[發(fā)明專利]單繞組無軸承磁通切換永磁電機

無效

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• 申請日: 2013-12-31
• 公開（公告）號: CN103825418A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發(fā)明（設計）人: 修杰;夏長亮;修妍;王世宇;邢靜玥
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H02K29/00
• 分類號: H02K29/00;H02K1/17;H02K1/14
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

所屬技術領域

本發(fā)明屬于高速無軸承電機技術領域，涉及一種定子永磁式單繞組無軸承磁通切換永磁電機?

背景技術

高速和超高速電機在高速機床、渦輪分子泵、高速飛輪等設備中得到廣泛應用，用機械軸承支撐時，由轉子高速運行帶來的摩擦阻力增加，使軸承磨損加劇，造成電機氣隙不均，繞組發(fā)熱，不僅降低電機工作效率，縮短電機和軸承的使用壽命，也增加了對電機和軸承維護的負擔。?

磁軸承電機的提出解決了機械軸承的磨損問題，但磁軸承占有獨立的軸向空間，使得磁軸承電機的軸向利用率較低，而磁軸承結構和電機定子結構具有一定的相似性，如果把磁軸承中的懸浮繞組疊繞在電機定子繞組上，使兩種磁場合成一體，且能同時控制電機轉子的懸浮和旋轉是最為理想的，無軸承電機正是基于這一設想而提出的。電機中兩套繞組的磁場相互作用產生了作用在電機轉子上的徑向力，通過控制電機中的徑向力可實現(xiàn)轉子的懸浮。與傳統(tǒng)磁軸承電機相比，該電機具有同時產生旋轉力矩和徑向懸浮力的功能。?

現(xiàn)有高速無軸承電機主要有無軸承異步電機、無軸承永磁同步電機、無軸承開關磁阻電機等。其中無軸承異步電機的功率因數(shù)和效率較低，無軸承永磁同步電機的效率和功率因數(shù)高，但其為轉子永磁式電機，轉子的高速旋轉帶來結構不穩(wěn)定的問題且存在因緊固裝置引起的高溫下永磁體退磁的問題。無軸承開關磁阻電機具有結構簡單、適合高速運轉等優(yōu)點。但其需要主繞組提供偏置磁場以保證轉子的懸浮。這增加了電機的損耗，降低了其效率。同時，其半周期通電的工作方式，降低了繞組的利用率和電機的功率密度。?

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種高速、大功率、高效率、高功率密度、運行穩(wěn)定性高、可靠性高、適合交流運行方式的定子永磁式無軸承電機。?

本發(fā)明的技術方案如下：?

一種單繞組無軸承磁通切換永磁電機，包括定子鐵心，轉子鐵心，嵌于定子齒中間的永磁體和集中繞組，其定子、轉子均為雙凸極結構，定子鐵心由6個U型疊片組成，每兩個疊片之間嵌有一塊切向交替充磁的永磁體，共同組成一個定子齒，具有軸對稱性，定子齒上安裝有集中繞組，繞組端部較小，空間相對的兩個定子齒上的繞組構成一相，形成三相繞組，繞組電流的激磁為徑向勵磁方式，每一個繞組均為獨立控制，其繞組電流可正反方向雙向流動，電流大小可按需控制，電流的相位則與反電動勢同相位。?

本發(fā)明提出了單繞組無軸承磁通切換永磁電機這一新型定子永磁式無軸承電機。這一新型電機可實現(xiàn)大功率和高速、超高速旋轉且運行的穩(wěn)定性和可靠性很高。這一新型電機還具有很高的系統(tǒng)效率和功率密度。?

1）永磁體置于定子，不存在轉子永磁式電機高速旋轉時永磁體脫落的問題。提高了電機高速運行的結構穩(wěn)定性和可靠性。?

2）永磁體置于定子，便于散熱，避免了永磁體的高溫去磁，提高了電機運行的穩(wěn)定性和可靠性。?

3）氣隙磁場主要由永磁體建立，省去了繞組電流中的勵磁分量，減小了勵磁損耗，提高了系統(tǒng)效率，?降低了溫升，避免永磁體的高溫去磁，提高電機運行的可靠性。?

4）永磁體可產生很高的氣隙磁密，在永磁磁鏈的全區(qū)內均可產生有效轉矩，提高了繞組的利用率，這些都有效提高了系統(tǒng)的功率密度。?

5）繞組中的永磁磁鏈、反電動勢和電流均接近雙極性正弦波型，適合交流電機方式驅動，可在磁通-磁勢平面坐標系的四個象限中實現(xiàn)能量轉換，力能指標高，功率密度大。?

6）因氣隙磁密高，使得相同電流下所產生的轉矩和徑向力均得到增大，有效提高了電機的負載能力。?

7）繞組為集中繞組，端部短，可減小繞組銅耗，提高電機的效率。?

8）轉子上無永磁體、無繞組、無電刷，具有最簡結構。同時，其為硅鋼片疊壓而成的一個整體，結構簡單且堅固，十分適合高速和超高速旋轉，可提高電機的極限轉速，提高功率密度。?

9）通過采用導通相鄰相的短磁路結構，避免懸浮勵磁磁通穿過磁阻很大的永磁體，減小了勵磁損耗，且避免了永磁體的退磁。?

10）提出的短磁路懸浮勵磁磁路結構可以以很小的懸浮勵磁繞組電流實現(xiàn)對氣隙合成磁通大小的控制，完成對轉子徑向位置的控制，從而實現(xiàn)單繞組無軸承磁通切換永磁電機的穩(wěn)定懸浮運轉。?

11）無軸承的徑向轉子磁懸浮支撐結構，可消除軸承的機械摩擦損耗，無須潤滑，系統(tǒng)壽命長，可實現(xiàn)磁通切換永磁電機的高速、超高速運轉。?

12這一電機的軸向長度短，臨界轉速高，可實現(xiàn)大功率和高速運轉。?