CN114977706B - 一种转子五自由度磁悬浮的双定子无轴承磁通切换电机 - Google Patents

一种转子五自由度磁悬浮的双定子无轴承磁通切换电机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种转子五自由度磁悬浮的双定子无轴承磁通切换电机，包括转轴、沿转轴的轴向依次设置的前部双定子无轴承电机、轴向磁轴承、后部双定子无轴承电机，所述前部双定子无轴承电机和后部双定子无轴承电机均包含沿转轴的径向依次设置的内定子、转子以及外定子，所述内定子和外定子分别安装在机壳上；所述转子安装在转轴上；所述轴向磁轴承包含沿转轴的径向依次设置的转子推力盘和磁轴承定子，所述转子推力盘同轴与转轴同轴连接，所述磁轴承定子安装在机壳上。本发明结构新颖、合理，采用布置前、后双定子无轴承电机搭配轴向磁轴承的结构，实现了电机转子的五自由度磁悬浮，同时双定子结构提高了无轴承磁通切换电机的功率密度。

Description

一种转子五自由度磁悬浮的双定子无轴承磁通切换电机
技术领域：
本发明涉及一种转子五自由度磁悬浮的双定子无轴承磁通切换电机。
背景技术：
目前，主动磁悬浮单定子的定子永磁型无轴磁通切换电机面临如下困境：无法实现特定应用场合五自由度磁悬浮需要、气隙偏置磁场被动设计较低限制了电机向大容量领域发展、转子五自由度磁悬浮与电动机功能集成化水平较低等。采用双定子结构可以充分利用电机内部空间，有效提高电机的功率密度，为电机向大容量领域发展提供契机。双定子结构电机实际上可以看做由内、外两台电机构成的复合系统，但是，双定子电机的齿槽转矩为内、外两台电机齿槽转矩的累加，过大的齿槽转矩会给电机的精确控制带来不利影响。
发明内容：
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种转子五自由度磁悬浮的双定子无轴承磁通切换电机。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种转子五自由度磁悬浮的双定子无轴承磁通切换电机，包括转轴、沿转轴的轴向依次设置的前部双定子无轴承电机、轴向磁轴承、后部双定子无轴承电机，所述前部双定子无轴承电机和后部双定子无轴承电机均包含沿转轴的径向依次设置的内定子、杯形转子以及外定子，所述内定子和外定子分别安装在机壳上；所述杯形转子安装在转轴上；所述轴向磁轴承包含沿转轴的径向依次设置的转子推力盘和磁轴承定子，所述转子推力盘与转轴同轴连接，所述磁轴承定子安装在机壳上。
进一步的，所述内定子和外定子均包括圆环状的定子支架、转矩绕组以及悬浮绕组，所述定子支架上沿圆周方向均匀开设有若干个定子铁心槽，每个定子铁心槽内分别设置有定子铁心，相邻的定子铁心之间镶嵌有切向交替充磁的第一高矫顽力永磁体；所述转矩绕组以及悬浮绕组均采用集中绕组，转矩绕组嵌绕于相邻的定子铁心槽内，悬浮绕组嵌绕于独立的定子铁心的永磁体槽内。
进一步的，所述杯形转子包括圆盘状的转子支架，所述转子支架上沿圆周方向均匀开设有若干个转子铁心槽，每个转子铁心槽内设置有转子铁心。
进一步的，所述转子铁心的内侧转子齿和外侧转子齿交错排列。
进一步的，所述内定子的定子铁心为V形，外定子的定子铁心为U形，内定子与外定子的定子铁心的齿均朝向位于内定子和外定子中部的转子铁心。
进一步的，所述轴向磁轴承还包括磁轴承支架、导磁环、磁轴承电枢绕组，所述磁轴承支架为圆环状，磁轴承支架的内部设有用于安装磁轴承定子的磁轴承定子槽；所述磁轴承定子为圆环状，磁轴承定子的内部设有截面为T形状的环形槽；所述导磁环为一对且为圆环状，一对导磁环安装在磁轴承定子的内侧，导磁环与磁轴承定子之间嵌套径向充磁的第二高矫顽力永磁体；所述磁轴承电枢绕组位于环形槽内。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明结构新颖、合理，采用布置前、后双定子无轴承电机搭配轴向磁轴承的结构，实现了电机转子的五自由度磁悬浮，同时双定子结构提高了无轴承磁通切换电机的功率密度。
附图说明：
图1是本发明实施例的轴向剖视构造示意图；
图2是本发明实施例的径向剖视构造示意图；
图3是本发明实施例中外定子的典型绕组连接示意图；
图4是本发明实施例中前部双定子无轴承电机的分解状态示意图；
图5是本发明实施例中轴向磁轴承的分解状态示意图；
图6是本发明实施例中轴向磁轴承的轴向剖视构造示意图；
图7是本发明实施例中外定子的构造示意图；
图8是本发明实施例中外定子铁心缠绕转矩与悬浮绕组的构造示意图；
图9是本发明实施例中内定子的构造示意图；
图10是本发明实施例中内定子铁心缠绕转矩与悬浮绕组的构造示意图；
图11是本发明实施中转子的构造示意图。
图中：
1-转轴；2-内定子；3-外定子；4-内定子支架；5-内定子铁心；6-内定子永磁体；7-内定子转矩绕组；8-内定子悬浮绕组；9-转子铁心；10-转子支架；11-外定子铁心；12-外定子永磁体；13-外定子悬浮绕组；14-外定子转矩绕组；15-外定子支架；16-轴向磁轴承；17-磁轴承支架；18-磁轴承定子；19-磁轴承永磁体；20-磁轴承电枢绕组；21-转子推力盘；22-导磁环；23-机壳；24-前部双定子无轴承电机；25-后部双定子无轴承电机；26-杯形转子。
具体实施方式:
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1～11所示，本发明一种转子五自由度磁悬浮的双定子无轴承磁通切换电机，包括转轴1、沿转轴1的轴向依次设置的前部双定子无轴承电机24、轴向磁轴承16、后部双定子无轴承电机25，所述前部双定子无轴承电机24和后部双定子无轴承电机25均包含沿转轴的径向依次设置的内定子2、杯形转子26以及外定子3，所述内定子2和外定子3分别安装在机壳23上；所述杯形转子26安装在转轴1上；所述轴向磁轴承16包含沿转轴1的径向依次设置的转子推力盘21和磁轴承定子18，所述转子推力盘21与转轴1同轴连接，所述磁轴承定子18安装在机壳23上。
本实施例中，采用布置前、后部双定子无轴承电机搭配轴向磁轴承的结构，实现了电机的五自由度磁悬浮，其中五自由度为：前部双定子无轴承电机24提供的两个自由度x1、y1，后部双定子无轴承电机25提供的两个自由度x2、y2以及轴向磁轴承提供的一个自由度z。
本实施例中，前部双定子无轴承电机和后部双定子无轴承电机为参数结构完全相同的两台电机。
本实施例中，所述前部双定子无轴承电机24和后部双定子无轴承电机25的内定子2均包括圆环状的内定子支架4、内定子转矩绕组7以及内定子悬浮绕组8，所述内定子支架4上沿圆周方向均匀开设有若干个内定子铁心槽，每个内定子铁心槽内分别设置有内定子铁心5，相邻的内定子铁心5之间镶嵌有切向交替充磁的第一高矫顽力永磁体，此处的第一高矫顽力永磁体即为内定子永磁体6；所述内定子转矩绕组7以及内定子悬浮绕组8均采用集中绕组，内定子转矩绕组7嵌绕于相邻的内定子铁心槽内，内定子悬浮绕组8嵌绕于独立的内定子铁心5的永磁体槽内。
本实施例中，所述前部双定子无轴承电机24和后部双定子无轴承电机25的外定子3均包括圆环状的外定子支架15、外定子转矩绕组14以及外定子悬浮绕组13，所述外定子支架15上沿圆周方向均匀开设有若干个外定子铁心槽，每个外定子铁心槽内分别设置有外定子铁心11，相邻的外定子铁心11之间镶嵌有切向交替充磁的第一高矫顽力永磁体，此处的第一高矫顽力永磁体即为外定子永磁体12；所述外定子转矩绕组14以及外定子悬浮绕组13均采用集中绕组，外定子转矩绕组14嵌绕于相邻的外定子铁心槽内，外定子悬浮绕组13嵌绕于独立的外定子铁心的永磁体槽内。
本实施例中，内定子2和外定子3的绕组连接方式相同，外定子典型绕组连接示意图如图3所示，三相转矩绕组为A相、B相、C相，三相悬浮绕组为U相、V相、W相，当U相通入直流电流时，位于外定子铁心齿与转子铁心外部齿中部的气隙1处的总磁通增强，同样位于外定子铁心齿与转子铁心外部齿中部的气隙6处的总磁通减弱，转子将受到方向由气隙6指向气隙1的麦克斯韦力。
本实施例中，所述杯形转子26包括圆盘状的转子支架10，所述转子支架10上沿圆周方向均匀开设有若干个转子铁心槽，每个转子铁心槽内设置有转子铁心9。
本实施例中，为抑制内、外定子产生的齿槽转矩，所述转子铁心9的内侧转子齿和外侧转子齿交错排列。
本实施例中，所述内定子2的内定子铁心5为V形，外定子的外定子铁心11为U形，内定子与外定子的定子铁心的齿均朝向位于内定子和外定子中部的转子铁心9。
本实施例中，所述轴向磁轴承还包括磁轴承支架17、导磁环22、磁轴承电枢绕组20，所述磁轴承支架17为圆环状，磁轴承支架17的内部设有用于安装磁轴承定子18的磁轴承定子槽；所述磁轴承定子18为圆环状，磁轴承定子18的内部设有截面为T形状的环形槽；所述导磁环22为一对且为圆环状，导磁环22安装在磁轴承定子18的内侧，导磁环22与磁轴承定子18之间嵌套径向充磁的第二高矫顽力永磁体，第二高矫顽力永磁体即为磁轴承永磁体19；所述磁轴承电枢绕组20位于环形槽内。
本实施例中，所述内定子2与外定子3的铁心数与第一高矫顽力永磁体数均为12；磁轴承定子的个数为1，导磁环个数为2，第二高矫顽力永磁体个数为2。
本实施例中，转子铁心齿数为20。
本实施例中，第一、第二高矫顽力永磁体采用NdFeB材料制成。
本实施例中，内定子支架、外定子支架、转子支架以及磁轴承定子支架均为非导磁材料制成。
本实施例中，前部双定子无轴承电机、轴向磁轴承、后部双定子无轴承电机通过各部分定子支架相连接。
本实施例中，内定子支架、外定子支架以及磁轴承定子支架均为轴向拉伸的圆环状支架。
本发明的优点在于：结构新颖，设计合理，采用布置前后无轴承电机搭配轴向磁轴承的结构实现了电机转子的五自由度磁悬浮；采用双定子结构提高了无轴承磁通切换电机的功率密度；提出了内、外转子齿交错排列的特殊转子结构，有效降低了电机的齿槽转矩，为转子五自由度磁悬浮电机向大容量领域发展提供了理论依据。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (4)

1.一种转子五自由度磁悬浮的双定子无轴承磁通切换电机，其特征在于：包括转轴、沿转轴的轴向依次设置的前部双定子无轴承电机、轴向磁轴承、后部双定子无轴承电机，所述前部双定子无轴承电机和后部双定子无轴承电机均包含沿转轴的径向依次设置的内定子、杯形转子以及外定子，所述内定子和外定子分别安装在机壳上；所述杯形转子安装在转轴上；所述轴向磁轴承包含沿转轴的径向依次设置的转子推力盘和磁轴承定子，所述转子推力盘与转轴同轴连接，所述磁轴承定子安装在机壳上；
所述内定子和外定子均包括圆环状的定子支架、转矩绕组以及悬浮绕组，所述定子支架上沿圆周方向均匀开设有若干个定子铁心槽，每个定子铁心槽内分别设置有定子铁心，相邻的定子铁心之间镶嵌有切向交替充磁的第一高矫顽力永磁体；所述转矩绕组以及悬浮绕组均采用集中绕组，转矩绕组嵌绕于相邻的定子铁心槽内，悬浮绕组嵌绕于独立的定子铁心的永磁体槽内；
所述杯形转子包括圆盘状的转子支架，所述转子支架上沿圆周方向均匀开设有若干个转子铁心槽，每个转子铁心槽内设置有转子铁心。
2.根据权利要求1所述的一种转子五自由度磁悬浮的双定子无轴承磁通切换电机，其特征在于：所述转子铁心的内侧转子齿和外侧转子齿交错排列。
3.根据权利要求1所述的一种转子五自由度磁悬浮的双定子无轴承磁通切换电机，其特征在于：所述内定子的定子铁心为V形，外定子的定子铁心为U形，内定子与外定子的定子铁心的齿均朝向位于内定子和外定子中部的转子铁心。
4.根据权利要求1所述的一种转子五自由度磁悬浮的双定子无轴承磁通切换电机，其特征在于：所述轴向磁轴承还包括磁轴承支架、导磁环、磁轴承电枢绕组，所述磁轴承支架为圆环状，磁轴承支架的内部设有用于安装磁轴承定子的磁轴承定子槽；所述磁轴承定子为圆环状，磁轴承定子的内部设有截面为T形状的环形槽；所述导磁环为一对且为圆环状，一对导磁环安装在磁轴承定子的内侧，导磁环与磁轴承定子之间嵌套径向充磁的第二高矫顽力永磁体；所述磁轴承电枢绕组位于环形槽内。
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