CN108599505A - 一种五自由度无轴承开关磁阻电机 - Google Patents

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鲁庆
丁卫红
唐中
唐中一
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Abstract

本发明公开了一种五自由度无轴承开关磁阻电机，包括共同定子和共同转子；所述共同转子由连接于转轴的呈薄片状的电机转子铁心和磁轴承转子铁心组成，所述电机转子铁心的圆周上设置有转子齿；所述共同定子包括分别间隔设置于电机转子铁心和磁轴承转子铁心径向外侧的呈薄片状的电机定子铁心、磁轴承定子铁心，所述电机定子铁心、磁轴承定子铁心的内圆周分别设置有悬浮齿，所述悬浮齿上分别绕制有悬浮绕组，相邻的电机悬浮齿之间还设置有转矩齿，所述悬浮齿长于转矩齿，所述转矩齿上绕制有转矩绕组，所述电机定子铁心和磁轴承定子铁心的外圆周分别连接有与电机悬浮齿、磁轴承悬浮齿位置相对应的电机导磁桥、磁轴承导磁桥，所述电机导磁桥和磁轴承导磁桥一一对应地通过永磁块相连。

Description

一种五自由度无轴承开关磁阻电机
技术领域
本发明涉及电机制造技术领域，具体涉及一种式五自由度无轴承开关磁阻电机。
背景技术
无轴承电机具有无摩擦、磨损、无需润滑和密封，易于实现更高转速和更大功率运行，在航空航天、涡轮分子泵、飞轮储能、密封泵、高速电主轴等领域具有广阔的应用前景。无轴承电机主要分为无轴承异步（感应）电机、无轴承永磁同步电机和无轴承开关磁阻电机三种。特别是其中的无轴承开关磁阻电机具有结构简单，机械强度高、控制灵活、容错性能好，鲁棒性好等优势，在电动汽车、通用工业、家用电器等领域具有广阔的应用前景。
传统的无轴承开关磁阻电机是将磁轴承产生悬浮力的绕组集成到开关磁阻电机定子槽中,每个定子齿上均绕制两套绕组，即悬浮绕组和转矩绕组，且两天绕组极对数必须满足加减一的关系，通过协调控制转矩绕组和悬浮绕组电流，产生悬浮绕组磁场和转矩绕组磁场，两者相互叠加，通过在转子一侧气隙磁场增强，相反方向气隙磁场减弱来获得指向气隙磁场增强方向的径向悬浮力，转矩控制和悬浮控制之间存在强耦合。且要实现转子五自由度稳定悬浮，必须采用轴向单自由度磁轴承、径向两自由度磁轴承、三自由度径向-轴向磁轴承和两自由度无轴承开关磁阻电机组合成五自由度无轴承驱动系统，体积庞大，轴向长度长，临界转速高，难以体现无轴承电机技术高转速和高功率密度的优势。
发明内容
本发明的目的是克服现有的五自由度无轴承开关磁阻电机的不足，提供一种结构紧凑，悬浮控制与转矩控制相互独立，径向主动控制，而轴向被动控制的一种五自由度无轴承开关磁阻电机。
本发明通过以下技术方案实现：
一种五自由度无轴承开关磁阻电机，包括共同定子和共同转子；所述共同转子由连接于转轴的电机转子铁心和磁轴承转子铁心组成，所述电机转子铁心的圆周上设置有转子齿；所述共同定子包括分别间隔设置于电机转子铁心和磁轴承转子铁心径向外侧的电机定子铁心、磁轴承定子铁心，所述电机定子铁心、磁轴承定子铁心的内圆周x方向和y方向分别设置有四个电机悬浮齿、四个磁轴承悬浮齿，所述电机悬浮齿和磁轴承悬浮齿上分别绕制有悬浮绕组，相邻的电机悬浮齿之间还设置有转矩齿，所述转矩齿上绕制有转矩绕组，所述电机定子铁心和磁轴承定子铁心的外圆周分别连接有与电机悬浮齿、磁轴承悬浮齿位置相对应的电机导磁桥、磁轴承导磁桥，所述电机导磁桥和磁轴承导磁桥一一对应地通过永磁块相连。
本发明的进一步方案是，所述电机悬浮齿的齿宽大于转矩齿的齿宽，且电机悬浮齿的齿宽大于电机一个极距。
本发明的进一步方案是，所述电机悬浮齿与转子齿之间的气隙小于转矩齿与转子齿之间的气隙。
本发明与现有技术相比的优点在于：
一、本发明的五自由度无轴承开关磁阻电机，左侧为无轴承开关磁阻电机结构，右侧为磁轴承结构，两者均做成薄片状，电机定子铁心内圆周的定子齿分为转矩齿和悬浮齿，转矩齿上绕制转矩绕组，悬浮齿上绕制悬浮绕组，转矩绕组和悬浮绕组均为集中式绕组，电机转子铁心表面均匀分布转子齿，且悬浮齿与转子齿之间的气隙小于转矩齿与转子齿之间的气隙，由一个轴向磁化的永磁体将薄片状的无轴承开关磁阻电机和薄片状磁轴承连为一个整体，永磁体产生的静态的偏置磁通，悬浮绕组通电产生电机悬浮控制磁通和磁轴承悬浮控制磁通分别调节偏置磁通，在转子上产生径向悬浮力，控制转子径向四自由度稳定悬浮；轴向方向由永磁体产生的偏置磁通产生的磁阻力实现被动控制；
二、与每个定子齿上设置有两套绕组的无轴承开关磁阻电机相比，悬浮控制、转矩控制相互独立，控制简单，易于实现；
三、与普通五自由度无轴承电机相比，轴向长度更短，能够实现高速/超高速运行，且所需位移传感器较少，驱动电路较少，控制系统硬件简单的特点；该结构的五自由度无轴承开关磁阻电机可广泛应用于飞轮储能、各种高速机床主轴电机和密封泵类、离心机、压缩机、高速小型硬盘驱动装置等高速直接驱动领域。
附图说明
图1为本发明的结构爆炸图。
图2为本发明的左侧视图。
图3为本发明的右侧视图。
图4为本发明的正视图。
图5为本发明的左侧悬浮绕组接线示意图。
图6为本发明的A相转矩绕组排列与接线示意图。
图7为本发明的B相转矩绕组排列与接线示意图。
图8为本发明 右侧结构与磁路示意图。
图9为本发明的径向悬浮示意图。
图10为本发明的轴向悬浮示意图。
图11为本发明 倾斜方向悬浮示意图。
具体实施方式
如图1~4所示的一种五自由度无轴承开关磁阻电机，包括共同定子和共同转子；所述共同转子由连接于转轴5的电机转子铁心4和磁轴承转子铁心6组成，所述电机转子铁心4的圆周上设置有转子齿12；所述共同定子包括分别间隔设置于电机转子铁心4和磁轴承转子铁心6径向外侧的电机定子铁心2、磁轴承定子铁心9，所述电机定子铁心2、磁轴承定子铁心9的内圆周x方向和y方向分别设置有四个电机悬浮齿11、四个磁轴承悬浮齿16，所述电机悬浮齿11和磁轴承悬浮齿16上分别绕制有悬浮绕组15、17，所述电机悬浮齿11之间还设置有转矩齿13，所述转矩齿13上绕制有转矩绕组14，所述电机悬浮齿11的齿宽大于转矩齿13的齿宽，且悬浮齿13的齿宽大于电机一个极距，所述电机悬浮齿11与电机转子铁心4上转子齿12之间的气隙小于转矩齿13与转子齿12之间的气隙；所述电机定子铁心2上的悬浮绕组15和转矩绕组14构成电机绕组1，所述磁轴承定子铁心9上的悬浮绕组17构成磁轴承绕组10；所述电机定子铁心2和磁轴承定子铁心9的外圆周分别连接有与电机悬浮齿11、磁轴承悬浮齿16位置相对应的电机导磁桥3、磁轴承导磁桥8，所述电机导磁桥3和磁轴承导磁桥8一一对应地通过永磁块7相连。电机转子铁心4和磁轴承转子铁心6直径相等，且径向长度大于轴向厚度成薄片状，电机定子铁心2、磁轴承定子铁心9的厚度与电机转子铁心4、磁轴承转子铁心6相等。
电机定子铁心2、电机绕组1、电机导磁桥3、永磁体7、磁轴承导磁桥8、磁轴承定子铁心9、磁轴承绕组10沿轴向叠压。
悬浮原理是：如图5、图8、图9~图11所示，永磁体7产生偏置磁通20，偏置磁通20从永磁体7的N极，沿电机导磁桥3、左侧的电机悬浮齿11、电机气隙、转子齿12、转轴5、右侧的磁轴承转子铁心6、磁轴承气隙、右侧的磁轴承悬浮齿16、磁轴承导磁桥8返回永磁体7的S极形成轴向闭合路径。
电机绕组1中的悬浮绕组15通电，产生沿电机悬浮齿11、转子齿12、电机气隙和电机定子轭所构成径向闭合路径的电机悬浮控制磁通18；磁轴承绕组10通电，产生沿磁轴承悬浮齿16、磁轴承转子铁心6、磁轴承气隙和磁轴承定子铁心轭部所构成的径向闭合路径的磁轴承悬浮控制磁通19；电机悬浮控制磁通18和磁轴承悬浮控制磁通19分别调节偏置磁通20，产生x方向和y方向径向悬浮力。
当转子中心轴线与定子的中心轴线不重合时，偏置磁场20将产生磁阻力，将转子拉回平衡位置，实现电机转子轴向和倾斜方向的被动控制。
旋转原理是：如图6和图7所示，将转矩绕组14分为多相结构，以两相为例，分别对A相和B相先后通电，转矩绕组磁场在转矩齿和转子齿之间形成闭合路径，产生磁阻力，产生转矩，实现转子旋转。
永磁体7采用磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体制成，电机绕组1、磁轴承绕组10均采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成；电机定子铁心2、磁轴承定子铁心9、电机转子铁心4和磁轴承转子铁心5均由导磁性能良好的薄硅钢片沿轴向叠压而成。电机导磁桥3、磁轴承导磁桥8和转轴5均由导磁性能良好的整块材料制成。

Claims (4)

1.一种五自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：包括共同定子和共同转子；所述共同转子由连接于转轴（5）的电机转子铁心（4）和磁轴承转子铁心（6）组成，所述电机转子铁心（4）的圆周上设置有转子齿（12）；所述共同定子包括分别间隔设置于电机转子铁心（4）和磁轴承转子铁心（6）径向外侧的电机定子铁心（2）、磁轴承定子铁心（9），所述电机定子铁心（2）、磁轴承定子铁心（9）的内圆周x方向和y方向分别设置有四个电机悬浮齿（11）、四个磁轴承悬浮齿（16），所述电机悬浮齿（11）和磁轴承悬浮齿（16）上分别绕制有悬浮绕组，相邻的电机悬浮齿（11）之间还设置有转矩齿（13），所述转矩齿（13）上绕制有转矩绕组（14），所述电机定子铁心（2）和磁轴承定子铁心（9）的外圆周分别连接有与电机悬浮齿（11）、磁轴承悬浮齿（16）位置相对应的电机导磁桥（3）、磁轴承导磁桥（8），所述电机导磁桥（3）和磁轴承导磁桥（8）一一对应地通过永磁块（7）相连。
2.如权利要求1所述的一种五自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述电机悬浮齿（11）的齿宽大于转矩齿（13）的齿宽，且电机悬浮齿（13）的齿宽大于电机一个极距。
3.如权利要求1所述的一种五自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述电机悬浮齿（11）与转子齿（12）之间的气隙小于转矩齿（13）与转子齿（12）之间的气隙。
4.如权利要求1所述的一种五自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述电机定子铁心（2）、磁轴承定子铁心（9）、电机转子铁心（4）和磁轴承转子铁心（6）均为径向长度大于轴向长度的薄片状。
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