一种12/10无轴承永磁偏置开关磁阻电机

摘要

本发明公开了一种12/10结构无轴承永磁偏置开关磁阻电机，其由悬浮极铁芯、转矩极铁芯、偏置永磁体、转矩永磁体、转子铁芯、悬浮极绕组线圈、转矩极绕组线圈和轴组成；偏置永磁体嵌入在悬浮极铁芯和转矩极铁芯之间，转矩永磁体嵌入在转矩极铁芯的齿上；悬浮极绕组线圈和转矩极绕组线圈分别绕在悬浮极铁芯和转矩极铁芯；悬浮极铁芯和转矩极铁芯的内部为转子铁芯，转子铁芯的内部为轴。本发明所提供的12/10结构无轴承永磁偏置开关磁阻电机，通过偏置永磁体和气隙解决了悬浮极和转矩极的耦合，以及通过转矩永磁体增加了电磁转矩，提高转矩密度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种12/10无轴承开关磁阻电机，具体涉及一种永磁偏置无轴承开关磁阻电机，可作为高速、高精度的驱动电机。

背景技术

随着国家工业的飞速发展，高速、高精度电机的发展越来越受到重视，然而可靠性、高损耗等问题又制约着高速、高精度电机的发展。所以研制出一种可靠性高、低损耗的电机便成为了工业技术上的一种迫切需求。而传统的机械轴承电机具有摩擦损耗大，电机寿命短等缺点。现有的气浮、液浮轴承虽然解决了摩擦带来的种种问题，但是由于其结构复杂、效率较低、可靠性较差等缺点而使其应用范围受到制约。

近些年来，由于开关磁阻电机具有结构简单，可靠性高，控制灵活和高速适应性强等优点，故在高速场合具有独特优势。而无轴承开关磁阻电机解决了机械轴承电机的摩擦损耗问题，且成本低，因此无轴承开关磁阻电机得到了发展。但目前的无轴承开关磁阻电机的转矩极和悬浮极通常都在同一个定子齿上，故在两极存在较强耦合，使得电机在工作时，悬浮磁场不稳定，难以实现电机悬浮的稳定控制。且由于将一部分定子齿作为悬浮极，转矩极就相应的有所减少，而导致电机转矩的损失。在申请号为201310711241.2的中国发明专利中提出的无轴承永磁偏置开关磁阻电机中，虽然将悬浮极和转矩极用隔磁套分开，解决了耦合情况，但由于隔磁套的存在，增大了电机的径向尺寸，使装配较为复杂，且没有解决由于悬浮极的存在而导致的转矩损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种12/10无轴承开关磁阻电机，其克服现有无轴承永磁偏置开关磁阻电机技术的不足，改变永磁偏置磁场的分布方式，解决转子悬浮控制和转矩控制的耦合，提高电机的转矩密度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种12/10无轴承永磁偏置开关磁阻电机，其由四个悬浮极铁芯、四个转矩极铁芯、八个偏置永磁体、四个转矩永磁体、一个转子铁芯、一个轴、四个悬浮极绕组线圈、八个转矩极绕组线圈组成，偏置永磁体嵌入在悬浮极铁芯和转矩极铁芯之间，转矩永磁体嵌入在转矩极铁芯的齿上，偏置永磁体为六面体结构，其中一个面为拱形面，其他五个面为平面，有两个侧面与悬浮极铁芯和转矩极铁芯的侧面相连，每个转矩极铁芯上有两个齿；转矩永磁体为长方体，嵌入在转矩极铁芯的两个齿之间，悬浮极铁芯和转矩极铁芯之间留有第二气隙，悬浮极铁芯上绕有悬浮极绕组线圈，转矩极铁芯每个齿上绕有转矩极绕组线圈。每个悬浮极铁芯的齿与其相邻的转矩极铁芯的齿之间的圆弧的圆心角为27°，每个转矩极铁芯的两个齿之间的圆弧的圆心角为36°。悬浮极铁芯和转矩极铁芯的内部为转子铁芯，转子铁芯的内部为轴；悬浮极铁芯、转矩极铁芯和转子铁芯之间存在第一气隙。

上述方案的原理是：每两个偏置永磁体为一组为无轴承开关磁阻电机提供偏置磁场，用以产生稳定的悬浮力。偏置永磁体通过悬浮极铁芯轭部、悬浮极铁芯齿部、第一气隙、转子铁芯、轴形成磁路，提供永磁偏置磁场，同时调节悬浮极绕组线圈中的电流来保持无轴承开关磁阻电机转子的稳定的悬浮力。(将悬浮极铁芯标记为A1，A2，B1，B2)以A1，A2产生磁路方向来看，则可知悬浮极铁芯上的悬浮极绕组产生的磁路为：由线圈缠绕方式可知A1通电后等效为N极，A2等效为S极，磁路通过悬浮极铁芯A1出发，经过悬浮极与转子之间的第一气隙，转子铁芯，轴，回到A2极，磁路再通过悬浮极铁芯的轭部，两个第二气隙，形成闭合回路，如图5所示。(将偏置永磁体标记为P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8)以P1，P2，P3，P4产生磁路方向看，则偏置永磁体产生的磁路为：磁路从P1的N极出发经过悬浮极铁芯A1，第一气隙，转子铁芯，轴，悬浮极铁芯B1后回到P2的S极，再从P2的N极出发回到P1的S极，即在y轴方向产生了一个向下沿着-y方向的磁场；磁路从P4的N极出发经过悬浮极铁芯A2，第一气隙，转子铁芯，轴，悬浮极铁芯B1后回到P3的S极，再从P3的N极出发回到P4的S极，即在y轴方向产生了一个向上沿着+y方向的磁场，如图4所示。(将转矩极铁芯标记为T1，T2，T3，T4，T1’，T2’，T3’，T4’)以(T1，T2，T1’，T2’)，则可知转矩产生的原理为：T1，T2，T1’，T2’上的线圈绕组串联，同时通电，转矩绕组线圈产生磁场，如图6所示，(将转矩永磁体标记为PM1，PM2，PM3，PM4)以PM1，PM3产生磁路看，当转矩绕组线圈不通电时，磁路从PM1的N极出发，经过转矩极轭部回到PM1的S极；磁路从PM3的N极出发，经过转矩极轭部回到PM3的S极；当转矩绕组线圈通电时，磁路从PM1的N极出发，经过转矩极铁芯T1、第一气隙、转子铁芯、第一气隙、转矩极铁芯T2后回到PM1的S极；磁路从PM3的N极出发，经过转矩极铁芯T3、第一气隙、转子铁芯、第一气隙、转矩极铁芯T4后回到PM3的S极；由于转矩永磁体的存在，增大了转矩极的磁场，从而提高转矩。

本发明所提供的12/10结构无轴承永磁偏置开关磁阻电机，通过偏置永磁体和气隙解决了悬浮极和转矩极的耦合，以及通过转矩永磁体增加了电磁转矩，提高转矩密度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的12/10结构无轴承永磁偏置开关磁阻电机轴向剖面图；

图2为本发明实施例提供的12/10结构无轴承永磁偏置开关磁阻电机中转子铁芯结构图；

图3为本发明实施例提供的12/10结构无轴承永磁偏置开关磁阻电机中悬浮极铁芯和转矩极铁芯结构图；

图4为本发明实施例提供的12/10结构无轴承永磁偏置开关磁阻电机中浮极偏置永磁体磁通路径图；

图5为本发明实施例提供的12/10结构无轴承永磁偏置开关磁阻电机中悬浮极绕组线圈磁通路径图；

图6为本发明实施例提供的12/10结构无轴承永磁偏置开关磁阻电机中转矩极绕组线圈磁通路径图；

图7为本发明实施例提供的12/10结构无轴承永磁偏置开关磁阻电机中转矩永磁体磁通路径图；

图8为本发明实施例提供的12/10结构无轴承永磁偏置开关磁阻电机中转矩极绕组和转矩永磁体共同作用时磁通路径图。

附图标记说明：

1、悬浮极定子铁芯；2、转矩极铁芯；3、偏置永磁体；4、转矩永磁体；5、转子铁芯；6、轴；7、悬浮极绕组线圈；8、转矩极绕组线圈；9、第二气隙；10、第一气隙。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

如图1所示，一种12/10无轴承永磁偏置开关磁阻电机，其由四个悬浮极定子铁芯1、四个转矩极铁芯2、八个偏置永磁体3、四个转矩永磁体4、一个转子铁芯5、一个轴6、四个悬浮极绕组线圈7、八个转矩极绕组线圈8组成。悬浮极铁芯1沿+x，-x，+y，-y方向放置，且其上绕有悬浮力绕组线圈8；转矩极铁芯2均匀的分布在圆周上，每个转矩极铁芯2上有两个齿，且其上绕有转矩极绕组线圈8。八个偏置永磁体3分别位于悬浮极铁芯1和转矩极铁芯2的轭部之间。转矩永磁体4嵌入在转矩极铁芯的齿上，偏置永磁体3为六面体结构，其中一个面为拱形面，其他五个面为平面，有两个侧面与悬浮极铁芯1和转矩极铁芯2的侧面相连。转矩永磁体4为长方体，嵌入在转矩极铁芯2的两个齿之间，悬浮极铁芯和转矩极铁芯之间留有第二气隙9，悬浮极铁芯1上绕有悬浮极绕组线圈7。转子铁芯5位于悬浮极铁芯1和转矩极铁芯2的内部，如图2所示，转子铁芯5的结构为十个磁极齿的凸极结构。转子铁芯5内部为轴6，其中轴6需具有较好的导磁特性，以提供悬浮力的磁通路径。悬浮极铁芯1、转矩极铁芯2和转子铁芯5之间存在第一气隙10。

图3为12/10无轴承永磁偏置开关磁阻电机中悬浮极铁芯1和转矩极铁芯2的结构图，其中悬浮极铁芯1齿A1、A2为一组，B1、B2为一组，每组均串联一组线圈。悬浮极铁芯齿A1与转矩极铁芯齿T1所对应的圆弧的圆心角为27°，转矩极铁芯齿T1与转矩极铁芯齿T2所对应的圆弧的圆心角为36°，转矩极铁芯齿T2与悬浮极铁芯齿B1所对应的圆弧的圆心角为27°，如图3所示。

图4为12/10无轴承永磁偏置开关磁阻电机工作时偏置永磁体3的磁通路径图，每个转矩极铁芯2相连的两个偏置永磁体3为一组，磁路从其中一个偏置永磁体的N极出发经过靠近该偏置永磁体N极的悬浮极铁芯1，第一气隙10，转子铁芯5，轴，再经过靠近另一个偏置永磁体S极的悬浮极铁芯后回到该偏置永磁体的S极，再从该偏置永磁体的N极出发回到前一个偏置永磁体的S极，形成1/4圆的闭合回路，提供永磁偏置磁场。

图5为12/10无轴承永磁偏置开关磁阻电机中悬浮极铁芯1工作时的磁通路径图，两个悬浮极绕组线圈7串联的悬浮极铁芯1通电后将形成等效磁场，其中磁路将由等效为N极的悬浮极铁芯1出发，经过第一气隙10，转子铁芯5，轴6，等效为S极的悬浮极铁芯1，在通过悬浮极铁芯1轭部，第二气隙9，形成1/2闭合圆形磁场。悬浮极铁芯1，转矩极铁芯2均由导磁性良好的硅钢片冲制后叠成。

图6为12/10无轴承永磁偏置开关磁阻电机中转矩永磁体4在转矩极绕组线圈8不通电时磁通路径图，每个转矩永磁体4从N极出发，经过靠近N极的转矩极铁芯2的齿，转矩极铁芯2的轭部，靠近S极的转矩极铁芯2齿，回到转矩永磁体4的S极，形成1/4圆的闭合回路。

图7为12/10无轴承永磁偏置开关磁阻电机中转矩绕极组线圈8的磁通路径图，转矩极铁芯2的T1，T2，T1’，T2’的转矩绕组线圈8串联，T3，T4，T3’，T4’的转矩绕组线圈8串联，两组线圈依次循环通电，图中为T1，T2，T1’，T2’的转矩绕组线圈8通电时形成的磁通路径图，线圈通电后，转矩极铁芯2形成等效磁场，如图7所示磁路由等效为N极的转矩极铁芯2齿出发，经过第一气隙10，转子铁芯5，回到其相邻的等效为S极的转矩极铁芯2齿，再通过转矩极铁芯2轭部形成闭合回路。

图8为12/10无轴承永磁偏置开关磁阻电机中转矩绕极组线圈8通电时，转矩永磁体4和转矩极绕组线圈8磁通路径图，转矩极绕组线圈8产生的磁通路径与图7一致，转矩永磁体4的磁路为从N极出发，经过靠近N极的转矩极铁芯2齿，第一气隙10，转子5，靠近S极的转矩极铁芯2齿，回到转矩永磁体4的S极，形成1/4圆的闭合回路，增加转矩极的磁场，从而提高转矩。

上述技术方案所用的轴6用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、40Cr、各种碳素钢等材料。转子铁芯5可用导磁性能良好的电工薄钢板如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79等磁性材料冲压叠制而成。所述悬浮极铁芯1的齿的极弧等于转子铁芯5的极距。所述悬浮极铁芯1和转矩极铁芯2采用导磁性能良好的材料制成，如电工纯铁、40Cr、硅钢。偏置永磁体3的材料为磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体，为六面体结构，其中一个面为拱形面，其他五个面为平面，充磁方向为偏置永磁体圆弧面两端直线的垂线方向。转矩永磁体4为长方体，充磁方向为转矩永磁体嵌入转矩极铁芯2的面两端直线的垂线方向。悬浮极绕组线圈7、转矩极绕组线圈8可用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。另外，所述悬浮极绕组线圈7和转矩极绕组线圈8优选为集中式。

上述12/10结构无轴承永磁偏置开关磁阻电机，通过偏置永磁体和气隙解决了悬浮极和转矩极的耦合，以及通过转矩永磁体增加了电磁转矩，提高转矩密度。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。