CN1747281A - 片状无轴承永磁电机及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种片状无轴承永磁电机，包括底座(1)、壳体(2)、端盖(3)、定子(7)、转子(8)、电机绕组和悬浮绕组(11)、芯轴(10)、偏置永磁体(12)、电涡流传感器支架(9)以及定子偏置磁轭(5)、转子偏置磁轭(6)、永磁偏置磁轭(4)和传感器支架***。由于该电机转子采用片状结构，控制电机径向两个自由度的悬浮就能实现转子空间五个自由度的稳定悬浮，大大简化了电机的控制***，缩小了电机的体积；用一个偏置永磁体来提供悬浮的偏置磁通，控制悬浮绕组中的电流来控制磁悬浮力，从而实现电机的径向悬浮；旋转励磁由转子表面的永磁贴片提供。该无轴承永磁电机控制机理简单、功耗小、无摩擦等独特的优点，在航空航天、小型旋转高速机械、能源生命科学等领域具有广阔的应用前景。

Description

片状无轴承永磁电机及控制方法

一、技术领域

本发明属于一种电机，特别是一种片状无轴承永磁电机。

二、背景技术

所谓无轴承电机就是在电机定子上绕2组线圈，一组是转矩线圈，用于驱动转子旋转，另一组是磁悬浮线圈，用于产生径向磁悬浮力支承转子，实际上就是将磁悬浮轴承和电机集成在一起的新型电机。传统的无轴承电机***一般需要两个无轴承电机和一个轴向磁悬浮轴承或者一个无轴承电机、一个径向和一个轴向磁悬浮轴承构成，其不足是体积很大、动态性能较低。当无轴承电机转子的轴向长度与其直径相比很小时，转子在轴向是被动稳定的，稳定悬浮只需控制转子的两个径向自由度，这种特殊的无轴承电机被称为片状无轴承电机，具有体积小、动态性能高等优点。

由于无轴承电机的磁悬浮绕组和电机绕组共用一套定子，它们之间必然存在耦合。为了实现转矩与磁悬浮力之间的解耦控制，矢量控制技术和气隙磁场定向技术相继被引入到普通无轴承电机的控制中。但是，没有完全解决耦合问题。单个无轴承电机一般只能约束转子沿径向方向的两个自由度，要实现转子稳定悬浮，需要2个无轴承电机和一个轴向磁悬浮轴承，或者需要一个无轴承电机和一个径向再加一个轴向磁悬浮轴承。这样，普通无轴承电机不仅在控制策略上相互受到诸多制约，而且结构非常复杂。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、结构简单、成本低且能满足无接触、无磨损、无污染、高效率要求的无轴承电机。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：

首先，该电机转子采用片状结构(即：转子径向尺寸远远大于轴向尺寸)，从而使电机在轴向和扭转方向上实现被动悬浮，去掉了轴向磁轴承，大大缩小了电机的体积；并且当电机极对数满足M≥3时，径向力和转矩完全解藕，可以相互独立控制，简化了控制***。

其次，本发明的电机绕组采用四对极结构通以三相交流电，悬浮绕组采用通以直流电，从而使电机的悬浮力和转矩自动解藕，大大简化了电机的控制***。

本发明的片状无轴承永磁电机，包括置于底座上的壳体，壳体上端与端盖相连，定子固定在置于壳体内的偏置磁轭上，定子槽中绕有电机绕组和悬浮绕组，置于定子内通过转子偏置磁轭安装在芯轴中段的环状转子其外圆周表面对称地贴有永磁贴片，与控制***相连的电涡流传感器通过传感器支架固定在芯轴上段，置于底座内端面和壳体内的永磁偏置磁轭安装在芯轴下段，在该偏置磁轭与转子偏置磁轭之间放置偏置永磁体。本发明电涡流传感器检测出传感器护环即转子内环的径向位移(也可通过另一种结构检测环状转子外环位移)，位移信号通过传感器处理电路转变为电压信号，电压信号通过PID电路处理后送入功放，功放将所接收的电压信号转化为相应的电流信号送入悬浮绕组，从而控制电机的径向悬浮。

由于该电机转子采用片状结构，只要控制电机径向两个自由度的悬浮就能实现转子空间五个自由度的稳定悬浮，大大简化了电机的控制***，缩小了电机体积；该电机用一个偏置永磁体来提供悬浮的偏置磁通，通过控制该电机悬浮绕组中的电流来控制磁悬浮力，从而实现电机的径向悬浮，因此属于混合式无轴承电机；该电机旋转励磁由转子表面的永磁贴片提供，因此旋转的控制与永磁同步电机类似。当电机极对数满足M≥3时，悬浮和旋转的控制是相互独立的。因此，本发明具有如下优点：

1、体积小、结构简单、设计新颖合理、控制***简单，能够工作在无接触、无污染、无摩擦的磁悬浮状态。

2、耐用可靠，能长久运行而无需维护，更无须更换部件。特别是对一些医疗仪器及需要连续工作的仪器，应用优势尤为突出。

四、附图说明

图1为本发明的剖面图；

图2为本发明悬浮绕组示意图；

图3为本发明永磁贴片结构示意图；其中图(a)为四片同向充磁的永磁贴片励磁；图(b)为八片正反向充磁的永磁贴片励磁；图(c)为四片同向充磁的菱形永磁贴片励磁。

图4为本发明转子被动稳定原理图；

图5为本发明径向悬浮磁路原理图。

图1中：1底座，2壳体，3端盖，4、5、6偏置磁轭，7定子，8转子组件，9传感器支架组件，10芯轴，11绕组，12偏置永磁体，13永磁贴片，14传感器护环

图5中：虚线为悬浮绕组产生的控制磁通，实线为偏置永磁体产生的偏置磁通。

五、具体实施方式

如附图1所示，本发明的片状无轴承永磁电机的具体组成是，置于底座1上的壳体2其上端与端盖3相连，定子7固定在置于壳体2内的偏置磁轭5上，定子7开有槽，在槽中绕有电机绕组和悬浮绕组11，环状转子8置于定子内通过转子偏置磁轭6安装在芯轴10中段，环状转子8外圆周表面对称地贴有永磁贴片13，与控制***相连的电涡流传感器通过传感器支架9固定在芯轴10上段，置于底座1内端面和壳体2内的永磁偏置磁轭4安装在芯轴10下段，在永磁偏置磁轭4和转子偏置磁轭6之间放置偏置永磁体12。其中附图1中的定子7由电工硅钢片叠压而成，并开出一定数量的槽，放入8极的电机绕组和2极的悬浮绕组11，电机绕组通以交流电，悬浮绕组通以直流电。绕组11的出线通过底座1上的通孔引出。四个电涡流传感器通过传感器支架9及芯轴10固定，电涡流传感器通过检测传感器护环14的径向位移从而检测转子组件8的内环径向位移，也可采用传感器检测转子组件8外环径向位移方式控制转子径向悬浮，最后传感器的出线通过芯轴10和底座1上的通孔引出。

以定子中心为原点，建立xyz直角坐标系，定子上x方向和y方向各有一套磁悬浮绕组分别控制这两个方向上径向磁悬浮力，从而控制转子的径向位置。为了使悬浮绕组在气隙中产生近似正弦磁感应强度分布，原悬浮绕组采用跨齿绕线方法，其缺点是操作难度很大。本发明的悬浮绕组采用如图2所示的单齿绕线方式，构成单齿悬浮绕组结构形式，附图2中所示的T₁、T₂和T₃为本发明y方向磁悬浮绕组跨在不同齿上的线圈匝数。即在相邻的三个齿上各自独立地分别绕制悬浮绕组(T3)、(T2+T3)和(T1+T2+T3)其中T1、T2、T3满足如下规律：

$T_1=\frac{T_{\mathrm{all}}}{2}(1-\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{6}\right))$ $T_2=\frac{T_{\mathrm{all}}}{2}(\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)-\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right))$ $T_3=\frac{T_{\mathrm{all}}}{2}\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}\right),$ 式中T_all为一个自由度上的悬浮绕组总匝数即：T_all＝2(T₁+T₂₁+T₃)，保证每个齿上的线圈总扎数与跨齿绕法的总扎数相同，实验表明单齿绕线法在气隙中产生的磁感应强度分布与跨齿绕法是近似相同的，但明显降低了劳动强度。因此选择合适的匝数比例，y方向磁悬浮绕组就能在气隙中形成近似正弦的磁感应强度分布。同理可产生x方向类似正弦的悬浮磁感应强度分布。

附图3为转子表面钕铁硼材料的永磁贴片13和转子贴上永磁贴片后的结构示意图，其中y₁(x)、y₂(x)为永磁贴片的结构函数。图(a)采用的是四片同相充磁的永磁贴片励磁；图(b)采用八片永磁贴片励磁，且相邻永磁贴片充磁方向相反；图(c)采用的是四片同相充磁的菱形永磁贴片励磁。

原有永磁贴片采用附图3(c)所示的各个永磁贴片两端相互分离的结构形式，为了进一步改善片状无轴承永磁电机的动态性能，减小电机的损耗及有害的附加转矩，本发明采用如附图3(a)、(b)所示的四片同向充磁或八片正反向充磁的各个永磁贴片两端彼此相互接触的永磁贴片结构形式，使其在气隙中产生的磁感应强度分布非常接近正弦，大大降低了电机的损耗、提高了电机的效率、减小电机输出转矩的脉动。

附图4为环状转子组件8在轴向被动稳定原理示意图，当转子在轴向或扭转方向有任意偏移时，都会受到反方向的磁拉力使其回复原位。附图5为转子径向悬浮原理图，本发明采用偏置永磁体提供悬浮所需要的偏置磁通，通过控制悬浮绕组的电流来实现转子径向稳定悬浮。图中实线为偏置永磁体所产生的磁通，虚线为悬浮绕组所产生的控制磁通，当虚线方向为如图5所示向左时，电机左半边气隙磁通明显增加，右半边气隙磁通明显减少，从而产生向左的电磁力使得转子向左偏。因此控制悬浮绕组的电流方向和大小，就能控制悬浮磁通的方向和大小，最终控制转子的径向位移，实现转子径向稳定悬浮。

Claims (5)

1.、一种片状无轴承永磁电机，其特征在于：置于底座(1)上的壳体(2)，其上端与端盖(3)相连，定子(7)固定在置于壳体(2)内偏置磁轭(5)上，定子(7)开有槽，槽中绕有电机绕组和悬浮绕组(11)，环状转子(8)置于定子内通过转子偏置磁轭(6)安装在芯轴(10)中段，环状转子(8)外圆周表面贴有永磁贴片，与控制***相连的电涡流传感器通过传感器支架(9)固定在芯轴(10)上段，置于底座(1)内端面和壳体(2)内的永磁偏置磁轭(4)安装在芯轴(10)下段，在永磁偏置磁轭(4)与转子偏置磁轭(6)之间安装偏置永磁体(12)。

2、根据权利要求1所述的片状无轴承永磁电机，其特征在于：该电机转子采用片状结构，即转子径向直径远远大于转子轴向长度，并且永磁体采用表面式转子磁路结构。

3、根据权利要求1所述的片状无轴承永磁电机，其特征在于：该电机旋转励磁永磁贴片采用四片同向充磁或八片正反向充磁且各永磁贴片两端彼此相互接触的结构形式。

4、根据权利要求1所述的片状无轴承永磁电机，其特征在于，悬浮绕组为单齿绕线结构形式，即在相邻的三个齿上分别绕制悬浮绕组(T3)、悬浮绕组(T2+T3)和悬浮绕组(T1+T2+T3)。

5、一种片状无轴承永磁电机的控制方法，其特征在于，四对极结构的电机绕组通以三相交流电，悬浮绕组通以直流电，实现电机悬浮力和转矩的自动解藕；片状结构的电机转子通过电涡流传感器检测出转子径向位移，位移信号通过传感器处理电路转变为电压信号，电压信号通过PID电路处理后进入功放，功放将所接收的电压信号转化为相应的电流信号送入悬浮绕组，从而控制电机的径向悬浮。

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