本發(fā)明涉及一種五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機，可作為高速、高效率電機，特別適用于飛輪電池領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，如高速機床、離心機、壓縮機、飛輪電池等眾多領(lǐng)域需要高速/超高速電機的驅(qū)動，然而在機械軸承支承轉(zhuǎn)軸的高速/超高速電機中，由于電機高速旋轉(zhuǎn)使得摩擦阻力增加，軸承磨損嚴重，需定期維護，且因摩擦過程中，產(chǎn)生大量的熱量，電機工作效率低，所以高速、高效率電機越來越受到重視，然而可靠性、高損耗等問題制約著高速、高效率電機的發(fā)展。為此，本專利提出一種五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機，具有功耗低、效率高、轉(zhuǎn)矩和懸浮力無耦合且控制簡單靈活的優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機，由12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機、第一永磁體、徑向軸承、第二永磁體、軸向軸承和轉(zhuǎn)軸組成。永磁體為12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機、徑向軸承和軸向軸承提供了產(chǎn)生懸浮力所需的偏置磁場，省去了多余的用于產(chǎn)生偏置磁場的線圈，降低了損耗。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機，包括12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機、第一永磁體、徑向軸承、第二永磁體、軸向軸承、轉(zhuǎn)軸；

所述五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子分為同軸的三段，第一段為12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機的電機轉(zhuǎn)子，第二段為軸承轉(zhuǎn)子、第三段為軸承吸力盤；靠近電機轉(zhuǎn)子一端的軸承轉(zhuǎn)子依次套有第一永磁體、徑向軸承、第二永磁體，第三段的軸承吸力盤上套有軸向軸承；

所述五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機由12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機、第一永磁體、徑向軸承、第二永磁體、軸向軸承和轉(zhuǎn)軸穩(wěn)固連為一個整體裝置，實現(xiàn)了懸浮支承系統(tǒng)與驅(qū)動電機完全意義上的統(tǒng)一；第一永磁體采用軸向充磁，既為12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機提供了產(chǎn)生懸浮力所需的偏置磁場，又為徑向軸承提供了產(chǎn)生懸浮力所需的偏置磁場，第二永磁體采用軸向充磁，既為徑向軸承提供了產(chǎn)生懸浮力所需的偏置磁場，又為軸向軸承提供了產(chǎn)生懸浮力所需的偏置磁場。

所述五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機部分由四個隔磁板，四個電機懸浮極，四個電機懸浮繞組，四個電機定子鐵心，八個轉(zhuǎn)矩繞組，一個電機定子軛和一個電機轉(zhuǎn)子組成。其中，電機定子軛內(nèi)部與四個電機懸浮極相連，每個電機懸浮極上疊繞一個電機懸浮繞組，繞組均由直流電控制；相鄰兩個電機懸浮極之間安裝一個隔磁板，隔磁板外側(cè)與電機定子軛相連，共有四個隔磁板；每個隔磁板內(nèi)側(cè)安裝一個電機定子鐵心，每個電機定子鐵心上有兩個齒，每個齒上疊繞轉(zhuǎn)矩繞組，繞組均由直流電控制；電機定子鐵心、電機懸浮極和電機轉(zhuǎn)子之間留有等間隙的徑向氣隙；電機轉(zhuǎn)子上共有十四個等間距分布的齒，電機轉(zhuǎn)子嵌套在轉(zhuǎn)軸上。12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機采用轉(zhuǎn)矩/懸浮自解耦結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)矩繞組與懸浮繞組分開安置，實現(xiàn)兩個自由度懸浮與電動/發(fā)電。

所述五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的徑向軸承部分由一個軸承定子軛，四個軸承定子極，四個軸承懸浮繞組和一個軸承轉(zhuǎn)子組成。其中，軸承定子軛內(nèi)部與四個軸承定子極相連，每個軸承定子極上疊繞一個軸承懸浮繞組，繞組均由直流電控制；軸承定子極和軸承轉(zhuǎn)子之間留有等間隙的徑向氣隙；可以實現(xiàn)徑向兩個自由度懸浮。軸承轉(zhuǎn)子嵌套在轉(zhuǎn)軸上。

所述五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的軸向軸承部分由一個軸承定子、一個軸承繞組和一個軸承吸力盤組成。其中，軸承定子和軸承繞組呈圓環(huán)狀，且軸承繞組嵌入軸承定子，繞組由直流電控制；軸承吸力盤與軸承定子之間留有一定氣隙，且軸承吸力盤嵌套在轉(zhuǎn)軸上。，可以實現(xiàn)軸向一個自由度懸浮。

所述12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機電機轉(zhuǎn)子與徑向軸承轉(zhuǎn)子、軸向軸承吸力盤相固連；第一永磁體與電機定子軛、徑向軸承定子軛相連，并處于12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機和徑向軸承中間；第二永磁體與徑向軸承定子軛、軸向軸承定子相連，并處于徑向軸承和軸向軸承中間；第一永磁體產(chǎn)生的磁通由n極、電機定子軛，電機懸浮極，電機轉(zhuǎn)子、徑向軸承轉(zhuǎn)子、徑向軸承定子軛、徑向軸承定子極返回s極；第二永磁體產(chǎn)生的磁通由n極、軸向軸承定子、軸向軸承吸力盤、徑向軸承轉(zhuǎn)子、徑向軸承定子極、徑向軸承定子軛返回s極；兩個閉合磁路的形成，為12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機兩個徑向自由度懸浮力的產(chǎn)生、徑向軸承兩個徑向自由度懸浮力的產(chǎn)生和軸向軸承一個軸向自由度懸浮力的產(chǎn)生提供偏置磁場。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后具有的有益效果是：

1、利用混合徑向-軸向磁軸承、配合二自由度12/14磁懸浮開關(guān)磁阻的電機實現(xiàn)電機五自由度高速低損耗全懸浮，降低了機械摩擦損耗。

2、五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的偏置磁場由永磁體提供，進一步降低了裝置的電磁功耗，提高了運行效率。

3、五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機部分采用轉(zhuǎn)矩/懸浮自解耦結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性，磁懸浮開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩部分采用短磁路結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)漏磁，進一步提高了裝置的運行效率。

附圖說明

圖1所示為一種五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機剖分圖。

圖2所示為一種五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機1示意圖。

圖3所示為一種五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機1的工作原理圖。

圖4所示為一種五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的徑向軸承3示意圖。

圖5所示為一種五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的徑向軸承3工作原理圖。

圖6所示為一種五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的軸向軸承5示意圖。

圖7所示為一種五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的軸向軸承5工作原理圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。

如圖1所示，本發(fā)明五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機軸向剖分圖，包括12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機1、第一永磁體2、徑向軸承3、第二永磁體4、軸向軸承5和轉(zhuǎn)軸6。12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機1、第一永磁體2、徑向軸承3、第二永磁體4、軸向軸承5和轉(zhuǎn)軸6穩(wěn)固連為一個整體裝置，實現(xiàn)了懸浮支承系統(tǒng)與驅(qū)動電機完全意義上的統(tǒng)一。第一永磁體2采用軸向充磁，既為12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機1提供了產(chǎn)生懸浮力所需的偏置磁場，又為徑向軸承3提供了產(chǎn)生懸浮力所需的偏置磁場。第二永磁體4采用軸向充磁，既為徑向軸承3提供了產(chǎn)生懸浮力所需的偏置磁場，又為軸向軸承5提供了產(chǎn)生懸浮力所需的偏置磁場。

如圖2所示，本發(fā)明五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機1部分：由一個電機定子軛101，四個電機懸浮極102，四個電機懸浮繞組103，四個隔磁板104，四個電機定子鐵心105，八個轉(zhuǎn)矩繞組106，一個電機轉(zhuǎn)子107組成。其中，電機定子軛101內(nèi)部與四個電機懸浮極102相連，每個電機懸浮極102上疊繞一個電機懸浮繞組103，電機懸浮繞組103均由直流電控制；相鄰兩個電機懸浮極102之間安裝一個隔磁板104，隔磁板104外側(cè)與定子軛101相連，共有四個隔磁板104；每個隔磁板104內(nèi)側(cè)安裝一個電機定子鐵心105，每個電機定子鐵心105上有兩個齒，每個齒上疊繞轉(zhuǎn)矩繞組106；電機定子鐵心105、電機懸浮極102和電機轉(zhuǎn)子107之間留有等間隙的徑向氣隙；電機轉(zhuǎn)子107上共有十四個齒，電機轉(zhuǎn)子107嵌套在轉(zhuǎn)軸6上。12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機1采用轉(zhuǎn)矩/懸浮自解耦結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)矩繞組106與電機懸浮繞組103分開安置，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性。實現(xiàn)兩個徑向自由度懸浮與電動/發(fā)電。

如圖3所示，本發(fā)明五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機1部分工作原理：轉(zhuǎn)矩部分采用單繞組短磁路結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩繞組106共有八個集中式繞組：a1繞組與a2繞組串聯(lián)，其控制電流為ia，b1繞組與b2繞組串聯(lián)，其控制電流為ib，c1繞組與c2繞組串聯(lián)，其控制電流為ic，d1繞組與d2繞組串聯(lián)，其控制電流為id。根據(jù)磁阻最小原理，實現(xiàn)電機正、反轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)電動/發(fā)電功能。ia，ib，ic，id電流獨立控制，具有單繞組結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的容錯性能，且采用短磁路結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)漏磁，進一步提高了飛輪儲能裝置的運行效率。懸浮繞組103共有四個集中式繞組：f1繞組控制電流為if1，f2繞組控制電流為if2，f3繞組控制電流為if3，f4繞組控制電流為if4。與控制電流產(chǎn)生的磁場大小與方向，與第一永磁體2產(chǎn)生的磁場相疊加或者削弱，進而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子上的不對稱磁場力，結(jié)合相應(yīng)的控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)兩個自由度的懸浮。

如圖4所示，本發(fā)明五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的徑向軸承3部分：由軸承定子軛301、軸承定子極302、軸承繞組303和軸承轉(zhuǎn)子304組成。軸承定子軛301內(nèi)部等間距安裝四個軸承定子極302，每個軸承定子極302上疊繞有集中式繞組303，軸承定子極302與軸承轉(zhuǎn)子304之間留有一定氣隙。四個軸承定子極302相隔90°等間距分布。

如圖5所示，本發(fā)明五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的徑向軸承3部分原理為：軸承繞組303共有四套，p1、p2、p3、p4。p1和p3控制y方向懸浮(一個徑向自由度)，其控制電流分別為ip1、ip3。p2和p4控制x方向懸浮(一個徑向自由度)，其控制電流分別為ip2、ip4。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，永磁鐵2產(chǎn)生的磁通φm和永磁鐵4產(chǎn)生的磁通φn在軸承3內(nèi)均勻分布，當此時需要產(chǎn)生y負方向懸浮力時，控制繞組p1和p3中電流ip1、ip3大小和方向，產(chǎn)生控制磁通φy，控制繞組p1處磁通為：φm–φy，控制繞組p3處磁通為：φm+φy，則轉(zhuǎn)子表面因磁場不平衡，會產(chǎn)生y負方向懸浮力。同理可以產(chǎn)生x方向懸浮力，實現(xiàn)兩個徑向自由度懸浮。

如圖6所示，本發(fā)明五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的軸向軸承5部分：由軸承定子501、軸承繞組502和軸承吸力盤503組成。軸承定子501和軸承繞組502呈環(huán)形，軸承吸力盤503嵌入軸承定子501，且軸承吸力盤503與軸承定子501之間留有一定氣隙。

如圖7所示，本發(fā)明五自由度混合勵磁磁懸浮開關(guān)磁阻電機的軸向軸承5部分原理為：軸承繞組q控制z方向懸浮(一個軸向自由度)，其控制電流分別為iq。由于軸承定子501結(jié)構(gòu)的對稱性，永磁鐵4產(chǎn)生的磁通φn在軸承定子501內(nèi)均勻分布，當此時需要產(chǎn)生z方向懸浮力時，控制繞組q電流iq的大小和方向，產(chǎn)生控制磁通φz，氣隙1處磁通為：φn–φz，氣隙2處磁通為：φn+φz，則轉(zhuǎn)子表面因磁場不平衡，會產(chǎn)生z負方向懸浮力。

所述電機轉(zhuǎn)子107與徑向軸承轉(zhuǎn)子304、軸向軸承吸力盤503相連；第一永磁體2與電機定子軛101、徑向軸承定子軛301相連，并處于12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機1和徑向軸承3中間；第二永磁體4與徑向軸承定子軛301、軸向軸承定子501相連，并處于徑向軸承3和軸向軸承5中間；第一永磁體2產(chǎn)生的磁通由n極、電機定子軛101，電機懸浮極102，電機轉(zhuǎn)子107、徑向軸承轉(zhuǎn)子304、徑向軸承定子軛301、徑向軸承定子極302返回s極。第二永磁體4產(chǎn)生的磁通由n極、軸向軸承定子501、軸向軸承吸力盤503、徑向軸承轉(zhuǎn)子304、徑向軸承定子極302、徑向軸承定子軛301返回s極。兩個閉合磁路的形成，為12/14磁懸浮開關(guān)磁阻電機1兩個徑向自由度懸浮力的產(chǎn)生、徑向軸承3兩個徑向自由度懸浮力的產(chǎn)生和軸向軸承5一個軸向自由度懸浮力的產(chǎn)生提供偏置磁場。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示意性實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。