CN202384970U - 一种无轴承无刷直流电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种无轴承无刷直流电机，定子磁轭同轴内套转轴，转轴外同轴固定套装转子铁心，永磁体以Halbach阵列均匀分布在转子铁心表面，有12个定子齿均匀固定于定子磁轭的内圆周面上；转矩绕组采用短距绕组且由A、B、C三相转矩绕组组成；悬浮力绕组采用短距绕组且由a、b、c三相悬浮力绕组组成，每两个悬浮力绕组的线圈之间间隔一个定子齿；永磁体结构可以增加气隙磁密、增大悬浮力和节省永磁材料，减小电机重量；任意一相转矩绕组通电时，同齿的悬浮力绕组总不通电，从而极大减小了转矩绕组与悬浮力绕组之间的相互影响。

Description

一种无轴承无刷直流电机

技术领域

本实用新型涉及一种无轴承无刷直流电机，是一种短距绕组和Halbach阵列（径向和切向混合排列阵列）永磁转子结构的三相无轴承无刷直流电机，应用于人工心脏血泵、左心室辅助装置、手术切割电锯等特殊领域。

背景技术

无轴承无刷直流电机是在传统的无刷直流电机结构基础上将磁轴承和无刷直流电机一体化的新型电机。它将悬浮力绕组直接放置在定子槽中，使悬浮力绕组与转矩绕组共用定子铁心。目前常用的无轴承无刷直流电机为整距或长距绕组，共齿的悬浮力绕组和转矩绕组同时通电，两者所产生的磁场通过气隙共同作用于永磁转子，实现转子的悬浮与旋转，可以极大地减少电机的体积和轴向长度，有利于实现电机的微型化和高速或超高速化，在航空航天、国防、医疗和家用电器等领域有广泛的应用。而这种无轴承无刷直流电机存在的问题主要有：悬浮力绕组和转矩绕组产生的磁场相互作用，较难实现悬浮力和转矩之间的有效解耦；由于电机电流为方波直流，用于传统电机控制的坐标变换方法难以应用到无轴承无刷直流电机中；受材料性能和价格等因素影响，仅从永磁材料上来提高电机气隙磁密的可选择余地不大，因此难以满足对较大悬浮力的需求。

发明内容

本实用新型是为了解决现有无轴承无刷直流电机控制复杂、永磁材料利用率低、悬浮力小等问题而提出一种控制简单、永磁材料利用率高、悬浮力大的无轴承无刷直流电机。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：由定子磁轭、定子齿、永磁体、转轴、悬浮力绕组、转矩绕组和转子铁心组成，定子磁轭同轴内套转轴，转轴外同轴固定套装转子铁心，永磁体以Halbach阵列均匀分布在转子铁心表面，有12个定子齿均匀固定于定子磁轭的内圆周面上；转矩绕组采用短距绕组且由A、B、C三相转矩绕组组成，A相转矩绕组由依次串联的A1、A2、A3、A4线圈组成，B相转矩绕组由依次串联的B1、B2、B3、B4线圈组成，C相转矩绕组由依次串联的C1，C2，C3，C4线圈组成，转矩绕组的线圈按A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3、A4、B4、C4线圈的顺序依次沿逆时针方向缠绕于一个定子齿上；悬浮力绕组采用短距绕组且由a、b、c三相悬浮力绕组组成，a相悬浮力绕组由串联的a1、a2线圈组成，b相悬浮力绕组由串联的b1、b2线圈组成，c相悬浮力绕组由串联的c1、c2线圈组成，悬浮力绕组的线圈按a1、c1、b1、a2、c2、b2线圈的顺序依次沿逆时针方向缠绕于一个定子齿上且每两个悬浮力绕组的线圈之间间隔一个定子齿。

本实用新型的有益效果是：永磁体采用聚磁功能优良的Halbach阵列结构，可以增加气隙磁密、增大悬浮力和节省永磁材料，减小电机重量；转矩绕组和悬浮力绕组均采用短距绕组，任意一相转矩绕组通电时，同齿的悬浮力绕组总不通电，从而极大减小了转矩绕组与悬浮力绕组之间的相互影响。

附图说明

图1是本实用新型无轴承无刷直流电机的绕组布置及Halbach阵列永磁转子结构示意图；

图2是图1中永磁体13的磁力线分布示意图；

图3是永磁体等效之后的永磁转子在位置θ角的电机结构示意图；

图4(1)、(2)、(3)分别是a相、b相、c相悬浮力绕组中任意两相通电时悬浮力产生的相位，图4(1) 是b、c通电时悬浮力相位，图4 (2) 是a、c通电时悬浮力相位，图4 (3)是 a、b通电时悬浮力相位；

图中：11—定子磁轭；12—定子齿；13—永磁体；14—转轴；15—悬浮力绕组；16—转矩绕组；17—转子铁心；21—磁力线；31—等效永磁体。

具体实施方式

参见图1-3，电机由定子磁轭11、定子齿12、永磁体13、转轴14、悬浮力绕组15、转矩绕组16和转子铁心17组成。定子磁轭11为圆筒形，定子磁轭11内套转轴14，转轴14外固定套装转子铁心17，永磁体13以Halbach阵列（径向和切向混合排列阵列）均匀分布在转子铁心17表面。且定子磁轭11、转轴14和转子铁心17三者同轴。有12个定子齿12均匀固定在定子磁轭11的内圆周面上，悬浮力绕15组和转矩绕组16均缠绕在定子齿12上。

转矩绕组16由A、B、C三相转矩绕组组成，采用短距绕组，每相转矩绕组由四个线圈组成，共12个线圈。其中，A相转矩绕组由A1、A2、A3、A4线圈组成；B相转矩绕组由B1、B2、B3、B4线圈组成；C相转矩绕组由C1，C2，C3，C4线圈组成。这12个线圈的每个线圈各缠绕在一个定子齿12上，并且按A1→B1→C1→A2→B2→C2→A3→B3→C3→A4→B4→C4线圈的顺序依次沿逆时针方向分布于相应的定子齿12上，其中， A1、A2、A3和A4线圈依次串联，作为A相转矩绕组，B1、B2、B3和B4线圈依次串联，作为B相转矩绕组，C1、C2、C3和C4依次串联，作为C相转矩绕组。

悬浮力绕组15由a、b、c三相悬浮力绕组组成，采用短距绕组，每相悬浮力绕组由两个线圈组成，共6个线圈。其中，a相悬浮力绕组由a1、a2线圈组成，b相悬浮力绕组由b1、b2线圈组成，c相悬浮力绕组由c1、c2线圈组成。6个线圈中的每个线圈均缠绕在一个定子齿12上，每两个线圈之间间隔一个定子齿12，并且6个线圈按a1→c1→b1→a2→c2→b2线圈的顺序依次沿逆时针方向分布。将a1、 a2线圈串联，作为a相悬浮力绕组，将b1、b2线圈串联，作为b相悬浮力绕组，将c1、c2线圈串联，c相作为悬浮力绕组。

永磁体13是按Halbach阵列布置，是将传统永磁体按径向和切向阵列排列在一起的磁性结构，可以使永磁体一边的磁场增强而另一边的磁场减弱。图1中永磁体13中箭头方向表示充磁方向。将图1中的永磁体13取出，其磁力线21分布如图2所示。为分析方便，按照磁力线分布规则，可将图2等效为图3中的等效永磁体31结构。由永磁体13等效之后的等效永磁体31有4个磁极，每个磁极内部的磁场方向由S'指向N'，由于Halbach阵列的聚磁功能，磁极外圆周表面的磁场强度大于内圆周表面的磁场强度。

电机工作时，转子逆时针旋转，三相转矩绕组16通电顺序取决于转子角位置θ，任意一相转矩绕组16通电时，同齿的悬浮力绕组总不通电，而是由另外两个悬浮力绕组通电所产生的可控悬浮力来支承转子。三相转矩绕组16导通次序依次为A相转矩绕组→B相转矩绕组→C相转矩绕组，任意时刻有且只有一相转矩绕组16（A，B或C转矩绕组）导通。参见图4(1)、4 (2)、4 (3)，任意时刻有且只有两相悬浮力绕组15（即a和b悬浮力绕组，a和c悬浮力绕组或者b和c悬浮力绕组）导通，a相、b相、c相悬浮力绕组导通时产生的悬浮力分别沿a'，b'，c'轴方向分布，悬浮力绕组15的任意两相导通时所产生的悬浮力方向（a'和b'，a'和c'或者b'和c'）共同决定一个平面，改变相应两相悬浮力绕组电流的大小，可以产生在此平面内大小和方向可控的悬浮力，从而支承转子悬浮。

当转子转角θ位置在0~30°、90°~120°、180°~210°或270°~300°之间时，A相转矩绕组通电，产生转矩，使转子旋转；b相和c相悬浮力绕组通电，分别产生沿b'，c'方向的悬浮力，由其合力支承转子稳定悬浮。当转子转角θ位置在30°~60°、120°~150°、210°~240°或300°~330°之间时，B相转矩绕组通电，产生转矩，使转子旋转；a相和c相悬浮力绕组通电，分别产生沿a'、c'方向的悬浮力，由其合力支承转子稳定悬浮。当转子角位置在60°~90°、150°~180°、240°~270°或330°~360°之间时，C相转矩绕组通电，产生转矩，使转子旋转；a相和b相悬浮力绕组通电，分别产生沿a'、b'方向的悬浮力，由其合力支承转子稳定悬浮。

Claims (1)

1.一种无轴承无刷直流电机，由定子磁轭(11)、定子齿(12)、永磁体(13)、转轴(14)、悬浮力绕组(15)、转矩绕组(16)和转子铁心(17)组成，定子磁轭(11)同轴内套转轴(14)，转轴(14)外同轴固定套装转子铁心(17)，其特征在于：永磁体(13)以Halbach阵列均匀分布在转子铁心(17)表面，有12个定子齿(12)均匀固定于定子磁轭(11)的内圆周面上；转矩绕组(16)采用短距绕组且由A、B、C三相转矩绕组组成，A相转矩绕组由依次串联的A1、A2、A3、A4线圈组成，B相转矩绕组由依次串联的B1、B2、B3、B4线圈组成，C相转矩绕组由依次串联的C1，C2，C3，C4线圈组成，转矩绕组的线圈按A1、B1、C1、A2、B2、C2、A3、B3、C3、A4、B4、C4线圈的顺序依次沿逆时针方向缠绕于一个定子齿(12)上；悬浮力绕组(15)采用短距绕组且由a、b、c三相悬浮力绕组组成，a相悬浮力绕组由串联的a1、a2线圈组成，b相悬浮力绕组由串联的b1、b2线圈组成，c相悬浮力绕组由串联的c1、c2线圈组成，悬浮力绕组的线圈按a1、c1、b1、a2、c2、b2线圈的顺序依次沿逆时针方向缠绕于一个定子齿(12)上且每两个悬浮力绕组的线圈之间间隔一个定子齿(12)。 

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