本發(fā)明屬于風力發(fā)電領域，尤其涉及一種轉子重力卸載型磁軸承復合電機。

背景技術：

轉子長期穩(wěn)定、可靠運行是電機穩(wěn)定工作的關鍵問題之一，目前常用的支承有機械軸承、空氣軸承和磁軸承等。機械軸承與轉軸直接相連，具有磨損嚴重、使用壽命短等問題；空氣軸承也存在氣路復雜、支承剛度差；磁軸承利用電流或者永磁體在轉軸上產生相應的電磁力，能夠實現轉子無接觸運行，具有可靠性高、無機械磨損、無須潤滑、能夠適應高溫、低溫、真空等特殊環(huán)境。

根據電磁軸承和電機在結構上的相似性，在旋轉電機的定子槽中嵌入一套類似于磁軸承中產生懸浮力的懸浮繞組，使得電機在旋轉的同時又能夠實現自懸浮功能，這就是傳統(tǒng)的磁懸浮電機。

而對于傳統(tǒng)的磁懸浮電機，懸浮繞組和電樞繞組都被同時疊繞在定子槽中，當兩種繞組通電后會產生比較大的耦合，為了能夠提高傳統(tǒng)懸浮電機的控制精度，必須對懸浮繞組和電樞繞組進行解耦控制，從而加大電機的控制成本。

為了減小懸浮繞組和電樞繞組之間的耦合，學者們進行了大量的研究工作，如中國專利“一種無軸承永磁同步電機解耦控制器的構造方法(cn102790576a)”將無軸承永磁同步電機及其負載作為一個整體組成復合被控對象，用支持向量機加積分器構成支持向量機逆實現無軸承永磁同步電機徑向懸浮力與轉速之間的動態(tài)解耦；中國專利“一種雙定子無軸承磁通反向電機(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，且每個定子槽的底部貼有一對用來產生勵磁磁場的永磁體，內定子上等間隔設置有兩個x和y軸方向的懸浮繞組；中國專利“一種雙定子磁懸浮開關磁阻啟動/發(fā)電機(cn103618424a)”采用雙定子結構，懸浮繞組與電樞繞組相互分開放置，解決啟動/發(fā)電功能轉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。

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

為了克服轉子重力造成懸浮電機功耗增大的問題，中國專利“一種低功耗單穩(wěn)態(tài)零重力作用徑向磁軸承(cn101737425a)”在轉子重力方向采用四個半圓環(huán)，轉子上部的兩個半圓環(huán)產生吸引力，轉子下部的兩個半圓環(huán)產生排斥力，該種結構解決了磁懸浮轉軸的重力和功耗問題，使得轉子在靜態(tài)條件下穩(wěn)定工作在工作點；中國專利“具有反重力磁懸浮軸承的超高效空芯直驅發(fā)電設備(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，將同性的兩塊環(huán)形磁鋼相對排列，通過斥力來抵消風輪矩陣由于重力帶來的摩擦力；中國專利“磁懸浮支撐系統(tǒng)與磁懸浮軸承、復式磁懸浮軸承、磁力定心軸承及轉子偏磁減重力裝置(cn102118125a)”將轉子偏磁減重裝置對稱地分布在電機兩側的轉子軸桿上來克服轉子的重力影響。

技術實現要素：

本發(fā)明提出了一種轉子重力卸載型磁軸承復合電機，能夠很好解決轉子重力造成懸浮電機功耗增大、懸浮繞組與電樞繞組之間的耦合強等問題，同時縮短電機軸向長度，實現體積小，功耗低的磁軸承復合電機。

本發(fā)明的技術方案為：

一種轉子重力卸載型磁軸承復合電機，從外向內依次由外定子、轉子和內定子構成，且三者同心分布；

所述內定子位于復合電機中心位置，且內定子為七極凸極結構，分別兩個相對的偏置磁通磁極，x、y軸正、反方向的四個懸浮控制極，一個轉子重力卸載極，所述兩個相對的偏置磁通磁極端面表面均表貼永磁體，所述四個懸浮控制極上分別繞置x軸正方向懸浮控制繞組、x軸負方向懸浮控制繞組、y軸正方向懸浮控制繞組和y軸負方向懸浮控制繞組。

上述方案中，所述轉子中嵌入隔磁鋁環(huán)。

上述方案中，所述轉子外表面等間距表貼n個永磁陣列，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，所述兩個相對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軸負方向懸浮控制繞組、y軸正方向懸浮控制繞組和y軸負方向懸浮控制繞組分別采用差動控制。

與現有技術相比，本發(fā)明有益效果是：

(1)在重力方向上，內定子增加一個轉子重力卸載極，依靠永磁體的偏置磁通、利用重力方向上磁極分布的不對稱性，產生一個與轉子重力方向相反的磁拉力，消除轉子重力對懸浮電機穩(wěn)定工作的影響，同時達到減小功耗的目的；

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

(3)轉子外表面采用halbach型永磁陣列，使得轉子外部氣隙中的磁場正弦性好、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，減小轉子鐵心的厚度，大大減小轉子重量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明復合電機的結構示意圖；

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軸負方向懸浮控制繞組；7-轉子；8-x軸負方向懸浮控制繞組；9-y軸正方向懸浮控制繞組；10-內定子；11-電樞繞組；12-轉子重力卸載極；13-懸浮控制極；14-偏置磁通磁極。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明復合電機的結構示意圖，從外向內依次由外定子1、轉子7和內定子10構成，且三者同心分布；

內定子10位于復合電機中心位置，且內定子10為七極凸極結構，即兩個相對的偏置磁通磁極14和x、y軸正、反方向的四個懸浮控制極13(即四個懸浮控制極13沿著圓周均勻分布，相鄰兩個磁極之間的夾角為90°)以及一個轉子重力卸載極12；兩個相對的偏置磁通磁極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軸負方向懸浮控制繞組6分別采用差動控制；

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

一種轉子重力卸載型磁軸承復合電機的工作過程：

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

轉子重力卸載的具體實施過程為：兩個徑向充磁的永磁體5在內定子10與轉子7之間形成偏置磁通，偏置磁通通過偏置磁通磁極14與轉子7之間的氣隙，經過轉子鐵心，然后均勻地穿過內定子10的其他5個定子極，最后回到永磁體5。在重力g方向上僅有一個轉子重力卸載極12，根據麥克斯韋力產生的原理，在轉子7內表面上產生一個方向與重力方向相反的磁拉力，用以抵抗轉子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稱性，產生一個與轉子重力方向相反的磁拉力，用來消除轉子重力的影響，不需要通入懸浮控制電流，減小了復合電機的功耗。

懸浮控制繞組的具體實施過程為：若檢測到轉子7位于中心平衡位置，此時x軸正、反方向上的兩個懸浮控制極13與轉子7之間的氣隙寬度相等，氣隙中的磁密幅值相等，根據麥克斯韋力產生的原理，x軸方向上的兩個懸浮控制極13產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。若檢測到轉子7發(fā)生偏移，偏移方向為x軸負方向，導致了x軸正方向氣隙寬度減小，x軸負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，負方向的氣隙磁密減??；為了使得轉子回到中心平衡位置，此時x軸負方向上的懸浮控制繞組8通入正向電流，懸浮控制繞組2中通入負電流，正向電流在氣隙中產生的磁通方向與偏置磁通方向相同，負向電流在氣隙中產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，負方向的氣隙磁密增大，根據麥克斯韋力產生的原理，在轉子內環(huán)表面會產生一個指向x軸正方向的磁拉力將轉子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)明涉及的一種轉子重力卸載型磁軸承復合電機，由永磁電機和磁軸承復合而成，可用于風力發(fā)電、及各種旋轉機械等領域，本發(fā)明在減小機械的軸向長度的同時，消除了轉子重力對于懸浮性能的影響。

所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進-替換或變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。