軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機的製作方法

2023-07-14 04:01:41

專利名稱：軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機的製作方法
技術領域：
本發明是軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機，適用於高速和超 高速主軸電機、航空航天、生命科學、化工、半導體工業等眾多特殊電力傳動領 域，特別是需要無機械接觸、無摩擦與磨損、無需潤滑與密封的真空技術、超潔 淨領域等場合，屬於採用無軸承技術的磁懸浮電機。
二背景技術：
傳統三自由度的磁懸浮系統通常有四種結構
1. 採用l個軸向磁軸承和l個兩自由度徑向磁軸承構成；
2. 採用l個軸向磁軸承和l個兩自由度無軸承電機構成；
3. 採用l個兩自由度無軸承薄片電機構成；
4. 採用1個集成的三自由度永磁偏置軸向徑向混合磁軸承構成。
其中第一種和第二種結構由於電機機械結構複雜，軸向懸浮需要佔有一定的
軸向空間，轉子軸向長度較長，不利於提高電機的臨界轉速；第三種結構的軸向 懸浮依靠被動懸浮，不能主動進行控制，在高速及負載條件下容易失穩；第四種 結構雖然將軸向徑向的懸浮集成為一體，縮短了轉子的軸向長度，但單獨使用仍 然只具備懸浮支撐功能而不能實現轉矩輸出。
採用無軸承技術的兩自由度交替極永磁電機從電機本體的角度解決了傳統 無軸承永磁同步電機存在的控磁能力差，可控懸浮力小，永磁體易退磁及懸浮力 與轉矩控制相互耦合等問題，促進了兩自由度的永磁型無軸承電機的應用和發 展。為了進一步簡化電機系統的機械結構，降低整個系統體積與成本，從電機本 體的角度實現電機三自由度的高速旋轉與懸浮控制，需要結構更加緊湊、多自由 度懸浮功能與電機旋轉功能更為集中的新型電機。
目前國內外尚未有"三自由度無軸承電機"的概念，也沒有相關的專利和文 獻出現。
三
發明內容
本發明的目的在於改變傳統無軸承電機只能控制徑向兩個自由度的舊結構， 設計一種結構簡單緊湊，功能更趨完善，功率密度大，承載力大，體積小，重量 輕，可靠性高的三自由度主動懸浮的無軸承電機。
實現上述目的的軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機包括徑向 定子鐵心、轉子永磁體、轉子鐵心、轉子轉軸，其特徵在於還包括兩塊軸向定子
鐵心分別安裝於徑向定子鐵心的左右兩端，在兩塊軸向定子鐵心上分別嵌繞了 一 套軸向懸浮控制繞組，兩套軸向懸浮控制繞組串聯相接。所述的徑向定子鐵心(2) 上分別嵌繞一套用於控制電機轉矩輸出的三相四對極轉矩控制繞組和一套用於 控制轉子鐵心所受徑向懸浮力的三相一對極徑向懸浮控制繞組，所述的轉子永磁 體以徑向方向安裝在轉子鐵心外圓周上，轉子永磁體沿徑向方向均為同極性排 列，轉子永磁體之間的轉子鐵心被交替磁化成相同的另一極性，裝有轉子轉軸的 轉子鐵心置放於徑向定子鐵心的正中間位置。
本發明的工作原理是對於徑向方向的兩自由度懸浮，通過徑向位移傳感器 檢測出轉子徑向位移偏移量，經位置負反饋，在無軸承交替極永磁電機懸浮控制 繞組中通入對應的懸浮控制電流，改變電機旋轉磁場的對稱分布，從而在轉子上 產生大小和方向可控的徑向懸浮力，實現電機徑向的兩自由度懸浮。對於軸向方 向的懸浮，當轉子位於軸向中間平衡位置時，由於轉子結構的對稱性，轉子永磁 體產生的同極性磁場在轉子軸向的氣隙左右兩側處是相等的，此時所產生的磁拉 力互相平衡。若轉子此時受到一個軸向向右的外擾力，轉子就會偏離平衡位置向 右運動，造成轉子永磁體在軸向左右氣隙處產生的磁場發生變化，即左面氣隙增 大，磁場減小；右面氣隙減小，磁場增大，使得左右兩側的磁拉力不再平衡。此 時軸向位移傳感器檢測出轉子軸向偏離的位移量，在軸向控制繞組中通入電流產 生軸向控制磁場，這個磁場與軸向氣隙中轉子永磁體磁場疊加，使轉子左側氣隙 中的磁場增加，右側氣隙中的磁場減小，產生一個向左的磁拉力將轉子拉回平衡 位置。
本發明的軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機具有以下特點
1. 徑向懸浮釆用的交替極無軸承永磁電機控磁容易，無普通無軸承永磁電機轉 矩與懸浮力折中的矛盾，懸浮電流小，承載能力和剛度成倍上升；
2. 軸向懸浮採用永磁偏置，減少了功率放大器的體積和功耗，降低了製造成本;
3. 以電機轉子本體作為軸向與徑向懸浮磁鏈的閉合通路，以電機轉子自身的永 磁體磁場作為徑向、軸向懸浮共同的偏置磁場，省去原永磁偏置軸向磁軸承 中必需的磁軸承轉子和偏置永磁體環，簡化了系統結構，降低了永磁體消耗， 縮小了系統體積和重量；
4. 電機結構簡單緊湊，'具有高度集成性，進一步縮短了軸向佔用空間，提高了 軸向空間利用率，臨界轉速高，易於實現大功率超高速運轉；
5. 具備固有的徑向懸浮與軸向懸浮解耦、懸浮控制與轉矩控制解耦特性，懸浮 控制模型簡單，大大降低了控制系統設計難度；6.將軸向懸浮功能集成於無軸承電機本身，便於模塊化和機械加工。
總之，本發明的軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機將無軸承技 術和軸向磁軸承技術各自的優點有機的結合起來，巧妙的利用無軸承交替極永磁 電機轉子永磁體產生的磁場作為電機軸向、徑向懸浮共同的偏置磁場，分別通過 徑向定子、轉子鐵心和軸向定子來形成閉合磁路，在不改變原有兩自由度無軸承 交替極永磁電機結構的基礎上，將軸向懸浮的功能集成到電機本體上，無需另外 附加軸向磁軸承，從而實現電機旋轉與轉子軸向、徑向同時懸浮功能於一體，突 破了傳統無軸承電機只能實現徑向兩自由度懸浮的舊有理論框架，擴充了無軸承 電機懸浮的自由度，發展了無軸承電機研究領域的新方向，在各種磁懸浮電機系 統中都具有廣闊的應用前景和重要意義。
四

圖1是軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機二維結構示意圖。圖 中左圖是軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機的剖面圖，右圖是左圖 的右視圖。
圖2是軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機三維結構示意圖。圖 中左圖是定轉子結構示意圖，右圖是繞組結構示意圖。
圖3是軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機原理圖。圖中左圖是 軸向懸浮原理示意圖，右圖是徑向懸浮原理示意圖。
標號名稱1:軸向定子鐵心；2:徑向定子鐵心；3:轉子永磁體；4:轉子 鐵心；5:轉子轉軸；6:徑向懸浮控制繞組；7:轉矩控制繞組；8:軸向懸浮控 制繞組。A、 C是軸向氣隙，B、 D、 E是徑向氣隙，單箭頭表示永磁偏置磁通，雙 實心箭頭表示軸向控制繞組產生的磁通，雙空心箭頭表示徑向控制繞組產生的磁 通。
五具體實施例方式
圖1和圖2是本發明的軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機二維 和三維結構示意圖，其主要由軸向定子鐵心l、徑向定子鐵心2、轉子永磁體3、 轉子鐵心4、轉子轉軸5組成。其中兩塊軸向定子鐵心l由電工純鐵加工而成， 分別安裝於徑向定子鐵心2的左右兩端，兩塊軸向定子鐵心1上分別嵌繞了一套 軸向懸浮控制繞組8，兩套軸向懸浮控制繞組8相互串聯。徑向定子鐵心2和轉 子鐵心4均由矽鋼片疊壓而成，徑向定子鐵心2上分別嵌繞一套用於控制電機轉 矩輸出的三相四對極轉矩控制繞組7和一套用於控制轉子4所受徑向懸浮力的三
相一對極徑向懸浮控制繞組6。裝在轉子鐵心4上的轉子永磁體3沿徑向方向均 為同極性排列，轉子永磁體3之間的轉子鐵心4被交替磁化成相同的另一極性， 裝在轉子轉軸5上的轉子鐵心4置放於徑向定子鐵心2的正中間位置。
圖3是軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機軸向、徑向懸浮的原 理圖。轉子永磁體3產生的軸向偏置磁通如圖所示依次經過徑向氣隙B、徑向定 子鐵心2、軸向定子鐵心l、軸向氣隙A (或氣隙C)、轉子鐵心4構成迴路，由 軸向懸浮控制繞組8產生的控制磁通只經過軸向氣隙A (或氣隙C)，不經過徑向 氣隙B (或氣隙D、 E)。該軸向控制磁通疊加在永磁偏置磁通上，使得軸向氣隙 A和C的磁場一側減弱，另一側增強，從而產生軸向可控的懸浮力保持轉軸5軸 向懸浮。而轉子永磁體3產生的徑向偏置磁通如圖所示依次經過徑向氣隙B、徑 向定子鐵心2、徑向氣隙D (或氣隙E)、轉子鐵心4構成迴路，由徑向懸浮控制 繞組6產生的控制磁通只經過軸向氣隙D (或氣隙E),不經過軸向氣隙A (或氣 隙C)。由磁場疊加的原理也可產生徑向可控的懸浮力實現轉軸5的徑向懸浮。
權利要求
1、一種軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機，包括徑向定子鐵心(2)、轉子永磁體(3)、轉子鐵心(4)、轉子轉軸(5)，其特徵在於還包括兩塊軸向定子鐵心(1)分別安裝於徑向定子鐵心(2)的左右兩端，在兩塊軸向定子鐵心(1)上分別嵌繞了一套軸向懸浮控制繞組(8)，兩套軸向懸浮控制繞組(8)串聯相接，所述的徑向定子鐵心(2)上分別嵌繞一套用於控制電機轉矩輸出的三相四對極轉矩控制繞組(7)和一套用於控制轉子鐵心(4)所受徑向懸浮力的三相一對極徑向懸浮控制繞組(6)，所述的轉子永磁體(3)以徑向方向安裝在轉子鐵心(4)外圓周上，轉子永磁體(3)沿徑向方向均為同極性排列，轉子永磁體(3)之間的轉子鐵心(4)被交替磁化成相同的另一極性，裝有轉子轉軸(5)的轉子鐵心(4)置放於徑向定子鐵心(2)的正中間位置。
全文摘要
一種軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機，屬於無軸承的磁懸浮電機。該電機包括兩塊分別嵌有串聯相接的軸向懸浮控制繞組(8)的軸向定子鐵心(1)、一個嵌有一套四對極轉矩控制繞組(7)和一套一對極徑向懸浮控制繞組(6)的徑向定子鐵心(2)、一個嵌有四塊同極磁化永磁體(3)的轉子鐵心(4)和一個套裝該轉子鐵心(4)的轉子轉軸(5)。這種電機結構簡單緊湊，無需附加額外的軸向磁軸承，將電機旋轉與轉子軸向、徑向同時懸浮功能集成於一體，具有高度集成性，擴充了無軸承電機懸浮的自由度，簡化了系統結構，減小了系統體積、重量與成本，在各種高速磁懸浮電機系統中都具有廣闊的應用前景和重要意義。
文檔編號H02K7/00GK101207310SQ200710191528
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月12日 優先權日2007年12月12日
發明者仇志堅, 王曉琳, 鄧智泉 申請人:南京航空航天大學