一种新型16相磁悬浮开关磁阻电机的制作方法

本发明涉及磁悬浮开关磁阻电机领域，特别是涉及一种新型16相磁悬浮开关磁阻电机。

背景技术：

磁悬浮开关磁阻电机是将磁悬浮技术应用到开关磁阻电机中，使电机兼具开关磁阻电机可靠性高、调速性能好和磁悬浮技术无摩擦、寿命长、功率损耗低的优点，在航空航天和医疗器械领域中应用广泛。传统磁悬浮开关磁阻电机工作时，转矩与悬浮力的控制存在耦合，严重影响电机性能，增加了控制难度，磁悬浮开关磁阻电机转矩与悬浮力的解耦控制一直是业内研究重点。

解除转矩与悬浮力的控制耦合主要有结构改进与算法解耦两种方式；算法解耦难度大、成本高，解耦性能的好坏往往取决于算法设计者的水平，且当电机受环境影响较大时，电机稳定性难以得到保障；相比之下，通过改进电机结构来解除转矩与悬浮力的控制耦合是从底层、从根本上解决问题，不仅可以保证电机的稳定性，而且降低了开发成本和控制难度；目前，对于电机结构解耦的研究主要集中在定子上，对转子结构的改进研究较少。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有磁悬浮开关磁阻电机转矩与悬浮力的控制耦合问题，提出一种能够从结构上解除转矩与悬浮力的控制耦合、稳定性高、能耗低的新型16相磁悬浮开关磁阻电机，技术方案是：一种新型16相磁悬浮开关磁阻电机，包括定子、气隙和转子三部分；所述定子设有定子齿和绕组，所述定子齿有16个，所述绕组有16相，分别为a相-p相，每相绕组由两个线圈组成，每相绕组的两个线圈分别绕在两个相邻定子齿上且在两个定子齿上的绕向相反，每个定子齿上有两个来自不同相绕组的线圈；所述转子包括支撑结构、转矩转子齿组和悬浮力转子齿，所述转矩转子齿组有三个，每个转矩转子齿组包括一个前齿和一个后齿，所述悬浮力转子齿有三个，所述转矩转子齿组和悬浮力转子齿等间隔交错固定于支撑结构中；所述定子和转子之间设有气隙。

本发明的技术方案还有：本发明的技术方案还有：所述定子齿极弧为α，7.5^o≤α≤11.25^o；所述转矩转子齿组极弧为22.5^o+α；所述前齿极弧为α，后齿极弧为α；所述悬浮力转子齿极弧为45^o+2α，以使悬浮力绕组所在定子齿与悬浮力转子齿的正对面积始终保持不变。

本发明的技术方案还有：所述支撑结构为铸铝，在为转矩转子齿组与悬浮力转子齿提供机械支撑的同时，还用来隔断转矩转子齿组与悬浮力转子齿之间的磁力线；所述转矩转子齿组与悬浮力转子齿均由硅钢片叠压而成。

本发明的技术方案还有：所述支撑结构、转矩转子齿组与悬浮力转子齿外径相等，使得转子外形类似于圆柱体，在旋转过程中可有效降低风阻或液阻造成的功率损耗，同时提高电机运行的稳定性；所述转矩转子齿组与悬浮力转子齿内径相等。

通电绕组所在定子齿与转矩转子齿组存在交叠区域时，令该相绕组为转矩绕组，所述转矩绕组提供驱动转子旋转的电磁转矩；通电绕组所在定子齿与悬浮力转子齿完全对齐时，令该相绕组为悬浮力绕组，所述悬浮力绕组为转子提供悬浮力；在电机工作的任意时刻，均有四相绕组导通，且每个定子齿上至多有一相绕组导通，导通绕组中有一相作为转矩绕组，其余三相作为悬浮力绕组；电机工作时，转矩绕组每隔7.5^o进行一次换相；在一个电周期内，单相悬浮力绕组的导通宽度为22.5^o，三相悬浮力绕组的换相位置沿逆时针依次相差7.5^o。

本发明的技术方案还有：电机采用短磁路励磁的工作方式，根据“磁阻最小原理”，转矩绕组产生的磁力线在转矩绕组所在定子齿与转矩转子齿组之间形成闭合回路，单相悬浮力绕组产生的磁力线在该相绕组所在定子齿与悬浮力转子齿之间形成闭合回路，由于转矩绕组与悬浮力绕组之间、悬浮力绕组与悬浮力绕组之间不存在磁力线交链，从而实现了转矩与悬浮力的解耦控制。

本发明的技术方案还有：电机工作时，转矩绕组所在定子齿与前齿和后齿的正对面积随转子位置角的变而变化，因此前齿和后齿会受到大小和方向均随转子位置角变化的电磁转矩和悬浮力。

本发明的技术方案还有：由于悬浮力绕组所在定子齿与悬浮力转子齿的正对面积始终保持不变，因此每一相悬浮力绕组能够提供大小和方向都不随转子位置角的变化而变化的稳定悬浮力，且不会产生转矩；三相悬浮力绕组能够产生稳定的非对称悬浮力。

本发明的有益技术效果是：采用短磁路励磁，通电绕组之间不存在磁力线交链，实现了转矩与悬浮力的解耦控制、降低了电机的功率损耗和控制难度；采用分块转子结构，当某个转矩转子齿组或悬浮力转子齿出现损坏时，可进行拆除更换，增加了电机的使用寿命；转子总体结构类似于圆柱体，能够有效降低风阻、液阻，减小了电机功率损耗并增强了电机的运行稳定性；每相绕组跨接两个定子齿，减少了换相时控制的开关数目。

附图说明

图1是本发明一个实施例的径向剖面图。

图2是本发明一个实施例的转矩产生原理。

图3是本发明一个实施例的悬浮力产生原理。

图中：1为定子，11为定子齿，12为绕组，121为转矩绕组，122为悬浮力绕组，2为气隙，3为转子，31为支撑结构，32为转矩转子齿组，321为前齿，322为后齿，33为悬浮力转子齿。

具体实施方式

本发明包括定子1、气隙2和转子3三部分；所述定子1设有定子齿11和绕组12，所述定子齿11有16个，所述绕组12有16相，分别为a相-p相，每相绕组12由两个线圈组成，每相绕组12的两个线圈分别绕在两个相邻定子齿11上且在两个定子齿11上的绕向相反，每个定子齿11上有两个来自不同相绕组12的线圈；所述转子3包括支撑结构31、转矩转子齿组32和悬浮力转子齿33，所述转矩转子齿组32有三个，每个转矩转子齿组32包括一个前齿321和一个后齿322，所述悬浮力转子齿33有三个，所述转矩转子齿组32和悬浮力转子齿33等间隔交错地固定于支撑结构31中；所述定子1和转子3之间设有气隙。

旋转驱动的实现：定义逆时针方向为转子3旋转的正方向，电机工作时，所述转矩绕组121依次为“a相-l相-g相-b相-m相-h相-c相-n相-i相-d相-o相-j相-e相-p相-k相-f相”，即转矩绕组121通电的循环周期为120^o；转矩绕组121通电后，产生逆时针方向的电磁转矩，拉动转子3实现逆时针旋转。

悬浮的实现：电机工作时，任意时刻有三相绕组12作为悬浮力绕组122，在一个通电循环周期内，悬浮力绕组122依次为“c相、i相、n相-d相、i相、n相-d相、i相、o相-d相、j相、o相-e相、j相、n相-o相、j相、n相-e相、k相、p相-f相、k相、p相-a相、f相、k相-a相、f相、l相-a相、g相、l相-b相、g相、l相-b相、g相、m相-b相、h相、m相-c相、h相、m相-c相、h相、n相”；由于悬浮力绕组122所在定子齿11与悬浮力转子齿33的正对面积始终保持不变，因此在一个步距角内，每一相悬浮力绕组122都能够提供大小和方向不随转子3位置角的变化而变化的稳定悬浮力，且不会产生转矩，三相悬浮力绕组122通电后产生稳定的非对称悬浮力；转矩绕组121通电后，也会对转矩转子齿组32产生悬浮力，由于转矩绕组121所在定子齿11与前齿321和后齿322的正对面积随转子3位置角而变化，因此前齿321和后齿322受到大小和方向均随转子3位置角而变化的悬浮力；在一个步距角内，转子受到的总的悬浮力为8个力的合力，其中六个力为不变的力，另外两个力为变化的力。

转矩与悬浮力的解耦控制实现：如图2所示，根据“磁阻最小原理”，转矩绕组121产生的磁力线从转矩绕组121所在定子齿11全部进入转矩转子齿组32的前齿321，并从后齿322返回到转矩绕组121所在的另一相定子齿11，在转矩绕组121所在定子齿与转矩转子齿组32之间形成闭合回路；如图3所示，根据“磁阻最小原理”，悬浮力绕组122产生的磁力线会在悬浮力绕组122所在定子齿11与悬浮力转子齿33之间形成闭合回路；如图3所示，转矩绕组121与悬浮力绕组122的磁力线没有共同回路，从而解除了转矩绕组121与悬浮力绕组122之间的磁力线耦合，实现了转矩与悬浮力的解耦控制。

通过调节转矩绕组121和悬浮力绕组122电流的大小可产生任意大小和方向的悬浮力，但转矩绕组12的电流变化会对转矩和悬浮力均产生影响，且转矩绕组121产生的悬浮力是变化的力，为了降低控制难度，在对悬浮力进行控制时，不改变转矩绕组121的电流大小，仅通过调节三相悬浮力绕组122的电流大小来对悬浮力合力的大小和方向进行调节。