CN106059256B - 一种一体化结构的五自由度磁悬浮电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一体化结构的五自由度磁悬浮电机，转子铁芯包括轴向部分、径向部分，轴向部分一端设置有转子永磁体；定子包括左侧径向磁轴承铁芯、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；左侧环形永磁体、右侧环形永磁体之间设置有径向控制铁芯，其定子齿上绕制有径向控制绕组；本发明有效解决了现有五自由度磁悬浮驱动电机的不足，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体化结构的五自由度磁悬浮电机。

Description

一种一体化结构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体化结构的五自由度磁悬浮电机。

背景技术

五自由度磁悬浮电机是利用磁悬浮技术在产生旋转转矩的同时，也产生使转子稳定悬浮的径向力，是实现定、转子之间无任何机械接触运行的一种新型高性能驱动系统。由于定、转子之间不存在机械摩擦，所以五自由度磁悬浮电机的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的结构形式主要分为以下几种：、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。不论采用哪一种结构形式，全部是由多个独立单元，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，且径向与轴向带负载能力差，系统转速和输出功率低，严重制约了磁悬浮电机的工业应用进程。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种一体化结构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驱动电机的不足，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体化结构的五自由度磁悬浮电机。

本发明通过以下技术方案实现：

一种一体化结构的五自由度磁悬浮电机，包括定子、转子铁芯（11），其特征在于：所述转子铁芯（11）包括轴向部分、径向部分，轴向部分一端设置有转子永磁体（21）；所述定子包括沿转子铁芯（11）的轴向部分，并以转子铁芯（11）的径向部分为对称中心，依次对称设置的左侧径向磁轴承铁芯(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(8)、右侧轴向控制铁芯(9)；左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)之间设置有径向控制铁芯（4），其定子齿上绕制有径向控制绕组(22)；左侧轴向控制铁芯(8)、右侧轴向控制铁芯(9)与径向控制铁芯（4）之间分别设置有左侧分磁铝环（3）、右侧分磁铝环（5）；左侧径向磁轴承铁芯(1)的定子齿上绕制控制绕组（10），右侧电机铁芯(7)的定子槽内沿径向外层绕制悬浮控制绕组（12），内层绕制转矩绕组（13）；左侧轴向控制铁芯(8)、右侧轴向控制铁芯(9)均呈E形结构，定子槽内分别绕制轴向控制绕组(16)。

本发明进一步技术改进方案是：

所述左侧轴向控制铁芯(8)、右侧轴向控制铁芯(9)分别均由上下位置设置的吸力圆盘(14、17；18、20)以及中间位置设置的控制圆盘（15、19）构成，轴向控制绕组(16)绕制于吸力圆盘(14、17；18、20)与控制圆盘（15、19）之间。

本发明进一步技术改进方案是：

所述控制圆盘（15、19）与转子铁芯（11）径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（14、17；18、20）与转子铁芯（11）径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘（14、17；18、20）与转子铁芯（11）径向部分之间的气隙长度小于左侧轴向控制铁芯(8)、右侧轴向控制铁芯(9)与转子铁芯（11）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：

所述左侧分磁铝环（3）、右侧分磁铝环（5）由整块铝材制成，将左侧偏置磁通（28）分成左侧径向偏置磁通（30）和左侧轴向偏置磁通（29）两部分，右侧偏置磁通（23）分成右侧径向偏置磁通（25）和右侧轴向偏置磁通（24）两部分，且减少漏磁。

本发明进一步技术改进方案是：

所述左侧径向磁轴承铁芯(1)、径向控制铁芯（4）、右侧电机铁芯(7)、左侧轴向控制铁芯(8)、右侧轴向控制铁芯(9)、转子铁芯（12）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（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、本发明一体化结构的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、 本发明一体化结构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侧径向磁轴承、右侧电机、左、右轴向控制铁芯和径向控制铁芯提供偏置磁通，而左侧径向磁轴承控制绕组、右侧电机悬浮绕组与径向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，且偏置磁通均不经过永磁体，可产生较大的轴向和径向悬浮力、低功耗、控制简单

三、本发明采用分磁铝环，将左侧偏置磁通（28）分成左侧径向偏置磁通（30）和左侧轴向偏置磁通（29）两部分，右侧偏置磁通（23）分成右侧径向偏置磁通（25）和右侧轴向偏置磁通（24）两部分。控制磁通均不经过环形永磁体，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为本发明一体化结构的五自由度磁悬浮电机结构示意图；

图2为本发明一体化结构的五自由度磁悬浮电机磁路主视结构示意图；

图3为本发明图2的左视结构示意图；

图4为本发明图2的右视结构示意图。

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给左侧径向磁轴承提供左侧偏置磁通28，左侧径向磁轴承控制绕组10产生的左侧控制磁通33起调节作用，产生控制转子左侧径向两自由度悬浮的径向悬浮力；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23，右侧电机悬浮绕组12产生的右侧控制磁通35起调节作用，产生控制转子右侧径向两自由度悬浮的径向悬浮力；左侧偏置磁通28经过左侧分磁铝环3分成左侧径向偏置磁通30和左侧轴向偏置磁通29两部分，右侧偏置磁通23经过右侧分磁铝环5分成右侧径向偏置磁通25和右侧轴向偏置磁通24两部分，径向控制绕组22通电产生的径向控制磁通34，对右侧径向偏置磁通25和左侧径向偏置磁通30进行调节，产生使转子稳定悬浮的径向悬浮力；左侧轴向偏置磁通29分成两部分，即磁通31和磁通32，由左侧上、下吸力圆盘14、17，进入左侧轴向工作气隙；右侧轴向偏置磁通24分成两部分，即磁通26和磁通27，由右侧上、下吸力圆盘18、20，进入右侧轴向工作气隙；轴向控制绕组16产生左侧轴向控制磁通36和右侧轴向控制磁通37，分别与左、右侧偏置磁通相互作用，产生使转子稳定悬浮的轴向悬浮力；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，右侧电机转矩绕组13磁通与相对应的转子永磁体磁通相互作用产生旋转转矩。

如图1、2、3、4所示，本发明由定子和转子组成，定子包括：左侧径向磁轴承铁芯1、左侧环形永磁体2、左侧分磁铝环3径向控制铁芯4、右侧分磁铝环5、右侧环形永磁体6、右侧电机铁芯7、左侧轴向控制铁芯8、右侧轴向控制铁芯9。转子铁芯11包括轴向部分和径向部分，在其轴向部分一端，即右侧电机铁芯7对应位置处贴有转子永磁体21；左侧径向磁轴承铁芯1可做成三极、四极或八极等结构，定子齿上绕组控制绕组10，右侧电机铁芯7做成电机定子槽型结构，槽分两层，外层嵌入悬浮控制绕组12，内层嵌入转矩绕组13，悬浮控制绕组12分成X方向和Y方向控制绕组，X方向控制绕组由绕组X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12串联而成，通电形成两极磁场，Y方向控制绕组由绕组Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9、Y10、Y11、Y12串联而成，通电形成两极磁场；转矩绕组13通电形成的磁场极对数与转子永磁体磁场极对数相同，按照常规电机绕组绕制即可，且转矩绕组磁场极对数需大于等于3；

左侧轴向控制铁芯8做成E型结构，中间为控制圆盘15，上、下位置是吸力圆盘14和17；右侧轴向控制铁芯9也做成E型结构，中间为控制圆盘19，上、下位置是吸力圆盘18和20，在吸力圆盘14、17；18、20和控制圆盘15、19之间嵌入轴向控制绕组16，轴向控制绕组16由如图1所示的各绕组相互串联而成。控制圆盘15、19与转子铁芯11的径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘14、17；18、20与转子铁芯11的径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘14、17；18、20与转子铁芯11的径向部分之间的气隙长度小于左、右侧轴向控制铁芯8和9与转子铁芯11的轴向部分之间的气隙长度。

左侧环形永磁体2安装在左侧径向磁轴承铁芯1和左侧轴向控制铁芯8、左侧分磁铝环3、径向控制铁芯4之间；左侧分磁铝环3安装在左侧轴向控制铁芯8和径向控制铁芯4之间；右侧分磁铝环5安装在右侧轴向控制铁芯9和径向控制铁芯4之间；右侧环形永磁体6安装在右侧电机铁芯7和右侧轴向控制铁芯9、左侧分磁铝环5、径向控制铁芯4之间；左侧径向磁轴承铁芯1、左侧轴向控制铁芯8、右侧轴向控制铁芯9、右侧电机铁芯7和转子铁芯11均由轴向和径向导磁性能良好的材料制成。一体化结构的五自由度磁悬浮电机是由以上各部分沿着轴向叠装而成，上述的一体化结构的五自由度磁悬浮电机可实现转子在五个自由度上稳定悬浮与旋转。

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)

1.一种一体化结构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，轴向部分一端设置有转子永磁体；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径向磁轴承铁芯、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；左侧环形永磁体、右侧环形永磁体之间设置有径向控制铁芯，其定子齿上绕制有径向控制绕组；左侧轴向控制铁芯、右侧轴向控制铁芯(9)与径向控制铁芯之间分别设置有左侧分磁铝环、右侧分磁铝环；左侧径向磁轴承铁芯(1)的定子齿上绕制控制绕组，右侧电机铁芯的定子槽内沿径向外层绕制悬浮控制绕组，内层绕制转矩绕组；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；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所述的一种一体化结构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所述的一种一体化结构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(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。

4.根据权利要求1或2所述的一种一体化结构的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述左侧分磁铝环、右侧分磁铝环由整块铝材制成，将左侧偏置磁通分成左侧径向偏置磁通和左侧轴向偏置磁通两部分，右侧偏置磁通分成右侧径向偏置磁通和右侧轴向偏置磁通两部分，且减少漏磁。

5.根据权利要求1或2所述的一种一体化结构的五自由度磁悬浮电机，其特征在于：所述左侧径向磁轴承铁芯、径向控制铁芯、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所述的一种一体化结构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。