一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机

1.本发明涉及无轴承开关磁阻电机技术领域，具体地涉及一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，结构简单、坚固，转子上无永磁体和绕组，具有无磨损、体积小、功耗低和轴向利用率高的优点。


背景技术：

2.开关磁阻电机具有结构简单、容错性能强、高速适应性好等优点，在航空航天与透平机械等领域有较好的应用前景。传统开关磁阻电机采用机械轴承支撑转子，转子的高速或超高速旋转会使机械轴承的摩擦阻力增加，磨损加剧，并导致电机发热等问题，不仅降低了电机的工作效率，缩短了电机和机械轴承的寿命，也增加了电机和轴承的维护负担。因此，将磁悬浮轴承技术运用到开关磁阻电机上，可以从根本上改变传统支撑形式，实现无接触、无磨损、高速度、高精度和长寿命的特性，故无轴承开关磁阻电机可广泛应用于高速、超高速、环境温度变化大或不易维修的驱动场合。
3.但现有的无轴承开关磁阻电机普遍存在低转矩、转矩脉动大的问题，为了解决功率低的问题，传统的无轴承开关磁阻电机采用增加绕组数量的形式，或采用双台共轴结构，例如公开号为cn111277091b的中国专利公开了一种截头锥形实心柱式无轴承开关磁阻电机，包括第一定、转子，第二定、转子，截头锥形实心圆柱；第一、第二定子每个齿极上对应套有第一、第二径向励磁绕组，这些绕组独立控制，且第一和第二定子每个齿极上串联轴向励磁绕组；两个定子的轴向内侧有一锥形外倒角结构。
4.虽然此类现有技术可以改进功率低的问题，但双台电机共轴的电机会形成较大的电机体积，相应的电机的轴向长度会增加，从而电机的临界速度和功率密度会有所限制。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供了一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机。
6.为了实现以上目的及其他目的，本发明是通过包括以下技术方案实现的：本发明提供了一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括：定子，所述定子的内壁上形成有沿径向向内延伸的多个定子极，所述定子极上绕设有励磁绕组；转子，位于所述定子的内侧，所述转子与所述定子之间留有气隙；所述转子第一转子极和第二转子极，所述第一转子极和所述第二转子极在其轴向中间位置沿切向错开机械角度。
7.在一实施例中，当所述第二转子极与所述定子极完全重叠，所述第一转子极与所述定子极不完全重合时，所述电机产生轴向承载力。
8.在一实施例中，所述定子包括12个定子极，所述转子包括4个所述第一转子极和4个所述第二转子极。
9.在一实施例中，所述第一转子极和所述第二转子极的结构相同。
10.在一实施例中，所述第一转子极和所述第二转子极错开的机械角度为15
°
～20
°
。
11.在一实施例中，所述第一转子极和所述第二转子极的极弧角度为45
°
～50
°
。
12.在一实施例中，所述定子的极弧角度比所述第一转子极和所述第二转子极的极弧角度小30
°
。
13.在一实施例中，所述定子的极弧角度为15
°
～20
°
。
14.在一实施例中，所述第一转子极和所述第二转子极一体成型。
15.在一实施例中，所述励磁绕组按照nnnsss分布。
16.本发明采用异型转子的12/4极无轴承开关磁阻电机结构设计，与传统12/4极无轴承开关磁阻电机相比，可以避免其转矩死区，提升转矩输出性能；异型转子的设计，在一定运行区间内可以提供轴向承载力，实现三自由度悬浮；与双定子结构的12/4极无轴承开关磁阻电机相比，减少了励磁绕组的数量及其相应的功率器件数，轴向长度和体积也大幅度缩减，有效提高了电机的临界转速，减小了转矩脉动，特别适用于高速场合。本发明能在不额外增加控制电机系统体积和铜、铁用料的情况下，避免无轴承开关磁阻电机的的输出转矩死区，增加轴向悬浮功能。
附图说明
17.图1显示为本发明一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机的立体结构示意图。
18.图2a显示为本发明中定子的立体结构示意图。
19.图2b显示为本发明中定子的轴向示意图。
20.图3a显示为本发明中转子的立体结构示意图。
21.图3b显示为本发明中转子的轴向示意图。
22.图4a显示为本发明中电机的径向磁通分布示意图。
23.图4b显示为本发明中电机的轴向剖面磁通分布示意图。
24.图5a显示为本发明中实施例一中的磁通分布示意图。
25.图5b显示为本发明中对比例一中的磁通分布示意图。
26.图6a显示为本发明中实施例一和对比例一在电动运行过程中的输出转矩对比图。
27.图6b显示为本发明中实施例一和对比例一在电动运行过程中的轴向承载力对比图。
具体实施方式
28.请参阅图1至图6。以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
29.须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供本领域的技术人员了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“前”、“后”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而
非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
30.如图1所示，本发明提供了一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，所述电机包括定子1、转子2、绕组3。所述转子2位于所述定子1的内侧，且与所述定子1之间留有气隙，所述气隙为0.05～0.25mm，在实施例一中所述定子1和所述转子2之间的气隙为0.25mm。所述励磁绕组3绕设在所述定子2上。
31.请结合图2，具体的，所述定子1包括定子轭11和12个定子极12，12个所述定子极12在所述定子轭11内壁上沿径向向内延伸，且每个所述定子极12上绕设有一独立控制的所述励磁绕组3，所述绕组3为集中绕线方式，4个间隔90
°
的所述定子极12上的绕组3构成一相，每一相的每一套绕组独立控制，每一套绕组可以分别提供转矩力与悬浮力。所述定子轭11和所述定子极12可以是一体成型。所述定子1的轴向长度为hs，定子外径为ds，定子内径为ds，所述定子极12的极弧角度为θs，其中θs为15
°
～20
°
。
32.请再结合图3，所述转子2在其轴向中间位置沿切向错开一定的机械角度，包括第一转子极21和第二转子极22，所述第一转子极21包括位于前半端的4个转子极，所述第二转子极22包括位于后半端的4个转子极22，所述第一转子极21和所述第二转子极22的结构完全相同，并且所述第一转子极21和所述第二转子极22形成“z”型齿面，以实现连续的转矩输出。所述转子2的轴向总长度为hr，所述第一转子极21和所述第二转子极22的轴向总长度均为hr，转子2外径为dr，转子2内径为dr，转子极的极弧角度为θr。所述第一转子极21和所述第二转子极22错开一定的机械角度θe，所述机械角度θe为15
°
～20
°
，在实施例一中，所述机械角度θe为15
°
。此外，所述hs与hr相等。进一步地，为了使转矩控制与悬浮力控制自然解耦，所述定子极的极弧宽度θs比所述转子极的极弧宽度θr小30
°
。
33.由于单个定子可以提供两自由度径向悬浮力，异型转子的结构设计可以提供轴向承载力，实现了三自由度悬浮。同时提高了所述电机的输出转矩，避免了单个定子的转矩死区，减小了转矩脉动。
34.本发明提供了异型转子12/4极无轴承开关磁阻电机的转矩控制与悬浮力控制自然解耦。其具体工作原理为：12套所述励磁绕组3分别独立控制，每套所述励磁绕组3的电流单向导通，当给所述励磁绕组3通电时，所述励磁绕组3中的电流大小相等，所述电机的径向磁通分布如图4a所示，所述电机的轴向剖面磁通分布如图4b所示。
35.转矩产生原理：当所述第一转子极21和所述第二转子极22中的任意一个与所述定子极12开始重叠时，所述定子极12上的所述励磁绕组3导通相同大小的电流，此时所述电机产生切向磁拉力，从而驱动所述转子2旋转。
36.径向悬浮力产生原理：当所述第一转子极21和所述第二转子极22中的任意一个与所述定子极12完全重叠时，径向上隔90
°
相邻的所述定子极12上的所述励磁绕组b1和b2导通不对称的电流，从而使得各所述气隙的径向磁通密度不同，进而产生径向悬浮力；
37.轴向承载力产生原理：当所述第二转子极22与所述定子极12完全重叠，而所述第一转子极21与所述定子极12没有完全重叠时，所述定子极12上的所述励磁绕组3通入电流，从而使得转子极22向轴向中间位置移动，进而产生轴向承载力。
38.实施例一和对比例一：
39.图1至图3示出了实施例一，将实施例一中的异型四极转子2改为普通轴向对称的
四极转子即获得对比例一，实施例一和对比例一的具体结构参数如表1所示。
40.表1实施例一和对比例一的结构参数
[0041][0042]
评价：
[0043]
本发明根据表1中的结构参数，建立有限元模型，对实施例一和对比例一进行了磁通分布和输出转矩的分析评价，评价结果如图5和图6所示。
[0044]
如图5所示，在给定10a励磁电流的情况下，图5a示意出实施例一中的磁通分布，图5b示意出对比例一中的磁通分布。从两个拓扑磁通分布可以看出，所述转子2在同一时刻、同一位置提前受到了磁拉力，弥补了转矩死区的缺陷，同时受到了轴向上的拉力，因此可以实现三自由度的悬浮。
[0045]
图6a为在给定10a励磁电流的情况下，实施例一和对比例一在电动运行过程中的输出转矩对比图，对比例一(即异型四极转子)的转矩有效值为4.2479n
·
m，且无转矩死区，对比例一(即普通轴向对称四极转子)的转矩有效值虽为5.3515n
·
m，但存在有转矩死区，且脉动较大，因此，采用异型转子的方案提高了电机的输出转矩；图6b为在给定10a励磁电流的情况下，实施例一和对比例一在电动运行过程中的轴向承载力对比图，实施例一(即异型四极转子)的轴向承载力有效值为18.4558n，对比例一(即普通轴向对称四极转子)的转矩有效值虽为0.9426，因此，采用异型转子的方案提高了电机的轴向承载能力，可以实现三自由度悬浮。
[0046]
综上，本发明的结构设计能在不额外增加控制电机系统体积和铜、铁用料的情况下，解决现有无轴承开关磁阻电机存在的转矩死区、无轴向悬浮能力的问题。使用在轴向中间位置错开异型转子机构，提高电机的输出转矩与悬浮功能。
[0047]
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括：定子，所述定子的内壁上形成有沿径向向内延伸的多个定子极，所述定子极上绕设有励磁绕组；转子，位于所述定子的内侧，所述转子与所述定子之间留有气隙；所述转子第一转子极和第二转子极，所述第一转子极和所述第二转子极在其轴向中间位置沿切向错开机械角度。2.根据权利要求1所述的一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，当所述第二转子极与所述定子极完全重叠，所述第一转子极与所述定子极不完全重合时，所述电机产生轴向承载力。3.根据权利要求2所述的一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述定子包括12个定子极，所述转子包括4个所述第一转子极和4个所述第二转子极。4.根据权利要求3所述的一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一转子极和所述第二转子极的结构相同。5.根据权利要求4所述的一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一转子极和所述第二转子极错开的机械角度为15
°
～20
°
。6.根据权利要求5所述的一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一转子极和所述第二转子极的极弧角度为45
°
～50
°
。7.根据权利要求6所述的一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述定子的极弧角度比所述第一转子极和所述第二转子极的极弧角度小30
°
。8.根据权利要求7所述的一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述定子的极弧角度为15
°
～20
°
。9.根据权利要求8所述的一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一转子极和所述第二转子极一体成型。10.根据权利要求1所述的一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述励磁绕组按照nnnsss分布。

技术总结
本发明提供了一种转子非轴向对称的无轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括：定子，所述定子的内壁上形成有沿径向向内延伸的多个定子极，所述定子极上绕设有励磁绕组；转子，位于所述定子的内侧，所述转子与所述定子之间留有气隙；所述转子第一转子极和第二转子极，所述第一转子极和所述第二转子极在其轴向中间位置沿切向错开机械角度。本发明通过轴向非对称结构的转子，可有效弥补普通12/4开关磁阻电机的转矩死区效应，并产生轴向承载力，减小电机的输出转矩脉动，保证三自由度悬浮；此外，通过减少励磁绕组的数量及其相应的功率器件数，所述电机的轴向长度和体积也大幅度缩减，可有效用作高速转动场合。用作高速转动场合。用作高速转动场合。


技术研发人员：崔强 曹鑫 王泽林 邓智泉
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/31