一种双定子混励无轴承电机及稳定运行判断方法技术

本发明专利技术公开了一种双定子混励无轴承电机及稳定运行方法，该电机包括转子、集中式电枢绕组、外定子、内定子、永磁体；集中式电枢绕组横跨在内定子齿上；外定子齿上设有表贴永磁体。该电机的绕组包含两组Y型联结的三相集中绕组；每组三相电枢绕组中同时注入转矩电流、悬浮电流和直流偏置电流。本发明专利技术该电机在保留了传统的定子永磁电机优势的基础上，通过引入双定子的结构，将定子绕组和永磁体分隔开来，有利于避免电机运行时温度过高导致永磁体发生退磁，具有很高的理论和实用价值；本发明专利技术还提供了一种通用手段来从极数的角度判断电机是否具备稳定运行的条件，以保证内定子、所述外定子以及所述转子的极数设定的可靠性。外定子以及所述转子的极数设定的可靠性。外定子以及所述转子的极数设定的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种双定子混励无轴承电机及稳定运行判断方法


[0001]本专利技术属于电机制造及控制
，具体涉及一种双定子混励无轴承电机及稳定运行判断方法。

技术介绍

[0002]随着高速驱动、密封传动等领域的不断进步，高速电机已成为了现代电机发展的一种重要趋势，这对电机的无轴承运行技术有着迫切需求。因为传统的机械轴承有着诸多局限性，普通电机无法满足长期高速运行的需求；液浮和气浮轴承的控制系统较为庞大，占用了大量的空间体积，提高了成本；磁轴承具有无机械磨损、无需润滑和密封系统环境适应能力强等优点，但磁轴承电机系统也有整体结构较为复杂、功率密度低、临界转速和功率容量难以大幅度提高等缺点；无轴承电机应运而生。
[0003]无轴承电机将产生悬浮力的绕组嵌放在电机的定子槽中，使得电机转子同时具有旋转和自悬浮能力，由此转子在旋转的过程中转轴与轴承之间的摩擦大大减小，提高了电机的效率，进而可实现电机的高速旋转，极具重要的工业应用价值。无轴承电机的类型主要有三种，即无轴承感应电机、无轴承永磁电机和无轴承游标磁阻电机。相比而言，无轴承游标磁阻电机具有结构简单、运行可靠、功率密度高、体积小、重量轻、控制性能好等优点，成为当今无轴承电机研究领域里的热点之一。
[0004]根据永磁体的摆放位置，目前所研究的无轴承游标磁阻电机主要分为两类，即转子永磁式无轴承电机和定子永磁式无轴承电机。然而，转子永磁式无轴承电机具有一定的局限性：一方面，永磁体贴装于转子表面或内嵌于转子破坏了转子的整体性结构，而作为高速用电机，其转子通常都处于高速甚至超高速运行状态，为防止电机高速运转时磁钢受到离心力的影响而甩落，在转子上都装有不锈钢或金属纤维材料制作的固定装置，导致其结构复杂，制造成本提高，等效气隙长，永磁体利用率降低；另一方面，永磁体位于转子上，冷却条件差，散热困难，随着温度的上升，导致以钕铁硼(NdFeB)为主的永磁体性能下降，严重时甚至发生不可逆退磁，制约了电机性能的进一步提高，进而限制了无轴承转子永磁式电机在某些场合的应用。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的技术缺陷，本专利技术的目的是提供一种双定子混励无轴承电机，通过引入双定子结构，使得定子绕组和永磁体得以分离，即集中式电枢绕组和永磁体分布在内外定子上，有效改善了电机运行时由于温度过高而导致的永磁体退磁效应，使得电机的使用寿命得以延长，解决了永磁体贴装于转子表面或内嵌于转子破坏了转子的整体性结构的技术问题，此外，本专利技术技术方案将转矩绕组、悬浮力绕组以及励磁绕组集成于同一套电枢绕组中，与传统的无轴承永磁电机相比，本专利技术电机的绕组体积大大降低，电机效率得到提升。此外，本专利技术技术方案还提供了一种适用于双定子混励无轴承电机的通用稳定运行鉴别手段，即判断当前双定子混励无轴承电机是否满足所述稳定旋转条件以及稳定
悬浮条件，即可稳定悬浮和稳定旋转，保证内定子、所述外定子以及所述转子的极数设定的可靠性；若不满足，则可调整极数。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]一种双定子混励无轴承电机至少包括：转子、集中式电枢绕组、外定子、内定子以及永磁体；
[0008]其中，所述转子设置于所述内定子、所述外定子之间，所述转子上设有面向所述内定子的转子齿，所述外定子上设有面向所述转子的外定子齿，所述内定子上设有面向对的转子的内定子齿，所述永磁体、所述集中式电枢绕组分别设置内外定子上；所述转子、所述外定子、所述内定子均由导磁材料制成；
[0009]所述集中式电枢绕组是集成转矩绕组、悬浮力绕组以及励磁绕组于一体，所述集中式电枢绕组中注入转矩电流、悬浮电流以及直流偏置电流；
[0010]所述内定子、所述外定子以及所述转子的极数设定满足：稳定旋转条件以及稳定悬浮条件。
[0011]进一步可选地，每个所述外定子齿上设有所述永磁体，所述集中式电枢绕组设于所述内定子齿上。
[0012]进一步可选地，与内定子齿相对的两个相邻外定子齿上的所述永磁体的充磁方向相同；相邻两个内定子齿相对的两个相邻外定子齿上的是所述永磁体的充磁方向相反。
[0013]进一步可选地，所述稳定旋转条件以及若是稳定悬浮条件如下；
[0014]所述稳定旋转条件：转子旋转过程中永磁体产生的旋转磁场和集中式电枢绕组电流产生的旋转磁场的极对数和转速应相等；
[0015]所述稳定悬浮条件：转子旋转过程中永磁体产生的旋转磁场和集中式电枢绕组电流产生的旋转磁场的转速相等，且极对数相差1。
[0016]进一步可选地，仅考虑正序旋转的基波分量时，转矩电流磁密和永磁体磁密的极对数相等，以及所述永磁体磁密的极对数与悬浮电流磁密的极对数相差1，视为满足所述稳定旋转条件以及所述稳定悬浮条件。
[0017]进一步可选地，所述双定子混励无轴承电机为内定子为6槽、所述转子10极、所述外定子12极结构时，取正序旋转分量时转矩电流磁密、悬浮电流磁密和永磁体磁密的各次谐波极对数表达如下：
[0018][0019]p
ABCS
＝2n2±
10k,n2,k∈N
[0020]p
PM
＝3n3±
10k,n3,k∈N
[0021]式中，p
ABCT
为转矩电流磁密的各次谐波极对数，p
ABCS
为悬浮电流磁密的各次谐波极对数，p
PM
为永磁体磁密的各次谐波极对数，n1为转矩电流合成磁动势谐波次数，n2为悬浮电流合成磁动势谐波次数，n3为永磁体磁动势谐波次数，k为转子磁导谐波次数，N表示正整数。
[0022]进一步可选地，所述集中式电枢绕组包括集中式绕组A1、集中式绕组B1、集中式绕组C1、集中式绕组A2、集中式绕组B2和集中式绕组C2；集中式绕组A1与集中式绕组A2径向相对，共同组成A相绕组；集中式绕组B1与集中式绕组B2径向相对，共同组成B相绕组；集中式
绕组C1与集中式绕组C2径向相对，共同组成C相绕组；A、B、C三相绕组在空间上呈逆时针方向互差120
°
机械角度排列。
[0023]进一步可选地，所述内定子的内定子齿上设有调制槽，针对本专利技术该类电机，在内定子齿上设置调制槽是利用磁场调制原理，通过与转子齿的共同作用，最大程度上削弱转矩和悬浮力纹波，进而达到优化电机运行稳定性的目的。
[0024]进一步可选地，所述转子采用直槽或斜槽结构。
[0025]第二方面，本专利技术提供一种基于所述双定子混励无轴承电机的稳定运行判断方法，其用于通过计算所述双定子混励无轴承电机的转矩电流磁密、永磁体磁密的极对数、悬浮电流磁密的极对数来判断所述双定子混励无轴承电机是否能稳定旋转和悬浮，过程如下：
[0026]首先，对内定子磁导分布波形图、转子磁导分布波形图、转矩电流磁动势分布波形图、悬浮电流磁动势分布波形图、永磁体磁动势分布波形图进行傅里叶变换构建内定子磁导表达式、转子磁导表达式、转矩电流合成磁动势表达式、悬浮电流合成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双定子混励无轴承电机，其特征在于：至少包括：转子、集中式电枢绕组、外定子、内定子以及永磁体；其中，所述转子设置于所述内定子、所述外定子之间，所述转子上设有面向所述内定子的转子齿，所述外定子上设有面向所述转子的外定子齿，所述内定子上设有面向对的转子的内定子齿，所述永磁体、所述集中式电枢绕组分别设置内外定子上；所述转子、所述外定子、所述内定子均由导磁材料制成；所述集中式电枢绕组是集成转矩绕组、悬浮力绕组以及励磁绕组于一体，所述集中式电枢绕组中注入转矩电流、悬浮电流以及直流偏置电流；所述内定子、所述外定子以及所述转子的极数设定满足：稳定旋转条件以及稳定悬浮条件。2.根据权利要求1所述的双定子混励无轴承电机，其特征在于：每个所述外定子齿上设有所述永磁体，所述集中式电枢绕组设于所述内定子齿上。3.根据权利要求1所述的双定子混励无轴承电机，其特征在于：与内定子齿相对的两个相邻外定子齿上的所述永磁体的充磁方向相同；相邻两个内定子齿相对的两个相邻外定子齿上的是所述永磁体的充磁方向相反。4.根据权利要求1所述的双定子混励无轴承电机，其特征在于：所述稳定旋转条件以及若是稳定悬浮条件如下；所述稳定旋转条件：转子旋转过程中永磁体产生的旋转磁场和集中式电枢绕组电流产生的旋转磁场的极对数和转速应相等；所述稳定悬浮条件：转子旋转过程中永磁体产生的旋转磁场和集中式电枢绕组电流产生的旋转磁场的转速相等，且极对数相差1。5.根据权利要求1所述的双定子混励无轴承电机，其特征在于：仅考虑正序旋转的基波分量时，转矩电流磁密和永磁体磁密的极对数相等，以及所述永磁体磁密的极对数与悬浮电流磁密的极对数相差1，视为满足所述稳定旋转条件以及所述稳定悬浮条件。6.根据权利要求5所述的双定子混励无轴承电机，其特征在于：所述双定子混励无轴承电机为内定子为6槽、所述转子10极、所述外定子12极结构时，取正序旋转分量时转矩电流磁密、悬浮电流磁密和永磁体磁密的各次谐波极对数表达如下：p
ABCS
＝2n2±
10k,n2,k∈Np
PM
＝3n3±
10k,n3,k∈N式中，p
ABCT
为转矩电流磁密的各次谐波极对数，p
ABCS
为悬浮电流磁密的各次谐波极对数，p
PM
为永磁体磁密的各次谐波极对数，n1为转矩电流合成磁动势谐波次数，n2为悬浮电流合...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴轩，雷正豪，刘波，吴婷，刘琦，黄守道，黄晟，黄晓辉，吕铭晟，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：