[发明专利]一种无轴承式半齿绕开关磁阻电机

说明书

技术领域

本发明涉及电机制造的技术领域，尤其涉及一种新型半齿绕组的无轴承开关磁阻电机。

背景技术

随着稀土永磁材料价格的快速上涨与供应不稳定，不需永磁体的开关磁阻电机系统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叠压制成，转子上无永磁体也无绕组，定子上只有集中式绕组，其依据“磁阻最小”原理工作。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，有优良的容错性与可靠性，此外，由于其转子上无永磁体和绕组，非常适合于高速运行。开关磁阻电机应用范围十分广泛，在工业调速系统、家用电器、航空航天、电动汽车等方面已展现出强大的竞争力。

另一方面，高速与超高速驱动、密封传动和航空航天等领域，对电机的无轴承运行技术有着迫切需求。由于机械轴承的诸多局限，普通电机无法满足长期高速运转的要求；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。1985年，快速且负载能力强的功率开关器件和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年代后期才首次制造出无轴承电机。通过对放置在定子上的绕组的合理控制，无轴承电机可以像机械轴承支撑的电机一样简单，电气控制系统并不十分复杂。

无轴承电机集旋转驱动和磁轴承功能于一体，其利用磁轴承和电机结构上的相似性，将磁轴承中的悬浮绕组和电机绕组一同叠绕在定子铁心上，通过控制悬浮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。

相比于采用无轴承技术的感应电机和永磁同步电机，无轴承开关磁阻电机结构简单、制造维护成本低、控制方便，无需使用永磁体、鲁棒性好、可靠性高，转子也适于超高速运行。

目前所提出的无轴承开关磁阻电机主要都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，这样，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，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，容错性和可靠性低，磁路耦合十分严重，限制了无轴承开关磁阻电机的实际带负载能力，成为其工程应用的一个主要瓶颈。

因此，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，结合无轴承电机和新型半齿绕开关磁阻电机的基本特点，提供一种槽满率更高、效率更优、容错性和可靠性更高的无轴承式半齿绕开关磁阻电机结构，且该结构适合任意相数、任意定转子齿槽数配合的开关磁阻电机。

为实现上述发明目的，本发明无轴承式半齿绕开关磁阻电机可采用如下技术方案：

一种无轴承式半齿绕开关磁阻电机，包括定子和转子，所述的定子上设有偶数个定子齿，且定子齿上均设有集中绕组，集中绕组线圈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；在相邻两个定子齿中，一个定子齿上绕有转矩绕组，另一个定子齿上绕有悬浮力绕组，转子上既无永磁体，也无绕组。

进一步的，悬浮力绕组至少有两组，一组控制水平X轴方向的转子位移，另一组控制垂直Y轴方向的转子位移

进一步的，该电机可以采用内转子结构，也可以采用外转子结构。

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，电机定子上的转矩齿的齿形与齿宽和悬浮力齿的齿形与齿宽相同或不相同

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的无轴承式半齿绕开关磁阻电机在不改变普通开关磁阻电机铁心冲片的情况下实现了电机的无轴承设计。电机定子与转子铁心都不需要改变，由普通硅钢片冲片叠压构成，只是绕组绕法有了较大改变。电机定子齿被分为转矩齿和悬浮力齿，转矩齿上套有用于输出转矩的转矩绕组，悬浮力齿上套有用于悬浮转子的悬浮力齿，两套绕组的匝数和线径均不相同。

2、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，端部较短，有效的减少了铜耗，降低了轴向长度，提高了功率密度，并且利于电机的散热。