CN108809021A - 一种双薄片式五自由度无轴承开关磁阻电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双薄片式五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，所述转子铁心的边部设置有转子齿，所述转子铁心并排间隔设置有两个，所述定子包括两个环形的定子铁心，每个定子铁心的内圈均匀布置有四个悬浮齿，相邻两个悬浮齿之间的定子铁心内圈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悬浮绕组、转矩绕组；两个定子铁心的外圈分别均匀连接有数个导磁桥，分别连接于两个定子铁心的导磁桥一一对应地通过永磁体相连；所述两个转子铁心分别同轴设置于两个定子铁心内腔，每个转子铁心的转子齿与对应的定子铁心的悬浮齿、转矩齿间隔设置形成径向工作气隙。

Description

一种双薄片式五自由度无轴承开关磁阻电机
技术领域
本发明涉及电机制造技术领域，具体涉及一种双薄片式五自由度无轴承开关磁阻电机。
背景技术
无轴承电机具有无摩擦、磨损、无需润滑和密封，易于实现更高转速和更大功率运行，在航空航天、涡轮分子泵、飞轮储能、密封泵、高速电主轴等领域具有广阔的应用前景。无轴承电机主要分为无轴承异步（感应）电机、无轴承永磁同步电机和无轴承开关磁阻电机三种。特别是其中的无轴承开关磁阻电机具有结构简单，机械强度高、控制灵活、容错性能和鲁棒性好等优势，在电动汽车、航空航天、家用电器等领域具有广阔的应用前景。
传统的无轴承开关磁阻电机是将磁轴承产生悬浮力的绕组集成到开关磁阻电机定子槽中,每个定子齿上均绕制两套绕组，即悬浮绕组和转矩绕组，且两者的极对数需满足PM=PB±1的关系时，通过协调控制转矩绕组和悬浮绕组电流，产生悬浮绕组磁场和转矩绕组磁场，两者相互叠加，使转子一侧气隙磁场增强，而相反方向的气隙磁场减弱来获得指向气隙磁场增强方向的径向悬浮力，转矩控制和悬浮控制之间存在强耦合。此外要实现转子五自由度稳定悬浮，必须采用轴向单自由度磁轴承、径向两自由度磁轴承、三自由度径向-轴向磁轴承和两自由度无轴承开关磁阻电机任意组合成五自由度无轴承开关磁阻电机驱动系统，体积庞大，轴向长度长，临界转速高，难以体现无轴承电机技术高转速和高功率密度的优势。
发明内容
本发明的目的是克服现有的无轴承开关磁阻电机的不足，提供一种结构紧凑，悬浮控制与转矩控制相互独立，径向主动控制，而轴向被动控制的一种双薄片式五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：
一种双薄片式五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，所述转子铁心的边部设置有转子齿，所述转子铁心并排间隔设置有两个，所述定子包括两个环形的定子铁心，每个定子铁心的内圈均匀布置有四个悬浮齿，相邻两个悬浮齿之间的定子铁心内圈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悬浮绕组、转矩绕组；两个定子铁心的外圈分别均匀连接有数个导磁桥，分别连接于两个定子铁心的导磁桥一一对应地通过永磁体相连；所述两个转子铁心分别同轴设置于两个定子铁心内腔，每个转子铁心的转子齿与对应的定子铁心的悬浮齿、转矩齿间隔设置形成径向工作气隙。
本发明的进一步方案是，所述悬浮齿的宽度大于转矩齿的宽度，且悬浮齿的宽度大于电机一个极距；所述悬浮齿与转子齿之间的径向工作气隙小于定子转矩齿与转子齿之间的径向工作气隙。
本发明的进一步方案是，所述悬浮绕组和转矩绕组均为集中式绕组，其中转矩绕组分为多相结构。
本发明与现有技术相比的优点在于：
一、将定子内圆周的定子齿分为转矩齿和悬浮齿，转矩齿上绕制转矩绕组，悬浮齿上绕制悬浮绕组，转矩绕组和悬浮绕组均为集中式绕组，且悬浮齿与转子齿之间的气隙小于转矩齿与转子齿之间的气隙；由四个轴向磁化的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，控制转子径向四自由度稳定悬浮；同时转子做成薄片状，轴向方向由永磁体产生的偏置磁通产生的磁阻力实现被动控制；
二、与每个定子齿上设置有两套绕组的无轴承开关磁阻电机相比，悬浮控制、转矩控制相互独立，控制简单，易于实现；
三、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；
四、可广泛应用于飞轮储能、各种高速机床主轴电机和密封泵类、离心机、压缩机、高速小型硬盘驱动装置等高速直接驱动领域。
附图说明
图1为本发明的结构爆炸图。
图2为本发明的正视图。
图3为本发明的立体图。
图4为本发明的侧视图。
图5为本发明的悬浮绕组排列与接线示意图。
图6为本发明的A相转矩绕组排列与接线示意图。
图7为本发明的B相转矩绕组排列与接线示意图。
图8为本发明的径向悬浮示意图。
图9为本发明的轴向悬浮示意图。
图10为本发明的倾斜方向悬浮示意图。
具体实施方式
如图1~5所示的一种双薄片式五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5，以及并排间隔连接于转轴5的左侧转子铁心4、右侧转子铁心6组成，所述左侧转子铁心4、右侧转子铁心6的边部均匀设置有12个转子齿13，左侧转子铁心4、右侧转子铁心6的径向长度大于轴向厚度成薄片型。
所述定子包括环形的左侧定子铁心2、右侧定子铁心9，每个定子铁心的内圈均匀布置有四个悬浮齿11，相邻两个悬浮齿11之间的定子铁心内圈均匀布置有两个转矩齿16，所述悬浮齿11的宽度大于转矩齿16的宽度，且悬浮齿11的宽度大于电机一个极距；所述悬浮齿11与转子齿13之间的径向工作气隙小于定子转矩齿16与转子齿13之间的径向工作气隙；所述左侧定子铁心2、右侧定子铁心9的悬浮齿11和转矩齿16上分别绕制悬浮绕组15、转矩绕组14组成左侧绕组1、右侧绕组10，所述悬浮绕组15和转矩绕组14均为集中式绕组，其中转矩绕组14分为多相结构；所述左侧定子铁心2、右侧定子铁心9上与悬浮齿11相对应的外圈分别均匀连接有四个第一导磁桥3、四个第二导磁桥8，第一导磁桥3和第二导磁桥8一一对应地通过四个轴向磁化的永磁体7相连；所述左侧转子铁心4、右侧转子铁心6分别同轴设置于左侧定子铁心2、右侧定子铁心9的内腔，每个转子铁心的转子齿13与对应的定子铁心的悬浮齿11、转矩齿16间隔设置形成径向工作气隙。
左侧定子铁心2、右侧定子铁心9、左侧绕组1、右侧绕组10、第一导磁桥3、第二导磁桥8、永磁体7沿轴向叠压。
所述转矩齿16、转子齿13数量可调。
悬浮原理是：如图8所示，轴向磁化的永磁体7为电机提供偏置磁通17，偏置磁通17从永磁体7的N极，依次经过第一导磁桥3、左侧定子铁心2、左侧的径向工作气隙、左侧转子铁心4、转轴5、右侧转子铁心6、右侧的径向工作气隙、右侧转子铁心6、第二导磁桥8回到永磁体7的S极。
悬浮绕组11为直流电源供电，为电机提供左侧悬浮控制磁通18、右侧悬浮控制磁通19，左侧悬浮控制磁通18经过左侧定子铁心2、左侧转子铁心4、左侧的径向工作气隙和左侧定子扼部形成闭合路径，右侧悬浮控制磁通19经过右侧定子铁心9、右侧转子铁心6、右侧的径向工作气隙和右侧定子扼部形成闭合路径，左侧悬浮控制磁通18、右侧悬浮控制磁通19分别调节偏置磁通17，产生x和y方向径向悬浮力。根据现有技术，在左、右两侧定子上安装位移传感器或通过无位移传感器算法，检测或辨识转子在x和y方向的径向偏移量，建立位移闭环控制系统，根据偏移量分别调节悬浮绕组中的电流，进而调节悬浮控制磁通，悬浮控制磁通调节偏置磁通，产生沿x和y方向的可控径向悬浮力。
如图9和图10所示，左侧定子铁心2、右侧定子铁心9、左侧转子铁心4、右侧转子铁心6均做成薄片状，当转子中心轴线与定子中心轴线不重合时，偏置磁场17将产生磁阻力，将转子拉回平衡位置，实现电机转子轴向和倾斜方向的被动控制。
旋转原理是：如图6和图7所示，将转矩齿16上的转矩绕组14分为两相结构，分别对A相和B相先后通电，转矩绕组磁场在转矩齿和转子齿之间形成闭合路径，产生磁阻力，产生转矩，实现转子旋转。永磁体7采用磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体制成，悬浮绕组15、转矩绕组14均采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成；左侧定子铁心2、右侧定子铁心9、左侧转子铁心4、右侧转子铁心6均由导磁性能良好的薄硅钢片沿轴向叠压而成；第一导磁桥3和第二导磁桥8是由导磁性能良好的整块材料制成。

Claims (3)

1.一种双薄片式五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（5）和转子铁心组成，所述转子铁心的边部设置有转子齿（13），其特征在于：所述转子铁心并排间隔设置有两个，所述定子包括两个环形的定子铁心，每个定子铁心的内圈均匀布置有四个悬浮齿（11），相邻两个悬浮齿（11）之间的定子铁心内圈均匀布置有数个转矩齿（16），所述悬浮齿（11）和转矩齿（16）上分别绕制有悬浮绕组（15）、转矩绕组（14）；两个定子铁心的外圈分别均匀连接有四个导磁桥，分别连接于两个定子铁心的导磁桥一一对应地通过永磁体（7）相连；所述两个转子铁心分别同轴设置于两个定子铁心内腔，每个转子铁心的转子齿（13）与对应的定子铁心的悬浮齿（11）、转矩齿（16）间隔设置形成径向工作气隙。
2.如权利要求1所述的一种双薄片式五自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述悬浮齿（11）的宽度大于转矩齿（16）的宽度，且悬浮齿（11）的宽度大于电机一个极距；所述悬浮齿（11）与转子齿（13）之间的径向工作气隙小于定子转矩齿（16）与转子齿（13）之间的径向工作气隙。
3.如权利要求1所述的一种双薄片式五自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述悬浮绕组（15）和转矩绕组（14）均为集中式绕组，其中转矩绕组（14）分为多相结构。
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Application publication date: 20181113

Assignee: Shanghai Yanqiao Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2021980014312

Denomination of invention: A double sheet type five degree of freedom Bearingless Switched Reluctance Motor

Granted publication date: 20201208

License type: Common License

Record date: 20211213

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