一种四相24/22极无轴承开关磁阻电机

本发明涉及磁悬浮开关磁阻电机，尤其涉及一种四相24/22极无轴承开关磁阻电机。

背景技术：

1、无轴承开关磁阻电机集旋转与悬浮两功能于一体，不仅可以有效解决电机高速运行时机械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，从而强化其在飞轮储能、航空航天、机床、舰船等高速领域的应用基础。然而，传统结构的无轴承开关磁阻电机，如12/8、6/4和8/6等，因为运行机理的制约，致使转矩和悬浮力之间存在严重的耦合问题，这对控制算法具有很高的要求，进而导致该类结构电机高速悬浮性能较差，控制电路复杂庞大，同时其还存在着悬浮死区，不能在任意一位置角实现悬浮，控制灵活性差。

2、将具有旋转能力的开关磁阻电机和具有悬浮能力的磁悬浮轴承进一步结构集成，实现无轴承开关磁阻电机在旋转和悬浮上的自然解耦，有利于减小无轴承电机体积，简化控制系统，这仍是当下无轴承开关磁阻电机的研究热点之一。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种不存在转矩死区、能有效降低悬浮功耗、增加输出功率的四相24/22极无轴承开关磁阻电机。

2、技术方案：一种四相24/22极无轴承开关磁阻电机，包括转子、悬浮定子、转矩定子、悬浮线圈、转矩线圈、非导磁支撑架和转轴，所述转矩定子和非导磁支撑架紧密布置在悬浮定子内，非导磁支撑架布置在转矩定子与悬浮定子之间；所述转子布置在悬浮定子和转矩定子内，并套在转轴上；

3、所述转矩定子由八个c型结构组成；所述c型结构为凸极结构，每个c型结构齿数为两个；每个c型结构中的两个齿在空间上相差360°/22；

4、所述c型结构的每个齿上绕有一个转矩线圈；每个c型结构上的两个转矩线圈连接为一个转矩线圈串；空间上相差180°的两个转矩线圈串连接为一个转矩绕组，从x轴正方向起逆时针依次为a相转矩绕组、b相转矩绕组、c相转矩绕组和d相转矩绕组；

5、所述悬浮定子相邻两齿间均布置有一个c型结构和一个非导磁支撑架，c型结构中心线、非导磁支撑架中心线与悬浮定子相邻两齿的中心线重合；

6、所述悬浮定子的每个悬浮齿上绕有一个悬浮线圈，位于空间角为22.5°和337.5°位置处的两个悬浮线圈连接为一个悬浮绕组，为x轴正向悬浮绕组；位于空间角为67.5°和112.5°位置处的两个悬浮线圈连接为一个悬浮绕组，为y轴正向悬浮绕组；位于空间角为157.5°和202.5°位置处的两个悬浮线圈连接为一个悬浮绕组，为x轴负向悬浮绕组；位于空间角为247.5°和292.5°位置处的两个悬浮线圈连接为一个悬浮绕组，为y轴负向悬浮绕组。

7、进一步，所述悬浮定子为凸极结构，八个悬浮齿在圆周空间上均匀分布，齿与齿相隔45°；悬浮定子悬浮齿的极弧角等于一个转子周期角为360°/22。

8、进一步，所述转子为凸极结构，22个转子齿在圆周空间上均匀分布，齿与齿相差360°/22。

9、进一步，所述非导磁支撑架为“凹”形结构。

10、进一步，所述每个悬浮绕组施加电流产生的磁通经悬浮齿、径向气隙、转子齿、转子轭、与相邻一侧悬浮齿靠近的转子齿、径向气隙、相邻一侧悬浮齿、定子轭，最后再到该悬浮齿形成闭合回路；

11、当x轴正向悬浮绕组中施加电流为ix1时，将产生一个沿x轴正方向悬浮力；当y轴正向悬浮绕组中施加电流为iy1时，将产生一个沿y轴正方向悬浮力；同理，当x轴负向和y轴负向悬浮绕组施加电流ix2、iy2时，将分别产生一个沿x轴负方向悬浮力和一个沿y轴负方向悬浮力；所产生的四个悬浮力在空间上均匀分布，彼此间相差90°。

12、一种四相24/22极无轴承开关磁阻电机，包括转子、悬浮定子、转矩定子、悬浮线圈、转矩线圈、非导磁支撑架和转轴，还包括永磁体，所述转矩定子和非导磁支撑架紧密布置在悬浮定子内，非导磁支撑架布置在转矩定子与悬浮定子之间；所述转子布置在悬浮定子和转矩定子内，并套在转轴上；

13、所述转矩定子由八个c型结构组成；所述c型结构为凸极结构，每个c型结构齿数为两个；每个c型结构中的两个齿在空间上相差360°/22；

14、所述c型结构的每个齿上绕有一个转矩线圈；每个c型结构上的两个转矩线圈连接为一个转矩线圈串，共八个；空间上相差180°的两个转矩线圈串连接为一个转矩绕组，从x轴正方向起逆时针依次为a相转矩绕组、b相转矩绕组、c相转矩绕组和d相转矩绕组；

15、所述悬浮定子上设有悬浮齿，所述悬浮齿的中心线角度分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°；

16、相邻两悬浮齿间均布置有一个c型结构和一个非导磁支撑架，c型结构中心线、非导磁支撑架中心线与相邻两悬浮齿的中心线重合；

17、位于空间角为0°、90°、180°和270°位置处的四个悬浮齿上分别绕有一个悬浮线圈；位于空间角为0°和180°位置处的两个悬浮线圈连接为一个悬浮绕组，为x轴悬浮绕组；位于空间角为90°和270°位置处的两个悬浮线圈连接为一个悬浮绕组，为y轴悬浮绕组；

18、位于空间角为45°、135°、225°和315°位置处的四个悬浮齿上分别开有一个矩形通孔；每个矩形通孔中分别嵌入一个永磁体；

19、每个永磁体施加电流产生的偏置磁通经嵌入永磁体的悬浮齿、径向气隙、转子齿，一分为二：一路经转子轭、与相邻一侧悬浮齿靠近的转子齿、径向气隙、相邻一侧悬浮齿、相邻一侧定子轭，最后再到该悬浮齿形成闭合回路；另一路经转子轭、与相邻另一侧悬浮齿靠近的转子齿、径向气隙、相邻另一侧悬浮齿、相邻另一侧定子轭，最后再到该悬浮齿形成闭合回路；最终在含永磁体的悬浮齿与相邻两个悬浮齿之间形成两个闭合回路，共八个，且偏置磁通极性在空间上呈交替分布，其中x轴正方向悬浮齿的偏置磁通极性为n。

20、本发明与现有技术相比，其显著效果如下：

21、1、本发明中转矩和悬浮磁路两两相隔互不影响，实现了转矩与悬浮力在结构上自然解耦，控制简单；

22、2、四相工作制解耦结构的无轴承电机，不存在转矩死区，有利于减小转矩脉动和增加电机的输出功率；

23、3、四相转矩磁路均为短磁路结构，且相与相间相互隔离，容错性能好，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；

24、4、电机的悬浮极采用两种不同的励磁方式分别为电磁式和永磁偏置式，可根据不同工况需求进行选择，适应性强；其中永磁偏置式励磁，简化了悬浮控制，并且能有效降低悬浮功耗。

技术特征：

1.一种四相24/22极无轴承开关磁阻电机，包括转子(1)、悬浮定子(2)、转矩定子(3)、悬浮线圈(4)、转矩线圈(5)、非导磁支撑架(6)和转轴(7)，其特征在于，所述转矩定子(3)和非导磁支撑架(6)紧密布置在悬浮定子(2)内，非导磁支撑架(6)布置在转矩定子(3)与悬浮定子(2)之间；所述转子(1)布置在悬浮定子(2)和转矩定子(3)内，并套在转轴(7)上；

2.根据权利要求1所述四相24/22极无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述悬浮定子(2)为凸极结构，八个悬浮齿在圆周空间上均匀分布，齿与齿相隔45°；悬浮定子悬浮齿的极弧角等于一个转子周期角为360°/22。

3.根据权利要求1所述四相24/22极无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述转子(1)为凸极结构，22个转子齿在圆周空间上均匀分布，齿与齿相差360°/22。

4.根据权利要求1所述四相24/22极无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述非导磁支撑架(6)为“凹”形结构。

5.根据权利要求1所述四相24/22极无轴承开关磁阻电机，其特征在于，当x轴悬浮绕组、y轴悬浮绕组施加电流后，将产生一个两极对称磁通，所述每个悬浮绕组产生的磁通经悬浮齿、径向气隙、转子齿、转子轭、与相邻一侧悬浮齿靠近的转子齿、径向气隙、相邻一侧悬浮齿、定子轭，最后再到该悬浮齿形成闭合回路；

6.一种四相24/22极无轴承开关磁阻电机，包括转子(1)、悬浮定子(2)、转矩定子(3)、悬浮线圈(4)、转矩线圈(5)、非导磁支撑架(6)和转轴(7)，其特征在于，还包括永磁体(14)，所述转矩定子(3)和非导磁支撑架(6)紧密布置在悬浮定子(2)内，非导磁支撑架(6)布置在转矩定子(3)与悬浮定子(2)之间；所述转子(1)布置在悬浮定子(2)和转矩定子(3)内，并套在转轴(7)上；

技术总结
本发明公开了一种四相24/22极无轴承开关磁阻电机，包括转子、悬浮定子、转矩定子、悬浮线圈、转矩线圈、非导磁支撑架和转轴，转矩定子和非导磁支撑架紧密布置在悬浮定子内，非导磁支撑架布置在转矩定子与悬浮定子之间；转子布置在悬浮定子和转矩定子内，并套在转轴上；转矩定子由八个C型结构组成，C型结构的每个齿上绕有一个转矩线圈，转矩线圈构成的四相转矩绕组轮流导通产生转矩；悬浮齿的极弧角等于一个转子周期角，从结构上实现悬浮力和转矩的自然解耦。本发明根据悬浮力产生机理，悬浮励磁方式分为电磁式和永磁偏置式，可根据不同工况进行选择，适应性强；转矩和悬浮磁路均为短磁路且方向恒定，能减少铁心损耗，提高功率利用率。

技术研发人员：刘泽远,吴幸成,蔡骏,杨艳,刘程子,曹鑫,邓智泉
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16