一种永磁偏置型无轴承开关磁阻电机

1.本技术属于电机技术领域，具体涉及一种永磁偏置型无轴承开关磁阻电机。
2.

背景技术：

3.高速开关磁阻电机作为高速电机的一种，因具有结构简单、成本低、控制灵活等优点在鼓风机、压缩机、离心机、储能飞轮等高速驱动装备领域具有广阔的应用前景。传统高速开关磁阻电机转轴由机械轴承支承，而机械轴承高速旋转时磨损发热严重，导致机械轴承寿命大幅减小，进而降低电机系统的可靠性。虽然现有高速开关磁阻电机通过磁轴承技术解决了机械轴承磨损发热问题，但现有的磁轴承在电机中不产生任何转矩，且它的存在增加了电机轴向长度，致使转子临界转速降低，导致电机的输出功率密度难以进一步提高。
4.无轴承开关磁阻电机将无轴承和开关磁阻电机技术相结合，其不仅具有无轴承电机的优点，而且继承了开关磁阻电机的优良特性。然而，传统无轴承开关磁阻电机都是从普通开关磁阻电机的基础上演变而来，其产生转矩的区域与产生悬浮力的区域相互重叠，导致产生转矩的区域和产生悬浮力的区域不能充分利用，这不仅降低了电机的输出转矩密度和过载能力，而且降低了电机的悬浮控制性能。此外，传统无轴承开关磁阻电机为产生悬浮力，需要在绕组中通入励磁电流来产生偏置磁场，导致电机的损耗增大，效率降低。


技术实现要素：

5.因此，本技术要解决的技术问题在于提供一种永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，能够解决现有无轴承开关磁阻电机因产生转矩的区域与产生悬浮力的区域相互重叠、需要在绕组中通入励磁电流来产生偏置磁场，导致电机的输出转矩密度、过载能力、悬浮控制性能以及效率降低的问题。
6.为了解决上述问题，本技术提供了一种永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，包括第一定子、转子和第二定子，所述第二定子嵌入第一定子的内侧，转子位于第一定子和第二定子之间，第一定子与转子之间以及转子与第二定子之间均设置有气隙，以使转子在第一定子和第二定子之间转动；第一定子采用混合定子极结构；转子采用圆筒形结构；第二定子采用凸极结构，其中，凸极结构包括永磁体块、第二定子铁芯和悬浮绕组线圈，第二定子铁芯上设置有四个凸极，悬浮绕组线圈分别缠绕在第二定子铁芯的四个凸极上，永磁体块均设置在第二定子铁芯的四个凸极表面或沿着第二定子铁芯周向方向均匀嵌入在第二定子铁芯内。
7.可选的，所述转子采用圆筒形结构，圆筒形结构包括转子块、转子隔磁环和环形铁芯，转子块的数量为十个，转子块沿着转子隔磁环的周向方向均匀等间距嵌入在转子隔磁环的外侧，环形铁芯嵌在转子隔磁环的内侧，从而使转子隔磁环将转子与第一定子之间产
生的磁通以及转子与第二定子之间产生的磁通分隔开；其中，转子块的形状为扇形，十个转子块的大小和形状均相同，转子的内表面和外表面均光滑。
8.可选的，所述永磁体块均设置在第二定子铁芯的四个凸极表面上包括：四个永磁体块分别贴附在第二定子铁芯的四个凸极表面上，且四个永磁体块采用径向充磁。
9.可选的，所述永磁体块沿着第二定子铁芯周向方向均匀嵌入在第二定子铁芯内包括：四个永磁体块沿第二定子铁芯周向方向均匀嵌入在第二定子铁芯中，四个永磁体块均位于两个凸极之间的中心线上，且四个永磁体块采用周向充磁。
10.可选的，第二定子铁芯直径上相对设置的两个永磁体块的充磁方向相同，而相邻的两个永磁体块的充磁方向相反。
11.可选的，所述悬浮绕组线圈匝数相同，且均为集中式绕组。
12.可选的，所述第一定子采用混合定子极结构，混合定子极结构包括励磁极和辅助极，励磁极和辅助极均由第一定子的内壁沿径向方向向内侧延伸形成，其中，励磁极和辅助极的数量均为六个，且大小和形状均相同；六个励磁极和六个辅助极均沿着第一定子的周向方向交叉等间距设置在第一定子的内侧，其中，励磁极的极弧宽度等于相邻转子块之间的极弧宽度与两倍辅助极的极弧宽度之和。
13.可选的，六个所述励磁极上分别缠绕转矩绕组线圈，且所有转矩绕组线圈的缠绕方向一致，其中，转矩绕组线圈的匝数相同，且均为集中式绕组；六个所述辅助极上不嵌有任何物体。
14.可选的，所述第一定子的直径上相对设置的两个所述励磁极上的转矩绕组线圈相连构成一相。
15.可选的，所述第一定子、转子块、环形铁芯以及第二定子铁芯的制作材料均采用具有导磁性能的材料；转子隔磁环的制作材料采用不具有导磁性能的材料；转矩绕组线圈以及悬浮绕组线圈的制作材料均采用具有导电性能的铜线；永磁体块的制作材料采用具有剩磁密度的永磁体。
16.有益效果本发明的实施例中所提供的一种永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，通过转子在第一定子和第二定子之间转动，转子上的十个转子块以及环形铁芯分别与第一定子和第二定子构成转矩单元电机和悬浮力单元电机，再加以转子隔磁环的配合，与传统无轴承开关磁阻电机相比，实现了产生转矩区域与产生悬浮力区域的分离，提高了产生转矩区域与产生悬浮力区域的利用率，缩短了磁通流通路径，增加了磁通利用率，改变了偏置磁场产生方式，降低了电机的铜耗、铁耗和风摩损耗，从而提高了电机的输出转矩密度、过载能力、悬浮控制性能以及工作效率。
17.附图说明
18.图1为本技术实施例的永磁偏置型无轴承开关磁阻电机总体结构示意图；
图2为本技术实施例的第一定子的结构示意图；图3为本技术实施例的转子的结构示意图；图4为本技术实施例的第二定子结构一示意图；图5为本技术实施例的第二定子结构二示意图；图6为本技术实施例的永磁偏置型无轴承开关磁阻电机整体装配状态一结构示意图；图7为本技术实施例的永磁偏置型无轴承开关磁阻电机整体装配状态二结构示意图；图8为本技术实施例的转矩绕组线圈供电的磁通路径示意图；图9为本技术实施例的第二定子结构一的悬浮绕组线圈供电磁通路径示意图；图10为本技术实施例的第二定子结构二的悬浮绕组线圈供电磁通路径示意图。
19.附图标记表示为：1、第一定子；10、励磁极；11、辅助极；2、转子；20、转子块；21、转子隔磁环；22、环形铁芯；3、第二定子；30、永磁体块；31、第二定子铁芯；32、悬浮绕组线圈；4、转矩绕组线圈。
[0020] 具体实施方式
[0021]
结合参见图1至图10所示，根据本技术的实施例，一种永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，包括第一定子1、转子2和第二定子3，第二定子3嵌入第一定子1的内侧，转子2位于第一定子1和第二定子3之间，第一定子1与转子2之间以及转子2与第二定子3之间均设置有气隙，以使转子2在第一定子1和第二定子3之间转动；第一定子1采用混合定子极结构；转子2采用圆筒形结构；第二定子3采用凸极结构，其中，凸极结构包括永磁体块30、第二定子铁芯31和悬浮绕组线圈32，第二定子铁芯31上设置有四个凸极，悬浮绕组线圈32分别缠绕在第二定子铁芯31上的四个凸极上，永磁体块30均设置在第二定子铁芯31上的四个凸极表面上或沿着第二定子铁芯31周向方向均匀嵌入在第二定子铁芯31内。通过转子2在第一定子1和第二定子3之间转动，转子2上的十个转子块20以及环形铁芯22分别与第一定子1和第二定子3构成转矩单元电机和悬浮力单元电机，再加以转子隔磁环21的配合，所述永磁偏置型无轴承开关磁阻电机改变了传统无轴承开关磁阻电机的磁通流通路径以及偏置磁场产生方式，实现了产生转矩区域与产生悬浮力区域的分离，提高了产生转矩区域与产生悬浮力区域的利用率，增加了磁通利用率，降低了电机的铜耗、铁耗和风摩损耗，从而提高了电机的输出转矩密度、过载能力、悬浮控制性能以及工作效率。
[0022]
进一步的，第一定子1、转子2和第二定子3由外向内依次同轴嵌套，且第一定子1与转子2之间以及转子2和第二定子3之间均留有等间隙的气隙，实现转子2在第一定子1和第二定子3之间转动。
[0023]
如图2、图6和图7所示，第一定子1采用混合定子极结构，包括六个形状大小相同的
励磁极10和六个形状大小相同的辅助极11。六个励磁极10沿着第一定子1的内侧圆周方向均匀分布，六个辅助极11均匀分布在各励磁极10之间，励磁极10与辅助极11均为第一定子1由内壁沿径向方向向内延伸而形成。其中，励磁极10的极弧宽度等于相邻转子块20之间的极弧宽度与两倍辅助极11的极弧宽度之和。
[0024]
进一步的，每个励磁极10上均缠绕转矩绕组线圈4，而每个辅助极11上均没有绕组线圈。其中，转矩绕组线圈4匝数均相同，且均采用集中绕组。其中，轴心对称的两个励磁极10上的转矩绕组线圈4串联构成一相，即第一定子1的直径上相对设置的两个励磁极10上的转矩绕组线圈4相连构成一相。
[0025]
如图3、图6和图7所示，转子2采用圆筒形结构，包括十个形状大小相同的转子块20、转子隔磁环21和环形铁芯22。十个转子块20均匀嵌入在转子隔磁环21的外侧，环形铁芯22嵌在转子隔磁环21的内侧。其中，转子隔磁环21不仅起固定转子块20和环形铁芯22的作用，而且可分离转矩绕组线圈4和悬浮绕组线圈32产生的磁通，从而实现产生转矩与产生悬浮力区域的分离。同时，转子2的内外表面光滑，没有任何凸起，可使转子在任意旋转位置下均可产生稳定的悬浮力，解决了传统无轴承开关磁阻电机因产生转矩的区域与产生悬浮力的区域相互重叠，导致产生转矩的区域和产生悬浮力的区域不能充分利用，进而使电机的输出转矩密度和悬浮控制性能下降的问题。此外，与传统无轴承开关磁阻电机的转子结构相比，转子2结构可有效减小电机高速旋转时产生的风摩损耗，有利于提高电机的工作效率。
[0026]
进一步的，转子2采用十个转子块20，可以减小电机的步长，并能保证与励磁极10同时重叠的所有转子块20产生的转矩波形一致，从而使电机具有较强的过载能力。
[0027]
如图4、图5、图6和图7所示，第二定子3采用凸极结构，包括四个形状大小相同的永磁体块30、内定子铁芯31和四个匝数相同的悬浮绕组线圈32。
[0028]
作为一种实施方式，永磁体块30均设置在第二定子铁芯31上的四个凸极上包括：四个永磁体块30分别贴附在第二定子铁芯31的四个凸极上，用于产生偏置磁场，且四个永磁体块30采用径向充磁，但充磁方向不一致，其中，第二定子铁芯31直径上相对设置的两个永磁体块30的充磁方向相同，而相邻的两个永磁体块30的充磁方向相反，即轴心对称的两个永磁体块30的充磁方向相同，而周向相邻的两个永磁体块30的充磁方向相反。
[0029]
作为又一种实施方式，永磁体块30沿着第二定子铁芯31周向方向均匀嵌入在第二定子铁芯31内包括：四个永磁体块30沿第二定子铁芯31周向方向均匀嵌入在第二定子铁芯31中，用于产生偏置磁场，四个永磁体块30均位于两个凸极之间的中心线上，且四个永磁体块30均采用周向充磁。其中，第二定子铁芯31直径上相对设置的两个永磁体块30的充磁方向相同，而相邻的两个永磁体块30的充磁方向相反，即轴心对称的两个永磁体块30的充磁方向相同，周向相邻的两个永磁体块30的充磁方向相反。
[0030]
采用永磁体块30替代传统无轴承开关磁阻电机中的励磁电流来产生偏置磁场，可有效减少电机的铜耗，进而提高整个电机系统的工作效率。此外，采用永磁体块30可以减少悬浮绕组匝数，进而减小悬浮力单元电机的体积、增大转矩单元电机的体积，从而可进一步增加电机的输出转矩密度。
[0031]
进一步的，四个悬浮绕组线圈32分别缠绕在第二定子铁芯31的四个凸极上，用于控制悬浮力。
[0032]
进一步的，四个悬浮绕组线圈32均采用集中绕组结构，且在每个凸极上的缠绕方向相同。此外，第二定子3的直径上相对设置的两个凸极上的悬浮绕组线圈32串联构成一相，即轴心对称的两个凸极上的悬浮绕组线圈32串联构成一相。
[0033]
如图8所示，当给一相转矩绕组线圈4供电时，其产生的磁通流通路径如图中长虚线所示。由于转子隔磁环21的作用，转矩绕组线圈4产生的磁通不会进入到环形铁芯22和第二定子3中。与传统无轴承开关磁阻电机中的长磁通路径相比，该磁通路径较短，可有效减小漏磁通，提高磁通利用率，进而提高电机的输出转矩密度。同时，当转矩绕组电流由一相换到另一相时，第一定子1中不存在逆转磁通，这有利于减小铁芯损耗，进一步提高电机效率。
[0034]
如图9和图10所示，转子2处于平衡位置，当悬浮绕组不通电时，电机中仅存在永磁体块30产生的磁通，其磁通路径如图中长虚线所示。此时，电机气隙中的磁场均匀对称分布，电机不产生悬浮力。当给一相悬浮绕组线圈32通电时，悬浮绕组线圈32产生的磁通流通路径如图中点虚线所示。此时，悬浮绕组线圈32产生的磁通与永磁体块30产生的磁通共同存在于电机当中，它们相互作用，导致气隙中的磁场分布不对称，从而产生悬浮力，因此可通过控制悬浮绕组线圈32中的电流大小及方向来产生所需的悬浮力。此外，由于转子隔磁环22的作用，不论第二定子3中永磁体块30设置在第二定子铁芯31的四个凸极表面上或沿着第二定子铁芯31周向方向均匀嵌入在第二定子铁芯31内，永磁体块30和悬浮绕组线圈32产生的磁通均不会进入到转子块20和第一定子1中。
[0035]
进一步的，第一定子1、转子块20、环形铁芯22以及第二定子铁芯31的制作材料均采用导磁性能良好的电工薄钢板，如电工纯铁，电工硅钢片dw350、dr470、dr510、35pn440、35pn210和m19等磁性材料，冲压叠制而成；转子隔磁环21的制作材料采用非导磁材料制成，如铝、钢、钛合金等；转矩绕组线圈4以及悬浮绕组线圈32的制作材料均采用导电性能良好的铜线绕制后浸漆烘干而成；永磁体块30的制作材料采用剩磁密度较高的钕铁硼ndfeb、钐钴(smco)或铝镍钴alnico永磁体。
[0036]
本技术通过转子2在第一定子1和第二定子3之间转动，转子2上的十个转子块20以及环形铁芯22分别与第一定子1和第二定子3构成转矩单元电机和悬浮力单元电机，再加以转子隔磁环21的配合，实现了产生转矩区域与产生悬浮力区域的分离，提高了产生转矩区域与产生悬浮力区域的利用率，缩短了磁通流通路径，增加了磁通利用率，改变了偏置磁场产生方式，降低了电机的铜耗、铁耗和风摩损耗，从而提高了电机的输出转矩密度、过载能力、悬浮控制性能以及工作效率。
[0037]
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

技术特征：
1.一种永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括第一定子（1）、转子（2）和第二定子（3），所述第二定子（3）嵌入第一定子（1）的内侧，转子（2）位于第一定子（1）和第二定子（3）之间，第一定子（1）与转子（2）之间以及转子（2）与第二定子（3）之间均设置有气隙，以使转子（2）在第一定子（1）和第二定子（3）之间转动；第一定子（1）采用混合定子极结构；转子（2）采用圆筒形结构；第二定子（3）采用凸极结构，其中，凸极结构包括永磁体块（30）、第二定子铁芯（31）和悬浮绕组线圈（32），第二定子铁芯（31）上设置有四个凸极，其中，四个凸极的大小和形状均相同；悬浮绕组线圈（32）分别缠绕在第二定子铁芯（31）的四个凸极上，永磁体块（30）均设置在第二定子铁芯（31）的四个凸极表面上或沿着第二定子铁芯（31）周向方向均匀嵌入在第二定子铁芯（31）内。2.根据权利要求1所述的永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述转子（2）采用圆筒形结构，圆筒形结构包括转子块（20）、转子隔磁环（21）和环形铁芯（22），转子块（20）的数量为十个，转子块（20）沿着转子隔磁环（21）的周向方向均匀等间距嵌入在转子隔磁环（21）的外侧，环形铁芯（22）嵌在转子隔磁环（21）的内侧，从而使转子隔磁环（21）将转子（2）与第一定子（1）之间流通的磁通以及转子（2）与第二定子（3）之间流通的磁通分隔开；其中，转子块（20）的形状为扇形，十个转子块（20）的大小和形状均相同，转子（2）的内表面和外表面均光滑。3.根据权利要求1所述的永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述永磁体块（30）均设置在第二定子铁芯（31）的四个凸极表面上包括：四个永磁体块（30）分别贴附在第二定子铁芯（31）的四个凸极表面上，且四个永磁体块（30）采用径向充磁。4.根据权利要求1所述的永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述永磁体块（30）沿着第二定子铁芯（31）周向方向均匀嵌入在第二定子铁芯（31）内包括：四个永磁体块（30）沿第二定子铁芯（31）周向方向均匀嵌入在第二定子铁芯（31）中，四个永磁体块（30）均位于两个凸极之间的中心线上，且四个永磁体块（30）采用周向充磁。5.根据权利要求1所述的永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，其特征在于，第二定子铁芯（31）直径上相对设置的两个永磁体块（30）的充磁方向相同，而相邻的两个永磁体块（30）的充磁方向相反。6.根据权利要求1所述的永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述悬浮绕组线圈（32）匝数相同，且均为集中式绕组。7.根据权利要求1所述的永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一定子（1）采用混合定子极结构，混合定子极结构包括励磁极（10）和辅助极（11），励磁极（10）和辅助极（11）均由第一定子（1）的内壁沿径向方向向内侧延伸形成，其中，励磁极（10）和辅助极（11）的数量均为六个，且到大小和形状均相同；六个励磁极（10）和六个辅助极（11）均沿着第一定子（1）的周向方向交叉等间距设置在第一定子（1）的内侧，其中，励磁极（10）的极弧宽度等于相邻转子块（20）之间的极弧宽度与两倍辅助极（11）的极弧宽度之和。8.根据权利要求7所述的永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，其特征在于，六个所述励磁
极（10）上分别缠绕转矩绕组线圈（4），且所有转矩绕组线圈（4）的缠绕方向一致，其中，转矩绕组线圈（4）的匝数相同，且均为集中式绕组。9.根据权利要求1所述的永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一定子（1）的直径上相对设置的两个所述励磁极（10）上的转矩绕组线圈（4）相连构成一相。10.根据权利要求1所述的永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一定子（1）、转子块（20）、环形铁芯（22）以及第二定子铁芯（31）的制作材料均采用具有导磁性能的材料；转子隔磁环（21）的制作材料采用不具有导磁性能的材料；转矩绕组线圈（4）以及悬浮绕组线圈（32）的制作材料均采用具有导电性能的铜线；永磁体块（30）的制作材料采用具有剩磁密度的永磁体。

技术总结
本申请提供了一种永磁偏置型无轴承开关磁阻电机，包括第一定子、转子和第二定子，所述第二定子嵌入第一定子的内侧，转子位于第一定子和第二定子之间，第一定子与转子之间以及转子与第二定子之间均设置有气隙，以使转子在第一定子和第二定子之间转动，第一定子采用混合定子极结构，转子采用圆筒形结构，第二定子采用凸极结构，其中永磁体块可设置在第二定子铁芯的四个凸极表面上或沿着第二定子铁芯周向方向均匀嵌入在第二定子铁芯内。本申请解决了传统无轴承开关磁阻电机因产生转矩的区域与产生悬浮力的区域相互重叠、需要在绕组中通入励磁电流来产生偏置磁场，导致电机的输出转矩密度、过载能力、悬浮控制性能以及效率降低的问题。问题。问题。


技术研发人员：徐振耀 李韬 张岳 金石 刘光伟 于思洋 王皓 易铁航
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2022.08.05
技术公布日：2023/8/28