[发明专利]一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机

说明书

本发明提供了一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机，包括定子和转子，定子上设有转矩绕组与悬浮力绕组，用于减少绕组耦合，外定子与转子间的气隙为主气隙，内气隙为辅助气隙，定子和转子采用定子永磁型电机的双凸极结构。本发明通过利用功率尺寸方程对双电枢交替极无轴承磁通反向电机进行优化设计，并总结归纳出无轴承电机设计的一般步骤，为以后的电磁分析及参数设计奠定基础；此外还借助有限元分析软件计算分析了双电枢交替极无轴承磁通反向电机的转矩和悬浮力的电磁特性，验证所设计的电机的可行性和有效性，为进一步制定相应的控制策略奠定基础。

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机。

背景技术

过大的噪音、机械摩擦、振动等缺陷是电机转子由轴承支承的传统电机在运行过程中不可避免会产生的。为能够在一定程度上克服上述缺点，在50年代以后气浮轴承、液浮轴承和磁悬浮轴承应运而生。然而直接将磁悬浮轴承与电机进行机械组合,该组合电机需要极大的轴向空间安置，制造成本巨大；与此同时，控制组合电机的系统十分复杂,且可靠性低。这些缺陷极大限制此型高速电机的临界转速，难以在工业生产领域大范围应用。随着永磁材料价格上涨，为了降低电机加工成本，交替极电机结构受到了国内外学者的广泛关注。

交替极结构即把永磁转子(定子)极性相同或相异的永磁体用凸极铁芯替代，该结构不仅可以节约永磁材料，提高其利用率，而且可以保证电机较高的转矩密度。得益于双电枢交替极无轴承磁通反向电机定子齿槽中的绕组是原本磁悬浮轴承中用来产生悬浮力的,使得其完美继承磁悬浮轴承与同步磁阻电机的各自优点。转矩和悬浮力是可以通过控制转矩绕组和悬浮力绕组中的电流而同时产生，因此双电枢交替极无轴承磁通反向电机及其控制系统结构能够更简单，且具有更高的临界转速和更小的体积。

双电枢交替极无轴承磁通反向电机作为定子永磁型无轴承电机的一类典型拓扑，其永磁体、悬浮绕组和转矩绕组均置于定子侧，具有良好的散热性能，尤其适合于飞轮电池磁悬浮支承系统。交替极无轴承磁通反向电机的永磁体结构与表贴式永磁电机相似，交替贴装于定子齿表面，集中式悬浮绕组和转矩绕组均绕置于定子齿上，转子仅由硅钢片构成，结构简单，可实现无刷交流运行，具备运行可靠、实现简单、调磁灵活等特征，因此,双电枢交替极无轴承磁通反向电机在航空航天、生命科学、食品化工、机床加工等领域有着无与伦比的优越性。双电枢交替极无轴承磁通反向电机是一个多变量、非线性、强耦合系统，其悬浮力与电磁转矩之间以及各悬浮力之间都存在着较强的耦合。实现悬浮力与电磁转矩之间以及各悬浮力之间的解耦控制是其能稳定运行的前提。功率尺寸方程对于设计电机前的结构参数至关重要，也是解耦的前提条件。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机，首先分析了双电枢交替极无轴承磁通反向电机拓扑结构及运行机理。然后利用功率尺寸方程对双电枢交替极无轴承磁通反向电机进行优化设计，并总结归纳出无轴承电机设计的一般步骤，为以后的电磁分析及参数设计奠定基础。最后，借助有限元分析软件计算分析了双电枢交替极无轴承磁通反向电机的转矩和悬浮力的电磁特性，验证所设计的电机的可行性和有效性，为进一步制定相应的控制策略奠定基础。

具体方案如下：

一种双电枢交替极无轴承磁通反向电机，其特征在于：包括定子和转子，所述定子上设有转矩绕组与悬浮力绕组，用于减少绕组耦合，实现无刷化励磁，外定子与转子间的气隙为主气隙，匝链绝大部分永磁磁链，内气隙为辅助气隙，定子和转子采用定子永磁型电机的双凸极结构，转子既无绕组也无永磁体，加强了转子的机械一体性。其结合了交替极结构和无轴承结构的优势，不仅节省了永磁体用量，同时也进一步提升了电机的转矩。双电枢交替极无轴承磁通反向电机在传统交替极磁通反向电机的基础上，在其定子齿上附加一套额外的悬浮绕组。并且双电枢交替极无轴承磁通反向电机的永磁体用量相比于传统磁通反向电机减半，且所有永磁体极性相同，永磁体旁的铁磁极靴自动充当另一极的作用。