CN110518724B - 定子永磁型无轴承薄片电机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子永磁型无轴承薄片电机及其工作方法，包括底座、定子、准正弦悬浮绕组、转矩绕组、转子以及定子永磁体阵列。定子铁芯通过定子压板压合并固定于底座内侧。转子结构包含转子凸极齿以及转子侧板，由低碳钢材料制成。永磁体阵列贴在定子齿上，提供永磁气隙磁通。准正弦悬浮绕组由不同匝数的线圈组成，选取特定的匝数来使其产生的气隙磁密接近于正弦波形，减小气隙磁密谐波使转子能稳定悬浮。转矩产生原理类似于普通永磁同步电机。本发明一种定子永磁型无轴承薄片电机及其工作方法，其永磁体在定子上，相比于传统表贴式无轴承永磁薄片电机，具有永磁体利用率高，散热快，转子结构简单等优点，其应用领域广泛。

Description

定子永磁型无轴承薄片电机及其工作方法

技术领域

本发明涉及无轴承电机领域，具体涉及一种定子永磁型无轴承薄片电机及其工作方法。

背景技术

无轴承永磁薄片电机作为一种新型无轴承电机，结合了无轴承电机和永磁同步电机二者的优点，在实现了机械零接触的同时，还具备了结构简单、易于控制、高速高精等优点。无轴承永磁薄片电机在离心机、离心泵系统中，能适用于无接触、无污染、完全密封的工作环境，满足各种极端工作需求，因此，在精密仪器制造、飞轮储能、生物医药和生命科学等领域，无轴承永磁薄片电机有着极高的应用价值。

现有的无轴承薄片电机大多为传统转子表贴式无轴承薄片电机，其永磁体贴在转子表面，而定子永磁型无轴承电机，就是把永磁体放置在定子上，转子上既没有绕组也没有永磁体，且具有双凸极结构，因此将它们统称为定子永磁型电机。

目前，在血泵或者化工液体的处理工艺中，往往需要转子是可替换的甚至是一次性的以满足高洁净的需求，对传统的转子表贴式无轴承电机而言，稀土永磁体资源稀缺，价格高昂，毫无疑问无法实现这一要求。

目前，对于传统转子表贴式无轴承薄片电机，置于高温液体中的转子永磁体很容易发生热退磁失效，这也大大限制了无轴承电机的应用。

得益于无轴承电机无机械摩擦的优点，高速成为了无轴承电机的发展趋势。对于传统转子表贴式无轴承薄片电机，电机在高速运转时，由于永磁体易碎的缺点，需要采取额外的保护措施以保护转子磁钢，而这会增加机械加工的难度并进一步增加电机成本。同时电机高速运行时的涡流损耗造成的高温问题同样提升了永磁退磁风险。

发明内容

本发明提供了一种定子永磁型无轴承薄片电机及其工作方法，意在解决传统转子表贴式无轴承薄片电机永磁体散热困难导致热退磁风险提升，以及高速旋转时离心力过大容易导致永磁体碎裂等问题。并且扩大其应用领域，使其在血泵或化工液体处理工艺这种需要转子可替换的领域中，也有极高的应用价值。

本发明采用如下技术方案：一种定子永磁型无轴承薄片电机及其工作方法，包括底座、定子、准正弦悬浮绕组、转矩绕组、转子、定子永磁体阵列；

上述定子包括定子铁芯，定子铁芯通过定子上压板和定子下压板压合并固定于底座内侧；定子铁芯包括沿周向均布的定子齿；

上述准正弦悬浮绕组由不同匝数的线圈组成，绕制在相应的定子齿上；

上述转矩绕组为三相绕组，绕制在各个定子齿上；

其特征在于：

上述转子为导磁材料制成，包括转子基体，在转子基体的轴向两端各设置有转子侧板，位于两个转子侧板中间沿转子基体外壁周向均匀设置转子凸极齿；转子凸极齿与转子侧板之间具有间隙；转子凸极齿和转子侧板外径相同；转子凸极齿的轴向厚度与定子齿的轴向厚度相等；转子凸极齿齿数大于等于三，并且转矩绕组极对数与转子凸极齿齿数相等；

上述转子跟定子之间具有气隙；

上述定子永磁体阵列由轴向永磁体和径向永磁体组成；

上述轴向永磁体包括第一组多片弧形永磁体和第二组多片弧形永磁体；

其中第一组多片弧形永磁体充磁方向为轴向向上，围成一个绕转子轴的整圆贴合在定子齿最内端的上表面；第二组多片弧形永磁体充磁方向为轴向向下，围成一个绕转子轴的整圆贴合在定子齿最内端的下表面；

上述径向永磁体包括第三组多片弧形永磁体和第四组多片弧形永磁体；

其中第三组多片弧形永磁体充磁方向为径向向里，围成一个绕转子轴的整圆贴合在第一组多片弧形永磁体的上表面；第四组多片弧形永磁体充磁方向为径向向里，围成一个绕转子轴的整圆贴合在第二组多片弧形永磁体的下表面；

轴向永磁体和径向永磁体被永磁体压板压紧在定子齿；

转子在轴向被动悬浮，其转子凸极齿与定子铁芯轴向对齐，转子侧板轴向位置与径向永磁体轴向位置对齐。

一种定子永磁型无轴承薄片电机的工作方法，其特征在于包括以下过程：

定子永磁体阵列在定子和转子之间的气隙中形成永磁回路，即：依次在定子—轴向永磁体—径向永磁体—气隙—转子侧板—转子基体—转子凸极齿—气隙—定子之间形成永磁回路；

定子永磁体阵列在所有定子铁芯与转子凸极齿间的气隙中产生极性相同的气隙磁密；

由于转子存在转子凸极齿结构，使得转子周向各处径向磁阻不同，定子永磁体阵列产生的气隙磁通量更集中在定子与转子凸极齿之间的气隙中；

转矩绕组通电产生旋转磁场与定子永磁体阵列在气隙中产生的不均匀磁场相互作用，产生一个转矩作用在转子上；

准正弦悬浮绕组通电后，使一侧的定子和转子之间的气隙磁密增大，使另一侧的定子和转子之间的气隙磁密减小，从而产生可控径向悬浮力；准正弦悬浮绕组由不同匝数的线圈组成，通过选取特定的匝数，通入直流电来使准正弦悬浮绕组产生的气隙磁密接近于正弦波形，从而减小气隙磁密谐波含量；

由于转子轴长远小于其转子直径，根据磁阻最小原理，实现轴向平移方向及扭转方向三自由度被动悬浮。

本发明具有以下优点：

1.因为其永磁体在定子上，转子由导磁材料制成。在血泵或化工液体处理工艺这种需要转子可替换的甚至需要一次性转子的场合，由于转子价格低廉因此可节约成本，具有极高的应用价值。

2.因为其永磁体在定子上，具有更好的散热条件，对各种复杂工况具有更好的适应性。因此该电机耐高温，永磁体不易退磁，适合于高温液泵等应用场合。

3.因为其永磁体在定子上，高速运行时无需像传统转子表贴式无轴承电机一样采取额外保护措施保护转子磁钢。同时也不会有电机高速运行时的涡流损耗造成的高温问题导致永磁体退磁风险。因此其在高速方面具有较大潜力。

4.根据无轴承电机领域的P±1原理，当悬浮绕组通电产生的气隙磁场极对数与转矩绕组通电产生的气隙磁场极对数相差1时，其产生的悬浮力与转矩会相互影响。本设计保证了准正弦悬浮绕组通直流电产生的气隙磁场极对数为1，同时保证转矩绕组通入三相交流电产生气隙磁场的极对数大于等于3。根据P±1原理，产生的悬浮力和转矩不会相互影响，悬浮力的产生和转矩的产生机制在硬件结构上解耦，无需像传统无轴承电机在控制上进行解耦，使得悬浮力和转矩可以相互独立控制。

5.通过使用Halbach定子永磁体阵列，提高了永磁体利用率，并且减少了漏磁通，改善了轴向被动刚度。

6.采用了一种准正弦悬浮绕组，相比普通三相绕组，绕组产生的悬浮磁密的谐波含量更少，能提高转子悬浮的稳定性。

附图说明

图1为定子永磁型无轴承薄片电机结构示意图(1)；

图2为定子永磁型无轴承薄片电机结构示意图(2)；

图3为定子永磁型无轴承薄片电机结构示意图(3)；

图4为定子永磁型无轴承薄片电机磁路示意图；

图5为定子永磁型无轴承薄片电机转子结构示意图；

图6为定子永磁型无轴承薄片电机准正弦悬浮绕组绕制方式示意图；

图7为定子永磁型无轴承薄片电机准正弦悬浮绕组磁动势产生示意图；

图中标号名称：

1—底座；2—定子；21—定子上压板；22—定子下压板；23—定子铁芯；3—永磁体上压板；4—永磁体下压板；5—位移传感器；6—转子；61—转子凸极齿；62—转子侧板；7—定子永磁体阵列；71—径向永磁体；72—轴向永磁体；8—准正弦悬浮绕组；81—线圈A；82—线圈B；83—线圈C；9—转矩绕组；10—位置/转速传感器板；11—光孔；12—永磁回路

具体实施方式

请参照图1—图7所示，本发明一种定子永磁型无轴承薄片电机及其工作方法，包括定子2、转子6、定子永磁体阵列7、准正弦悬浮绕组8、转矩绕组9、位移传感器5和位置/速度传感器板10。

定子2与底座1之间的装配采用间隙配合，保证定子的径向定位。

转子6结构包括转子凸极齿61和转子侧板62，转子凸极齿61在转子圆周上均匀分布，转子6跟定子2之间具有一定的间隙。转子6由低碳钢材料制成。转子凸极齿6齿数大于等于三时可产生稳定可控悬浮力，优选转子凸极齿6齿数为四。

径向永磁体71和轴向永磁体72都为弧形，弧度优选45°。先将轴向永磁体72贴在定子2齿最内端的上下面，用多片围成整圆。

优选用压板将径向永磁体71和轴向永磁体72压合在一起。将径向永磁体71装在永磁体上压板3，也围成整圆，永磁体上压板3长圆柱段外表面定位于定子2内径圆面，克服永磁体间斥力将径向永磁体71与轴向永磁体72压合，先用夹具将其与定子2固定，夹具提供的力用作抵消永磁体间的斥力。进一步，将径向永磁体71装在永磁体下压板4，围成整圆，永磁体下压板4内圆表面定位于永磁体上压板3长圆柱段外表面，克服永磁体间斥力将径向永磁体71与轴向永磁体72压合，用夹具将其与定子2固定，夹具提供的力用作抵消永磁体间的斥力。最后，用螺钉连接永磁体上压板3与永磁体下压板4，松开夹具，螺钉连接提供的力用作抵消永磁间的斥力。

径向永磁体71充磁方向为径向向里，轴向永磁体72充磁方向为轴向向外。该定子永磁体阵列7产生的永磁回路12如图4所示，径向永磁体71产生的磁通经过气隙由转子侧板62接收，并经过转子凸极齿61，再通过气隙传回到定子2齿，最终回到轴向永磁体72，形成一个回路。定子永磁体阵列7在径向永磁体71与转子侧板62间的气隙中产生径向向里的磁密，定子永磁体阵列7在定子2与转子凸极齿61间的气隙中产生径向向外的磁密。

定子永磁体阵列7在定子2与转子凸极齿61间的气隙中产生方向相同的气隙磁密，由于转子6存在转子凸极齿61结构，使得转子6径向磁阻不同，定子永磁体阵列产生的气隙磁通量更集中在转子凸极齿61上。在优选转子凸极齿6齿数为四的情况下，这种磁通分布可以从理论上将它分解为一个单极性的偏置磁通和一个四对极磁通。

准正弦悬浮绕组8由三种不同匝数的线圈组成，绕制在定子齿上。线圈A绕组匝数为N1，线圈B绕组匝数为N2，线圈C绕组匝数为N3。通过在每个定子齿上配置不同的线圈匝数，使其通入直流电后其产生的磁动势能拟合正弦波形，从而减小悬浮磁密的谐波，提高转子悬浮的稳定性。如图7所示，a处磁动势为N3匝线圈通电产生的磁动势，b处磁动势为N2匝线圈通电产生的磁动势，c处磁动势为N1匝线圈通电产生的磁动势，d处没有线圈，磁动势为0。通过选取适当的N1，N2，N3匝数的值，即可拟合正弦磁动势波形。对于优选定子2齿数为十二的情况下，N1、N2、N3的取值可通过以下公式确定：

N_all＝N₁+N₂+N₃

准正弦悬浮绕组8由两套绕组组成，分别控制x和y方向的悬浮力。准正弦悬浮绕组6的x向和y向的绕组布置完全相同，只是相位相差了90°。如图6所示，Y1～Y10串联为一相，为y方向悬浮绕组，用于控制Y方向悬浮力，X1～X10串联为一相，为x方向悬浮绕组，用于控制X方向悬浮力。

主动悬浮原理是：

在x或y悬浮绕组中通入直流电，产生一对极的气隙磁通，与定子永磁体阵列7在气隙中产生的极性一致的气隙磁密相互作用，增大转子与定子间一侧的气隙磁密并且减小另一侧的磁密就可以产生稳定可控的悬浮力。通过改变电流大小即可改变悬浮力大小，通过改变在x和y悬浮绕组中通入直流电的比例即可改变悬浮力的方向。实现径向两自由度的主动悬浮。

被动悬浮原理是：

根据磁阻最小原理，磁链在定转子铁芯和气隙中都遵循磁路磁阻最小的规律排布，而转子6轴长远小于其转子直径，呈薄片状。当转子6在轴向平移及扭转方向这三个自由度上，位置状态发生变化时，磁通所穿过的路径上磁阻值增加，为恢复磁阻最小状态，转子6会受到与位置状态变化相反的作用力，使转子自动恢复到原本状态，即平衡位置。实现轴向平移方向及扭转方向三自由度被动悬浮。

转矩产生原理是：

转矩绕组9极对数与转子凸极齿61齿数相同，转矩绕组为三相绕组，通入四对极旋转磁场时，与定子永磁体阵列7产生的气隙磁通的四对极磁通分量相互作用，产生同步的转矩，带动转子旋转。因此转矩的产生原理类似于永磁同步电机。

位移传感器5优选采用电涡流传感器，四个位移传感器5胶连于底座上的光孔，相对的两个位移传感器5输出差分信号来检测转子6的x与y方向的位移，减小了机械安装误差。

位置/速度传感器板10由线性霍尔传感器以及外围电路组成，安装在永磁体上压板3和永磁体下压板4上，使其线性霍尔传感器在定子2槽内，且在上下定子永磁体阵列7的中间位置，保证霍尔传感器能检测到永磁回路12中的磁密变化。由于存在转子凸极齿61结构，当转子6旋转时，会使永磁回路12中的磁阻发生变化，从而导致永磁回路12磁密发生变化，位置/速度传感器板10中的线性霍尔传感器检测磁密大小就可检测得转子6位置，检测磁密变化快慢就可检测得转子6速度。

对于本技术领域的技术人员而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种定子永磁型无轴承薄片电机，包括底座(1)、定子(2)、准正弦悬浮绕组(8)、转矩绕组(9)、 转子(6)以及定子永磁体阵列(7)；

上述定子(2)包括定子铁芯(23)，定子铁芯(23)通过定子上压板(21)和定子下压板(22)压合并固定于底座(1)内侧；定子铁芯(23)包括沿周向均布的定子齿；

上述准正弦悬浮绕组(8)由不同匝数的线圈组成，绕制在相应的定子齿上；

上述转矩绕组(9)为三相绕组，绕制在各个定子齿上；

其特征在于：

上述转子(6)为导磁材料制成，包括转子基体，在转子基体的轴向两端各设置有转子侧板(62)，位于两个转子侧板中间沿转子基体外壁周向均匀设置转子凸极齿(61)；转子凸极齿(61)与转子侧板(62)之间具有间隙；转子凸极齿(61)和转子侧板(62)外径相同；转子凸极齿(61)的轴向厚度与定子齿的轴向厚度相等；转子凸极齿(61)齿数大于等于三，并且转矩绕组(9)极对数与转子凸极齿(61)齿数相等；

上述转子(6)跟定子(2)之间具有气隙；

上述定子永磁体阵列(7)由轴向永磁体(72)和径向永磁体(71)组成；

上述轴向永磁体(72)包括第一组多片弧形永磁体和第二组多片弧形永磁体；

其中第一组多片弧形永磁体充磁方向为轴向向上，围成一个绕转子轴的整圆贴合在定子齿最内端的上表面；第二组多片弧形永磁体充磁方向为轴向向下，围成一个绕转子轴的整圆贴合在定子齿最内端的下表面；

上述径向永磁体(71)包括第三组多片弧形永磁体和第四组多片弧形永磁体；

其中第三组多片弧形永磁体充磁方向为径向向里，围成一个绕转子轴的整圆贴合在第一组多片弧形永磁体的上表面；第四组多片弧形永磁体充磁方向为径向向里，围成一个绕转子轴的整圆贴合在第二组多片弧形永磁体的下表面；

轴向永磁体(72)和径向永磁体(71)被永磁体压板压紧在定子齿；

转子(6)在轴向被动悬浮，其转子凸极齿(61)与定子铁芯(23)轴向对齐，转子侧板(62)轴向位置与径向永磁体(71)轴向位置对齐。

2.根据权利要求1所述的一种定子永磁型无轴承薄片电机的工作方法，其特征在于包括以下过程：

定子永磁体阵列(7)在定子(2)和转子(6)之间的气隙中形成永磁回路(12)，即：依次在定子(2)—轴向永磁体(72)—径向永磁体(71)—气隙—转子侧板(62)—转子基体—转子凸极齿(61)—气隙—定子(2)之间形成永磁回路；

定子永磁体阵列(7)在所有定子铁芯(23)与转子凸极齿(61)间的气隙中产生极性相同的气隙磁密；

由于转子(6)存在转子凸极齿(61)结构，使得转子(6)周向各处径向磁阻不同，定子永磁体阵列(7)产生的气隙磁通量更集中在定子与转子凸极齿(61)之间的气隙中；

转矩绕组(9)通电产生旋转磁场与定子永磁体阵列(7)在气隙中产生的不均匀磁场相互作用，产生一个转矩作用在转子(6)上；

准正弦悬浮绕组(8)通电后，使一侧的定子(2)和转子(6)之间的气隙磁密增大，使另一侧的定子(2)和转子(6)之间的气隙磁密减小，从而产生可控径向悬浮力；准正弦悬浮绕组(8)由不同匝数的线圈组成，通过选取特定的匝数，通入直流电来使准正弦悬浮绕组(8)产生的气隙磁密接近于正弦波形，从而减小气隙磁密谐波含量；

由于转子(6)轴长远小于其转子直径，根据磁阻最小原理，实现轴向平移方向及扭转方向三自由度被动悬浮。

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