本發明涉及一種多變量、非線性、強耦合的無軸承同步磁阻電機，屬于電機制造及控制領域，應用于高速電力傳動場合、機床電主軸、生物工程、有毒物質傳輸和半導體制造等工業領域及航空航天等軍事領域。

背景技術：

無軸承同步磁阻電機的定子轉矩繞組中疊入極對數相差1的懸浮力繞組，控制這兩套繞組可同時產生電磁轉矩和徑向懸浮力。因此，無軸承同步磁阻電機兼備磁軸承與同步磁阻電機的優點，能夠最大限度地利用磁阻轉矩。凸極式轉子無軸承同步磁阻電機具有結構簡單、造價低廉、易實現高速或超高速運行等優勢，但凸極式轉子無軸承同步磁阻電機的凸極比（交軸電感與直軸電感之比）較低，造成電機功率因數、轉矩密度和效率偏低，限制了其使用范圍。無軸承同步磁阻電機是多層磁障式轉子，凸極比雖高，但轉矩密度偏低。在無軸承同步磁阻電機的磁障轉子中注入永磁體形成的新型永磁輔助式無軸承同步磁阻電機，具有功率因數、轉矩密度和效率均較高的優點，并且具備較寬的弱磁調速能力，進一步拓寬了無軸承同步磁阻電機的應用范圍。

中國專利申請號為CN201080041649.8的文獻中公開了一種永磁輔助式同步磁阻電機，其磁障結構并沒有使得磁阻轉矩最大化；轉子中未設置永磁體安裝槽，高速運行時永磁體可能發生脫落，從而引發電機故障；磁障內嵌入高剩磁的釹鐵硼永磁材料是不可再生資源，價格昂貴，嵌入同步磁阻電機中的性價比極差，這是由于永磁體所嵌位置與氣隙具有較大的距離，永磁體磁能進入氣隙的過程具有較多的障礙，將致使永磁體的利用率較低。中國專利申請號為CN201410243253.1和CN201410243245.7的文獻中公開了兩種永磁輔助同步磁阻電機，永磁體仍使用高剩磁的釹鐵硼永磁材料，并且永磁體體積較大，規格較多，僅有第一層永磁體與氣隙直接接觸可輸出一定的有效磁能，其余永磁體的利用率較低。這種結構的轉矩密度略高于內置式永磁電機，但電機成本大幅提高，性價比較低，不宜推廣應用。中國專利申請號為CN201210056204.8和CN201210056244.2的文獻中公開了兩種永磁輔助同步磁阻電機，磁障內嵌入的是圓弧形鐵氧體永磁，其價格低廉，但鐵氧體材料較脆，只能進行切片或者輕微的磨加工，因此圓弧形鐵氧體永磁加工成本較高，生產工藝較繁瑣。

因此，在選擇合適的永磁體材料及結構的同時，如何獲得高轉矩密度、高功率密度的無軸承同步磁阻電機已成為當前無軸承同步磁阻電機進一步發展的關鍵問題。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決傳統無軸承同步磁阻電機凸極比偏低導致的電機功率因數低、轉矩密度偏低的問題而提出一種高凸極比、高功率因數和轉矩密度的永磁輔助式無軸承同步磁阻電機。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：包括定子、轉子和轉軸，轉子同軸位于定子內部且同軸套在轉軸外，定子內壁和轉子外壁之間具有徑向氣隙，在轉子內部沿圓周向方向均勻設置有四組磁障體，每組磁障體均由沿徑向間隔布置的圓弧形的內層磁障和外層磁障組成，每個內層磁障和外層磁障的中間段都設有一個永磁體安裝槽，每個永磁體安裝槽中嵌有一塊永磁體，內層磁障、外層磁障和永磁體均沿電機d軸對稱分布；定子上外層繞有轉矩繞組，內層繞有懸浮力繞組；相鄰兩組磁障體中的永磁體的充磁方向相反，同一組磁障體中的永磁體的充磁方向相同，永磁體靠近氣隙端為N極，靠近轉軸端為S極。

進一步地，定子由定子齒、定子槽和定子軛組成，相鄰兩個定子齒之間形成定子槽，設有24個定子槽，內轉矩繞組和懸浮力繞組安放在定子槽內；定子齒徑向橫截面為T型，T型的頂部靠近轉子，T型的底部與定子軛連為一體，定子軛的徑向寬度為t₁，定子齒的中心處齒寬為t₂，t₁=2~3t₂；

更一步地，懸浮力繞組和轉矩轉矩繞組分別由兩個三相逆變器驅動，懸浮力繞組是每極每相槽數為4的分布式繞組，相鄰的每四個槽為一相的進線端或出線端；轉矩繞組是每極每相槽數為2的分布式繞組，相鄰的每兩個槽為一相的進線端或出線端。

進一步地，外層磁障的弧形端部和轉子的圓心O的連線與d軸所成的夾角為a₁，內層磁障的弧形端部和轉子的圓心O的連線與d軸所成的夾角為a₂，滿足a₂>a₁，0.85×2p/2p<a₁<0.95×2p/2p，p為極對數；

更一步地，內層磁障沿d軸方向上的厚度為l₁，外層磁障沿d軸方向上的厚度為l₂，滿足l₁>l₂；內層磁障中心距離圓心O的長度為轉子半徑長度的一半，外層磁障中心距離圓心O的長度為轉子半徑長度的四分之三。

本發明的優點在于：

1、本發明在轉子直軸磁路上增加了磁障，同時在轉子直軸磁路上采用分層式矩形永磁體結構，使得電機的直軸電感大于交軸電感，克服了傳統無軸承同步磁阻電機固有的凸極比偏低所導致功率因數低的缺陷，并且增加了電機轉矩密度；高速運行時電機較容易實現弱磁控制，恒功率調速范圍較寬。

2、本發明在給定電機輸出功率時，可選用較小容量的逆變器，降低了系統成本。

3、永磁體產生的永磁轉矩相應地增加了無軸承同步磁阻電機的轉矩密度。

4、由于轉子中注入的永磁體量較少，高速運行時較容易實現弱磁，恒功率調速范圍很寬。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細說明。

圖1為本發明永磁輔助式無軸承同步磁阻電機的軸向安裝結構示意圖；

圖2為本發明永磁輔助式無軸承同步磁阻電機的徑向結構示意圖；

圖3為圖2中定子的局部結構放大示意圖；

圖4為圖2中的懸浮力繞組連接方式示意圖；

圖5為圖2中的轉矩繞組連接方式示意圖；

圖6為圖2中轉子內部結構的局部放大示意圖；

圖7為傳統無軸承同步磁阻電機轉矩子系統向量圖；

圖8為本發明永磁輔助式無軸承同步磁阻電機轉矩子系統向量圖。

圖中：1.定子；2.轉子；3.永磁體；4.永磁體安裝槽；5.磁障體；5-1.內層磁障；5-2.外層磁障；6.轉軸；7.定子齒；8.定子槽；9.定子軛；10.轉矩繞組；11.懸浮力繞組；12.光電編碼器；13.電渦流傳感器；14.機殼；15.調心球軸承；16.輔助軸承；17.內螺紋冷卻管；18.左端蓋；19.右端蓋。

具體實施方式

參見圖1和圖2，本發明永磁輔助式無軸承同步磁阻電機包括定子1、轉子2和轉軸6，轉子2同軸位于定子1內部，轉子2同軸套在轉軸6外，轉子2上開槽用于安放轉軸6。定子1上繞有內、外雙層繞組，外層繞組為轉矩繞組10，內層繞組為懸浮力繞組11。在定子1的外部是機殼14，機殼14的軸向左右兩端分別是左端蓋18和右端蓋19，機殼14用于固定定子1、左端蓋18和右端蓋19，左端蓋18通過調心球軸承15連接轉軸6，右端蓋19通過輔助軸承16連接轉軸6。調心球軸承15使轉軸6在軸向固定，而在徑向二自由度內靈活運動。輔助軸承16用來避免電機懸浮或靜止過程中造成的碰撞。在轉軸6的左右兩端分別安裝光電編碼器12和電渦流傳感器13，分別用來檢測電機轉速和徑向位移。定子1內壁和轉子2外壁之間具有徑向氣隙，徑向氣隙的厚度與電機的功率等級、所選取的永磁材料以及定子1與轉子2的加工和裝配工藝有關。

在轉子2內部，沿圓周向方向均勻設置有四組磁障體5，每組磁障體5均由兩個沿轉子2的徑向間隔布置的圓弧形磁障組成，每個圓弧形磁障的中間段都設有一個永磁體安裝槽4，每個永磁體安裝槽4中對應地嵌入一塊永磁體3。在圓弧形磁障的空隙處填入環氧樹脂基復合材料以增強轉子2強度。

定子1和轉子2都由0.35mm厚度的硅鋼片疊壓而成，疊壓系數為0.95。轉軸6由不導磁材料組成。

再結合圖3，定子1由定子齒7、定子槽8和定子軛9組成。相鄰兩個定子齒7之間形成定子槽8，在定子槽8內安放轉矩繞組10和懸浮力繞組11。定子齒7徑向橫截面為T型，T型的頂部靠近轉子2，T型的底部與定子軛9連為一體。定子軛9的徑向寬度為t₁，定子齒7的中心處齒寬為t₂，為了防止定子軛9磁路飽和，要求t₁=2~3t₂。

定子1設有24個定子槽8，24個定子槽8沿圓周方向均勻布置，轉矩繞組10和懸浮力繞組11置放在24個定子槽8內，并采用分布式結構。

如圖2和圖4所示，懸浮力繞組11是每極每相槽數為4的分布式繞組，按順時針方向定義為A1+、Z1-、B1+、X1-、C1+、Y1-排列，相鄰的每四個槽為一相的進線端或出線端，這樣排列使得懸浮力繞組11產生兩極磁場。為直觀理解懸浮力繞組11的接線安排與電流流向，將懸浮力繞組11水平展開，具體連線方式和電流流向如圖4所示，懸浮力繞組11采用同心式繞組，以A相為例，每四個槽的繞組為一相的進線端或出線端，懸浮力繞組按A1+、Z1-、B1+、X1-、C1+、Y1-（+、-號分別表示電流流入與流出）排列，A相的接線是從A1+側進線，從相鄰的X1-側出線。B相和C相的接線方法相同。

如圖2和圖5所示，轉矩繞組10是每極每相槽數為2的分布式繞組，按順時針方向定義為A2+、Z2-、B2+、X2-、C2+、Y2-、A2+、Z2-、B2+、X2-、C2+、Y2-排列，相鄰的每兩個槽為一相的進線端或出線端，這樣的排列使得轉矩繞組10為兩對極，和轉子極對數一樣，可產生電磁轉矩。為直觀理解轉矩繞組10的接線安排與電流流向，將轉矩繞組10水平展開，具體連線方式和電流流向如圖5所示，轉矩繞組10采用鏈式繞組，以A相為例，每兩個槽的繞組為一相的進線端或出線端。轉矩繞組按A2+、Z2-、B2+、X2-、C2+、Y2-、A2+、Z2-、B2+、X2-、C2+、Y2-排列，接線方式與懸浮力繞組11一致。

懸浮力繞組11和轉矩轉矩繞組10分別由兩個三相逆變器驅動，三相逆變器的A相接線到A+側進線，從A-側出線，B相和C相也遵循這一接線準則進行布線。繞組的繞線方式均按星形連接。懸浮力繞組11產生的兩極磁場與轉矩繞組10和永磁體2產生的四極合成磁場相疊加，從而產生徑向懸浮力。

參見圖6，每組磁障體5中的兩個圓弧形磁障分別是內層磁障5-1和外層磁障5-2，每個磁障均沿電機d軸對稱分布，每塊永磁體3也沿電機d軸對稱分布。兩個圓弧形磁障的弧形兩端部均具有圓角，外層磁障5-2的弧形端部和轉子2的圓心O的連線與d軸所成的夾角為a₁，內層磁障5-1的弧形端部和轉子2的圓心O的連線與d軸所成的夾角為a₂，滿足a₂>a₁，0.85×2p/2p<a₁<0.95×2p/2p，其中p為極對數。內層磁障5-1沿d軸方向上的厚度為l₁，外層磁障5-2沿d軸方向上的厚度為l₂，滿足l₁>l₂。內層磁障5-1中心距離圓心O的長度為轉子2半徑長度的一半，外層磁障5-2中心距離圓心O的長度為轉子2半徑長度的四分之三。內層磁障5-1和外層磁障5-2的兩端距轉子2的外邊緣長度為R_s，R_s在1-2mm之間，具體長度可根據電機轉速和轉子2的尺寸來合理設計。

內層磁障5-1和外層磁障5-2中心處的永磁體安裝槽4是矩形，內層磁障5-1上的矩形永磁體安裝槽4沿d軸方向上是寬度h₁，內層磁障5-1上的矩形永磁體安裝槽4的長度是2×w₁。外層磁障5-2上的矩形永磁體安裝槽4沿d軸方向上是寬度h₂，外層磁障5-2上的矩形永磁體安裝槽4的長度是2×w₂。滿足w₁>w₂，h₁>h₂，w₁> h₁，arctan( h₁/ w₁)=arctan(h₂/ w₂)。

內層磁障5-1上的矩形永磁體安裝槽4靠近轉子2圓心O的這側槽邊向圓心O方向凹陷厚度為h₃，外層磁障5-2上的矩形永磁體安裝槽4在靠近轉子2圓心O的這側槽邊向圓心O方向凹陷厚度為h₄，滿足0<h₃<0.3h₁，0<h₄<0.3h₂。

永磁體3采用鐵氧體永磁，每個永磁體安裝槽4中的永磁體3都填滿于永磁體安裝槽4中，永磁體3沿著徑向方向平行充磁。相鄰兩組磁障體5中的永磁體3的充磁方向相反，同一組磁障體5中的永磁體3的充磁方向相同，永磁體3靠近氣隙端為N極，靠近轉軸端為S極。

參見圖7和圖8，d軸對應的電機電感稱為直軸電感L_d，q軸對應的電機電感稱為交軸電感L_q。圖7為傳統無軸承同步磁阻電機轉矩子系統的向量圖，傳統無軸承同步磁阻電機轉子中不存在永磁體，因此沒有永磁通，電磁轉矩由轉子2各向異性產生，所以一般設計時使交軸電感L_q、直軸電感L_d差異盡量大。傳統無軸承同步磁阻電機的d軸方向電流i_d產生d軸方向磁通L_di_d，q軸方向電流i_q產生q軸方向磁通L_qi_q，d軸和q軸合成磁通ψ_s產生電動勢E_s，轉矩繞組電流i_s與轉矩繞組電阻R₁乘積為轉矩繞組產生的電動勢，E_s與R₁i_s之和為端電壓u，端電壓u與轉矩繞組電流i_s之間夾角很大，導致傳統無軸承同步磁阻電機的功率因數偏低，并且電機中一部分d 軸磁通會由磁障端部的鐵芯肋部漏掉，增大了L_d，使得轉矩和功率因數進一步減小。圖8為本發明永磁輔助式無軸承同步磁阻電機的向量圖，本發明電機的d軸方向電流i_d產生d軸方向磁通L_di_d，q軸方向電流i_q產生q軸方向磁通L_qi_q，由于d軸方向上添加的永磁體3產生永磁磁通ψ_f，削弱了d軸磁通ψ_d，d、q軸合成磁通ψ_s產生電動勢E_s，轉矩繞組電流i_s與轉矩繞組電阻R₁乘積為轉矩繞組產生的電動勢，E_s與R₁i_s之和為端電壓u。對比圖7可以發現，端電壓矢量u與端電流矢量i_s之間夾角減小，從而增大了電機的功率因數。此外，永磁體3位于直軸d軸上，使得直軸電感增加，這樣使得直軸電感與交軸電感差異增大，從而增加電機的磁阻轉矩，永磁體3產生的永磁轉矩也使得本發明電機的電磁轉矩進一步增加。

本發明工作時，由于轉子2中注入的永磁體量較少，高速運行時較容易實現弱磁，恒功率調速范圍很寬，能滿足無軸承同步磁阻電機在全運行區間內寬調速、高轉矩密度和高功率密度的性能要求。