CN105978295B - 一种集成化的五自由度磁悬浮电机 - Google Patents

一种集成化的五自由度磁悬浮电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成化的五自由度磁悬浮电机，包括定子、转子铁芯，转子铁芯的轴向部分两端对应设置有转子永磁体；定子包括左侧电机铁芯、右侧电机铁芯；左侧环形永磁体、右侧环形永磁体；左侧轴向控制铁芯、右侧轴向控制铁芯；左侧轴向控制铁芯与右侧轴向控制铁芯之间设置有隔磁铝环；左侧电机铁芯、右侧电机铁芯的定子槽内沿径向外层分别绕制悬浮控制绕组，内层分别绕制转矩绕组；左侧轴向控制铁芯、右侧轴向控制铁芯均呈E形结构，定子槽内分别绕制轴向控制绕组；本发明有效解决了现有五自由度磁悬浮电机的不足，提供一种结构紧凑，控制、制造与装配简单，体积小，重量轻，轴向长度短，临界转速高，径向带负载能力强，转速和输出功率高的一种高度集成化五自由度磁悬浮电机。

Description

一种集成化的五自由度磁悬浮电机
技术领域
本发明涉及电机制造技术领域，具体涉及一种结构紧凑，控制、制造与装配简单，体积小，重量轻，轴向长度短，临界转速高，铁芯利用率高，径向和轴向带负载能力强，系统转速和输出功率高的一种高度集成化的五自由度磁悬浮电机。
背景技术
磁悬浮电机在产生转矩的同时，也产生使转子稳定悬浮的径向力，是定、转子之间没有任何机械接触的一种新型高性能电机。由于定、转子之间不存在机械接触，所以磁悬浮电机转子可达到很高的运行转速，并且具有无机械磨损、能耗低、寿命长、无需润滑、无污染等优点，特别适合应用于高速或超高速直接驱动领域。
要实现定、转子之间无机械接触，必须在五个自由度上对转子施加控制力。五自由度磁悬浮电机有多种结构形式，主要分为以下几种结构：.由一个轴向单自由度磁轴承、两个径向两自由度磁轴承和一个高速电机单元组成。.由一个径向-轴向三自由度磁轴承、一个径向两自由度磁轴承和高速电机单元组成。.由一个轴向单自由度磁轴承、一个径向两自由度磁轴承和一个径向两自由度无轴承电机组成。.两个径向两自由度无轴承电机、一个轴向单自由度磁轴承组成。.由一个径向两自由度无轴承电机和一个轴向-径向三自由度磁轴承组成。
不论采用上述哪一种结构形式，全部是用多个独立单元，沿着轴向组合而成，导致轴向长度长，临界转速低，体积大，控制复杂，且径向带负载能力差，系统转速和输出功率低，严重制约了磁悬浮驱动系统的工业应用进展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种集成化的五自由度磁悬浮电机，本发明有效解决了现有五自由度磁悬浮电机的不足，提供一种结构紧凑，控制、制造与装配简单，体积小，重量轻，轴向长度短，临界转速高，径向带负载能力强，转速和输出功率高的一种高度集成化五自由度磁悬浮电机。
本发明通过以下技术方案实现：
一种集成化的五自由度磁悬浮电机，包括定子、转子铁芯（8），其特征在于：所述转子铁芯（8）包括轴向部分、径向部分，轴向部分两端对应设置有转子永磁体（20、21），整体呈十字状；所述定子包括沿转子铁芯（8）的轴向部分，并以转子铁芯（8）的径向部分为对称中心，依次对称设置的左侧电机铁芯(1)、右侧电机铁芯(7)；左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)；左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)；左侧轴向控制铁芯(3)与右侧轴向控制铁芯(5)之间设置有隔磁铝环（4）；左侧电机铁芯(1)、右侧电机铁芯(7)的定子槽内沿径向外层分别绕制悬浮控制绕组（9、11），内层分别绕制转矩绕组（10、12）；左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)均呈E形结构，定子槽内分别绕制轴向控制绕组(15)。
本发明进一步技术改进方案是：
所述左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)分别均由上下位置设置的吸力圆盘(13、16；17、19)以及中间位置设置的控制圆盘（14、18）构成，轴向控制绕组(15)绕制于吸力圆盘(13、16；17、19)与控制圆盘（14、18）之间。
本发明进一步技术改进方案是：
所述控制圆盘（14、18）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（13、16；17、19）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘（13、16；17、19）与转子铁芯（8）径向部分之间的气隙长度小于左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)与转子铁芯（8）轴向部分之间的气隙长度。
本发明进一步技术改进方案是：
所述左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)均为轴向充磁的环形永磁体，在五个自由度上产生偏置磁通。
本发明进一步技术改进方案是：
所述隔磁铝环（4）由整块铝材制成，将左右两侧磁路相隔开，且减少漏磁。
本发明进一步技术改进方案是：
所述左侧电机铁芯(1)、右侧电机铁芯(7)、左侧轴向控制铁芯(3)、右侧轴向控制铁芯(5)、转子铁芯（8）均采用具有良好轴向和径向导磁性能的材料制成。
本发明进一步技术改进方案是：
所述左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6) 、转子永磁体（20、21）均为稀土永磁材料制成。
本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：
一、本发明五自由度磁悬浮电机，由定子和转子组成，实现转子在五个自由度上稳定悬浮与旋转，结构紧凑，体积小，重量轻，轴向长度短，临界转速高，铁芯利用率高，系统转速和输出功率高；
二、本发明高度集成化的五自由度磁悬浮电机由两个轴向磁化的环形永磁体给左右两侧电机铁芯和左右轴向控制铁芯提供偏置磁通，而左、右侧电机悬浮控制绕组产生径向控制磁通，轴向控制绕组通电产生轴向控制磁通，由控制磁通调节相对应位置的偏置磁通，保证定、转子之间轴向和径向气隙均匀，实现转子五自由度稳定悬浮；
三、本发明采用隔磁铝环将左右两侧磁路相互隔离，保证控制磁通不经过永磁体，且减少漏磁，可产生较大的轴向和径向悬浮力、低功耗、控制简单。
附图说明
图1为本发明集成化的五自由度磁悬浮电机结构示意图；
图2为本发明集成化的五自由度磁悬浮电机磁路示意图；
图3为本发明图2的左视图；
图4为本发明图2的右视图。
具体实施方式
本发明基于的原理是：由轴向磁化的左侧环形永磁体2给左侧电机提供左侧偏置磁通22，左侧电机悬浮控制绕组9产生的左侧控制磁通30起调节作用；轴向磁化的左侧环形永磁体2给左侧轴向控制铁芯3提供左侧轴向偏置磁通23和24，轴向控制绕组15产生的左侧轴向控制磁通25起调节作用；轴向磁化的右侧环形永磁体6给右侧电机提供右侧偏置磁通26，右侧电机悬浮控制绕组11产生的右侧控制磁通31起调节作用；轴向磁化的右侧环形永磁体6给右侧轴向控制铁芯5提供右侧轴向偏置磁通27和28，轴向控制绕组15产生的右侧轴向控制磁通29起调节作用；通过五个自由度上的位移闭环控制，实现转子在径向和轴向五自由度上稳定悬浮，左侧电机转矩绕组10、右侧电机转矩绕组12产生的磁通与相对应的转子永磁体20、21磁通相互作用产生旋转转矩；隔磁铝环4将左右侧的偏置磁通相互隔开，减小漏磁，保证磁路的正确性。
如图1、2、3、4所示，本发明由定子和转子组成，定子包括：左侧电机铁芯1、左侧环形永磁体2、左侧轴向控制铁芯3、隔磁铝环4、右侧轴向控制铁芯5、右侧环形永磁体6、右侧电机铁芯7，转子铁芯8包括轴向部分和径向部分，在其轴向部分两端，分别在左、右侧电机铁芯1、7的对应位置处贴有永磁体20、21；
左侧电机铁芯1做成电机定子槽型结构，槽分两层，外层嵌入悬浮控制绕组9，内层嵌入转矩绕组10，右侧电机铁芯7也做成电机定子槽型结构，槽分两层，外层嵌入悬浮控制绕组11，内层嵌入转矩绕组12，悬浮控制绕组9分成X方向和Y方向控制绕组，X方向控制绕组由绕组LX1、LX2、LX3、LX4、LX5、LX6、LX7、LX8、LX9、LX10、LX11、LX12串联而成，通电形成两极磁场，Y方向控制绕组由绕组LY1、LY2、LY3、LY4、LY5、LY6、LY7、LY8、LY9、LY10、LY11、LY12串联而成，通电形成两极磁场；悬浮控制绕组11也分成X方向和Y方向控制绕组，X方向控制绕组由绕组RX1、RX2、RX3、RX4、RX5、RX6、RX7、RX8、RX9、RX10、RX11、RX12串联而成，通电形成两极磁场，Y方向控制绕组由绕组RY1、RY2、RY3、RY4、RY5、RY6、RY7、RY8、RY9、RY10、RY11、RY12串联而成，通电形成两极磁场；转矩绕组10、12通电形成的磁场极对数与转子永磁体20、21磁场极对数相同，按照常规电机绕组绕制即可，且转矩绕组10、12磁场极对数需大于等于3；
左侧轴向控制铁芯3做成E型结构，中间为控制圆盘14，上、下位置是吸力圆盘13和16，右侧轴向控制铁芯5也做成E型结构，中间为控制圆盘18，上、下位置是吸力圆盘17和19，在吸力圆盘13、16；17、19和控制圆盘14、18之间嵌入轴向控制绕组15，轴向控制绕组15由如图1所示的四个绕组相互串联而成。控制圆盘14、18与转子铁芯8的径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘13、16；17、19与转子铁芯8的径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘13、16；17、19与转子铁芯8的径向部分之间的气隙长度小于左侧轴向控制铁芯3和右侧轴向控制铁芯5与转子铁芯8的轴向部分之间的气隙长度。左侧环形永磁体2安装在左侧电机铁芯1和左侧轴向控制铁芯3之间；隔磁铝环4安装在左侧轴向控制铁芯3和右侧轴向控制铁芯5之间；右侧环形永磁体6安装在右侧轴向控制铁芯5和右侧电机铁芯7之间。左侧电机铁芯1、左侧轴向控制铁芯3、右侧轴向控制铁芯5、右侧电机铁芯7和转子铁芯8由轴向和径向导磁性能良好的材料制成。集成化五自由度磁悬浮电机是由以上各部分沿着轴向叠装而成，上述的集成化五自由度磁悬浮电机可实现转子稳定悬浮与旋转。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种集成化的五自由度磁悬浮电机，包括定子、转子铁芯，其特征在于：所述转子铁芯包括轴向部分、径向部分，轴向部分两端对应设置有转子永磁体；所述定子包括沿转子铁芯的轴向部分，并以转子铁芯的径向部分为对称中心，依次对称设置的左侧电机铁芯、右侧电机铁芯；左侧环形永磁体、右侧环形永磁体；左侧轴向控制铁芯、右侧轴向控制铁芯；左侧轴向控制铁芯与右侧轴向控制铁芯之间设置有隔磁铝环；左侧电机铁芯、右侧电机铁芯的定子槽内沿径向外层分别绕制悬浮控制绕组，内层分别绕制转矩绕组，转矩绕组通电形成的磁场极对数与转子永磁体磁场极对数相同，且转矩绕组磁场极对数大于等于3；左侧轴向控制铁芯、右侧轴向控制铁芯均呈E形结构，定子槽内分别绕制轴向控制绕组；所述左侧轴向控制铁芯、右侧轴向控制铁芯分别均由上下位置设置的吸力圆盘以及中间位置设置的控制圆盘构成，轴向控制绕组绕制于吸力圆盘与控制圆盘之间。
2.根据权利要求1所述的一种集成化的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述控制圆盘与转子铁芯径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘与转子铁芯径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘与转子铁芯径向部分之间的气隙长度小于左侧轴向控制铁芯、右侧轴向控制铁芯与转子铁芯轴向部分之间的气隙长度。
3.根据权利要求1或2所述的一种集成化的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述左侧环形永磁体、右侧环形永磁体均为轴向充磁的环形永磁体，在五个自由度上产生偏置磁通。
4.根据权利要求1或2所述的一种集成化的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述隔磁铝环由整块铝材制成，将左右两侧磁路相隔开，且减少漏磁。
5.根据权利要求1或2所述的一种集成化的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述左侧电机铁芯、右侧电机铁芯、左侧轴向控制铁芯、右侧轴向控制铁芯、转子铁芯均采用具有良好轴向和径向导磁性能的材料制成。
6.根据权利要求3所述的一种集成化的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述左侧环形永磁体、右侧环形永磁体、转子永磁体均为稀土永磁材料制成。
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