一种定子永磁式五自由度锥形无轴承开关磁阻电机

摘要

本发明公开了一种定子永磁式五自由度锥形无轴承开关磁阻电机，包括定子和转子，所述定子由轴向磁化的永磁环，以及对称连接于永磁环两端的环形的定子铁心组成，所述定子铁心的内壁成锥形，沿周向均匀设置有数个悬浮齿，相邻悬浮齿之间的定子铁心内壁连接有隔磁块，所述隔磁块上均匀设置有数个转矩齿，所述悬浮齿和转矩齿上分别绕制有悬浮绕组、转矩绕组；所述转子由贯穿永磁环的转子铁心，以及同轴连接于转子铁心、延伸至定子铁心外侧的转轴组成，所述转子铁心两端为与定子铁心的内壁相配合的锥形，且锥形的侧壁还均匀设置有数个转子齿。

说明书

技术领域

本发明涉及无轴承技术的磁悬浮电机领域，具体涉及一种定子永磁式五自由度锥形无轴承开关磁阻电机。

背景技术

无轴承电机具有无摩擦、磨损、无需润滑和密封，易于实现更高转速和更大功率运行，在航空航天、涡轮分子泵、飞轮储能、密封泵、高速电主轴等领域具有广阔的应用前景。无轴承电机主要分为无轴承异步（感应）电机、无轴承永磁同步电机和无轴承开关磁阻电机三种。特别是其中的无轴承开关磁阻电机具有结构简单，机械强度高、控制灵活、容错性能好，鲁棒性好等优势，在电动汽车、通用工业、家用电器等领域具有广阔的应用前景。

要实现无轴承开关磁阻电机转子稳定悬浮，必须在径向四个自由度和轴向单自由度上同时施加主动控制力。传统的五自由度无轴承开关磁阻电机通常有以下三种结构：

1、采用1个轴承磁轴承和2个两自由度无轴承开关磁阻电机构成；

2、采用一个轴向磁轴承、1个径向磁轴承和一个两自由度无轴承开关磁阻电机构成；

3、采用1个三自由度径向-轴向磁轴承和1个无轴承开关磁阻电机构成；

这三种结构均需采用轴向磁轴承，增大了系统轴向长度，降低了系统临界转速，限制了转速和功率的进一步提升，并且传统的无轴承开关磁阻电机每个定子齿上均绕制两套绕组，即悬浮绕组和转矩绕组，且两套绕组极对数必须满足加减一的关系，通过协调控制转矩绕组和悬浮绕组电流，同时产生转矩和悬浮力，转矩控制和悬浮控制之间存在强耦合。

发明内容

本发明的目的是克服现有的五自由度无轴承开关磁阻电机的不足，提供一种结构简单紧凑，体积小、重量轻、功能更趋完善、功率密度大、承载力大、可靠性高、悬浮控制与转矩控制相互独立的定子永磁式五自由度锥形无轴承开关磁阻电机。

本发明通过以下技术方案实现：

一种定子永磁式五自由度锥形无轴承开关磁阻电机，包括定子和转子，所述定子由轴向磁化的永磁环，以及对称连接于永磁环两端的环形的定子铁心组成，所述定子铁心的内壁成锥形，沿周向均匀设置有数个悬浮齿，相邻悬浮齿之间的定子铁心内壁连接有隔磁块，所述隔磁块上均匀设置有数个转矩齿，所述悬浮齿和转矩齿上分别绕制有悬浮绕组、转矩绕组；所述转子由贯穿永磁环的转子铁心，以及同轴连接于转子铁心、延伸至定子铁心外侧的转轴组成，所述转子铁心两端为与定子铁心的内壁相配合的锥形，且锥形的侧壁还均匀设置有数个转子齿。

本发明的进一步方案是，所述转子齿的齿宽、齿厚与转矩齿的齿宽、齿厚相同。

本发明的进一步方案是，所述悬浮齿的齿宽大于转矩齿的齿宽，且悬浮齿齿宽大于电机的一个极距。

本发明的进一步方案是，所述永磁环采用稀土永磁体或铁氧体永磁体制成。

本发明与现有技术相比的优点在于：

由一个轴向磁化的永磁环给两侧的锥形开关磁阻电机定子铁心提供偏置磁通，悬浮绕组通电产生悬浮控制磁通，悬浮控制磁通分别调节静态偏置磁通，在转子上产生悬浮力，控制转子五自由度稳定悬浮；与每个定子齿上设置有两套绕组的无轴承开关磁阻电机相比，悬浮控制、转矩控制相互独立，控制简单，易于实现；与普通五自由度无轴承开关电机相比，具有轴向长度更短，能够实现高速/超高速运行，且所需位移传感器较少，驱动电路较少，控制系统硬件简单的特点，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高速直接驱动领域。

附图说明

图1为本发明的爆炸图。

图2为本发明的装配图。

图3为本发明的右侧剖面示意图。

图4为本发明的左侧剖面示意图。

图5为本发明的转子结构示意图。

图6为本发明的左视图。

图7为本发明的悬浮力产生示意图。

图8为本发明的径向悬浮绕组接线示意图。

图9为本发明的A相转矩绕组示意图。

图10为本发明的B相转矩绕组示意图。

具体实施方式

如图1~8所示的一种定子永磁式五自由度锥形无轴承开关磁阻电机，以定子齿数/转子齿数12/14为例；包括定子和转子，所述定子由轴向磁化的永磁环8，以及对称连接于永磁环8左、右两端的环形的左定子铁心1、右定子铁心11组成，所述左定子铁心1、右定子铁心11的内壁从内向外逐渐收拢成锥形，并沿周向均匀设置有四个左悬浮齿12、右悬浮齿18，相邻左悬浮齿12之间的左定子铁心1内壁连接有铝制的左隔磁块2，相邻右悬浮齿18之间的右定子铁心11内壁连接有铝制的右隔磁块10，所述左隔磁块2、右隔磁块10上分别均匀设置有两个左转矩齿13、右转矩齿19，所述左悬浮齿12、右悬浮齿18的齿宽大于左转矩齿13、右转矩齿19的齿宽，且左悬浮齿12、右悬浮齿18的齿宽大于电机的一个极距，所述左悬浮齿12、右悬浮齿18、左转矩齿13、右转矩齿19上分别绕制有左悬浮绕组14、右悬浮绕组20、左转矩绕组15、右转矩绕组21， 所述左悬浮绕组14、右悬浮绕组20、左转矩绕组15、右转矩绕组21均为集中式绕组，采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成。

所述转子由贯穿永磁环8的转子铁心5，以及同轴连接于转子铁心5、延伸至定子铁心外侧的转轴7组成，所述转子铁心5左、右两端为与左定子铁心1、右定子铁心11的内壁相配合的锥形，且锥形的侧壁还均匀设置有十四个左转子齿4、右转子齿6，所述左转子齿4、右转子齿6的齿宽、齿厚与左转矩齿13、右转矩齿19的齿宽、齿厚相同。

所述永磁环8采用稀土永磁体或铁氧体永磁体制成，所述左定子铁心1、左悬浮绕组14、左转矩绕组15、左隔磁块2、右隔磁块10、右悬浮绕组20、右转矩绕组21、右定子铁心11沿轴向叠压，左定子铁心1、右定子铁心11、转子铁心5均由导磁性能良好整块材料制成，左悬浮齿12、右悬浮齿18、左转矩齿13、右转矩齿19、左转子齿4、右转子齿6均采用薄硅钢片叠压而成。

悬浮原理是：

X和Y方向悬浮力产生机理相同，现以产生Y方向悬浮力为例进行说明，如图3、图4、图7、图8所示，永磁环8产生沿左定子铁心1、左悬浮齿12、左侧气隙、左转子齿4、转子铁心5、右转子齿6、右悬浮齿18、右定子铁心11形成轴向闭合路径的偏置磁通16；Y方向两个悬浮齿上的绕组并联或同向串联，给左悬浮绕组14通电，在左侧形成经过Y方向上的左悬浮齿12、左转子齿4、气隙和左定子铁心1形成径向闭合路径的左悬浮控制磁通17；右悬浮绕组20通电，在右侧形成经过Y方向上的右悬浮齿18、右转子齿6、转子铁心5、气隙和右定子铁心11形成径向闭合路径的右悬浮控制磁通22。

左悬浮控制磁通17和右悬浮控制磁通22分别调节偏置磁通16，在转子上产生垂直于锥形表面的悬浮力。根据现有技术，在左定子铁心1、右定子铁心11上分别安装位移传感器，位移传感器垂直于转子表面，建立位移闭环控制，当转子偏离平衡位置时，调节左悬浮绕组14、右悬浮绕组20的电流，产生使转子回到平衡位置的悬浮力，实现转子五自由度稳定悬浮。

旋转原理是：如图9和图10所示，左转矩绕组15、右转矩绕组21同向串联或并联后分为多相结构，以两为例，分别对A相和B相先后通电，转矩绕组磁场在转矩齿和转子齿之间形成闭合路径，产生磁阻力，产生转矩，实现转子旋转。