CN1697288A - 无轴承交替极薄片电机 - Google Patents

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王晓琳
廖启新
邓智泉
仇志坚
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Abstract

一种无轴承交替极薄片电机属无轴承磁悬浮电机，该电机转子(3)上的永磁体(2)沿径向方向为同极性排列，永磁体之间的铁心被磁化成相同的另一极性，从而永磁体与铁心构成交替极性分布，且转子轴向长度与其直径相比较短，呈短轴薄片型；定子(1)上叠绕转矩绕组(4)和悬浮控制绕组(5)，能够在主动控制径向悬浮力的基础上，再依靠磁阻力效应同时实现转子轴向和扭转方向上另外三个自由度的被动磁悬浮，从而实现转子的五自由度全悬浮运行。该电机转矩控制与悬浮力控制之间是相互独立的，且电机结构简单紧凑，无磨损，重量轻、体积小，可靠性高，是一种无磨损、无污染的高性能磁悬浮电机，具有广阔的应用前景，尤其是在超洁净领域驱动技术中具有重要意义。

Description

无轴承交替极薄片电机
技术领域
本发明的无轴承交替极薄片电机，属于无轴承磁悬浮电机。
背景技术
磁悬浮轴承是一种利用磁场力将转轴无接触悬浮在空间的机电一体化轴承，属于非接触性轴承，其具有无润滑、无磨损、无机械噪声等优点而倍受瞩目。但因磁轴承绕组占有相当的轴向空间，结构复杂，难以微型化。无轴承薄片电机是1998年由瑞士学者Barletta等人提出的一种集驱动与悬浮功能于一体的特种电机结构，且转子具有五自由度全悬浮功能。由于无需独立的磁轴承支撑，无轴承电机结构更加紧凑，其转轴刚度、空间利用率以及电磁效率等均有很大提高。目前，常用无轴承薄片电机结构为表面贴装式或插入式的无轴承永磁同步电机。这样一来，无轴承永磁同步电机悬浮力与转矩控制是相互耦合的，需要复杂的磁场定向控制算法对其进行解耦控制，两者控制性能受到相互制约。而且永磁同步电机弱磁困难，导致了无轴承电机控磁能力差，可控悬浮力小。此外，无轴承永磁同步电机的稳定性和可靠性还受到永磁体易退磁的不利影响。
发明内容
本发明的目的在于提出一种结构简单紧凑，无磨损，重量轻、体积小，功率密度大，可靠性高的无轴承磁悬浮电机。
实现上述目的的无轴承交替极薄片电机，包括叠绕三相转矩绕组和悬浮控制绕组的定子和具有永磁体的转子，其特点是，转子上永磁体沿径向方向为同极性排列，永磁体与转子铁心构成交替极性分布，转子轴向长度与转子直径相比较短，呈短轴薄片型。
本发明的工作原理是利用悬浮控制绕组的作用，改变原有转矩绕组产生的旋转磁场对称分布，使得电机气隙中某一区域的磁场增强，而其对称区域的磁场减弱，其产生的磁张应力(即麦克思韦力)将指向磁场增强的一方。这样一来，可以通过转子径向位移的负反馈控制，调节悬浮控制绕组产生磁场的大小和方向，就可以控制作用在转子上径向悬浮力的大小和方向。在此基础上，再依靠磁阻力效应同时实现转子轴向和扭转方向上另外三个自由度的被动磁悬浮，从而实现转子的五自由度全悬浮运行。
本发明的无轴承交替极薄片电机具有以下特点：①悬浮控制控磁容易，负载能力强。无论转子旋转位置如何，由于转子铁心磁阻较小，悬浮控制绕组磁链只通过转子铁心，而不经过永磁体部分，因而整个等效磁路的磁阻减小，产生悬浮力所需要的磁势也明显降低。换句话说，相同安匝数情况下，无轴承交替极薄片电机与普通无轴承永磁电机相比，可以产生更大的悬浮力，这对提高系统的抗冲击和抗振能力具有重要意义。②固有的悬浮解耦特性，悬浮控制模型简单。无轴承交替极薄片电机悬浮机理决定其悬浮控制不受旋转磁场位置影响，悬浮力与转矩控制之间相互独立。这样一来，既增加了系统的可靠性，又大大降低了控制系统设计难度。③结构简单紧凑，具有高度集成性，转子轴向利用率近100％，便于微型化。④定、转子完全隔离，转子旋转部分位于通道中心处于全悬浮状态，无任何机械磨损，无挤压，免维护，使用寿命，可靠性高。总得来说，无轴承交替极薄片电机很好地结合了无轴承和磁轴承各自的优点，是一种无磨损、无污染的高性能磁悬浮电机，对我国医药化工、生命科学、半导体制造以及航空航天等超洁净领域驱动技术研究具有重要意义。
附图说明
图1是无轴承交替极薄片电机结构示意图。
图中符号名称：N1u(N1u′)、N1v(N1v′)和N1w(N1w′)的三相转矩控制绕组；Nx(Nx′)是x方向上的悬浮力控制绕组；Ny(Ny′)是y方向上的悬浮力控制绕组。
标号名称：1：定子；2：永磁体；3：转子；4：转矩绕组；5：悬浮控制绕组。
具体实施方式：
图1是本发明无轴承交替极薄片电机结构示意图。其具体组成是，在定子1槽中嵌绕一套用于控制电机转矩输出的三相转矩绕组N1u(N1u′)、N1v(N1v′)和Nlw(N1w′)和一套用于控制转子3所受悬浮力的悬浮控制绕组Nx(Nx′)和Ny(Ny′)，装在转子3上的永磁体2沿径向方向均为同极性排列，永磁体2之间的转子铁心被磁化成相同的另一极性，使永磁体2与转子铁心构成交替极性分布，且转子轴向长度与转子直径相比较短，呈短轴薄片型。定子槽中的转矩绕组和悬浮控制绕组，能够在主动控制径向悬浮力的基础上，再依靠磁阻力效应同时实现转子轴向和扭转方向上的另外三个自由度的被动磁悬浮，从而实现转子的五自由度全悬浮运行。本电机的转矩控制与悬浮控制之间是独立的，且电机结构简单紧凑，无磨损，重量轻，体积小，可靠性高，是一种无磨损、无污染的高性能磁悬浮电机，具有广阔的应用背景，尤其是在超洁净领域的驱动技术中具有重要意义。

Claims (1)

1.一种无轴承交替极薄片电机，包括嵌绕一套用于控制电机转矩输出的三相转矩绕组(4)和一套用于控制转子所受悬浮力的悬浮控制绕组(5)的定子(1)，具有永磁体(2)的转子(3)，其特征在于：装在转子(3)上的永磁体(2)沿径向方向同极性排列，永磁体与转子铁心构成交替极分布，且转子轴向长度与转子直径相比较短，呈短轴薄片型。
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