專利名稱：片狀無軸承永磁電機及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種電機，特別是一種片狀無軸承永磁電機。
背景技術(shù)：
所謂無軸承電機就是在電機定子上繞2組線圈，一組是轉(zhuǎn)矩線圈，用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，另一組是磁懸浮線圈，用于產(chǎn)生徑向磁懸浮力支承轉(zhuǎn)子，實際上就是將磁懸浮軸承和電機集成在一起的新型電機。傳統(tǒng)的無軸承電機系統(tǒng)一般需要兩個無軸承電機和一個軸向磁懸浮軸承或者一個無軸承電機、一個徑向和一個軸向磁懸浮軸承構(gòu)成，其不足是體積很大、動態(tài)性能較低。當(dāng)無軸承電機轉(zhuǎn)子的軸向長度與其直徑相比很小時，轉(zhuǎn)子在軸向是被動穩(wěn)定的，穩(wěn)定懸浮只需控制轉(zhuǎn)子的兩個徑向自由度，這種特殊的無軸承電機被稱為片狀無軸承電機，具有體積小、動態(tài)性能高等優(yōu)點。
由于無軸承電機的磁懸浮繞組和電機繞組共用一套定子，它們之間必然存在耦合。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與磁懸浮力之間的解耦控制，矢量控制技術(shù)和氣隙磁場定向技術(shù)相繼被引入到普通無軸承電機的控制中。但是，沒有完全解決耦合問題。單個無軸承電機一般只能約束轉(zhuǎn)子沿徑向方向的兩個自由度，要實現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，需要2個無軸承電機和一個軸向磁懸浮軸承，或者需要一個無軸承電機和一個徑向再加一個軸向磁懸浮軸承。這樣，普通無軸承電機不僅在控制策略上相互受到諸多制約，而且結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低且能滿足無接觸、無磨損、無污染、高效率要求的無軸承電機。
本發(fā)明的目的可以通過以下措施來達(dá)到首先，該電機轉(zhuǎn)子采用片狀結(jié)構(gòu)(即轉(zhuǎn)子徑向尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向尺寸)，從而使電機在軸向和扭轉(zhuǎn)方向上實現(xiàn)被動懸浮，去掉了軸向磁軸承，大大縮小了電機的體積；并且當(dāng)電機極對數(shù)滿足M≥3時，徑向力和轉(zhuǎn)矩完全解藕，可以相互獨立控制，簡化了控制系統(tǒng)。
其次，本發(fā)明的電機繞組采用四對極結(jié)構(gòu)通以三相交流電，懸浮繞組采用通以直流電，從而使電機的懸浮力和轉(zhuǎn)矩自動解藕，大大簡化了電機的控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的片狀無軸承永磁電機，包括置于底座上的殼體，殼體上端與端蓋相連，定子固定在置于殼體內(nèi)的偏置磁軛上，定子槽中繞有電機繞組和懸浮繞組，置于定子內(nèi)通過轉(zhuǎn)子偏置磁軛安裝在芯軸中段的環(huán)狀轉(zhuǎn)子其外圓周表面對稱地貼有永磁貼片，與控制系統(tǒng)相連的電渦流傳感器通過傳感器支架固定在芯軸上段，置于底座內(nèi)端面和殼體內(nèi)的永磁偏置磁軛安裝在芯軸下段，在該偏置磁軛與轉(zhuǎn)子偏置磁軛之間放置偏置永磁體。本發(fā)明電渦流傳感器檢測出傳感器護環(huán)即轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)的徑向位移(也可通過另一種結(jié)構(gòu)檢測環(huán)狀轉(zhuǎn)子外環(huán)位移)，位移信號通過傳感器處理電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，電壓信號通過PID電路處理后送入功放，功放將所接收的電壓信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流信號送入懸浮繞組，從而控制電機的徑向懸浮。
由于該電機轉(zhuǎn)子采用片狀結(jié)構(gòu)，只要控制電機徑向兩個自由度的懸浮就能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子空間五個自由度的穩(wěn)定懸浮，大大簡化了電機的控制系統(tǒng)，縮小了電機體積；該電機用一個偏置永磁體來提供懸浮的偏置磁通，通過控制該電機懸浮繞組中的電流來控制磁懸浮力，從而實現(xiàn)電機的徑向懸浮，因此屬于混合式無軸承電機；該電機旋轉(zhuǎn)勵磁由轉(zhuǎn)子表面的永磁貼片提供，因此旋轉(zhuǎn)的控制與永磁同步電機類似。當(dāng)電機極對數(shù)滿足M≥3時，懸浮和旋轉(zhuǎn)的控制是相互獨立的。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計新穎合理、控制系統(tǒng)簡單，能夠工作在無接觸、無污染、無摩擦的磁懸浮狀態(tài)。
2、耐用可靠，能長久運行而無需維護，更無須更換部件。特別是對一些醫(yī)療儀器及需要連續(xù)工作的儀器，應(yīng)用優(yōu)勢尤為突出。
四

圖1為本發(fā)明的剖面圖；圖2為本發(fā)明懸浮繞組示意圖；圖3為本發(fā)明永磁貼片結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖(a)為四片同向充磁的永磁貼片勵磁；圖(b)為八片正反向充磁的永磁貼片勵磁；圖(c)為四片同向充磁的菱形永磁貼片勵磁。
圖4為本發(fā)明轉(zhuǎn)子被動穩(wěn)定原理圖；圖5為本發(fā)明徑向懸浮磁路原理圖。
圖1中1底座，2殼體，3端蓋，4、5、6偏置磁軛，7定子，8轉(zhuǎn)子組件，9傳感器支架組件，10芯軸，11繞組，12偏置永磁體，13永磁貼片，14傳感器護環(huán)圖5中虛線為懸浮繞組產(chǎn)生的控制磁通，實線為偏置永磁體產(chǎn)生的偏置磁通。
五具體實施例方式
如附圖1所示，本發(fā)明的片狀無軸承永磁電機的具體組成是，置于底座1上的殼體2其上端與端蓋3相連，定子7固定在置于殼體2內(nèi)的偏置磁軛5上，定子7開有槽，在槽中繞有電機繞組和懸浮繞組11，環(huán)狀轉(zhuǎn)子8置于定子內(nèi)通過轉(zhuǎn)子偏置磁軛6安裝在芯軸10中段，環(huán)狀轉(zhuǎn)子8外圓周表面對稱地貼有永磁貼片13，與控制系統(tǒng)相連的電渦流傳感器通過傳感器支架9固定在芯軸10上段，置于底座1內(nèi)端面和殼體2內(nèi)的永磁偏置磁軛4安裝在芯軸10下段，在永磁偏置磁軛4和轉(zhuǎn)子偏置磁軛6之間放置偏置永磁體12。其中附圖1中的定子7由電工硅鋼片疊壓而成，并開出一定數(shù)量的槽，放入8極的電機繞組和2極的懸浮繞組11，電機繞組通以交流電，懸浮繞組通以直流電。繞組11的出線通過底座1上的通孔引出。四個電渦流傳感器通過傳感器支架9及芯軸10固定，電渦流傳感器通過檢測傳感器護環(huán)14的徑向位移從而檢測轉(zhuǎn)子組件8的內(nèi)環(huán)徑向位移，也可采用傳感器檢測轉(zhuǎn)子組件8外環(huán)徑向位移方式控制轉(zhuǎn)子徑向懸浮，最后傳感器的出線通過芯軸10和底座1上的通孔引出。
以定子中心為原點，建立xyz直角坐標(biāo)系，定子上x方向和y方向各有一套磁懸浮繞組分別控制這兩個方向上徑向磁懸浮力，從而控制轉(zhuǎn)子的徑向位置。為了使懸浮繞組在氣隙中產(chǎn)生近似正弦磁感應(yīng)強度分布，原懸浮繞組采用跨齒繞線方法，其缺點是操作難度很大。本發(fā)明的懸浮繞組采用如圖2所示的單齒繞線方式，構(gòu)成單齒懸浮繞組結(jié)構(gòu)形式，附圖2中所示的T1、T2和T3為本發(fā)明y方向磁懸浮繞組跨在不同齒上的線圈匝數(shù)。即在相鄰的三個齒上各自獨立地分別繞制懸浮繞組(T3)、(T2+T3)和(T1+T2+T3)其中T1、T2、T3滿足如下規(guī)律T1=Tall2(1-cos(π6))]]>T2=Tall2(cos(π6)-cos(π3))]]>T3=Tall2cos(π3),]]>式中Tall為一個自由度上的懸浮繞組總匝數(shù)即Tall＝2(T1+T21+T3)，保證每個齒上的線圈總扎數(shù)與跨齒繞法的總扎數(shù)相同，實驗表明單齒繞線法在氣隙中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度分布與跨齒繞法是近似相同的，但明顯降低了勞動強度。因此選擇合適的匝數(shù)比例，y方向磁懸浮繞組就能在氣隙中形成近似正弦的磁感應(yīng)強度分布。同理可產(chǎn)生x方向類似正弦的懸浮磁感應(yīng)強度分布。
附圖3為轉(zhuǎn)子表面釹鐵硼材料的永磁貼片13和轉(zhuǎn)子貼上永磁貼片后的結(jié)構(gòu)示意圖，其中y1(x)、y2(x)為永磁貼片的結(jié)構(gòu)函數(shù)。圖(a)采用的是四片同相充磁的永磁貼片勵磁；圖(b)采用八片永磁貼片勵磁，且相鄰永磁貼片充磁方向相反；圖(c)采用的是四片同相充磁的菱形永磁貼片勵磁。
原有永磁貼片采用附圖3(c)所示的各個永磁貼片兩端相互分離的結(jié)構(gòu)形式，為了進一步改善片狀無軸承永磁電機的動態(tài)性能，減小電機的損耗及有害的附加轉(zhuǎn)矩，本發(fā)明采用如附圖3(a)、(b)所示的四片同向充磁或八片正反向充磁的各個永磁貼片兩端彼此相互接觸的永磁貼片結(jié)構(gòu)形式，使其在氣隙中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度分布非常接近正弦，大大降低了電機的損耗、提高了電機的效率、減小電機輸出轉(zhuǎn)矩的脈動。
附圖4為環(huán)狀轉(zhuǎn)子組件8在軸向被動穩(wěn)定原理示意圖，當(dāng)轉(zhuǎn)子在軸向或扭轉(zhuǎn)方向有任意偏移時，都會受到反方向的磁拉力使其回復(fù)原位。附圖5為轉(zhuǎn)子徑向懸浮原理圖，本發(fā)明采用偏置永磁體提供懸浮所需要的偏置磁通，通過控制懸浮繞組的電流來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子徑向穩(wěn)定懸浮。圖中實線為偏置永磁體所產(chǎn)生的磁通，虛線為懸浮繞組所產(chǎn)生的控制磁通，當(dāng)虛線方向為如圖5所示向左時，電機左半邊氣隙磁通明顯增加，右半邊氣隙磁通明顯減少，從而產(chǎn)生向左的電磁力使得轉(zhuǎn)子向左偏。因此控制懸浮繞組的電流方向和大小，就能控制懸浮磁通的方向和大小，最終控制轉(zhuǎn)子的徑向位移，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子徑向穩(wěn)定懸浮。
權(quán)利要求
1.、一種片狀無軸承永磁電機，其特征在于置于底座(1)上的殼體(2)，其上端與端蓋(3)相連，定子(7)固定在置于殼體(2)內(nèi)偏置磁軛(5)上，定子(7)開有槽，槽中繞有電機繞組和懸浮繞組(11)，環(huán)狀轉(zhuǎn)子(8)置于定子內(nèi)通過轉(zhuǎn)子偏置磁軛(6)安裝在芯軸(10)中段，環(huán)狀轉(zhuǎn)子(8)外圓周表面貼有永磁貼片，與控制系統(tǒng)相連的電渦流傳感器通過傳感器支架(9)固定在芯軸(10)上段，置于底座(1)內(nèi)端面和殼體(2)內(nèi)的永磁偏置磁軛(4)安裝在芯軸(10)下段，在永磁偏置磁軛(4)與轉(zhuǎn)子偏置磁軛(6)之間安裝偏置永磁體(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片狀無軸承永磁電機，其特征在于該電機轉(zhuǎn)子采用片狀結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子徑向直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子軸向長度，并且永磁體采用表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片狀無軸承永磁電機，其特征在于該電機旋轉(zhuǎn)勵磁永磁貼片采用四片同向充磁或八片正反向充磁且各永磁貼片兩端彼此相互接觸的結(jié)構(gòu)形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片狀無軸承永磁電機，其特征在于，懸浮繞組為單齒繞線結(jié)構(gòu)形式，即在相鄰的三個齒上分別繞制懸浮繞組(T3)、懸浮繞組(T2+T3)和懸浮繞組(T1+T2+T3)。
5.一種片狀無軸承永磁電機的控制方法，其特征在于，四對極結(jié)構(gòu)的電機繞組通以三相交流電，懸浮繞組通以直流電，實現(xiàn)電機懸浮力和轉(zhuǎn)矩的自動解藕；片狀結(jié)構(gòu)的電機轉(zhuǎn)子通過電渦流傳感器檢測出轉(zhuǎn)子徑向位移，位移信號通過傳感器處理電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，電壓信號通過PID電路處理后進入功放，功放將所接收的電壓信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流信號送入懸浮繞組，從而控制電機的徑向懸浮。
全文摘要
一種片狀無軸承永磁電機，包括底座(1)、殼體(2)、端蓋(3)、定子(7)、轉(zhuǎn)子(8)、電機繞組和懸浮繞組(11)、芯軸(10)、偏置永磁體(12)、電渦流傳感器支架(9)以及定子偏置磁軛(5)、轉(zhuǎn)子偏置磁軛(6)、永磁偏置磁軛(4)和傳感器支架系統(tǒng)。由于該電機轉(zhuǎn)子采用片狀結(jié)構(gòu)，控制電機徑向兩個自由度的懸浮就能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子空間五個自由度的穩(wěn)定懸浮，大大簡化了電機的控制系統(tǒng)，縮小了電機的體積；用一個偏置永磁體來提供懸浮的偏置磁通，控制懸浮繞組中的電流來控制磁懸浮力，從而實現(xiàn)電機的徑向懸?。恍D(zhuǎn)勵磁由轉(zhuǎn)子表面的永磁貼片提供。該無軸承永磁電機控制機理簡單、功耗小、無摩擦等獨特的優(yōu)點，在航空航天、小型旋轉(zhuǎn)高速機械、能源生命科學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號H02K1/27GK1747281SQ20051004154
公開日2006年3月15日 申請日期2005年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月19日
發(fā)明者徐龍祥, 張小雷, 姚凱, 朱小春 申請人:南京航空航天大學(xué)