一种三相18/16极无轴承开关磁阻电机

本发明涉及一种三相18/16极无轴承开关磁阻电机，属于磁悬浮电机领域。

背景技术：

开关磁阻电机结构简单，定转子均为凸极结构，定子上绕有集中式绕组，转子无绕组、无永磁体，高速性能好，容错性能强，耐高温耐油脂，环境适应性强，在航空航天、电动汽车、飞轮储能，纺织石油矿山等领域应用广泛。利用磁轴承定子结构的相似性，将磁悬浮功能集成到开关磁阻电机中，便构成了无轴承开关磁阻电机。

由于无轴承开关磁阻电机集旋转与悬浮两功能于一体，不仅可有效解决高速运行时轴承摩擦带来的损耗和发热等问题，还能进一步发挥开关磁阻电机的高速适应性，从而强化其在航空航天、飞轮储能、舰船等高速领域的应用基础。

然而，传统结构形式无轴承开关磁阻电机，如12/8、6/4和8/6等，因运行机理制约，使得转矩和悬浮力存在强耦合关系，控制上难以彻底解决二者的耦合，进而导致该类结构电机高速悬浮性能较差。另外，由于运动电动势的作用，传统结构无轴承开关磁阻电机高速运行时的悬浮电流跟踪及斩波控制困难，使得电机悬浮和输出性能进一步变差。

为此，国内外学者提出众多结构上转矩与悬浮力自然解耦的新型无轴承开关磁阻电机拓扑，比较典型的是韩国学者提出的宽窄齿结构的8/10和12/14极电机，均具有解耦性。然而，8/10和12/14极无轴承开关磁阻电机仅能作为两相工作制电机运行，存在起动转矩死区，限制了其推广应用。因此，发展结构上转矩与悬浮力自然解耦的新型无轴承开关磁阻电机拓扑是该领域的研究热点。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种三相18/16极无轴承开关磁阻电机。所述电机是一种结构上转矩和悬浮力自然解耦的三相无轴承开关磁阻电机。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种三相18/16极无轴承开关磁阻电机，所述电机，包括定子、转矩线圈、悬浮线圈、转子和转轴；所述转子套在转轴上，且所述转子布置在所述定子内；

所述定子为凸极结构，包括12个转矩齿和6个悬浮齿，共18个齿；6个所述悬浮齿空间上均匀分布，齿与齿相差60°；相邻两悬浮齿间布置有2个转矩齿，相邻两转矩齿相隔22.5°(恰好为一个转子周期角)，相邻转矩齿与悬浮齿间相差18.75°；

所述转子为凸极结构，齿数为16；16个所述转子齿空间上均匀分布，齿与齿相差22.5°；

所述悬浮齿的极弧角等于1个转子周期角，即22.5°；

每个转矩齿上绕有1个转矩线圈，共12个；相邻两转矩齿上的转矩线圈串联为1个转矩线圈串，共6个；空间上相差180°的2个转矩线圈串串联为1个转矩绕组，共3个，依次为a、b和c相转矩绕组；

每个悬浮齿上绕有1个悬浮线圈，共6个；相邻两悬浮齿上的悬浮线圈串联为1个悬浮绕组，共3个，依次为s1、s2和s3悬浮绕组；

12个转矩线圈和6个悬浮线圈中通入电流时产生的磁通方向在18个定子齿上呈nnnsss分布，且1个悬浮齿和与其相邻的2个转矩上的磁通方向相同，即6个悬浮齿上磁通方向呈交替分布，且每个悬浮齿与其相邻的两个转矩齿上的磁通方向相同；a、b、c三相转矩绕组轮流导通产生输出转矩，用于所述电机旋转运行；s1、s2和s3三个悬浮绕组采用恒导通工作模式，产生两个径向悬浮力，用于所述电机悬浮运行。

本发明的有益效果：本发明提出了一种三相18/16极无轴承开关磁阻电机，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：

(1)转矩与悬浮力在结构自然解耦，控制简单；

(2)结构简单，每个齿上仅绕有一个线圈，加工装配便利；

(3)三相工作制解耦结构无轴承电机，且转子齿数大，有利于减小转矩脉动和增加输出功率；

(4)转矩和悬浮磁路均为短磁路结构，有利于减小铁心损耗；另外，电机运行时，定子轭部磁通方向不发生变化，有利于进一步减小定子铁心损耗。

附图说明

图1是本发明三相18/16极无轴承开关磁阻电机的三维结构示意图。

图2是本发明三相18/16极无轴承开关磁阻电机3个悬浮绕组电流产生的悬浮磁通示意图。

图3是本发明电机a相绕组电流在转子处于不对齐位置时产生的磁通示意图。

图4是本发明电机a相绕组电流在转子处于对齐位置时产生的磁通示意图。

附图标记说明：图1至图4中，1是定子，2是悬浮线圈，3是转矩线圈，4是转子，5是转轴，6是s1悬浮绕组电流产生的悬浮磁通，7是s2悬浮绕组电流产生的悬浮磁通，8是s3悬浮绕组电流产生的悬浮磁通，9是a相绕组电流在转子处于不对齐位置时产生的磁通，10是a相绕组电流在转子处于对齐位置时产生的磁通，ia+为a相绕组的流入电流，ia-为a相绕组的流出电流，is1+、is2+、is3+分别为s1、s2、s3悬浮绕组的流入电流，is1-、is2-、is3-分别为s1、s2、s3悬浮绕组的流出电流，x、y、z分别为直角坐标系的三坐标轴。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明一种三相18/16极无轴承开关磁阻电机的技术方案进行详细说明：

如图1所示，是本发明三相18/16极无轴承开关磁阻电机的三维结构示意图，其中，1是定子，2是悬浮线圈，3是转矩线圈，4是转子，5是转轴，x、y、z分别为直角坐标系的三坐标轴。

所述三相无轴承开关磁阻电机，包括定子、转矩线圈、悬浮线圈、转子和转轴；所述转子套在转轴上，且所述转子布置在所述定子内；

所述定子为凸极结构，包括12个转矩齿和6个悬浮齿，共18个齿；6个所述悬浮齿空间上均匀分布，齿与齿相差60°；相邻两悬浮齿间布置有2个转矩齿，相邻两转矩齿相隔22.5°(恰好为一个转子周期角)，相邻转矩齿与悬浮齿间相差18.75°；

所述转子为凸极结构，齿数为16；16个所述转子齿空间上均匀分布，齿与齿相差22.5°；

所述悬浮齿的极弧角等于1个转子周期角，即22.5°；

每个转矩齿上绕有1个转矩线圈，共12个；相邻两转矩齿上的转矩线圈串联为1个转矩线圈串，共6个；空间上相差180°的2个转矩线圈串串联为1个转矩绕组，共3个，依次为a、b和c相转矩绕组；

每个悬浮齿上绕有1个悬浮线圈，共6个；相邻两悬浮齿上的悬浮线圈串联为1个悬浮绕组，共3个，依次为s1、s2和s3悬浮绕组；

如图2所示，是本发明三相18/16极无轴承开关磁阻电机3个悬浮绕组电流产生的悬浮磁通示意图。6是s1悬浮绕组电流产生的悬浮磁通，7是s2悬浮绕组电流产生的悬浮磁通，8是s3悬浮绕组电流产生的悬浮磁通，定义x轴位于水平方向，y轴位于竖直方向。

相邻两悬浮齿上的悬浮线圈串联为1个悬浮绕组，共3个，依次为s1、s2和s3悬浮绕组。6个悬浮线圈通入电流时产生的磁通极性在空间上呈交替分布，即ns分布；每个悬浮绕组产生的磁通经悬浮齿、气隙、转子齿、转子轭、相邻转子齿、气隙、相邻悬浮齿、定子轭，最后再到悬浮齿形成闭合回路，即相邻两个悬浮齿间形成一个闭合回路，共3个。

s1悬浮绕组中施加电流为is1时，将产生一个y轴正方向悬浮力(恰好与s1悬浮绕组所在两个悬浮齿中心线重合)；同理，s2、s3悬浮绕组电流is2、is3产生的悬浮力与is1产生的悬浮力空间上相差120°和-120°，即三个悬浮力之间相差均为120°。为此，采用传统电磁轴承的控制方式，合理控制三个悬浮绕组电流的大小即可控制三个悬浮力的大小，从而产生任意方向和大小的悬浮力，进而实现转子的悬浮运行。

由于悬浮齿的极弧角等于1个转子周期角，因此3个悬浮磁路的磁阻恒定，不随转子旋转而发生变化。从而，使得3个悬浮绕组电感均为恒值，悬浮绕组电流产生的转矩为零，进而实现了转矩和悬浮力在结构上的自然解耦。

如图3、图4所示，分别是本发明电机a相绕组电流在转子处于不对齐位置、对齐位置时产生的磁通示意图。9是a相绕组电流在转子处于不对齐位置时产生的磁通，10是a相绕组电流在转子处于对齐位置时产生的磁通。定义转子齿中心线与转矩齿中心线重合时为对齐位置，此时磁路磁阻最小；定子相邻两转子齿中线与转矩齿中心重合时为不对齐位置，此时磁路磁阻最大。

相邻两转矩齿上的转矩线圈串联为1个转矩线圈串，共6个；空间上相差180°的2个转矩线圈串串联为1个转矩绕组，共3个，依次为a、b和c相转矩绕组；当a相绕组施加的电流为ia时，将产生一个两极对称磁通，该磁通在a相绕组所在4个转矩齿上呈nssn分布；每个磁通回路为：转矩齿、气隙、转子、气隙、相邻转矩齿、定子轭，再到该转矩齿闭合，该磁通为一短磁路分布的磁通。同理，当b相和c相绕组施加电流时，也将产生一个两极对称分布的短磁路磁通。采用传统开关磁阻电机驱动方式，a、b、c三相转矩绕组轮流导通产生输出转矩，实现所述电机旋转运行。

为减小铁心损耗，以及转矩磁通和悬浮磁通间的耦合，每个悬浮齿和与其相邻的2个转矩上的磁通方向相同，并设置6个悬浮齿上磁通方向呈交替分布；因此，12个转矩线圈和6个悬浮线圈中通入电流时产生的磁通方向在18个定子齿上依次呈nnnsssnnnsss分布。如此绕组配置，可保证电机运行时定子轭部的磁通不发生反转现象，即定子轭部磁通方向不变，以减小定子铁心损耗。另外，定子轭部磁通方向不变，使得转矩磁通和悬浮磁通在定子轭部上的方向始终一致，避免了磁路冲突问题，有利于减小转矩和悬浮磁路间的耦合，进而提升悬浮和旋转性能。

由于电机悬浮运行时，悬浮绕组电流和转矩绕组电流方向均未发生变化，故可采用单极性的半桥电路作为该电机的功率驱动电路。

综上所述，本发明三相18/16极无轴承开关磁阻电机，利用转矩齿上的转矩绕组产生输出转矩，利用悬浮齿上的悬浮绕组产生径向悬浮力；由于悬浮齿的极弧角等于一个转子周期角，使得悬浮绕组电感恒定，运动电动势为零，故悬浮绕组不产生转矩，进而本发明可在结构上实现转矩和悬浮力的自然解耦；旋转控制采用传统开关磁阻电机驱动方式，悬浮控制类似传统电磁轴承的控制模式，控制简单，悬浮性能好；每个齿上仅绕有一个线圈，电机结构简单，加工装配便利；本发明为三相工作制解耦结构无轴承电机，转子齿数多，有利于减小转矩脉动和增加输出功率；另外，转矩和悬浮磁路均为短磁路结构，有利于减小铁心损耗，而且电机运行时定子轭部磁通方向不发生变化，有利于进一步减小定子铁心损耗。

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。