CN108696078B - 一种磁悬浮笼型异步主轴电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁悬浮笼型异步主轴电机，包括定子、位于定子内圈的转子，定子沿轴向从左至右依次包括左径向磁轴承铁心、沿轴向磁化的左环形永磁体、左轴向磁轴承铁心、隔磁铝环、右轴向磁轴承铁心、沿轴向磁化的右环形永磁体以及无轴承电机铁心，左径向磁轴承铁心的内周均布有定子齿，定子齿上绕制径向控制绕组，所述无轴承电机铁心的内圆周均匀开有定子槽，所述定子槽中设置有悬浮绕组和转矩绕组。本发明由两个轴向磁化的左、右环形永磁体为主轴电机提供五自由度静态偏置磁通，结构紧凑，在一个单元就能实现五自由度稳定悬浮。

Description

一种磁悬浮笼型异步主轴电机

技术领域

本发明涉及电机制造技术领域，具体涉及结构紧凑、控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立的一种磁悬浮笼型异步主轴电机。

背景技术

无轴承电机具有无摩擦、磨损、无需润滑，易于实现更高转速和更大功率运行，特别是其中的无轴承异步电机具有结构与制造简单、转子强度高、造价低等优势，在高速机床主轴电机、密封泵、离心机、压缩机、高速微型硬盘等系列高速直驱领域具有广阔的应用前景。

目前，无轴承异步电机是通过在传统异步电机的定子槽转矩绕组上叠加一套附加的悬浮绕组来实现径向悬浮，两套绕组分别由频率相同的三相交流电源供电产生旋转的悬浮绕组磁场和转矩绕组磁场，且悬浮绕组磁场极对数为P _B、转矩绕组磁场极对数为P _M，两者之间只有满足P _B=P _M±1的关系时，在转子上才能产生稳定可控的径向悬浮力。由径向位移传感器检测转子径向位移，构建位移闭环控制系统，实现转子稳定悬浮，而转矩的产生原理与普通异步电机相同。一方面，转矩绕组磁场要与悬浮绕组磁场相互作用产生径向悬浮力，另一方面，转矩绕组磁场又要和转子旋转磁场相互作用产生转矩，因此，转矩控制和位移控制之间存在强耦合，控制复杂，难以建立精确的数学模型，控制精度低。此外，除了转矩绕组磁场在转子导条内会感应出与转矩绕组磁场极对数相同的转子旋转磁场之外，悬浮绕组磁场也会在转子导条内感应出与悬浮绕组磁场极对数相同的转子旋转磁场，该旋转磁场对悬浮力的产生有削弱作用，还会增加转矩控制和位移控制的复杂性，特别是带负载运行时更为明显，严重时将会造成系统不稳定，悬浮失败。要实现主轴五自由度稳定悬浮运行，需要由两自由度无轴承异步电机、径向两自由度磁轴承、轴向单自由度磁轴承或者三自由度径向-轴向三自由度磁轴承组合成五自由度磁悬浮主轴电机，轴向长度长、临界转速低，且各个单元之间的协调控制复杂，难以实现工程应用。

发明内容

本发明克服现有缺陷提供一种磁悬浮笼型异步主轴电机，悬浮控制和转矩控制独立，控制简单。

本发明和现有技术相比具有以下技术方实现：

一种磁悬浮笼型异步主轴电机，包括定子、位于定子内圈的转子，所述定子沿轴向从左至右依次包括左径向磁轴承铁心、沿轴向磁化的左环形永磁体、左轴向磁轴承铁心、隔磁铝环、右轴向磁轴承铁心、沿轴向磁化的右环形永磁体以及无轴承电机铁心，所述左径向磁轴承铁心的内周均布有定子齿，定子齿上绕制径向控制绕组，所述无轴承电机铁心的内周均匀开有定子槽，所述定子槽中设置有悬浮绕组和转矩绕组；所述左、右轴向磁轴承铁心的内侧面上径向分布有环形的第一、第二吸力盘，所述第一、第二吸力盘之间设有环形的导磁桥，所述第一吸力盘、第二吸力盘与导磁桥之间设置有轴向控制绕组；所述转子包括转轴、箍设在转轴外周的转子铁心，所述转子铁心的中部伸进左、右轴向磁轴承铁心之间并与第一、第二吸力盘以及导磁桥之间存在轴向气隙，所述转子铁心的左端和右端设有向外延伸的圆周凸台，所述转子铁心的右端圆周凸台上开设有转子槽，所述转子槽内设有笼型导条。

本发明进一步的改进方案是，所述笼型导条数目为偶数、笼型导条采用分相结构，笼型导条极对数与所述转矩绕组极对数相同。

本发明进一步的改进方案是，所述悬浮绕组位于转矩绕组的外侧，所述悬浮绕组的极对数和转矩绕组的极对数不等，所述悬浮绕组由直流电源供电。

本发明进一步的改进方案是，所述定子齿与转子铁心的左端圆周凸台径向对齐，所述转子铁心的右端圆周凸台与无轴承电机铁心径向对齐。

本发明进一步的改进方案是，所述左环形永磁体和右环形永磁体的N极分别与左轴向磁轴承铁心和右轴向磁轴承铁心相邻，所述左环形永磁体和右环形永磁体由稀土永磁材料制成。

本发明进一步的改进方案是，所述第一、第二吸力盘与转子铁心之间的轴向气隙小于导磁桥与转子铁心之间的轴向气隙。

本发明和现有技术相比具有以下优点：

本发明由两个轴向磁化的左、右环形永磁体为主轴电机提供五自由度静态偏置磁通，结构紧凑，在一个单元就能实现五自由度稳定悬浮。无轴承电机铁心上的悬浮绕组由直流电源供电，产生右侧径向悬浮控制磁通，左侧的径向控制绕组和轴向控制绕组通电分别产生左径向悬浮控制磁通和轴向悬浮控制磁通，各悬浮控制磁通与相应的静态偏置磁通相互作用，实现转子五自由度稳定悬浮，而转矩是由转矩绕组磁场和转子感应磁场相互作用产生。因此，悬浮控制、转矩控制相互独立，且笼型导条数目为偶数，笼型导条采用分相结构，笼型导条极对数与转矩绕组极对数相同，笼型导条切割转矩绕组磁场，产生感应电流，该感应电流形成的旋转磁场与转矩绕组磁场极对数相同；而悬浮绕组磁场和永磁体磁场在笼型导条产生的感应电动势全部自行抵消，无感应电流与旋转磁场产生。因此，不但可产生较大的径向悬浮力，而且控制简单和易于实现的优点，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为本发明的轴向结构示意图。

图2为本发明的磁路结构示意图。

图3为本发明右侧的无轴承电机铁心绕组排列与径向磁路示意图。

图4为本发明右侧转子笼型导条U相连接示意图。

图5为本发明右侧转子笼型导条V相连接示意图。

图6为本发明右侧转子笼型导条W相连接示意图。

具体实施方式

如图1至6所示的一种磁悬浮笼型异步主轴电机，包括定子1、位于定子1内圈的转子2，定子1沿轴向从左至右依次包括左径向磁轴承铁心3、沿轴向磁化的左环形永磁体4、左轴向磁轴承铁心5、隔磁铝环6、右轴向磁轴承铁心7、沿轴向磁化的右环形永磁体8以及无轴承电机铁心9，所述左径向磁轴承铁心3的内周均布有定子齿10，定子齿10上绕制径向控制绕组11，所述无轴承电机铁心9的内周均匀开有定子槽，所述定子槽中设置有悬浮绕组12和转矩绕组13；所述左、右轴向磁轴承铁心5、7的内侧面上径向分布有环形的第一、第二吸力盘14、15，所述第一、第二吸力盘14、15之间设有环形的导磁桥16，所述第一吸力盘14、第二吸力盘15与导磁桥16之间设置有轴向控制绕组17；所述转子2包括转轴18、箍设在转轴18外周的转子铁心19，所述转子铁心19的中部伸进左、右轴向磁轴承铁心5、7之间并与第一、第二吸力盘14、15以及导磁桥16之间存在轴向气隙，所述转子铁心19的左端和右端设有向外延伸的圆周凸台20，所述转子铁心19的右端圆周凸台上开设有转子槽21，所述转子槽21内设有笼型导条。环形定子永磁体为主轴电机在五个自由度上提供静态偏置磁通23、24，悬浮绕组为直流电源供电，为右侧的无轴承异步电机提供悬浮控制磁通25；径向控制绕组通电产生左侧悬浮控制磁通26；轴向控制绕组通电产生轴向悬浮控制磁通27、28；各悬浮控制磁通与相应的偏置磁通相互作用电机转子上产生左、右两侧和轴向悬浮力。转矩是由右侧的无轴承电机铁心上的转矩绕组磁场与对应转子的旋转磁场相互作用产生得。

笼型导条22的数目为偶数、笼型导条22采用分相结构，笼型导条22极对数与所述转矩绕组13极对数相同。悬浮绕组12位于转矩绕组13的外侧，所述悬浮绕组12的极对数和转矩绕组13的极对数不等即P_B≠P_M，无需满足P_B=P_M±1，悬浮绕组12由直流电源供电。

定子齿10与转子铁心19的左端圆周凸台径向对齐，所述转子铁心19的右端圆周凸台与无轴承电机铁心9径向对齐。

左环形永磁体4和右环形永磁体8的N极分别与左轴向磁轴承铁心5和右轴向磁轴承铁心7相邻，所述左环形永磁体4和右环形永磁体8由稀土永磁材料制成，隔磁铝环6将左右磁路隔开，左右两侧无耦合减小漏磁。

第一、第二吸力盘14、15与转子铁心19之间的轴向气隙小于导磁桥16与转子铁心19之间的轴向气隙。

下面以右侧的转子槽为12槽，悬浮绕组极对数为1，转矩绕组极对数为2，三相电机为例来详细说明：

左环形永磁体为左侧径向磁轴承铁心和左轴向磁轴承铁心提供静态偏置磁通23，静态偏置磁通23磁路为：磁通从环形永磁体的N极出发，通过左轴向磁轴承铁心分成两部分，分别由第一、第二吸力盘经过左侧轴向气隙而后通过转子铁心、左侧径向气隙、左径向磁轴承铁心回到环形永磁体的S极。径向控制绕组11通电产生的左侧径向悬浮控制磁通26，磁通26经过左径向磁轴承铁心上侧、上侧径向气隙、转子、下侧径向气隙、左径向磁轴承铁心下侧，再经过左径向磁轴承铁心的轭部构成闭合回路；轴向控制绕组通电产生左、右侧轴向悬浮控制磁通27、28，磁通27、28在第一、第二吸力盘、导磁桥和左、右两侧的轴向气隙之间形成闭合路径。

悬浮绕组为直流电源供电，为右侧无轴承异步电机提供右侧悬浮控制磁通25，悬浮控制磁通25的磁路为：无轴承电机铁心上侧、上侧径向气隙、转子、下侧径向气隙、无轴承电机铁心下侧，再经过无轴承电机铁心轭部，构成闭合回路；右环形永磁体为右侧无轴承电机和右轴向磁轴承铁心提供静态偏置磁通24，静态偏置磁通24的磁路为：磁通从右环形永磁体的N极出发，通过右轴向磁轴承铁心分成两部分，分别由第一、第二吸力盘经过右侧轴向气隙到转子铁心而后经过右侧径向气隙、无轴承电机铁心回到右环形永磁体的S极。对应位置的悬浮控制磁通和偏置磁通相互作用将在转子左侧产生两自由度径向悬浮力，在轴向磁轴承铁心对应的转子上产生单自由度轴向悬浮力，在转子右侧产生两自由度径向悬浮力。转矩绕组、悬浮绕组和轴向控制绕组、径向控制绕组均采用导电良好的电磁线圈绕制后浸漆烘干而成。

左径向磁轴承铁心的定子齿可做成三极、四极、八极等多种结构，且左、右两侧可对调使用，不影响主轴电机性能的发挥。

如图2、3、4、5、6所示，无轴承电机铁心定子槽的内层为转矩绕组13，排列与普通异步电机相同；外层为悬浮绕组12分为x方向控制绕组和y方向悬浮控制绕组，x方向控制绕组包括绕组L _X1~ L _X12，按照图示2方向串联即可；y方向悬浮控制绕组包括绕组L _Y1~ L _Y12，按照图示2方向串联即可；如图1、3、4、5、6所示，转子右端开有转子槽，在转子槽中浇注笼型导条，转子槽和导条的数目为偶数；以转子槽和导条数为12为例来详细说明。导条外层绝缘，通过端接部分将其分相，由于转矩绕组为3相4极，转子导条相数和极数必须与转矩绕组相同，因此导条也分为3相4极，即导条1、4、7、10短接为一相；导条3、6、9、12短接为一相；导条2、5、8、11短接为一相；且三相之间相互绝缘。按照此种方式设置，在该电机运行时，悬浮绕组磁场、转矩绕组磁场和永磁体产生的偏置磁场三者中只有转矩绕组磁场在转子导条中会产生转子旋转磁场。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种磁悬浮笼型异步主轴电机，包括定子（1）、位于定子（1）内圈的转子（2），其特征是：所述定子（1）沿轴向从左至右依次包括左径向磁轴承铁心（3）、沿轴向磁化的左环形永磁体（4）、左轴向磁轴承铁心（5）、隔磁铝环（6）、右轴向磁轴承铁心（7）、沿轴向磁化的右环形永磁体（8）以及无轴承电机铁心（9），所述左径向磁轴承铁心（3）的内周均布有定子齿（10），定子齿（10）上绕制径向控制绕组（11），所述无轴承电机铁心（9）的内周均匀开有定子槽，所述定子槽中设置有悬浮绕组（12）和转矩绕组（13）；所述左、右轴向磁轴承铁心（5、7）的内侧面上径向分布有环形的第一、第二吸力盘（14）、（15），所述第一、第二吸力盘（14、15）之间设有环形的导磁桥（16），所述第一吸力盘（14）、第二吸力盘（15）与导磁桥（16）之间设置有轴向控制绕组（17）；所述转子（2）包括转轴（18）、箍设在转轴（18）外周的转子铁心（19），所述转子铁心（19）的中部伸进左、右轴向磁轴承铁心（5、7）之间并与第一、第二吸力盘（14、15）以及导磁桥（16）之间存在轴向气隙，所述转子铁心（19）的左端和右端设有向外延伸的圆周凸台（20），所述转子铁心（19）的右端圆周凸台上开设有转子槽（21），所述转子槽（21）内设有笼型导条（22）；所述笼型导条（22）数目为偶数、笼型导条（22）采用分相结构，笼型导条（22）极对数与所述转矩绕组（13）极对数相同；所述定子齿（10）与转子铁心（19）的左端圆周凸台径向对齐，所述转子铁心（19）的右端圆周凸台与无轴承电机铁心（9）径向对齐；

所述悬浮绕组（12）位于转矩绕组（13）的外侧，所述悬浮绕组（12）的极对数和转矩绕组（13）的极对数不等，所述悬浮绕组（12）由直流电源供电。

2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮笼型异步主轴电机，其特征是：所述左环形永磁体（4）和右环形永磁体（8）的N极分别与左轴向磁轴承铁心（5）和右轴向磁轴承铁心（7）相邻，所述左环形永磁体（4）和右环形永磁体（8）由稀土永磁材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮笼型异步主轴电机，其特征是：所述第一、第二吸力盘（14、15）与转子铁心（19）之间的轴向气隙小于导磁桥（16）与转子铁心（19）之间的轴向气隙。

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