一种电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机

1.本发明涉及一种电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机，可作为高速电机，特别适合车载飞轮电池，车载空压机系统。


背景技术：

2.传统电机中一般都使用机械轴承来支承转轴，但经济社会的发展对电机的转速提出越来越高的要求，机械轴承易磨损、需定期维护等缺点严重限制电机转速进一步提高，还因为增大摩擦阻力产生大量的热，降低电机运行效率。为避免这些问题，采用悬浮技术替代机械轴承称为最好解决方案。气浮轴承、液浮轴承需要额外配备加压设备，增大了设备体积。而磁悬浮电机集传统电机和磁轴承悬浮功能于一体，无需增加设备，以同时产生驱动负载的电磁转矩和支承转子的悬浮力为目标，成为高速电机研究领域的新热点。为此，本专利提出一种电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机，实现了悬浮系统和驱动电机一体化，减小了支承损耗，大大提高了电机的转速上限，在飞轮储能领域具有重大的研究与应用价值。


技术实现要素：

3.本发明提出一种电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机，由两个8/4双凸极单元组成。两个8/4双凸极单元通过转轴连接成一个整体，实现了悬浮系统与驱动电机一体化。该电机省去了磁轴承的使用，缩短了电机轴向长度，电机结构紧凑，功率密度增大。
4.本发明技术方案为：一种电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于，由8/4双凸极单元1和8/4双凸极单元2组成；8/4双凸极单元1和8/4双凸极单元2同轴向连接且在空间上交错一定角度；所述8/4双凸极单元1包括八个间隔45
°
的凸极定子齿，分别为凸极定子齿1
‑
1，凸极定子齿1
‑
2，凸极定子齿1
‑
3，凸极定子齿1
‑
4，凸极定子齿1
‑
5，凸极定子齿1
‑
6，凸极定子齿1
‑
7，凸极定子齿1
‑
8；以及四个间隔90
°
的凸极转子齿，分别为凸极转子齿1
‑
9，凸极转子齿1
‑
10，凸极转子齿1
‑
11，凸极转子齿1
‑
12；其中，每个定子齿上均叠绕单独控制的绕组，共8套绕组，分别为绕组1
‑
13，绕组1
‑
14，绕组1
‑
15，绕组1
‑
16，绕组1
‑
17，绕组1
‑
18，绕组1
‑
19，绕组1
‑
20；所述8/4双凸极单元2包括八个间隔45
°
的凸极定子齿，分别为凸极定子齿2
‑
1，凸极定子齿2
‑
2，凸极定子齿2
‑
3，凸极定子齿2
‑
4，凸极定子齿2
‑
5，凸极定子齿2
‑
6，凸极定子齿2
‑
7，凸极定子齿2
‑
8，以及四个间隔90
°
的凸极转子齿，凸极转子齿2
‑
9，凸极转子齿2
‑
10，凸极转子齿2
‑
11，凸极转子齿2
‑
12；其中，每个定子齿上均叠绕单独控制的绕组，共8套绕组，分别为绕组2
‑
13，绕组2
‑
14，绕组2
‑
15，绕组2
‑
16，绕组2
‑
17，绕组2
‑
18，绕组2
‑
19，绕组2
‑
20。
5.进一步，8/4双凸极单元1和8/4双凸极单元2在空间上交错22.5
°
。
6.进一步，每个定子齿宽为22.5
°
，每个转子齿宽为45
°
。
7.进一步，所述8/4双凸极单元1中，凸极定子齿1
‑
1，凸极定子齿1
‑
3，凸极定子齿1
‑
5，凸极定子齿1
‑
7形成电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机的a相，凸极定子齿1
‑
2，凸极定子齿1
‑
4，凸极定子齿1
‑
6，凸极定子齿1
‑
8形成电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机的b相；
8.所述8/4双凸极单元2中，凸极定子齿2
‑
1，凸极定子齿2
‑
3，凸极定子齿2
‑
5，凸极定子齿2
‑
7形成电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机的c相，凸极定子齿2
‑
2，凸极定子齿2
‑
4，凸极定子齿2
‑
6，凸极定子齿2
‑
8形成电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机的d相。
9.进一步，a相，b相，c相，d相依次轮流导通22.5
°
形成驱动转矩；当a相4个凸极定子齿用于产生转矩时，d相4个凸极定子齿用于产生悬浮力；当b相4个凸极定子齿用于产生驱动转矩时，c相4个凸极定子齿用于产生悬浮力；当c相4个凸极定子齿用于产生转矩时，a相4个凸极定子齿用于产生悬浮力；当d相4个凸极定子齿用于产生转矩时，b相4个凸极定子齿用于产生悬浮力。每相在同一时刻仅用于转矩或悬浮，实现了转矩与悬浮的电气式解耦。
10.所述电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机的8/4双凸极单元由一个电机定子轭，八个电机定子齿，一个转子、四个转子齿，八个绕组组成。其中，电机定子轭内部与八个电机定子齿相连，每个定子齿间隔45
°
均匀分布，每个定子齿上各叠绕一个绕组；转子上各有四个转子齿，每个转子齿间隔90
°
均匀分布，电机转子嵌套在转轴上；两个定子沿转轴中心所在横截面呈镜像对称分布，双层转子在空间中交错22.5
°
，其中一层转子径向偏移22.5
°
后，两层转子沿转轴中心所在横截面呈镜像对称分布。每个定子齿和转子齿之间留有等距的气隙可以实现径向稳定悬浮。
11.与现有技术相比本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
12.1、利用转轴连接两个8/4双凸极单元，实现电机转子悬浮运行，降低了机械摩擦损耗，提高了电机运行速度和效率。
13.2、利用转轴连接两个8/4双凸极单元，悬浮系统和驱动电机一体化，免去了磁轴承的使用，简化了电机结构，缩短了电机的轴向长度，提高了电机功率密度。
14.3、电机运行过程中，两个8/4双凸极单元交替以悬浮力和转矩为控制对象进行控制，转子每转动22.5
°
,两个8/4双凸极单元交换一次控制对象，实现了电机悬浮力和转矩的解耦。
附图说明
15.图1所示为一种电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机单元结构示意图。
16.图2所示为一种电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机单元1、2分解示意图。
17.图3所示为一种电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机单元1、2工作原理示意图；(a)为开关磁阻电机单元1；(b)为开关磁阻电机单元2。
18.图4所示为一种电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机电感曲线图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
20.如图1所示，本发明一种电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机转子示意图，包括8/4双凸极单元1(1)、8/4双凸极单元2(2)，两个双凸极单元通过转轴稳固连接成一个整体，实现了悬浮系统与驱动电机一体化。
21.如图2所示，8/4双凸极单元1，包括间隔45
°
均匀分布的八个定子齿(1
‑
1，1
‑
2，1
‑
3，1
‑
4，1
‑
5，1
‑
6，1
‑
7，1
‑
8)，间隔90
°
均匀分布四个转子齿(1
‑
9，1
‑
10，1
‑
11，1
‑
12)；8/4双凸极
单元2部分包括：间隔45
°
均匀分布的八个定子齿(2
‑
1，2
‑
2，2
‑
3，2
‑
4，2
‑
5，2
‑
6，2
‑
7，2
‑
8)，间隔90
°
均匀分布四个转子齿(2
‑
9，2
‑
10，2
‑
11，2
‑
12)。
22.如图2、3所示：8/4双凸极单元1(1)的定子齿(1
‑
1，1
‑
2，1
‑
3，1
‑
4，1
‑
5，1
‑
6，1
‑
7，1
‑
8)上分别叠绕独立控制的绕组(1
‑
13，1
‑
14，1
‑
15，1
‑
16，1
‑
17，1
‑
18，1
‑
19，1
‑
20)。8/4双凸极单元1(1)的定子齿(1
‑
1，1
‑
3，1
‑
5，1
‑
7)构成a相，控制电流分别为ia1，ia2，ia3，ia4，8/4双凸极单元1(1)的定子齿(1
‑
2，1
‑
4，1
‑
6，1
‑
8)构成b相，控制电流分别为ib1，ib2，ib3，ib4；8/4双凸极单元2(2)的定子齿(2
‑
1，2
‑
3，2
‑
5，2
‑
7)构成c相，控制电流分别为ic1，ic2，ic3，ic4；8/4双凸极单元2(2)的定子齿(2
‑
2，2
‑
4，2
‑
6，28)构成d相，控制电流分别为id1，id2，id3，id4；
23.图4所示给出了a、b、c、d相电感均示意图。每相电感的上升阶段为22.5
°
，可在此区间内实现转矩驱动；电感平顶阶段为22.5
°
，可在区间内提供悬浮力；电感下降阶段为22.5
°
，可在此区间内实现发电。
24.如图3所示，当8/4双凸极单元1的a相提供驱动转矩，双凸极单元2的d相提供悬浮力；转子经过22.5
°
后，8/4双凸极单元1的a相提供悬浮力，8/4双凸极单元2的c相提供驱动转矩；转子再经过22.5
°
后，8/4双凸极单元1的b相提供驱动转矩，8/4双凸极单元2的c相提供悬浮力；转子再经过22.5
°
后，8/4双凸极单元1的b相提供悬浮力，8/4双凸极单元2的d相提供驱动转矩；转子再经过22.5
°
后，8/4双凸极单元1的a相提供驱动转矩，8/4双凸极单元2的d相提供悬浮力，之后循环重复前面所述控制状态。
25.综上，本发明的一种电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机，由结构完全相同，独立控制，空间交错22.5
°
的两个8/4双凸极单元组成。本发明通过两个8/4双凸极单元协同控制，实现了磁悬浮开关磁阻电机转矩和悬浮力电气解耦。相较于传统的解耦式磁悬浮开关磁阻电机，本发明提出的电气解耦式磁悬浮开关磁阻电机具有更高的转矩密度和悬浮密度，在车载飞轮电池，车载空压机系统中有着重要的应用前景。
26.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
27.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。