CN108696190A - 一种带隔磁环的三自由度永磁型无轴承电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带隔磁环的三自由度永磁型无轴承电机，包括定子和转子，所述转子由转轴和转子铁心组成，所述转子铁心的外圆周安装有转子永磁体；所述定子包括沿转子铁心径向向外依次相连的定子铁心、定子永磁环、隔磁环，以及对称设置于转子铁心两侧的两个轴向控制铁心，所述定子铁心与转子铁心之间设置有径向工作气隙，所述定子铁心上绕制有分别位于内层和外层的电机转矩绕组、径向悬浮绕组，所述隔磁环位于两个轴向控制铁心的内壁外沿之间，所述两个轴向控制铁心的内壁内沿分别同心设置有两道吸力圆盘，所述两道吸力圆盘之间同心设置有控制圆盘，所述两道吸力圆盘上各自绕制有轴向悬浮绕组。
Description
技术领域
本发明涉及永磁型无轴承电机领域，具体涉及一种带隔磁环的三自由度永磁型无轴承电机。
背景技术
无轴承和磁悬浮电机是上世纪80年代末发展起来的新型高速特种电机，无轴承电机主要分为磁阻型、感应型和永磁型无轴承电机三种，与其他两种相比，永磁型无轴承电机采用转子永磁结构，具有无需励磁、功率密度和转矩密度高，控制简单等优点，是最具有工业应用前景的一种无轴承电机。传统的永磁型无轴承电机内部存在三个磁场，即转矩绕组磁场、悬浮绕组磁场和转子永磁体磁场，且转矩绕组磁场极对数P M和悬浮绕组磁场极对数P B之间必须满足P M=P B±1的关系，转矩由转矩绕组磁场和转子永磁体磁场产生，悬浮力由悬浮绕组磁场和转子永磁体磁场产生，要实现转子稳定悬浮和旋转必须采用复杂的悬浮力和转矩动态解耦控制算法，且转矩和悬浮力产生之间存在制约平衡关系，这两个固有缺点限制了传统永磁型无轴承电机的工业应用进程。
永磁型无轴承电机若要实现五自由度悬浮运行，需要轴向磁悬浮轴承与其配合使用。轴向磁轴承势必会增加悬浮电机系统的轴向长度，进而降低临界转速和功率密度。因此，在实现转矩和悬浮力解耦控制基础上，实现永磁型无轴承电机和轴向磁轴承的集成化已成为无轴承电机领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构紧凑，轴向悬浮力、径向悬浮力和转矩无耦合，且左、右侧轴向气隙偏置磁动势始终相等的带隔磁环的三自由度永磁型无轴承电机。
本发明通过以下技术方案实现：
一种带隔磁环的三自由度永磁型无轴承电机，包括定子和转子，所述转子由转轴和转子铁心组成，所述转子铁心上安装有转子永磁体；所述定子包括沿转子铁心径向向外依次相连的定子铁心、定子永磁环、隔磁环，以及对称设置于转子铁心两侧的两个轴向控制铁心，所述定子铁心与转子铁心之间设置有径向工作气隙，所述定子铁心上绕制有分别位于内层和外层的电机转矩绕组、径向悬浮绕组，所述隔磁环位于两个轴向控制铁心的内壁外沿之间，所述两个轴向控制铁心的内壁内沿分别同心设置有两道吸力圆盘，所述两道吸力圆盘之间同心设置有控制圆盘，所述两道吸力圆盘上各自绕制有轴向悬浮绕组。
本发明的进一步方案是，所述隔磁环的厚度大于轴向控制铁心的轴向气隙长度。
本发明的进一步方案是，所述控制圆盘与转子铁心之间的气隙长度大于吸力圆盘与转子铁心之间的气隙长度。
本发明的进一步方案是，电机转矩绕组的磁场极对数和径向悬浮绕组的磁场极对数之差大于等于三。
本发明与现有技术相比的优点在于：
一、实现了两自由度无轴承永磁电机和轴向磁轴承的集成化，是一种结构新颖、世界首创的一种三自由度无轴承永磁电机，是由一个径向磁化的定子永磁环分别提供轴向和径向偏置磁通，轴向悬浮绕组通电产生轴向悬浮磁通，径向悬浮绕组通电产生径向悬浮磁通，径向和轴向悬浮磁通分别调节偏置磁通，使轴向和径向气隙一侧的磁场增强，而相反方向磁场减弱，产生指向磁场增强方向的悬浮力，根据现有技术，建立轴向和径向位移闭环控制系统，实现转子轴向和径向三自由度稳定悬浮；而转矩是由电机转矩绕组产生的转矩绕组磁场和转子永磁体产生的转子永磁体磁场相互作用产生，且转矩绕组磁场的极对数P M和径向悬浮绕组产生的悬浮绕组磁场的极对数P B之间满足P M‒P B≥3的关系，转矩和悬浮力无耦合，控制简单，易于实现，且采用一个隔磁环将左、右侧的轴向控制铁心隔开，不论转子产生多大的轴向偏移量，都能够保证左右两侧轴向气隙的偏置磁动势始终相等，有效解决了轴向启动困难的问题；
二、应用于五自由度悬浮驱动系统中，可以代替一个轴向磁轴承和两自由度永磁型无轴承电机，将极大地缩小轴向长度和系统体积与重量，对实现永磁型无轴承电机工业应用具有里程碑式的重要意义。
附图说明
图1为本发明的轴向结构与磁通剖视图。
图2为本发明的左侧轴向控制铁心结构与磁通示意图。
图3为本发明的右侧轴向控制铁心结构与磁通示意图。
图4为本发明的定子铁心与转子结构、绕组排列及磁通示意图。
具体实施方式
如图1~3所示的一种带隔磁环的三自由度永磁型无轴承电机，包括定子和转子，所述转子由转轴15和转子铁心14组成，所述转子铁心14表面贴有永磁体28。
所述定子包括沿转子铁心14径向向外依次相连的定子铁心4、定子永磁环2、隔磁环3，以及对称设置于转子铁心14两侧的的左侧轴向控制铁心1、右侧轴向控制铁心5，所述左侧轴向控制铁心1和右侧轴向控制铁心5共有四个磁极，定子铁心4上设置有12槽；所述定子铁心4与转子铁心14之间设置有径向工作气隙，所述定子铁心4的12个槽中嵌入分别位于内层和外层的电机转矩绕组6、径向悬浮绕组7；所述定子永磁环2、转子永磁体28为稀土永磁材料或铁氧永磁材料制成的径向充磁的环形永磁体，所述隔磁环3由整块铝材制成，位于左侧轴向控制铁心1、右侧轴向控制铁心5的内壁外沿之间，其厚度大于左侧轴向控制铁心1和右侧轴向控制铁心5与转子铁心14之间的轴向气隙长度。电机转矩绕组6通电产生的转矩绕组磁场的极对数与径向悬浮绕组7通电产生的悬浮绕组磁场的极对数之差大于等于三，且转子永磁体28产生的转子永磁体磁场的极对数与转矩绕组磁场的极对数相同，在结构上实现转矩和悬浮力的解耦，转矩由转矩绕组磁场和转子永磁体磁场相互作用产生。
所述左侧轴向控制铁心1、右侧轴向控制铁心5的内壁内沿分别同心设置有两道左吸力圆盘16、两道右吸力圆盘17，所述两道左吸力圆盘16之间和两道右吸力圆盘17之间分别同心设置有左控制圆盘8、右控制圆盘9，所述左控制圆盘8、右控制圆盘9与转子铁心14之间的气隙长度大于左吸力圆盘16、右吸力圆盘17与转子铁心14之间的气隙长度，所述两道左吸力圆盘16和两道右吸力圆盘17上各自绕制有左轴向悬浮绕组10、右轴向悬浮绕组12；两道左吸力圆盘16、左控制圆盘8与左侧轴向铁心1，以及两道右吸力圆盘17、右控制圆盘9与右侧轴向铁心5分别构成“E”形结构。
转子铁心14和左侧轴向铁心1、右侧轴向铁心5均由轴向和径向导磁性能良好的材料制成，左轴向悬浮绕组10、右轴向悬浮绕组12均采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成。
所述左侧轴向铁心1、左轴向悬浮绕组10、定子铁心4、电机转矩绕组6、径向悬浮绕组7、右侧轴向铁心5、右轴向悬浮绕组12、定子永磁环2、隔磁环3沿轴向叠压。
如图4所示，定子槽外层为径向悬浮绕组7，内层为电机转矩绕组6，均为集中式绕组，y方向的上、下六个齿上的绕组用于控制产生y方向悬浮力，即Y1~Y12串联为一相，x方向的左、右六个齿上的绕组用于产生x方向的悬浮力，即X1~X12串联为一相。
悬浮原理是：
由于隔磁环3将左侧轴向铁心1、右侧轴向铁心5分开，因此，定子永磁环2产生的偏置磁通经过隔磁环4分为左侧偏置磁通22和右侧偏置磁通23两部分；左侧偏置磁通22从定子永磁环2的N极出发，经两道左吸力圆盘16分为左内偏置磁通20、左外偏置磁通21两部分，然后分别经过两道左吸力圆盘16与转子铁心14之间的左侧轴向气隙、转子铁心14、转子永磁体28、径向工作气隙、定子铁心4，回到定子永磁环2的S极形成两条左侧闭合磁路。
右侧偏置磁通23从定子永磁环2的N极出发，经两道右吸力圆盘17分为右内偏置磁通26、右外偏置磁通27两部分，然后分别经过两道右吸力圆盘17与转子铁心14之间的右侧轴向气隙、转子铁心14、转子永磁体28、径向工作气隙、定子铁心4，回到定子永磁环2的S极形成两条右侧闭合磁路。
径向悬浮绕组7通电产生径向悬浮磁通29，径向悬浮磁通29经过定子铁心4上侧、上侧径向气隙、转子铁心14、下侧径向气隙、定子铁心4下侧和定子铁心4的扼部形成闭合路径；两组左轴向悬浮绕组10、两组右轴向悬浮绕组12通电分别产生四条轴向悬浮磁通，分别为：左内轴向悬浮磁通18、左外轴向悬浮磁通19、右内轴向悬浮磁通24、右外轴向悬浮磁通25，径向悬浮磁通29和四条轴向悬浮磁通分别调节相应的偏置磁通，使转子铁心14的径向和轴向一侧气隙磁场增强，而相反方向气隙磁场减弱，在转子铁心14上产生指向磁场增强方向的轴向和径向悬浮力，在定子上安装轴向、径向位移传感器，检测转子径向和轴向位移，建立径向和轴向位移闭环控制系统，实现转子径向和轴向稳定悬浮。
旋转原理是：电机转矩绕组6通电产生转矩绕组磁场，转矩绕组磁场极对数P M与悬浮绕组磁场的极对数P B之间满足P M‒P B≥3的关系，在结构上实现转矩和悬浮力的解耦，转矩由转矩绕组磁场和转子永磁体磁场相互作用产生。
Claims (4)
1.一种带隔磁环的三自由度永磁型无轴承电机，包括定子和转子，所述转子由转轴（15）和转子铁心（14）组成，其特征在于：所述转子铁心（14）上安装有转子永磁体（28）；所述定子包括沿转子铁心（14）径向向外依次相连的定子铁心（4）、定子永磁环（2）、隔磁环（3），以及对称设置于转子铁心（14）两侧的两个轴向控制铁心，所述定子铁心（4）与转子铁心（14）之间设置有径向工作气隙，所述定子铁心（4）上绕制有分别位于内层和外层的电机转矩绕组（6）、径向悬浮绕组（7），所述隔磁环（3）位于两个轴向控制铁心的内壁外沿之间，所述两个轴向控制铁心的内壁内沿分别同心设置有两道吸力圆盘，所述两道吸力圆盘之间同心设置有控制圆盘，所述两道吸力圆盘上各自绕制有轴向悬浮绕组。
2.如权利要求1所述的一种带隔磁环的三自由度永磁型无轴承电机，其特征在于：所述隔磁环（3）的厚度大于轴向控制铁心的轴向气隙长度。
3.如权利要求1所述的一种带隔磁环的三自由度永磁型无轴承电机，其特征在于：所述控制圆盘与转子铁心（14）之间的气隙长度大于吸力圆盘与转子铁心（14）之间的气隙长度。
4.如权利要求1所述的一种带隔磁环的三自由度永磁型无轴承电机，其特征在于：电机转矩绕组的磁场极对数和径向悬浮绕组的磁场极对数之差大于等于三。
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