CN109347226B - 一种无轴承永磁薄片电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无轴承永磁薄片电机，径向截面呈十字形的十字形薄片转子的轴向顶面上同轴固定连接圆饼状的转子永磁体，6个相同的L型定子铁心柱沿圆周方向均匀分布在十字形薄片转子的外围，每个L型定子铁心柱由轴向的定子轭和径向的定子齿两部分组成，定子齿与十字形薄片转子1径向相对且之间留有径向气隙，6个L型定子铁心柱的定子轭的底部共同固定套接在一个圆盘状的铁心磁轭外；每个L型定子铁心柱的定子轭上都绕有一套是转矩绕组和悬浮力绕组；6个L型定子铁心柱的定子齿顶面上同轴固定设置一个环状的定子永磁体，定子永磁体与转子永磁体均轴向充磁且充磁方向相反，本发明能提高转子的可靠性和轴向刚度。

Description

一种无轴承永磁薄片电机

技术领域

本发明涉及一种无轴承永磁电机，适用于密封泵、工业制药和生命科学等众多领域。

背景技术

磁悬浮轴承是利用磁场将转子悬浮于空间，实现转子和定子之间没有任何机械接触的一种高性能轴承，由于其具有无摩擦、无磨损、无需润滑以及高速度、高精度等一系列优点，在机械加工、能源储存等领域得到广泛应用。无轴承薄片电机是将磁悬浮轴承与无轴承技术相结合的一种新型电机，利用定子槽中两套不同极对数绕组（转矩绕组和悬浮力绕组）共同作用产生磁场，通过控制叠加合成磁场的大小和方向可以控制悬浮力大小和方向，从而实现电机转子的稳定悬浮运行。另外，无轴承永磁薄片电机由于其特殊的机械结构，转子的轴向长度远小于转子外径，成薄片状，可以根据磁阻最小原理实现3个自由度（1个轴向自由度和2个扭转自由度）的被动悬浮。这种电机不仅具有无轴承电机的一系列优点，还具有体积小、功率因数高、损耗小等特点，在化工、制药、生物医学工程中应用广阔。

目前小功率无轴承电动机技术已经趋于成熟，这些驱动器设计通常有较大的气隙。例如在医疗应用中，较大的气隙会减少细胞损伤，能长期为心脏提供支持。然而，定转子之间采用较大的气隙会较大影响转子的被动刚度，从而影响电机泵的稳定运行。中国专利公开号为CN101030714A的文献中提出了一种双驱动轴承薄片电机，该薄片电机是在无轴承薄片电机的基础上在转子内腔中增加了一个内定子，形成内定子和外定子共同驱动转子的双驱动系统，增加一个内定子后，电磁力同时作用于转子的外圆柱面和内圆柱面上，提高了无轴承薄片电机的功率和功率密度，但因有内外定子，在定转子之间多出一个气隙，密封更加复杂，轴向刚度也较低。中国专利公开号为CN1278478C的文献中提出一种混合转子式无轴承电机，该电机定子采用极数相差为2的两套定子绕组，转子采用永磁体和铁心组成的复合结构，壳体内安装有两个相同的定子，两个定子内含有两个相同的转子，通过转子轴联接，负载与转子轴采用机械连接，绕组的电源导线由壳体壁上的孔引出，可同时兼得转矩和磁悬浮力指标，而且能够实现电机转速和磁悬浮力解耦的实时控制，但两个转子结构增加了电机的轴向长度，增大了电机体积。

发明内容

本发明的目的是为克服传统无轴承永磁薄片电机在泵应用中体积大、轴向刚度不够的缺陷，提出了一种结构紧凑、提高动态工作性能的新型无轴承永磁薄片电机。

本发明所述的无轴承永磁薄片电机是采用如下技术方案来实现其目的：径向截面呈十字形的十字形薄片转子的轴向顶面上同轴固定连接圆饼状的转子永磁体，6个相同的L型定子铁心柱沿圆周方向均匀分布在十字形薄片转子的外围，每个L型定子铁心柱均由轴向的定子轭和径向的定子齿两部分组成，定子齿与十字形薄片转子径向相对且之间留有径向气隙，6个L型定子铁心柱的定子轭的底部共同固定套接在一个圆盘状的铁心磁轭外；每个L型定子铁心柱的定子轭上都绕有一套转矩绕组和悬浮力绕组；6个L型定子铁心柱的定子齿顶面上同轴固定设置一个环状的定子永磁体，定子永磁体与转子永磁体均轴向充磁且充磁方向相反。

本发明的优点在于：

1. 本发明采用十字型铁心转子加圆饼转子永磁体结构代替环状永磁转子，提高了转子的可靠性和轴向刚度；在L型定子上加装环形永磁体，配合转子永磁体，提高了系统鲁棒性和动态性能的同时，更适用于大气隙密封运输场合，解决了电机在泵应用环境下转子的运行弊端。

2. 本发明采用6个铁心柱，将两套绕组分两层绕在6个铁心柱上，减少了电机轴向长度，使电机的机械结构更为紧凑、简单。两套绕组都采用集中式绕组，端部较短、损耗较低、效率高，提高了功率密度。两套绕组各自产生的磁场彼此独立，因而无需复杂的控制算法即可实现解耦，从而实现独立控制。

3. 本发明在轴向控制上，利用电机本身所具有的磁阻力实现的薄片转子轴向平移与前后、左右翻转运动三个自由度的被动悬浮控制，减少了数字控制系统硬件及控制系统软件复杂程度；在相同功率或支承力下，大大缩小了电机转子轴向长度，使得相同体积下系统功率更大，悬浮力更大。

附图说明

图1为本发明所述的一种无轴承薄片电机的轴向结构示意图；

图2为图1中的俯视图；

图3为图1所示电机的转矩和径向悬浮力产生原理示意图；

图4为图1所示电机的轴向自由度的被动悬浮原理示意图；

图5为图1所示电机的两个扭转自由度的被动悬浮原理示意图。

图中：1-十字形薄片转子，2-L型定子铁心柱，3-转子永磁体，4-定子永磁体，5-铁心磁轭，6-转矩绕组，7-悬浮力绕组，9-顶部硬塑支架，10-底部硬塑支架，11-钢制底盘，12-钢制机壳，13-径向气隙，14-十字槽沉头螺钉，15-合金铝圈，31-位移传感器，41-永磁磁通，42-定子绕组磁通。

具体实施方式

参见图1和图2，在轴向上，电机的轴向最底部为钢制底盘11，钢制底盘11顶面上方正中间固定连接有铁心磁轭5，二者处于同一轴心线上。铁心磁轭5的正上方同轴设有十字形薄片转子1和转子永磁体3，转子永磁体3为圆饼形状，同轴固定连接在十字形薄片转子1的顶面上。转子永磁体3的外径小于十字形薄片转子1的外径，两者构成一个整体。转子永磁体3轴向充磁，紧贴十字形薄片转子1的底端为N极，顶端为S极。

十字形薄片转子1的径向截面呈十字形，呈4极凸极结构。十字形薄片转子1的外圈紧密包裹有一个圆环形的合金铝圈15，起保护作用。

在十字形薄片转子1外同轴套有6个相同的L型定子铁心柱2，6个L型定子铁心柱2沿圆周方向均匀分布在十字形薄片转子1外围，每个L型定子铁心柱2的轴向截面呈L型，由轴向的定子轭和径向的定子齿两部分组成L型结构。6个L型定子铁心柱2的轴向定子轭的底部均固定连接钢制底盘11，与钢制底盘11相垂直，并且同轴心地紧密地套在铁心磁轭5外，即6个L型定子铁心柱2的定子轭的底部共同固定套接在一个圆盘状的铁心磁轭5外侧。6个L型定子铁心柱2顶部是径向的定子齿，定子齿均朝十字形薄片转子1方向沿径向凸出，与十字形薄片转子1在径向上相对，定子齿的顶面与十字形薄片转子1的顶面平齐，两者在同一径向平面上。6个L型定子铁心柱2的定子齿与十字形薄片转子1之间留有相同的径向气隙13。

在6个L型定子铁心柱2的定子齿顶面上同轴固定设置一个环状的定子永磁体4，定子永磁体4的内径与L型定子铁心柱2的定子齿的内径相等，定子永磁体4的外径小于L型定子铁心柱2的定子齿外径。定子永磁体4轴向充磁，与转子永磁体3的充磁方向相反，即紧贴L型定子铁心柱2的径向段的底端为S极，顶端为N极。

6个L型定子铁心柱2的定子齿的轴向厚度略大于十字形薄片转子1的轴向厚度。定子永磁体4的轴向厚度略大于转子永磁体3的轴向厚度，转子永磁体3的轴向厚度略小于十字形薄片转子1的轴向厚度。

每个L型定子铁心柱2的轴向定子轭上都绕有两套绕组，一套是转矩绕组6，另一套是悬浮力绕组7，悬浮力绕组7位于转矩绕组6的正上方，转矩绕组6用来形成电机运转所需的电磁转矩，悬浮力绕组7用来形成电机运转所需的径向悬浮力。在轴向上，悬浮力绕组7和转矩绕组6位于十字形薄片转子1和铁心磁轭5之间。

在6个L型定子铁心柱2的外侧有间隙地同轴套有一个钢制机壳12，钢制机壳12起保护和散热作用。钢制机壳12底端通过十字槽沉头螺钉14固定在钢制底盘11上。每个L型定子铁心柱2与钢制机壳12的顶部和底部之间分别固定嵌有顶部硬塑支架9和底部硬塑支架10。底部硬塑支架10固定连接在钢制底盘12上。顶部硬塑支架9与钢制机壳12、L型定子铁心柱2的顶端处于同一径向平面上。

顶部硬塑支架9中，沿圆周方向均匀固定嵌有6个位移传感器31，每两个L型定子铁心柱2的定子齿之间有一个位移传感器31。6个位移传感器31朝向十字形薄片转子1，用以检测转子径向位移。

本发明采用的是三相定子6极、转子4极的结构，十字形薄片转子1、转子永磁体3与定子永磁体4通过磁阻力被动悬浮在内腔中间。如图3所示的本发明电机的径向悬浮力产生的原理与永磁偏置的主动磁轴承悬浮力产生原理类似，即在定转子之间的气隙处定子绕组电流产生的磁通对永磁体产生的偏置磁通起了加强或减弱的作用，造成了两个对称气隙处磁通不平衡，从而形成了径向悬浮力。永磁磁通41从定子永磁体4经径向气隙13、转子永磁体3、再经由十字形薄片转子1、L型定子铁心柱2最终回到定子永磁体4。转矩绕组6和悬浮力绕组7共同作用产生的定子绕组磁通42沿L型定子铁心柱2、径向气隙13、十字形薄片转子1，最终回到L型定子铁心柱2。由于十字形薄片转子1的十字形凸极结构，定子绕组磁通42流经路径并不经过转子永磁体3，从转子永磁体3的一端凸极进入后，直接从相邻的凸极流出。根据图3中所标注的x，y，z方向，可看出沿x轴正方向，径向气隙13处的永磁磁通41和定子绕组磁通42方向相同，合成磁通增强；沿x轴负方向，径向气隙13处的永磁磁通41和定子绕组磁通42方向相反，合成磁通减弱，因此产生了方向为x轴正方向的悬浮力F，同理可得y方向上的悬浮力。

如图4和图5所示，本发明电机三自由度被动悬浮时，永磁磁通41从定子永磁体4出发，经径向气隙13、转子永磁体3、再经由十字形薄片转子1、L型定子铁心柱2，最终回到定子永磁体4。如图4所示的为一个轴向自由度的被动悬浮原理图，根据磁阻最小原理，当转子发生轴向位移时，磁阻力会通过将转子还原到原先位置来保持最小的气隙长度，从而使转子朝发生位移的反方向运动，最终回到平衡位置。图5所示的为两个扭转自由度的被动悬浮原理图，由于薄片电机转子轴向长度远小于径向直径，因此当转子发生前后、左右扭转时，转子上的磁阻力也会朝相反方向作用，使转子回到平衡位置。从而达成三自由度的被动悬浮。

Claims (9)

1.一种无轴承永磁薄片电机，其特征是：径向截面呈十字形的十字形薄片转子（1）的轴向顶面上同轴固定连接圆饼状的转子永磁体（3），6个相同的L型定子铁心柱（2）沿圆周方向均匀分布在十字形薄片转子（1）的外围，每个L型定子铁心柱（2）均由轴向的定子轭和径向的定子齿两部分组成，定子齿与十字形薄片转子（1）径向相对且之间留有径向气隙，6个L型定子铁心柱（2）的定子轭的底部共同固定套接在一个圆盘状的铁心磁轭（5）外；每个L型定子铁心柱（2）的定子轭上都绕有一套转矩绕组（6）和悬浮力绕组（7）；6个L型定子铁心柱（2）的定子齿顶面上同轴固定设置一个环状的定子永磁体（4），定子永磁体（4）与转子永磁体（3）均轴向充磁且充磁方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种无轴承永磁薄片电机，其特征是：转子永磁体（3）紧贴十字形薄片转子（1）的底端为N极，顶端为S极。

3.根据权利要求1所述的一种无轴承永磁薄片电机，其特征是：转子永磁体（3）的外径小于十字形薄片转子（1）的外径。

4.根据权利要求1所述的一种无轴承永磁薄片电机，其特征是：十字形薄片转子（1）的外圈紧密包裹有一个圆环形的合金铝圈（15）。

5.根据权利要求1所述的一种无轴承永磁薄片电机，其特征是：6个L型定子铁心柱（2）定子齿的顶面与十字形薄片转子（1）的顶面平齐。

6.根据权利要求1所述的一种无轴承永磁薄片电机，其特征是：定子永磁体（4）的内径与L型定子铁心柱（2）的定子齿的内径相等，定子永磁体（4）的外径小于L型定子铁心柱（2）的定子齿外径。

7.根据权利要求1所述的一种无轴承永磁薄片电机，其特征是：6个L型定子铁心柱（2）的定子齿的轴向厚度大于十字形薄片转子（1）的轴向厚度，定子永磁体（4）的轴向厚度略大于转子永磁体（3）的轴向厚度，转子永磁体（3）的轴向厚度略小于十字形薄片转子（1）的轴向厚度。

8.根据权利要求1所述的一种无轴承永磁薄片电机，其特征是：铁心磁轭（5）固定连接在钢制底盘（11）顶面上方正中间，6个L型定子铁心柱（2）的定子轭的底部均固定连接钢制底盘（11）。

9.根据权利要求8所述的一种无轴承永磁薄片电机，其特征是：6个L型定子铁心柱（2）的外侧有间隙地同轴套有一个钢制机壳（12），钢制机壳（12）底端固定钢制底盘（11）。

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