CN108712047A - 一种三自由度无轴承开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度无轴承开关磁阻电机，包括转子和定子，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，以及对称设置于定子铁心两侧的轴向控制铁心、轴向悬浮绕组，所述轴向控制铁心的外沿对接并贴合定子永磁环外壁，内沿向转子铁心延伸并设置有轴向工作气隙，所述轴向悬浮绕组贴合轴向控制铁心的外沿内壁，并与定子铁心间隔设置；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，所述悬浮齿和转矩齿上分别绕制有径向悬浮绕组、转矩绕组。

Description

一种三自由度无轴承开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及无轴承和磁悬浮电机制造技术领域，具体涉及一种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五自由度无轴承开关磁阻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：

一种三自由度无轴承开关磁阻电机，包括转子和定子，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，以及对称设置于定子铁心两侧的轴向控制铁心、轴向悬浮绕组，所述轴向控制铁心的外沿对接并贴合定子永磁环外壁，内沿向转子铁心延伸并设置有轴向工作气隙，所述轴向悬浮绕组贴合轴向控制铁心的外沿内壁，并与定子铁心间隔设置；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，所述悬浮齿的齿宽大于转矩齿的齿宽，且悬浮齿齿宽大于电机一个极距。

本发明的再进一步方案是，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为本发明的轴向控制铁心左侧结构与磁通示意图。

图4为本发明的轴向控制铁心右侧结构与磁通示意图。

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6和转子铁心5组成，所述转子铁心5的外圆周均匀布置有数个转子齿15。

所述定子包括沿转子铁心5径向向外依次相连的定子铁心3、定子永磁环4，以及对称设置于定子铁心3两侧的轴向控制铁心1、轴向悬浮绕组2，轴向控制铁心1可以为圆盘形、三极、四极等磁极式结构，本实施例的轴向控制铁心1为圆盘形，所述轴向控制铁心1的外沿对接并贴合定子永磁环4外壁，内沿向转子铁心5延伸并设置有左轴向工作气隙、右轴向工作气隙；所述轴向悬浮绕组2贴合轴向控制铁心1的外沿内壁，并与定子铁心3间隔设置，所述定子永磁环4为稀土永磁材料或铁氧永磁材料制成的径向充磁的永磁体。

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11，相邻悬浮齿11之间的定子铁心3的内圆周连接有隔磁体16，所述隔磁体16上均匀布置有数个转矩齿13，所述悬浮齿11的齿宽大于转矩齿13的齿宽，且悬浮齿11齿宽大于电机一个极距，所述悬浮齿11、转矩齿13与转子铁心5之间设置有径向工作气隙，所述悬浮齿11和转矩齿13上分别绕制有径向悬浮绕组12、转矩绕组14。

转子铁心5、轴向控制铁心1、定子铁心3均由轴向和径向导磁性能良好的材料制成，所述径向悬浮绕组12、转矩绕组14为集中绕组；所述轴向控制铁心1、轴向悬浮绕组2、定子铁心3、径向悬浮绕组12、转矩绕组14沿轴向叠压。

所述转矩齿13、转子齿15数量可调。

悬浮原理是：定子永磁环4产生分别向左、右两侧的左侧偏置磁通7、右侧偏置磁通8，左侧偏置磁通7从定子永磁环4的N极，依次经过左侧的轴向控制铁心1、左轴向工作气隙、转子铁心5、径向工作气隙、定子铁心3返回S极，右侧偏置磁通8从定子永磁环4的N极，依次经过右侧的轴向控制铁心1、右轴向工作气隙、转子铁心5、径向工作气隙、定子铁心3返回S极，形成两条对称的闭合路径。轴向悬浮绕组2通电产生轴向悬浮磁通9，轴向悬浮磁通9依次经过轴向控制铁心1、左轴向工作气隙、转子铁心5、右轴向工作气隙形成闭合路径；径向悬浮绕组5通电，产生径向悬浮磁通10，径向悬浮磁通10经过上方的定子铁心3、上方的悬浮齿11、上方的径向工作气隙、转子铁心5、下方的径向工作气隙、下方的悬浮齿11、下方的定子铁心3，与定子铁心扼部形成闭合路径。径向和轴向悬浮磁通调节相应的偏置磁通，使径向和轴向一侧气隙磁场增强，而相反方向气隙磁场减弱，从而产生指向气隙磁场增强方向的悬浮力，在定子上安装轴向和径向位移传感器，或者通过无位移传感器算法，检测和辨识转子径向和轴向位移信号，建立轴向和径向位移闭环控制，实现转子三自由度稳定悬浮。

旋转原理是：将转矩齿13上的转矩绕组14分为多相结构，以两相为例，如图5和图6所示，分别对A相和B相先后通电，转矩绕组磁场在转矩齿13和转子齿15之间形成闭合路径，产生磁阻力，产生转矩，实现转子旋转。

Claims (3)

1.一种三自由度无轴承开关磁阻电机，包括转子和定子，所述转子由转轴（6）和转子铁心（5）组成，其特征在于：所述转子铁心（5）的外圆周均匀布置有数个转子齿（15）；所述定子包括沿转子铁心（5）径向向外依次相连的定子铁心（3）、定子永磁环（4），以及对称设置于定子铁心（3）两侧的轴向控制铁心（1）、轴向悬浮绕组（2），所述轴向控制铁心（1）的外沿对接并贴合定子永磁环（4）外壁，内沿向转子铁心（5）延伸并设置有轴向工作气隙，所述轴向悬浮绕组（2）贴合轴向控制铁心（1）的外沿内壁，并与定子铁心（3）间隔设置；所述定子铁心（3）的内圆周均匀设置有四个悬浮齿（11），相邻悬浮齿（11）之间的定子铁心（3）的内圆周连接有隔磁体（16），所述隔磁体（16）上均匀布置有数个转矩齿（13），所述悬浮齿（11）、转矩齿（13）与转子铁心（5）之间设置有径向工作气隙，所述悬浮齿（11）和转矩齿（13）上分别绕制有径向悬浮绕组（12）、转矩绕组（14）。

2.如权利要求1所述的一种三自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述悬浮齿（11）的齿宽大于转矩齿（13）的齿宽，且悬浮齿（11）齿宽大于电机一个极距。

3.如权利要求1所述的一种三自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述定子永磁环由稀土永磁材料或铁氧永磁材料制成。