一种可调磁的无轴承磁通反向永磁电机及控制方法

1.本发明属于无轴承电机技术领域，具体涉及一种可调磁的无轴承磁通反向永磁电机及控制方法。


背景技术：

2.随着技术的高速发展，高速、超高速电机由于其功率密度高、体积小、可靠性强、效率高等优点，在高速机床、涡轮分子泵、压缩机等设备中得到了广泛的应用。但是传统高速电机的转子铁心采用机械轴承支撑，在高速或超高速运行时会使电机受到巨大的冲击影响，使轴承磨损加剧，造成气隙不均匀，绕组发热，降低电机效率，缩短电机及轴承的使用寿命。
3.磁悬浮轴承技术的提出很大程度上解决了机械轴承的磨损问题，与传统的机械轴承相比，磁悬浮轴承具有使用寿命高、无需润滑、高精度等优点。无轴承永磁同步电机是将磁悬浮轴承应用到传统的永磁同步电机上，是一种集旋转驱动和磁轴承功能的新型电机，将磁轴承中产生径向悬浮力的线圈安装在电机的定子铁心槽上，一般称之为悬浮绕组，通过控制通入悬浮绕组的电流的大小和方向来打破电机原绕组产生的气隙磁场，从而产生大小可控的悬浮力，使转子铁心能够稳定悬浮。
4.然而，现在大多数的无轴承永磁同步电机均为转子铁心永磁式，永磁体表贴于转子铁心表面或者内嵌于转子铁心破坏了转子铁心的整体性，转子铁心的高速旋转会使得结构不稳定。此外，由于永磁体位于转子铁心上，冷却条件差，散热困难，转子铁心的高速旋转可能会使永磁体出现退磁的问题，制约了电机性能的进一步提高，使得转子铁心永磁式的无轴承电机的应用场合有限。
5.目前无轴承电机均采用钕铁硼永磁体，但是由于钕铁硼永磁体的特性，使得电机的气隙磁场无法调节，其调速范围大大受限，使得其在宽调速的场合应用受到一定的限制。近来，一些研究人员提出一类记忆永磁体(如铝镍钴)，通过施加直流脉冲使得该类永磁体的磁化状态改变，实现增磁和去磁，进而实现对气隙磁场的调节。但是，这就需要在定子铁心绕组中多增加一套调磁绕组，占据了绕组空间，使得电机结构更为复杂。


技术实现要素：

6.本发明为了解决上述现有技术中采用钕铁硼永磁体的无轴承电机的气隙磁场无法调节以及使用记忆永磁体的无轴承电机调节气隙磁场时需要增设一套调磁绕组的技术问题，提供一种可调磁的无轴承磁通反向永磁电机及控制方法。其中，通过巧妙设置钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的位置以及充磁方向，使得相邻定子齿上内嵌的钕铁硼永磁体和表贴的钕铁硼永磁体之间能构成闭合磁路；再基于铝镍钴永磁体的充磁方向为径向充磁(控制充磁方向为径向向内或径向向外)，实现无轴承磁通反向永磁电机的气隙磁场调节。
7.为此，本发明技术方案提供一种可调磁的无轴承磁通反向永磁电机，至少包括定子铁心、转子铁心、绕组、钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体；所述定子铁心和所述转子铁心之
间设有空气隙，所述定子铁心为凸极结构，所述定子铁心上设有朝向所述转子铁心的定子齿，在所述定子齿上缠绕所述绕组；
8.其中，每个所述定子齿的齿部顶端左、右侧分别表贴钕铁硼永磁体，且同一定子齿齿部上的所述钕铁硼永磁体的充磁方向相同，相邻定子齿齿部上的所述钕铁硼永磁体的充磁方向相反；每个定子齿的轭部末端布设一个铝镍钴永磁体，在每个铝镍钴永磁体的两侧布设钕铁硼永磁体，所述铝镍钴永磁体的充磁方向为径向充磁，相邻定子齿上轭部末端内嵌的钕铁硼永磁体和齿部顶端表贴的钕铁硼永磁体之间能构成闭合磁路。
9.进一步可选地，轭部末端的所述钕铁硼永磁体与所述铝镍钴永磁体呈夹角设置。
10.进一步可选地，轭部末端内嵌的钕铁硼永磁体与铝镍钴永磁体之间的夹角为120
°
。
11.进一步可选地，轭部末端内嵌的钕铁硼永磁体的充磁方向平行于定子槽下边线，相邻定子齿上轭部末端内嵌的钕铁硼永磁体的充磁方向为相对向内、背离向外。
12.进一步可选地，所述定子铁心上设有两套所述绕组，分别作为转矩绕组和悬浮绕组，两套绕组分开缠绕；其中，所述定子铁心上嵌放的一套绕组中的六套线圈按照a1-c2-b1-a2-c1-b2的顺序依次缠绕在定子齿上构成转矩绕组，a1-a2线圈串联形成a相转矩绕组，b1-b2线圈串联形成b相转矩绕组，c1-c2线圈串联形成c相转矩绕组，并向a、b、c三相转矩绕组中注入交流电流用以产生电磁转矩；
13.所述定子铁心上嵌放的另一套绕组中的六套线圈沿定子铁心圆周逆时针排列分别为a1-c2-b1-a2-c1-b2，其中，a1和a2线圈反向连接构成a相悬浮绕组，b1和b2线圈反向连接构成b相悬浮绕组，c1和c2线圈反向连接构成c相悬浮绕组，并向a,b,c三相悬浮绕组中注入悬浮电流。
14.本发明技术方案中优选转矩绕组以及悬浮绕组分别单独控制，实现了悬浮力和转矩的天然解耦，使悬浮力和转矩的控制更为简便。其中，根据所需要的悬浮力大小，可合理控制通入a,b,c三相悬浮绕组的电流，来实现转子铁心的稳定悬浮。
15.进一步可选地，所述定子铁心为6槽结构，所述转子铁心为10极结构，所述转子铁心上10个调制槽沿圆周均匀分布，每个调制槽的圆弧对应的圆心角为18
°
，所述定子铁心上每个凸极大齿的圆弧对应的圆心角为50
°
。
16.进一步可选地，表贴于定子齿的齿部顶端的钕铁硼永磁体对应的圆心角为19
°
。
17.进一步可选地，所述定子铁心和所述转子铁心均由硅钢片叠压而成。
18.二方面，本发明技术方案提供一种基于所述无轴承磁通反向永磁电机的控制方法，包括：
19.通过控制绕组中零序电流脉冲调节所述铝镍钴永磁体的磁化方向为径向向内或径向向外，进而以实现气隙磁场的增磁、去磁调节；
20.其中，铝镍钴永磁体产生的磁通与钕铁硼永磁体闭合磁路产生的磁通方向相同，相互叠加，处于增磁状态；否则，处于去磁状态。
21.进一步可选地，若施加正向的零序电流脉冲时，使得所述铝镍钴永磁体的磁化方向为径向向内，从而铝镍钴永磁体产生的磁通与钕铁硼永磁体闭合磁路产生的磁通方向相同时，所述无轴承磁通反向永磁电机处于增磁状态；
22.若施加负向的零序电流脉冲时，使得所述铝镍钴永磁体的磁化方向为径向向外，
从而铝镍钴永磁体产生的磁通与钕铁硼永磁体闭合磁路产生的磁通方向背离时，所述无轴承磁通反向永磁电机处于去磁状态。
23.有益效果
24.本发明技术方案提供的可调磁的无轴承磁通反向永磁电机，突破现有技术中采用钕铁硼永磁体的无轴承电机的气隙磁场无法调节以及使用记忆永磁体的无轴承电机调节气隙磁场时需要增设一套调磁绕组的技术障碍。本发明技术方案在定子铁心上同时布设钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体，通过巧妙设置钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的位置以及充磁方向，使得该电机即使不增设调磁绕组，也能实现气隙磁场调节，即通过控制已有的绕组中零序电流控制铝镍钴永磁体的磁化方向为径向向内或径向向外，从而调节铝镍钴永磁体产生的磁通与钕铁硼永磁体闭合磁路产生的磁通之间的方向关系实现增磁或去磁，省去了调磁绕组，最大化的利用了槽空间，提高了电机的性能。
附图说明
25.图1为本发明可调磁的无轴承磁通反向定子永磁电机的三维结构图；
26.图2为本发明可调磁的无轴承磁通反向定子永磁电机的二维平面图；
27.图3为本发明铝镍钴永磁体增磁状态电机磁通图；
28.图4为本发明铝镍钴永磁体去磁状态电机磁通图；
29.图5为本发明悬浮原理图。
30.其中，附图标记如下：
31.1为定子铁心，2为转子铁心，3为绕组，4为钕铁硼永磁体，5为铝镍钴永磁体。
具体实施方式
32.本发明为了解决现有技术中采用钕铁硼永磁体的无轴承电机的气隙磁场无法调节以及使用记忆永磁体的无轴承电机调节气隙磁场时需要增设一套调磁绕组的技术问题，充分利用钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的各自优势，创造性的提出了同时采用钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的可调磁的无轴承磁通反向永磁电机，通过改进电机本体结构来解决上述技术问题。具体是通过巧妙布设钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体在定子铁心上的位置以及充磁方向，通过控制已有的转矩绕组中零序电流来控制铝镍钴永磁体的磁化方向，省去了调磁绕组，最大化的利用了槽空间，提高了电机的性能。下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。
33.图1为本发明无轴承磁通反向定子永磁电机的三维结构图，该电机采用定子铁心6槽/转子铁心10极，包括了定子铁心1、转子铁心2、绕组3、钕铁硼永磁体4和铝镍钴永磁体5。定子铁心1为凸极结构，设置有6个凸极大齿，每个凸极大齿的圆弧对应的圆心角为50
°
；转子铁心2为凸极结构，共有10个调制齿，十个调制齿沿转子铁心圆周均匀分布，每个调制齿的圆弧对应的圆心角为18
°
，转子铁心2上无永磁体，整体由硅钢片叠压而成；每个定子铁心大齿上表贴着两块钕铁硼永磁体，每块钕铁硼永磁体对应的圆心角为19
°
，钕铁硼永磁体充磁方向为径向充磁，同一大齿上的钕铁硼永磁体充磁方向相同，相邻大齿上的钕铁硼永磁体充磁方向相反。定子铁心1的轭部布置有钕铁硼永磁体4和铝镍钴永磁体5，两种永磁体排列方式图2所示，钕铁硼永磁体4的充磁方向平行于定子槽下边线，其与铝镍钴永磁体5的角
度为120
°
，铝镍钴永磁体5的充磁方向为径向充磁，相邻定子齿上内嵌的钕铁硼永磁体和表贴的钕铁硼永磁体之间能构成闭合磁路。定子铁心1和转子铁心2之间的气隙为2mm。如图2所示。
34.应当理解，上述圆心角以及气隙尺寸为本实施例的优选参数，其他可行的实施例中，根据精度可以适应性调整。
35.本发明技术方案优选采用的双绕组结构，即定子铁心上设有两套所述绕组，分别作为转矩绕组和悬浮绕组，两套绕组分开缠绕。其中，如图2所示，a1线圈和a2线圈顺向串联构成a相转矩绕组，b1线圈和b2线圈顺向串联构成b相转矩绕组，c1线圈和c2线圈顺向串联构成c相转矩绕组，a相转矩端通入的电流为b相和c相相位依次落后a相120度，其中，i
t
为转矩电流幅值，ω为转矩电流的电频率，θr为转矩电流的相位。a相、b相和c相三相单独控制，互不影响。
36.同理，定子铁心上还缠绕一套悬浮绕组，六套线圈沿定子铁心圆周逆时针排列分别为a1-c2-b1-a2-c1-b2，其中a1和a2线圈反向连接构成a相悬浮绕组，b1和b2线圈反向连接构成b相悬浮绕组，c1和c2线圈反向连接构成c相悬浮绕组，a,b,c三相悬浮绕组单独控制，根据所需要的悬浮力大小，可合理控制通入a,b,c三相悬浮绕组的电流，来实现转子铁心的稳定悬浮，产生稳定的悬浮力。
37.因此，基于双绕组结构，通过控制定子铁心转矩绕组中的电流，可实现电机转子铁心稳定旋转运行；通过控制定子铁心悬浮绕组中的悬浮电流，可实现电机转子铁心在xy两个方向上的悬浮。悬浮绕组与转矩绕组分开缠绕在定子铁心上，实现了悬浮力和转矩的天然解耦，使得控制方法更为简便。应当理解，在满足本发明核心技术思路(同时设有在定子铁心上同时布设钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体，通过巧妙设置钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体的位置以及充磁方向，使得该电机即使不增设调磁绕组，也能实现气隙磁场调节)的基础上，采用其他可行方式中悬浮绕组以及转矩绕组的设置方式也是满足本发明需求的，落入本发明的保护范围。
38.在图3所示的无轴承磁通反向永磁电机的充磁方向下，图3的无轴承磁通反向永磁电机为总体增磁状态，1号定子齿大齿表贴的钕铁硼永磁体的充磁方向为径向向内，1号定子铁心内对应的钕铁硼永磁体的磁化方向为由右向左，平行于定子槽底线，2号定子铁心大齿表贴的永磁体的磁化方向为径向向外，其内部对应的钕铁硼永磁体的磁化方向与定子槽底线平行向外。此时，转矩绕组中的零序电流脉冲使得1号定子齿下的铝镍钴永磁体的磁化方向为径向向内，使得2号定子齿下的铝镍钴永磁体的磁化方向为径向向外；铝镍钴永磁体产生的磁通与钕铁硼永磁体产生的磁通方向相同，相互叠加，处于增磁状态。
39.在图4所示的无轴承磁通反向永磁电机的充磁方向下，图4为总体去磁状态，1号定子齿大齿表贴的钕铁硼永磁体的充磁方向为径向向内，1号定子铁心内对应的钕铁硼永磁体的磁化方向为由沿定子铁心内部磁化，平行于定子槽底线；2号定子铁心大齿表贴的永磁体的磁化方向为径向向外，其内部对应的钕铁硼永磁体的磁化方向与定子槽底线平行向外；此时，转矩绕组中的零序电流脉冲使得1号定子齿下的铝镍钴永磁体的磁化方向为径向向外，2号定子齿下的铝铁硼永磁体磁化方向为径向向内。此时，铝镍钴永磁体产生的磁通与钕铁硼永磁体产生的磁通在定子铁心轭部形成短路回路，使得定子铁心内部的磁通减小，总体处于去磁状态。
40.需要说明的是，图3以及图4为示意性说明，用于解释增磁以及去磁状态。其中，增磁或去磁的鉴别是以定子铁心内部磁通的增大或减小来确定。对应控制方法包括：
41.通过控制绕组中零序电流脉冲调节所述铝镍钴永磁体的磁化方向为径向向内或径向向外，进而以实现气隙磁场的增磁、去磁调节；其中，铝镍钴永磁体产生的磁通与钕铁硼永磁体闭合磁路产生的磁通方向相同，相互叠加，处于增磁状态；否则，处于去磁状态。
42.如若施加正向的零序电流脉冲时，使得所述铝镍钴永磁体的磁化方向为径向向内，从而铝镍钴永磁体产生的磁通与钕铁硼永磁体闭合磁路产生的磁通方向相同时，所述无轴承磁通反向永磁电机处于增磁状态；若施加负向的零序电流脉冲时，使得所述铝镍钴永磁体的磁化方向为径向向外，从而铝镍钴永磁体产生的磁通与钕铁硼永磁体闭合磁路产生的磁通方向背离时，所述无轴承磁通反向永磁电机处于去磁状态。
43.还需要说明的是，本发明技术方案中设置了悬浮绕组，通过控制注入悬浮绕组中的悬浮电流实现稳定悬浮，应当理解，通过控制悬浮电流来实现悬浮控制为本领域的常规手段，因此，对其不进行具体的描述。如图5所示为举例说明悬浮控制，图5中a1绕组和a2绕组所在定子齿上的永磁体产生的磁通方向由右向左，当a1绕组悬浮端通入悬浮电流时，产生的磁通与a1定子齿上永磁体产生的磁通方向相同，为从右指向左，起增磁作用；当a2绕组悬浮端通入悬浮电流时，产生的磁通与a2定子齿上永磁体产生的磁通方向相反，为从左指向右，起去磁作用，于是产生沿x轴负方向的径向力，使得转子铁心向x轴负方向发生位移。相同的原理，也可产生沿y轴方向的径向力，使转子铁心能够沿y轴方向发生位移。
44.需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种可调磁的无轴承磁通反向永磁电机，其特征在于：至少包括定子铁心、转子铁心、绕组、钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体；所述定子铁心和所述转子铁心之间设有空气隙；所述定子铁心为凸极结构，所述定子铁心上设有朝向所述转子铁心的定子齿，在所述定子齿上缠绕所述绕组；其中，每个所述定子齿的齿部顶端左、右侧分别表贴钕铁硼永磁体，且同一定子齿齿部上的所述钕铁硼永磁体的充磁方向相同，相邻定子齿齿部上的所述钕铁硼永磁体的充磁方向相反；每个定子齿的轭部末端布设一个铝镍钴永磁体，在每个铝镍钴永磁体的两侧布设钕铁硼永磁体，所述铝镍钴永磁体的充磁方向为径向充磁，相邻定子齿上轭部末端内嵌的钕铁硼永磁体和齿部顶端表贴的钕铁硼永磁体之间能构成闭合磁路。2.根据权利要求1所述的无轴承磁通反向永磁电机，其特征在于：轭部末端的所述钕铁硼永磁体与所述铝镍钴永磁体呈夹角设置。3.根据权利要求2所述的无轴承磁通反向永磁电机，其特征在于：轭部末端内嵌的钕铁硼永磁体与铝镍钴永磁体之间的夹角为120
°
。4.根据权利要求1所述的无轴承磁通反向永磁电机，其特征在于：轭部末端内嵌的钕铁硼永磁体的充磁方向平行于定子槽下边线，相邻定子齿上轭部末端内嵌的钕铁硼永磁体的充磁方向为相对向内、背离向外。5.根据权利要求1所述的无轴承磁通反向永磁电机，其特征在于：所述定子铁心上设有两套所述绕组，分别作为转矩绕组和悬浮绕组，两套绕组分开缠绕；其中，所述定子铁心上嵌放的一套绕组中的六套线圈按照a1-c2-b1-a2-c1-b2的顺序依次缠绕在定子齿上构成转矩绕组，a1-a2线圈串联形成a相转矩绕组，b1-b2线圈串联形成b相转矩绕组，c1-c2线圈串联形成c相转矩绕组，并向a、b、c三相转矩绕组中注入交流电流用以产生电磁转矩；所述定子铁心上嵌放的另一套绕组中的六套线圈沿定子铁心圆周逆时针排列分别为a1-c2-b1-a2-c1-b2，其中，a1和a2线圈反向连接构成a相悬浮绕组，b1和b2线圈反向连接构成b相悬浮绕组，c1和c2线圈反向连接构成c相悬浮绕组，并向a,b,c三相悬浮绕组中注入悬浮电流。6.根据权利要求1所述的无轴承磁通反向永磁电机，其特征在于：所述定子铁心为6槽结构，所述转子铁心为10极结构，所述转子铁心上10个调制槽沿圆周均匀分布，每个调制槽的圆弧对应的圆心角为18
°
，所述定子铁心上每个凸极大齿的圆弧对应的圆心角为50
°
。7.根据权利要求1所述的无轴承磁通反向永磁电机，其特征在于：表贴于定子齿的齿部顶端的钕铁硼永磁体对应的圆心角为19
°
。8.根据权利要求1所述的无轴承磁通反向永磁电机，其特征在于：所述定子铁心和所述转子铁心均由硅钢片叠压而成。9.一种基于权利要求1-8任一项所述无轴承磁通反向永磁电机的控制方法，其特征在于：包括：通过控制绕组中零序电流脉冲调节所述铝镍钴永磁体的磁化方向为径向向内或径向向外，进而以实现气隙磁场的增磁、去磁调节；其中，铝镍钴永磁体产生的磁通与钕铁硼永磁体闭合磁路产生的磁通方向相同，相互叠加，处于增磁状态；否则，处于去磁状态。10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：若施加正向的零序电流脉冲时，使得所述铝镍钴永磁体的磁化方向为径向向内，从而铝镍钴永磁体产生的磁通与钕铁硼永磁体
闭合磁路产生的磁通方向相同时，所述无轴承磁通反向永磁电机处于增磁状态；若施加负向的零序电流脉冲时，使得所述铝镍钴永磁体的磁化方向为径向向外，从而铝镍钴永磁体产生的磁通与钕铁硼永磁体闭合磁路产生的磁通方向背离时，所述无轴承磁通反向永磁电机处于去磁状态。

技术总结
本发明公开了一种可调磁的无轴承磁通反向永磁电机及控制方法，该电机包括定子铁心、转子铁心、悬浮绕组、转矩绕组和永磁体，定子铁心上设有朝向转子铁心的定子齿，定子齿上缠绕绕组；每个定子齿的齿部顶端左、右侧分别分别表贴钕铁硼永磁体，且同一定子齿齿部上的钕铁硼永磁体的充磁方向相同，相邻定子齿齿部上的钕铁硼永磁体的充磁方向相反；每个定子齿的轭部末端布设一个铝镍钴永磁体，在每个铝镍钴永磁体的两侧布设钕铁硼永磁体，铝镍钴永磁体的充磁方向为径向充磁，相邻定子齿上内嵌的钕铁硼永磁体和表贴的钕铁硼永磁体之间能构成闭合磁路。本发明通过对电机本体中永磁体位置的巧妙布设，进而通过控制绕组中的零序电流实现了磁场的在线调节。了磁场的在线调节。了磁场的在线调节。


技术研发人员：吴轩 刘琦 刘波 雷正豪 吴婷 黄晓辉 黄守道
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.07.30
技术公布日：2023/10/20