[发明专利]磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法

摘要

本发明公布了磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法，属于磁悬浮电机领域。所述磁悬浮开关磁阻电机由磁轴承和开关磁阻电机集合而成，磁轴承的三个偏置绕组与开关磁阻电机的三相电枢绕组采用串联共同励磁的方式，同时提供转矩和偏置磁通；引入电源压降系数，以量化偏置绕组对电枢绕组的串联分压作用，并给出了利用结构和电磁等参数计算电源压降系数的方法；将电枢绕组实际的脉冲电流波形等效为一个阶梯方波，并将电源压降系数引入到各绕组电流设计值的计算中；最后，基于等效磁路法，获得偏置和电枢绕组的计算方法。本发明方法考虑了偏置和电枢绕组的分压效应，电流计算简单、准确，绕组匝数设计精度高，实用性强。

主权项

1.磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法，所述磁悬浮开关磁阻电机包括电机定子、电机转子和电机绕组；所述电机定子由磁阻电机定子和磁轴承定子构成；所述电机转子由凸极转子和圆柱转子构成；所述电机绕组由转矩绕组和悬浮绕组构成；所述圆柱转子布置在磁轴承定子内，凸极转子布置在磁阻电机定子内；所述磁轴承定子和磁阻电机定子轴向串联布置，所述圆柱转子和凸极转子套在转轴上；所述磁阻电机定子和凸极转子均为凸极结构，所述圆柱转子为圆柱结构；所述磁轴承定子由4个E型结构构成，4个E型结构在圆周上均匀分布，空间上相差90°；每个E型结构的齿数为3，所述E型结构的中间齿为宽齿，两边齿为窄齿；每个E型结构中的两个窄齿上均有1个绕组，每个E型结构两个窄齿上的绕组串联形成1个窄齿绕组，在4个E型结构上形成4个窄齿绕组；所述4个窄齿绕组中相隔180°的两个绕组反向串联，形成一个悬浮绕组；另外两个相隔180°的窄齿绕组反向串联，形成另一个悬浮绕组；所述两个悬浮绕组空间上相隔90°；所述转矩绕组个数与磁阻电机的相数m相同，每个转矩绕组由一个电枢绕组和一个偏置绕组串联构成；所述磁阻电机定子凸极结构包含有n个定子齿，每个定子齿上绕有1个绕组，所有磁阻电机定子齿上的绕组，分m组，分别连接在一起，构成m个电枢绕组；其中，n为m的倍数；所述偏置绕组共m个，每个E型结构宽齿上绕有m个线圈；在4个E型结构中，在每个宽齿上选取1个线圈，串联成1个偏置绕组，从而形成m个偏置绕组；其特征在于，所述磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法，包括如下步骤：步骤A，计算每相偏置绕组端电压Ubias和电枢绕组端电流Ua；具体步骤如下：步骤A‑1，计算每相偏置绕组自感Lbias和每相电枢绕组最大自感Lmax；其表达式分别为：其中，μ₀为真空磁导率，δ为气隙长度，l为磁轴承有效轴向长度，l_SRM为磁阻电机有效轴向长度，α_s为磁阻电机定子极弧角，α_s1为磁轴承定子宽齿的极弧角，r为转子半径，N为电枢绕组匝数，N_b为偏置绕组匝数，k_Fe为铁心叠压系数，k_α为E型结构宽窄定子极弧之比，其表达式为α_s2为磁轴承定子窄齿的极弧角；步骤A‑2，获得每相偏置绕组端电压Ubias和电枢绕组端电流Ua；根据所述Lbias和Lmax，及计算公式：得到：其中，Lbias为每相偏置绕组自感，Lmax为每相电枢绕组的最大自感，i为每相转矩绕组电流，t为时间，kL为电枢绕组最大自感与最小自感之比，kL取值区间为[5，8]；步骤B，计算N²α_sl_SRM和其表达式分别为：其中，PN为磁阻电机的额定功率，n为额定转速，Fload为磁轴承的径向负载，IP为每相等效电流的峰值，η为磁阻电机效率，Zr为磁阻电机的转子极数，γ为磁轴承定子的宽齿与窄齿间夹角，k为磁阻电机的磁压降系数，k＝1.1～1.2；步骤C，计算电源压降系数kU，根据所述表达式：得到：其中，k_tf为力矩系数，T_N为额定转矩，U为每相转矩绕组的电源电压，U＝U_a+U_bias；步骤D，计算偏置绕组和电枢绕组匝数设计的电流值，具体步骤如下：步骤D‑1，根据所述P_N、U和k_U，及计算公式计算出每相等效电流的峰值I_P；步骤D‑2，根据所述I_P，及计算公式计算出电枢绕组匝数设计的电流值I_m；步骤D‑3，根据所述I_P，及计算公式计算出偏置绕组匝数设计的电流值I_av；步骤E，计算电枢绕组和偏置绕组的匝数，具体步骤如下：步骤E‑1，计算电枢绕组匝数N；根据所述I_m，及计算公式计算出电枢绕组的匝数N，其中，B_δ为磁阻电机电枢绕组产生的气隙磁密，B_δ＝1.0～1.5T；步骤E‑2，计算偏置绕组匝数Nb；根据所述I_m，及计算公式计算出偏置绕组的匝数N_b，其中，B_b为磁轴承偏置绕组产生的气隙磁密，B_b＝0.3～0.5T。