一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机

1.本发明属于电气传动控制设备的技术领域，尤其是一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机。


背景技术：

2.随着现代工业的发展，电机的应用越来越广，种类越来越多，其要求也越来越高。针对采用机械轴承的普通感应电机存在的摩擦损耗和速度范围较小的缺陷，磁悬浮电机应运而生。磁悬浮异步电机是根据磁轴承与电机产生电磁力原理的相似性，把磁轴承中产生径向力的绕组安装在电机定子上，通过解耦控制实现对电机转矩和径向悬浮力的独立控制。磁悬浮异步电机既继承了传统异步电机结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小等优点外，还兼顾磁悬浮电机无摩擦磨损、无需润滑、无污染的优势。
3.由于磁悬浮异步电机的气隙长度较小，当受到外部力干扰时，很容易发生定转子相撞，严重时会造成事故。因此，如何减小电机转子抖振，提高悬浮控制精度是磁悬浮异步电机研究与发展的最基础问题。
4.造成无轴承异步电机抖振的原因主要包括由不平衡磁拉力引起的转子振动以及谐波引起的转子振动。中国专利申请号为cn201510461711.3，名称为：基于电流补偿的无轴承异步电机不平衡振动控制系统，在d，q坐标系中，将随机位移控制电流给定信号、与不平衡振动补偿控制电流给定信号进行比较，经过磁悬浮控制原系统处理后送入无轴承异步电机的三相磁悬浮控制绕组，将合成磁悬浮控制电流给定信号作为解耦控制变量输出，最后实现磁悬浮异步电机不平衡振动电流补偿控制。中国专利申请号为cn202110323970.5，名称为：一种无轴承异步电机转子不平衡振动补偿控制方法，利用具有方向性的可变步长参数替代pd迭代算法中的定步长参数，以快速搜寻最佳补偿值，最终实现转子振动的快速有效抑制。以上两种方法都是针对由不平衡磁拉力引起的转子振动问题。
5.在目前已有的研究中，磁悬浮电机都是直接忽略了谐波影响，认为只有基波间能产生悬浮力。实际上，磁悬浮电机的理想气隙波形是一个方波，可以通过傅里叶分解得到基波和一系列高次谐波。在这些高次谐波之间，只要满足转矩绕组的极对数和悬浮力绕组的极对数相差为1，即可产生悬浮力。最终导致电机实际的悬浮力与理论推导的结果直接产生偏差。同时由于谐波之间的相互作用，直接影响磁悬浮电机的控制精度，造成转子抖动问题。


技术实现要素：

6.为了解决传统三相磁悬浮异步电机中由谐波引起的转子振动问题，本发明提出了一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机。该电机结构设计可以有效地削弱谐波影响。
7.本发明所采用的技术方案如下：
8.一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机，包括定子铁芯，所述定子铁芯上相间开设深梨型槽和浅梨型槽，在所述深梨型槽内沿径向向外依次嵌入一套悬浮力绕组和一套
转矩绕组，所述浅梨型槽嵌入一套转矩绕组。
9.进一步，所述悬浮力绕组的极对数为1。
10.进一步，所述转矩绕组的极对数为2。
11.进一步，深梨型槽的个数为n
深
，浅梨型槽的个数为n
浅
，且转矩绕组的定子槽数z1＝n
深
+n
浅
，悬浮力绕组的定子槽数z2＝n
深
。
12.进一步，确定转矩绕组的定子槽数z1和悬浮力绕组的定子槽数z2的方法：
13.首先谐波悬浮力中引入各次谐波的绕组因数，对传统三相无轴承异步电机的悬浮力幅值进行修正；基于修正后的悬浮力幅值方程分别定义四个变量k
z1-、k
z1+
、k
z2-和k
z2+
，其中，变量k
z1-、k
z1+
与转矩绕组的定子槽数z1和n有关，变量k
z2-和k
z2+
与悬浮力绕组的定子槽数z2和n有关；
14.设定转矩绕组的定子槽数z1，对在不同悬浮力绕组定子槽数z2下的变量k
z2-和k
z2+
计算结果进行正负判定，选取能让悬浮力绕组各次谐波悬浮力系数呈正负相间的z2值。
15.进一步，修正后的悬浮力幅值表示为：
[0016][0017]
其中，f
mt(
±
1)
代表传统单相磁悬浮异步电机的悬浮力幅值，代表修正后的悬浮力幅值；n为自然数，k
n1(6n-1)
和k
n1(6n+1)
分别是转矩绕组6n-1次谐波和6n+1次谐波对应的系数项。k
n2(12n-1)
和k
n2(12n+1)
分别是悬浮力绕组12n-1次谐波和12n+1次谐波对应的系数项。
[0018]
进一步，四个变量k
z1-、k
z1+
、k
z2-和k
z2+
分别表示为：
[0019][0020][0021]
其中，z1为转矩绕组的定子槽数，z2悬浮力绕组定子槽数。
[0022]
进一步，定子铁芯由硅钢片叠压而成。
[0023]
进一步，在定子铁芯上进行转矩绕组和悬浮力绕组绕线。
[0024]
本发明的有益效果：
[0025]
1、本发明设计了一种新型的由深梨型槽和浅梨型槽相间分布的双梨型槽定子铁芯结构，可以嵌入不同槽数的转矩绕组和悬浮力绕组。该铁芯结构简单，易于工业生产加工。
[0026]
2、本发明在传统的采用分布绕组的三相磁悬浮异步电机悬浮力方程中引入各次谐波悬浮力的绕组因数，并得各次到谐波悬浮力分量。该发明对传统悬浮力方程进行修正，使其更接近于电机运行工况，提升了控制系统的精度。
[0027]
3、本发明利用每项谐波悬浮力的系数的正负关系，提出了最优悬浮力绕组定子槽数的选取方法。选取的最优悬浮力定子槽数可以有效地减小电机谐波影响，进而改善分布式三相磁悬浮异步电机转子抖动问题。
附图说明
[0028]
图1是本发明定子铁芯上的深梨型槽口和浅梨型槽口对比图。
[0029]
图2是本发明的分布式三相磁悬浮异步电机定子铁芯结构图。
具体实施方式
[0030]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]
本发明所采用的技术方案如下：
[0032]
本技术设计出了一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机，包括定子铁芯，定子铁芯上相间开设深梨型槽和浅梨型槽，在深梨型槽内沿径向向外依次嵌入一套悬浮力绕组和一套转矩绕组，浅梨型槽嵌入一套转矩绕组。深梨型槽的个数为n
深
，浅梨型槽的个数为n
浅
，且转矩绕组的定子槽数z1＝n
深
+n
浅
，悬浮力绕组的定子槽数z2＝n
深
。
[0033]
本技术目的在于确定三相磁悬浮异步电机转矩绕组的定子槽数z1并找到可以削弱电机谐波悬浮力影响的悬浮力绕组的定子槽数z2。本例针对转矩绕组极对数为2，悬浮力绕组极对数为1的磁悬浮异步电机，具体步骤如下。
[0034]
第一步列写出转矩绕组和悬浮力绕组的基波和6n
±
1次谐波的极对数，其中n为自然数，如下表所示。
[0035]
n01234
…
p1210 1422 2634 3846 50
…
p215 711 1317 1923 25
…
[0036]
根据磁悬浮异步电机的悬浮条件(转矩绕组磁场的极对数和悬浮力绕组磁场的极对数相差1)可知，转矩绕组5次谐波和悬浮力绕组的11次谐波之间能产生悬浮力，转矩绕组7次谐波和悬浮力绕组的13次谐波之间能产生悬浮力，以此类推，得到能产生悬浮力的两套绕组的所有谐波次数。
[0037]
进一步，在谐波悬浮力中引入各次谐波的绕组因数，对传统三相无轴承异步电机的悬浮力幅值进行修正，修正后的悬浮力幅值方程如下所示。
[0038][0039]
其中，f
mt(
±
1)
代表传统单相磁悬浮异步电机的悬浮力幅值，代表修正后的悬浮力幅值。n为自然数，k
n1(6n-1)
和k
n1(6n+1)
分别是转矩绕组6n-1次谐波和6n+1次谐波对应的系数项。k
n2(12n-1)
和k
n2(12n+1)
分别是悬浮力绕组12n-1次谐波和12n+1次谐波对应的系数项。
[0040]
根据电机学理论可知，电机绕组的绕组因数由节距因数和分布因数相乘而得，其中节距因数和分布因数分别为：
[0041][0042][0043]
其中，k
dm
为绕组第m次谐波的节距因数，k
pm
为绕组第m次谐波的分布因数，α为槽距角，β为短距角。
[0044]
结合式(2)、(3)，对于转矩绕组极对数为2，悬浮力绕组极对数为1的磁悬浮异步电机，式(1)中的绕组因数可转化为
[0045][0046]
其中，α1为转矩绕组的槽距角，α2为悬浮力绕组的槽距角；β1为转矩绕组的短距角，β2为悬浮力绕组的短距角，z2为悬浮力绕组的定子槽数。
[0047]
由于磁悬浮异步电机的转矩绕组和悬浮力绕组都采用单层绕组，故β1＝β2＝0。
[0048]
对(4)进一步化简可得
[0049][0050]
其中，k
n(n-1)
和k
n(n+1)
为两个常数。
[0051]
进一步定义四个变量k
z1-、k
z1+
、k
z2-和k
z2+
，其中
[0052][0053][0054]
其中，z1为转矩绕组的定子槽数，n为自然数。
[0055]
进一步，确定转矩绕组的定子槽数。本例中取z1＝24。
[0056]
进一步，列写出k
z1-、k
z2-、k
z1+
和k
z2+
在z1＝24和不同悬浮力绕组定子槽数下的计算结果，如下表所示。
[0057][0058][0059]
上述表格中，z1对应的每格中/前代表k
z1-的计算结果，每格中/后代表k
z1+
的计算结果；z2对应的每格中/前代表k
z2-的计算结果，每格中/后代表k
z2+
的计算结果；
[0060]
进一步，对k
z1-、k
z2-、k
z1+
和k
z2+
在不同悬浮力绕组定子槽数下的计算结果进行正负判定。判定结果如下所示。
[0061][0062]
其中，+代表判定结果为正，-代表判定结果为负。
[0063]
进一步，结合上表正负判定结果，当取z2＝12，使得转矩绕组和悬浮力绕组各次谐波悬浮力系数呈正负相间，进而削弱谐波影响。
[0064]
由于设计出满足转矩绕组定子槽数和悬浮力绕组定子槽数的新型定子铁芯结构。
[0065]
第一步，设计出深梨型槽和浅梨型槽，如图1所示。
[0066]
进一步，将深梨型槽内划分外内外两层，如图1左侧槽所示。内层1处嵌入转矩绕组、外层25处嵌入悬浮力绕组。浅梨型槽只有一层，深度约为深梨型槽的一半，如图1右侧槽所示，内层2处嵌入转矩绕组。
[0067]
进一步，将整个定子铁芯采用上述深梨型槽和浅梨型槽，如图2所示。
[0068]
最后，在设计出的定子铁芯上进行转矩绕组和悬浮力绕组绕线，具体步骤如下。
[0069]
第一步，进行转矩绕组绕线。如图1所示的一种可削弱谐波影响的分布式三相磁悬浮异步电机的铁芯，定子槽内层1、2、13、14、7、8、19、20处嵌入绕组a1，定子槽内层23、24、11、10、17、18、5、6处嵌入绕组b1，定子槽内层21、22、9、10、15、17、3、4处嵌入绕组c1，a1、b1、c1接入转矩绕组三相电压源。
[0070]
进一步，进行悬浮力绕组绕线。如图1所示的一种可削弱谐波影响的三相磁悬浮异步电机的铁芯，定子槽外层25、26、31、32处嵌入绕组a2，定子槽内层35、36、29、30处嵌入绕组b2，定子槽内层33、34、27、28处嵌入绕组c2，a2、b2、c2接入悬浮力绕组三相电压源。
[0071]
旋转原理是：给所述分布式三相磁悬浮异步电机的转矩绕组施加额定电流，定子内层产生2对极旋转磁场。转子槽内的轴向导条相对切割所述旋转磁场，在闭合转子导条内产生感应电流，进一步转子感应电流在旋转磁场中产生洛伦兹力，进而产生作用于转子导条的电磁转矩，带动电机转子旋转。
[0072]
悬浮原理是：给所述分布式三相磁悬浮异步电机的悬浮力绕组施加额定电流，定子外层产生1对极旋转磁场，与转矩绕组产生的2对极磁场满足极对数相差1的关系，两者相互作用，产生麦克斯韦不平衡磁拉力。根据向量的点乘和叉乘原则将悬浮力绕组电流分解到d、q轴，通过改变d、q轴电流实现电机悬浮。
[0073]
谐波削弱原理是：
[0074]
在本例中，首先选取转矩绕组定子槽数为24。通过对不同悬浮力绕组定子槽数下谐波悬浮力系数的正负判定，最终选取悬浮力绕组定子槽数为12。
[0075]
当n为奇数时，k
n1(6n-1)kn2(12n-1)
与k
n1(6n-1)kn2(12n-1)
的计算结果为一正一负，可以使得式(1)中谐波悬浮力的分量项与相互抵消，进而削弱n为奇数时的谐波悬浮力。当n为偶数时，与k
n1(12n-1)kn2(24n-1)
+k
n1(12n+1)kn2(24n+1)
的计算结果为一正一负，使得式(1)中谐波悬浮力的分量项与相互抵消，进而削弱n为偶数时的谐波悬浮力。
[0076]
本实施例中，所提到的梨型是指自定子槽开口端向内，逐渐变宽，类似梨型。
[0077]
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机，其特征在于，包括定子铁芯，所述定子铁芯上相间开设深梨型槽和浅梨型槽，在所述深梨型槽内沿径向向外依次嵌入一套悬浮力绕组和一套转矩绕组，所述浅梨型槽嵌入一套转矩绕组。2.根据权利要求1所述的一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机，其特征在于，所述悬浮力绕组的极对数为1。3.根据权利要求1所述的一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机，其特征在于，所述转矩绕组的极对数为2。4.根据权利要求1所述的一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机，其特征在于，深梨型槽的个数为n
深
，浅梨型槽的个数为n
浅
，且转矩绕组的定子槽数z1＝n
深
+n
浅
，悬浮力绕组的定子槽数z2＝n
深
。5.根据权利要求1所述的一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机，其特征在于，确定转矩绕组的定子槽数z1和悬浮力绕组的定子槽数z2的方法：首先谐波悬浮力中引入各次谐波的绕组因数，对传统三相无轴承异步电机的悬浮力幅值进行修正；基于修正后的悬浮力幅值方程分别定义四个变量k
z1-、k
z1+
、k
z2-和k
z2+
，其中，变量k
z1-、k
z1+
与转矩绕组的定子槽数z1和n有关，变量k
z2-和k
z2+
与悬浮力绕组的定子槽数z2和n有关；设定转矩绕组的定子槽数z1，对在不同悬浮力绕组定子槽数z2下的变量k
z2-和k
z2+
计算结果进行正负判定，选取能让悬浮力绕组各次谐波悬浮力系数呈正负相间的z2值。6.根据权利要求5所述的一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机，其特征在于，修正后的悬浮力幅值表示为：其中，f
mt(
±
1)
代表传统单相磁悬浮异步电机的悬浮力幅值，代表修正后的悬浮力幅值；n为自然数，k
n1(6n-1)
和k
n1(6n+1)
分别是转矩绕组6n-1次谐波和6n+1次谐波对应的系数项。k
n2(12n-1)
和k
n2(12n+1)
分别是悬浮力绕组12n-1次谐波和12n+1次谐波对应的系数项。7.根据权利要求5所述的一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机，其特征在于，四个变量k
z1-、k
z1+
、k
z2-和k
z2+
分别表示为：分别表示为：其中，z1为转矩绕组的定子槽数，z2为悬浮力绕组定子槽数。
8.根据权利要求1-7中任意一项权利要求所述的一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机，其特征在于，定子铁芯由硅钢片叠压而成。9.根据权利要求8所述的一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机，其特征在于，在定子铁芯上分别进行转矩绕组和悬浮力绕组绕线。

技术总结
本发明公开了一种双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机，首先在谐波悬浮力中引入各次谐波的绕组因数，对传统三相磁悬浮异步电机的悬浮力模型进行修正。然后对谐波悬浮力的各次系数项进行正负判定。接着优化得到可以使得各次谐波悬浮力系数呈正负相间的转矩绕组和悬浮力绕组的定子槽数。最后设计出深梨型槽内嵌入两套绕组、浅梨型槽内嵌入一套绕组的新型定子铁心结构，本发明所设计的双梨型槽分布式三相磁悬浮异步电机可以有效地削弱谐波影响。磁悬浮异步电机可以有效地削弱谐波影响。磁悬浮异步电机可以有效地削弱谐波影响。


技术研发人员：杨泽斌 丁琪峰 孙晓东 沈子钧 苏严龙
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/24