两自由度定子永磁偏置永磁型无轴承电机

摘要

本发明公开两自由度定子永磁偏置永磁型无轴承电机，包括电机壳体，电机壳体内设置有转子、定子，所述定子包括定子铁心，定子铁心两侧对称设置有左磁极铁心、右磁极铁心，定子铁心的定子槽内设置转矩绕组、悬浮绕组，定子铁心沿轴向两侧设置有轴向磁化的环形定子永磁体A、环形定子永磁体B；转子包括转子铁心，转子铁心沿轴向设置有径向磁化的环形转子永磁体以及转轴。本发明的目的是克服现有的永磁型无轴承电机的不足，提供一种控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立，并可产生更大径向悬浮力的定子永磁偏置永磁型无轴承电机结构。

说明书

技术领域

本发明涉及电机设备技术领域，具体涉及一种控制简单、可产生更大径向悬浮力的两自由度定子永磁偏置永磁型无轴承电机。

背景技术

无轴承电机具有无摩擦无磨损、无需润滑，易于实现更高转速和更大功率运行，特别是其中的永磁型无轴承电机具有结构简单、运行可靠性高、体积小、重量轻、效率高和功率密度大等优势，在飞轮储能、高速机床主轴电机和密封泵、离心机、压缩机、高速微型硬盘驱动装置等领域具有广阔的应用前景。

目前，现有的永磁型无轴承电机是通过在传统永磁同步电机的定子槽的转矩绕组上叠加附加的悬浮力绕组，两套绕组分别由频率相同的三相交流电源供电产生旋转的悬浮绕组磁场和转矩绕组磁场，且悬浮绕组磁场极对数为PB、转矩绕组磁场为PM，两者之间只有满足PB=PM±1的关系时，悬浮绕组磁场、转矩绕组磁场和转子永磁体磁场三者相互作用才能产生稳定可控的径向悬浮力。由径向位移传感器检测转子径向位移，构建悬浮闭环控制系统，实现转子稳定悬浮。由于转矩是由转矩绕组磁场和永磁体磁场相互作用产生，而径向悬浮力主要是由悬浮绕组磁场和永磁体磁场相互作用产生，同时，转矩绕组磁场对悬浮力产生也有着一定影响。在选择永磁体厚度时，需综合考虑径向悬浮力的大小和转矩大小之间相互制约关系，因此，限制了径向悬浮力的产生；同时，悬浮绕组磁场和转矩绕组磁场之间存在强耦合，需采用复杂的解耦控制策略对旋转系统和悬浮系统进行解耦控制，且悬浮力与转子位置角密切相关，故现有的永磁型无轴承电机具有产生的径向悬浮力较小，控制复杂且精度较低的缺点。

发明内容

本发明的目的是克服现有的永磁型无轴承电机的不足，提供一种控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立，并可产生更大径向悬浮力的定子永磁偏置永磁型无轴承电机结构。

本发明通过以下技术方案实现：

两自由度定子永磁偏置永磁型无轴承电机，包括电机壳体，电机壳体内设置有转子、定子，其特征在于：所述定子包括定子铁心（5），定子铁心（5）两侧对称设置有左磁极铁心（1）、右磁极铁心（2），定子铁心（5）的定子槽内设置转矩绕组（6）、悬浮绕组（7），定子铁心（5）沿轴向两侧设置有轴向磁化的环形定子永磁体A（3）、环形定子永磁体B（4）；

所述转子包括转子铁心（9），转子铁心（9）沿轴向设置有径向磁化的环形转子永磁体（8）以及转轴（10）。

本发明进一步技术改进方案是：

所述环形定子永磁体A（3）、环形定子永磁体B（4）为电机提供静态偏置磁通（11），悬浮绕组（7）为直流电源供电，为电机提供悬浮控制磁通（12），转子由静态偏置磁通（11）、悬浮控制磁通（12）相互作用产生径向悬浮力。

本发明进一步技术改进方案是：

所述环形定子永磁体A（3）、环形定子永磁体B（4）以及环形转子永磁体（8）为稀土永磁材料制成。

本发明进一步技术改进方案是：

所述左磁极铁心（1）、右磁极铁心（2）、定子铁心（5）以及转子铁心（9）均由导磁材料制成。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点，本发明由两个轴向磁化的环形定子永磁体提供静态偏置磁通，悬浮绕组通过由直流电源供电，产生悬浮控制磁通，两者相互叠加作用，保证了定子、转子之间的气隙均匀，实现转子稳定悬浮，悬浮控制、转矩控制相互独立，不但可产生较大的径向悬浮力，而且控制简单和易于实现的优点，在一个五自由度悬浮支撑系统中应成对对称使用，可广泛应用于飞轮储能、各种高速机床主轴电机和密封泵类、离心机、压缩机、高速小型硬盘驱动装置等领域。

附图说明

图1为本发明的轴向结构示意图；

图2为本发明绕组排列与径向磁路示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明包括电机壳体，电机壳体内设置有转子、定子，所述定子包括定子铁心5，定子铁心5两侧对称设置有左磁极铁心1、右磁极铁心2，定子铁心5的定子槽内设置转矩绕组6、悬浮绕组7，转矩绕组6位于定子槽外层，悬浮绕组7位于定子槽内层，定子铁心5沿轴向两侧设置有轴向磁化的环形定子永磁体A3、环形定子永磁体B4；转子包括转子铁心9，转子铁心9沿轴向设置有径向磁化的环形转子永磁体8以及转轴10；环形定子永磁体A3、环形定子永磁体B4为电机提供静态偏置磁通11，静态偏置磁通11磁路为：磁通从环形定子永磁体A3或环形定子永磁体B4N极出发，通过左磁极铁心1或右磁极铁心2、气隙、转子铁心（9）、环形转子永磁体8、气隙、定子铁心5回到环形定子永磁体A3或环形定子永磁体B4S极，悬浮绕组7为直流电源供电，为电机提供悬浮控制磁通12，悬浮绕组7产生悬浮控制磁通12的磁路为：电机上侧定子铁心5、电机上侧气隙、转子、电机下侧气隙、电机下侧定子铁心5，再经过电机定子轭，构成闭合回路，转子由静态偏置磁通11、悬浮控制磁通12相互作用产生径向悬浮力；环形定子永磁体A3、环形定子永磁体B4以及环形转子永磁体8采用磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体制成，转矩绕组6和悬浮绕组7均采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成；左磁极铁心1、右磁极铁心2、定子铁心5以及转子铁心9均由导磁材料制成。

如图2所示，定子槽外层为转矩绕组6，排列与普通永磁同步电机相同；悬浮绕组7分为x方向控制绕组和y方向悬浮控制绕组，x方向控制绕组包括绕组1、2、3和绕组7、8、9，其中绕组1、7相串联，2、8相串联，3、9相串联，然后再并联组成x方向控制绕组；y方向悬浮控制绕组包括绕组4、5、6和绕组10、11、12，其中绕组4、10相串联，5、11相串联，6、12相串联，然后再并联组成y方向控制绕组。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。