CN108809024B - 一种轴向单自由度无轴承开关磁阻电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴向单自由度无轴承开关磁阻电机，包括转子和定子，所述转子包括转轴，以及套在转轴上的径向转子铁心，所述径向转子铁心的外圆周通过径向磁化的永磁环连接有轴向转子铁心，所述轴向转子铁心的两端分别均匀设置有数个转子齿；所述定子包括对称设置于转子两侧的两个定子铁心，每一个定子铁心由一体的轴向部和径向部组成，所述轴向部的内端均匀设置有4个悬浮齿，以及均匀分布在设置于相邻悬浮齿之间的轴向隔磁块上的数个转矩齿，所述悬浮齿、转矩齿上分别绕制有悬浮绕组、转矩绕组，所述转轴的端部延伸至定子铁心的外侧。该结构的电机体积小、重量轻、结构紧凑，为特种电气传动提供新的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及无轴承技术的磁悬浮电机领域，具体涉及一种轴向单自由度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；
这三种结构均需单独采用轴向磁轴承，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
本发明的目的是提供一种体积小、重量轻、结构紧凑的轴向单自由度无轴承开关磁阻电机，为特种电气传动提供新的解决方案。
本发明通过以下技术方案实现：
一种轴向单自由度无轴承开关磁阻电机，包括转子和定子，所述转子包括转轴，以及套在转轴上的径向转子铁心，所述径向转子铁心的外圆周通过径向磁化的永磁环连接有轴向转子铁心，所述轴向转子铁心的两端分别均匀设置有数个转子齿；所述定子包括对称设置于转子两侧的两个定子铁心，每一个定子铁心由一体的轴向部和径向部组成，所述轴向部的内端均匀设置有4个悬浮齿，以及均匀分布在设置于相邻悬浮齿之间的轴向隔磁块上的数个转矩齿，所述悬浮齿、转矩齿上分别绕制有悬浮绕组、转矩绕组，所述转轴的端部延伸至定子铁心的外侧。
本发明的进一步方案是，所述转子齿的齿宽、齿厚均与转矩齿的齿宽、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，且大于电机一个极距。
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：
由一个位于轴向转子铁心与径向转子铁心之间的沿径向磁化的永磁环提供偏置磁通，左、右侧定子上的悬浮齿上的轴向悬浮绕组通电后产生轴向悬浮控制磁通与偏置磁通相互作用产生使转子稳定悬浮的轴向悬浮力；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，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；该结构的电机体积小、重量轻、结构紧凑，为特种电气传动提供新的解决方案。
附图说明
图1为本发明的结构爆炸图。
图2为本发明的装配结构示意图。
图3为本发明的正面剖视及磁通示意图。
图4为本发明的轴向悬浮原理图。
具体实施方式
如图1~3所示的一种轴向单自由度无轴承开关磁阻电机，以定子齿数/转子齿数12/14为例，包括转子和定子，所述转子包括转轴4，以及套在转轴4上的径向转子铁心2，所述径向转子铁心2的外圆周通过径向磁化的永磁环3连接有轴向转子铁心1，所述轴向转子铁心1的两端分别均匀设置有十四个转子齿5；所述定子包括对称设置于转子两侧的两个定子铁心6，每一个定子铁心6由一体的轴向部和径向部组成，所述轴向部的内端的x方向和y方向均匀设置有正对转子齿5的四个悬浮齿7，相邻两个邻悬浮齿7之间的定子铁心6的端面安装有轴向隔磁块9，所述轴向隔磁块9的表面沿着定子铁心6的周向均匀分布有两个转矩齿8，所述悬浮齿7、转矩齿8上分别绕制有悬浮绕组10、转矩绕组11，所述转子齿5的齿宽、齿厚均与转矩齿8的齿宽、齿厚相同，所述悬浮齿7的齿宽大于转矩齿8的齿宽，以及电机一个极距；转轴4的两端延伸至定子铁心6的外侧。
所述永磁环3采用稀土永磁体或铁氧体永磁体制成；悬浮绕组10、转矩绕组11均为集中绕组，采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成；轴向转子铁心1、径向转子铁心2、定子铁心6、悬浮齿7、转矩齿8和转子齿5均由导磁性能良好的材料制成。
悬浮原理是：
永磁环3产生左偏置磁通12、右偏置磁通13，其中左偏置磁通12从永磁环3的N极出发，沿轴向转子铁心1左侧与四个悬浮齿正对的转子齿、轴向转子铁心1与左侧定子铁心6间的气隙、左侧定子铁心6上的悬浮齿、左侧的定子铁心6与径向定子铁心2间气隙、径向转子铁心2返回永磁环的S极形成闭合路径；右偏置磁通13从永磁环3的N极出发，沿轴向转子铁心1右侧与四个悬浮齿正对的转子齿、轴向转子铁心1与右侧定子铁心6间的气隙、右侧定子铁心6上的悬浮齿、右侧的定子铁心6与径向定子铁心2间气隙、径向转子铁心2返回永磁环的S极形成闭合路径。
悬浮绕组10通电后产生的悬浮控制磁通14经左侧的定子铁心6上的悬浮齿、左侧的定子铁心6、左侧的定子铁心6与径向定子铁心2间气隙、径向定子铁心2、径向定子铁心2与右侧的定子铁心6间气隙、右侧的定子铁心6上的悬浮齿、右侧的定子铁心6上的悬浮齿与轴向转子铁心1间气隙、轴向转子铁心1、轴向转子铁心1的左侧转子齿、轴向转子铁心1的左侧转子齿与左侧的定子铁心6上的悬浮齿间气隙回到左侧的定子铁心6上的悬浮齿形成闭合回路。
悬浮控制磁通14调节左偏置磁通12、右偏置磁通13产生轴向悬浮力；根据现有技术，在左、右两侧的定子铁心6上分别安装位移传感器，建立位移闭环系统，当转子偏移平衡位置时，通过传感器反馈，调节轴向悬浮绕组和径向悬浮绕组电流值，产生使转子回到平衡位置的悬浮力，实现转子轴向和径向稳定悬浮。
旋转原理是：
左、右侧定子铁心6上的转矩绕组11同向串联或并联，将转矩绕组11分为若干相，对其中任意两相通电产生的转矩绕组磁场在转矩齿和转子齿之间形成闭合路径，产生使转子旋转的转矩力。
Claims (4)
1.一种轴向单自由度无轴承开关磁阻电机，包括转子和定子，其特征在于：所述转子包括转轴（4），以及套在转轴（4）上的径向转子铁心（2），所述径向转子铁心（2）的外圆周通过径向磁化的永磁环（3）连接有轴向转子铁心（1），所述轴向转子铁心（1）的两端分别均匀设置有数个转子齿（5）；所述定子包括对称设置于转子两侧的两个定子铁心（6），每一个定子铁心（6）由轴向部和径向部组成，所述轴向部的内端均匀设置有四个悬浮齿（7），以及均匀分布在设置于相邻悬浮齿（7）之间的轴向隔磁块（9）上的数个转矩齿（8），所述悬浮齿（7）、转矩齿（8）上分别绕制有悬浮绕组（10）、转矩绕组（11），所述转轴（4）的端部延伸至定子铁心（6）的外侧。
2.如权利要求1所述的一种轴向单自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述转子齿（5）的齿宽、齿厚均与转矩齿（8）的齿宽、齿厚相同。
3.如权利要求1所述的一种轴向单自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述悬浮齿（7）的齿宽大于转矩齿（8）的齿宽，且大于电机一个极距。
4.如权利要求1所述的一种轴向单自由度无轴承开关磁阻电机，其特征在于：所述永磁环（3）采用稀土永磁体或铁氧体永磁体制成。
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