[发明专利]双绕组无轴承磁通切换永磁电机

说明书

技术领域

本发明属于高速无轴承电机技术领域，涉及一种定子永磁式双绕组无轴承磁通切换永磁电机。

背景技术

高速和超高速电机在高速机床、涡轮分子泵、高速飞轮等设备中得到广泛应用，用机械轴承支撑时，由转子高速运行带来的摩擦阻力增加，使轴承磨损加剧，造成电机气隙不均，绕组发热，不仅降低电机工作效率，缩短电机和轴承的使用寿命，也增加了对电机和轴承维护的负担。

磁轴承电机的提出解决了机械轴承的磨损问题，但磁轴承占有独立的轴向空间，使得磁轴承电机的轴向利用率较低，而磁轴承结构和电机定子结构具有一定的相似性，如果把磁轴承中的悬浮绕组叠绕在电机定子绕组上，使两种磁场合成一体，且能同时控制电机转子的悬浮和旋转是最为理想的，无轴承电机正是基于这一设想而提出的。电机中两套绕组的磁场相互作用产生了作用在电机转子上的径向力，通过控制电机中的径向力可实现转子的悬浮。与传统磁轴承电机相比，该电机具有同时产生旋转力矩和径向悬浮力的功能。

现有高速无轴承电机主要有无轴承异步电机、无轴承永磁同步电机、无轴承开关磁阻电机等。其中无轴承异步电机的功率因数和效率较低，无轴承永磁同步电机的效率和功率因数高，但其为转子永磁式电机，转子的高速旋转带来结构不稳定的问题且存在因紧固装置引起的高温下永磁体退磁的问题。无轴承开关磁阻电机具有结构简单、适合高速运转等优点。但其需要主绕组提供偏置磁场以保证转子的悬浮。这增加了电机的损耗，降低了其效率。同时，其半周期通电的工作方式，降低了绕组的利用率和电机的功率密度。

双绕组无轴承磁通切换永磁电机的结构与开关磁阻电机类似，但在定子齿的中间加装高性能永磁磁体，以建立工作所需的气隙磁场，这一磁场可同时提供转矩和产生悬浮力的需要。从而不需要主绕组电流建立气隙基本磁场，减小了主绕组电流，降低了电机的损耗，提高了电机的整体效率。在定子齿极上绕有双层集中绕组，每个齿极上的绕组均单独控制而非串并联，这样通过给不同的绕组通以不同的电流，使得不同齿极下的气隙磁密不等而产生不同方向的径向磁拉力，合成后可以得到任意方向的径向悬浮力，从而实现转子的连续稳定悬浮。同时，绕组电流与永磁磁链相互作用产生电磁转矩推动转子的旋转。

双绕组无轴承磁通切换永磁电机具有以下突出的优点：1)通过在定子铁心齿部中间加装永磁体，相邻齿极的永磁体为聚磁结构，产生的气隙磁密很高，大幅度提高了电机的效率和功率密度；2)气隙磁密很高，相同电流可产生更大的转矩和径向悬浮力，提高电机的负载能力；3)永磁磁链、反电动势和绕组电流均接近双极性正弦波形，可在磁通-磁势平面坐标系的四个象限中实现能量转换，力能指标高，功率密度大；4)具备一定的容错运行能力；5)永磁体置于定子，结构坚固，便于散热，无永磁体脱落的隐患，提高电机高速运行的稳定性和可靠性；6)转子是仅由硅钢片做成的总体，无电刷，无绕组，无永磁体，具有最简结构且坚固，适合高速和超高速运转。这一电机的高速运转适应性极强。

发明内容

针对现有技术，本发明提供一种新型高速、大功率、高效率、高功率密度、运行稳定性高、可靠性高的定子永磁式无轴承电机。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种双绕组无轴承磁通切换永磁电机，包括定子、转子和绕组，所述定子和转子均为双凸极结构，且具有轴对称性，定子铁心和转子铁心均由硅钢片叠压而成；所述定子铁心由6个U型叠片组成，每两个U型叠片之间嵌有一块切向交替充磁的永磁体，共同组成一个定子齿；所述绕组为集中式绕组并安装在所述定子齿上，绕组的端部较小；所述绕组分为两套，其中，一套绕组由空间相对的两个定子齿上的线圈首尾顺序串接连在一起构成一相，从而形成了三相转矩控制绕组；另外一套绕组由空间相对的两个定子齿上的线圈反序串接连在一起构成一相，消除了两线圈中的感应电动势，从而形成了悬浮力控制绕组；相邻永磁体的相邻侧的极性相同；所述绕组中的永磁磁链、反电动势和电流均接近双极性正弦波型。

本发明中，所述永磁体放置于所述定子铁心的轭部，形成了定子永磁式电机。

与现有技术相比，本发明电机可实现大功率和高速、超高速旋转且运行的稳定性和可靠性很高，同时，还具有很高的系统效率和功率密度。主要特点如下：

1)永磁体置于定子，不存在转子永磁式电机高速旋转时永磁体脱落的问题。提高了电机高速运行的结构稳定性和可靠性。

2)永磁体置于定子，便于散热，避免了永磁体的高温去磁，提高了电机运行的稳定性和可靠性。