本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，尤其涉及一種轉(zhuǎn)子重力卸載型磁軸承復(fù)合電機(jī)。

背景技術(shù)：

轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠運(yùn)行是電機(jī)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵問題之一，目前常用的支承有機(jī)械軸承、空氣軸承和磁軸承等。機(jī)械軸承與轉(zhuǎn)軸直接相連，具有磨損嚴(yán)重、使用壽命短等問題；空氣軸承也存在氣路復(fù)雜、支承剛度差；磁軸承利用電流或者永磁體在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子無接觸運(yùn)行，具有可靠性高、無機(jī)械磨損、無須潤(rùn)滑、能夠適應(yīng)高溫、低溫、真空等特殊環(huán)境。

根據(jù)電磁軸承和電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的相似性，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子槽中嵌入一套類似于磁軸承中產(chǎn)生懸浮力的懸浮繞組，使得電機(jī)在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)又能夠?qū)崿F(xiàn)自懸浮功能，這就是傳統(tǒng)的磁懸浮電機(jī)。

而對(duì)于傳統(tǒng)的磁懸浮電機(jī)，懸浮繞組和電樞繞組都被同時(shí)疊繞在定子槽中，當(dāng)兩種繞組通電后會(huì)產(chǎn)生比較大的耦合，為了能夠提高傳統(tǒng)懸浮電機(jī)的控制精度，必須對(duì)懸浮繞組和電樞繞組進(jìn)行解耦控制，從而加大電機(jī)的控制成本。

為了減小懸浮繞組和電樞繞組之間的耦合，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究工作，如中國(guó)專利“一種無軸承永磁同步電機(jī)解耦控制器的構(gòu)造方法(cn102790576a)”將無軸承永磁同步電機(jī)及其負(fù)載作為一個(gè)整體組成復(fù)合被控對(duì)象，用支持向量機(jī)加積分器構(gòu)成支持向量機(jī)逆實(shí)現(xiàn)無軸承永磁同步電機(jī)徑向懸浮力與轉(zhuǎn)速之間的動(dòng)態(tài)解耦；中國(guó)專利“一種雙定子無軸承磁通反向電機(jī)(cn106411081a)”將懸浮繞組與電樞繞組分開放置，外定子槽中僅放置電樞繞組，且每個(gè)定子槽的底部貼有一對(duì)用來產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的永磁體，內(nèi)定子上等間隔設(shè)置有兩個(gè)x和y軸方向的懸浮繞組；中國(guó)專利“一種雙定子磁懸浮開關(guān)磁阻啟動(dòng)/發(fā)電機(jī)(cn103618424a)”采用雙定子結(jié)構(gòu)，懸浮繞組與電樞繞組相互分開放置，解決啟動(dòng)/發(fā)電功能轉(zhuǎn)子懸浮功能之間的耦合問題，但以上專利中懸浮繞組與電樞繞組都沒有做到完全解耦。

磁懸浮電機(jī)通過懸浮繞組通電產(chǎn)生懸浮力來克服轉(zhuǎn)子的重力和外部擾動(dòng)，保證轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作在中心平衡位置，若電機(jī)無負(fù)載時(shí)，懸浮繞組也必須通入控制電流來克服轉(zhuǎn)子的自重，造成懸浮電機(jī)功耗增大。

為了克服轉(zhuǎn)子重力造成懸浮電機(jī)功耗增大的問題，中國(guó)專利“一種低功耗單穩(wěn)態(tài)零重力作用徑向磁軸承(cn101737425a)”在轉(zhuǎn)子重力方向采用四個(gè)半圓環(huán)，轉(zhuǎn)子上部的兩個(gè)半圓環(huán)產(chǎn)生吸引力，轉(zhuǎn)子下部的兩個(gè)半圓環(huán)產(chǎn)生排斥力，該種結(jié)構(gòu)解決了磁懸浮轉(zhuǎn)軸的重力和功耗問題，使得轉(zhuǎn)子在靜態(tài)條件下穩(wěn)定工作在工作點(diǎn)；中國(guó)專利“具有反重力磁懸浮軸承的超高效空芯直驅(qū)發(fā)電設(shè)備(cn101285453)”利用稀土永磁磁鋼的高剩磁和矯頑力和磁鋼同性相斥的特點(diǎn)，將同性的兩塊環(huán)形磁鋼相對(duì)排列，通過斥力來抵消風(fēng)輪矩陣由于重力帶來的摩擦力；中國(guó)專利“磁懸浮支撐系統(tǒng)與磁懸浮軸承、復(fù)式磁懸浮軸承、磁力定心軸承及轉(zhuǎn)子偏磁減重力裝置(cn102118125a)”將轉(zhuǎn)子偏磁減重裝置對(duì)稱地分布在電機(jī)兩側(cè)的轉(zhuǎn)子軸桿上來克服轉(zhuǎn)子的重力影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種轉(zhuǎn)子重力卸載型磁軸承復(fù)合電機(jī)，能夠很好解決轉(zhuǎn)子重力造成懸浮電機(jī)功耗增大、懸浮繞組與電樞繞組之間的耦合強(qiáng)等問題，同時(shí)縮短電機(jī)軸向長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)體積小，功耗低的磁軸承復(fù)合電機(jī)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種轉(zhuǎn)子重力卸載型磁軸承復(fù)合電機(jī)，從外向內(nèi)依次由外定子、轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子構(gòu)成，且三者同心分布；

所述內(nèi)定子位于復(fù)合電機(jī)中心位置，且內(nèi)定子為七極凸極結(jié)構(gòu)，分別兩個(gè)相對(duì)的偏置磁通磁極，x、y軸正、反方向的四個(gè)懸浮控制極，一個(gè)轉(zhuǎn)子重力卸載極，所述兩個(gè)相對(duì)的偏置磁通磁極端面表面均表貼永磁體，所述四個(gè)懸浮控制極上分別繞置x軸正方向懸浮控制繞組、x軸負(fù)方向懸浮控制繞組、y軸正方向懸浮控制繞組和y軸負(fù)方向懸浮控制繞組。

上述方案中，所述轉(zhuǎn)子中嵌入隔磁鋁環(huán)。

上述方案中，所述轉(zhuǎn)子外表面等間距表貼n個(gè)永磁陣列，所述永磁陣列采用halbach型永磁陣列。

上述方案中，所述外定子的槽中嵌入若干個(gè)電樞繞組，所述電樞繞組采用雙層短節(jié)距繞組。

上述方案中，所述兩個(gè)相對(duì)的偏置磁通磁極一端表面表貼的兩塊永磁體采用徑向充磁，且充磁方向相同。

上述方案中，所述x軸正方向懸浮控制繞組和x軸負(fù)方向懸浮控制繞組、y軸正方向懸浮控制繞組和y軸負(fù)方向懸浮控制繞組分別采用差動(dòng)控制。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果是：

(1)在重力方向上，內(nèi)定子增加一個(gè)轉(zhuǎn)子重力卸載極，依靠永磁體的偏置磁通、利用重力方向上磁極分布的不對(duì)稱性，產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子重力方向相反的磁拉力，消除轉(zhuǎn)子重力對(duì)懸浮電機(jī)穩(wěn)定工作的影響，同時(shí)達(dá)到減小功耗的目的；

(2)將懸浮繞組和電樞繞組分開放置，轉(zhuǎn)子中間采用隔磁鋁環(huán)進(jìn)行隔磁，能夠很好解決現(xiàn)有磁懸浮電機(jī)中懸浮繞組和電樞繞組之間的耦合問題；

(3)轉(zhuǎn)子外表面采用halbach型永磁陣列，使得轉(zhuǎn)子外部氣隙中的磁場(chǎng)正弦性好、諧波含量少，具有聚磁效果，能夠提供更高的氣隙磁密，且具有自屏蔽特性，減小轉(zhuǎn)子鐵心的厚度，大大減小轉(zhuǎn)子重量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明復(fù)合電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1-外定子；2-x軸正方向懸浮控制繞組；3-halbach型永磁陣列；4-隔磁鋁環(huán)；5-永磁體；6-y軸負(fù)方向懸浮控制繞組；7-轉(zhuǎn)子；8-x軸負(fù)方向懸浮控制繞組；9-y軸正方向懸浮控制繞組；10-內(nèi)定子；11-電樞繞組；12-轉(zhuǎn)子重力卸載極；13-懸浮控制極；14-偏置磁通磁極。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明復(fù)合電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，從外向內(nèi)依次由外定子1、轉(zhuǎn)子7和內(nèi)定子10構(gòu)成，且三者同心分布；

內(nèi)定子10位于復(fù)合電機(jī)中心位置，且內(nèi)定子10為七極凸極結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)相對(duì)的偏置磁通磁極14和x、y軸正、反方向的四個(gè)懸浮控制極13(即四個(gè)懸浮控制極13沿著圓周均勻分布，相鄰兩個(gè)磁極之間的夾角為90°)以及一個(gè)轉(zhuǎn)子重力卸載極12；兩個(gè)相對(duì)的偏置磁通磁極14端面表面分別表貼一塊永磁體5，兩塊永磁體5采用徑向充磁，且充磁方向相同，為懸浮控制提供偏置磁通；四個(gè)懸浮控制極13上分別繞置x軸正方向懸浮控制繞組2、x軸負(fù)方向懸浮控制繞組8、y軸正方向懸浮控制繞組9和y軸負(fù)方向懸浮控制繞組6，且x軸正方向懸浮控制繞組2和x軸負(fù)方向懸浮控制繞組8、y軸正方向懸浮控制繞組9和y軸負(fù)方向懸浮控制繞組6分別采用差動(dòng)控制；

外定子1的槽中嵌入若干個(gè)電樞繞組11，電樞繞組11采用雙層短節(jié)距繞組；轉(zhuǎn)子7外表面等間距表貼n個(gè)halbach型永磁陣列3，可減小轉(zhuǎn)子7的重力、盡可能減小轉(zhuǎn)子7的厚度，同時(shí)保證懸浮控制繞組在轉(zhuǎn)子鐵心上產(chǎn)生的磁密不會(huì)發(fā)生飽和；轉(zhuǎn)子7中嵌入隔磁鋁環(huán)4，從而消除傳統(tǒng)磁懸浮電機(jī)中懸浮繞組與電樞繞組之間的耦合。

一種轉(zhuǎn)子重力卸載型磁軸承復(fù)合電機(jī)的工作過程：

由于轉(zhuǎn)子重力卸載極12的存在，使得轉(zhuǎn)子7在無外界擾動(dòng)的作用下，穩(wěn)定懸浮于中心平衡位置。電樞繞組11通電后產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子上的halbach型永磁陣列3產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子7旋轉(zhuǎn)。若轉(zhuǎn)子7突加外界擾動(dòng)，位移傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)子7偏離中心平衡位置，此時(shí)在相應(yīng)位置處的懸浮控制繞組中通入不同方向的電流，懸浮控制電流產(chǎn)生控制磁通，該控制磁通與永磁體5產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)相互作用，將旋轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)子7拉回中心平衡位置。

轉(zhuǎn)子重力卸載的具體實(shí)施過程為：兩個(gè)徑向充磁的永磁體5在內(nèi)定子10與轉(zhuǎn)子7之間形成偏置磁通，偏置磁通通過偏置磁通磁極14與轉(zhuǎn)子7之間的氣隙，經(jīng)過轉(zhuǎn)子鐵心，然后均勻地穿過內(nèi)定子10的其他5個(gè)定子極，最后回到永磁體5。在重力g方向上僅有一個(gè)轉(zhuǎn)子重力卸載極12，根據(jù)麥克斯韋力產(chǎn)生的原理，在轉(zhuǎn)子7內(nèi)表面上產(chǎn)生一個(gè)方向與重力方向相反的磁拉力，用以抵抗轉(zhuǎn)子7的重力。本發(fā)明僅僅是依靠永磁體5的偏置磁通、利用重力方向上磁極分布的不對(duì)稱性，產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子重力方向相反的磁拉力，用來消除轉(zhuǎn)子重力的影響，不需要通入懸浮控制電流，減小了復(fù)合電機(jī)的功耗。

懸浮控制繞組的具體實(shí)施過程為：若檢測(cè)到轉(zhuǎn)子7位于中心平衡位置，此時(shí)x軸正、反方向上的兩個(gè)懸浮控制極13與轉(zhuǎn)子7之間的氣隙寬度相等，氣隙中的磁密幅值相等，根據(jù)麥克斯韋力產(chǎn)生的原理，x軸方向上的兩個(gè)懸浮控制極13產(chǎn)生的磁張力大小相等，方向相反，即在x軸方向上的磁張力合力為零；同理，在y方向上的磁張力合力為零。若檢測(cè)到轉(zhuǎn)子7發(fā)生偏移，偏移方向?yàn)閤軸負(fù)方向，導(dǎo)致了x軸正方向氣隙寬度減小，x軸負(fù)方向的氣隙寬度增大，從而使得x軸正方向的氣隙磁密增大，負(fù)方向的氣隙磁密減??；為了使得轉(zhuǎn)子回到中心平衡位置，此時(shí)x軸負(fù)方向上的懸浮控制繞組8通入正向電流，懸浮控制繞組2中通入負(fù)電流，正向電流在氣隙中產(chǎn)生的磁通方向與偏置磁通方向相同，負(fù)向電流在氣隙中產(chǎn)生的磁通方向與偏置磁通方向相反，使得x軸正方向的氣隙磁密減小，負(fù)方向的氣隙磁密增大，根據(jù)麥克斯韋力產(chǎn)生的原理，在轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)表面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)指向x軸正方向的磁拉力將轉(zhuǎn)子7拉回中心平衡位置；y軸方向的懸浮原理與之相同。

本發(fā)明涉及的一種轉(zhuǎn)子重力卸載型磁軸承復(fù)合電機(jī)，由永磁電機(jī)和磁軸承復(fù)合而成，可用于風(fēng)力發(fā)電、及各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械等領(lǐng)域，本發(fā)明在減小機(jī)械的軸向長(zhǎng)度的同時(shí)，消除了轉(zhuǎn)子重力對(duì)于懸浮性能的影響。

所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)-替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。