永磁輔助式無軸承同步磁阻電機制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種電機制造領(lǐng)域中的永磁輔助式無軸承同步磁阻電機，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部沿圓周向方向均勻設(shè)置有四組磁障體，每組磁障體均由沿徑向間隔布置的圓弧形的內(nèi)層磁障和外層磁障組成，每個內(nèi)層磁障和外層磁障的中間段都設(shè)有一個永磁體安裝槽，每個永磁體安裝槽中嵌有一塊永磁體，內(nèi)層磁障、外層磁障和永磁體均沿電機d軸對稱分布；定子上外層繞有轉(zhuǎn)矩繞組，內(nèi)層繞有懸浮力繞組；相鄰兩組磁障體中的永磁體的充磁方向相反，同一組磁障體中的永磁體的充磁方向相同，永磁體靠近氣隙端為N極，靠近轉(zhuǎn)軸端為S極；在轉(zhuǎn)子直軸磁路上增加了磁障，同時在轉(zhuǎn)子直軸磁路上采用分層式矩形永磁體結(jié)構(gòu)，使得電機的直軸電感大于交軸電感，增加了電機轉(zhuǎn)矩密度。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種多變量、非線性、強耦合的無軸承同步磁阻電機，屬于電機制造及控制領(lǐng)域，應(yīng)用于高速電力傳動場合、機床電主軸、生物工程、有毒物質(zhì)傳輸和半導(dǎo)體制造等工業(yè)領(lǐng)域及航空航天等軍事領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
無軸承同步磁阻電機的定子轉(zhuǎn)矩繞組中疊入極對數(shù)相差1的懸浮力繞組，控制這兩套繞組可同時產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和徑向懸浮力。因此，無軸承同步磁阻電機兼?zhèn)浯泡S承與同步磁阻電機的優(yōu)點，能夠最大限度地利用磁阻轉(zhuǎn)矩。凸極式轉(zhuǎn)子無軸承同步磁阻電機具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、易實現(xiàn)高速或超高速運行等優(yōu)勢，但凸極式轉(zhuǎn)子無軸承同步磁阻電機的凸極比（交軸電感與直軸電感之比）較低，造成電機功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩密度和效率偏低，限制了其使用范圍。無軸承同步磁阻電機是多層磁障式轉(zhuǎn)子，凸極比雖高，但轉(zhuǎn)矩密度偏低。在無軸承同步磁阻電機的磁障轉(zhuǎn)子中注入永磁體形成的新型永磁輔助式無軸承同步磁阻電機，具有功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩密度和效率均較高的優(yōu)點，并且具備較寬的弱磁調(diào)速能力，進一步拓寬了無軸承同步磁阻電機的應(yīng)用范圍。中國專利申請?zhí)枮镃N201080041649.8的文獻中公開了一種永磁輔助式同步磁阻電機，其磁障結(jié)構(gòu)并沒有使得磁阻轉(zhuǎn)矩最大化；轉(zhuǎn)子中未設(shè)置永磁體安裝槽，高速運行時永磁體可能發(fā)生脫落，從而引發(fā)電機故障；磁障內(nèi)嵌入高剩磁的釹鐵硼永磁材料是不可再生資源，價格昂貴，嵌入同步磁阻電機中的性價比極差，這是由于永磁體所嵌位置與氣隙具有較大的距離，永磁體磁能進入氣隙的過程具有較多的障礙，將致使永磁體的利用率較低。中國專利申請?zhí)枮镃N201410243253.1和CN201410243245.7的文獻中公開了兩種永磁輔助同步磁阻電機，永磁體仍使用高剩磁的釹鐵硼永磁材料，并且永磁體體積較大，規(guī)格較多，僅有第一層永磁體與氣隙直接接觸可輸出一定的有效磁能，其余永磁體的利用率較低。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩密度略高于內(nèi)置式永磁電機，但電機成本大幅提高，性價比較低，不宜推廣應(yīng)用。中國專利申請?zhí)枮镃N201210056204.8和CN201210056244.2的文獻中公開了兩種永磁輔助同步磁阻電機，磁障內(nèi)嵌入的是圓弧形鐵氧體永磁，其價格低廉，但鐵氧體材料較脆，只能進行切片或者輕微的磨加工，因此圓弧形鐵氧體永磁加工成本較高，生產(chǎn)工藝較繁瑣。因此，在選擇合適的永磁體材料及結(jié)構(gòu)的同時，如何獲得高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度的無軸承同步磁阻電機已成為當前無軸承同步磁阻電機進一步發(fā)展的關(guān)鍵問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是為了解決傳統(tǒng)無軸承同步磁阻電機凸極比偏低導(dǎo)致的電機功率因數(shù)低、轉(zhuǎn)矩密度偏低的問題而提出一種高凸極比、高功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩密度的永磁輔助式無軸承同步磁阻電機。為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案是：包括定子、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)子同軸位于定子內(nèi)部且同軸套在轉(zhuǎn)軸外，定子內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子外壁之間具有徑向氣隙，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部沿圓周向方向均勻設(shè)置有四組磁障體，每組磁障體均由沿徑向間隔布置的圓弧形的內(nèi)層磁障和外層磁障組成，每個內(nèi)層磁障和外層磁障的中間段都設(shè)有一個永磁體安裝槽，每個永磁體安裝槽中嵌有一塊永磁體，內(nèi)層磁障、外層磁障和永磁體均沿電機d軸對稱分布；定子上外層繞有轉(zhuǎn)矩繞組，內(nèi)層繞有懸浮力繞組；相鄰兩組磁障體中的永磁體的充磁方向相反，同一組磁障體中的永磁體的充磁方向相同，永磁體靠近氣隙端為N極，靠近轉(zhuǎn)軸端為S極。進一步地，定子由定子齒、定子槽和定子軛組成，相鄰兩個定子齒之間形成定子槽，設(shè)有24個定子槽，內(nèi)轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組安放在定子槽內(nèi)；定子齒徑向橫截面為T型，T型的頂部靠近轉(zhuǎn)子，T型的底部與定子軛連為一體，定子軛的徑向?qū)挾葹閠1，定子齒的中心處齒寬為t2，t1=2~3t2；更一步地，懸浮力繞組和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩繞組分別由兩個三相逆變器驅(qū)動，懸浮力繞組是每極每相槽數(shù)為4的分布式繞組，相鄰的每四個槽為一相的進線端或出線端；轉(zhuǎn)矩繞組是每極每相槽數(shù)為2的分布式繞組，相鄰的每兩個槽為一相的進線端或出線端。進一步地，外層磁障的弧形端部和轉(zhuǎn)子的圓心O的連線與d軸所成的夾角為a1，內(nèi)層磁障的弧形端部和轉(zhuǎn)子的圓心O的連線與d軸所成的夾角為a2，滿足a2>a1，0.85×2p/2p<a1<0.95×2p/2p，p為極對數(shù)；更一步地，內(nèi)層磁障沿d軸方向上的厚度為l1，外層磁障沿d軸方向上的厚度為l2，滿足l1>l2；內(nèi)層磁障中心距離圓心O的長度為轉(zhuǎn)子半徑長度的一半，外層磁障中心距離圓心O的長度為轉(zhuǎn)子半徑長度的四分之三。本專利技術(shù)的優(yōu)點在于：1、本專利技術(shù)在轉(zhuǎn)子直軸磁路上增加了磁障，同時在轉(zhuǎn)子直軸磁路上采用分層式矩形永磁體結(jié)構(gòu)，使得電機的直軸電感大于交軸電感，克服了傳統(tǒng)無軸承同步磁阻電機固有的凸極比偏低所導(dǎo)致功率因數(shù)低的缺陷，并且增加了電機轉(zhuǎn)矩密度；高速運行時電機較容易實現(xiàn)弱磁控制，恒功率調(diào)速范圍較寬。2、本專利技術(shù)在給定電機輸出功率時，可選用較小容量的逆變器，降低了系統(tǒng)成本。3、永磁體產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)地增加了無軸承同步磁阻電機的轉(zhuǎn)矩密度。4、由于轉(zhuǎn)子中注入的永磁體量較少，高速運行時較容易實現(xiàn)弱磁，恒功率調(diào)速范圍很寬。附圖說明下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本專利技術(shù)做進一步詳細說明。圖1為本專利技術(shù)永磁輔助式無軸承同步磁阻電機的軸向安裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專利技術(shù)永磁輔助式無軸承同步磁阻電機的徑向結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2中定子的局部結(jié)構(gòu)放大示意圖；圖4為圖2中的懸浮力繞組連接方式示意圖；圖5為圖2中的轉(zhuǎn)矩繞組連接方式示意圖；圖6為圖2中轉(zhuǎn)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的局部放大示意圖；圖7為傳統(tǒng)無軸承同步磁阻電機轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)向量圖；圖8為本專利技術(shù)永磁輔助式無軸承同步磁阻電機轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)向量圖。圖中：1.定子；2.轉(zhuǎn)子；3.永磁體；4.永磁體安裝槽；5.磁障體；5-1.內(nèi)層磁障；5-2.外層磁障；6.轉(zhuǎn)軸；7.定子齒；8.定子槽；9.定子軛；10.轉(zhuǎn)矩繞組；11.懸浮力繞組；12.光電編碼器；13.電渦流傳感器；14.機殼；15.調(diào)心球軸承；16.輔助軸承；17.內(nèi)螺紋冷卻管；18.左端蓋；19.右端蓋。具體實施方式參見圖1和圖2，本專利技術(shù)永磁輔助式無軸承同步磁阻電機包括定子1、轉(zhuǎn)子2和轉(zhuǎn)軸6，轉(zhuǎn)子2同軸位于定子1內(nèi)部，轉(zhuǎn)子2同軸套在轉(zhuǎn)軸6外，轉(zhuǎn)子2上開槽用于安放轉(zhuǎn)軸6。定子1上繞有內(nèi)、外雙層繞組，外層繞組為轉(zhuǎn)矩繞組10，內(nèi)層繞組為懸浮力繞組11。在定子1的外部是機殼14，機殼14的軸向左右兩端分別是左端蓋18和右端蓋19，機殼14用于固定定子1、左端蓋18和右端蓋19，左端蓋18通過調(diào)心球軸承15連接轉(zhuǎn)軸6，右端蓋19通過輔助軸承16連接轉(zhuǎn)軸6。調(diào)心球軸承15使轉(zhuǎn)軸6在軸向固定，而在徑向二自由度內(nèi)靈活運動。輔助軸承16用來避免電機懸浮或靜止過程中造成的碰撞。在轉(zhuǎn)軸6的左右兩端分別安裝光電編碼器12和電渦流傳感器13，分別用來檢測電機轉(zhuǎn)速和徑向位移。定子1內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子2外壁之間具有徑向氣隙，徑向氣隙的厚度與電機的功率等級、所選取的永磁材料以及定子1與轉(zhuǎn)子2的加工和裝配工藝有關(guān)。在轉(zhuǎn)子2內(nèi)部，沿圓周向方向均勻設(shè)置有四組磁障體5，每組磁障體5均由兩個沿轉(zhuǎn)子2的徑向間隔布置的圓弧形磁障組成，每個圓弧形磁障的中間段都設(shè)有一個永磁體安裝槽4，每個永磁體安裝槽4中對應(yīng)地嵌入一塊永磁體3。在圓弧形磁障的空隙處填入環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料以增強轉(zhuǎn)子2強度。定子1和轉(zhuǎn)子2都由0.35mm厚度的硅本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種永磁輔助式無軸承同步磁阻電機，包括定子（1）、轉(zhuǎn)子（2）和轉(zhuǎn)軸（6），轉(zhuǎn)子（2）同軸位于定子（1）內(nèi)部且同軸套在轉(zhuǎn)軸（6）外，定子（1）內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子（2）外壁之間具有徑向氣隙，其特征是：在轉(zhuǎn)子（2）內(nèi)部沿圓周向方向均勻設(shè)置有四組磁障體（5），每組磁障體（5）均由沿徑向間隔布置的圓弧形的內(nèi)層磁障（5?1）和外層磁障（5?2）組成，每個內(nèi)層磁障（5?1）和外層磁障（5?2）的中間段都設(shè)有一個永磁體安裝槽（4），每個永磁體安裝槽（4）中嵌有一塊永磁體（3），內(nèi)層磁障（5?1）、外層磁障（5?2）和永磁體（3）均沿電機d軸對稱分布；定子（1）上外層繞有轉(zhuǎn)矩繞組（10），內(nèi)層繞有懸浮力繞組（11）；相鄰兩組磁障體（5）中的永磁體（3）的充磁方向相反，同一組磁障體（5）中的永磁體（3）的充磁方向相同，永磁體（3）靠近氣隙端為N極，靠近轉(zhuǎn)軸（6）端為S極。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種永磁輔助式無軸承同步磁阻電機，包括定子（1）、轉(zhuǎn)子（2）和轉(zhuǎn)軸（6），轉(zhuǎn)子（2）同軸位于定子（1）內(nèi)部且同軸套在轉(zhuǎn)軸（6）外，定子（1）內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子（2）外壁之間具有徑向氣隙，其特征是：在轉(zhuǎn)子（2）內(nèi)部沿圓周向方向均勻設(shè)置有四組磁障體（5），每組磁障體（5）均由沿徑向間隔布置的圓弧形的內(nèi)層磁障（5-1）和外層磁障（5-2）組成，每個內(nèi)層磁障（5-1）和外層磁障（5-2）的中間段都設(shè)有一個永磁體安裝槽（4），每個永磁體安裝槽（4）中嵌有一塊永磁體（3），內(nèi)層磁障（5-1）、外層磁障（5-2）和永磁體（3）均沿電機d軸對稱分布；定子（1）上外層繞有轉(zhuǎn)矩繞組（10），內(nèi)層繞有懸浮力繞組（11）；相鄰兩組磁障體（5）中的永磁體（3）的充磁方向相反，同一組磁障體（5）中的永磁體（3）的充磁方向相同，永磁體（3）靠近氣隙端為N極，靠近轉(zhuǎn)軸（6）端為S極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述永磁輔助式無軸承同步磁阻電機，其特征是：定子（1）由定子齒（7）、定子槽（8）和定子軛（9）組成，相鄰兩個定子齒（7）之間形成定子槽（8），設(shè)有24個定子槽（8），內(nèi)轉(zhuǎn)矩繞組（10）和懸浮力繞組（11）安放在定子槽（8）內(nèi)；定子齒（7）徑向橫截面為T型，T型的頂部靠近轉(zhuǎn)子（2），T型的底部與定子軛（9）連為一體，定子軛（9）的徑向?qū)挾葹閠1，定子齒（7）的中心處齒寬為t2，t1=2~3t2。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述永磁輔助式無軸承同步磁阻電機，其特征是：懸浮力繞組（11）和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩繞組（10）分別由...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱熀秋，丁海飛，刁小燕，
申請(專利權(quán))人：江蘇大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32