[发明专利]五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统

说明书

本发明是一种五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统，该系统由两台锥形双定子磁悬浮开关磁阻电机同轴连接，实现转子五个自由度的悬浮和旋转驱动。两个电机的转矩绕组串联在一起，悬浮绕组单独控制，通过对两个电机悬浮绕组的控制，实现四个自由度的径向悬浮。采用锥形转子和锥形内定子，通过锥形角度和电流控制轴向悬浮，简化了系统的整体机电结构，提高了效率和功率密度。其中双定子结构实现了转矩与径向力的解耦。

技术领域

本发明涉及锥形双定子磁悬浮开关磁阻电机，尤其是转子与内定子锥形结构以及双定子结构，属于磁悬浮技术领域。

背景技术

随着社会经济的迅速发展，动力短缺以及能源利用所造成的环境问题愈加严峻，储能技术的研究愈加迫切。储能技术可分为蓄电池储能、超级电容器储能、飞轮储能等。其中飞轮储能利用高速飞轮的升、降速来实现电能与机械能之间的相互转换，是一种清洁无污染的储能方式。磁悬浮电机可用作飞轮电池中的核心部件，不仅可以转换能量，还兼有磁轴承支撑的作用。

传统双绕组磁悬浮开关磁阻电机将磁悬浮技术和开关磁阻电机有机地结合到一起，通过在开关磁阻电机定子极上增加一套额外的绕组，称之为悬浮绕组，打破原有的转子电磁力平衡，通过施加悬浮电流来驱动电机实现稳定悬浮。具有无磨损、无损耗、体积小、轴向利用率高、可超高速运行等优点，在航空航天、飞轮储能、纺织、电动机车、机床、航空航天等高速和超高速领域等领域应用前景广阔。

但是传统双绕组磁悬浮开关磁阻电机转矩绕组和悬浮绕组之间具有强耦合，导致系统控制难度大。许多学者通过不同控制方法实现悬浮力与转矩的解耦控制，但是运行控制难度大，功率成本高。一些学者通过优化电机结构来减小绕组间耦合，如宽-窄极混合定子型磁悬浮开关磁阻电机，可以减弱悬浮力绕组对主绕组的耦合影响，但是径向两自由度悬浮力绕组之间耦合仍然较大。

目前磁悬浮开关磁阻电机只能实现径向悬浮，在系统中需要加入轴向磁轴承来实现五自由度悬浮，而磁轴承不能输出转矩，在一定程度上降低功率密度。同时传统双绕组磁悬浮开关磁阻转矩绕组与悬浮绕组在同一定子极上，对主绕组和悬浮绕组绝缘要求高，绝缘材料导致槽满率降低、电机功率密度减小。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用双定子结构，外定子绕有转矩绕组，内定子绕有悬浮绕组，有效克服悬浮力绕组、主绕组以及径向两自由度悬浮力绕组之间的耦合，简化了数学模型。由于在转子旋转过程中悬浮极与转子的对齐面积始终等于悬浮极齿宽，磁阻不随转子角度变化，因此径向力不随转子位置角变化，克服了传统磁悬浮开关磁阻电机在定转子不对称位置不能产生悬浮力、工作区域平均悬浮力较小的问题。

本发明的技术方案为：

一种五自由度双定子磁悬浮开关磁阻电机系统，包括同轴连接的双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅰ和双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅱ；

所述双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅰ由外定子a1，锥形转子a2，锥形内定子a3，永磁体a4，转矩线圈a6和悬浮线圈a5组成，其中转子a2和内定子a3均为锥形凸极结构，外定子a1为圆柱凸极结构；

所述双定子锥形磁悬浮开关磁阻电机Ⅱ由外定子b13，锥形转子b8，锥形内定子b11，永磁体b9，转矩线圈b7和悬浮线圈b12组成，其中转子b8和内定子b11均为锥形凸极结构，外定子b13为圆柱凸极结构；

外定子a1绕有转矩绕组a6，内定子a3绕有悬浮绕组a5；外定子b13绕有转矩绕组b7，内定子b11绕有悬浮绕组b12；

所述锥形转子a2，锥形内定子a3，锥形转子b8，锥形内定子b11锥角开口角度相同，锥形转子a2和锥形内定子a3开口方向相同，锥形转子b8和锥形内定子b11开口方向相同，定锥形转子a2、锥形内定子a3开口方向和锥形转子b8、锥形内定子b11开口方向相反；所述永磁体a4放置于内定子a3内；所述永磁体b9放置于内定子b11内。