CN108696192A - 一种带隔磁环的三自由度无轴承开关磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带隔磁环的三自由度无轴承开关磁阻电机，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均匀布置有数个转子齿，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，对称设置于转子铁心两侧的两个轴向控制铁心，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及控制圆盘，所述两道吸力圆盘上各自绕制有轴向悬浮绕组，所述定子铁心的内圆周均匀设置有悬浮齿，相邻悬浮齿之间的定子铁心的内圆周连接有隔磁体，所述隔磁体上均匀布置有数个转矩齿，所述悬浮齿和转矩齿上分别绕制有径向悬浮绕组、转矩绕组。
Description
技术领域
本发明涉及无轴承开关磁阻电机技术领域，具体涉及一种带隔磁环的三自由度无轴承开关磁阻电机。
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、感应型和无轴承开关磁阻电机三种，与其他两种相比，无轴承开关磁阻电机转子无永磁体，结构简单，转子强度高，且无感应型无轴承电机存在的转子复杂的感应磁场对悬浮和旋转的影响，是最具有工业应用前景的一种无轴承电机。传统的无轴承开关磁阻电机内部仅存在两个磁场，即转矩绕组磁场和悬浮绕组磁场，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，才能够产生稳定可控的径向悬浮力，转矩主要由转矩绕组磁场经过定转子齿形成的磁阻力产生，悬浮力由悬浮绕组磁场和转矩绕组磁场相互作用产生，造成传统无轴承开关磁阻电机悬浮力和转矩之间的解耦控制极为复杂，限制了传统无轴承开关磁阻电机的工业应用进程。
此外，无轴承开关磁阻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，实现无轴承开关磁阻电机和轴向磁轴承的集成化已成为磁悬浮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的带隔磁环的三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：
一种带隔磁环的三自由度无轴承开关磁阻电机，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均匀布置有数个转子齿，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，所述定子铁心的内圆周均匀设置有四个悬浮齿，相邻悬浮齿之间的定子铁心的内圆周连接有隔磁体，所述隔磁体上均匀布置有数个转矩齿，所述悬浮齿、转矩齿与转子铁心之间设置有径向工作气隙，所述悬浮齿和转矩齿上分别绕制有径向悬浮绕组、转矩绕组。
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，所述定子永磁环由稀土永磁材料或铁氧永磁材料制成。
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开关磁阻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开关磁阻电机，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；转矩齿通过隔磁体与定子铁心连为一体，转矩绕组磁场和悬浮磁场经过不同的磁路形成闭合路径，且转矩绕组磁场极对数P M和悬浮绕组磁场极对数P B之间无需满足P M=P B±1关系，转矩和悬浮力无耦合，控制简单，易于实现；
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无轴承开关磁阻电机，将极大地缩小轴向长度和系统体积与重量，对实现无轴承开关磁阻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为本发明的定子铁心、转子铁心结构和径向磁通示意图。
图3为本发明的左侧轴向控制铁心结构与磁通示意图。
图4为本发明的右侧轴向控制铁心结构与磁通示意图。
图5为本发明的转矩绕组A相示意图。
图6为本发明的转矩绕组B相示意图。
具体实施方式
如图1~图6所示的一种带隔磁环的三自由度无轴承开关磁阻电机，包括定子和转子，所述转子由转轴15和转子铁心33组成，所述转子铁心33的外圆周均匀布置有数个转子齿29。
所述定子包括沿转子铁心33径向向外依次相连的定子铁心3、定子永磁环2、隔磁环4，以及对称设置于转子铁心33两侧的左侧轴向控制铁心1、右侧轴向控制铁心5。所述定子永磁环2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4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，其厚度大于左侧和右侧轴向气隙长度。
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6、两道右吸力圆盘7，所述两道左吸力圆盘6之间和两道右吸力圆盘7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33之间的气隙长度大于左吸力圆盘6、右吸力圆盘7与转子铁心33之间的气隙长度，所述两道左吸力圆盘6和两道右吸力圆盘7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6、左控制圆盘8与左侧轴向铁心1，以及两道右吸力圆盘7、右控制圆盘9与右侧轴向铁心5分别构成“E”形结构。
所述定子铁心3的内圆周在x方向和y方向上均匀设置有四个悬浮齿27，相邻悬浮齿27之间的定子铁心3的内圆周连接有隔磁体32，所述隔磁体32上均匀布置有数个转矩齿28，悬浮齿27的齿宽大于转矩齿28的齿宽，且悬浮齿27齿宽大于电机的一个极距，所述悬浮齿27和转矩齿28上分别绕制有径向悬浮绕组30、转矩绕组31，所述悬浮齿27、转矩齿28的齿峰与转子铁心33之间间隔设置，形成径向工作气隙。
转子铁心33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，所述径向悬浮绕组30、转矩绕组31为集中绕组。
所述左侧轴向铁心1、左轴向悬浮绕组10、定子铁心3、径向悬浮绕组30、转矩绕组31、右侧轴向铁心5、右轴向悬浮绕组12、定子永磁环2、隔磁环4和隔磁体32沿轴向叠压。
所述转矩齿28和转子齿29数量可调。
悬浮原理是：由于隔磁环4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19和右侧偏置磁通25两部分；左侧偏置磁通19从定子永磁环2的N极出发，经两道左吸力圆盘6分为左内偏置磁通18、左外偏置磁通20两部分，然后分别经过两道左吸力圆盘6与转子铁心33之间的左侧轴向气隙、转子铁心33、转子齿29、径向工作气隙、定子铁心3，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25从环形永磁体2的N极出发，经两道右吸力圆盘7分为右内偏置磁通23、右外偏置磁通24两部分，然后分别经过两道右吸力圆盘7与转子铁心33之间的右侧轴向气隙、转子铁心33、转子齿29、径向工作气隙、定子铁心3，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30通电产生径向悬浮磁通26，径向悬浮磁通26经过定子铁心3上侧、上侧径向气隙、转子齿29、转子铁心33、下侧径向气隙、电机定子铁心3下侧和定子铁心3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16、左外轴向悬浮磁通17、右内轴向悬浮磁通21、右外轴向悬浮磁通22，径向悬浮磁通26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33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33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：将转矩绕组31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28和转子齿29之间形成闭合路径，产生磁阻力，产生转矩，实现转子旋转。
Claims (4)
1.一种带隔磁环的三自由度无轴承开关磁阻电机，包括定子和转子，所述转子由转轴（15）和转子铁心（33）组成，其特征在于：所述转子铁心（33）的外圆周均匀布置有数个转子齿（29），所述定子包括沿转子铁心（33）径向向外依次相连的定子铁心（3）、定子永磁环（2）、隔磁环（4），以及对称设置于转子铁心（33）两侧的两个轴向控制铁心，所述隔磁环（4）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，所述定子铁心（3）的内圆周均匀设置有四个悬浮齿（27），相邻悬浮齿（27）之间的定子铁心（3）的内圆周连接有隔磁体（32），所述隔磁体（32）上均匀布置有数个转矩齿（28），所述悬浮齿（27）、转矩齿（28）与转子铁心（33）之间设置有径向工作气隙，所述悬浮齿（27）和转矩齿（28）上分别绕制有径向悬浮绕组（30）、转矩绕组（31）。
2.如权利要求1所述的一种带隔磁环的三自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述隔磁环（4）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无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述控制圆盘与转子铁心（33）之间的气隙长度大于吸力圆盘与转子铁心（33）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无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述定子永磁环（2）由稀土永磁材料或铁氧永磁材料制成。
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2018
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