CN202384963U

CN202384963U - 一种五自由度无轴承永磁同步电机

Info

Publication number: CN202384963U
Application number: CN2011204465847U
Authority: CN
Inventors: 孙晓东; 左文全; 朱熀秋
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2021-11-14

Abstract

本实用新型公开了一种五自由度无轴承永磁同步电机，机械转轴上对称连接有分别设置在电机壳体左、右两端的左、右锥形无轴承永磁同步电机，每台所述锥形无轴承永磁同步电机由锥形定子、转矩绕组、悬浮力绕组和锥形转子组成；锥形转子外表面贴装有永磁体，永磁体外面固定套有护套，锥形转子固定设在机械转轴上，锥形定子上沿轴向开有若干个通槽，每个通槽在径向上分为内外两层，内层和外层中分别放有悬浮力绕组和转矩绕组，转矩绕组的极数与永磁体的极数相同，悬浮力绕组的极数与转矩绕组的极数相差为2，不需额外的磁轴承就可同时实现转子径向和轴向五个自由度的悬浮，具有高度集成性，减小了体积，临界转速较高，容易实现大功率超高速运行。

Description

一种五自由度无轴承永磁同步电机

技术领域

本实用新型属于电机技术领域，特别涉及一种五自由度无轴承永磁同步电机，适用于高速和超高速直驱电主轴、半导体工业、飞轮储能、航空航天等众多特殊电力传动场合，特别适用于需要无接触、无需润滑与密封、无摩擦与磨损的真空技术、无菌车间、纯净洁室等特殊场合。

背景技术

由于单个无轴承永磁同步电机一般只能约束转子径向两个自由度，因此如果要实现转子的稳定悬浮，必须在五个自由度上同时施加约束。传统的五自由度无轴承永磁同步电机通常有以下四种结构：

1．采用1个轴向磁轴承和2台两自由度无轴承永磁同步电机构成；

2．采用1个轴向磁轴承、1个径向磁轴承和1台两自由度无轴承永磁同步电机构成；

3．采用1个三自由度径向-轴向磁轴承和1台两自由度无轴承永磁同步电机构成；

4．采用1台两自由度无轴承永磁薄片电机构成。

其中，前三种结构都采用了磁轴承，导致系统的轴向长度增大，从而降低了电机的临界转速，限制了电机向更高转速和更大功率方向的发展，而且磁轴承正常工作需要一定数量的励磁线圈、铁芯、昂贵的高精度位移传感器以及高性能功率放大驱动电路等，这些都会大大增加系统的成本，因此前三种结构的五自由度无轴承永磁同步电机机械结构比较复杂，系统成本较高；第四种结构的无轴承永磁薄片电机在利用无轴承技术实现径向两自由度悬浮的基础上，依靠磁阻力实现其它三个自由度上的被动悬浮，从而摈弃了磁轴承，简化了系统的结构，降低了系统的成本，但是该电机存在着如下缺陷：为了实现利用磁阻力来达到其它三个自由度的被动控制，电机转子的轴向长度与其直径之比必须满足一定的取值范围，通常是转子的轴向长度要比转子直径小的多，这就给提高电机的功率带来了问题，不能通过增加转子的轴向长度来提高电机的功率成为该电机的一个致命缺点，而且由于该电机其它三个自由度不能进行主动控制，在一些高速以及负载变化的情况下容易失稳。

因此，为了进一步简化五自由度无轴承永磁同步电机系统的机械结构，并且降低整个系统的体积和成本，从电机本体的角度实现系统五个自由度的悬浮运行，本领域迫切需要机械结构更紧凑、电机旋转功能和五自由度悬浮功能更集中的新型电机。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有五自由度无轴承永磁同步电机系统的不足，提出一种结构简单紧凑、功能比较完善、体积小、重量轻、功率密度大、可靠性高的新型五自由度无轴承永磁同步电机。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：包括电机壳体和机械转轴，机械转轴穿过电机壳体的左右两端，机械转轴上对称连接有分别设置在电机壳体左、右两端的左、右锥形无轴承永磁同步电机，每台所述锥形无轴承永磁同步电机由锥形定子、转矩绕组、悬浮力绕组和锥形转子组成；锥形转子外表面贴装有永磁体，永磁体外面固定套有护套，锥形转子固定设在机械转轴上，锥形定子上沿轴向开有若干个通槽，每个通槽在径向上分为内外两层，内层和外层中分别放有悬浮力绕组和转矩绕组，转矩绕组的极数与永磁体的极数相同，悬浮力绕组的极数与转矩绕组的极数相差为2。

本实用新型的优点在于：

1．本实用新型不需要额外的磁轴承，就可以同时实现转子径向和轴向五个自由度的悬浮。

2．取消了传统五自由度无轴承永磁同步电机所必需的磁轴承，电机转子的轴向长度和系统的无功损耗都得到了进一步的减小，减小了系统体积，简化了电机的结构，降低了系统的成本，同时相应的控制系统也得到进一步的简化，易于工程实现；

3．电机结构简单紧凑、具有高度集成性，进一步缩短了转子的轴向长度，提高了轴向空间利用效率，临界转速较高，容易实现大功率超高速运行。

附图说明

图1是本实用新型五自由度无轴承永磁同步电机结构示意图；

图中标号及名称为：1左锥形无轴承永磁同步电机；2．右锥形无轴承永磁同步电机；3．机械转轴；11．锥形定子；12．转矩绕组；13．悬浮力绕组；14．锥形转子；15．永磁体；16．护套；

图2是图1中五自由度无轴承永磁同步电机径向、轴向悬浮的原理图；

图中符号名称为： F ₁和 F ₂是左锥形无轴承永磁同步电机1产生的悬浮力矢量；F _x1、F _y1和F _z1分别是左侧沿x轴、y轴和z轴方向的悬浮力标量； F ₃和 F ₄是右锥形无轴承永磁同步电机2产生的悬浮力矢量；F _x2、F _y2和F _z2分别是右侧沿x轴、y轴和z轴方向的悬浮力标量。

具体实施方式

如图1所示，五自由度无轴承永磁同步电机包括电机壳体和机械转轴3，机械转轴3穿过电机壳体的左右两端，在电机壳体的左右两端安装有两台相同的锥形无轴承永磁同步电机，即左锥形无轴承永磁同步电机1和右锥形无轴承永磁同步电机2，通过机械转轴3将它们对称连接。每台锥形无轴承永磁同步电机由锥形定子11、转矩绕组12、悬浮力绕组13和锥形转子14组成。锥形转子14的外表面贴装有用永磁材料钕铁硼做成的永磁体15，永磁体15外面固定套有用碳纤维材料做成的护套16，锥形转子14固定装在机械转轴3上；锥形定子11由电工硅钢片叠压制成，在锥形定子11上沿轴向开出一定数量的若干个通槽，每个通槽在径向上分为内、外两层，内层和外层中分别放入悬浮力绕组13和转矩绕组12，其中转矩绕组12的极数与永磁体15的极数相同，悬浮力绕组13的极数与转矩绕组12的极数相差为2。

参见图2，本实用新型在工作时，左锥形无轴承永磁同步电机1产生的悬浮力矢量 F ₁（和 F ₂），可分解为三个方向的力，即径向悬浮力F _x1、F _y1和轴向悬浮力F _z1，同理右锥形无轴承永磁同步电机2产生的悬浮力矢量 F ₃（和 F ₄），也可分解为三个方向的力，即径向悬浮力F _x2、F _y2和轴向悬浮力F _z2，其中通过控制F _x1和F _y1，以及F _x2和F _y2可以实现电机径向四个自由的悬浮，通过控制F _z1和F _z2可以实现电机在轴向单自由度的悬浮，因此通过两台对称相连的锥形无轴承永磁同步电机，可以构成一种新型五自由度无轴承永磁同步电机，同时实现电机在五个自由度上的悬浮。

根据以上所述，便可以实现本实用新型。对本领域的技术人员在不背离本实用新型的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本实用新型保护范围之内。

Claims

1.一种五自由度无轴承永磁同步电机，包括电机壳体和机械转轴（3），机械转轴（3）穿过电机壳体的左右两端，其特征在于：机械转轴（3）上对称连接有分别设置在电机壳体左、右两端的左、右锥形无轴承永磁同步电机（1、2），每台所述锥形无轴承永磁同步电机由锥形定子（11）、转矩绕组（12）、悬浮力绕组（13）和锥形转子（14）组成；锥形转子（14）外表面贴装有永磁体（15），永磁体（15）外面固定套有护套（16），锥形转子（14）固定设在机械转轴（3）上，锥形定子（11）上沿轴向开有若干个通槽，每个通槽在径向上分为内、外两层，内层和外层中分别放有悬浮力绕组（13）和转矩绕组（12），转矩绕组（12）的极数与永磁体（15）的极数相同，悬浮力绕组（13）的极数与转矩绕组（12）的极数相差为2。

2.根据权利要求1所述的一种五自由度无轴承永磁同步电机，其特征在于：锥形定子（11）由电工硅钢片叠压而成，永磁体（15）的材料是钕铁硼，护套（16）的材料是碳纤维。