一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機制造技術

本發明專利技術公開了一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機，包括外定子、轉矩繞組、永磁體、轉子、隔磁環、內定子、懸浮力繞組；外定子、轉子、內定子均為凸極結構，以同心同軸的方式嵌套在一起；外定子由多個U形鐵心單元和多個永磁體交替拼接而成，永磁體沿切向交替充磁；外定子槽內嵌有一套轉矩繞組；轉子有多個凸極轉子齒，轉子中均勻設有多個空心隔磁環；內定子包含多個內定子齒，內定子槽內嵌有一套懸浮力繞組。本發明專利技術不僅具有磁通切換永磁電機轉矩密度高、效率高的優勢，而且解決了無軸承電機轉矩繞組和懸浮力繞組之間的耦合問題，在電機本體上實現了轉矩和懸浮力的解耦控制，同時懸浮力不受轉子位置角影響的特性有利于無軸承電機轉子穩定懸浮。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于電工、電機領域，涉及一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機。
技術介紹
隨著現代化工業技術的發展，高速、超高速的電機已被廣泛應用于高速機床、渦輪分子泵、離心機、壓縮機、飛輪貯能及航空航天等領域。但是傳統電機的轉子通過機械軸承支撐在定子上，當轉子高速或超高速運行時，將對機械軸承產生巨大沖擊，造成機械軸承磨損加劇、電機發熱、工作效率下降、軸承和電機的使用壽命縮短等一系列影響，嚴重制約著電機向更高速度和更大功率方向發展。近三十年發展起來的磁軸承具有無磨損、無潤滑、無機械噪聲、高精度、高壽命等優點，已成功應用于能源交通、生物醫學工程、航空航天等高新
但由于其體積大、成本高、功率和臨界轉速都難以大幅度提高等缺點，導致磁軸承仍不能完全滿足高性能超高速懸浮運轉的要求。無軸承電機利用磁軸承和電機結構的相似性，將磁軸承的懸浮力繞組嵌放在電機的定子槽中，使得電機轉子同時具有旋轉和自懸浮支撐能力，因此，無軸承電機具有磁軸承無接觸、無磨損等優點，同時由于其軸向長度較短，可以實現更大功率和更高轉速運行，極具重要的工業應用價值。無軸承電機的研究類型主要有三種，分別是無軸承感應電機、無軸承永磁電機和無軸承磁阻電機。相比而言，無軸承永磁電機具有結構簡單、運行可靠、效率高、功率密度高、體積小、重量輕、控制性能好等優點，成為當今無軸承電機研究領域里的熱點之一。目前研究的無軸承永磁電機中的永磁體大部分放置在轉子上，這使得永磁體很容易受到振動和高溫影響，導致其性能下降甚至退磁。同時由于永磁體機械強度的限制，轉子難以勝任超高速運轉。隨著以釹鐵硼為代表的新型稀土永磁材料的出現和功率電子學、計算機、控制理論的發展，從上世紀90年代開始陸續出現了三種新型結構的定子永磁型電機：雙凸極永磁電機、磁通反向永磁電機和磁通切換永磁電機。磁通切換永磁電機具有功率密度高、效率高、轉矩輸出能力大和容錯能力強等優點，永磁體和集中式電樞繞組均置于定子側，易于冷卻和散熱，轉子僅僅是設有凸極的鐵心，結構簡單、機械強度高、適合高速運行。因此對無軸承磁通切換永磁電機的理論研究具有重要的學術意義和廣闊的應用前景。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機，該電機利用雙定子結構實現了磁通切換永磁電機的無軸承運行，并通過轉子上的空心隔磁環將轉矩磁場和懸浮磁場隔離開來，對轉矩系統和懸浮系統分開單獨控制，避免了傳統兩自由度無軸承電機中的復雜解耦控制。為解決上述技術問題，本專利技術提供的技術方案為：一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機，包括外定子、轉矩繞組、永磁體、轉子、隔磁環、內定子、懸浮力繞組；所述外定子、轉子、內定子自外向內設置均為凸極結構，以同心同軸的方式嵌套在一起；所述外定子由多個U形鐵心單元和多個永磁體交替拼接而成，永磁體沿切向充磁，且相鄰兩塊永磁體的充磁方向相反；所述外定子槽內嵌有一套轉矩繞組；所述轉子面向外定子的一側設有多個凸極轉子齒，轉子中均勻設有多個空心隔磁環，隔磁環為帶有一定厚度的弧形空心環，轉子面向內定子的一側則光滑；所述內定子包含多個內定子齒，內定子槽內嵌有一套懸浮力繞組。進一步，所述U形鐵心單元為12個，永磁體為12個，轉矩繞組線圈為12個，轉子齒為10個，隔磁環為4個，內定子包含4個內定子齒，懸浮力繞組線圈為4個。進一步，所述轉矩繞組采用集中繞組的形式，由12個轉矩繞組線圈組成，共分為三相，每相繞組含有4個線圈。例如A相由A1、A2、A3、A4串聯而成，B、C相以此類推。每個轉矩繞組線圈橫跨在相鄰兩個U形鐵心單元上。進一步，所述懸浮力繞組采用集中繞組的形式，由多個懸浮力繞組線圈組成，每個懸浮力繞組線圈橫跨在一個內定子齒上，通過單獨控制每個懸浮力繞組線圈的導通情況和電流值得到所需懸浮力。進一步，所述轉矩繞組和懸浮力繞組的磁通路徑相互獨立。進一步，所述永磁體材料為釹鐵硼。本專利技術采用上述技術方案后具有的有益效果是：1.電機采用內、外雙定子結構，用于分別繞制轉矩繞組和懸浮力繞組，不僅具有磁通切換永磁電機轉矩密度高、效率高的優勢，而且解決了無軸承電機轉矩繞組和懸浮力繞組之間的耦合問題，在電機本體上實現了轉矩和懸浮力的解耦控制，使得控制系統簡單，成本較低。2.轉子中的空心隔磁環能有效隔離轉矩繞組磁場和懸浮力繞組磁場，轉矩繞組和懸浮力繞組的磁通路徑相互獨立，極大降低了無軸承電機轉矩系統和懸浮系統的耦合程度。3.轉子面向內定子的一側光滑，從而內定子齒與轉子的對齊面積保持等于內定子齒寬，
懸浮力幾乎不隨轉子位置角的變化而變化，改善了無軸承磁通切換永磁電機的懸浮性能，實現了無軸承電機轉子穩定懸浮。4.永磁體置于定子上，避免了電機高速運行時永磁體受到離心力的影響被甩落以及散熱困難引發永磁體性能下降甚至退磁等問題。5.轉子上既無永磁體又無繞組，轉子結構簡單、機械強度高，有利于無軸承電機高速運行。6.轉矩繞組和懸浮力繞組采用端部較小的集中繞組，減少了用銅量及電機銅耗，損耗低，提高了運行效率。附圖說明圖1是本專利技術雙定子無軸承磁通切換永磁電機的結構示意圖。圖2是本專利技術雙定子無軸承磁通切換永磁電機轉矩繞組和懸浮力繞組共同導通時的磁場分布圖。圖3是本專利技術雙定子無軸承磁通切換永磁電機無轉子隔磁環時轉矩繞組和懸浮力繞組共同導通時的磁場分布圖。圖中：1、外定子；2、轉矩繞組；3、永磁體；4、轉子；5、隔磁環；6、內定子；7、懸浮力繞組。具體實施方式下面將結合本專利技術實施例中的附圖，對本專利技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。圖1所示為本專利技術雙定子無軸承磁通切換永磁電機的結構示意圖，包括外定子1、轉矩繞組2、永磁體3、轉子4、隔磁環5、內定子6、懸浮力繞組7。其中，外定子1、轉子4、內定子6均為凸極結構，且以同心同軸的方式嵌套在一起。外定子1由12個U形鐵心單元和12個永磁體3交替拼接而成，永磁體3沿切向充磁，且相鄰兩塊永磁體3的充磁方向相反。外定子1槽內嵌有一套轉矩繞組2，采用集中繞組的形式，由12個轉矩繞組線圈組成，共分為三相，每相繞組含有4個線圈。例如A相由A1、A2、A3、A4串聯而成，B、C相以此類推。轉子4面向外定子1的一側設有10個凸極轉子齒，轉子4中均勻設有四個空心隔磁環5，隔磁環5為帶有一定厚度的弧形空心環，轉子4面向內定子6的一側則光滑。內定子6包含4個內定子齒P1～P4，內定子槽內嵌有一套懸浮力繞組7，由4個懸浮力繞組線圈組成，每個懸浮力繞組線圈橫跨在一個內定子齒上。本專利技術雙定子無軸承磁通切換永磁電機的電磁轉矩產生原理與傳統磁通切換永磁電機
相同。在轉子齒與同一相轉矩繞組線圈下分屬于相鄰兩個U形鐵心單元的定子齒分別對齊過程中，轉矩繞組2里匝鏈的永磁磁鏈極性和數值大小會發生改變，又由于其獨有的轉矩繞組一致性和互補性，電機每相磁鏈和反電動勢波形成雙極性正弦分布，故通入與反電動勢同相位的正弦波形電流，可以產生平穩的電磁轉矩。本專利技術雙定子無軸承磁通切換永磁電機的懸浮力產生原理是通過單獨控制每個懸浮力繞組線圈的導通情況和電流值得到所需任意方向上的懸浮力。內定子6設置4個內定子齒P1、P2、P3、P4，P1和P3極上的懸浮力繞組控制x軸正負方向上的懸浮力，P2和P4極上的懸浮力繞組控制y軸正負方向上的懸浮力，x方向和y方向的懸浮本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機，其特征在于，包括外定子(1)、轉矩繞組(2)、永磁體(3)、轉子(4)、隔磁環(5)、內定子(6)、懸浮力繞組(7)；所述外定子(1)、轉子(4)、內定子(6)自外向內設置均為凸極結構，以同心同軸的方式嵌套在一起；所述外定子(1)由多個U形鐵心單元和多個永磁體(3)交替拼接而成；所述永磁體(3)沿切向充磁，且相鄰兩塊永磁體(3)的充磁方向相反；所述外定子(1)槽內嵌有一套轉矩繞組(2)；所述轉子(4)面向外定子(1)的一側設有多個凸極轉子齒，轉子(4)中均勻設有多個空心隔磁環(5)，隔磁環(5)為帶有一定厚度的弧形空心環，轉子(4)面向內定子(6)的一側則光滑；所述內定子(6)包含多個內定子齒，內定子槽內嵌有一套懸浮力繞組(7)。

【技術特征摘要】
1.一種雙定子無軸承磁通切換永磁電機，其特征在于，包括外定子(1)、轉矩繞組(2)、永磁體(3)、轉子(4)、隔磁環(5)、內定子(6)、懸浮力繞組(7)；所述外定子(1)、轉子(4)、內定子(6)自外向內設置均為凸極結構，以同心同軸的方式嵌套在一起；所述外定子(1)由多個U形鐵心單元和多個永磁體(3)交替拼接而成；所述永磁體(3)沿切向充磁，且相鄰兩塊永磁體(3)的充磁方向相反；所述外定子(1)槽內嵌有一套轉矩繞組(2)；所述轉子(4)面向外定子(1)的一側設有多個凸極轉子齒，轉子(4)中均勻設有多個空心隔磁環(5)，隔磁環(5)為帶有一定厚度的弧形空心環，轉子(4)面向內定子(6)的一側則光滑；所述內定子(6)包含多個內定子齒，內定子槽內嵌有一套懸浮力繞組(7)。2.根據權利要求1所述的雙定子無軸承磁通切換永磁電機，其特征在于，所述U形鐵心單元...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫宇新，吳昊洋，朱熀秋，杜懌，錢忠波，唐敬偉，沈啟康，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32