CN108712044A - 一种定子永磁偏置片状内转子无轴承异步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种定子永磁偏置片状内转子无轴承异步电机，包括定子、位于定子内圈里的转子。所述定子包括定子铁心、轴向磁化的环形永磁体和铁心桥，所述定子铁心上开设定子槽，所述定子槽内设置有悬浮绕组和转矩绕组，所述铁心桥的中部为向内凸出的“T”形圆柱凸台。所述转子为空心的薄圆环柱，转子与定子铁心之间存在外侧气隙，与“T”形凸台之间存在内侧气隙，转子外侧气隙表面开有转子槽，槽内浇注导条或绕制绕组，而与悬浮绕组极对数不同。本发明为一种结构紧凑，悬浮力与转矩无耦合，控制简单，轴向被动控制，径向主动控制的定子永磁偏置片状内转子无轴承异步电机。

Description

一种定子永磁偏置片状内转子无轴承异步电机
技术领域
本发明涉及电机制造技术领域，具体涉及结构紧凑、控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立，径向主动控制，而轴向被动控制的一种定子永磁偏置片状内转子无轴承异步电机。
背景技术
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。对于无轴承异步电机，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。此外，单个无轴承电机一般只能约束转子沿径向方向的两个自由度，要实现转子稳定悬浮，需要两个无轴承电机和一个轴向磁悬浮轴承，或者需要一个无轴承电机和一个径向再加一个轴向磁悬浮轴承。这样，普通无轴承电机不仅在控制策略上受到诸多制约，而且结构非常复杂。当无轴承电机转子的轴向长度与其直径相比很小时，转子在轴向是被动稳定的，稳定悬浮只需控制转子的两个径向自由度，这种特殊的无轴承电机被称为片状无轴承电机，已成为当今无轴承电机研究领域的热点之一，并且已经研究出多种结构的片状无轴承永磁电机，转子永磁体的存在，导致磁路磁阻大，功耗大，且转子机械强度低，难以实现更高转速和更大功率运行。的新型片状无轴承异步电机，对实现无轴承电机的工业应用具有重大意义。
发明内容
本发明克服现有缺陷提供一种不受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，且轴向由偏置磁通被动控制，径向主动控制，控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立，能够产生更大径向悬浮力的一种定子永磁偏置片状内转子无轴承异步电机。
本发明通过以下技术方案实现：
一种定子永磁偏置片状内转子无轴承异步电机，其特征是：包括定子、位于定子内圈里的转子铁心，所述定子包括定子铁心、轴向磁化的环形永磁体和铁心桥，所述铁心桥的主体为一块圆板，圆板的边缘设有一圈向上凸起的环形凸台，所述环形永磁体叠压贴合在环形凸台上，所述定子铁心的下端面与环形永磁体的上侧面叠压贴合，所述定子铁心上开设定子槽，所述定子槽内设置有悬浮绕组和转矩绕组；所述铁心桥的中部为向内凸出的“T”形圆柱凸台。所述转子铁心为空心的薄圆环柱，转子铁心的径向长度大于其轴向厚度，转子铁心与定子铁心之间存在外侧气隙，转子铁心与“T”形凸台之间存在内侧气隙，转子铁心外表面表面开有转子槽，转子槽内浇注导条或绕制绕组。
本发明进一步的改进方案是，所述转子槽的数目为偶数，转子导条或绕组的极对数与转矩绕组的极对数相同。转子绕组切割转矩绕组磁场，产生的转子旋转磁场与转矩绕组磁场极对数相同；而悬浮绕组磁场与永磁体磁场在转子绕组中不感应出转子旋转磁场。
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为上侧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上产生径向悬浮力，控制转子径向两自由度稳定悬浮。
本发明进一步的改进方案是，所述环形定子永磁体为稀土永磁材料制成，为电机提供静态偏置磁通，转子径向长度远大于其轴向厚度，当转子轴向偏离定子中心轴线时，偏置磁通将产生磁阻力，将其拉回轴向平衡位置，实现轴向的被动悬浮控制。
本发明进一步的改进方案是，所述定子铁心、铁心桥、转子铁心均由导磁材料制成。
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电机提供静态偏置磁通，悬浮绕组由直流电源供电，为上侧电机提供悬浮控制磁通，悬浮控制磁通调节静态偏置磁通，在转子上产生径向悬浮力，控制转子径向两自由度稳定悬浮；轴向由偏置磁通实现被动控制悬浮。与常规无轴承异步电机相比，悬浮控制、转矩控制相互独立，悬浮力和转矩无耦合，能够产生更为有效悬浮力。转子槽数目为偶数，转子绕组极对数与转矩绕组极对数相同，转子绕组切割转矩绕组磁场，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转子绕组中无感应旋转磁场产生。因此，不但可产生较大的径向悬浮力，而且控制简单和易于实现的优点。与永磁型片状无轴承电机相比，转子表面无永磁体，悬浮控制磁路磁阻小，悬浮控制功耗低；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。
附图说明
图1为本发明的正视结构与磁路示意图。
图2为本发明电机绕组排列与径向磁路示意图。
图3为本发明电机转子绕组连接示意图。
图4为本发明电机转子一相导条连接示意图。
图5为本发明电机转子一相导条连接示意图。
图6为本发明电机转子一相导条连接示意图。
具体实施方式
如图1至6所示，以定子槽为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：
一种定子永磁偏置片状内转子无轴承异步电机，包括定子1、位于定子1内圈里的转子铁心2，所述定子1包括定子铁心3、轴向磁化的环形永磁体4和铁心桥5，所述铁心桥5的主体为一块圆板，圆板的边缘设有一圈向上凸起的环形凸台6，所述环形永磁体4叠压贴合在环形凸台6上，所述定子铁心3的下端面与环形永磁体4的上侧面叠压贴合，所述定子铁心3上开设定子槽，所述定子槽内设置有悬浮绕组7和转矩绕组8；所述铁心桥5的中部为向内凸出的“T”形圆柱凸台10。所述转子2为空心的薄圆环柱，转子铁心2的径向长度大于其轴向厚度，转子铁心2与定子铁心之3间存在外侧气隙，与“T”形凸台10之间存在内侧气隙，转子外侧气隙表面开有转子槽，槽内浇注导条或绕制绕组9。
转子槽的数目为偶数，转子绕组9的极对数与转矩绕组8的极对数相同。转子绕组切割转矩绕组磁场，产生的转子旋转磁场与转矩绕组磁场极对数相同；而悬浮绕组磁场与永磁体磁场在转子绕组中不感应出转子旋转磁场。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，为上侧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上产生径向悬浮力，控制转子径向两自由度稳定悬浮。
环形定子永磁体4为稀土永磁材料制成，为电机提供静态偏置磁通，转子外径远大于其轴向长度，当转子轴向偏离定子中心轴线时，偏置磁通将产生磁阻力，将其拉回轴向平衡位置，实现轴向的被动悬浮控制。
定子铁心3、铁心桥5、转子铁心2均由导磁材料制成。
环形永磁体为电机提供静态偏置磁通11，静态偏置磁通11的磁路为：磁通从环形永磁体的N极出发，通过定子、外侧气隙、转子铁心、内侧气隙、铁心桥回到环形永磁体的S极；悬浮绕组为直流电源供电，为电机提供悬浮控制磁通12，其磁路为：定子铁心一侧、外侧气隙、转子铁心、外侧气隙、定子铁心一侧，再经过电机的定子轭构成闭合回路；静态偏置磁通11、悬浮控制磁通12相互作用，在转子铁心上产生径向两自由度悬浮力；轴向是由静态偏置磁通11的磁阻力实现其轴向悬浮。悬浮绕组，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。
定子槽内层为转矩绕组，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方向串联即可；
由于转矩绕组8为3相4极，转子绕组9相数和极数必须与转矩绕组8相同，因此转子绕组也分为3相4极，即槽、、、中的绕组或导条短接为一相；槽、、、中的绕组或导条短接为一相；槽、、、中的绕组或导条短接为一相；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绕组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)

1.一种定子永磁偏置片状内转子无轴承异步电机，其特征是：包括定子（1）、位于定子（1）内圈里的转子铁心（2），所述定子（1）包括定子铁心（3）、轴向磁化的环形永磁体（4）和铁心桥（5），所述铁心桥（5）的主体为一块圆板，圆板的边缘设有一圈向上凸起的环形凸台（6），所述环形永磁体（4）叠压贴合在环形凸台（6）上，所述定子铁心（3）的下端面与环形永磁体（4）的上侧面叠压贴合，所述定子铁心（3）上开设定子槽，所述定子槽内设置有悬浮绕组（7）和转矩绕组（8）；所述铁心桥（5）的中部为向内凸出的“T”形圆柱凸台（10）；所述转子铁心（2）为空心的薄圆环柱，转子铁心（2）的径向长度大于其轴向厚度，转子铁心（2）与定子铁心之（3）间存在外侧气隙，转子铁心（2）与“T”形凸台（10）之间存在内侧气隙，转子铁心（2）外表面表面开有转子槽，转子槽内浇注导条或绕制绕组（9）；所述转子槽的数目为偶数，转子绕组（9）的极对数与转矩绕组（8）的极对数相同，所述环形定子永磁体（4）为稀土永磁材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种定子永磁偏置片状内转子无轴承异步电机，其特征在于：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1所述的一种定子永磁偏置片状内转子无轴承异步电机，其特征在于：所述定子铁心（3）、铁心桥（5）、转子铁心（2）均由导磁材料制成。
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Application publication date: 20181026

Assignee: Shanghai Yanqiao Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2021980014312

Denomination of invention: A stator permanent magnet offset sheet inner rotor bearingless asynchronous motor

Granted publication date: 20200605

License type: Common License

Record date: 20211213