一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机

本发明涉及磁悬浮电机，具体涉及一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机。

背景技术：

1、永磁偏置磁悬浮轴承也称作混合磁悬浮轴承，它能够显著地降低功耗，减小励磁线圈的匝数，提高空间利用率和承载能力。永磁偏置磁悬浮轴承是由定子铁心、转子、永磁体、控制线圈、位移传感器、控制器、功率放大器等组成的一个闭环系统。永磁体产生的偏置磁场和控制线圈产生的控制磁场在气隙中叠加或消减。将传感器检测到的转子的位移信号以电压形式输出到控制器中，经过控制器的计算给出控制信号，通过功率放大器转换为电流或者电压，加载到控制线圈上，产生控制磁场与偏置磁场叠加，改变气隙中的磁场分布，从而能够改变转子所受的合力，实现转子稳定悬浮。

2、传统的五自由度磁悬浮电机常采取两种方案实现，1.由多个独立的混合磁轴承共同支承电子转子，导致电机轴向长度长，临界转速低，悬浮力密度和功率密度大；2.将多个混合磁轴承集成为一个整体，实现了在一个单元内支承转子五自由度悬浮，但是该种结构的五自由度磁悬浮电机中，必须采用多个永磁体共同提供径向和轴向偏置磁通，导致加工装配困难，此外，径向和轴向磁通必然相等，为了充分利用材料，常将轴向和径向气隙磁密值设计为气隙饱和磁密的一半，因此轴向磁极面积和径向磁极面积之间会存在固定的比例关系，导致径向和轴向最大悬浮力之间也存在一定的比例约束关系。而对于垂直轴风力发电机应用场合，所需轴向承载力远大于径向承载力，现有的五自由度磁悬浮电机难以满足垂直轴风力发电机的应用领域技术需求。

技术实现思路

1、本发明提出一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机，径向磁化永磁环同时提供径向与部分轴向偏置磁通，额外设置恒流源绕组对轴向偏置磁通进行补偿，使得其径向与轴向最大悬浮力可以独立设计，同时降低了加工和装配复杂性，尤其适用于垂直轴风力发电机的应用领域技术需求。

2、技术方案：本发明公开一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机，包括转子组件和定子组件；所述定子组件包括径向定子铁心、轴向定子铁心、径向磁化永磁环以及两个对称设置在轴向定子铁心外侧的截面为l型辅助定子铁心；所述轴向定子铁心内侧绕有轴向控制线圈；所述径向定子铁心沿其内圆周均绕制有径向控制线圈；所述径向磁化永磁环设在轴向定子铁心与径向定子铁心之间；所述l型辅助定子铁心与轴向定子铁心之间还对称设置有恒流源绕组；所述转子组件包括转轴、径轴向共用磁路铁心、轴向磁路铁心、隔磁环一、隔磁环二、叠压硅钢片及外层永磁体，其中隔磁环二、叠压硅钢片及外层永磁体统称为电机定子；

3、所述转轴贯穿所述轴向磁路铁心，所述隔磁环二设置于径轴向共用磁路铁心外周，叠压硅钢片及外层永磁体依次设置在隔磁环二的外侧；所述隔磁环一、隔磁环二嵌入转子中，将转子分为径轴向共用磁路铁心、轴向磁路铁心与电机转子三部分；所述径轴向共用磁路铁心与所述径向定子铁心位置相形成径向工作气隙，与所述轴向定子铁心形成外轴向气隙；轴向磁路铁心与所述轴向定子铁心形成内轴向气隙以及内径向气隙，所述l型辅助定子铁心与转子铁心之间形成径向辅助气隙。

4、进一步地，所述内径向气隙远大于外轴向气隙、内轴向气隙与辅助气隙。

5、进一步地，当所述径向磁化永磁环外极性为n，内极性为s时，恒流源绕组上截面电流为向内，下截面电流为向外；当所述径向磁化永磁环外极性为s，内极性为n时，恒流源绕组上截面电流为向外，下截面电流为向内。

6、进一步地，所述径向磁化永磁环产生偏置磁通二，所述恒流源绕组通电后产生偏置磁通一；轴向控制线圈通电产生轴向控制磁通；所述偏置磁通二让径向工作气隙中的偏置磁密达到气隙饱和磁密的一半；轴向磁极被隔磁环一分为内外两个，内轴向气隙中的偏置磁密在恒流源绕组作用下达到气隙饱和磁密的一半，外轴向气隙中的偏置磁密在径向磁化永磁环作用下达到气隙饱和磁密的一半。

7、进一步地，所述偏置磁通二由径向磁化永磁环n极出发，由定子外沿进入轴向定子铁心，经外轴向气隙进入径轴向共用磁路铁心，再通过径向工作气隙进入径向定子铁心，最后回到径向磁化永磁环s极；恒流源绕组产生的偏置磁通一从l型辅助定子铁心出发进入轴向定子铁心，通过内轴向气隙进入轴向磁路铁心，最后沿径向辅助气隙回到l型辅助定子铁心。

8、进一步地，所述轴向控制线圈通电产生轴向控制磁通，轴向控制磁通经过轴向定子铁心、内、外轴向气隙、径轴向共用磁路铁心、轴向磁路铁心形成闭合路径；径向控制线圈通电产生径向控制磁通，径向控制磁通在径向定子铁心的轭部、径向定子铁心的磁极和径向工作气隙间形成闭合路径。

9、进一步地，与径轴向共用磁路铁心相对应的轴向磁极面积等于径向磁极面积总和。

10、进一步地，所述五自由度磁悬浮电机的设计方法具体步骤如下:

11、首先选择铁心材料，确定各气隙饱和磁密值为bs，选取径向工作气隙长度δr、外轴向气隙和内轴向气隙长度均为δz，径向辅助气隙长度为δa；

12、步骤1：计算径向单个磁极面积sr与轴向的磁极面积sz：

13、根据需求的最大径向悬浮力frmax计算出所需的径向磁极面积：其中μ0为真空磁导率。

14、外轴向气隙偏置磁密在径向磁化永磁环作用下等于气隙饱和磁密的一半，因此外轴向磁极面积：sz1＝2sr，产生的最大悬浮力为：

15、根据最大轴向悬浮力fzmax以及外轴向气隙偏置磁密在径向磁化永磁环作用下为气隙饱和磁密的一半，所以内轴向有效磁极面积为：则轴向磁极面积：sz＝sz2+sz1；

16、步骤2：确定径向磁化永磁环磁动势fm

17、当转子处于平衡位置时，径向工作气隙中的磁通由径向磁化永磁环提供，且该磁通产生的径向气隙磁密达到0.5bs，则所需永磁体磁动势为：

18、步骤3：确定l型辅助定子铁心面积：

19、步骤4：确定恒流源绕组安匝数naia

20、外轴向气隙在永磁体磁通作用下的气隙磁密为0.5bs；内轴向气隙在恒流源绕组作用下的气隙磁密为0.5bs；所需恒流源绕组安匝数naia为：

21、步骤5：分别求出轴向控制线圈和径向控制线圈所需安匝数：

22、确定径向控制线圈安匝数：分析控制机理，以径向控制气隙磁密最大值为0.5bs为准则设计径向控制线圈的安匝数nrir；确定轴向控制线圈的安匝数：将两侧的轴向控制线圈串联通电后，以共同产生的最大值为0.5bs的轴向控制气隙磁密为准则设计轴向控制线圈的安匝数nziz；

23、有益效果：

24、本发明提出的一种五自由度混合励磁磁悬浮电机，通过额外设置轴向补偿偏置磁通，并将转子铁心分为三层，在径向永磁环和恒流源绕组共同作用下，径向气隙和内外轴向气隙下的偏置磁通均达到气隙饱和磁密的一半，在实现五自由度磁悬浮支承系统和电机集成化的同时，突破了轴向和径向最大悬浮力间的比例制约关系，充分利用材料，减小漏磁和轴向控制绕组安匝数，同时降低了制造和装配的复杂性。

技术特征：

1.一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机，其特征在于：包括转子组件和定子组件；所述定子组件包括两个对称设置的径向定子铁心(7)、轴向定子铁心(4)、两个径向磁化永磁环(5)以及两个对称设置在轴向定子铁心(4)外侧的截面为l型辅助定子铁心(1)；所述轴向定子铁心(4)内侧面设置有左右对称的轴向控制线圈(3)；所述径向定子铁心(7)沿其内圆周均匀分布三个绕制有径向控制线圈(6)的磁极；所述径向磁化永磁环(5)设在轴向定子铁心(4)与径向定子铁心(7)之间；所述l型辅助定子铁心(1)与轴向定子铁心(4)之间还对称设置有恒流源绕组(2)；

2.根据权利要求1所述的一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述内径向气隙(20)远大于外轴向气隙(18)、内轴向气隙(17)与径向辅助气隙(16)。

3.根据权利要求1所述的一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机，其特征在于：当所述径向磁化永磁环(5)外极性为n，内极性为s时，恒流源绕组(2)上截面电流为向内，下截面电流为向外；当所述径向磁化永磁环(5)外极性为s，内极性为n时，恒流源绕组(2)上截面电流为向外，下截面电流为向内。

4.根据权利要求3所述的一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述径向磁化永磁环(5)产生偏置磁通二(22)，所述恒流源绕组(2)通电后产生偏置磁通一(21)；轴向控制线圈(3)通电产生轴向控制磁通(23)；所述偏置磁通二(22)让径向工作气隙(19)中的偏置磁密达到气隙饱和磁密的一半；轴向磁极被隔磁环一(15)分为内外两个，内轴向气隙(17)中的偏置磁密在恒流源绕组(2)作用下达到气隙饱和磁密的一半，外轴向气隙(18)中的偏置磁密在径向磁化永磁环(5)作用下达到气隙饱和磁密的一半。

5.根据权利要求4所述的一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述偏置磁通二(22)由径向磁化永磁环(5)n极出发，由定子外沿进入轴向定子铁心(4)，经外轴向气隙(18)进入径轴向共用磁路铁心(12)，再通过径向工作气隙(19)进入径向定子铁心(7)，最后回到径向磁化永磁环(5)s极；恒流源绕组(2)产生的偏置磁通一(21)从l型辅助定子铁心(1)出发进入轴向定子铁心(4)，通过内轴向气隙(17)进入轴向磁路铁心(13)，最后沿径向辅助气隙(16)回到l型辅助定子铁心(1)。

6.根据权利要求4所述的一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述轴向控制线圈(3)通电产生轴向控制磁通(23)，轴向控制磁通(23)经过轴向定子铁心(4)、内、外轴向气隙(17、18)、径轴向共用磁路铁心(12)、轴向磁路铁心(13)形成闭合路径；径向控制线圈(6)通电产生径向控制磁通(24)，径向控制磁通(24)在径向定子铁心(7)的轭部、径向定子铁心(7)的磁极和径向工作气隙(19)间形成闭合路径。

7.根据权利要求1所述的一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机，其特征在于：与径轴向共用磁路铁心(12)相对应的轴向磁极面积等于径向磁极面积总和。

8.根据权利要求1至7任一所述的一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机，其特征在于，所述五自由度磁悬浮电机的设计方法具体步骤如下:

技术总结
本发明公开一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机，解决了传统五自由度磁悬浮电机中的悬浮部分径向和轴向共用同一偏置磁通、轴向和径向参数相互制约的技术难题。该五自由度磁悬浮电机由两个隔磁环将转子分为电机转子、径轴向共用磁路铁心、轴向磁路铁心三部分。两个径向定子铁心、两个径向磁化永磁环与径轴向共用磁路铁心形成径向磁路；轴向定子铁心、两个环形永磁体、两个L形铁心与径轴向共用磁路铁心、轴向磁路铁心形成轴向磁路。本发明提供的一种恒流源轴向辅助励磁五自由度磁悬浮电机，巧妙的使用隔磁环分离了径向磁通与恒流源绕组产生的轴向磁通，这使得电机的轴向悬浮力与径向悬浮力可独立设计，且轴向悬浮力可以远大于径向悬浮力。

技术研发人员：张家铭,唐霄,姚瑶,刘非凡,张涛,叶小婷,武莎莎,张晨,鲁庆,莫丽红
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25