CN108712043B - 一种定子永磁偏置五自由度无轴承异步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种定子永磁偏置五自由度无轴承异步电机，包括位于电机壳体内的定子和位于定子内圈里的转子。所述定子包括连为一体的左磁轴承定子铁心、右锥形定子铁心、轴向磁化的环形永磁体，所述环形永磁体连接在左磁轴承定子铁心和右锥形定子铁心之间，所述左磁轴承定子铁心内周均布有定子齿，定子齿上绕制有磁轴承绕组，所述右锥形定子铁心上开设有定子槽，所述定子槽内设有悬浮绕组和转矩绕组。一个轴向磁化的环形永磁体为左磁轴承定子铁心和右侧的电机提供静态偏置磁通，可产生较大的径向悬浮力，而且控制简单易于实现。

Description

一种定子永磁偏置五自由度无轴承异步电机

技术领域

本发明涉及电机制造技术领域，具体涉及一种不受P _B=P _M±1条件限制，在转子中仅感应出与转矩绕组磁场极对数相同的旋转磁场，结构紧凑、控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立的一种定子永磁偏置五自由度无轴承异步电机结构。

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的转矩绕组上叠加一套附加的悬浮绕组，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，有学者提出了无轴承异步电机的转子笼型导条分相结构，该结构的无轴承异步电机转子中仅感应出与转矩绕组磁场极对数相同的转子磁场，而悬浮绕组磁场在转子中不产生感应磁场，能够产生较大的径向悬浮力，降低控制复杂性，但是该结构的无轴承异步电机仍然需要满足P _B=P _M±1的关系，且存在转矩绕组磁场和悬浮绕组磁场之间的强耦合性，两者之间的非线性动态解耦控制仍然非常复杂。此外，要实现转子五自由度稳定悬浮旋转，需要多个两自由度无轴承异步电机、单自由度磁轴承、两自由度磁轴承和三自由度磁轴承组成五自由度悬浮支撑系统，体积庞大，轴向长度上，临界转速低，控制复杂，无工业应用价值。因此为了解决目前的五自由度无轴承异步电机这些缺点，提出一种定子永磁偏置五自由度无轴承异步电机新结构。

发明内容

本发明的目的是克服现有的五自由度无轴承异步电机系统的不足，提供一种不受P _B=P _M±1条件限制，在转子中仅感应出与转矩绕组磁场极对数相同的旋转磁场，控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立，结构紧凑的一种定子永磁偏置五自由度无轴承异步电机结构。

本发明通过以下技术方案实现：

一种定子永磁偏置五自由度无轴承异步电机，包括位于电机壳体内的定子和位于定子内圈里的转子，所述定子包括连为一体的左磁轴承定子铁心、右锥形定子铁心、轴向磁化的环形永磁体，所述环形永磁体连接在左磁轴承定子铁心和右锥形定子铁心之间，所述左磁轴承定子铁心内周均布有定子齿，定子齿上绕制有磁轴承绕组，所述右锥形定子铁心上开设有定子槽，所述定子槽内设有悬浮绕组和转矩绕组，所述转子包括转轴和箍设在转轴外周的转子铁心，所述转子铁心的左端设有柱形凸台，所述柱形凸台与左磁轴承定子铁心的定子齿径向对齐且两者之间留有径向气隙，所述转子铁心的右端设有与右锥形定子铁心的锥面对应的锥体，所述锥体与右锥形定子铁心之间留有气隙，所述锥体的表面开有转子槽，所述转子槽中浇注有笼型导条。

本发明进一步的改进方案是，所述笼型导条的数目为偶数，笼型导条采用分相结构，笼型导条的极对数与转矩绕组的极对数相同。笼型导条切割转矩绕组磁场，产生一个旋转磁场，该旋转磁场与转矩绕组磁场极对数相同；而笼型导条切割悬浮绕组磁场和静态偏置磁场不产生旋转磁场。

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，所述左磁轴承定子铁心、右锥形定子铁心的x和y方向上安装有垂直于转子表面的径向位移传感器。位移传感器垂直于转子表面，用于检测左、右两侧转子的偏移量，分别建立左、右两侧的位移闭环控制系统，实现转子五自由度稳定悬浮。

本发明进一步的改进方案是，所述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，所述左磁轴承定子铁心、右锥形定子铁心、转子铁心、转轴均由导磁材料制成。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

本发明由一个轴向磁化的环形永磁体为左磁轴承定子铁心和右侧的电机提供静态偏置磁通，悬浮绕组由直流电源供电，为右侧的电机提供悬浮控制磁通，悬浮控制磁通调节静态偏置磁通，在转子右端上产生径向和轴向悬浮力，控制右侧转子径向和轴向三自由度稳定悬浮；左侧的磁轴承绕组通电产生左侧悬浮控制磁通，左侧悬浮控制磁通调节偏置磁通，在转子左端上产生悬浮力，控制转子左侧径向两自由度稳定悬浮。因此，悬浮控制、转矩控制相互独立。另外，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无感应旋转磁场产生。因此，不但可产生较大的径向悬浮力，而且控制简单易于实现。

附图说明

图1为本发明的轴向结构与磁路示意图。

图2为本发明右侧电机绕组排列与径向磁路示意图。

图3为本发明右侧电机转子笼型导条U相连接示意图。

图4为本发明右侧电机转子笼型导条V相连接示意图。

图5为本发明右侧电机转子笼型导条W相连接示意图。

具体实施方式

如图1至5所示的一种定子永磁偏置五自由度无轴承异步电机，包括位于电机壳体内的定子1和位于定子1内圈里的转子2，所述定子1包括连为一体的左磁轴承定子铁心3、右锥形定子铁心4、轴向磁化的环形永磁体5，所述环形永磁体5连接在左磁轴承定子铁心3和右锥形定子铁心4之间，所述左磁轴承定子铁心3内周均布有定子齿，定子齿上绕制有磁轴承绕组6，所述右锥形定子铁心4上开设有定子槽，所述定子槽内设有悬浮绕组7和转矩绕组8，所述转子2包括转轴9和箍设在转轴9外周的转子铁心10，所述转子铁心10的左端设有柱形凸台11，所述柱形凸台11与左磁轴承定子铁心3的定子齿径向对齐且两者之间留有径向气隙，所述转子铁心10的右端设有与右锥形定子铁心4的锥面对应的锥体12，所述锥体12与右锥形定子铁心4之间留有气隙，所述锥体12的表面开有转子槽，所述转子槽中浇注有笼型导条13。

笼型导条13的数目为偶数，笼型导条13采用分相结构，笼型导条13的极对数与转矩绕组8的极对数相同。

悬浮绕组7位于转矩绕组8的外侧，所述悬浮绕组7的极对数和转矩绕组8的极对数不等，不受P _B=P _M±1条件限制，悬浮绕组7由直流电源供电，通电产生悬浮磁通为右侧电机提供相应的轴向和径向悬浮力。

所述左磁轴承定子铁心3、右锥形定子铁心4的x和y方向上安装有垂直于转子表面的径向位移传感器14。位移传感器垂直于转子表面，用于检测左、右两侧转子的偏移量，分别建立左、右两侧的位移闭环控制系统，给转子施加与偏移方向相反的力即可让转子回到平衡位置，实现转子五自由度稳定悬浮实现转子五自由度稳定悬浮。

环形永磁体5由稀土永磁材料制成。左磁轴承定子铁心3、右锥形定子铁心4、转子铁心10、转轴9均由导磁材料制成。

环形永磁体提供静态偏置磁通15，静态偏置磁通15的磁路为：磁通从环形永磁体的N极出发，通过右锥形定子铁心、右侧径向气隙、转子右端锥体、转子左端柱形凸台、左侧径向气隙、左磁轴承定子铁心回到环形永磁体的S极；悬浮绕组为直流电源供电，为右侧提供悬浮控制磁通16，其磁路为：右侧的右锥形定子铁心上侧、上侧气隙、转子、下侧气隙、右锥形定子铁心下侧再经过电机右侧的定子轭构成闭合回路；磁轴承绕组产生的悬浮控制磁通17的磁路为：左磁轴承定子铁心上侧、上侧径向气隙、转子、下侧径向气隙、左磁轴承定子铁心下侧再经过左侧电机的定子轭构成闭合回路；静态偏置磁通15、悬浮控制磁通17相互作用，在左侧转子上产生径向两自由度悬浮力；静态偏置磁通15、悬浮控制磁通16相互作用，在转子右侧锥体上产生径向和轴向三自由度悬浮力；悬浮绕组和磁轴承绕组，转矩绕组均采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成。

以右侧电机的定子槽为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：右侧的定子槽内层的转矩绕组排列方式与普通异步电机相同；悬浮绕组分为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2所示的方向串联即可；y方向悬浮控制绕组包括绕组L _Y1~L _Y12，按照图2所示方向串联即可。

右侧的转子槽中浇注笼型导条，以转子槽和笼型导条数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

、

、

、

短接为一相；导条

、

、

、

短接为一相；导条

、

、

、

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，定子右侧的位移传感器用于检测右侧转子的偏移量，通过右侧的位移闭环控制，能够实现转子右侧径向和轴向三自由度稳定悬浮。

左侧磁轴承定子铁心可做成三极、四极、八极等结构，在定子左侧的x和y方向上安装位移传感器，位移传感器与转子表面垂直，用于检测转子左侧的偏移量，通过左侧的位移闭环控制，能够实现转子左侧径向两自由度稳定悬浮。

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 (4)

1.一种定子永磁偏置五自由度无轴承异步电机，包括位于电机壳体内的定子（1）和位于定子（1）内圈里的转子（2），其特征是：所述定子（1）包括连为一体的左磁轴承定子铁心（3）、右锥形定子铁心（4）、轴向磁化的环形永磁体（5），所述环形永磁体（5）连接在左磁轴承定子铁心（3）和右锥形定子铁心（4）之间，所述左磁轴承定子铁心（3）内周均布有定子齿，定子齿上绕制有磁轴承绕组（6），所述右锥形定子铁心（4）上开设有定子槽，所述定子槽内设有悬浮绕组（7）和转矩绕组（8），所述转子（2）包括转轴（9）和箍设在转轴（9）外周的转子铁心（10），所述转子铁心（10）的左端设有柱形凸台（11），所述柱形凸台（11）与左磁轴承定子铁心（3）的定子齿径向对齐且两者之间留有径向气隙，所述转子铁心（10）的右端设有与右锥形定子铁心（4）的锥面对应的锥体（12），所述锥体（12）与右锥形定子铁心（4）之间留有气隙，所述锥体（12）的表面开有转子槽，所述转子槽中浇注有笼型导条（13）；所述笼型导条（13）的数目为偶数，笼型导条（13）采用分相结构，笼型导条（13）的极对数与转矩绕组（8）的极对数相同；所述左磁轴承定子铁心（3）、右锥形定子铁心（4）的x和y方向上安装有垂直于转子表面的径向位移传感器（14）。

2.根据权利要求1所述的一种定子永磁偏置五自由度无轴承异步电机，其特征是：所述悬浮绕组（7）位于转矩绕组（8）的外侧，所述悬浮绕组（7）的极对数和转矩绕组（8）的极对数不等，所述悬浮绕组（7）由直流电源供电。

3.根据权利要求2所述的一种定子永磁偏置五自由度无轴承异步电机，其特征是：所述环形永磁体（5）由稀土永磁材料制成。

4.根据权利要求3所述的一种定子永磁偏置五自由度无轴承异步电机，其特征在于：所述左磁轴承定子铁心（3）、右锥形定子铁心（4）、转子铁心（10）、转轴（9）均由导磁材料制成。

Images