永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的制作方法

本发明涉及一种多变量、非线性、强耦合的无轴承同步磁阻电机，属于电机制造及控制领域，应用于高速电力传动场合、机床电主轴、生物工程、有毒物质传输和半导体制造等工业领域及航空航天等军事领域。

背景技术：

无轴承同步磁阻电机的定子转矩绕组中叠入极对数相差1的悬浮力绕组，控制这两套绕组可同时产生电磁转矩和径向悬浮力。因此，无轴承同步磁阻电机兼备磁轴承与同步磁阻电机的优点，能够最大限度地利用磁阻转矩。凸极式转子无轴承同步磁阻电机具有结构简单、造价低廉、易实现高速或超高速运行等优势，但凸极式转子无轴承同步磁阻电机的凸极比（交轴电感与直轴电感之比）较低，造成电机功率因数、转矩密度和效率偏低，限制了其使用范围。无轴承同步磁阻电机是多层磁障式转子，凸极比虽高，但转矩密度偏低。在无轴承同步磁阻电机的磁障转子中注入永磁体形成的新型永磁辅助式无轴承同步磁阻电机，具有功率因数、转矩密度和效率均较高的优点，并且具备较宽的弱磁调速能力，进一步拓宽了无轴承同步磁阻电机的应用范围。

中国专利申请号为CN201080041649.8的文献中公开了一种永磁辅助式同步磁阻电机，其磁障结构并没有使得磁阻转矩最大化；转子中未设置永磁体安装槽，高速运行时永磁体可能发生脱落，从而引发电机故障；磁障内嵌入高剩磁的钕铁硼永磁材料是不可再生资源，价格昂贵，嵌入同步磁阻电机中的性价比极差，这是由于永磁体所嵌位置与气隙具有较大的距离，永磁体磁能进入气隙的过程具有较多的障碍，将致使永磁体的利用率较低。中国专利申请号为CN201410243253.1和CN201410243245.7的文献中公开了两种永磁辅助同步磁阻电机，永磁体仍使用高剩磁的钕铁硼永磁材料，并且永磁体体积较大，规格较多，仅有第一层永磁体与气隙直接接触可输出一定的有效磁能，其余永磁体的利用率较低。这种结构的转矩密度略高于内置式永磁电机，但电机成本大幅提高，性价比较低，不宜推广应用。中国专利申请号为CN201210056204.8和CN201210056244.2的文献中公开了两种永磁辅助同步磁阻电机，磁障内嵌入的是圆弧形铁氧体永磁，其价格低廉，但铁氧体材料较脆，只能进行切片或者轻微的磨加工，因此圆弧形铁氧体永磁加工成本较高，生产工艺较繁琐。

因此，在选择合适的永磁体材料及结构的同时，如何获得高转矩密度、高功率密度的无轴承同步磁阻电机已成为当前无轴承同步磁阻电机进一步发展的关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决传统无轴承同步磁阻电机凸极比偏低导致的电机功率因数低、转矩密度偏低的问题而提出一种高凸极比、高功率因数和转矩密度的永磁辅助式无轴承同步磁阻电机。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括定子、转子和转轴，转子同轴位于定子内部且同轴套在转轴外，定子内壁和转子外壁之间具有径向气隙，在转子内部沿圆周向方向均匀设置有四组磁障体，每组磁障体均由沿径向间隔布置的圆弧形的内层磁障和外层磁障组成，每个内层磁障和外层磁障的中间段都设有一个永磁体安装槽，每个永磁体安装槽中嵌有一块永磁体，内层磁障、外层磁障和永磁体均沿电机d轴对称分布；定子上外层绕有转矩绕组，内层绕有悬浮力绕组；相邻两组磁障体中的永磁体的充磁方向相反，同一组磁障体中的永磁体的充磁方向相同，永磁体靠近气隙端为N极，靠近转轴端为S极。

进一步地，定子由定子齿、定子槽和定子轭组成，相邻两个定子齿之间形成定子槽，设有24个定子槽，内转矩绕组和悬浮力绕组安放在定子槽内；定子齿径向横截面为T型，T型的顶部靠近转子，T型的底部与定子轭连为一体，定子轭的径向宽度为t₁，定子齿的中心处齿宽为t₂，t₁=2~3t₂；

更一步地，悬浮力绕组和转矩转矩绕组分别由两个三相逆变器驱动，悬浮力绕组是每极每相槽数为4的分布式绕组，相邻的每四个槽为一相的进线端或出线端；转矩绕组是每极每相槽数为2的分布式绕组，相邻的每两个槽为一相的进线端或出线端。

进一步地，外层磁障的弧形端部和转子的圆心O的连线与d轴所成的夹角为a₁，内层磁障的弧形端部和转子的圆心O的连线与d轴所成的夹角为a₂，满足a₂>a₁，0.85×2p/2p<a₁<0.95×2p/2p，p为极对数；

更一步地，内层磁障沿d轴方向上的厚度为l₁，外层磁障沿d轴方向上的厚度为l₂，满足l₁>l₂；内层磁障中心距离圆心O的长度为转子半径长度的一半，外层磁障中心距离圆心O的长度为转子半径长度的四分之三。

本发明的优点在于：

1、本发明在转子直轴磁路上增加了磁障，同时在转子直轴磁路上采用分层式矩形永磁体结构，使得电机的直轴电感大于交轴电感，克服了传统无轴承同步磁阻电机固有的凸极比偏低所导致功率因数低的缺陷，并且增加了电机转矩密度；高速运行时电机较容易实现弱磁控制，恒功率调速范围较宽。

2、本发明在给定电机输出功率时，可选用较小容量的逆变器，降低了系统成本。

3、永磁体产生的永磁转矩相应地增加了无轴承同步磁阻电机的转矩密度。

4、由于转子中注入的永磁体量较少，高速运行时较容易实现弱磁，恒功率调速范围很宽。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的轴向安装结构示意图；

图2为本发明永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的径向结构示意图；

图3为图2中定子的局部结构放大示意图；

图4为图2中的悬浮力绕组连接方式示意图；

图5为图2中的转矩绕组连接方式示意图；

图6为图2中转子内部结构的局部放大示意图；

图7为传统无轴承同步磁阻电机转矩子系统向量图；

图8为本发明永磁辅助式无轴承同步磁阻电机转矩子系统向量图。

图中：1.定子；2.转子；3.永磁体；4.永磁体安装槽；5.磁障体；5-1.内层磁障；5-2.外层磁障；6.转轴；7.定子齿；8.定子槽；9.定子轭；10.转矩绕组；11.悬浮力绕组；12.光电编码器；13.电涡流传感器；14.机壳；15.调心球轴承；16.辅助轴承；17.内螺纹冷却管；18.左端盖；19.右端盖。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明永磁辅助式无轴承同步磁阻电机包括定子1、转子2和转轴6，转子2同轴位于定子1内部，转子2同轴套在转轴6外，转子2上开槽用于安放转轴6。定子1上绕有内、外双层绕组，外层绕组为转矩绕组10，内层绕组为悬浮力绕组11。在定子1的外部是机壳14，机壳14的轴向左右两端分别是左端盖18和右端盖19，机壳14用于固定定子1、左端盖18和右端盖19，左端盖18通过调心球轴承15连接转轴6，右端盖19通过辅助轴承16连接转轴6。调心球轴承15使转轴6在轴向固定，而在径向二自由度内灵活运动。辅助轴承16用来避免电机悬浮或静止过程中造成的碰撞。在转轴6的左右两端分别安装光电编码器12和电涡流传感器13，分别用来检测电机转速和径向位移。定子1内壁和转子2外壁之间具有径向气隙，径向气隙的厚度与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及定子1与转子2的加工和装配工艺有关。

在转子2内部，沿圆周向方向均匀设置有四组磁障体5，每组磁障体5均由两个沿转子2的径向间隔布置的圆弧形磁障组成，每个圆弧形磁障的中间段都设有一个永磁体安装槽4，每个永磁体安装槽4中对应地嵌入一块永磁体3。在圆弧形磁障的空隙处填入环氧树脂基复合材料以增强转子2强度。

定子1和转子2都由0.35mm厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95。转轴6由不导磁材料组成。

再结合图3，定子1由定子齿7、定子槽8和定子轭9组成。相邻两个定子齿7之间形成定子槽8，在定子槽8内安放转矩绕组10和悬浮力绕组11。定子齿7径向横截面为T型，T型的顶部靠近转子2，T型的底部与定子轭9连为一体。定子轭9的径向宽度为t₁，定子齿7的中心处齿宽为t₂，为了防止定子轭9磁路饱和，要求t₁=2~3t₂。

定子1设有24个定子槽8，24个定子槽8沿圆周方向均匀布置，转矩绕组10和悬浮力绕组11置放在24个定子槽8内，并采用分布式结构。

如图2和图4所示，悬浮力绕组11是每极每相槽数为4的分布式绕组，按顺时针方向定义为A1+、Z1-、B1+、X1-、C1+、Y1-排列，相邻的每四个槽为一相的进线端或出线端，这样排列使得悬浮力绕组11产生两极磁场。为直观理解悬浮力绕组11的接线安排与电流流向，将悬浮力绕组11水平展开，具体连线方式和电流流向如图4所示，悬浮力绕组11采用同心式绕组，以A相为例，每四个槽的绕组为一相的进线端或出线端，悬浮力绕组按A1+、Z1-、B1+、X1-、C1+、Y1-（+、-号分别表示电流流入与流出）排列，A相的接线是从A1+侧进线，从相邻的X1-侧出线。B相和C相的接线方法相同。

如图2和图5所示，转矩绕组10是每极每相槽数为2的分布式绕组，按顺时针方向定义为A2+、Z2-、B2+、X2-、C2+、Y2-、A2+、Z2-、B2+、X2-、C2+、Y2-排列，相邻的每两个槽为一相的进线端或出线端，这样的排列使得转矩绕组10为两对极，和转子极对数一样，可产生电磁转矩。为直观理解转矩绕组10的接线安排与电流流向，将转矩绕组10水平展开，具体连线方式和电流流向如图5所示，转矩绕组10采用链式绕组，以A相为例，每两个槽的绕组为一相的进线端或出线端。转矩绕组按A2+、Z2-、B2+、X2-、C2+、Y2-、A2+、Z2-、B2+、X2-、C2+、Y2-排列，接线方式与悬浮力绕组11一致。

悬浮力绕组11和转矩转矩绕组10分别由两个三相逆变器驱动，三相逆变器的A相接线到A+侧进线，从A-侧出线，B相和C相也遵循这一接线准则进行布线。绕组的绕线方式均按星形连接。悬浮力绕组11产生的两极磁场与转矩绕组10和永磁体2产生的四极合成磁场相叠加，从而产生径向悬浮力。

参见图6，每组磁障体5中的两个圆弧形磁障分别是内层磁障5-1和外层磁障5-2，每个磁障均沿电机d轴对称分布，每块永磁体3也沿电机d轴对称分布。两个圆弧形磁障的弧形两端部均具有圆角，外层磁障5-2的弧形端部和转子2的圆心O的连线与d轴所成的夹角为a₁，内层磁障5-1的弧形端部和转子2的圆心O的连线与d轴所成的夹角为a₂，满足a₂>a₁，0.85×2p/2p<a₁<0.95×2p/2p，其中p为极对数。内层磁障5-1沿d轴方向上的厚度为l₁，外层磁障5-2沿d轴方向上的厚度为l₂，满足l₁>l₂。内层磁障5-1中心距离圆心O的长度为转子2半径长度的一半，外层磁障5-2中心距离圆心O的长度为转子2半径长度的四分之三。内层磁障5-1和外层磁障5-2的两端距转子2的外边缘长度为R_s，R_s在1-2mm之间，具体长度可根据电机转速和转子2的尺寸来合理设计。

内层磁障5-1和外层磁障5-2中心处的永磁体安装槽4是矩形，内层磁障5-1上的矩形永磁体安装槽4沿d轴方向上是宽度h₁，内层磁障5-1上的矩形永磁体安装槽4的长度是2×w₁。外层磁障5-2上的矩形永磁体安装槽4沿d轴方向上是宽度h₂，外层磁障5-2上的矩形永磁体安装槽4的长度是2×w₂。满足w₁>w₂，h₁>h₂，w₁> h₁，arctan( h₁/ w₁)=arctan(h₂/ w₂)。

内层磁障5-1上的矩形永磁体安装槽4靠近转子2圆心O的这侧槽边向圆心O方向凹陷厚度为h₃，外层磁障5-2上的矩形永磁体安装槽4在靠近转子2圆心O的这侧槽边向圆心O方向凹陷厚度为h₄，满足0<h₃<0.3h₁，0<h₄<0.3h₂。

永磁体3采用铁氧体永磁，每个永磁体安装槽4中的永磁体3都填满于永磁体安装槽4中，永磁体3沿着径向方向平行充磁。相邻两组磁障体5中的永磁体3的充磁方向相反，同一组磁障体5中的永磁体3的充磁方向相同，永磁体3靠近气隙端为N极，靠近转轴端为S极。

参见图7和图8，d轴对应的电机电感称为直轴电感L_d，q轴对应的电机电感称为交轴电感L_q。图7为传统无轴承同步磁阻电机转矩子系统的向量图，传统无轴承同步磁阻电机转子中不存在永磁体，因此没有永磁通，电磁转矩由转子2各向异性产生，所以一般设计时使交轴电感L_q、直轴电感L_d差异尽量大。传统无轴承同步磁阻电机的d轴方向电流i_d产生d轴方向磁通L_di_d，q轴方向电流i_q产生q轴方向磁通L_qi_q，d轴和q轴合成磁通ψ_s产生电动势E_s，转矩绕组电流i_s与转矩绕组电阻R₁乘积为转矩绕组产生的电动势，E_s与R₁i_s之和为端电压u，端电压u与转矩绕组电流i_s之间夹角很大，导致传统无轴承同步磁阻电机的功率因数偏低，并且电机中一部分d 轴磁通会由磁障端部的铁芯肋部漏掉，增大了L_d，使得转矩和功率因数进一步减小。图8为本发明永磁辅助式无轴承同步磁阻电机的向量图，本发明电机的d轴方向电流i_d产生d轴方向磁通L_di_d，q轴方向电流i_q产生q轴方向磁通L_qi_q，由于d轴方向上添加的永磁体3产生永磁磁通ψ_f，削弱了d轴磁通ψ_d，d、q轴合成磁通ψ_s产生电动势E_s，转矩绕组电流i_s与转矩绕组电阻R₁乘积为转矩绕组产生的电动势，E_s与R₁i_s之和为端电压u。对比图7可以发现，端电压矢量u与端电流矢量i_s之间夹角减小，从而增大了电机的功率因数。此外，永磁体3位于直轴d轴上，使得直轴电感增加，这样使得直轴电感与交轴电感差异增大，从而增加电机的磁阻转矩，永磁体3产生的永磁转矩也使得本发明电机的电磁转矩进一步增加。

本发明工作时，由于转子2中注入的永磁体量较少，高速运行时较容易实现弱磁，恒功率调速范围很宽，能满足无轴承同步磁阻电机在全运行区间内宽调速、高转矩密度和高功率密度的性能要求。