[发明专利]带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机

说明书

本发明是一种带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机，包括转子铁心、转子套筒、定子套筒、定子铁心、永磁体、飞轮，转子铁心、转子套筒与飞轮由内而外同心嵌套成一个整体，定子铁心与定子套筒同心嵌套安装在固定轴上，定子铁心和转子铁心沿轴向按相数分成m段，每相转子铁心内侧等间隔设有12个转子极，每相定子铁心设有8个转矩极和4个悬浮极，转矩极和悬浮极选用极靴齿，转矩极和悬浮极上分别绕有控制线圈，两相定子之间装有轴向充磁永磁体。本发明将悬浮极和转矩极为极靴齿，提高了定子槽空间，有效增强电机转矩密度和悬浮出力，大幅提高永磁体的利用率，降低永磁体用量，达到节约成本，增强出力的效果。

技术领域

本发明磁悬浮开关磁阻电机的技术领域，具体的说是一种带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机。

背景技术

飞轮储能系统是一种机电能量转换的物理储能装置，具备比能量高、比功率大、体积小、寿命长、充放电快、清洁无污染等优点，在航空航天(卫星储能电池，综合动力和姿态控制)、军事(大功率电磁炮)、电力(电力调峰)、通信(不间断电源)、汽车工业(混合动力汽车)等领域有着广阔的应用前景。磁悬浮电机结合磁轴承无接触悬浮与电机旋转双重功能，应用于飞轮储能，可简化系统结构，提高临界转速，在飞轮储能领域具备独特优势。磁悬浮开关磁阻电机(bearingless switched reluctance motors，BSRM)充分保留开关磁阻电机优良特性，同时通过自身径向力的主动控制，进一步改善系统高速性能与运行效率。将其引入飞轮储能，可大幅减小系统体积与损耗，提高悬浮性能、临界转速与功率密度，是飞轮悬浮支承与能量转换的理想选择之一。

20世纪90年代，日本学者Chiba A和Takemoto M等最早开展BSRM研究，提出了12/8极双绕组典型结构，该电机采用双绕组结构，其气隙磁场由载流主绕组和载流悬浮绕组共同作用产生，使得电机悬浮力和电磁转矩呈现强烈的电磁耦合特性，且悬浮力产生存在死区，分析以及控制难度大，这成为制约BSRM进入工程应用的主要瓶颈。近年来，部分学者尝试从电机结构的角度减弱电磁耦合性，提出了双定子、混合转子、混合定子以及永磁偏置等多种结构。这些新结构的提出有效地削弱了电磁耦合问题，然而，用于飞轮电池时，还有诸多不足，如双定子结构不易于电机和飞轮集成化设计，且内外定子绕组存在严重的温升和散热问题，电机高速运行下效率较低；混合转子结构导致电机轴向长度依然较长，飞轮临界转速受限；混合定子以及永磁偏置结构采用外定子结构，电机不易于与飞轮集成一体，且永磁体在外定子侧，消耗永磁材料较多，性价比不高。

为了更好满足飞轮电池集成化、低功耗、高转速运行性能要求，发明专利ZL2016108641243发明了一种轴向分相内定子永磁偏置磁悬浮开关磁阻飞轮电机，该电机采用内定子结构，将电机转子与飞轮合二为一，减小系统体积，提高临界转速；通过轴向分相设计实现四自由度悬浮支承，提高系统的悬浮性能；采用永磁体提供偏置磁通，降低悬浮支承损耗，提升系统效率与功率密度。但是该电机悬浮极和转矩极均采用矩形齿，内定子结构槽空间较小，难以嵌绕更多的转矩绕组和悬浮绕组，导致该电机转矩密度和悬浮出力依然较低，同时该发明所述电机的永磁偏置磁通需要经过由硅钢片轴向叠压而成的定转子铁心，轴向磁路需要频繁经过硅钢片之间的绝缘层，其导磁率低，因此为产生一定的偏置磁通，需要消耗更多的永磁材料，导致永磁体利用率较低，成本增加。

发明内容

为了进一步提高飞轮电池比功率和悬浮性能，节约永磁材料用量，降低成本，提出一种带套筒极靴齿轴向分相永磁式磁悬浮开关磁阻飞轮电机，将悬浮极和转矩极由矩形齿改为极靴齿，提高了定子槽空间，有效增强电机转矩密度和悬浮出力；且定子内侧和转子外侧增设导磁套筒，提高永磁偏置磁路的轴向导磁性能，大幅提高永磁体的利用率，降低永磁体用量，达到节约成本，增强出力的效果。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：