一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机及其电磁性能解析方法 专利技术说明

发电;变电;配电装置的制造技术1.本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机及其电磁性能解析方法。背景技术：2.容错性是无轴承永磁电机的关键电磁性能指标，传统无轴承永磁电机凭借其优异的控制性能、较高的功率密度和效率，在电动汽车飞轮电池、新能源发电和航空电力动力系统等领域得到了日益广泛的应用。在这些应用场合中，对于电机驱动系统的安全性和可靠性的要求越来越高，故障必须及时发现并解决，甚至要求系统能够带故障容错运行。3.磁通反向电机是一种新型双凸极永磁电机，与传统的双凸极永磁电机相比，它把高磁能的永磁体放在定子齿表面，随着转子旋转，定子集中绕组交链的永磁磁通改变极性(即磁通反向)，从而比磁通脉振产生更大的磁通变化，在一定的定子磁动势下能得到更大的转矩。但是过大的噪音、机械摩擦、振动等缺陷也是此类轴承支承的传统磁通反向电机在运行过程中不可避免会产生的。为能够在一定程度上克服上述缺点，气浮轴承、液浮轴承和磁悬浮轴承应运而生。然而直接将磁悬浮轴承与电机进行机械组合，该组合电机需要极大的轴向空间安置，制造成本巨大。与此同时，控制组合电机的系统十分复杂，且可靠性低。这些缺陷极大限制此型高速电机的临界转速，难以在特殊工业生产领域大范围应用。4.目前国内外对双电枢交替极无轴承磁通反向电机的研究尚处在初步的理论分析和样机试验阶段，相关文献还较少，尤其对于双电枢无轴承交替极磁通反向电机更是缺乏相关理论支承。技术实现要素：5.为解决上述问题，本发明公开了一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机，其电枢绕组分别位于定子侧和转子侧，悬浮绕组位于定子侧，有效利用了定子空间。相比于普通无轴承磁通反向电机，本发明电机具有更高的容错性，并且节省了永磁材料。6.具体方案如下：7.一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机，其特征在于：包括定子和转子，其中，永磁体位于定子侧，电枢绕组分别位于定子侧和转子侧，悬浮绕组位于定子侧，转子齿嵌入开槽的非导磁材料转子筒中，定转子的铁心均由硅钢片叠压制成。8.作为本发明的进一步改进，所述双电枢交替极无轴承磁通反向电机的径向主动悬浮力产生原理是依靠励磁磁链与悬浮绕组产生的磁链相互作用实现，其产生条件为：[0009][0010]式中：pa、ps分别为悬浮磁场极对数、励磁磁场极对数；ωa、ωs分别为悬浮磁动势旋转角频率、励磁磁动势旋转角频率；由于双电枢交替极无轴承磁通反向电机结构上长径比较小以及定转子均有转矩绕组的特点，其依靠磁阻力实现轴向和扭转自由度的被动悬浮。该作用效果体现为：当转子发生沿轴向的运动或出现倾斜时，被动回复力或力矩将其拉回至平衡位置。[0011]作为本发明的进一步改进，所述双电枢交替极无轴承磁通反向电机的相数选取为：常规无轴承电机通常是三相结构，此外，还存在单相和其他多相无轴承电机结构。[0012]当相数m满足下式所述条件时，双电枢交替极无轴承磁通反向电机将兼具较好的转矩和悬浮力产生能力:[0013]m＝2k+1or m＝6k，k＝1，2，…(2)[0014]然而，当相数满足下式所述条件时，所设计的双电枢交替极无轴承磁通反向电机呈现出单相电机的转矩特性，导致转矩和悬浮力脉动增加，即[0015]m＝1or m＝2k，k＝1，2，4，5，7，…(3)[0016]因此，为确保无轴承电机的性能，应当按照式(2)选择其相数。[0017]作为本发明的进一步改进，所述悬浮力绕组采用集中式绕组的连接方式，将其分为:i1,i2,i3,i4,i5,i6，共六相，用于产生径向悬浮力；就集成绕组的设计方法而言，在电机槽数较多时，绘制槽矢量星形图将耗费大量的时间和人力，基于槽矢量星形图法给出了可推广的设计流程，该方法具有直观清晰的优点。每相悬浮力绕组由相对位置的两个绕组线圈串联而成，转矩绕组每相都有四个绕组线圈串联而成，这里将其分为：a，b、c，共三相，用于产生转矩。可以发现，abc三相的连接方式是类似的，每相差120°电角度。[0018]一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机的电磁性能解析方法，其特征在于，依次包括：[0019]s1：空载运行时的磁场分析；[0020]s2：只通入转矩绕组电流时的磁场分析；[0021]s3：只通入悬浮力绕组电流时的磁场分析；[0022]s4：同时通入转矩绕组电流与悬浮力绕组电流时的磁场分析。[0023]作为本发明的进一步改进，所述s1中，转矩绕组电流与悬浮力绕组电流设置为零，磁力线在永磁体周围分布密集，所有的定子电枢和转子电枢没有磁力线穿过；双电枢交替极无轴承磁通反向电机的永磁磁通遵循“最小磁阻原理”，穿过定子电枢、气隙、转子电枢以及定子轭部，形成闭合回路，在定子和转子电枢绕组中构成有效匝链；电机不产生转矩和径向悬浮力；永磁体d轴附近的定子齿部磁密略高，定、转子铁心磁密均未达到饱和。[0024]作为本发明的进一步改进，所述s2中，在空载运行的基础上，只在转矩绕组中通入5a的正弦电流，此时绝大部分磁力线仍然穿过气隙、定子电枢和转子电枢部分，并最终和定子轭部形成闭合回路；在带负载的情况下，磁场强度变大，部分磁力线穿过定子电枢转矩绕组，具有较强的永磁磁场。[0025]作为本发明的进一步改进，所述s3中，只通入悬浮力绕组电流为5a时的磁场与空载时相似，没有出现在负载时磁力线穿过定子电枢的现象；由于仅通入悬浮绕组电流，不通入转矩电流，不会产生转矩，仅使原来的永磁磁场发生畸变，获得需要的径向悬浮力；由于较强的永磁磁场的存在，以及转子电枢转矩绕组有部分磁力线穿过，仅能从少数磁力线的走向来判断与空载运行时的区别。[0026]作为本发明的进一步改进，所述s4中，电机中的磁场复杂，有定子电枢和转子电枢转矩绕组电流产生的磁场、定子电枢悬浮力绕组电流产生的磁场以及永磁体产生的永磁磁场；其中，定子电枢和转子电枢转矩绕组电流产生的磁场和永磁体产生的永磁磁场相互作用产生转矩；定子电枢悬浮力绕组电流产生的磁场和永磁体产生的永磁磁场相互作用产生径向悬浮力；该磁场与空载时相比，定子电枢的转矩磁场和悬浮磁场都有所增强，转子电枢转矩绕组产生的转矩磁场有所增强。[0027]本发明的有益效果在于：本发明双电枢交替极无轴承磁通反向电机具有高速、寿命长和动态响应快等特点，在电力节能与储能方面具有独特的优势，相比传统无轴承磁通反向电机，双电枢交替极无轴承磁通反向电机具有较好的容错性；通过从永磁磁场、电枢反应磁场、电磁转矩以及悬浮力四个方面阐明了本发明电机的转矩和悬浮机理，为悬浮力与转矩精确数学模型的建立奠定基础。附图说明[0028]图1为悬浮力绕组的连接方式图。[0029]图2为转矩绕组的连接方式图。[0030]图3为结构设计图。[0031]图4为空载磁力线分布图。[0032]图5为只通入转矩绕组电流时的磁力线分图。[0033]图6为只通入悬浮力绕组电流时的磁力线分布图。[0034]图7为转矩绕组电流和悬浮力绕组电流共同作用时的磁力线分布图。具体实施方式[0035]下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。[0036]本发明提供了一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机，包括定子和转子，其中，永磁体位于定子侧，电枢绕组分别位于定子侧和转子侧，悬浮绕组位于定子侧，转子齿嵌入开槽的非导磁材料转子筒中，定转子的铁心均由硅钢片叠压制成。[0037]本发明的双电枢交替极无轴承磁通反向电机拓扑是由12/14极交替极磁通反向电机演变而来，双电枢交替极无轴承磁通反向电机在传统交替极磁通反向电机的基础上，在其定子齿上附加一套额外的悬浮绕组。并且双电枢交替极无轴承磁通反向电机的永磁体用量相比于传统磁通反向电机减半，且所有永磁体极性相同，永磁体旁的铁磁极靴自动充当另一极的作用。不仅节省了永磁体用量，同时也进一步提升了电机的容错性。[0038]在本实施例中，所述双电枢交替极无轴承磁通反向电机的径向主动悬浮力产生原理是依靠励磁磁链与悬浮绕组产生的磁链相互作用实现，其产生条件为：[0039][0040]式中：pa、ps分别为悬浮磁场极对数、励磁磁场极对数；ωa、ωs分别为悬浮磁动势旋转角频率、励磁磁动势旋转角频率；由于双电枢交替极无轴承磁通反向电机结构上长径比较小以及定转子均有转矩绕组的特点，其依靠磁阻力实现轴向和扭转自由度的被动悬浮。该作用效果体现为：当转子发生沿轴向的运动或出现倾斜时，被动回复力或力矩将其拉回至平衡位置。[0041]在本实施例中，所述双电枢交替极无轴承磁通反向电机的相数选取为：常规无轴承电机通常是三相结构，此外，还存在单相和其他多相无轴承电机结构。[0042]当相数m满足下式所述条件时，双电枢交替极无轴承磁通反向电机将兼具较好的转矩和悬浮力产生能力:[0043]m＝2k+1 or m＝6k，k＝1，2，…(2)[0044]然而，当相数满足下式所述条件时，所设计的双电枢交替极无轴承磁通反向电机呈现出单相电机的转矩特性，导致转矩和悬浮力脉动增加，即[0045]m＝1 or m＝2k，k＝1，2，4，5，7，…(3)[0046]因此，为确保无轴承电机的性能，应当按照式(2)选择其相数。[0047]如图1所示，所述悬浮力绕组采用集中式绕组的连接方式，将其分为:i1,i2,i3,i4,i5,i6，共六相，用于产生径向悬浮力；就集成绕组的设计方法而言，在电机槽数较多时，绘制槽矢量星形图将耗费大量的时间和人力，基于槽矢量星形图法给出了可推广的设计流程，该方法具有直观清晰的优点。每相悬浮力绕组由相对位置的两个绕组线圈串联而成，转矩绕组从图2可以看出每相都有四个绕组线圈串联而成，这里将其分为：a，b、c，共三相，用于产生转矩。可以发现，abc三相的连接方式是类似的，每相差120°电角度。[0048]结合图3，为了更加直观地表示出电机的基本结构参数及其定义，其各参数的详细释义在表1中给出：[0049]表1电机的基本结构参数[0050][0051]本发明双电枢交替极无轴承磁通反向电机的磁场解析：[0052]一、空载运行时的磁场[0053]图4给出了双电枢交替极无轴承磁通反向电机空载运行时的磁场分布图。此时，转矩绕组电流与悬浮力绕组电流设置为零，磁力线在永磁体周围分布较为密集，但是所有的定子电枢和转子电枢并没有磁力线穿过。从图中可以看出，双电枢交替极无轴承磁通反向电机与传统磁通反向电机一样，永磁磁通遵循“最小磁阻原理”，穿过定子电枢、气隙、转子电枢以及定子轭部，从而形成闭合回路，并在定子和转子电枢绕组中构成有效匝链。此时，电机不产生转矩和径向悬浮力。永磁体d轴附近的定子齿部磁密略高，但定、转子铁心磁密均未达到饱和。[0054]二、只通入转矩绕组电流时的磁场[0055]在上述空载运行的基础上，只在转矩绕组中通入5a的正弦电流，此时永磁体产生的永磁磁场与转矩绕组电流产生的电枢磁场叠加如图5所示。从图中可以看到，绝大部分磁力线仍然穿过气隙、定子电枢和转子电枢部分，最终和定子轭部形成闭合回路。在带负载的情况下，磁场强度变大，部分磁力线穿过定子电枢转矩绕组，可见其具有较强的永磁磁场。[0056]三、只通入悬浮力绕组电流时的磁场[0057]图6所示的只通入悬浮力绕组电流为5a时的结果，其磁场与空载时相似，并没有出现在负载时磁力线穿过定子电枢的现象。这主要是由于仅仅通入悬浮绕组电流，并不通入转矩电流，因此不会产生转矩，仅使原来的永磁磁场发生畸变，从而获得需要的径向悬浮力。从图6中同样可以看出，由于较强的永磁磁场的存在，以及转子电枢转矩绕组有部分磁力线穿过，很难直观地判断磁场畸变情况，仅能从少数磁力线的走向来判断与空载运行时的区别。[0058]四、转矩绕组电流与悬浮力绕组电流同时通电时的磁场[0059]图7给出了转矩绕组电流与悬浮力绕组电流同时通入5a电流时的磁力线分布图。此时，电机中的磁场较为复杂，主要有定子电枢和转子电枢转矩绕组电流产生的磁场、定子电枢悬浮力绕组电流产生的磁场以及永磁体产生的永磁磁场。其中，定子电枢和转子电枢转矩绕组电流产生的磁场和永磁体产生的永磁磁场相互作用产生转矩；定子电枢悬浮力绕组电流产生的磁场和永磁体产生的永磁磁场相互作用产生径向悬浮力。该磁场与空载时相比，定子电枢的转矩磁场和悬浮磁场都有所增强，与此同时，也可以看出转子电枢转矩绕组产生的转矩磁场有所增强。[0060]通过详细解析四种不同运行情况下的基本电磁性能，比如空载运行时的磁场，只通入转矩绕组电流时的磁场，只通入悬浮力绕组电流时的磁场，转矩绕组电流与悬浮力绕组电流同时通电时的磁场，验证了本发明电机的合理性及可行性。四种磁场性能的解析既为后续双电枢交替极无轴承磁通反向电机悬浮力与转矩数学模型的建立奠定基础了，也为后续的电机运行控制提供了便利。[0061]本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。









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