[發明專利]軸向徑向混合勵磁的無軸承雙凸極永磁開關磁阻電機

無效

• 申請號: 201410008230.2
• 申請日: 2014-01-03
• 公開（公告）號: CN103715853A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（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: H02K21/30
• 分類號: H02K21/30;H02K1/17
• 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

本發明屬于無軸承高速電機技術領域，具體涉及一種軸向徑向混合勵磁的無軸承雙凸極永磁開關磁阻電機。

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轉子的懸浮。與傳統磁軸承電機相比，該電機具有同時產生旋轉力矩和徑向懸浮力的功能。

現有高速電機主要有無軸承異步電機、無軸承永磁電機、無軸承開關磁阻電機等。無軸承異步電機的效率和功率因數較低。無軸承永磁電機的效率和功率因數高，但其為轉子永磁式電機，高速旋轉時存在結構不穩定的問題及散熱不暢導致永磁體去磁的風險。無軸承開關磁阻電機具有結構簡單、適合高速運轉等優點。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。且其只能在磁鏈曲線的上升段通入電流產生轉矩，而下降段不通電。繞組的利用率較低，導致該電機的轉矩密度和功率密度均較低。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的上述不足，提供一種高速、大功率、高效率、高功率密度、運行穩定性高、可靠性高的定子永磁式無軸承電機。本發明的技術方案如下：

一種軸向徑向混合勵磁的無軸承雙凸極永磁開關磁阻電機，包括定子、轉子、定子鐵心、轉子鐵心、主繞組和懸浮繞組，定子、轉子均為凸極結構，其特征在于，在定子軛部嵌有永磁體，主繞組繞在定子齒極上，其通入的電流產生徑向磁場，懸浮繞組繞在位于定子鐵芯端部的懸浮繞組鐵心上，其通入的電流產生軸向磁場，懸浮線圈的數目與定子齒極數相等；對于三相中的每一相，永磁體產生的對稱磁通，起到磁軸承中的偏置磁通的作用；懸浮繞組分為軸線相互垂直的兩組，通過控制兩套懸浮繞組產生不同大小和方向的徑向懸浮力，兩者的合成則產生沿任意方向的可控徑向懸浮力，利用三相繞組的輪流導通和轉子位移的負反饋控制，產生轉子懸浮所需的連續徑向懸浮力。

作為優選實施方式，所述的軸向徑向混合勵磁的無軸承雙凸極永磁開關磁阻電機，其特征在于，其轉矩的產生方式為：在永磁磁鏈的上升段給主繞組通入正向電流產生正向轉矩，在永磁磁鏈的下降段，給主繞組通入負向電流，也產生正向轉矩；定子鐵心、轉子鐵心均由硅鋼片疊壓而成，懸浮繞組鐵心由導磁鋼材制成。

本發明提出一種新型軸向徑向混合勵磁的無軸承雙凸極永磁開關磁阻電機，通過采用永磁體來建立氣隙基本磁場，可產生較高的氣隙磁密，這一氣隙磁通即可用來產生轉矩又可提供懸浮力，避免了需要主繞組電流來建立氣隙偏置磁場，減小了主繞組電流，降低了電機的損耗，提高了電機的整體效率和功率密度，降低溫升，提高電機運行的穩定性和可靠性。其永磁體放置于定子鐵心的軛部，為定子永磁式電機，不存在高速旋轉時永磁體甩落的問題，大大提高了電機高速運行時的穩定性和可靠性。同時，永磁體置于定子，便于永磁體的散熱，可避免高溫去磁問題。此外，定子每極繞組為單層結構，相對于普通無軸承開關磁阻電機的雙層繞組結構，提高了槽的利用率，繞組為集中式繞組，端部短，損耗小，進一步提高了電機效率和功率密度，簡化了電機結構，降低了生產加工的復雜性。其轉子為硅鋼片疊壓而成的一個整體，轉子上無繞組、無永磁體、無電刷，結構簡單堅固，非常適合高速和超高速旋轉，可提高電機的極限轉速。

附圖說明

圖1軸向徑向混合勵磁無軸承雙凸極永磁開關磁阻電機基本結構（a）為整體結構圖，（b）為懸浮繞組示意圖。

圖2主繞組功率變換器。

圖3懸浮繞組H橋功率變換器。

圖4（a）12／8結構軸向徑向混合勵磁的無軸承雙凸極永磁開關磁阻電機徑向懸浮力產生原理圖徑向懸浮力產生原理圖（b）為懸浮磁通磁路示意圖。

圖5轉矩產生原理。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進行說明。