CN108123562A - 一种无轴承永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无轴承永磁同步电机，圆柱形的转子安装在转子转轴上，转子材料为永磁材料，在转子外层设有凹槽，在凹槽内嵌有线圈，线圈的首尾相接形成短路，该线圈称为阻尼线圈。由于干扰、负载等原因导致无轴承电机运行时定、转子的中心不能重合，影响了其稳定运行的能力。转子中加入阻尼线圈后，当转子发生偏心时，气隙磁场的磁通密度会发生变化，阻尼线圈中会感应出感应电流，影响气隙磁场的磁通密度。转子在该磁场的作用下，转子上产生的电磁力总是阻碍径向悬浮力与单边磁拉力的变化趋势，使电机对外界的干扰、变化的敏感度降低，具有更好的鲁棒性，增加了转子的稳定悬浮性能，并提高电机运行时的抗干扰能力。

Description

一种无轴承永磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种电机，特别是一种带阻尼的无轴承永磁同步电机。

背景技术

无轴承电机(bearingless motor)也称自轴承电机(self-bearing motor)，是一种高度的机电一体化系统，其概念在20 世纪80 年代末首先被提出。它将电机与磁悬浮轴承(magnetic bearing)的磁路合为一体，使二者共用电机铁心，从而实现电机转轴的悬浮。无轴承电机具有结构紧凑、临界转速高、损耗小等优点，且由于无轴承电机的转子与定子之间可以实现无机械摩擦的运行，所以提高了转子的临界转速，减小了摩擦功耗，在高速、超高速电机、分子离心泵、半导体生产、人工心脏泵、机械工程、飞轮储能等诸多领域有广泛的应用前景。目前，无轴承电机的研究主要集中在3 种类型的电机上，即感应式无轴承电机、永磁同步无轴承电机和开关磁阻无轴承电机。对于感应式无轴承电机，研究主要集中于悬浮力与转矩的解耦控制；对于永磁同步式无轴承电机，研究主要集中在新型电机结构上和控制策略上；而开关磁阻式无轴承电机的研究则主要集中在电机建模和控制策略的研究上。无轴承永磁同步电机（BPMSM）具有体积小、效率高、功率密度大等优点，并且无需励磁电流，控制电路比较简单，使得BPMSM得到了广泛的重视与研究。近些年来，国内外学者从无轴承电机的基本原理出发，研究并且设计了很多种不同结构的无轴承电机。然而，现有结构的无轴承永磁同步电机在高速运行过程中，由于干扰、负载等原因导致无轴承电机运行时定、转子的中心不能重合，有时甚至触碰到备用轴承，影响了转子的稳定悬浮运行性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无轴承永磁同步电机，在转子内加入了一组阻尼线圈，在转子上产生的电磁力总是阻碍径向悬浮力与单边磁拉力的变化趋势，使电机对外界的干扰、变化的敏感度降低，具有更好的鲁棒性，增加了转子的稳定悬浮性能，提高了电机运行时的抗干扰能力。

实现本发明的目的采取的技术方案是这样的。本发明的构思是这样的，本发明是在现有无轴承永磁同步电机基础上的改进。其结构中包括电机外壳、定子、转子，转子转轴的一端为悬浮端，在悬浮端转子转轴上固定有环形的基准环，转子转轴悬浮端装有辅助滚动轴承，辅助滚动轴承与转子转轴之间留有间隙，辅助滚动轴承的外壳安装在电机外壳上。在转子转轴悬浮端一侧的电机端盖上安装有位置传感器，位置传感器与环形基准环径向对准，并与基准环之间留有间隙。转子转轴另一端由调心辅助轴承支撑，调心辅助轴承的外壳安装在电机外壳上。位于调心辅助轴承一侧的电机端盖上安装有光码盘。圆柱形的转子安装在转子转轴上，转子材料为永磁材料，在转子外层设有凹槽，在凹槽内嵌有线圈，线圈的首尾相接形成短路，该线圈称为阻尼线圈。定子呈圆筒状，定子外侧固定在电机外壳上，定子内侧叠绕转矩绕组和悬浮绕组，转子与定子之间留有间距。

本发明的无轴承永磁同步电机的工作原理是这样的。当电机的转矩绕组、悬浮绕组的极对数分别为1和2时，转矩绕组、悬浮绕组通电后，在磁场作用下，转子旋转的同时，还会在转子上产生径向悬浮力，转子转轴便脱离辅助滚动轴承而悬浮，转子悬浮在气隙中，辅助滚动轴承也就停止不动。减小辅助滚动轴承磨损的同时，还能提高转速。转子转轴另一端由调心辅助轴承支撑，由于其与转子转轴之间不存在间隙，其作用相当于一个支点，将电机系统的另外三自由度控制住。当转子发生偏心时，气隙磁场的磁通密度会发生变化，阻尼线圈中会感应出感应电流，影响气隙磁场的磁通密度。转子在该磁场的作用下，转子上产生的电磁力总是阻碍转子偏心距离的增加，使电机对外界的干扰、变化的敏感度降低，具有更好的鲁棒性，增加了转子的稳定悬浮性能。

本发明取得的有益效果如下：

本发明的无轴承永磁同步电机尤其用于需要高速电机的场合，实现了转子的稳定悬浮运行，解决了无轴承电机运行过程中由于干扰，负载等原因导致无轴承电机运行时定子、转子的中心不能重合，影响其稳定运行的情况，为无轴承永磁同步电机的稳定悬浮运行提供了保障。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中标号代表的含义如下：

1-转子转轴，2-基准环，3-位置传感器，4-间隙，5-定子，6-转子，7-阻尼线圈，8-光码盘，9-调心辅助轴承，10-气隙，11-矩绕组，12-悬浮绕组，13-电机外壳，14-辅助滚动轴承,15-电机端盖，16-悬浮端。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种无轴承永磁同步电机，转子转轴1的一端为悬浮端16，在悬浮端的电机端盖15内侧的转子转轴1上固定有环形的基准环2，转子转轴1的悬浮端装有辅助滚动轴承14，以防止在没有施加径向悬浮力电流时转子6与定子5相碰撞。辅助滚动轴承14与转子转轴1之间存在间隙4，当悬浮绕组12通入电流产生悬浮力，转子转轴1便脱离该辅助滚动轴承14而悬浮，辅助滚动轴承14也就停止不动。在转子转轴1的悬浮端16一侧的电机端盖15上安装有位置传感器3，它与基准环2径向对准，并与基准环2之间留有一定间隙，位置传感器3与基准环2紧密配合用于测量转子径向位移量。转子转轴1另一端由调心辅助轴承9支撑，其与转子转轴1之间不存在间隙，其作用相当于一个支点，将电机系统的另外三自由度控制住。位于调心辅助轴承9一侧的电机端盖15上安装有测量转速的光码盘8，基准环2与光码盘8之间是电机的转子6，圆柱形的转子6安装在转子转轴1上，转子6材料为永磁体，且呈圆柱形，在转子6表面相对应的两侧设有凹槽，在凹槽内嵌有10匝线圈，线圈的首尾相接形成短路，该线圈即为阻尼线圈7。定子5呈圆筒状，定子5外侧固定在电机外壳13上，定子5内侧叠绕转矩绕组和悬浮绕组11，转子6与定子5之间留有间距5mm的气隙10。

其工作过程叙述如下：当电机的转矩绕组11和悬浮绕组12的极对数分别为1和2时，转矩绕组11和悬浮绕组12通电后，磁场作用下，转子6旋转的同时，还会在转子6上产生径向悬浮力，转子转轴1便脱离辅助滚动轴承14而悬浮，转子6悬浮在气隙10中，辅助滚动轴承14也就停止不动。减小辅助滚动轴承14磨损的同时，还能提高转速。由于转子转轴1另一端由调心辅助轴承9支撑，其与转子转轴1之间不存在间隙，调心辅助轴承9的作用相当于一个支点，将电机系统的另外三自由度控制住。当转子6发生偏心时，气隙10磁场的磁通密度会发生变化，阻尼线圈7中会感应出感应电流，影响气隙10磁场的磁通密度。转子6在该磁场的作用下，转子6上产生的电磁力总是阻碍转子6偏心距离的增加，使电机对外界的干扰、变化的敏感度降低，具有更好的鲁棒性，增加了转子6的稳定悬浮性能。

Claims (1)

1.一种无轴承永磁同步电机，包括电机外壳（13）、转子转轴（1）、定子（5）、转子（6），其特征在于转子转轴的一端为悬浮端（16），在悬浮端（16）转子转轴上固定有环形的基准环（2），转子转轴悬浮端装有辅助滚动轴承（14），辅助滚动轴承（14）与转子转轴（1）之间留有间隙（4），辅助滚动轴承的外壳安装在电机外壳上，在转子转轴悬浮端一侧的电机端盖上安装有位置传感器（3），位置传感器（3）与环形基准环（2）径向对准，并与基准环之间留有间隙，转子转轴（1）另一端由调心辅助轴承（9）支撑，调心辅助轴承（9）的外壳安装在电机外壳上，位于调心辅助轴承一侧的电机端盖上安装有光码盘（8），基准环与光码盘之间是圆柱形的转子（6），转子（6）安装在转子转轴（1）上，转子（6）材料为永磁材料，在转子外层设有凹槽，在凹槽内嵌有阻尼线圈（7），阻尼线圈（7）的首尾相接形成短路，定子（5）呈圆筒状，定子外侧固定在电机外壳上，定子内侧叠绕转矩绕组（11）和悬浮绕组（12），转子（6）与定（5）子之间留有间距。