CN108808916A - 一种新型的三自由度永磁型无轴承电机 - Google Patents

一种新型的三自由度永磁型无轴承电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型的三自由度永磁型无轴承电机，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、外隔磁环、轴向悬浮绕组，以及对称设置于定子铁心两侧的轴向控制铁心和两个定子永磁环，所述轴向控制铁心的外沿对接，内沿向转子铁心延伸并设置有轴向工作气隙，所述两个定子永磁环的同极相对，外壁连接外隔磁环，内壁分别连接有内隔磁环；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。转矩和悬浮力无耦合，控制简单，易于实现。

Description

一种新型的三自由度永磁型无轴承电机
技术领域
本发明涉及无轴承和磁悬浮电机制造技术领域，具体涉及一种新型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。
此外，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新型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：
一种新型的三自由度永磁型无轴承电机，包括转子和定子，所述转子由转轴和转子铁心组成，所述转子铁心表面安装有转子永磁体；所述定子包括沿转子铁心径向向外依次相连的定子铁心、外隔磁环、轴向悬浮绕组，以及对称设置于定子铁心两侧的轴向控制铁心和两个定子永磁环，所述轴向控制铁心的外沿对接，内沿向转子铁心延伸并设置有轴向工作气隙，所述两个定子永磁环的同极相对，外壁连接外隔磁环，内壁分别连接有内隔磁环；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。
本发明的进一步方案是，所述定子铁心上设置有定子槽，所述电机转矩绕组、径向悬浮绕组分别嵌入定子槽中。
本发明的进一步方案是，所述转子永磁体、定子永磁环由稀土永磁材料或铁氧永磁材料制成。
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、实现了两自由度永磁型无轴承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永磁型无轴承电机，是由两个轴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；
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所示的一种新型的三自由度永磁型无轴承电机，包括转子和定子，所述转子由转轴8和转子铁心6组成，所述转子铁心6表面嵌有转子永磁体7。
所述定子包括沿转子铁心6径向向外依次相连的定子铁心3、外隔磁环9、圆环形的轴向悬浮绕组2，以及对称设置于定子铁心3左、右两侧的轴向控制铁心1和左定子永磁环10、右定子永磁环11，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，左、右两侧的内沿分别向转子铁心6延伸并设置有左轴向工作气隙、右轴向工作气隙，所述转子永磁体7、左定子永磁环10、右定子永磁环11为稀土永磁材料或铁氧永磁材料制成的轴向充磁的永磁体，S极均贴合定子铁心3，N极贴合轴向控制铁心1，外壁贴合外隔磁环9，内壁分别贴合连接有左内隔磁环16、右内隔磁环17，所述外隔磁环9、左内隔磁环16、右内隔磁环17由整块铝材制成。
所述定子铁心3与转子铁心6之间设置有径向工作气隙，所述定子铁心3上设置有定子槽，所述定子槽中嵌入有分别位于内层、外层的电机转矩绕组4、径向悬浮绕组5，径向悬浮绕组5为集中绕组，如图2所示，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。
转子铁心6、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。所述轴向控制铁心1、轴向悬浮绕组2、定子铁心3、电机转矩绕组4、径向悬浮绕组5沿轴向叠压。
悬浮原理是：左定子永磁环10和右定子永磁环11分别产生左侧偏置磁通12、右侧偏置磁通13，左侧偏置磁通12从左定子永磁环10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6、径向工作气隙、定子铁心3返回S极，右侧偏置磁通13从右定子永磁环11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6、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14，轴向悬浮磁通14依次经过轴向控制铁心1、左轴向工作气隙、转子铁心6、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15，径向悬浮磁通15经过上方的定子铁心3、上方的径向工作气隙、上方的转子铁心6、下方的转子铁心6、下方的径向工作气隙、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：电机转矩绕组4通电产生转矩绕组磁场，如图2所示，转矩绕组磁场极对数P M和悬浮绕组磁场极对数P B之间满足P M‒P B≥3的关系，且转子永磁体7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。

Claims (4)

1.一种新型的三自由度永磁型无轴承电机，包括转子和定子，所述转子由转轴（8）和转子铁心（6）组成，其特征在于：所述转子铁心（6）表面安装有转子永磁体（7）；所述定子包括沿转子铁心（6）径向向外依次相连的定子铁心（3）、外隔磁环（9）、轴向悬浮绕组（2），以及对称设置于定子铁心（3）两侧的轴向控制铁心（1）和两个定子永磁环，所述轴向控制铁心（1）的外沿对接，内沿向转子铁心（6）延伸并设置有轴向工作气隙，所述两个定子永磁环的同极相对，外壁连接外隔磁环（9），内壁分别连接有内隔磁环（17）；所述定子铁心（3）与转子铁心（6）之间设置有径向工作气隙，所述定子铁心（3）上绕制有分别位于内层和外层的电机转矩绕组（4）、径向悬浮绕组（5）。
2.如权利要求1所述的一种新型的三自由度永磁型无轴承电机，其特征在于：所述定子铁心（3）上设置有定子槽，所述电机转矩绕组（4）、径向悬浮绕组（5）分别嵌入定子槽中。
3.如权利要求1所述的一种新型的三自由度永磁型无轴承电机，其特征在于：所述转子永磁体（7）、定子永磁环由稀土永磁材料或铁氧永磁材料制成。
4.如权利要求1所述的一种新型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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