CN108847726B - 一种盘式三自由度无轴承异步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种盘式三自由度无轴承异步电机，包括定子和双盘式转子，所述定子包括从外向内同轴依次相连的轴向定子铁心、永磁环、径向定子铁心；所述轴向定子铁心两侧设有轴向定子铁心槽，所述轴向定子铁心槽中沿轴向向外依次设置有轴向悬浮绕组和转矩绕组；所述径向定子铁心的内圆周设置有磁极，所述磁极上绕制有径向悬浮绕组；所述双盘式转子由转子铁心，以及分别同轴连接于转子铁心两端的盘式转子组成，所述转子铁心同轴连接有延伸出盘式转子外端的转轴，所述盘式转子的内端设置有偶数个转子槽，所述转子槽中设置有转子导条或转子绕组，所述转子铁心贯穿定子，其中部设置有正对径向定子铁心的径向吸力盘。

Description

一种盘式三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，具体涉及一种盘式三自由度无轴承异步电机。
背景技术
无轴承异步电机具有无摩擦、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。
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。有学者提出了转子导条分相结构的无轴承异步电机结构，但是该电机的悬浮绕组和转矩绕组之间极对数仍然需要满足P B=P M±1的关系，转矩绕组磁场既要与转子磁场产生转矩，又要与悬浮绕组磁场产生悬浮力，存在复杂的耦合关系，两者之间的解耦控制非常复杂，计算量大，限制其工业应用的推广。
要实现转子五自由度稳定悬浮，需要由一个轴向磁轴承+一个径向两自由度磁轴承+一个两自由度无轴承异步电机、或一个轴向磁轴承+两个两自由度无轴承异步电机、或一个两自由度无轴承异步电机+一个三自由度磁轴承组成五自由度悬浮驱动系统，在这三种结构中都不可避免的需要一个轴向悬浮控制单元，造成五自由度无轴承异步电机系统轴向长度长，临界转速高，难以实现更大功率更高速度旋转，且体积大，造价高。
因此，研究一种具备轴向与径向悬浮功能于一体的无轴承异步电机对减小无轴承异步电机体积与造价，对促进无轴承异步电机工业应用进程发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构新颖，能够实现转子三自由度稳定悬浮，且在轴向产生旋转转矩的盘式无轴承异步电机，为特种电气传动提供新的解决方案。
本发明通过以下技术方案实现：
一种盘式三自由度无轴承异步电机，包括定子和双盘式转子，所述定子包括从外向内同轴依次相连的轴向定子铁心、永磁环、径向定子铁心；所述轴向定子铁心两侧设有轴向定子铁心槽，所述轴向定子铁心槽中沿轴向向外依次设置有轴向悬浮绕组和转矩绕组；所述径向定子铁心的内圆周设置有磁极，所述磁极上绕制有径向悬浮绕组；所述双盘式转子由转子铁心，以及分别同轴连接于转子铁心两端的盘式转子组成，所述转子铁心同轴连接有延伸出盘式转子外端的转轴，所述盘式转子的内端设置有偶数个转子槽，所述转子槽中设置有转子导条或转子绕组，所述转子铁心贯穿定子，其中部设置有正对径向定子铁心的径向吸力盘。
本发明的进一步方案是，所述转矩绕组的极对数与轴向悬浮绕组的不同，与转子导条或转子绕组的相同。
本发明的进一步方案是，所述永磁环采用稀土永磁体或铁氧体永磁体制成。
本发明与现有技术相比的优点在于：
由一个位于轴向定子铁心与径向定子铁心之间的、沿径向磁化的永磁环提供偏置磁通；轴向悬浮绕组和径向悬浮绕组均由直流电源供电，轴向定子铁心两侧的轴向悬浮绕组通电方向相同，轴向悬浮绕组通电后产生轴向悬浮控制磁通，径向悬浮绕组通电后产生径向悬浮控制磁通，轴向悬浮控制磁通、径向悬浮控制磁通分别与静态偏置磁通相互作用产生稳定的悬浮力；控制简单，易于实现，可产生稳定悬浮力。
附图说明
图1为本发明的轴向结构及磁通示意图；
图2为图1的A处的左视图。
图3为图1的B处的右视图。
具体实施方式
如图1~3所示的一种盘式三自由度无轴承异步电机，以轴向定子槽数、径向定子齿数、转子导条或转子绕组数分别为12/4/12为例；包括定子和双盘式转子，所述定子包括从外向内同轴依次相连的轴向定子铁心1、永磁环3、径向定子铁心2；所述轴向定子铁心1两侧设有轴向定子铁心槽，所述轴向定子铁心槽中沿轴向向外依次设置有轴向悬浮绕组5和转矩绕组4；所述径向定子铁心2的内圆周设置有磁极，所述磁极上绕制有径向悬浮绕组6，所述轴向悬浮绕组5、径向悬浮绕组6均为集中式绕组，采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成；所述双盘式转子由转子铁心10，以及分别同轴连接于转子铁心10左、右两端的左盘式转子7、右盘式转子8组成，所述转子铁心10同轴连接有延伸出左盘式转子7、右盘式转子8外端的转轴9，所述左盘式转子7、右盘式转子8的内端分别设置有偶数个转子槽，所述转子槽中设置有采用分相结构的转子导条或转子绕组12，所述转子铁心（10）贯穿定子，其中部设置有正对径向定子铁心2的径向吸力盘11。
所述转矩绕组4的极对数与轴向悬浮绕组5的不同，与转子导条或转子绕组12的相同；所述永磁环3采用稀土永磁体或铁氧体永磁体制成；轴向定子铁心1、径向定子铁心2、左侧盘式转子7、右侧盘式转子8、转子铁心10和径向吸力圆盘11均由导磁性能良好的材料制成。
悬浮原理是：
永磁环3产生左静态偏置磁通13、右静态偏置磁通14，其中左静态偏置磁通13从永磁环3的N极出发，经轴向定子铁心1、轴向定子铁心1与左盘式转子7之间的气隙、左盘式转子7、转子铁心10、径向吸力圆盘11、径向吸力圆盘11与径向定子铁心2之间气隙、径向定子铁心2返回永磁环3的S极形成闭合路径；右静态偏置磁通14从永磁环3的N极出发，经轴向定子铁心1、轴向定子铁心1与右盘式转子8之间的气隙、右盘式转子8、转子铁心10、径向吸力圆盘11、径向吸力圆盘11与径向定子铁心2之间气隙、径向定子铁心2返回永磁环3的S极形成闭合路径。
轴向悬浮绕组5和径向悬浮绕组6均由直流电源供电，径向悬浮绕组6通电后产生的径向悬浮控制磁通16经过径向定子铁心2、径向吸力圆盘11、转子铁心10、径向吸力圆盘11与径向定子铁心2间气隙形成闭合回路；轴向定子铁心1两侧的轴向悬浮绕组5通电方向相同，轴向悬浮绕组5通电后产生轴向悬浮控制磁通15，经过轴向定子铁心1与左盘式转子7间气隙、左盘式转子7、转子铁心10、右盘式转子8、右盘式转子8与轴向定子铁心1间气隙形成闭合回路。
轴向悬浮控制磁通15、径向悬浮控制磁通16分别与左静态偏置磁通13、右静态偏置磁通14相互作用产生稳定的轴向和径向悬浮力。
根据现有技术，在轴向定子和径向定子上分别安装位移传感器，建立位移闭环系统，当转子偏移轴向和径向平衡位置时，通过位移负反馈，调节轴向悬浮绕组和径向悬浮绕组电流值，产生使转子回到平衡位置的悬浮力，实现转子轴向和径向稳定悬浮。
径向定子铁心2的内壁均匀设置有四根磁极，径向悬浮绕组6分为x方向悬浮控制绕组和y方向悬浮控制绕组，+x方向和—x方向上的绕组相串联为x方向悬浮控制绕组；+y方向和—y方向上的绕组相串联为y方向悬浮控制绕组。
旋转原理是：
转子导条或转子绕组12的外层绝缘，通过端接部分将其分相，转子导条或转子绕组12的极对数与转矩绕组4的极对数相同，如图2所示，即笼型转子导条或转子绕组12分相为：12a、12d、12g、12j短接为一相；12c、12f、12i、12l短接为一相；12b、12e、12h、12k短接为一相；各相自成闭合回路。轴向悬浮绕组5、转矩绕组4及转子导条或转子绕组12沿轴向方向排列。按照此种方式设置，在该电机运行时，转子导条或转子绕组12仅切割转矩绕组4磁场产生转子旋转磁场，切割轴向悬浮绕组5磁场和永磁环3产生的偏置磁场不产生转子感应磁场。

Claims (3)

1.一种盘式三自由度无轴承异步电机，包括定子和双盘式转子，其特征在于：所述定子包括从外向内同轴依次相连的轴向定子铁心（1）、永磁环（3）、径向定子铁心（2）；所述轴向定子铁心（1）两侧设有轴向定子铁心槽，所述轴向定子铁心槽中沿轴向向外依次设置有轴向悬浮绕组（5）和转矩绕组（4）；所述径向定子铁心（2）的内圆周设置有磁极，所述磁极上绕制有径向悬浮绕组（6）；所述双盘式转子由转子铁心（10），以及分别同轴连接于转子铁心（10）两端的盘式转子组成，所述转子铁心（10）同轴连接有延伸出盘式转子外端的转轴（9），所述盘式转子的内端设置有偶数个转子槽，所述转子槽中设置有转子导条或转子绕组（12），所述转子铁心（10）贯穿定子，其中部设置有正对径向定子铁心（2）的径向吸力盘（11）。
2.如权利要求1所述的一种盘式三自由度无轴承异步电机，其特征在于：所述转矩绕组（4）的极对数与轴向悬浮绕组（5）的不同，与转子导条或转子绕组（12）的相同。
3.如权利要求1所述的一种盘式三自由度无轴承异步电机，其特征在于：所述永磁环（3）采用稀土永磁体或铁氧体永磁体制成。
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Application publication date: 20181120

Assignee: Huai'an runke Tianxia Technology Co.,Ltd.

Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2021980013325

Denomination of invention: Disk type three degree of freedom bearingless asynchronous motor

Granted publication date: 20200605

License type: Common License

Record date: 20211129