CN117254610A - 一种无轴承电机及泵装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种无轴承电机及泵装置，所述无轴承电机包括：转子组件和定子组件；所述转子组件包括：转子中心软铁；转子永磁体；转子软铁；所述定子组件包括：多组径向定子极；定子永磁体，设置于所述径向定子极的第一端部沿中心轴线方向的两端；定子软铁，设置于所述定子永磁体沿中心轴线方向的两端；定子闭合磁路软铁，位于所述径向定子极的第二端部，磁连通所述径向定子极；径向主动控制线圈，缠绕在每组径向定子极上；轴向旋转控制线圈，缠绕在每组径向定子极上。本申请的技术方案提供了一种可以微小型化的径向主动控制的无轴承电机，可广泛适用于需要高速高洁净高耐久度的旋转结构设计场合，微小型化后可以适用于血液泵领域。

Description

一种无轴承电机及泵装置

技术领域

本申请涉及电机技术领域，尤其涉及一种无轴承电机及泵装置。

背景技术

无轴承电机是根据磁轴承与电机产生电磁力原理的相似性，把磁轴承中产生径向力的绕组安装在电机定子上，通过解耦控制实现对电机转矩和径向悬浮力的独立控制。无轴承电机具有磁悬浮磁轴承所具有的优点。需要免维修、长寿命运行，无菌、无污染以及有毒有害液体或气体的传输是无轴承电机的典型应用场合。

目前的无轴承电机主要存在以下问题：由于缺乏足够的被动控制刚度，传统的无轴承电机需要对转子轴向、径向及侧倾方向等五个自由度进行额外的主动控制。其机械结构及控制单元都非常繁杂，系统整体成本高昂，能效低，且无法小型化。近些年在半导体泵领域出现的使用碟片式无轴承电机，使用预加载的电流在定子与转子间产生偏置磁场以实现转子在轴向和侧倾方向上的被动控制，大大降低了系统机械结构的复杂度和控制单元的复杂度，但由于预加载电流的使用，整体系统功耗和发热非常惊人，导致应用领域非常狭窄。且由于被动刚度是通过预加载电流产生的偏置磁场生成，在平衡发热、功耗与刚度后，系统的整体被动刚度有限。

因此，有必要提供一种新的无轴承电机，以解决现有技术问题中的一种或者多种。

发明内容

本申请提供了一种可以微小型化的径向主动控制的无轴承电机，增加了无轴承电机的应用前景，可广泛适用于需要高速、高洁净、高耐久度的旋转结构设计场合，例如可以适用于血液泵领域。

本申请的一个方面提供一种无轴承电机，包括：转子组件和定子组件，所述定子组件环绕所述转子组件周向设置；所述转子组件具有中心轴线，包括：转子中心软铁；转子永磁体，设置于所述转子中心软铁沿中心轴线方向的两端；转子软铁，设置于所述转子永磁体沿中心轴线方向的两端；所述定子组件包括：多组径向定子极，所述径向定子极沿所述转子组件的周向均匀分布且所述径向定子极的第一端部与所述转子中心软铁位置对应；定子永磁体，设置于所述径向定子极的第一端部沿中心轴线方向的两端；定子软铁，设置于所述定子永磁体沿中心轴线方向的两端，所述定子软铁和所述定子永磁体分别环绕所述转子软铁、转子永磁体周向设置；定子闭合磁路软铁，位于所述径向定子极的第二端部，磁连通所述径向定子极；径向主动控制线圈，缠绕在每组径向定子极上；轴向旋转控制线圈，缠绕在每组径向定子极上。

在本申请的一些实施例中，所述无轴承电机还包括：径向主动控制系统，被配置为提供关于所述转子组件的径向位移的主动稳定性控制，所述径向主动控制系统包括：位移传感器，用于检测所述转子组件的径向偏移量；径向主动控制器，接收所述位移传感器的检测结果，被配置为当所述位移传感器检测的径向偏移量大于偏移阈值时向所述径向主动控制线圈输出控制电流使所述转子组件的径向偏移量回到所述偏移阈值内。

在本申请的一些实施例中，所述无轴承电机还包括：轴向旋转控制系统，被配置为控制所述转子组件沿轴向旋转，所述轴向旋转控制系统包括：角度检测传感器，用于检测所述转子组件的角度位置；轴向旋转控制器，接收所述角度检测传感器的检测结果，被配置为根据所述角度检测传感器的检测结果向每组径向定子极中的目标径向定子极上的轴向旋转控制线圈输出控制电流使所述转子组件沿轴向旋转。

在本申请的一些实施例中，所述转子中心软铁为齿轮状结构，所述转子中心软铁具有8个齿级；所述径向定子极的组数为4组，每组径向定子极的数量为3个。

在本申请的一些实施例中，所述转子组件的高度与所述径向定子极的第一端部、所述定子软铁和所述定子永磁体的总堆叠高度之差的绝对值与所述径向定子极的第一端部、所述定子软铁和所述定子永磁体的总堆叠高度之比小于或等于30％。

在本申请的一些实施例中，所述转子组件的轴向高度与所述转子组件的最大外径之比小于或等于1.2。

在本申请的一些实施例中，所述径向定子极的第一端部的高度占所述径向定子极的第一端部、所述定子软铁和所述定子永磁体的总堆叠高度的比例大于或等于20％。

在本申请的一些实施例中，所述转子中心软铁的高度占所述转子组件的高度的比例大于或等于20％。

在本申请的一些实施例中，所述转子永磁体和所述定子永磁体沿所述中心轴线的方向充磁。

在本申请的一些实施例中，所述转子永磁体包括分别设置在所述转子中心软铁沿中心轴线方向的两端的第一转子永磁体和第二转子永磁体；所述转子软铁包括分别设置在所述转子永磁体沿中心轴线方向的两端的第一转子软铁和第二转子软铁；所述定子永磁体包括分别设置在所述径向定子极的第一端部沿中心轴线方向的两端的第一定子永磁体和第二定子永磁体；所述定子软铁包括分别设置在所述定子永磁体沿中心轴线方向的两端的第一定子软铁和第二定子软铁。

在本申请的一些实施例中，所述第一定子永磁体和所述第一转子永磁体的充磁方向相反，所述第二定子永磁体和所述第二转子永磁体的充磁方向相反。

在本申请的一些实施例中，所述第一定子永磁体和所述第二定子永磁体的充磁方向相反，所述第一转子永磁体和所述第二转子永磁体的充磁方向相反。

在本申请的一些实施例中，所述第一转子永磁体、所述第二转子永磁体和所述第一转子软铁、所述第二转子软铁均为环形，所述第一转子永磁体和所述第二转子永磁体的尺寸相同，所述第一转子软铁和所述第二转子软铁的尺寸相同，所述转子永磁体的外径、所述转子软铁的外径和所述转子中心软铁的外径中最大者与最小者之差的绝对值与所述转子软铁的外径之比小于或等于30％，所述转子永磁体的内径和所述转子软铁的内径之差的绝对值与所述转子软铁的内径之比小于或等于30％。

在本申请的一些实施例中，所述第一定子永磁体、所述第二定子永磁体、所述第一定子软铁和所述第二定子软铁均为环形，所述第一定子永磁体和所述第二定子永磁体的尺寸相同，所述第一定子软铁和所述第二定子软铁的尺寸相同，所述定子永磁体的外径与所述定子软铁的外径之差的绝对值与所述定子永磁体的外径之比小于或等于30％，所述定子永磁体的内径和所述定子软铁的内径与所述径向定子极的第一端部的内径之差的绝对值与所述定子永磁体的内径之比小于或等于30％。

在本申请的一些实施例中，每个径向定子极上都缠绕一个径向主动控制线圈，或者同一组的径向定子极共同缠绕一个径向主动控制线圈。

在本申请的一些实施例中，所述转子永磁体和所述定子永磁体的材料包括铷铁硼，和/或所述转子软铁、所述转子中心软铁及所述定子软铁的材料包括纯铁或硅钢，和/或所述径向定子极的材料包括导磁的铁磁性材料。

在本申请的一些实施例中，所述径向主动控制线圈、轴向旋转控制线圈位于所述径向定子极的不同轴向位置处。

在本申请的一些实施例中，所述径向定子极包括靴部、延伸部以及将所述靴部与延伸部相连接的过渡部，所述过渡部自所述靴部沿着远离所述转子组件的径向方向延伸，所述延伸部自所述连接部沿着朝向所述定子闭合磁路软铁的位置轴向延伸，所述径向主动控制线圈、轴向旋转控制线圈及所述定子闭合磁路软铁沿着所述延伸部的轴向方向布置。

在本申请的一些实施例中，所述靴部的轴向高度大于所述过渡部的轴向高度。

本申请的另一个方面还提供一种泵装置，包括：泵壳；叶轮，所述叶轮设置于所述泵壳内部；如上述所述的无轴承电机，所述无轴承电机被配置为带动所述叶轮旋转。

本申请提供一种无轴承电机及泵装置，无轴承电机的结构更为紧凑和简洁，可以在不降低无轴承电机性能的情况下微小型化无轴承电机，从而提供了一种可以微小型化的径向主动控制的无轴承电机，增加了无轴承电机的应用前景，可广泛适用于需要高速高洁净高耐久度的旋转结构设计场合，微小型化后可以适用于血液泵领域。

附图说明

以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本申请的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的发明意图。应当理解，附图为示意性目的，并不能理解为一定按比例绘制。其中：

图1为本申请实施例所述的无轴承电机的立体结构部分示意图；

图2为本申请实施例所述的无轴承电机的俯视图；

图3为本申请实施例所述的无轴承电机沿图2中A-A线的纵向截面结构示意图；

图4为本申请实施例所述的无轴承电机的转子组件的爆炸图；

图5为本申请实施例基于所述的无轴承电机纵向截面的偏置磁场原理示意图；

图6为本申请实施例基于所述的无轴承电机纵向截面的轴向被动控制磁路示意图；

图7为本申请实施例基于所述的无轴承电机纵向截面的侧倾被动控制磁路示意图；

图8为本申请实施例基于所述的无轴承电机纵向截面的径向主动控制磁路示意图；

图9为本申请实施例基于所述的无轴承电机的轴向主动旋转控制磁路示意图；

图10为本申请实施例泵装置的内部结构示意图。

具体实施方式

以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本申请不限于所示的实施例，而是权利要求所保护技术方案的最宽范围。

下面结合实施例和附图对本发明技术方案进行详细说明。

图1为本申请实施例所述的无轴承电机的立体结构部分示意图。图2为本申请实施例所述的无轴承电机的俯视图。图3为本申请实施例所述的无轴承电机沿图2中A-A线的纵向截面结构示意图。下面结合附图对本申请实施例所述的无轴承电机进行详细说明。

本申请的实施例提供一种无轴承电机100，参考图1和图2和图3所示，包括：转子组件10和定子组件20，所述定子组件20环绕所述转子组件10周向设置，所述定子组件20被配置为提供关于所述转子组件10的轴向和倾斜位移的被动稳定性控制和径向位移的主动稳定性控制以及轴向旋转功能。

在本申请的一些实施例中，所述转子组件10和所述定子组件20之间的间距小于或等于所述转子组件外径的10％。通常，本领域技术人员为了微小型化无轴承电机，均采用对转子或者定子各自的材质或组成进行改变的途径，而并未对无轴承电机各部件之间的大小尺寸关系进行研究来实现微小型无轴承电机，同时又保持无轴承电机的性能。本申请的发明人创造性的采用完全不同的研究路径，在研发过程中惊讶的发现，转子组件和定子组件之间的间距与转子组件外径的关系对于无轴承电机的性能产生直接的影响，尤其地，通过将所述转子组件10和所述定子组件20之间的间距设定为小于或等于所述转子组件外径的10％，可以在不降低或者提高无轴承电机性能的情况下，实现了微小型化的无轴承电机，并且使得整个无轴承电机的设计更加紧凑。

图4为本申请实施例所述的无轴承电机的转子组件的爆炸图。

继续参考图1和图2和图3和图4所示，所述转子组件10整体呈环形，例如，圆环形，所述转子组件10具有中心轴线Z(如图3所示)，所述转子组件10被配置为绕所述中心轴线Z旋转。

继续参考图4所示，所述转子组件10包括：转子中心软铁11；转子永磁体12，所述转子永磁体12设置在所述转子中心软铁11沿中心轴线Z方向的两端；转子软铁13，设置于所述转子永磁体12沿中心轴线Z方向的两端。

在本申请的一些实施例中，所述转子中心软铁11为齿轮状结构，所述转子中心软铁11具有8个齿级11a。

在本申请的一些实施例中，所述转子软铁13以及转子永磁体12呈圆环形。

在本申请的一些实施例中，所述转子永磁体12的材料包括铷铁硼。

在本申请的一些实施例中，所述转子中心软铁11和转子软铁13的材料包括纯铁或硅钢。

具体地，参考图4所示，所述转子永磁体12包括分别设置在所述转子中心软铁11沿中心轴线Z方向的两端的第一转子永磁体12a和第二转子永磁体12b；所述转子软铁13包括分别设置在所述转子永磁体12沿中心轴线Z方向的两端的第一转子软铁13a和第二转子软铁13b；通过这样的设置，可以形成沿着Z方向布置的两个磁环路，后文中将作详细介绍。

如上所述，本申请的发明人采用完全不同于现有常规的研发思路，创造性的通过设计转子组件中各部件之间的不同尺寸关系，在不降低或者提高无轴承电机性能的情况下，还可以实现微小型化并且紧凑型的无轴承电机，具体的一些实施例将在以下内容中进行描述。

在本申请的一些实施例中，参考图3所示，所述转子组件10的轴向高度h2与所述转子组件10的最大外径之比小于或等于1.2。所述转子组件10的最大外径指的是组合构成所述转子组件10的各个组成部分的最大外径，例如，所述转子永磁体12和所述转子软铁13以及所述转子中心软铁11中外径最大者的外径值。

在本申请的一些实施例中，所述转子中心软铁11的高度h1占所述转子组件10的高度h2的比例大于或等于20％，例如为30％、40％、50％或60％等。

在本申请的一些实施例中，所述第一转子永磁体12a、所述第二转子永磁体12b和所述第一转子软铁13a、所述第二转子软铁13b均为环形，所述第一转子永磁体12a和所述第二转子永磁体12b的尺寸相同，所述第一转子软铁13a和所述第二转子软铁13b的尺寸相同。所述转子永磁体12的外径、所述转子软铁13的外径和所述转子中心软铁11的外径中最大者与最小者之差的绝对值与所述转子软铁13的外径之比小于或等于30％，所述转子永磁体12的内径和所述转子软铁13的内径之差的绝对值与所述转子软铁13的内径之比小于或等于30％。

继续参考图1和图2和图3所示，所述定子组件20包括：多组径向定子极21，所述径向定子极21沿所述转子组件10的周向均匀分布且所述径向定子极21的第一端(即朝向所述转子中心软铁11的一端)与所述转子中心软铁11位置对应，即径向对准；定子永磁体22，设置于所述径向定子极21的第一端沿中心轴线Z方向的两端；定子软铁23，设置于所述定子永磁体22沿中心轴线Z方向的两端，所述定子软铁23和所述定子永磁体22分别环绕所述转子软铁、所述转子永磁体周向设置且与所述转子永磁体位置对应；定子闭合磁路软铁26，位于所述径向定子极21第二端部，用于磁连通所述若干径向定子极21；径向主动控制线圈24，缠绕在每组径向定子极21上的第一位置处；轴向旋转控制线圈25，缠绕在每组径向定子极21上的第二位置处。在本申请的一些实施例中，所述径向主动控制线圈24、轴向旋转控制线圈25位于所述径向定子极21的不同轴向位置处。

在本申请的一些实施例中，所述径向定子极21包括靴部21a、延伸部21b以及将所述靴部21a与延伸部21b相连接的过渡部21c，所述过渡部21c自所述靴部21a沿着远离所述转子组件10的径向方向延伸，所述延伸部21b自所述连接部21c沿着朝向所述定子闭合磁路软铁26的位置轴向延伸，所述径向主动控制线圈24、轴向旋转控制线圈25及所述定子闭合磁路软铁26沿着所述延伸部21b的轴向方向布置。

在一些实施例中，所述靴部21a的轴向高度大于所述过渡部21c的轴向高度。

在本申请的一些实施例中，所述径向定子极21的材料包括导磁的铁磁性材料。

在本申请的一些实施例中，所述径向定子极21的组数可以为3个以上，较佳地为大于等于4的偶数，并均匀分布在转子组件10周围。在本实施例中，作为一种示范，参考图2所示，所述径向定子极21的组数为4组(每组分别标记为Xn、Xp、Yn、Yp)，每组径向定子极21的数量为3个(分别标记为U、V、W)。十二个径向定子极21与转子中心软铁11的八个齿极11a形成了一个12/8配置的磁阻电机磁路结构。在其他实施例中，径向定子极21和转子中心软铁齿级11a的数量组合也可以是其他任何合适的组合，例如8个径向定子极21和6个转子中心软铁齿级11a。

在本申请的一些实施例中，所述径向定子极21的第一端部的高度H1占所述径向定子极21的第一端部、所述定子软铁22和所述定子永磁体23的总堆叠高度H2的比例大于或等于20％。

在本申请的一些实施例中，所述定子永磁体22的材料包括铷铁硼。

在本申请的一些实施例中，所述定子软铁23的材料包括纯铁或硅钢。

在本申请的一些实施例中，处于对应位置的所述转子永磁体12和所述定子永磁体22沿所述中心轴线Z的不同方向充磁。

在本申请的一些实施例中，所述转子永磁体12与定子软铁23和转子软铁13与转子永磁体12之间建立连续的偏置磁场间隙，而所述转子中心软铁11与径向定子极21之间形成不连续的偏置磁场间隙。

参考图3所示，所述定子永磁体22包括分别设置在所述径向定子极21的第一端沿中心轴线Z方向的两端的第一定子永磁体22a和第二定子永磁体22b；所述定子软铁23包括分别设置在所述定子永磁体22沿中心轴线Z方向的两端的第一定子软铁23a和第二定子软铁23b。

在本申请的一些实施例中，所述第一定子永磁体22a、所述第二定子永磁体22b、所述第一定子软铁23a和所述第二定子软铁23b均为环形，所述第一定子永磁体22a和所述第二定子永磁体22b的尺寸相同，所述第一定子软铁23a和所述第二定子软铁23b的尺寸相同。所述定子永磁体22的外径(即所述第一定子永磁体22a和所述第二定子永磁体22b的外径之一)与所述定子软铁23的外径(所述第一定子软铁23a和所述第二定子软铁23b的外径之一)之差的绝对值与所述定子软铁23的外径之比小于或等于30％。所述定子永磁体22的内径(即所述第一定子永磁体22a和所述第二定子永磁体22b的内径之一)和所述定子软铁23的内径(所述第一定子软铁23a和所述第二定子软铁23b的内径之一)分别与所述径向定子极的第一端部的内径之差的绝对值分别与所述定子永磁体22的内径之比小于或等于30％。

在本申请的一些实施例中，所述第一定子永磁体22a和所述第一转子永磁体12a的充磁方向相反，例如沿着轴向的充磁方向相反；所述第二定子永磁体22b和所述第二转子永磁体12b的充磁方向相反，例如沿着轴向的充磁方向相反。

在本申请的一些实施例中，所述第一定子永磁体22a和所述第二定子永磁体22b的充磁方向相反，例如沿着轴向的充磁方向相反；所述第一转子永磁体12a和所述第二转子永磁体12b的充磁方向相反，例如沿着轴向的充磁方向相反。

在本申请的一些实施例中，所述转子组件10的高度h2(即所述转子永磁体12、所述转子中心软铁11和所述转子软铁13的总堆叠高度)与所述径向定子极21的第一端、所述定子永磁体22和所述定子软铁23的总堆叠高度H2(即所述径向定子极21的第一端、所述第一定子软铁23a、所述第一定子永磁体22a、所述第二定子软铁23b和所述第二定子永磁体22b的总堆叠高度)之差的绝对值与所述径向定子极的第一端部、所述定子软铁23和所述定子永磁体22的总堆叠高度H2之比小于或等于30％。也就是，|H2-h2|/H2≤0.3。

在本申请的一些实施例中，所述径向定子极21的第一端部可以设置有沿所述径向定子极21的第一端部周向方向的环状沟槽，所述转子软铁13朝向径向定子极21的一面也可以设置有沿周向方向的环状沟槽，以减轻整体结构的重量并削减径向负刚度。

在本申请的一些实施例中，所述定子闭合磁路软铁26的形状为环形。在本申请的另一些实施例中，所述定子闭合磁路软铁26的尺寸和形状只要可以在磁路上连接起所述若干径向定子极21即可，不限制必须为圆环形。

在本申请的一些实施例中，所述径向定子极21的形状不做限制，只要所述径向定子极21具有与转子组件10正对的圆柱面(第一端部)以及用于缠绕线圈的部分即可。

在本申请的一些实施例中，每个径向定子极21上都缠绕一个径向主动控制线圈24，或者同一组的径向定子极21共同缠绕一个径向主动控制线圈24。

在本申请的一些实施例中，所述无轴承电机100还包括：径向主动控制系统(图中未示出)，被配置为提供关于所述转子组件10的径向位移的主动稳定性控制，所述径向主动控制系统包括：位移传感器，用于检测所述转子组件10的径向偏移量；控制器，接收所述位移传感器的检测结果，被配置为当所述位移传感器检测的径向偏移量大于偏移阈值时向所述径向主动控制线圈24输出控制电流使所述转子组件10的径向偏移量回到所述偏移阈值内。如本领域技术人员根据本公开可以理解的主控制系统均可以应用于本申请中的无轴承电机控制，在此不再赘述。

在本申请的一些实施例中，所述无轴承电机100还包括：轴向旋转控制系统(图中未示出)，被配置为控制所述转子组件10沿轴向旋转，所述轴向旋转控制系统包括：角度检测传感器，用于检测所述转子组件10的角度位置；轴向旋转控制器，接收所述角度检测传感器的检测结果，被配置为根据所述角度检测传感器的检测结果向每组径向定子极中特定的径向定子极上的轴向旋转控制线圈25输出控制电流使所述转子组件10沿轴向旋转。

图5为本申请实施例基于所述的无轴承电机纵向截面的偏置磁场原理示意图。需要说明的是，出于简洁的目的，避免磁路线与标号线重叠影响观感，图5中省略了无轴承电机的标号，对应的标号可以参考图3。

参考图5所示，图中所示磁路线30由转子永磁铁与定子永磁铁产生，主要用来建立静态偏置磁场。由于基于Z轴，所述第一定子永磁体22a和所述第一转子永磁体12a的充磁方向相反，所述第二定子永磁体22b和所述第二转子永磁体12b的充磁方向相反，所述第一定子永磁体22a和所述第二定子永磁体22b的充磁方向相反，所述第一转子永磁体12a和所述第二转子永磁体12b的充磁方向相反，建立沿Z轴上下布置的两组磁通环路，所以所述转子组件10和定子组件20间偏置磁场强度相对于传统的将永磁铁仅放置在定子组件或者转子组件中的结构大大增强，且轴向上下偏置磁通环路独立不干涉。进一步的，这种使用永磁体建立的上下偏置磁场可以大大增强无轴承电机的扭矩和驱动效率。

图6为本申请实施例基于所述的无轴承电机纵向截面的轴向被动控制磁路原理图。

参考图5和图6所示，同时参考图3所示，转子组件10轴向刚度是由偏置磁场提供的被动轴向刚度。当转子组件10处于轴向平衡位置时(图5所示)，由于轴向结构对称性，转子组件10在轴向不受力。当转子组件10受到向下的干扰力时(图6所示)，转子组件10向下产生位移。此时偏置磁场产生的永磁力会将转子组件10拉回平衡位置。

图7为本申请第一实施例基于所述的无轴承电机纵向截面的侧倾被动控制磁路原理图。

参考图5和图7所示，转子组件10的侧倾刚度是由偏置磁场提供的被动侧倾刚度。当转子组件10在平衡位置时(图5所示)，由于结构对称性，转子轴不受扭矩。当转子组件10受到干扰，产生了中心轴线Z的偏转(沿图7中顺时针方向)。此时对应的定子软铁23、定子永磁铁22与转子永磁铁12以及径向定子极21与转子中心软铁11产生错位，错位与偏置磁场产生的永磁力叠加产生一个逆时针方向的回复力矩，将转子组件10拉回平衡位置。

图8为本申请第一实施例所述的无轴承电机的径向主动控制磁路示意图。

参考图5和图8所示，转子组件10在径向平衡位置时，由于结构的对称性，偏置磁场在径向磁间隙中产生的磁感应强度大小相等，进而产生的永磁力在径向是相等的，转子组件10处于平衡位置(如图5所示)。如果转子组件10受到向右的干扰力，转子组件10将偏离平衡位置，向右产生位移(如图8所示)，进而左边的磁间隙大于右边的磁间隙。左边磁感应强度降低，右边磁感应强度增加。磁极面积一定时，磁力与磁感应强度的平方成正比。因此偏置磁场产生的永磁力右边大于左边，转子组件10无法自主回到平衡位置。此时，利用布置在转子组件10径向的非接触位移传感器(图中未示出)检测出转子组件10相对径向平衡位置的偏移量并发送给控制器。通过控制器将位移信号转化为控制信号，控制信号经过功率放大器转化为控制电流通入左右径向定子极的径向主动控制线圈中，从而产生如图8所示的控制磁场40。控制磁场产生的磁感应强度在左边的径向磁间隙中是叠加增强的，在右边的径向磁间隙中是叠加减弱的，此时左边磁间隙中的磁力将大于右边磁间隙的磁力，将转子组件10拉回如图5所示的径向平衡位置。

图9为本申请实施例基于所述的无轴承电机的轴向主动旋转控制磁路示意图。

参照图2、图5与图9所示，转子组件10处于如图9所示位置时，类似传统磁阻电机的驱动模式，通过角度检测传感器如霍尔传感器，检测出转子组件10的角度位置，控制器对特定相位组的轴向旋转控制线圈25输入控制电流(如图9中相位U)，产生控制磁场50，使转子组件10产生特定轴向方向的旋转(如图9中的逆时针方向),再通过角度检测传感实现相位组的切换，从而达成转子组件10的连续旋转目的。

本申请的技术方案，转子软铁和定子软铁可以适度降低过大的径向负刚度对于磁浮系统的鲁棒性的影响。在本申请的一些实施例中，也可以去除所述转子软铁和定子软铁。

软铁在磁场的作用类似于电场中的导体，磁阻非常小，可以让磁力集中，提升偏置磁场的强度。所以合理的在转子组件10和定子组件20中使用软铁可以有效增强磁场聚集程度提升被动控制刚度，但被动控制刚度的提升也会带来非线性的径向负刚度提升。本申请的发明人还进一步创造性的发现，定子软铁的另一个作用就是可以有效的在提升被动控制刚度的同时对于主动磁场控制效率不会产生过多的影响，但如果在转子组件中加入对应定子软铁的转子软铁，就会让径向负刚度过大影响控制效率。

本申请的技术方案，利用轴向充磁、对应的转子永磁体和定子永磁体充磁方向相反、轴向上下永磁体充磁方向相反的转子永磁体和定子永磁体提供轴向上下相对独立的静态偏置磁场。轴向上下独立的偏置磁路结构使得在轴向和侧倾方向上产生足量的被动控制刚度。

进一步的，这种静态偏置磁场可以大大增强旋转控制的扭矩和驱动效率，相对于传统的磁阻电机结构，本申请技术方案的无轴承电机拓扑既可以实现高效率的磁悬浮控制，同时也可以实现高效率的电机驱动。

本申请的技术方案，轴向与侧倾方向上的足量被动控制刚度使得转子组件和定子组件的结构简单紧凑可靠，易于进行微小型化。

本申请的技术方案，为增强无轴承电机的驱动效率、提升驱动扭矩以及被动磁悬浮控制刚度，转子组件与定子组件部分均使用永磁体，两对轴向充磁的转子永磁体和定子永磁体在轴向上下形成独立的闭合偏置磁路结构。为增强径向主动控制能效，定子闭合磁路软铁的形状可以根据实际需要灵活设置。为适应小型化设计以及不同无轴承电机的驱动场景，可以设置形状灵活的定子极数目和对应的转子中心软铁齿极数目。为了优化设计，各零部件的比例关系可以灵活设置。

本申请提供一种无轴承电机，无轴承电机的结构更为紧凑和简洁，可以在不降低无轴承电机性能的情况下微小型化无轴承电机，从而提供了一种可以微小型化的径向主动控制的无轴承电机，增加了无轴承电机的应用前景，可广泛适用于需要高速高洁净高耐久度的旋转结构设计场合，微小型化后可以适用于血液泵领域。

图10为本申请实施例泵装置的内部结构示意图。

本申请的实施例还提供一种泵装置200，参考图10所示，包括：泵壳210；叶轮220，所述叶轮220设置于所述泵壳210内部；如上述所述的无轴承电机100，所述无轴承电机100被配置为带动所述叶轮220旋转。

本申请实施例所述的泵装置200例如为离心血泵，但本发明不仅限应用于离心血泵。

所述无轴承电机100的结构前面已经详细描述过，在此不再赘述。

继续参考图10，所述泵壳210包括上壳体211和下壳体212，所述上壳体211和下壳体212组合构成容纳空间，所述无轴承电机100设置于所述容纳空间中。

本申请提供一种无轴承电机及泵装置，无轴承电机的结构更为紧凑和简洁，可以在不降低无轴承电机性能的情况下微小型化无轴承电机，从而提供了一种可以微小型化、高被动控制刚度且低功耗的径向主动控制的无轴承电机，增加了无轴承电机的应用前景，可广泛适用于需要高速高洁净高耐久度的旋转结构设计场合，微小型化后可以适用于血液泵领域，例如应用到对于旋转、体积要求极高的人工心脏领域，如上所述的离心血泵。

综上所述，在阅读本申请内容之后，本领域技术人员可以明白，前述申请内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改都在本申请的示例性实施例的精神和范围内。

应当理解，本实施例使用的术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意或全部组合。应当理解，当一个元件被称作“连接”或“耦接”至另一个元件时，其可以直接地连接或耦接至另一个元件，或者也可以存在中间元件。

本实施例使用的术语“永磁体”或“磁体”是指由剩磁大且矫顽力大的铁磁材料制成并且被磁化以用作磁场的来源的部件，例如NeFeB，如本领域技术人员所公知的。本文使用的“软铁”是指由剩磁小且矫顽力小的层压或非层压铁磁材料制成并且用于引导磁通量的部件，例如纯铁、硅钢或Hiperco合金，如本领域技术人员所公知的。

还应当理解，术语“包含”、“包含着”、“包括”或者“包括着”，在本申请文件中使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本申请的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标记符在整个说明书中表示相同的元件。

此外，本申请说明书通过参考理想化的示例性截面图和/或平面图和/或立体图来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。

Claims (20)

1.一种无轴承电机，其特征在于，包括：

转子组件和定子组件，所述定子组件环绕所述转子组件周向设置；

所述转子组件具有中心轴线，包括：

转子中心软铁；

转子永磁体，设置于所述转子中心软铁沿中心轴线方向的两端；

转子软铁，设置于所述转子永磁体沿中心轴线方向的两端；

所述定子组件包括：

多组径向定子极，所述径向定子极沿所述转子组件的周向均匀分布且所述径向定子极的第一端部与所述转子中心软铁位置对应；

定子永磁体，设置于所述径向定子极的第一端部沿中心轴线方向的两端；

定子软铁，设置于所述定子永磁体沿中心轴线方向的两端，所述定子软铁和所述定子永磁体分别环绕所述转子软铁、转子永磁体周向设置；

定子闭合磁路软铁，位于所述径向定子极的第二端部，磁连通所述径向定子极；

径向主动控制线圈，缠绕在每组径向定子极上的第一位置处；

轴向旋转控制线圈，缠绕在每组径向定子极上的第二位置处。

2.如权利要求1所述的无轴承电机，其特征在于，还包括：径向主动控制系统，被配置为提供关于所述转子组件的径向位移的主动稳定性控制，所述径向主动控制系统包括：

位移传感器，用于检测所述转子组件的径向偏移量；

径向主动控制器，接收所述位移传感器的检测结果，被配置为当所述位移传感器检测的径向偏移量大于偏移阈值时向所述径向主动控制线圈输出控制电流使所述转子组件的径向偏移量回到所述偏移阈值内。

3.如权利要求1所述的无轴承电机，其特征在于，还包括：轴向旋转控制系统，被配置为控制所述转子组件沿轴向旋转，所述轴向旋转控制系统包括：

角度检测传感器，用于检测所述转子组件的角度位置；

轴向旋转控制器，接收所述角度检测传感器的检测结果，被配置为根据所述角度检测传感器的检测结果向每组径向定子极中的目标径向定子极上的轴向旋转控制线圈输出控制电流使所述转子组件沿轴向旋转。

4.如权利要求1所述的无轴承电机，其特征在于，所述转子中心软铁为齿轮状结构，所述转子中心软铁具有8个齿级；所述径向定子极的组数为4组，每组径向定子极的数量为3个。

5.如权利要求1所述的无轴承电机，其特征在于，所述转子组件的高度与所述径向定子极的第一端部、所述定子软铁和所述定子永磁体的总堆叠高度之差的绝对值与所述径向定子极的第一端部、所述定子软铁和所述定子永磁体的总堆叠高度之比小于或等于30％。

6.如权利要求1所述的无轴承电机，其特征在于，所述转子组件的轴向高度与所述转子组件的最大外径之比小于或等于1.2。

7.如权利要求1所述的无轴承电机，其特征在于，所述径向定子极的第一端部的高度占所述径向定子极的第一端部、所述定子软铁和所述定子永磁体的总堆叠高度的比例大于或等于20％。

8.如权利要求1所述的无轴承电机，其特征在于，所述转子中心软铁的高度占所述转子组件的高度的比例大于或等于20％。

9.如权利要求1所述的无轴承电机，其特征在于，所述转子永磁体和所述定子永磁体沿所述中心轴线的方向充磁。

10.如权利要求1所述的无轴承电机，其特征在于，所述转子永磁体包括分别设置在所述转子中心软铁沿中心轴线方向的两端的第一转子永磁体和第二转子永磁体；所述转子软铁包括分别设置在所述转子永磁体沿中心轴线方向的两端的第一转子软铁和第二转子软铁；所述定子永磁体包括分别设置在所述径向定子极的第一端部沿中心轴线方向的两端的第一定子永磁体和第二定子永磁体；所述定子软铁包括分别设置在所述定子永磁体沿中心轴线方向的两端的第一定子软铁和第二定子软铁。

11.如权利要求10所述的无轴承电机，其特征在于，所述第一定子永磁体和所述第一转子永磁体的充磁方向相反，所述第二定子永磁体和所述第二转子永磁体的充磁方向相反。

12.如权利要求11所述的无轴承电机，其特征在于，所述第一定子永磁体和所述第二定子永磁体的充磁方向相反，所述第一转子永磁体和所述第二转子永磁体的充磁方向相反。

13.如权利要求10所述的无轴承电机，其特征在于，所述第一转子永磁体、所述第二转子永磁体和所述第一转子软铁、所述第二转子软铁均为环形，所述第一转子永磁体和所述第二转子永磁体的尺寸相同，所述第一转子软铁和所述第二转子软铁的尺寸相同，所述转子永磁体的外径、所述转子软铁的外径和所述转子中心软铁的外径中最大者与最小者之差的绝对值与所述转子软铁的外径之比小于或等于30％，所述转子永磁体的内径和所述转子软铁的内径之差的绝对值与所述转子软铁的内径之比小于或等于30％。

14.如权利要求10所述的无轴承电机，其特征在于，所述第一定子永磁体、所述第二定子永磁体、所述第一定子软铁和所述第二定子软铁均为环形，所述第一定子永磁体和所述第二定子永磁体的尺寸相同，所述第一定子软铁和所述第二定子软铁的尺寸相同，所述定子永磁体的外径与所述定子软铁的外径之差的绝对值与所述定子永磁体的外径之比小于或等于30％，所述定子永磁体的内径和所述定子软铁的内径与所述径向定子极的第一端部的内径之差的绝对值与所述定子永磁体的内径之比小于或等于30％。

15.如权利要求1所述的无轴承电机，其特征在于，每个径向定子极上都缠绕一个径向主动控制线圈，或者同一组的径向定子极共同缠绕一个径向主动控制线圈。

16.如权利要求1所述的无轴承电机，其特征在于，所述转子永磁体和所述定子永磁体的材料包括铷铁硼，和/或所述转子软铁、所述转子中心软铁及所述定子软铁的材料包括纯铁或硅钢，和/或所述径向定子极的材料包括导磁的铁磁性材料。

17.如权利要求1所述的无轴承电机，其特征在于，所述径向主动控制线圈、轴向旋转控制线圈位于所述径向定子极的不同轴向位置处。

18.如权利要求1所述的无轴承电机，其特征在于，所述径向定子极包括靴部、延伸部以及将所述靴部与延伸部相连接的过渡部，所述过渡部自所述靴部沿着远离所述转子组件的径向方向延伸，所述延伸部自所述过渡部沿着朝向所述定子闭合磁路软铁的位置轴向延伸，所述径向主动控制线圈、轴向旋转控制线圈及所述定子闭合磁路软铁沿着所述延伸部的轴向方向布置。

19.如权利要求18所述的无轴承电机，其特征在于，所述靴部的轴向高度大于所述过渡部的轴向高度。

20.一种泵装置，其特征在于，包括：

泵壳；

叶轮，所述叶轮设置于所述泵壳内部；

如权利要求1至19任一项所述的无轴承电机，所述无轴承电机被配置为带动所述叶轮旋转。