一种四极式无轴承开关磁阻电机

摘要

本发明公开了一种四极式无轴承开关磁阻电机，定子上设有偶数个凸极齿，且依据功能的不同可以被分为主齿与副齿，两种不同绕组嵌套在定子齿上，转矩绕组用于输出机械转矩，依序嵌套与电机的全部主齿上；悬浮力绕组有四相，分别嵌套于电机的四个垂直正交位置的副齿上，用于控制电机转子的水平X轴方向和垂直Y轴方向的位移，本发明的电机保留了开关磁阻电机结构简单牢靠的优点，电机绕组槽满率高，可靠性好，且电机转矩绕组为半齿绕结构，不同相绕组不会被放置在同一个定子槽中，各相之间的电、磁、热耦合被明显削弱，容错性被提高，同时通过绕组方式的巧妙改变实现了开关磁阻电机的无轴承运行，使开关磁阻电机可以发挥出适合高速与超高速工作的优势。

说明书

技术领域

本发明属于电机制造应用技术领域，涉及一种新型无轴承开关磁阻电机。

背景技术

使用稀土永磁材料的永磁电机制造成本和维护成本较高，且由于永磁体的使用，电机的可靠性与温度极限明显降低。尤其是近年来，稀土永磁材料的价格波动剧烈，限制了此类电机的大规模推广。与此同时，不需永磁体的开关磁阻电机驱动系统正得到越来越广泛的关注。开关磁阻电机为双凸极结构，定转子均由普通硅钢片压叠制成，转子上既无永磁体也无绕组，定子上只有集中式绕组，其工作原理十分简单，依序给电机各相分别通电，电机转子依据“磁阻最小原理”，会向特定方向持续旋转起来。开关磁阻电机制造和维护成本低，结构简单牢靠、鲁棒性好，起动电流小、转矩大，调速范围宽，动态响应快，有优良的冗余容错性与可靠性。此外，由于该电机转子上无永磁体和绕组，转动惯量小、牢靠性高，非常适合高速运行。开关磁阻电机应用范围十分广泛，在工业调速、家用电器、航空航天、电动汽车、动力牵引等方面已经展现出强大的竞争力。

另一方面，在高速与超高速驱动、密封传动和航空航天等领域，电机的无轴承运行技术有巨大的应用价值。由于机械轴承的限制，普通电机无法满足长期高速运行的要求；气浮和液浮轴承的控制设备较庞大，成本高，可靠性低；磁悬浮轴承具有无机械磨损、无需润滑和系统密封，环境适应能力强等优点，但磁轴承电机系统整体结构较复杂，占用轴向空间、功率密度不高，临界转速和功率容量难以大幅度提高，且成本较高。1985年，快速且大容量的功率开关器件和高性能数字信号处理器的出现，使得已经提出20多年的交流电机矢量控制技术得以实际应用，这样有效解决了无轴承电机数字控制的难题。瑞士苏黎世联邦工学院的比克尔在这些科技进步的基础上，于20世纪80年代后期首次制造出无轴承电机。无轴承电机可以像机械轴承支承的电机一样简单，电气系统并不十分复杂，在很多领域采用无轴承电机具有很好的经济性。

无轴承电机集旋转驱动和磁轴承悬浮功能于一体，其利用磁轴承和电机结构上的相似性，将磁轴承中的悬浮力绕组和电机绕组一同叠绕在定子铁心上，通过控制悬浮力绕组电流的大小和方向使其产生的磁场打破电机原绕组在气隙中产生磁场的平衡，从而在转子上产生一个大小和方向均可控的悬浮力，以实现电机转子的旋转和自悬浮。

无轴承电机既消除了机械轴承带来的摩擦损耗等问题，又克服了磁轴承电机的诸多局限，具有轴向利用率高、结构紧凑、可大幅度提高临界转速、同等轴长下可大幅度提高输出功率等优点。纵观国内外发表的文献，采用无轴承技术的电机类型主要有异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。

其中，无轴承异步电机结构简单、可靠性高，控制理论成熟。但是，它突出的问题在于其悬浮力控制和转矩控制易耦合，转速容易被悬浮力控制干扰。

相比之下，无轴承永磁同步电机凭借其体积小、重量轻、效率高和功率密度大等特点，在许多领域更具备实用化优势。然而，一般永磁同步电机的永磁体表贴于转子表面或者内嵌于转子而破坏了转子的整体性结构，且电机高速旋转时，永磁体受高速离心力影响，有脱落的风险；另一方面，永磁同步电机的永磁体位于转子，冷却条件差，散热困难，永磁体有高温不可逆退磁的风险。

无轴承开关磁阻电机结构最为简单，制造和维护方便，鲁棒性好，适用于高温恶劣环境，且其转子结构尤其适合高速运行。但是，传统无轴承开关磁阻电机的功率密度和效率不高，且转矩绕组和悬浮力绕组耦合严重，限制了该类型电机更广泛应用。

现有的无轴承开关磁阻电机主要是在电机的每个定子齿上绕制两套绕组，分别承担转矩绕组与悬浮力绕组的功能，即电机的线圈数是定子齿数的两倍。采用这种方法的无轴承开关磁阻电机，结构复杂，槽满率低，绕组利用率低，且转矩绕组与悬浮力绕组嵌套在同一个定子齿上，磁路几乎完全相同，耦合严重，容错性和可靠性低。

发明内容

本发明的目的是结合无轴承电机和新型半齿绕开关磁阻电机的基本特性，提出一种悬浮力绕组与转矩绕组绕制于不同定子齿的无轴承开关磁阻电机。相比于普通无轴承开关磁阻电机，该电机槽满率更高、效率更优，且转矩绕组和悬浮力绕组的磁路耦合被削弱，容错性及可靠性更好，该电机特别适合于飞轮储能、航空航天等高速、超高速领域的应用。

具体来说，本发明所提出的四极式无轴承开关磁阻电机，该四极式无轴承开关磁阻电机包括定子和转子，其特征在于，所述的定子上设有均匀分布的偶数个定子齿，相邻定子齿之间形成定子槽，且每个定子齿沿径向都有另一个定子齿与其相对，且定子齿上置有集中式绕组线圈，所述集中式绕组线圈嵌套于定子的定子槽中而将定子齿缠绕，其包括用于输出机械能的转矩绕组和用于悬浮电机转子的悬浮力绕组；该电机转子上既无永磁体，也无绕组，其中定子齿可以被分为数量相同的间隔排列的主齿和副齿两组，转矩绕组依序嵌套于定子的全部主齿上，而悬浮力绕组线圈依序分别嵌套于定子的四个正交副齿上，所述转矩绕组线圈的个数等于定子的主齿个数，而悬浮力绕组线圈的个数为四个。

所述定子铁心上的主齿与副齿间隔排列，即相邻的两个定子齿中，一个为主齿，另一个即为副齿；定子铁心上的转矩绕组和悬浮力绕组均采用传统开关磁阻电机的集中式绕组结构，转矩绕组的线圈个数与电机定子主齿个数相等，而悬浮力绕组的线圈个数为四个，分别位于定子的四个正交分布的副齿上，以分别控制转子的水平X轴方向的偏心和垂直Y轴方向的偏心；定子上还设有测量转子位置偏移的传感器装置。

电机主齿和副齿承担的磁路不同，此外，副齿还可以增强绕组之间电、磁、热的隔离，有效提高了电机的可靠性与容错运行能力。

进一步的，该电机转子可位于定子的内部，也可位于定子的外部。

进一步的，该电机既可以作电动运行，又可以作发电运行。

进一步的，所述的四极式无轴承开关磁阻电机可以采用三相定子24槽/转子16极开关磁阻电机结构，定子上设有24个定子齿，依次间隔排列为12个主齿和12个副齿，转矩绕组有12个集中式绕组线圈，包括第一转矩绕组线圈、第二转矩绕组线圈、第三转矩绕组线圈、第四转矩绕组线圈、第五转矩绕组线圈、第六转矩绕组线圈、第七转矩绕组线圈、第八转矩绕组线圈、第九转矩绕组线圈、第十转矩绕组线圈、第十一转矩绕组线圈和第十二转矩绕组线圈，第一转矩绕组线圈与第七转矩绕组线圈径向相对，第四转矩绕组线圈与第十转矩绕组线圈径向相对，将它们顺序串联或并联组成A相转矩绕组；第二转矩绕组线圈与第八转矩绕组线圈径向相对，第五转矩绕组线圈与第十一转矩绕组线圈径向相对，将它们顺序串联或并联组成B相转矩绕组；第三转矩绕组线圈与第九转矩绕组线圈径向相对，第六转矩绕组线圈与第十二转矩绕组线圈径向相对，将它们顺序串联或并联组成C相转矩绕组。悬浮力绕组有4个集中式绕组线圈，包括第一悬浮力绕组线圈、第二悬浮力绕组线圈、第三悬浮力绕组线圈和第四悬浮力绕组线圈，第一悬浮力绕组线圈与第三悬浮力绕组线圈径向相对，第二悬浮力绕组线圈与第四悬浮力绕组线圈径向相对，且穿过第一悬浮力绕组线圈和第三悬浮力绕组线圈的轴线与穿过第二悬浮力绕组线圈和第四悬浮力绕组线圈的轴线相互垂直。第一悬浮力绕组线圈单独作为X1相悬浮力绕组，第三悬浮力绕组线圈单独作为X2相悬浮力绕组，它们用于控制电机转子的水平X轴方向位移；第二悬浮力绕组线圈单独作为Y1相悬浮力绕组，第四悬浮力绕组线圈单独作为Y2相悬浮力绕组，它们用于控制电机转子的垂直Y轴方向位移。电机的四相悬浮力绕组成为四极，共同控制电机转子的稳定悬浮。

进一步的，所述四极式无轴承开关磁阻电机的转矩绕组为半齿绕结构，每个定子槽只放置一相转矩绕组的线圈，即不同相转矩绕组的线圈不会被放置在同一个定子槽中，各相转矩绕组间的耦合被大大削弱，电机容错性得到提高。

进一步的，所述的四极式无轴承开关磁阻电机也可以采用其它相数、其它定转子齿槽配合数的开关磁阻电机结构。记电机定子齿数为4n，n=2、4、6、8、10等，均可以应用此结构形式。

本发明的四极式无轴承开关磁阻电机悬浮力绕组与转矩绕组嵌套在不同定子齿上，依靠悬浮力绕组通电后对气隙磁场的作用，产生大小和方向可控的水平方向径向悬浮力与垂直方向径向悬浮力，从而实现转子的稳定磁悬浮；依靠转矩绕组通电后与气隙磁场的相互作用，产生电磁转矩，驱动转子旋转。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1．本发明的四极式无轴承开关磁阻电机可以在不改变普通开关磁阻电机定转子铁心冲片的情况下实现电机的无轴承设计，电机只有绕组绕法有较大改变。电机定子齿被分为主齿和副齿，主齿上套有用于输出转矩的转矩绕组，部分副齿上套有用于悬浮转子的悬浮力绕组，两套绕组的匝数和线径均不相同；

2．电机结构简单牢靠，制造成本低，不需要使用永磁体，鲁棒性好。另外，转矩绕组和悬浮力绕组均为集中式线圈，绕制难度低，端部短，有效地减少了铜耗，降低了轴向长度，提高了功率密度与效率，且利于电机散热；

3．电机转子上无绕组和永磁体，转动惯量小，且无轴承结构避免了机械轴承带来的摩擦损耗，非常适合高速与超高速运行；

4．电机转矩绕组和悬浮力绕组相互独立，耦合较少，可以独立控制；

5．电机参数灵活多样。定子上的主齿和副齿承担的磁路不同，可以分别对待，优化其形状和尺寸，进一步提高电机性能；

6．电机各相绕组之间互感较小，具有较强的容错能力，可靠性高。

附图说明

图1是本发明实施例采用三相定子24槽/转子16极结构的四极式无轴承开关磁阻电机的横向剖视结构示意图。

图2是本发明实施例所示结构在某转子位置时气隙磁场变化和所受径向力的示意图。

附图标记：1-定子，2-转矩绕组、2A1-第一转矩绕组线圈、2B1-第二转矩绕组线圈、2C1-第三转矩绕组线圈、2A2-第四转矩绕组线圈、2B2-第五转矩绕组线圈、2C2-第六转矩绕组线圈，2A3-第七转矩绕组线圈、2B3-第八转矩绕组线圈、2C3-第九转矩绕组线圈、2A4-第十转矩绕组线圈、2B4-第十一转矩绕组线圈、2C4-第十二转矩绕组线圈，3-悬浮力绕组、3X1-第一悬浮力绕组线圈、3Y1-第二悬浮力绕组线圈、3X2-第三悬浮力绕组线圈、3Y2-第四悬浮力绕组线圈，4-转子。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明的四极式无轴承开关磁阻电机，包括定子1和转子4。定子1上设有偶数个定子齿，它们均匀分布，相邻定子齿之间形成定子槽，且每个定子齿沿径向都有另一个定子齿与其相对。定子齿可以被分为个数相同的两组，分别称为主齿和副齿，它们间隔排列，即每两个相邻的定子齿中有一个为主齿，另一个即为副齿。定子齿上置有集中式绕组，其包括用于输出机械能量的转矩绕组2和用于悬浮转子的悬浮力绕组3，转矩绕组线圈的个数等于电机定子的主齿个数，而悬浮力绕组线圈的个数为四。集中绕组线圈嵌套于定子1的定子槽中，将定子齿缠绕。转矩绕组依序嵌套于定子的全部主齿上，而悬浮力绕组线圈依序分别嵌套于定子的四个正交副齿上。

进一步，所述的定子1和转子4均为凸极结构，且转子4可以设置为内转子，也可以设置为外转子。当转子4为内转子时，定子1位于转子4的外侧。当转子4为外转子时，定子1位于转子4的内侧。转子4上无绕组和永磁体。

本发明的关键在于，通过改变绕组结构，可使电机稳定磁悬浮并输出转矩，电机定子上的主齿和副齿的齿形与齿宽可以相同，也可以不同。本发明可以应用于多种相数、多种定转子齿槽数组合的开关磁阻电机结构。下面以三相定子24槽/转子16极开关磁阻电机结构为例来具体说明本发明的技术方案及其工作原理。

如图1所示，本电机包括定子1、转子4、嵌套在定子1上的转矩绕组2和悬浮力绕组3。其中，定子1置于转子4外侧，定子上共有24个凸极齿，依据齿形与齿宽的不同可以将定子齿分为两组，即主齿和副齿，每组的定子齿个数相同。转子4亦为凸极结构，其有16个凸极齿。

转矩绕组2包括12个集中式绕组线圈，即第一转矩绕组线圈2A1、第二转矩绕组线圈2B1、第三转矩绕组线圈2C1、第四转矩绕组线圈2A2、第五转矩绕组线圈2B2、第六转矩绕组线圈2C2，第七转矩绕组线圈2A3、第八转矩绕组线圈2B3、第九转矩绕组线圈2C3、第十转矩绕组线圈2A4、第十一转矩绕组线圈2B4和第十二转矩绕组线圈2C4。第一转矩绕组线圈2A1与第七转矩绕组线圈2A3径向相对，第四转矩绕组线圈2A2与第十转矩绕组线圈2A4径向相对，将它们顺序串联或并联后组成A相转矩绕组；第二转矩绕组线圈2B1与第八转矩绕组线圈2B3径向相对，第五转矩绕组线圈2B2与第十一转矩绕组线圈2B4径向相对，将它们顺序串联或并联后组成B相转矩绕组；第三转矩绕组线圈2C1与第九转矩绕组线圈2C3径向相对，第六转矩绕组线圈2C2与第十二转矩绕组线圈2C4径向相对，将它们顺序串联或并联后组成C相转矩绕组。

悬浮力绕组3包括4个集中式绕组线圈，即第一悬浮力绕组线圈3X1、第二悬浮力绕组线圈3Y1、第三悬浮力绕组线圈3X2和第四悬浮力绕组线圈3Y2。第一悬浮力绕组线圈3X1与第三悬浮力绕组线圈3X2径向相对，第二悬浮力绕组线圈3Y1与第四悬浮力绕组线圈3Y2径向相对，且穿过第一悬浮力绕组线圈3X1和第三悬浮力绕组线圈3X2的轴线与穿过第二悬浮力绕组线圈3Y1和第四悬浮力绕组线圈3Y2的轴线相互垂直。第一悬浮力绕组线圈3X1单独作为X1相悬浮力绕组，用于控制电机转子向X轴正方向偏移，第三悬浮力绕组线圈3X2单独作为X2相悬浮力绕组，用于控制电机转子向X轴负方向偏移，这两相绕组可以控制电机转子在X轴方向的位移；第二悬浮力绕组线圈3Y1单独作为Y1相悬浮力绕组，用于控制电机转子向Y轴正方向偏移，第四悬浮力绕组线圈3Y2单独作为Y2相悬浮力绕组，用于控制电机转子向Y轴负方向偏移，这两相绕组可以控制电机转子在Y轴方向的位移。这样，电机的X1、X2、Y1、Y2相悬浮力绕组即成为四极结构，分别排列在电机的水平X轴和垂直Y轴方向的两个相对侧，它们共同作用，控制电机转子的稳定悬浮。

在图2所示电机转子位置，为保证电机转子沿逆时针方向旋转，电机的A相转矩绕组通电，该相的四个线圈的通电方向如图所示，其中，“实心圆环符号”代表电流沿垂直纸张方向流出纸张平面，“叉形符号”代表电流沿垂直纸张方向流入纸张平面，此时，依据右手定则，A转矩绕组的四个线圈产生的磁通方向如图中带箭头实线所示。如图2(a)所示，当X1相悬浮力绕组通电，且通电方向如图时，其产生的磁通方向如图中带箭头虚线所示，此时，相比与无悬浮力绕组工作的情况，2A1齿尖气隙处的磁密被加强，且3X1齿尖气隙处将新产生磁密，另一方面，与定子绕组2A1及3X1径向相对的定子绕组2A3及3X2的齿尖气隙处的磁密基本没有变化，这样，电机气隙磁密将不再平衡，水平方向靠右侧处气隙磁密会明显大于水平方向靠左侧处，即电机转子将受到方向向右的径向磁拉力，如图中带斜线填充箭头所示；如图2(b)所示，当Y1相悬浮力绕组通电，且通电方向如图时，其产生的磁通方向如图中带箭头虚线所示，此时，相比与无悬浮力绕组工作的情况，2A2齿尖气隙处的磁密被加强，且3Y1齿尖气隙处将新产生磁密，另一方面，与定子绕组2A2及3Y1径向相对的定子绕组2A4及3Y2的齿尖气隙处的磁密基本没有变化，这样，电机气隙磁密将不再平衡，垂直方向靠上侧处气隙磁密会明显大于垂直方向靠下侧处，即电机转子将受到方向向上的径向磁拉力，如图中带斜线填充箭头所示。

该电机中存在两套绕组，即A、B、C三相转矩绕组和X1、X2、Y1、Y2四相悬浮力绕组。该系统可以用七相功率电路驱动。需要强调的是，在该实施例中，电机定子的主齿和副齿经过优化，它们的齿形和齿宽不相同。并且，转矩绕组与悬浮力绕组的线径与匝数是不同的。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。