一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，屬于磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)是將磁軸承技術(shù)與開關(guān)磁阻電機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)磁軸承與開關(guān)磁阻電機(jī)共用一套繞組，通過控制繞組電流使其同時(shí)具有自懸浮和電動(dòng)發(fā)電的能力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無軸承運(yùn)行。由于磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)上與開關(guān)磁阻電機(jī)的相似性，繼磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行研宄之后，拓展磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電運(yùn)行模式已經(jīng)成為一個(gè)研宄的熱點(diǎn)。
[0003]傳統(tǒng)的磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，其勵(lì)磁和發(fā)電過程是周期性分時(shí)控制的，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮力大小的實(shí)時(shí)跟蹤控制。文獻(xiàn)“三相串聯(lián)勵(lì)磁式無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)電原理與實(shí)現(xiàn)”在雙繞組結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了相鄰三極串聯(lián)懸浮勵(lì)磁，一相四極串聯(lián)發(fā)電的懸浮發(fā)電的控制策略。但是勵(lì)磁繞組提供懸浮力的同時(shí)，要給相鄰三相發(fā)電繞組提供勵(lì)磁能量，多個(gè)定子極之間磁路耦合嚴(yán)重，發(fā)電電壓和懸浮力的數(shù)學(xué)模型難以建立，懸浮力與發(fā)電電壓解親控制效果有待提尚。
[0004]磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，發(fā)電原理類似于普通開關(guān)磁阻電機(jī)，磁鏈隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化，電感下降區(qū)運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)使得部分磁能釋放出來變?yōu)殡娔?。?2/8極開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)為例，單向?qū)Ｊ较?，同一時(shí)刻僅有一相繞組電感位于下降區(qū)，轉(zhuǎn)子只有4極可產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率低，輸出功率密度有待提高。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型提出一種新型磁懸浮發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子集凸極轉(zhuǎn)子和盤形磁軸承于一體，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與懸浮力之間耦合小，控制算法簡(jiǎn)單，功率密度高。
[0006]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0007]一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，包括圓盤，定子凸極，轉(zhuǎn)子凸極，繞組，定子鐵心，氣隙；電機(jī)的轉(zhuǎn)子由圓盤與轉(zhuǎn)子凸極軸向疊加組成，圓盤提供徑向力，轉(zhuǎn)子凸極提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子鐵心徑向上等間隔分布6個(gè)轉(zhuǎn)子凸極，電機(jī)的定子包括定子凸極，繞組，定子鐵心，所述定子鐵心上等間隔分布12個(gè)定子凸極，所述轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極的極寬相同，每個(gè)定子凸極的定子齒上繞有一套繞組，定子上間隔60°兩個(gè)齒極上的繞組串聯(lián)作為一相，共6相。
[0008]進(jìn)一步，所述圓盤的軸向厚度與轉(zhuǎn)子凸極的軸向厚度之和為電機(jī)的軸向長(zhǎng)度，所述圓盤的直徑與轉(zhuǎn)子凸極外徑相同。
[0009]進(jìn)一步，所述氣隙介于電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間。
[0010]本實(shí)用新型的有益效果:
[0011]I)定子極采用集中繞組，轉(zhuǎn)子極無繞組，結(jié)構(gòu)清晰，功能明確。
[0012]2)混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圓盤和轉(zhuǎn)子凸極分別提供懸浮力和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，結(jié)構(gòu)清晰，控制目標(biāo)明確。
[0013]3)懸浮力不隨轉(zhuǎn)子位置角周期變化，徑向力波動(dòng)小，徑向負(fù)載能力強(qiáng)。
[0014]4)所有轉(zhuǎn)子凸極同步產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩利用效率高，機(jī)械能的轉(zhuǎn)化效率高。
[0015]5)多相繞組同時(shí)勵(lì)磁，懸浮相發(fā)電相相互獨(dú)立，可連續(xù)輸出發(fā)電電壓，相對(duì)于傳統(tǒng)磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)周期分時(shí)發(fā)電模式具有明顯優(yōu)勢(shì)。
【附圖說明】
[0016]圖1是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)二維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)三相懸浮繞組結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)三相發(fā)電繞組結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖5是混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)一相電流變化以及自電感分布曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】。
[0022]如圖1、2所示，本實(shí)用新型所述混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，電機(jī)鐵心由凸極定子、凸極轉(zhuǎn)子和圓盤轉(zhuǎn)軸混合結(jié)構(gòu)組成；包括圓盤1，定子凸極2，轉(zhuǎn)子凸極3，繞組4，定子鐵心5，氣隙6。其中轉(zhuǎn)子由圓盤I與轉(zhuǎn)子凸極3軸向疊加組成；圓盤I提供徑向力，轉(zhuǎn)子凸極3提供制動(dòng)負(fù)轉(zhuǎn)矩。
[0023]本實(shí)用新型所述混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，定子凸極齒數(shù)為12，混合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子凸極齒數(shù)為6，每相繞組由間隔60°的兩個(gè)繞組4串聯(lián)組成，每相均獨(dú)立控制。本實(shí)用新型轉(zhuǎn)子無繞組，每個(gè)定子極繞有一套繞組4，定子上間隔60°兩個(gè)齒極上的繞組串聯(lián)作為一相，混合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子凸極3的齒數(shù)為6，轉(zhuǎn)子凸極3與定子凸極2極寬相同；圓盤I與轉(zhuǎn)子凸極3軸向疊加且外徑與轉(zhuǎn)子凸極3外徑相同；轉(zhuǎn)子凸極3與圓盤I軸向長(zhǎng)度比例遵循實(shí)際懸浮力與制動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求。
[0024]如圖3所示轉(zhuǎn)子凸極3轉(zhuǎn)過對(duì)齊位置時(shí)，懸浮相分布如圖所示，此時(shí)圓盤受到x、y、z三個(gè)方向上的徑向力，合成得到懸浮力；x方向的懸浮力由繞組電流ixl控制，其中i xl+為流入電流，ixl-為流出電流，控制ix電流大小即可控制X方向徑向力；同理，y方向的懸浮力由繞組電流iyl提供，其中i yl+為流入電流，i yl_為流出電流，z方向的懸浮力由繞組電流i zl提供，其中izl+為流入電流，i zl_為流出電流。
[0025]發(fā)電相分布如圖4所示，勵(lì)磁結(jié)束進(jìn)入發(fā)電階段，各繞組中勵(lì)磁電流幅值相同，此時(shí)定轉(zhuǎn)子凸極處于對(duì)齊位置，以逆時(shí)針為旋轉(zhuǎn)正方向，分別為繞組流入流出電流，所有轉(zhuǎn)子凸極3將產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)。
[0026]圖5是本實(shí)用新型所述發(fā)電機(jī)A相繞組電感和電流隨轉(zhuǎn)子位置角變化曲線，A、B、C三相為空間對(duì)稱三相，懸浮發(fā)電過程同步，僅以A相為例說明懸浮與發(fā)電過程。當(dāng)轉(zhuǎn)子位于區(qū)間I內(nèi)Θ e [-15°，15° ]時(shí)，A相作為懸浮相導(dǎo)通，此時(shí)A相電感位于底部平坦區(qū)域，由于圓盤部分磁路磁阻較小，圓盤提供徑向力的同時(shí)不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，采用電流斬波或者PWM斬波等方法控制電流大小，可產(chǎn)生X方向的徑向力，同理B、C相可產(chǎn)生γ、z方向上的徑向力，三個(gè)方向的徑向力合成轉(zhuǎn)子懸浮所需任意方向的磁拉力。轉(zhuǎn)子位于區(qū)間II內(nèi)Θ e [15°，30° ]，A相電感位于上升區(qū)，為保證對(duì)稱勵(lì)磁，需要斬波控制A相繞組與B、C相繞組電流幅值相同，避免發(fā)電階段電流的不平衡導(dǎo)致懸浮力失穩(wěn)；當(dāng)轉(zhuǎn)子位于區(qū)間III內(nèi)Θ e [30°，45° ]，A相作為發(fā)電相自然續(xù)流，其電感位于下降區(qū)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)釋放磁場(chǎng)儲(chǔ)能，轉(zhuǎn)子凸極轉(zhuǎn)矩為負(fù)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出，與此同時(shí)相鄰三相D、E、F作為懸浮相提供徑向懸浮力；隨著轉(zhuǎn)子位置角的變化，勵(lì)磁順序依次為ABC-DEF-ABC，實(shí)現(xiàn)整個(gè)周期內(nèi)懸浮發(fā)電平穩(wěn)運(yùn)行。
[0027]上述過程中，懸浮發(fā)電運(yùn)行時(shí)，電機(jī)每相繞組電流獨(dú)立控制，同一時(shí)刻只導(dǎo)通定子上互成120°分布且繞組電感處于平坦區(qū)和上升區(qū)的三相，控制繞組電流大小，吸引圓盤產(chǎn)生徑向懸浮力Fx、Fy、Fz,圓盤懸浮于氣隙磁場(chǎng)中，并為隨后的發(fā)電階段提供勵(lì)磁；勵(lì)磁階段結(jié)束前采用斬波控制三相繞組保持電流幅值相同，勵(lì)磁結(jié)束后繞組自然續(xù)流發(fā)電，通過轉(zhuǎn)子制動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化機(jī)械能并釋放磁場(chǎng)儲(chǔ)能；隨后進(jìn)入電感下降區(qū)續(xù)流發(fā)電，與此同時(shí)，其余三相繞組進(jìn)入電感平坦區(qū)域重復(fù)上述控制過程，實(shí)現(xiàn)發(fā)電相與懸浮相之間功能轉(zhuǎn)換，以此避免懸浮相與發(fā)電相電流耦合。
[0028]所述電機(jī)結(jié)構(gòu)使得每相電感有1/2周期位于底部平坦區(qū)域，1/4位于上升區(qū)域，1/4位于下降區(qū)域。發(fā)電運(yùn)行時(shí)，只導(dǎo)通幾何結(jié)構(gòu)上互成120°且電感處于平坦區(qū)和上升區(qū)的三相，每相獨(dú)立控制產(chǎn)生懸浮力并為發(fā)電階段繞組勵(lì)磁，剩余處于電感下降區(qū)三相則續(xù)流發(fā)電。該新型發(fā)電機(jī)集徑向磁軸承與開關(guān)磁阻電機(jī)于一體，轉(zhuǎn)子極制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，發(fā)電出力多，懸浮相電流對(duì)發(fā)電相電流影響小，徑向負(fù)載能力強(qiáng)。
[0029]本實(shí)用新型可根據(jù)電機(jī)徑向負(fù)載能力和發(fā)電功率要求，合理設(shè)計(jì)圓盤與凸極轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度，也可聯(lián)想設(shè)計(jì)同類型如8/4極混合轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步滿足懸浮發(fā)電性能要求，因而本實(shí)用新型對(duì)相似結(jié)構(gòu)的磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)均具有示范和參考價(jià)值。
[0030]應(yīng)理解上述施例僅用于說明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍，在閱讀了本實(shí)用新型之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，其特征在于:包括圓盤(I)，定子凸極(2)，轉(zhuǎn)子凸極(3)，繞組(4)，定子鐵心(5)，氣隙(6); 電機(jī)的轉(zhuǎn)子由圓盤⑴與轉(zhuǎn)子凸極⑶軸向疊加組成，圓盤⑴提供徑向力，轉(zhuǎn)子凸極(3)提供制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子鐵心徑向上等間隔分布6個(gè)轉(zhuǎn)子凸極(3)，電機(jī)的定子包括定子凸極(2)，繞組(4)，定子鐵心(5)，所述定子鐵心(5)上等間隔分布12個(gè)定子凸極(2)，所述轉(zhuǎn)子凸極(3)與定子凸極(2)的極寬相同，每個(gè)定子凸極(2)的定子齒上繞有一套繞組(4)，定子上間隔60°兩個(gè)齒極上的繞組串聯(lián)作為一相，共6相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，其特征在于:所述圓盤⑴的軸向厚度與轉(zhuǎn)子凸極⑶的軸向厚度之和為電機(jī)的軸向長(zhǎng)度，所述圓盤(I)的直徑與轉(zhuǎn)子凸極(3)外徑相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，其特征在于:所述氣隙(6)介于電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種12/6極混合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁懸浮開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)定子有12個(gè)齒極，每個(gè)定子齒極繞有一套繞組，轉(zhuǎn)子由6個(gè)齒極和一個(gè)圓盤軸向疊加而成，無繞組。所述發(fā)電機(jī)定子凸極極寬與轉(zhuǎn)子凸極極寬相同。所述結(jié)構(gòu)使得每相電感有1/2周期位于底部平坦區(qū)域，1/4位于上升區(qū)域，1/4位于下降區(qū)域。發(fā)電運(yùn)行時(shí)，只導(dǎo)通機(jī)械結(jié)構(gòu)互成120°且電感處于平坦區(qū)和上升區(qū)的三相，每相獨(dú)立控制產(chǎn)生懸浮力并為發(fā)電階段勵(lì)磁，剩余處于電感下降區(qū)三相則續(xù)流發(fā)電。該新型發(fā)電機(jī)集徑向磁軸承與開關(guān)磁阻電機(jī)于一體，轉(zhuǎn)子極制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，發(fā)電出力多，懸浮相電流對(duì)發(fā)電相電流影響小，徑向負(fù)載能力強(qiáng)。
【IPC分類】H02K19-16
【公開號(hào)】CN204597745
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520241065
【發(fā)明人】孫玉坤, 楊凱
【申請(qǐng)人】江蘇大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年4月20日