CN105281522A - 一种绕组转矩电流并联注入式的无轴承永磁薄片电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种绕组转矩电流并联注入式的无轴承永磁薄片电机，外转子内表面上紧密表贴Halbach阵列结构的4极永磁体，定子铁心由6个电枢齿沿圆周方向均匀分布组成，每个电枢齿上都绕有线圈，相对于轴心呈轴对称的两个线圈绕向相反且末端连接在一起构成一相绕组；每相绕组的两个线圈的中点处引出中线且中线出线端均连接第一电流逆变器，第一电流逆变器为绕组提供转矩电流；每相绕组的三个始端与第二电流逆变器相连接，第二电流逆变器为绕组同时提供悬浮力电流与转矩电流；每相绕组的三个末端共同连接中性点；电机结构更加简单紧凑，提高了悬浮力控制性能，定子侧的功率损耗更小，消除了对控制悬浮力电流逆变器内悬浮力电流分量的影响。

Description

一种绕组转矩电流并联注入式的无轴承永磁薄片电机

技术领域

本发明涉及一种无轴承电机，特别是一种单绕组无轴承永磁薄片电机，适用于生物医疗工程、化学、半导体与微电子等特殊电气传动领域。

背景技术

传统的无轴承电机大多实现的是两个自由度或四个自由度的主动悬浮，其他的自由度仍然需要磁轴承控制，电机的轴向长度较长，体积较大，同时临界转速下降，向更高转速发展受到限制。而无轴承永磁薄片电机能够实现五个空间自由度全悬浮，通过改变悬浮力绕组的电流的幅值和相位，实现两个径向自由度的主动悬浮，并根据磁阻最小原理实现三个自由度(一个轴向自由度和两个扭转自由度)的被动悬浮。这种电机在继承了无轴承电机长处的同时，还具有占用空间小、功率密度大、损耗低等特点，能够普遍地应用于超洁净的场合。

无轴承永磁薄片电机在定子中叠加了转矩和悬浮力两套绕组，致使电机的机械结构复杂，同时转矩绕组与悬浮力绕组共用同一个磁路，互相影响存在耦合，使得电磁结构也更为复杂。而单绕组结构无轴承永磁薄片电机是通过对一套绕组的单独控制，使其能够一并产生悬浮力和转矩。由电机学的原理可知，带有永磁体的转子在旋转时，会在定子绕组内产生感应电动势，且转速越高，产生的感应电动势越大。由于单绕组无轴承永磁电机产生转矩和悬浮力公用一套绕组，绕组内生成的感应电动势限制了悬浮力电流分量的调节，而且感应电动势越大，悬浮力电流分量越小，生成的悬浮力减小。

发明内容

为了降低传统无轴承永磁薄片电机结构的复杂性，实现电机结构更小、重量更轻、效率更高，同时消除绕组内感应电动势对悬浮力电流的影响，本发明提出了一种绕组转矩电流并联注入式的单绕组无轴承薄片电机。

本发明所述一种绕组转矩电流并联注入式的无轴承永磁薄片电机采用的技术方案是：本发明最外部是外转子，外转子内部有同轴心的定子铁心，外转子内表面上紧密表贴Halbach阵列结构的4极永磁体，定子铁心由6个电枢齿沿圆周方向均匀分布组成，每个电枢齿上都绕有线圈，相对于轴心呈轴对称的两个线圈绕向相反且末端连接在一起构成一相绕组；每相绕组的两个线圈的中点处引出中线且中线出线端均连接第一电流逆变器，第一电流逆变器为绕组提供转矩电流；每相绕组的三个始端与第二电流逆变器相连接，第二电流逆变器为绕组同时提供悬浮力电流与转矩电流；每相绕组的三个末端共同连接中性点。

进一步地，第二电流逆变器提供的转矩电流大小是第一电流逆变器提供的转矩电流大小的1/2，第二电流逆变器6提供的转矩电流相位与第一电流逆变器提供的转矩电流相位相差180度。

进一步地，与第二电流逆变器相连的三相绕组通入的电流依次为： i_mu、i_mv、i_mw分别为三相绕组转矩电流分量，i_bu、i_bv、i_bw分别为三相绕组悬浮力电流分量。

进一步地，所述4极永磁体由16块小磁体组成，每块小磁体充磁方向分别比相邻两侧的两块小磁体充磁方向按顺时针、逆时针偏移45度。

本发明的优点在于：

1、本发明是一种同步电机，只采用一套绕组，由两个三相变频器为其供电，其中一个三相逆变器在中点出注入转矩电流，另外一个三相逆变器注入悬浮力电流和1/2幅值、相位差180度的转矩电流。使得2组电流能够产生极对数相差为1的两个磁场。这样不仅使得电机结构更加简单紧凑，提高了悬浮力控制性能，而且定子侧的功率损耗更小。

2、本发明将对称的两个线圈相连，且电流流向相同，因此从控制转矩电流逆变器的方向看去，两个线圈内产生的感应电动势的方向相同，而从控制悬浮力电流逆变器的方向看去，两个线圈内产生的感应电动势的方向相反，由于幅值相同而两者相互抵消，消除了对控制悬浮力电流逆变器内悬浮力电流分量的影响。

3、本发明贴在外转子上的4极永磁体采用每极包含4个永磁体的Halbach阵列结构，使得电机气隙内的磁密增强，且更加接近于正弦，能够在增大转矩和悬浮力的同时使脉动更小，又能减小轭部磁通，从而减小轭部厚度，电机的体积和重量降低。

4、本发明为实现更好的散热性能采用外转子的结构，同时使得轴向尺寸紧凑，转动惯量大。

5、本发明采用6个电枢齿，可以保证电机在足够小的空间内，嵌入足够多的绕组，实现转矩最大化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明绕组转矩电流并联注入式的无轴承薄片电机的径向剖面示意图；

图2是图1中采用Halbach阵列结构的4极永磁体顺序排列示意图；

图3为图1中各绕组与两个逆变器的连接结构示意图；

图4为图1所示本发明电机在启动时刻转矩与径向力产生的磁路流程图。

图中：1-外转子；2-Halbach阵列结构的4极永磁体；3-定子铁心；4-绕组；5-第一电流逆变器；6-第二电流逆变器；7-形成转矩的两对极磁场；8-形成悬浮力的一对极磁场。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明绕组转矩电流并联注入式的无轴承薄片电机采用外转子结构，能实现更好的散热性能。最外部是外转子1，外转子1内部有与外转子1同轴心的定子铁心3，外转子1也作为电机的机壳。在外转子1的内表面上紧密地表贴4极永磁体2，每极有4块小磁体组成，4极永磁体2采用Halbach阵列结构，是Halbach阵列结构的4极永磁体2。定子铁心3与4极永磁体2之间存有径向气隙。外转子1用于固定永磁体，防止永磁体因高速离心力造成脱落。

定子铁心3是由6个电枢齿沿圆周方向均匀分布而成，在每个电枢齿上都绕有线圈4，将6个电枢齿上的线圈按逆时针方向依次定义为线圈U1、W2、V1、U2、W1、V2，相对于轴心呈轴对称的两个线圈绕向相反，且两个线圈末端连接在一起构成一相绕组。也就是线圈U1、V1、W1按顺时针绕在电枢齿上，线圈U2、V2、W2按逆时针绕在电枢齿上，线圈U1和线圈U2末端相连构成U相绕组，线圈W1和线圈W2末端相连构成W相绕组，线圈V1和线圈V2末端相连构成V相绕组，从结构上构成一个传统的UVW三相电机。

参见图2所示的Halbach阵列结构的4极永磁体2顺序排列图，Halbach阵列结构的4极永磁体2由16块小磁体组成，16块小磁体中的每块小磁体充磁方向分别比相邻两侧的两块小磁体充磁方向顺时针、逆时针偏移45度，也就是：当某一块小磁体充磁方向比左侧的一块小磁体充磁方向顺时针方向偏移45度时，则比右侧的一块小磁体充磁方向逆时针偏移45度，左侧的一块小磁体和右侧的一块小磁体充磁方向相差90度。如此可使得气隙磁密更加接近于正弦，同时轭部磁通的减小，使得外转子1的厚度减小，降低了电机重量与体积。

再参见图3，每一相的两个线圈的中点处引出中线，仅注入转矩电流，使得转矩电流在两个线圈并联通过，共引出3个中线，将3个中线出线端均连接第一电流逆变器5。这样整个电机共有9个出线端，其中3个中线出线端与第一电流逆变器5相连，将相互间隔的三个线圈始端与第二电流逆变器6相连，另外的相互间隔的三个线圈始端共同连接在中性点N上，即每相绕组的末端共同连接在中性点N上。也就是：相互间隔的三个线圈U1、V1、W1的始端与第二电流逆变器6相连，另外的相互间隔的三个线圈始端U2、V2、W2连接中性点N。以U相为例，其中线圈U2始端连接到中性点N，而线圈U1始端连接到第二电流逆变器逆变器6，线圈U1与U2的末端相连接并在连接处引出中线，该中线连接到第一电流逆变器5上，W相和V相与U相雷同。第一电流逆变器5只需要为绕组提供转矩电流，而第二电流逆变器6需要为绕组同时提供悬浮力电流与转矩电流，其中第二电流逆变器6提供的转矩电流的大小是第一电流逆变器5提供的转矩电流的大小1/2，第二电流逆变器6提供的转矩电流相位与第一电流逆变器5提供的转矩电流相位相差180度。在每相绕组的始端同时注入悬浮力电流和1/2幅值、相位差180度的转矩电流。

每相电枢绕组都采用集中整距绕组，与第二电流逆变器6相连的U、V、W三相绕组通入的电流依次为：与第一电流逆变器5相连的U、V、W三相绕组的中点通入的电流依次为：i_mu、i_mv、i_mw，其中，i_mu、i_mv、i_mw分别为三相绕组转矩电流分量，i_bu、i_bv、i_bw分别为三相绕组悬浮力电流分量。因此电枢齿上的各线圈内的控制电流均是由转矩电流和悬浮力电流叠加而成，各变量i_u1、i_v1、i_w1、i_u2、i_v2、i_w2分别表示各电枢齿上线圈U1、V1、W1、U2、V2、W2的电流，变量e_u1、e_v1、e_w1、e_u2、e_v2、e_w2分别表示因外转子1的旋转作用在各线圈内产生的感应电动势，箭头表示方向。

因此，第一电流逆变器5与三相绕组的三个中线相连接，通入的转矩电流依次为：i_mu、i_mv、i_mw，第二电流逆变器6与三相绕组的三个始端相连接，通入的悬浮力电流和转矩电流依次为：其中，i_mu、i_mv、i_mw分别为三相绕组转矩电流分量，i_bu、i_bv、i_bw分别为三相绕组悬浮力电流分量。

当第二电流逆变器6仅向绕组通入悬浮力电流时，悬浮力电流经过相连接的同相的2个线圈幅值与相位相同，因此在电机内能够形成一对极磁场，由于与外转子1上的4极永磁体2极对数不同，外转子1旋转时绕组内不会产生感应电动势。当第一电流逆变器5和第二电流逆变器6各自向绕组仅通入相应的转矩电流时，电流在相连接的2个线圈幅值相同但相位相反，因此在电机内能够形成两对极磁场，与4极永磁体2相互作用产生转矩。外转子1的旋转运动将会在绕组内产生感应电压。与第一电流逆变器5相接的每相相对称的两个线圈内产生的感应电动势的幅值与方向均相同，而与第二电流逆变器6相接的两个线圈内产生的感应电动势的幅值相同而方向相反，使得两者相互抵消，消除了对控制悬浮力的第二电流逆变器6电流的影响。以U相为例，当第二电流逆变器6向绕组通入悬浮力电流i_bu时，电流由线圈U1的始端流入经末端再流入到线圈U2的末端，再由线圈U2始端流出。根据右手螺旋定则，线圈U1、U2同时产生向右的磁场，磁感线经右侧定子齿、气隙和永磁体进入外转子1，然后从左侧的永磁体、气隙流入左侧定子齿，最终形成闭合磁场回路。当第一电流逆变器5和第二电流逆变器6分别向绕组通入相应的转矩电流，使电流由中线分别流入线圈U1的末端和线圈U2的末端，再由线圈U1的始端和线圈U2的始端流出。根据右手螺旋定则，线圈U1产生向右的磁场，而线圈U2产生向左的磁场，磁感线分别经右侧定子齿、气隙、永磁体和左侧定子齿、气隙、永磁体进入外转子1，再经其余4个定子齿流回，最终形成闭合磁场回路。由此可见，与第一电流逆变器5和第二电流逆变器6这2个逆变器连接的各相绕组通入各自相应的电流后，电机内能够形成极对数相差为1的磁场，而且使得绕组内产生的感应电动势仅影响第一电流逆变器5的电流而不影响第二电流逆变器6的电流。

参见图4所示的U相电流初始相位为0度时转矩与悬浮力产生原理图，其中7为控制转矩的两对极磁场7，8为控制悬浮力的一对极磁场8。通过第一电流逆变器5给线圈U1、U2之间的中线端通入转矩电流i_mu、第二电流逆变器6给线圈U1始端通入悬浮力与转矩电流：使得转矩电流产生的磁场与永磁体产生的磁场相互作用，牵引外转子1按交变电流产生的旋转磁场方向运动。悬浮力电流产生的磁场与转矩电流产生的磁场相叠加，在电机定子、外转子1之间左侧气隙磁场减弱而右侧气隙磁场增强，由于定子、外转子1之间电磁吸力与气隙磁通密度的平方成正比，故电机转子将受到一个图4中由左向右水平方向(x轴方向)的电磁力Fx。只要实时检测电机外转子1的位置，便可根据需要调整外转子1位移的方向，通过控制悬浮力的电流产生所要求的悬浮力，使外转子1始终处于悬浮状态而定子、外转子1之间的气隙均匀。

Claims (5)

1.一种绕组转矩电流并联注入式的无轴承永磁薄片电机，最外部是外转子，外转子内部有同轴心的定子铁心，其特征是：外转子内表面上紧密表贴Halbach阵列结构的4极永磁体，定子铁心由6个电枢齿沿圆周方向均匀分布组成，每个电枢齿上都绕有线圈，相对于轴心呈轴对称的两个线圈绕向相反且末端连接在一起构成一相绕组；每相绕组的两个线圈的中点处引出中线且中线出线端均连接第一电流逆变器，第一电流逆变器为绕组提供转矩电流；每相绕组的三个始端与第二电流逆变器相连接，第二电流逆变器为绕组同时提供悬浮力电流与转矩电流；每相绕组的三个末端共同连接中性点。

2.根据权利要求1所述绕组转矩电流并联注入式的无轴承永磁薄片电机，其特征是：第二电流逆变器提供的转矩电流大小是第一电流逆变器提供的转矩电流大小的1/2，第二电流逆变器6提供的转矩电流相位与第一电流逆变器提供的转矩电流相位相差180度。

3.据权利要求2所述绕组转矩电流并联注入式的无轴承永磁薄片电机，其特征是：与第二电流逆变器相连的三相绕组通入的电流依次为：i_mu、i_mv、i_mw分别为三相绕组转矩电流分量，i_bu、i_bv、i_bw分别为三相绕组悬浮力电流分量。

4.据权利要求1所述绕组转矩电流并联注入式的无轴承永磁薄片电机，其特征是：所述4极永磁体由16块小磁体组成，每块小磁体充磁方向分别比相邻两侧的两块小磁体充磁方向按顺时针、逆时针偏移45度。

5.据权利要求1所述绕组转矩电流并联注入式的无轴承永磁薄片电机，其特征是：第二电流逆变器仅向绕组通入悬浮力电流时形成一对极磁场，外转子旋转时绕组内不产生感应电动势；第一电流逆变器和第二电流逆变器各自向绕组仅通入转矩电流时形成两对极磁场，与4极永磁体相互作用产生转矩。