子和转矩转子单独产 生的悬浮力有限元仿真结果。
[0016] 图5为本发明复合结构磁悬浮开关磁阻电机的A相绕组产生的转矩有限元仿真结 果。
[0017] 附图标记说明：图1至图5中，1是转矩定子，2是悬浮力定子，3是转矩转子，4是 悬浮力转子，5是绕组，6是转轴，6、7、8分别表不直角坐标系的三个方向a、0、Z，9、11、 13、15分别为A相4个绕组电流i 3l+、i32+、i33+、i34+的流入电流，10、12、14、16分别为A相 4个绕组电流i 3l-、i32-、ia3-、ia4-的流出电流，17、18、19分别是A、B、C三相绕组电感，20、 21、22分别是A、B、C三相绕组电流，23为悬浮力转子单独产生的悬浮力有限元仿真结果， 24为转矩转子单独产生的悬浮力有限元仿真结果，25是转矩有限元仿真结果，I、II、III分 别表示三个励磁区间。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明： 如图1所示，本发明复合结构磁悬浮开关磁阻电机的三维结构示意图，其中，1是转矩 定子、2是悬浮力定子、3是转矩转子、4是悬浮力转子、5是绕组；其中，转矩转子3为凸极结 构，悬浮力转子4为锥形圆柱结构。
[0019] 本发明复合结构磁悬浮开关磁阻电机，包括电机定子、电机转子和绕组； 所述电机定子由转矩定子和悬浮力定子通过轴向叠加而成，转矩定子为凸极结构，其 齿数为12 ;悬浮力定子为锥形凸极结构，其齿数为12 ;所述悬浮力定子内径圆周轴向呈圆 锥形分布；所述转矩定子与悬浮力定子处于齿与齿对齐状态； 所述电机转子由转矩转子和悬浮力转子通过轴向叠加而成；所述转矩转子为凸极结 构，其齿数为8 ;所述悬浮力转子为锥形圆柱结构，悬浮力转子为外径圆周轴向呈圆锥形分 布；所述转矩转子布置在转矩定子内，而悬浮力转子布置在悬浮力定子内； 所述绕组共有12个，每个绕组线圈横跨转矩定子齿和悬浮力定子齿，并缠绕在二者之 上； 所述复合结构磁悬浮开关磁阻电机为三相制电机，每相绕组由4个空间上相隔90°定 子上的线圈构成，每个绕组线圈单独为一套绕组，独立控制每套绕组中的电流，产生的磁通 呈NSNS交替分布； 所述复合结构磁悬浮开关磁阻电机中的凸极结构转矩转子用于产生转矩，锥形圆柱结 构的悬浮力转子用于产生悬浮力； 所述复合结构磁悬浮开关磁阻电机产生的悬浮力垂直于锥形圆柱转子外径圆周，可分 解为a、0方向两个径向悬浮力和一个Z正方向悬浮力；其中，所述两个径向悬浮力用于实 现的转子径向悬浮，而Z方向悬浮力为转子的轴向悬浮提供单一方向的磁拉力。
[0020] 图2是本发明复合结构磁悬浮开关磁阻电机的A相绕组示意图。一相绕组由分布 在4个相对齿的线圈构成，彼此在空间上相隔90°，且这4个绕组分别独立控制，分时分区 域产生悬浮力和转矩。B、C相的4个绕组与A相绕组结构相同，仅在位置上与A相相差30° 和-30。。
[0021] 图3是本发明复合结构磁悬浮开关磁阻电机的三相绕组电感和电流示意图。定义 定子齿与转子槽对齐位置为零度位置。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。由于采用转矩和悬浮力分时分区域的控制策略，每一时刻需两相绕组同时导通，一相绕 组用产生悬浮力，另一相绕组产生转矩。
[0022] 下面以A相为例，分别说明复合结构磁悬浮开关磁阻电机的运行工作模式和悬浮 力控制原理。
[0023] 设置转子位置角为^，在^ G [-7. 5°，7. 5° ]内，由于绕组自感分布相对平滑， 有利于减小运动电势对励磁电流斩波控制的影响，从而可采用电流斩波控制方法实现悬浮 力的瞬时控制。可设计电机运行工作模式如下： ①当电动运行时，在[-7.5°，7.5° ]内（II区)，独立控制A相四套绕组电流，通过对 四套绕组的不对称励磁产生作用于转子的悬浮力，而此时的转矩则由B相的四套绕组对称 励磁产生。可选择在转角〃 e [7.5°，22. 5° ]内（III区）以相同的驱动信号开通A相绕组 的主功率开关，使其四套绕组电流相同，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，而此时的悬浮力由C相的四套绕组不对称励磁产生；由此可见，在电 动运行时的励磁相序是BA-AC-CB。
[0024] ②当发电运行时，可选择在转角0 G [-22.5°，-7.5° ]内（I区）以相同的驱 动信号开通A相绕组的主功率开关，使其四套绕组电流相同，向外输出电能，此时悬浮力由 B相的四套绕组不对称励磁产生。仍在[-7.5°，7.5° ]内（II区)，独立控制A相四套绕组 电流，通过对四套绕组的不对称励磁产生作用于转子的悬浮力，此时C相进入发电状态。因 此，在发电运行时的绕组励磁相序是CA-AB-BC。
[0025] 悬浮力控制原理为：A相悬浮励磁区间为[-7. 5°，7. 5° ]，a方向悬浮力由绕组 电流i3l和ia3控制，当i3l> ia3时，产上a正方向悬浮力和Z正方向悬浮力，反之，产生a 负方向悬浮力和Z正方向悬浮力；同理，0方向悬浮力由绕组电流ia2和ia4控制，当i a2> ia4时，产上P正方向悬浮力和Z正方向悬浮力，反之，产生P负方向悬浮力和Z正方向悬 浮力；a方向和0方向悬浮力可合成径向任意悬浮力，同时所有Z正方向悬浮力产生一个 Z正方向悬浮合力，因此通过4个绕组不对称励磁，可产生任意方向和大小的径向悬浮力和 Z轴单一方向的悬浮力；为此，单个复合结构磁悬浮开关磁阻电机仅具有2.5自由度的悬浮 能力，必须在轴向再集成一个复合结构磁悬浮开关磁阻电机，才具有5自由度的悬浮能力。
[0026] 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。
[0027] 图4为本发明复合结构磁悬浮开关磁阻电机的A相转矩转子和悬浮力转子分别单 独产生的悬浮力有限元仿真结果。仿真时八相0方向两个绕组分别施加一恒定电流，且两 电流不相等，分别计算不同转子位置时的悬浮力。仿真结果显示，悬浮力转子产生的悬浮力 明显大于转矩转子，且在[-7.5°，7.5° ]内，悬浮力为恒值。
[0028] 图5为本发明复合结构磁悬浮开关磁阻电机中A相绕组产生的转矩有限元仿真结 果。仿真时A相4个绕组均施加一恒定电流，分别计算不同转子位置时的转矩。仿真结果 显示，在[-7.5°，7. 5° ]内，转矩基本为零，可忽略不计。
[0029] 综上所述，本发明分区域分时单独产生转矩和悬浮力，在结构上实现了转矩和悬 浮力的解耦；悬浮区间，悬浮力为恒值，可把悬浮区间内的绕组电流控制为方波形式，简化 了数学模型和控制算法，降低了悬浮控制系统的复杂度；悬浮区间，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，高速适应性强；由于本发明复合结构磁悬浮开关磁阻电机具有2. 5 自由度的悬浮能力，只需再集成一个2. 5自由度的复合结构磁悬浮开关磁阻电机，即可构 成一个稳定的5自由度磁悬浮系统，集成度高。
[0030] 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。
【权利要求】
1. 一种复合结构磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，包括电机定子、电机转子和绕组； 所述电机定子由转矩定子和悬浮力定子通过轴向叠加而成，转矩定子为凸极结构，悬 浮力定子为锥形凸极结构，转矩定子和悬浮力定子的齿数都为12个； 所述电机转子由转矩转子和悬浮力转子通过轴向叠加而成；所述转矩转子为凸极结 构，所述凸极结构的齿数为8个；所述悬浮力转子为锥形圆柱结构，所述转矩转子布置在转 矩定子内，悬浮力转子布置在悬浮力定子内； 所述绕组共有12个，每个绕组线圈横跨转矩定子齿和悬浮力定子齿，并缠绕在二者之 上； 所述复合结构磁悬浮开关磁阻电机为三相制电机，每相绕组由4个空间上相隔90°定 子上的线圈构成，每个绕组线圈单独为一套绕组，独立控制每套绕组中的电流，产生的磁通 呈NSNS交替分布。
2. 根据权利要求1所述的一种复合结构磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述悬浮 力定子内径圆周轴向呈圆锥形分布。
3. 根据权利要求1所述的一种复合结构磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述转矩 定子与悬浮力定子处于齿与齿对齐状态。
4. 根据权利要求1所述的一种复合结构磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述悬浮 力转子的外径圆周轴向呈圆锥形分布。
5. 根据权利要求1所述的一种复合结构磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，所述转矩 转子用于产生转矩，悬浮力转子用于产生悬浮力。
【文档编号】H02K3/28GK104377914SQ201410525894
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】刘泽远, 杨艳, 曹鑫, 邓智泉, 刘鸿, 郝吉升 申请人:南京邮电大学