CN111211657B - 一种轴向盘式五自由度悬浮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盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机，包括两个无轴承电机、一个转轴、一个轴向推力盘，第一无轴承电机包括第一定、转子，第二无轴承电机包括第二定、转子。两个电机转子齿极数均为4，其与轴向推力盘共同套在一根转轴上，轴向推力盘位于第一转子和第二转子中间；两个电机定子齿极数均为12，第一定子、第二定子每个齿极上均套有一绕组；当第一定子上的绕组和第二定子上的绕组导通时，轴向推力盘利用定子齿极轴向漏磁产生磁拉力，从而实现轴向的悬浮控制，径向主磁通提供径向悬浮力和转矩，最终实现电机的五自由度悬浮高速稳定运行。本发明电机结构简单，生产成本低廉，可实现轴向和径向悬浮力解耦，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机，属于电机类的磁悬浮开关磁阻电机技术领域。
背景技术
高速化作为电机发展的重要趋势之一，解决如何实现高速化电机的关键技术至关重要。当电机达到足够高的转速时，对轴承性能的要求越高，而传统的机械轴承无法满足高速电机的需求，而新型高速轴承价格过于昂贵，增加的电机生产过程中的成本，阻碍了电机高速化、产业化的发展。高速电机的种类很多，各类电机中，开关磁阻电机因其只有定转子和绕组线圈，结构简单，无永磁体，大大节约了成本，同时也提高了电机运行中的可靠性，其中无轴承开关磁阻电机是解决高速化和产品化较好的方案之一。
无轴承开关磁阻电机既能实现旋转运动，同时也能让转子实现悬浮，针对透平机械和压缩机等高速应用行业，在保证旋转性能的同时要实现五自由度悬浮功能，传统的五自由度磁悬浮开关磁阻电机体积庞大，功率器件复杂，容错性能差，如何实现无轴承开关磁阻电机的五自由度悬浮，是当前的研究难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机，可实现五自由度悬浮，径向与轴向解耦控制，输出功率大，轴向承载力高，电机体积小，生产成本低等特点。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机，包括第一无轴承电机、第二无轴承电机、转轴和轴向推力盘；所述第一无轴承电机与第二无轴承电机的结构相同，第一无轴承电机包括第一定子、第一转子，第二无轴承电机包括第二定子、第二转子；
第一转子嵌套在第一定子内部，第二转子嵌套在第二定子内部，第一转子、第二转子、轴向推力盘均套在转轴上，且轴向推力盘位于第一转子和第二转子之间，且第一转子和第二转子相对于轴向推力盘的中心对称；
第一转子和第二转子的齿极数均为4，第一转子的齿极与第二转子的齿极错开15°机械角度；第一定子和第二定子的齿极数均为12，第一定子每个齿极的轭部绕有一绕组线圈，第二定子每个齿极的轭部绕有一绕组线圈，各绕组线圈均独立控制；
第一转子、第二转子和轴向推力盘采用一体加工成型，第一转子和轴向推力盘之间无间隙，第二转子和轴向推力盘之间无间隙，第一定子和轴向推力盘之间存在间隙，第二定子和轴向推力盘之间存在间隙，定义第一定子或第二定子每个齿极上除了绕组线圈的部分包括两端，一端即为定子齿极端部，轴向推力盘的直径在定子齿极端部与另一端之间。
作为本发明的一种优选方案，所述第一定子和第二定子的齿宽相等。
作为本发明的一种优选方案，所述第一转子和第二转子的齿宽相等。
作为本发明的一种优选方案，所述第一无轴承电机包括三相绕组，每相绕组由四个绕组线圈组成，相邻两个绕组线圈相差90°，相邻两相绕组相差30°。
作为本发明的一种优选方案，所述第二无轴承电机包括三相绕组，每相绕组由四个绕组线圈组成，相邻两个绕组线圈相差90°，相邻两相绕组相差30°。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明在不增加轴向绕组线圈的前提下，可实现径向悬浮与轴向悬浮解耦控制，结构简单，生产成本低，可靠性高。
2、本发明通过在两台电机轴向无用空间中增加轴向推力盘，利用定子齿极轴向漏磁实现轴向悬浮控制，不增加电机体积，提高了电机的空间利用率。
3、本发明为双台无轴承开关磁阻电机结构，输出转矩大，径向四自由度悬浮，功率密度大。
附图说明
图1是本发明轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机三维结构示意图。
图2是本发明轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机的转子三维结构示意图。
图3是本发明轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机的定子三维结构示意图。
图4是本发明轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机的俯视图。
图5是本发明轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机的气隙磁通分布示意图。
其中，1-第一定子，2-第一转子，3-第一绕组线圈，4-第二定子，5-第二转子，6-第二绕组线圈，7-转轴，8-轴向推力盘。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提出的轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机三维结构示意图，包括第一无轴承电机、第二无轴承电机、转轴7和轴向推力盘8；第一无轴承电机包括第一定子1、第一转子2、第一绕组线圈3，第二无轴承电机包括第二定子4、第二转子5、第二绕组线圈6。
如图2所示，本发明提出的轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机的转子三维结构示意图，第一转子2嵌套在第一定子1中，第二转子5嵌套在第二定子4中，轴向推力盘8位于第一转子2和第二转子5之间，且三者共用一根转轴7，第一转子2和第二转子5的齿极数均为4，第一转子2的齿极与第二转子5的齿极错开15°机械角度。
如图3所示，本发明提出的轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机的定子三维结构示意图，第一定子1和第二定子4的齿极数目均为12，第一定子1每个齿极的轭部套有第一绕组线圈3，第二定子4每个齿极的轭部套有第二绕组线圈6。每个定子齿极的弧度为15°。第一定子1或第二定子4每个齿极除了套有绕组线圈的部分，剩余部分包括两端，其中一端即为定子齿极端部。轴向推力盘8的直径在定子齿极端部与另一端之间，即轴向推力盘8的直径大于第一定子1或第二定子4的内径，小于第一定子1或第二定子4的内径加上定子齿极长度减去绕组线圈的宽度。当第一绕组线圈3和第二绕组线圈6导通时，轴向推力盘8利用定子齿极轴向漏磁产生磁拉力，从而实现轴向的悬浮控制，径向主磁通提供径向悬浮力和转矩，最终实现电机的五自由度悬浮高速稳定运行。
根据图4，轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机的俯视图，在第一无轴承电机中，每一相绕组由四个绕组线圈组成，相邻两个绕组线圈相差90°，4个绕组独立控制，一共包括三相绕组，分别是A相的A1_Ⅰ、A2_Ⅰ、A3_Ⅰ、A4_Ⅰ这四个绕组，B相的B1_Ⅰ、B2_Ⅰ、B3_Ⅰ、B4_Ⅰ这四个绕组，C相的C1_Ⅰ、C2_Ⅰ、C3_Ⅰ、C4_Ⅰ这四个绕组，相邻两相绕组相差30°；在第二无轴承电机中，每一相绕组由四个绕组线圈组成，相邻两个绕组线圈相差90°，4个绕组独立控制，一共包括三相绕组，分别是A相的A1_Ⅱ、A2_Ⅱ、A3_Ⅱ、A4_Ⅱ这四个绕组，B相的B1_Ⅱ、B2_Ⅱ、B3_Ⅱ、B4_Ⅱ这四个绕组，C相的C1_Ⅱ、C2_Ⅱ、C3_Ⅱ、C4_Ⅱ这四个绕组，相邻两相绕组相差30°。
第一无轴承电机和第二无轴承电机的控制方法均可以采用电流斩波控制、单脉冲控制、PWM控制。
根据图5轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机的气隙磁通分布示意图，轴向推力盘8位于第一转子2和第二转子5之间，固定在转轴7上，第一转子2和第一定子1径向之间留有一个径向气隙，从而产生一个径向气隙磁通，实现电机径向悬浮，轴向推力盘8与第一定子1轴向齿极以及第二定子4轴向齿极之间留有一个轴向气隙，从而产生一个轴向漏磁通，实现电机轴向悬浮，最终实现电机的五自由度悬浮。
本发明提供了一种轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机，利用每个定子齿极上绕组励磁产生磁拉力，作用在电机转子上，使之产生旋转运动，同时实现α1方向、β1方向、α2方向和β2方向，Z方向五自由度悬浮。本发明的轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机，结构简单，生产成本低廉，可实现轴向和径向悬浮力解耦，可靠性高。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括第一无轴承电机、第二无轴承电机、转轴和轴向推力盘；所述第一无轴承电机与第二无轴承电机的结构相同，第一无轴承电机包括第一定子、第一转子，第二无轴承电机包括第二定子、第二转子；
第一转子嵌套在第一定子内部，第二转子嵌套在第二定子内部，第一转子、第二转子、轴向推力盘均套在转轴上，且轴向推力盘位于第一转子和第二转子之间，且第一转子和第二转子相对于轴向推力盘的中心对称；
第一转子和第二转子的齿极数均为4，第一转子的齿极与第二转子的齿极错开15°机械角度；第一定子和第二定子的齿极数均为12，第一定子每个齿极的轭部绕有一绕组线圈，第二定子每个齿极的轭部绕有一绕组线圈，各绕组线圈均独立控制；
第一转子、第二转子和轴向推力盘采用一体加工成型，第一转子和轴向推力盘之间无间隙，第二转子和轴向推力盘之间无间隙，第一定子和轴向推力盘之间存在间隙，第二定子和轴向推力盘之间存在间隙，定义第一定子或第二定子每个齿极上除了绕组线圈的部分包括两端，一端即为定子齿极端部，轴向推力盘的直径在定子齿极端部与另一端之间。
2.根据权利要求1所述轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一定子和第二定子的齿宽相等。
3.根据权利要求1所述轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一转子和第二转子的齿宽相等。
4.根据权利要求1所述轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第一无轴承电机包括三相绕组，每相绕组由四个绕组线圈组成，相邻两个绕组线圈相差90°，相邻两相绕组相差30°。
5.根据权利要求1所述轴向盘式五自由度悬浮无轴承开关磁阻电机，其特征在于，所述第二无轴承电机包括三相绕组，每相绕组由四个绕组线圈组成，相邻两个绕组线圈相差90°，相邻两相绕组相差30°。
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