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CN112436616B - 一种轴向磁通五自由度磁悬浮电机 - Google Patents

一种轴向磁通五自由度磁悬浮电机 Download PDF

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CN112436616B CN202011215587.XA CN202011215587A CN112436616B CN 112436616 B CN112436616 B CN 112436616B CN 202011215587 A CN202011215587 A CN 202011215587A CN 112436616 B CN112436616 B CN 112436616B
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王泽林
曹鑫
梅磊
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Abstract

本发明公开了一种轴向磁通五自由度磁悬浮电机，包括两个无轴承开关磁阻电机、一个轴向圆盘、两个永磁环、两套轴向控制绕组。第一、第二无轴承开关磁阻电机的转子以及轴向圆盘共用一个转轴。第一与第二无轴承开关磁阻电机提供转矩，驱动电机旋转运行；并提供径向悬浮力，保证径向四自由度悬浮。轴向圆盘、第一永磁环、第二永磁环、第一定子齿轭、第二定子齿轭、第一转子齿轭、第二转子齿轭共同形成一个轴向偏置磁通，通过调节第一与第二轴向控制绕组产生轴向控制磁通，保证转子轴向悬浮，最终实现系统的五自由度悬浮。本发明集成无轴承开关磁阻电机与轴向磁轴承于一体，既能体现系统的高可靠性与简易性，又能发挥磁轴承无磨损、高寿命等优势。

Description

一种轴向磁通五自由度磁悬浮电机
技术领域
本发明涉及一种轴向磁通五自由度磁悬浮电机，属于电机类的磁悬浮开关磁阻电机技术领域。
背景技术
在高速应用场合，电机中所采用的机械轴承成本高，寿命短，严重影响电机的使用性能。为了解决该问题，磁轴承技术被引入，与电机组合，替代传统的机械轴承，实现电机转子悬浮运行，具有无磨损，使用寿命高，降低维修成本等特点。但磁轴承的使用需要额外增加独立的转子，增加了系统的体积与成本，同时，由于转子长度增加，临界转速随之降低，阻碍了电机系统在高速中的应用。将电机与磁轴承技术相结合，提出无轴承电机技术，其中开关磁阻电机作为其中一类电机，因其结构简单，成本低廉，容错能力好，具有一定的可靠性，是作为无轴承电机的较好方案之一。
无轴承开关磁阻电机集转矩与径向悬浮与一体，既能提供转矩，也能提供径向悬浮力，但无法实现轴向稳定悬浮，因此要实现系统的五自由度悬浮，是目前的研究难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种轴向磁通五自由度磁悬浮电机，可实现五自由度悬浮，具有集成度高，容错能力强，轴向承载力大，电机体积小等特点。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种轴向磁通五自由度磁悬浮电机，包括第一无轴承开关磁阻电机、第二无轴承开关磁阻电机、轴向圆盘、第一永磁环、第二永磁环、第一轴向控制绕组以及第二轴向控制绕组；所述第一无轴承开关磁阻电机与第二无轴承开关磁阻电机结构相同，第一无轴承开关磁阻电机包括第一定子、第一转子、第一电枢绕组；第一定子包括第一定子齿极和第一定子齿轭，第一定子齿极的轭部绕有第一电枢绕组；第一转子包括第一转子齿极和第一转子齿轭；第二无轴承开关磁阻电机包括第二定子、第二转子、第二电枢绕组；第二定子包括第二定子齿极和第二定子齿轭，第二定子齿极的轭部绕有第二电枢绕组；第二转子包括第二转子齿极和第二转子齿轭；第一电枢绕组和第二电枢绕组均独立控制；
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、轴向圆盘均套在转轴上，且轴向圆盘位于第一转子和第二转子之间，第一转子和第二转子相对于轴向圆盘的中心对称；
轴向圆盘包括一体成型的第一圆盘、第二圆盘和第三圆盘，第一圆盘位于第二圆盘和第三圆盘之间，第二圆盘和第三圆盘大小相同，第一圆盘、第二圆盘和第三圆盘的内圆半径均相等，第二圆盘的外圆半径等于第一转子齿轭的外圆半径，第三圆盘的外圆半径等于第二转子齿轭的外圆半径，第一圆盘的外圆半径、第一定子齿轭的外圆半径和第二定子齿轭的外圆半径均相等；
轴向圆盘的内侧面与转轴的外侧面之间存在径向气隙，第二圆盘与第一转子齿轭相对，且第二圆盘与第一转子齿轭之间存在轴向气隙，第三圆盘与第二转子齿轭相对，且第三圆盘与第二转子齿轭之间存在轴向气隙；
第一永磁环设置于第一定子齿轭与轴向圆盘之间，且第一永磁环的外圆半径等于第一定子齿轭的外圆半径，第二永磁环设置于第二定子齿轭与轴向圆盘之间，且第二永磁环的外圆半径等于第二定子齿轭的外圆半径；第一永磁环内侧设置有第一轴向控制绕组，第二永磁环内侧设置有第二轴向控制绕组。
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极数均为4，第一定子和第二定子的齿极数均为12。
作为本发明的一种优选方案，所述第一转子的齿极与第二转子的齿极错开15°机械角度。
作为本发明的一种优选方案，所述轴向圆盘、第一永磁环、第二永磁环、第一定子齿轭、第二定子齿轭、第一转子齿轭、第二转子齿轭共同形成一个轴向偏置磁通，通过调节第一轴向控制绕组与第二轴向控制绕组产生轴向控制磁通。
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、本发明利用较小的空间实现了系统转矩、径向悬浮、轴向悬浮功能，集成度高。
2、本发明采用开关磁阻电机类型，容错能力强，可靠性高。
3、本发明利用无轴承开关磁阻电机、轴向圆盘、永磁环、轴向控制绕组构建了轴向磁通，使系统具有较大的轴向承载力。
附图说明
图1是本发明一种轴向磁通五自由度磁悬浮电机的平面示意图。
图2是本发明一种轴向磁通五自由度磁悬浮电机的轴向磁通示意图。
其中，1-第一永磁环，2-第一轴向控制绕组，3-第一转子齿极，4-第一转子齿轭，5-转轴，6-第一定子齿极，7-第一电枢绕组，8-第一定子齿轭，9-第二定子齿轭，10-第二电枢绕组，11-第二定子齿极，12-第二转子齿轭，13-第二转子齿极，14-轴向圆盘，15-第二轴向控制绕组，16-第二永磁环。
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，本发明提出的轴向磁通五自由度磁悬浮电机平面示意图，包括第一无轴承开关磁阻电机、第二无轴承开关磁阻电机、轴向圆盘14、第一永磁环1、第二永磁环16、第一轴向控制绕组2、第二轴向控制绕组15；第一无轴承开关磁阻电机与第二无轴承开关磁阻电机结构相同，第一无轴承开关磁阻电机包括第一定子、第一转子、第一电枢绕组7；第一定子包括第一定子齿极6和第一定子齿轭8；第一转子包括第一转子齿极3和第一转子齿轭4；第二无轴承开关磁阻电机包括第二定子、第二转子、第二电枢绕组10；第二定子包括第二定子齿极11和第二定子齿轭9；第二转子包括第二转子齿极13和第二转子齿轭12。
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、轴向圆盘均套在转轴5上，且轴向圆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圆盘的中心对称。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。
两个无轴承开关磁阻电机定、转子极数可以是12/4型、12/8型、6/4型等，但不限定于上述类型，第一无轴承开关磁阻电机与第二无轴承开关磁阻电机提供转矩，驱动电机旋转运行；并且提供径向悬浮力，保证径向四自由度悬浮。
如图2所示，本发明提出的轴向磁通五自由度磁悬浮电机的轴向磁通示意图，轴向圆盘、第一永磁环、第二永磁环、第一定子齿轭、第二定子齿轭、第一转子齿轭、第二转子齿轭共同形成一个轴向偏置磁通，通过调节第一轴向控制绕组与第二轴向控制绕组产生轴向控制磁通，保证转子轴向悬浮，最终实现系统的五自由度悬浮。
本发明提供了一种新型轴向磁通五自由度磁悬浮电机，利用无轴承开关磁阻电机提供转矩与径向悬浮力；并通过轴向圆盘、永磁环与轴向控制绕组产生轴向悬浮力，从而实现系统的五自由度悬浮功能。本发明的轴向磁通五自由度磁悬浮电机，具有结构简单，生产成本低廉，容错能力强，可靠性好，集成度高等优点，同时还具有较大的轴向承载力。
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 (4)

1.一种轴向磁通五自由度磁悬浮电机，其特征在于，包括第一无轴承开关磁阻电机、第二无轴承开关磁阻电机、轴向圆盘、第一永磁环、第二永磁环、第一轴向控制绕组以及第二轴向控制绕组；所述第一无轴承开关磁阻电机与第二无轴承开关磁阻电机结构相同，第一无轴承开关磁阻电机包括第一定子、第一转子、第一电枢绕组；第一定子包括第一定子齿极和第一定子齿轭，第一定子齿极的轭部绕有第一电枢绕组；第一转子包括第一转子齿极和第一转子齿轭；第二无轴承开关磁阻电机包括第二定子、第二转子、第二电枢绕组；第二定子包括第二定子齿极和第二定子齿轭，第二定子齿极的轭部绕有第二电枢绕组；第二转子包括第二转子齿极和第二转子齿轭；第一电枢绕组和第二电枢绕组均独立控制；
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、轴向圆盘均套在转轴上，且轴向圆盘位于第一转子和第二转子之间，第一转子和第二转子相对于轴向圆盘的中心对称；
轴向圆盘包括一体成型的第一圆盘、第二圆盘和第三圆盘，第一圆盘位于第二圆盘和第三圆盘之间，第二圆盘和第三圆盘大小相同，第一圆盘、第二圆盘和第三圆盘的内圆半径均相等，第二圆盘的外圆半径等于第一转子齿轭的外圆半径，第三圆盘的外圆半径等于第二转子齿轭的外圆半径，第一圆盘的外圆半径、第一定子齿轭的外圆半径和第二定子齿轭的外圆半径均相等；
轴向圆盘的内侧面与转轴的外侧面之间存在径向气隙，第二圆盘与第一转子齿轭相对，且第二圆盘与第一转子齿轭之间存在轴向气隙，第三圆盘与第二转子齿轭相对，且第三圆盘与第二转子齿轭之间存在轴向气隙；
第一永磁环设置于第一定子齿轭与轴向圆盘之间，且第一永磁环的外圆半径等于第一定子齿轭的外圆半径，第二永磁环设置于第二定子齿轭与轴向圆盘之间，且第二永磁环的外圆半径等于第二定子齿轭的外圆半径；第一永磁环内侧设置有第一轴向控制绕组，第二永磁环内侧设置有第二轴向控制绕组。
2.根据权利要求1所述轴向磁通五自由度磁悬浮电机，其特征在于，所述第一转子和第二转子的齿极数均为4，第一定子和第二定子的齿极数均为12。
3.根据权利要求1所述轴向磁通五自由度磁悬浮电机，其特征在于，所述第一转子的齿极与第二转子的齿极错开15°机械角度。
4.根据权利要求1所述轴向磁通五自由度磁悬浮电机，其特征在于，所述轴向圆盘、第一永磁环、第二永磁环、第一定子齿轭、第二定子齿轭、第一转子齿轭、第二转子齿轭共同形成一个轴向偏置磁通，通过调节第一轴向控制绕组与第二轴向控制绕组产生轴向控制磁通。
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