一種三自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種三自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，屬于磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)和磁懸浮軸承領(lǐng)域。電機(jī)定子由徑向磁場電機(jī)定子與兩個(gè)磁軸承定子組成，徑向磁場電機(jī)定子與兩個(gè)磁軸承定子均為凸極結(jié)構(gòu)，徑向磁場電機(jī)定子的每個(gè)定子齒上繞有一個(gè)電機(jī)繞組，磁軸承定子的每個(gè)定子齒上繞有一個(gè)磁軸承繞組；轉(zhuǎn)子由凸極轉(zhuǎn)子與兩個(gè)圓柱轉(zhuǎn)子軸向疊加組成，凸極轉(zhuǎn)子位于兩個(gè)圓柱轉(zhuǎn)子之間，凸極轉(zhuǎn)子用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，圓柱轉(zhuǎn)子用于產(chǎn)生徑向和軸向懸浮力。本發(fā)明提供的一種三自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，集無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)與軸向磁懸浮軸承于一體，集成化高；軸向磁軸承定子齒上僅有一套繞組，且定子為凸極結(jié)構(gòu)，可選的結(jié)構(gòu)形式多；利用最小電感區(qū)實(shí)行懸浮控制，懸浮電流對轉(zhuǎn)矩電流的影響小，相間耦合作用小。
【專利說明】—種三自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，屬于磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)和磁懸浮軸承領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一種新型磁懸浮電機(jī)。以定子上繞組的個(gè)數(shù)多少分類，有單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)和雙繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)。二者的控制策略有所不同，但其懸浮力和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機(jī)理是相同的，均為通過控制繞組電流大小不同，以形成一個(gè)不對稱磁通，進(jìn)而產(chǎn)生方向和大小可控的徑向懸浮力，從而使電機(jī)具有旋轉(zhuǎn)和自懸浮能力。相對于雙繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)，單繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)定子僅有一套繞組，結(jié)構(gòu)更為簡單，且控制算法簡單，已成為無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的一個(gè)研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。
[0003]轉(zhuǎn)矩和懸浮力之間存在著強(qiáng)耦合，且很難在控制策略和數(shù)學(xué)模型中實(shí)現(xiàn)二者的完全解耦，是無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行性能難以提高的主要因素之一。另外，因懸浮力控制所需，必須對繞組電流進(jìn)行斬波控制，而高速運(yùn)行時(shí)，反電動勢的激增導(dǎo)致無法對繞組電流進(jìn)行跟蹤斬波控制，即會出現(xiàn)電流斬不住的現(xiàn)象，這大大影響了無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)高速性能的發(fā)揮。
[0004]無軸承電機(jī)若要實(shí)現(xiàn)五自由度懸浮運(yùn)行，需要軸向磁懸浮軸承與其配合使用。軸向磁軸承勢必會增加懸浮電機(jī)系統(tǒng)的軸向長度，進(jìn)而降低臨界轉(zhuǎn)速和功率密度。因此，在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力解耦控制基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)無軸承電機(jī)和軸向磁軸承的集成化已成為磁懸浮電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的是提出一種集無軸承電機(jī)和軸向磁軸承于一體、懸浮力和轉(zhuǎn)矩在結(jié)構(gòu)上完全解耦、高速適應(yīng)性強(qiáng)、高功率密度的三自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
本發(fā)明所述的一種三自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，包括徑向磁場電機(jī)定子，凸極轉(zhuǎn)子，圓柱轉(zhuǎn)子、徑向磁場電機(jī)繞組、磁軸承定子，磁軸承繞組；電機(jī)定子由徑向磁場電機(jī)定子與兩個(gè)磁軸承定子組成，徑向磁場電機(jī)定子與兩個(gè)磁軸承定子均為凸極結(jié)構(gòu)，徑向磁場電機(jī)定子的每個(gè)定子齒上繞有一個(gè)電機(jī)繞組，磁軸承定子的每個(gè)定子齒上繞有一個(gè)磁軸承繞組；每個(gè)電機(jī)定子齒上的繞組按需要可串聯(lián)或并聯(lián)為一定相數(shù)的繞組串，兩個(gè)軸向磁軸承所有定子上的繞組分別串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)為兩個(gè)繞組串；轉(zhuǎn)子由凸極轉(zhuǎn)子與兩個(gè)圓柱轉(zhuǎn)子軸向疊加組成，凸極轉(zhuǎn)子位于兩個(gè)圓柱轉(zhuǎn)子之間，凸極轉(zhuǎn)子鐵心用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，圓柱轉(zhuǎn)子用于產(chǎn)生徑向和軸向懸浮力。
[0007]有益效果
本發(fā)明提供的一種三自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，集無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)與軸向磁懸浮軸承于一體，集成化高；
電機(jī)定子齒上只有一個(gè)繞組，相對于雙繞組無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，槽滿率高，省銅省硅鋼片，可降低電機(jī)制造成本；
軸向磁軸承定子齒上僅有一套繞組，且定子為凸極結(jié)構(gòu)，可選的結(jié)構(gòu)形式多；
結(jié)構(gòu)上徑向懸浮力和轉(zhuǎn)矩、以及徑向懸浮力和軸向懸浮力完全解耦，控制方法簡單，懸浮性能好。
[0008]利用最小電感區(qū)實(shí)行懸浮控制，懸浮電流對轉(zhuǎn)矩電流的影響小，相間耦合作用小。
[0009]電機(jī)繞組利用率高，功率密度高，高速適應(yīng)性強(qiáng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的三自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)剖視圖；
圖2是本發(fā)明的三自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組示意圖
圖3是本發(fā)明三自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)中的三相12/8極無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組電感和電流與轉(zhuǎn)子位置角的變化曲線圖。
[0011]圖中標(biāo)號名稱:1是徑向磁場電機(jī)定子，2是凸極轉(zhuǎn)子，3是圓柱轉(zhuǎn)子，4是徑向磁場電機(jī)繞組，5是磁軸承定子，6是磁軸承繞組，7是繞組電感，8是懸浮階段繞組電流，9轉(zhuǎn)矩階段繞組電流。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明:
如圖1所示:本發(fā)明三相12/8極3自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)示意圖，包括徑向磁場電機(jī)定子1、凸極轉(zhuǎn)子2、圓柱轉(zhuǎn)子3、徑向磁場電機(jī)繞組4、磁軸承定子5和磁軸承繞組6。徑向磁場電機(jī)(即無軸承開關(guān)磁阻電機(jī))定子和兩個(gè)軸向磁軸承定子均為凸極結(jié)構(gòu)，其中電機(jī)定子齒數(shù)為12，磁軸承定子齒數(shù)為偶數(shù)即可，電機(jī)定子和磁軸承定子齒上都繞有一個(gè)繞組，繞組形式為集中繞組；轉(zhuǎn)子由凸極轉(zhuǎn)子和兩個(gè)圓柱轉(zhuǎn)子通過軸向疊壓而成，凸極轉(zhuǎn)子位于兩個(gè)圓柱轉(zhuǎn)子之間，其中凸極轉(zhuǎn)子用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，不產(chǎn)生懸浮力，而圓柱轉(zhuǎn)子用于產(chǎn)生徑向和軸向懸浮力，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；通過控制電機(jī)繞組的電流，分時(shí)分區(qū)域產(chǎn)生徑向懸浮力和轉(zhuǎn)矩，二者完全解耦；通過控制兩個(gè)磁軸承繞組的電流，使兩個(gè)軸向氣隙磁通不對稱，進(jìn)而產(chǎn)生軸向懸浮力；利用最小電感平頂區(qū)作為產(chǎn)生徑向懸浮力的區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，且電機(jī)懸浮電流對電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流影響小，電機(jī)相間耦合作用小。
[0013]圖2是一相繞組由分布在4個(gè)相對齒的線圈構(gòu)成，彼此在空間上相隔90°，且這4個(gè)繞組分別獨(dú)立控制，分時(shí)分區(qū)域產(chǎn)生懸浮力和轉(zhuǎn)矩。B、C相的4個(gè)繞組與A相繞組結(jié)構(gòu)相同，僅在位置上與A相相差30°和-30。。
[0014]A相繞組的4個(gè)線圈分別繞在兩對相對齒上，其中i3l+、ia2+、i33+、ia4+分別為A相4個(gè)繞組流入的電流，/31-、/32-、/33-、/34-分別六相為4個(gè)繞組流出的電流，α、β表示直角坐標(biāo)系的兩個(gè)方向。
[0015]圖3為三相12/8極無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組電感和電流與轉(zhuǎn)子位置角的變化曲線圖。定義定子齒與轉(zhuǎn)子齒對齊位置為零度位置，即對齊位置。對三相12/8極無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)而言，一個(gè)轉(zhuǎn)子周期角為45°，因此電機(jī)每相繞組懸浮導(dǎo)通的區(qū)間為15°，這樣才能保證電機(jī)的穩(wěn)定懸浮運(yùn)行。由于采用轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力分時(shí)分區(qū)域的控制策略，每一時(shí)刻需兩相繞組同時(shí)導(dǎo)通，一相繞組用產(chǎn)生徑向懸浮力，另一相繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
[0016]以A相為例來說明無軸承電機(jī)懸浮原理，轉(zhuǎn)子位于[15° ,30° ]時(shí)為懸浮區(qū)間，此時(shí)電機(jī)磁路的磁導(dǎo)最小，電感值最小且恒定，稱該區(qū)域?yàn)樽钚‰姼衅巾攨^(qū)，本發(fā)明中的無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)就是利用該區(qū)域產(chǎn)生徑向懸浮力；另外，由于該區(qū)間繞組電感恒定不變，故不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，以此實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和懸浮力解耦。轉(zhuǎn)子位于[15° ,30° ]時(shí)，由于圓柱轉(zhuǎn)子部分的磁路磁阻相對于凸極轉(zhuǎn)子非常小，又因?yàn)閺较驊腋×εc磁路磁阻成反比，因此凸極轉(zhuǎn)子部分在該區(qū)間產(chǎn)生的徑向懸浮力相對于圓柱轉(zhuǎn)子部分可忽略不計(jì)，提供無軸承電機(jī)徑向懸浮的懸浮力主要由圓柱轉(zhuǎn)子產(chǎn)生。
[0017]具體徑向懸浮力控制原理為:α方向徑向懸浮力由繞組電流i3l和ia3控制，當(dāng)i3l> 時(shí)，產(chǎn)上α正方向徑向懸浮力，反之，產(chǎn)生α負(fù)方向徑向懸浮力；同理，β方向懸浮力
由繞組電流和4控制，當(dāng)4時(shí)，產(chǎn)上@正方向徑向懸浮力，反之，產(chǎn)生β負(fù)方向徑向懸浮力；α方向和β方向徑向懸浮力可合成任意方向的徑向懸浮力，因此通過4個(gè)繞組不對稱勵(lì)磁，可產(chǎn)生任意徑向方向和大小的懸浮力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)在[15° ,30° ]區(qū)間的自懸浮功能。同理，[0,15° ]和[30° ,45° ]區(qū)間的徑向懸浮力可分別由B相和C相繞組產(chǎn)生，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)子周期內(nèi)的懸浮運(yùn)行。
[0018]轉(zhuǎn)子位于[30°，45° ]時(shí)為電動階段，此時(shí)電感處于上升區(qū)域，產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩。當(dāng)A相懸浮勵(lì)磁結(jié)束時(shí)，由于不對稱勵(lì)磁導(dǎo)致A相4個(gè)繞組的電流大小不等，因此需要相同的驅(qū)動信號控制A相繞組的主功率開關(guān)，先使其四套繞組電流相同，然后再利用開關(guān)磁阻電機(jī)的電流控制方法加以控制，具體的電流控制方法為斬波電流控制或PWM控制或單脈沖控制等。同理，在電感下降區(qū)導(dǎo)通時(shí)，即為發(fā)電運(yùn)行，控制策略與電動階段相似。
[0019]考慮到磁路的對稱性，兩個(gè)軸向磁軸承定子齒數(shù)為偶數(shù)即可。每個(gè)磁軸承定子上的線圈可串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)為一套繞組，并定義Z軸正方向磁軸承繞組電流為厶1; Z軸負(fù)方向磁軸承繞組電流為4。當(dāng)厶42時(shí)，產(chǎn)上Z正方向軸向懸浮力，反之，產(chǎn)生Z負(fù)方向軸向懸浮力；因此通過對這2個(gè)軸向繞組不對稱勵(lì)磁,可產(chǎn)生任意大小和方向可控的軸向懸浮力，從而實(shí)現(xiàn)軸向的穩(wěn)態(tài)懸浮。
[0020]對該【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員而言，根據(jù)以上實(shí)施類型可以很容易聯(lián)想其他的優(yōu)點(diǎn)和變形。因此，本發(fā)明并不局限于上述具體實(shí)例，其僅僅作為例子對本發(fā)明的一種形態(tài)進(jìn)行詳細(xì)、示范性的說明。在不背離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)上述具體實(shí)例通過各種等同替換所得到的技術(shù)方案，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍及其等同范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種三自由度磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)，其特征在于:包括徑向磁場電機(jī)定子(I)，凸極轉(zhuǎn)子(2 ),圓柱轉(zhuǎn)子(3 )、徑向磁場電機(jī)繞組(4 )、磁軸承定子(5 ),磁軸承繞組(6 );電機(jī)定子由徑向磁場電機(jī)定子(I)與兩個(gè)磁軸承定子(5)組成,徑向磁場電機(jī)定子(I)與兩個(gè)磁軸承定子(5)均為凸極結(jié)構(gòu)，定子(I)的每個(gè)定子齒上繞有一個(gè)電機(jī)繞組(4)，磁軸承定子(5)的每個(gè)定子齒上繞有一個(gè)磁軸承繞組(6);轉(zhuǎn)子由凸極轉(zhuǎn)子(2)與兩個(gè)圓柱轉(zhuǎn)子(3)軸向疊加組成，凸極轉(zhuǎn)子(2)位于兩個(gè)圓柱轉(zhuǎn)子(3)之間，凸極轉(zhuǎn)子(2)用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，圓柱轉(zhuǎn)子(3)用于產(chǎn)生徑向和軸向懸浮力。
【文檔編號】H02K16/00GK103490572SQ201310418235
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月28日
【發(fā)明者】劉澤遠(yuǎn), 鄧智泉, 曹鑫, 楊燕 申請人:南京航空航天大學(xué)