[发明专利]多相单绕组交替极永磁型无轴承电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种多相单绕组交替极永磁型无轴承电机，适合于高速大功率无轴承交流传动系统，属于采用无轴承技术的磁悬浮电机。

背景技术

永磁型交替极无轴承电机是一种新型的无轴承电机，其转子结构采用磁钢和硅钢片交替分布的形式，其最大的特点是实现转矩性能和悬浮性能的完全解耦，控制较普通无轴承电机简单，悬浮控制无需转子位置信号，近年来受到了学术界广泛的关注。

目前的交替极永磁型无轴承电机均采用两套极对数不同的三相绕组。在大功率传动系统中，受电力电子器件单管容量水平的限制，只能采用功率器件串联或并联的变频器来满足要求，若要实现无轴承运行，就必须采用两套这样的变频器分别给三相转矩绕组和三相悬浮绕组供电。采用这类变频器（如多电平变频器）存在均压、均流困难等问题，只要有一相出现故障，系统就无法正常工作。

多相单绕组无轴承电机为最新研究的一种无轴承电机，其采用一套多相绕组取代传统的两套三相绕组，利用多相电机中不同的控制自由度（平面），分别控制电机的旋转和悬浮。多相单绕组结构中，类比于传统无轴承电机中转矩绕组和悬浮绕组的概念，定义产生电磁转矩的平面为转矩平面，为电机提供悬浮磁场的平面为悬浮平面。该电机具有损耗低、高可靠性、易于实现大功率等优势。

目前还未有采用多相单绕组结构的交替极永磁型无轴承电机见诸报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种多相单绕组交替极永磁型无轴承电机。

多相单绕组交替极永磁型无轴承电机包括定子铁心、转子铁心、转子转轴、转子永磁体、多相绕组，定子铁心中设有一套多相绕组，转子永磁体均为同极性排列，转子永磁体之间的转子铁心被交替极化成相同的另一极性。

所述的多相绕组的设计方法的步骤为：

1）电机相数与转矩平面极对数的选取

设                                               为电机相数，悬浮平面极对数为1，转矩平面极对数为，使电机转矩电流或者悬浮电流产生的反向磁场不产生悬浮力扰动，电机相数和转矩绕组极对数按照下列关系选取，即或者；

2）多相绕组结构的设计

采用相带角的绕组分布形式，每相绕组不再沿圆周对称，其中含有奇次和偶次的各次空间谐波；若选取，则调整绕组节距，使绕组函数的次空间谐波接近为0，若选取，则调整绕组节距，使得绕组函数的次空间谐波接近为0。

本发明采用一台单套多相绕组交流电机和一台多相逆变器，在避免电力电子功率器件的直接串、并联的前提下更易于实现大功率传动。此外，与传统的双绕组交替极永磁型无轴承电机相比，本发明只需一套多相定子绕组，不仅结构简单，更易于嵌线，还具有更高的可靠性，当一相或几相发生故障时可实现容错运行。

附图说明

图1是多相单绕组交替极永磁型无轴承电机结构示意图；

图2是九相单绕组交替极无轴承电机中采用的3-1-1-1绕组结构；

图3是3-1-1-1绕组结构的绕组函数各次空间谐波含量；

图4是九相单绕组无轴承电机的仿真结果，表示电机水平和垂直方向悬浮力与电机转角的关系。

具体实施方式

如图1所示，多相单绕组交替极永磁型无轴承电机包括定子铁心1、转子铁心2、转子转轴3、转子永磁体4、多相绕组5，定子铁心2中设有一套多相绕组5，转子永磁体4均为同极性排列，转子永磁体4之间的转子铁心2被交替极化成相同的另一极性。

所述的多相绕组5的设计方法的步骤为：

1）电机相数与转矩平面极对数的选取

设为电机相数，悬浮平面极对数为1，转矩平面极对数为，使电机转矩电流或者悬浮电流产生的反向磁场不产生悬浮力扰动，电机相数和转矩绕组极对数按照下列关系选取，即或者；

2）多相绕组结构的设计

采用相带角的绕组分布形式，每相绕组不再沿圆周对称，其中含有奇次和偶次的各次空间谐波；若选取，则调整绕组节距，使绕组函数的次空间谐波接近为0，若选取，则调整绕组节距，使得绕组函数的次空间谐波接近为0。

实施例：

一台九相单绕组交替极永磁型无轴承电机，其定子采用一套九相绕组，相邻相差为2π/9电角度；其转矩平面的极对数为4，采用此结构时悬浮电流反向旋转磁场（对应8次谐波）不会产生额外的悬浮力。

为了保证电机绕组函数的基波和4次谐波幅值，提高电机的转矩性能，采用了如图2所示的3-1-1-1的九相单绕组交替极无轴承电机的绕组结构。图2表示一相绕组的绕组函数，此结构不再关于空间对称，含有奇次和偶次的空间各次谐波。