一种12/8磁悬浮开关磁阻电机及设计方法

1.本发明涉及一种12/8新结构磁悬浮开关磁阻电机，特指一种悬浮系统与转矩系统相互独立的新结构磁悬浮开关磁阻电机。


背景技术：

2.磁悬浮开关磁阻电机转子上无永磁体和绕组，具有无摩擦磨损、结构简单、坚固，强度高的优点，易于实现高速运行，在高速直接驱动领域极具应用前景。
3.根据磁悬浮开关磁阻电机发展历程，首先研究出一种双绕组的磁悬浮开关磁阻电机，可独立控制绕组，控制策略更加灵活，有效减少了外围驱动电路的复杂性，以及转矩与悬浮之间存在耦合性较高的问题。为简化绕组结构，进一步研究出单绕组磁悬浮开关磁阻电机，由一套绕组同时控制旋转与悬浮，但是该结构的磁悬浮开关磁阻电机系统存在复杂的电流解耦控制问题，计算量大，且控制性能较差。为了进一步简化磁悬浮开关磁阻电机控制系统，进一步研究出多种结构的悬浮磁路与旋转磁路相对独立的新结构磁悬浮开关磁阻电机结构，但是该结构转矩部分和悬浮部分轴向长度必须相等，转矩磁通沿着径向形成较长的闭合路径，由于定子空间同时排列转矩极和悬浮极，悬浮力和转矩之间存在相互制约关系，即既要产生转矩又要产生悬浮力，转矩和悬浮力必然存在最大值和最小值，难以同时满足转矩和悬浮力设计需求。因此本发明提供一种转矩与悬浮部分相互独立设计的新结构磁悬浮开关磁阻电机，并具有悬浮力与转矩无耦合控制简单，易于实现的技术优势。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种转矩与悬浮部分完全独立设计的新结构磁悬浮开关磁阻电机并提供其参数设计方法。
5.本发明通过以下技术方案实现：一种12/8磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：定子（1）与转子（2）铁心均为两段式圆柱形左右对称结构。其中定子包含悬浮铁心（6）与转矩铁心（8），其中悬浮极（6）是由两个铁心（3）和（4）以及一个永磁环（5）构成。在每两个悬浮极（6）之间通过隔磁材料（7）设置有6个轴向安装的转矩极（8），转子（2）外围分布8个转子极（11），悬浮极（6）和转矩极（8）上分别绕制悬浮绕组（9）和转矩绕组（10）。转子极（11）弧与转矩极（8）弧的圆心角皆为22.5
°
，悬浮极（6）弧的圆心角为28
°
。所述转子（2）与定子（1）之间形成气隙（12、13）。
6.进一步的：转矩绕组通路径沿轴向形成闭合路径。
7.进一步的：所述转矩极弧和转子极弧的圆心角相同皆为22.5
°
，转矩极相邻圆心角差为60
°
，转子极相邻的圆心角差为45
°
。悬浮极相邻圆心角差为60
°
，悬浮极弧的圆心角为28
°
。
8.进一步的：悬浮铁心和转矩铁心轴向厚度不等。
9.本发明还提供一种上述12/8磁悬浮开关磁阻电机的设计方法，包括以下步骤：步骤1：按照需求设计合理的定子铁心外径；
步骤2：按照悬浮力需求计算出dflf=f（f），再根据转矩需求计算出d
t
l
t
=f（t），其中df、d
t
分别代表悬浮极内直径和转矩极内直径；步骤3：让两个公式中的df与d
t
相等，可计算出lf与l
t
，最后确定转子轴向厚度r
l
=max（lf，l
t
）。
10.进一步的：所述悬浮力计算公式为：
11.悬浮极总磁通量φ公式：
12.面积sf公式：
13.悬浮极磁感应强度公式：
14.其中g表示气隙长度，m表示悬浮极数目，fm表示磁动势，lf为转子齿极宽，θ表示转子极弧的圆心角，μ0表示真空磁导率，数值一般为4π
×
10-7
（n/a-2
）。
15.进一步的：转矩计算公式为：
16.转矩极磁感应强度公式：。
17.进一步的：令m=2sin(θ/2)(df﹣g)分别计算出转矩铁心与悬浮铁心长度分别为：
18.。
19.进一步的：确定转子度r
l
=max（lf，l
t
）。
20.本发明和现有技术相比有以下优点：一、本发明转矩极沿轴向排列，可有效增大悬浮极面积，提高悬浮力密度；二、本发明转矩与悬浮力的独立控制，使得控制策略更加灵活，控制简单，易于实现；三、转矩和悬浮磁通回路相对独立，实现转矩与悬浮磁通回路的不重合，达到转矩力和悬浮力自然解耦的效果；
四、转矩极和悬浮极轴向长度分别按照转矩和悬浮力需求独立设计，打破了传统磁悬浮开关磁阻电机转矩和悬浮力之间的制约，可以设计出满足任意转矩和悬浮力大小的磁悬浮开关磁阻电机。
附图说明
21.图1为本发明一种新结构磁悬浮开关磁阻电机a-a视图；图2为本发明一种新结构磁悬浮开关磁阻电机b-b视图；图3为本发明一种新结构磁悬浮开关磁阻电机转矩极轴向视图；图4为本发明一种新结构磁悬浮开关磁阻电机悬浮极轴向视图。
具体实施方式
22.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖 直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.本发明通过以下技术方案实现：如图1所示，一种转矩与悬浮部分完全独立设计的12/8新结构磁悬浮开关磁阻电机。所述定子包括两个电机铁芯、六个悬浮齿永磁环（5）、六个隔磁铝块（7）、六个转矩铁芯（x、y、z、u、v、w）、电机的内周分布有六个悬浮齿（a、b、c、d、e、f），悬浮齿之间互差60
˚
，其中悬浮齿ar和a
l
轴线与+x轴对齐，悬浮齿（a、b、c、d、e、f）相对的两个悬浮齿上的绕组同向串联，构成三相对称悬浮绕组（9），且为六角星形连接，绕组均由交流电控制；六个转矩铁芯（x、y、z、u、v、w）每个铁心中间分别通过六个隔磁铝块（7）相连，相邻转矩齿之间互差60
˚
，其中转矩齿yr和y
l
轴线与+y轴对齐，每对轴向转矩齿为沿轴向排列的倒“u”形结构，在该结构上绕制反向串联的转矩绕组（10），且相对的两个转矩齿上绕组相串联或并联，绕组均由交流电控制；转子（2）与中轴（14）相连；所述转子（2）与两个定子铁芯构成相对的双相对称式结构，转子（2）外侧均匀分布转子齿（rr1~rr8；r
l1
~r
l8
），与定子铁芯之间形成气隙（12、13）。
25.所述悬浮齿（a、b、c、d、e、f）弧的圆心角为28
°
，转子齿（r
r1
~r
r8
；r
l1
~r
l8
）弧的圆心角为22.5
˚
，转矩齿（x、y、z、u、v、w）弧的圆心角为22.5
˚
；当悬浮齿ar、dr分别与转子齿r
r8
、r
r4
轴线对齐，且悬浮齿a
l
、d
l
分别与转子齿r
l8
、r
l4
轴线对齐时，转矩齿zr、z
l
上的两个齿逆时针超前转子齿r
r3
、r
l3
的角度为15
°
，转矩齿ur、u
l
上的两个齿逆时针滞后转子齿r
r5
、r
l5
的角度为15
°
，转矩齿vr、v
l
上的两个齿与转子齿r
r6
、r
l6
对齐，转矩齿wr、w
l
上的两个齿逆时针超前转子齿r
r7
、r
l7
的角度为15
°
，转矩齿xr、x
l
上的两个齿逆时针滞后转子齿r
r1
、r
l1
的角度为15
°
，转矩齿yr、y
l
上的两个齿与转子齿r
r2
、r
l2
对齐。
26.ar、br、cr、dr、er、fr上的悬浮绕组与a
l
、b
l
、c
l
、d
l
、e
l
、f
l
上的悬浮绕组同向串联绕制；每对转矩齿为沿轴向排列的倒“u”形结构，在该结构上绕制反向串联的转矩绕组，且相
对的两个转矩齿上绕组相串联或并联。悬浮铁心（a、b、c、d、e、f）、转矩铁心（（x、y、z、u、v、w）由硅钢片叠压而成；转子（2）由整块导磁材料制成。
27.永磁环（5）提供静态偏置磁通（16），静态偏置磁通（16）的磁路为：磁通从永磁环（5）的n极出发，通过悬浮齿（ar、br、cr、dr、er、fr）、外侧气隙（13）、电机铁心（2）、外侧气隙（13）、悬浮齿（a
l
、b
l
、c
l
、d
l
、e
l
、f
l
）、回到永磁环（5）的s极形成闭合路径。
28.三相对称悬浮绕组（9）通电分别产生悬浮控制磁通（15），其磁路为：悬浮齿、气隙、转子齿、悬浮齿，以及电机铁心轭部形成闭合路径。
29.悬浮原理：静态偏置磁通（16）与悬浮控制磁通（15）相互作用，使得与转子偏心方向相同一侧气隙磁场叠加减弱，而相反方向气隙磁场叠加增强，在转子上产生与转子偏移方向相反的力，将转子拉回径向平衡位置。
30.旋转原理：当任意转子齿和转矩极y完全重合时的状态下，转矩齿z和w上的绕组通电，在转矩齿zr、z
l
和wr、w
l
转子下的的气隙、转矩齿zr、z
l
和wr、w
l
下的转子齿之间形成闭合回路的磁通（17），由于转矩齿zr、z
l
和wr、w
l
逆时针超前对应的转子齿15
˚
，闭合磁通产生磁阻力使转子逆时针旋转15
˚
，转矩齿zr、z
l
上的两个齿和wrw
l
上的两个齿分别与对应的转子齿对齐。而此时转矩齿xr（x
l
）上的两个齿和ur（u
l
）上的两个齿分别逆时针超前对应的转子齿15
˚
，然后转矩齿xr（x
l
）和ur（u
l
）上的绕组通电，使转子继续旋转15
˚
，使转矩齿xr（x
l
）和ur（u
l
）与对应的转子齿对齐后，接着转矩齿yr（y
l
）上的两个齿和vr（v
l
）上的两个齿分别逆时针超前对应的转子齿15
˚
，然后转矩齿yr（y
l
）和vr（v
l
）上的绕组通电，使转子继续旋转15
˚
，形成一个通电周期，实现转子连续不断的旋转。
31.转矩极沿轴向排列，可有效增大悬浮极面积，提高悬浮力密度。
32.转矩与悬浮力的独立控制，使得控制策略更加灵活，控制简单，易于实现。
33.转矩和悬浮磁通回路相对独立，实现转矩与悬浮磁通回路的不重合，达到转矩力和悬浮力自然解耦的效果。
34.转矩极和悬浮极轴向长度分别按照转矩和悬浮力需求独立设计，打破了传统磁悬浮开关磁阻电机转矩和悬浮力之间的制约，可以设计出满足任意转矩和悬浮力大小的磁悬浮开关磁阻电机。
35.永磁环（5）采用磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体制成，绕组均采用导电良好的电磁线圈绕制后浸漆烘干而成；电机铁心由硅钢片叠压而成，转子（2）由导磁材料制成。
36.上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种12/8磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：定子（1）与转子（2）铁心均为两段式圆柱形左右对称结构，其中定子包含悬浮铁心（6）与转矩铁心（8），其中悬浮极（6）是由两个铁心（3）和（4）以及一个永磁环（5）构成，在每两个悬浮极（6）之间通过隔磁材料（7）设置有6个轴向安装的转矩极（8），转子（2）外围分布8个转子极（11），悬浮极（6）和转矩极（8）上分别绕制悬浮绕组（9）和转矩绕组（10），转子极（11）弧与转矩极（8）弧的圆心角皆为22.5
°
，悬浮极（6）弧的圆心角为28
°
，所述转子（2）与定子（1）之间形成气隙（12、13）。2.根据权利要求1所述的一种12/8磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：转矩绕组通路径沿轴向形成闭合路径。3.根据权利要求1所述的一种12/8磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：所述转矩极弧和转子极弧的圆心角相同皆为22.5
°
，转矩极相邻圆心角差为60
°
，转子极相邻的圆心角差为45
°
，悬浮极相邻圆心角差为60
°
，悬浮极弧的圆心角为28
°
。4.根据权利要求1所述的一种12/8磁悬浮开关磁阻电机，其特征在于：悬浮铁心和转矩铁心轴向厚度不等。5.一种如权利要求1~4中任一种12/8磁悬浮开关磁阻电机的设计方法，其特征在于：步骤1：按照需求设计合理的定子铁心外径；步骤2：按照悬浮力需求计算出d
f
l
f
=f（f），再根据转矩需求计算出d
t
l
t
=f（t），其中d
f
、d
t
分别代表悬浮极内直径和转矩极内直径；步骤3：让两个公式中的d
f
与d
t
相等，可计算出l
f
与l
t
，最后确定转子轴向厚度r
l
=max（l
f
，l
t
）。6.根据权利要求5所述的一种12/8磁悬浮开关磁阻电机的设计方法，其特征在于：所述悬浮力计算公式为：，悬浮极总磁通量φ公式：，面积s
f
公式：，悬浮极磁感应强度公式：，其中g表示气隙长度，m表示悬浮极数目，f
m
表示磁动势，l
f
为转子齿极宽，θ表示转子极弧的圆心角，μ0表示真空磁导率，数值一般为4π
×
10-7
（n/a-2
）。7.根据权利要求6所述的一种12/8磁悬浮开关磁阻电机的设计方法，其特征在于：转矩计算公式为：，转矩极磁感应强度公式：。8.根据权利要求7所述的一种12/8磁悬浮开关磁阻电机的设计方法，其特征在于：令m=
2sin(θ/2)(d
f
﹣g)分别计算出转矩铁心与悬浮铁心长度分别为：，。9.根据权利要求8所述的一种12/8磁悬浮开关磁阻电机的设计方法，其特征在于：确定转子度r
l
=max（l
f
，l
t
）。

技术总结
本发明公开了本发明公开一种12/8磁悬浮开关磁阻电机及设计方法，定转子铁心均为两段式圆柱形左右对称结构。其中，定子铁心包括悬浮铁心和转矩铁心，两段圆柱形悬浮铁心包括中间插入轴向磁化永磁环，在其内圆周均布有6个悬浮极，在每两个悬浮极之间通过隔磁材料设置有6个轴向安装的转矩极，悬浮极与转矩极上分别绕制悬浮绕组和转矩绕组。双片式转子表面均布8个转子极，转子极弧的圆心角为22.5


技术研发人员：丁祖军 杜云雷 陈果 张涛 叶小婷 丁卫红
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/8/16