CN108696191A - 一种集成式五自由度无轴承异步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种集成式五自由度无轴承异步电机，包括定子、位于定子内圈的转子，所述定子沿轴向从左至右依次包括左电机铁心、沿轴向磁化的左环形永磁体、左轴向磁轴承铁心、隔磁铝环、右轴向磁轴承铁心、沿轴向磁化的右环形永磁体以及右电机铁心，所述左、右电机铁心的内周均匀开有定子槽，所述定子槽中设置有悬浮绕组和转矩绕组；所述左、右轴向磁轴承铁心的内侧面上径向分布有环形的上、下吸力盘，所述上、下吸力盘之间设有环形的导磁桥，所述上吸力盘、下吸力盘与导磁桥之间嵌入轴向控制绕组。本发明由两个轴向磁化的环形永磁体为电机提供五自由度静态偏置磁通，实现转子五自由度稳定悬浮，结构紧凑，控制简单。

Description

一种集成式五自由度无轴承异步电机

技术领域

本发明涉及电机制造技术领域，具体涉及结构紧凑、控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立，能够在一个单元内实现转子稳定悬浮运行，产生更大悬浮力的一种集成式五自由度无轴承异步电机。

背景技术

无轴承电机具有无摩擦、磨损、无需润滑，易于实现更高转速和更大功率运行，特别是其中的无轴承异步电机具有结构与制造简单、转子强度高、造价低等优势，在高速机床主轴电机、密封泵、离心机、压缩机、高速微型硬盘等系列高速直驱领域具有广阔的应用前景。

目前，无轴承异步电机是通过在传统异步电机的定子槽的转矩绕组上叠加一套附加的悬浮绕组，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P _B、转矩绕组磁场为P _M，两者之间只有满足P _B=P _M±1的关系时，在转子上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，构建位移闭环控制系统，实现转子稳定悬浮，而转矩的产生原理与普通异步电机相同。一方面，转矩绕组磁场要与悬浮绕组磁场相互作用产生径向悬浮力，另一方面，转矩绕组磁场又要和转子旋转磁场相互作用产生转矩，因此，转矩控制和位移控制之间存在强耦合，控制复杂，难以建立精确的数学模型，控制精度低。此外，除了转矩绕组磁场在转子导条内会感应出与转矩绕组磁场极对数相同的转子旋转磁场之外，悬浮绕组磁场也会在转子导条内感应出与悬浮绕组磁场极对数相同的转子旋转磁场，该旋转磁场对悬浮力的产生有削弱作用，还会增加转矩控制和位移控制的复杂性，特别是带负载运行时更为明显，严重时将会造成系统不稳定，悬浮失败。有学者提出了转子笼型导条分相结构的无轴承异步电机，但是该结构的电机的转矩绕组和悬浮绕组仍需满足P _B=P _M±1的关系，悬浮力和转矩之间和耦合性并没有解决。此外，无轴承异步电机来支撑转子稳定悬浮运行，还需要多个单元的两自由度无轴承异步电机、两自由度磁轴承、三自由度磁轴承、单自由度轴向磁轴承组成五自由度悬浮系统，因此，该系统存在结构和控制复杂，体积庞大，临界转速低等缺点，限制其工业应用领域。

发明内容

本发明克服现有缺陷提供一种集成式五自由度无轴承异步电机，控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立。

本发明通过以下技术方案实现：

一种集成式五自由度无轴承异步电机，包括定子、位于定子内圈的转子，所述定子沿轴向从左至右依次包括左电机铁心、沿轴向磁化的左环形永磁体、左轴向磁轴承铁心、隔磁铝环、右轴向磁轴承铁心、沿轴向磁化的右环形永磁体以及右电机铁心，所述左、右电机铁心的内周均匀开有定子槽，所述定子槽中设置有悬浮绕组和转矩绕组；所述左、右轴向磁轴承铁心的内侧面上径向分布有环形的上、下吸力盘，所述上、下吸力盘之间设有环形的导磁桥，所述上吸力盘、下吸力盘与导磁桥之间嵌入轴向控制绕组；所述转子包括转轴、箍设在转轴外周的转子铁心，所述转子铁心的中部伸进左、右轴向磁轴承铁心之间并与上、下吸力盘以及导磁桥之间存在轴向气隙，所述转子铁心的左、右端设有向外延伸的圆周凸台，两端的圆周凸台上均开设有转子槽，所述转子槽内设有笼型导条。

本发明进一步的改进方案是，所述笼型导条数目为偶数、笼型导条采用分相结构，笼型导条极对数与所述转矩绕组极对数相同。

本发明进一步的改进方案是，所述悬浮绕组位于转矩绕组的外侧，所述悬浮绕组的极对数和转矩绕组的极对数不等，所述悬浮绕组由直流电源供电。

本发明进一步的改进方案是，所述左电机铁心与转子铁心的左端圆周凸台径向对齐，所述转子铁心的右端圆周凸台与右电机铁心径向对齐。

本发明进一步的改进方案是，所述左环形永磁体和右环形永磁体的N极分别与左轴向磁轴承铁心和右轴向磁轴承铁心相邻，所述左环形永磁体和右环形永磁体由稀土永磁材料制成。

本发明进一步的改进方案是，所述上、下吸力盘与转子铁心之间的轴向气隙小于导磁桥与转子铁心之间的轴向气隙。

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永磁体为电机提供五自由度静态偏置磁通，结构紧凑，在一个单元就能实现五自由度稳定悬浮。左、右两侧悬浮绕组由直流电源供电，产生左、右两侧径向悬浮控制磁通；轴向控制绕组通电分别产生左侧轴向悬浮控制磁通和右侧轴向悬浮控制磁通，各悬浮控制磁通与相应的偏置磁通相互作用，实现转子五自由度稳定悬浮，而转矩是由左、右两侧的转矩绕组磁场和转子感应磁场相互作用产生。因此，悬浮控制、转矩控制相互独立且笼型导条数目为偶数，笼型导条采用分相结构，笼型导条极对数与转矩绕组极对数相同，笼型导条切割转矩绕组磁场，产生感应电流，该感应电流形成的旋转磁场与转矩绕组磁场极对数相同；而悬浮绕组磁场和永磁体磁场在笼型导条产生的感应电动势全部自行抵消，无感应电流与旋转磁场产生。因此，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，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为本发明轴向结构示意图。

图2为本发明的轴向磁路示意图。

图3为本发明的左、右两侧电机径向磁路示意图。

图4为本发明左、右两侧转子笼型导条U相连接示意图。

图5为本发明左、右两侧转子笼型导条V相连接示意图。

图6为本发明左、右两侧转子笼型导条W相连接示意图。

具体实施方式

如图1至6所示的以左右两侧定子槽数为12槽，悬浮绕组极对数为1，转矩绕组极对数为2，三相电机为例来详细说明：

一种集成式五自由度无轴承异步电机，包括定子1、位于定子1内圈的转子2，所述定子1沿轴向从左至右依次包括左电机铁心3、沿轴向磁化的左环形永磁体4、左轴向磁轴承铁心5、隔磁铝环6、右轴向磁轴承铁心7、沿轴向磁化的右环形永磁体8以及右电机铁心9，所述左、右电机铁心3、9的内周均匀开有定子槽，所述定子槽中设置有悬浮绕组10和转矩绕组11；所述左、右轴向磁轴承铁心5、7的内侧面上径向分布有环形的上、下吸力盘12、13，所述上、下吸力盘12、13之间设有环形的导磁桥14，所述上吸力盘12、下吸力盘13与导磁桥14之间嵌入轴向控制绕组15；所述转子2包括转轴16、箍设在转轴16外周的转子铁心17，所述转子铁心17的中部伸进左、右轴向磁轴承铁心5、7之间并与上、下吸力盘12、13以及导磁桥14之间存在轴向气隙，所述转子铁心17的左、右端设有向外延伸的圆周凸台18，两端的圆周凸台18上均开设有转子槽19，所述转子槽19内设有笼型导条20。

笼型导条20数目为偶数、笼型导条20采用分相结构，笼型导条20极对数与所述转矩绕组11极对数相同。悬浮绕组10位于转矩绕组11的外侧，所述悬浮绕组10的极对数和转矩绕组11的极对数不等，即只需满足P_B≠P_M，无需满足P_B=P_M±1，所述悬浮绕组10由直流电源供电。

左电机铁心3与转子铁心17的左端圆周凸台径向对齐，所述转子铁心17的右端圆周凸台与右电机铁心9径向对齐。

左环形永磁体4和右环形永磁体8的N极分别与左轴向磁轴承铁心5和右轴向磁轴承铁心7相邻，所述左环形永磁体4和右环形永磁体8由稀土永磁材料制成。隔磁铝环6将左右磁路隔开，左右两侧无耦合，减小漏磁。

上、下吸力盘12、13与转子铁心17之间的轴向气隙小于导磁桥14与转子铁心17之间的轴向气隙。

左、右环形永磁体4、8为电机提供静态偏置磁通23、24，静态偏置磁通23的磁路为：磁通从左环形永磁体的N极出发，通过左轴向磁轴承铁心然后分成两部分，分别由上、下吸力盘经过左侧轴向气隙后通过转子铁心、左侧径向气隙、左电机铁心回到左环形永磁体的S极；静态偏置磁通24的磁路为：磁通从右环形永磁体的N极出发，通过右轴向控制铁心、然后分成两部分，分别由上、下吸力盘经过右侧轴向气隙后通过转子铁心、右侧径向气隙、右电机铁心回到右环形永磁体的S极。

悬浮绕组为直流电源供电，为左侧提供悬浮控制磁通25，其磁路为：左电机铁心上侧、上侧径向气隙、转子、下侧径向气隙、左电机铁心下侧，再经过左电机左侧定子轭，构成闭合回路；右侧的悬浮绕组产生的悬浮控制磁通26的磁路为：右电机铁心上侧、上侧径向气隙、转子、下侧径向气隙、右电机铁心下侧，再经过右电机的定子轭，构成闭合回路；轴向控制绕组通电产生轴向悬浮控制磁通27、28，该磁通在上、下吸力盘和导磁桥之间形成闭合回路；相应位置的偏置磁通和悬浮控制磁通相互作用，在左侧转子和右侧转子上分别产生左、右两侧径向两自由度悬浮力，在轴向方向上产生轴向单自由度悬浮力；左、右环形永磁体采用磁性能良好的稀土永磁体制成，悬浮绕组、转矩绕组均采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成。

左、右两侧定子槽内的转矩绕组排列方式相同，与普通异步电机相同；悬浮绕组分为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L _X1~ L _X12，按照图3的方向串联即可；y方向悬浮控制绕组包括绕组L _Y1~L _Y12，按照图3方向串联即可；

两侧的转子表面均开有转子槽，在转子槽中浇注笼型导条，转子槽和导条的数目为12；左右两侧的绕组排列方式完全相同。导条外层绝缘，通过端接部分将其分相，由于转矩绕组为3相4极，转子的导条相数和极数必须与转矩绕组相同，因此导条也分为3相4极，即导条、、、短接为一相；导条、、、短接为一相；导条、、、短接为一相；且三相之间相互绝缘。按照此种方式设置，在该电机运行时，悬浮绕组磁场、转矩绕组磁场和永磁体产生的偏置磁场三者中只有转矩绕组磁场在转子导条中会产生转子旋转磁场。

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。

Claims (4)

1.一种集成式五自由度无轴承异步电机，包括定子（1）、位于定子（1）内圈的转子（2），其特征是：所述定子（1）沿轴向从左至右依次包括左电机铁心（3）、沿轴向磁化的左环形永磁体（4）、左轴向磁轴承铁心（5）、隔磁铝环（6）、右轴向磁轴承铁心（7）、沿轴向磁化的右环形永磁体（8）以及右电机铁心（9），所述左、右电机铁心（3、9）的内周均匀开有定子槽，所述定子槽中设置有悬浮绕组（10）和转矩绕组（11）；所述左、右轴向磁轴承铁心（5、7）的内侧面上径向分布有环形的上、下吸力盘（12）、（13），所述上、下吸力盘（12、13）之间设有环形的导磁桥（14），所述上吸力盘（12）、下吸力盘（13）与导磁桥（14）之间嵌入轴向控制绕组（15）；所述转子（2）包括转轴（16）、箍设在转轴（16）外周的转子铁心（17），所述转子铁心（17）的中部伸进左、右轴向磁轴承铁心（5、7）之间并与上、下吸力盘（12、13）以及导磁桥（14）之间存在轴向气隙，所述转子铁心（17）的左、右端设有向外延伸的圆周凸台（18），两端的圆周凸台（18）上均开设有转子槽（19），所述转子槽（19）内设有笼型导条（20）；所述笼型导条（20）数目为偶数、笼型导条（20）采用分相结构，笼型导条（20）极对数与所述转矩绕组（11）极对数相同；左电机铁心（3）与转子铁心（17）的左端圆周凸台径向对齐，所述转子铁心（17）的右端圆周凸台与右电机铁心（9）径向对齐。

2.根据权利要求1所述的一种集成式五自由度无轴承异步电机，其特征是：所述悬浮绕组（10）位于转矩绕组（11）的外侧，所述悬浮绕组（10）的极对数和转矩绕组（11）的极对数不等，所述悬浮绕组（10）由直流电源供电。

3.根据权利要求1所述的一种集成式五自由度无轴承异步电机，其特征是：所述左环形永磁体（4）和右环形永磁体（8）的N极分别与左轴向磁轴承铁心（5）和右轴向磁轴承铁心（7）相邻，所述左环形永磁体（4）和右环形永磁体（8）由稀土永磁材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种集成式五自由度无轴承异步电机，其特征是：所述上、下吸力盘（12、13）与转子铁心（17）之间的轴向气隙小于导磁桥（14）与转子铁心（17）之间的轴向气隙。