一種一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，轉(zhuǎn)子鐵芯包括軸向部分、徑向部分，軸向部分一端設(shè)置有轉(zhuǎn)子永磁體；定子包括左側(cè)徑向磁軸承鐵芯、右側(cè)電機(jī)鐵芯；左側(cè)環(huán)形永磁體、右側(cè)環(huán)形永磁體；左側(cè)軸向控制鐵芯、右側(cè)軸向控制鐵芯；左側(cè)環(huán)形永磁體、右側(cè)環(huán)形永磁體之間設(shè)置有徑向控制鐵芯，其定子齒上繞制有徑向控制繞組；本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有五自由度磁懸浮驅(qū)動電機(jī)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，控制、制造與裝配簡單，體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉(zhuǎn)速高，徑向帶負(fù)載能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)速和輸出功率高的一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)。
【專利說明】
-種一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種結(jié)構(gòu)緊湊，控制、制造與裝配簡單， 體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉(zhuǎn)速高，鐵忍利用率高，徑向和軸向帶負(fù)載能力強(qiáng)，系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速和輸出功率高的一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 五自由度磁懸浮電機(jī)是利用磁懸浮技術(shù)在產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的同時，也產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子穩(wěn) 定懸浮的徑向力，是實(shí)現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子之間無任何機(jī)械接觸運(yùn)行的一種新型高性能驅(qū)動系統(tǒng)。由 于定、轉(zhuǎn)子之間不存在機(jī)械摩擦，所W五自由度磁懸浮電機(jī)的轉(zhuǎn)子可達(dá)到很高的運(yùn)行轉(zhuǎn)速， 并且具有無機(jī)械磨損、能耗低、壽命長、無需潤滑、無污染等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于高速或超 高速直接驅(qū)動領(lǐng)域。
[0003] 要實(shí)現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子之間無機(jī)械接觸，必須在五個自由度上對轉(zhuǎn)子施加控制力。五自由 度磁懸浮電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式主要分為W下幾種:樂、由一個軸向單自由度磁軸承、兩個徑向兩 自由度磁軸承和一個高速電機(jī)單元組成;惑、由一個徑向-軸向Ξ自由度磁軸承、一個徑向 兩自由度磁軸承和高速電機(jī)單元組成、連、由一個軸向單自由度磁軸承、一個徑向兩自由度 磁軸承和一個徑向兩自由度無軸承電機(jī)組成;靈、兩個徑向兩自由度無軸承電機(jī)、一個軸向 單自由度磁軸承組成、發(fā)、由一個徑向兩自由度無軸承電機(jī)和一個軸向-徑向Ξ自由度磁軸 承組成。不論采用哪一種結(jié)構(gòu)形式，全部是由多個獨(dú)立單元，沿著軸向組合而成，導(dǎo)致軸向 長度長，臨界轉(zhuǎn)速低，體積大，控制復(fù)雜，且徑向與軸向帶負(fù)載能力差，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和輸出功率 低，嚴(yán)重制約了磁懸浮電機(jī)的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，本發(fā)明 有效解決了現(xiàn)有五自由度磁懸浮驅(qū)動電機(jī)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，控制、制造與裝配簡 單，體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉(zhuǎn)速高，徑向帶負(fù)載能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)速和輸出功率高的一 體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)。
[0005] 本發(fā)明通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 一種一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子鐵忍（11)，其特征在于:所述 轉(zhuǎn)子鐵忍（11)包括軸向部分、徑向部分，軸向部分一端設(shè)置有轉(zhuǎn)子永磁體(21);所述定子包 括沿轉(zhuǎn)子鐵忍（11)的軸向部分，并W轉(zhuǎn)子鐵忍（11)的徑向部分為對稱中屯、，依次對稱設(shè)置 的左側(cè)徑向磁軸承鐵忍（1)、右側(cè)電機(jī)鐵忍（7);左側(cè)環(huán)形永磁體(2)、右側(cè)環(huán)形永磁體(6); 左側(cè)軸向控制鐵忍(8 )、右側(cè)軸向控制鐵忍(9);左側(cè)環(huán)形永磁體(2 )、右側(cè)環(huán)形永磁體(6)之 間設(shè)置有徑向控制鐵忍(4)，其定子齒上繞制有徑向控制繞組(22);左側(cè)軸向控制鐵忍(8)、 右側(cè)軸向控制鐵忍(9)與徑向控制鐵忍(4)之間分別設(shè)置有左側(cè)分磁侶環(huán)（3)、右側(cè)分磁侶 環(huán)巧）；左側(cè)徑向磁軸承鐵忍（1)的定子齒上繞制控制繞組（10)，右側(cè)電機(jī)鐵忍(7)的定子槽 內(nèi)沿徑向外層繞制懸浮控制繞組（12)，內(nèi)層繞制轉(zhuǎn)矩繞組（13);左側(cè)軸向控制鐵忍(8)、右 偵腳向控制鐵忍(9)均呈E形結(jié)構(gòu)，定子槽內(nèi)分別繞制軸向控制繞組(16)。
[0006] 本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是： 所述左側(cè)軸向控制鐵忍(8)、右側(cè)軸向控制鐵忍(9)分別均由上下位置設(shè)置的吸力圓盤 (14、17;18、20)^及中間位置設(shè)置的控制圓盤(15、19)構(gòu)成，軸向控制繞組（16)繞制于吸力 圓盤(14、17; 18、20)與控制圓盤(15、19)之間。
[0007] 本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是： 所述控制圓盤（15、19)與轉(zhuǎn)子鐵忍（11)徑向部分之間的氣隙長度大于吸力圓盤（14、 17;18、20)與轉(zhuǎn)子鐵忍（11)徑向部分之間的氣隙長度，且吸力圓盤(14、17;18、20)與轉(zhuǎn)子鐵 忍（11)徑向部分之間的氣隙長度小于左側(cè)軸向控制鐵忍(8)、右側(cè)軸向控制鐵忍(9)與轉(zhuǎn)子 鐵忍（11)軸向部分之間的氣隙長度。
[0008] 本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是： 所述左側(cè)環(huán)形永磁體(2 )、右側(cè)環(huán)形永磁體(6)均為軸向充磁的環(huán)形永磁體，在五個自 由度上產(chǎn)生偏置磁通。
[0009] 本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是： 所述左側(cè)分磁侶環(huán)(3)、右側(cè)分磁侶環(huán)巧）由整塊侶材制成，將左側(cè)偏置磁通(28)分成 左側(cè)徑向偏置磁通(30)和左側(cè)軸向偏置磁通(29)兩部分，右側(cè)偏置磁通(23)分成右側(cè)徑向 偏置磁通(25 )和右側(cè)軸向偏置磁通(24 )兩部分，且減少漏磁。
[0010] 本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是： 所述左側(cè)徑向磁軸承鐵忍（1)、徑向控制鐵忍(4)、右側(cè)電機(jī)鐵忍(7)、左側(cè)軸向控制鐵 忍(8)、右側(cè)軸向控制鐵忍(9)、轉(zhuǎn)子鐵忍（12)均采用具有良好軸向和徑向?qū)Т判阅艿牟牧?制成。
[0011] 本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是： 所述左側(cè)環(huán)形永磁體(2)、右側(cè)環(huán)形永磁體(6)、轉(zhuǎn)子永磁體(21)均為稀±永磁材料制 成。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下明顯優(yōu)點(diǎn)： 一、 本發(fā)明一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子組成，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在五個自 由度上穩(wěn)定懸浮與旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉(zhuǎn)速高，鐵忍利用率 高，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和輸出功率高； 二、 本發(fā)明一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)由兩個軸向磁化的環(huán)形永磁體給左側(cè) 徑向磁軸承、右側(cè)電機(jī)、左、右軸向控制鐵忍和徑向控制鐵忍提供偏置磁通，而左側(cè)徑向磁 軸承控制繞組、右側(cè)電機(jī)懸浮繞組與徑向控制繞組產(chǎn)生徑向控制磁通，軸向控制繞組通電 產(chǎn)生軸向控制磁通，由控制磁通調(diào)節(jié)相對應(yīng)位置的偏置磁通，保證定、轉(zhuǎn)子之間軸向和徑向 氣隙均勻，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度穩(wěn)定懸浮，且偏置磁通均不經(jīng)過永磁體，可產(chǎn)生較大的軸向和 徑向懸浮力、低功耗、控制簡單 Ξ、本發(fā)明采用分磁侶環(huán)，將左側(cè)偏置磁通(28)分成左側(cè)徑向偏置磁通(30)和左側(cè)軸 向偏置磁通(29)兩部分，右側(cè)偏置磁通(23)分成右側(cè)徑向偏置磁通(25)和右側(cè)軸向偏置磁 通(24)兩部分。控制磁通均不經(jīng)過環(huán)形永磁體，可產(chǎn)生較大的軸向和徑向懸浮力、低功耗、 控制簡單。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)磁路示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 本發(fā)明基于的原理是：由軸向磁化的左側(cè)環(huán)形永磁體2給左側(cè)徑向磁軸承提供左 側(cè)偏置磁通28,左側(cè)徑向磁軸承控制繞組10產(chǎn)生的左側(cè)控制磁通33起調(diào)節(jié)作用，產(chǎn)生控制 轉(zhuǎn)子左側(cè)徑向兩自由度懸浮的徑向懸浮力；軸向磁化的右側(cè)環(huán)形永磁體6給右側(cè)電機(jī)提供 右側(cè)偏置磁通23,右側(cè)電機(jī)懸浮繞組12產(chǎn)生的右側(cè)控制磁通35起調(diào)節(jié)作用，產(chǎn)生控制轉(zhuǎn)子 右側(cè)徑向兩自由度懸浮的徑向懸浮力；左側(cè)偏置磁通28經(jīng)過左側(cè)分磁侶環(huán)3分成左側(cè)徑向 偏置磁通30和左側(cè)軸向偏置磁通29兩部分，右側(cè)偏置磁通23經(jīng)過右側(cè)分磁侶環(huán)5分成右側(cè) 徑向偏置磁通25和右側(cè)軸向偏置磁通24兩部分，徑向控制繞組22通電產(chǎn)生的徑向控制磁通 34,對右側(cè)徑向偏置磁通25和左側(cè)徑向偏置磁通30進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的徑向 懸浮力；左側(cè)軸向偏置磁通29分成兩部分，即磁通31和磁通32,由左側(cè)上、下吸力圓盤14、 17,進(jìn)入左側(cè)軸向工作氣隙；右側(cè)軸向偏置磁通24分成兩部分，即磁通26和磁通27,由右側(cè) 上、下吸力圓盤18、20，進(jìn)入右側(cè)軸向工作氣隙；軸向控制繞組16產(chǎn)生左側(cè)軸向控制磁通36 和右側(cè)軸向控制磁通37,分別與左、右側(cè)偏置磁通相互作用，產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的軸向懸 浮力;通過五個自由度上的位移閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在徑向和軸向五自由度上穩(wěn)定懸浮，右 側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組13磁通與相對應(yīng)的轉(zhuǎn)子永磁體磁通相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。
[0015] 如圖1、2所示，本發(fā)明由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子包括：左側(cè)徑向磁軸承鐵忍1、左側(cè) 環(huán)形永磁體2、左側(cè)分磁侶環(huán)3徑向控制鐵忍4、右側(cè)分磁侶環(huán)5、右側(cè)環(huán)形永磁體6、右側(cè)電機(jī) 鐵忍7、左側(cè)軸向控制鐵忍8、右側(cè)軸向控制鐵忍9。轉(zhuǎn)子鐵忍11包括軸向部分和徑向部分，在 其軸向部分一端，即右側(cè)電機(jī)鐵忍7對應(yīng)位置處貼有轉(zhuǎn)子永磁體21;左側(cè)徑向磁軸承鐵忍1 可做成Ξ極、四極或八極等結(jié)構(gòu)，定子齒上繞組控制繞組10,右側(cè)電機(jī)鐵忍7做成電機(jī)定子 槽型結(jié)構(gòu)，槽分兩層，外層嵌入懸浮控制繞組12，內(nèi)層嵌入轉(zhuǎn)矩繞組13，懸浮控制繞組12分 成X方向和Y方向控制繞組，X方向控制繞組由繞組X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、 X12串聯(lián)而成，通電形成兩極磁場，Y方向控制繞組由繞組Υ1、Υ2、Υ3、Υ4、Υ5、Υ6、Υ7、Υ8、Υ9、 Υ10、Υ11、Υ12串聯(lián)而成，通電形成兩極磁場;轉(zhuǎn)矩繞組13通電形成的磁場極對數(shù)與轉(zhuǎn)子永磁 體磁場極對數(shù)相同，按照常規(guī)電機(jī)繞組繞制即可，且轉(zhuǎn)矩繞組磁場極對數(shù)需大于等于3; 左側(cè)軸向控制鐵忍8做成Ε型結(jié)構(gòu)，中間為控制圓盤15,上、下位置是吸力圓盤14和17; 右側(cè)軸向控制鐵忍9也做成Ε型結(jié)構(gòu)，中間為控制圓盤19,上、下位置是吸力圓盤18和20,在 吸力圓盤14、17; 18、20和控制圓盤15、19之間嵌入軸向控制繞組16,軸向控制繞組16由如圖 1所示的各繞組相互串聯(lián)而成?？刂茍A盤15、19與轉(zhuǎn)子鐵忍11的徑向部分之間的氣隙長度大 于吸力圓盤14、17;18、20與轉(zhuǎn)子鐵忍11的徑向部分之間的氣隙長度，且吸力圓盤14、17;18、 20與轉(zhuǎn)子鐵忍11的徑向部分之間的氣隙長度小于左、右側(cè)軸向控制鐵忍8和9與轉(zhuǎn)子鐵忍11 的軸向部分之間的氣隙長度。
[0016] 左側(cè)環(huán)形永磁體2安裝在左側(cè)徑向磁軸承鐵忍1和左側(cè)軸向控制鐵忍8、左側(cè)分磁 侶環(huán)3、徑向控制鐵忍4之間；左側(cè)分磁侶環(huán)3安裝在左側(cè)軸向控制鐵忍8和徑向控制鐵忍4之 間；右側(cè)分磁侶環(huán)5安裝在右側(cè)軸向控制鐵忍9和徑向控制鐵忍4之間；右側(cè)環(huán)形永磁體6安 裝在右側(cè)電機(jī)鐵忍7和右側(cè)軸向控制鐵忍9、左側(cè)分磁侶環(huán)5、徑向控制鐵忍4之間；左側(cè)徑向 磁軸承鐵忍1、左側(cè)軸向控制鐵忍8、右側(cè)軸向控制鐵忍9、右側(cè)電機(jī)鐵忍7和轉(zhuǎn)子鐵忍11均由 軸向和徑向?qū)Т判阅芰己玫牟牧现瞥?。一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)是由W上各部分 沿著軸向疊裝而成，上述的一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在五個自由度上 穩(wěn)定懸浮與旋轉(zhuǎn)。
[0017]本發(fā)明方案所公開的技術(shù)手段不僅限于上述實(shí)施方式所公開的技術(shù)手段，還包括 由W上技術(shù)特征任意組合所組成的技術(shù)方案。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和潤飾，運(yùn)些改進(jìn)和潤飾也視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯（11)，其特征在于:所 述轉(zhuǎn)子鐵芯（11)包括軸向部分、徑向部分，軸向部分一端設(shè)置有轉(zhuǎn)子永磁體(21);所述定子 包括沿轉(zhuǎn)子鐵芯（11)的軸向部分，并以轉(zhuǎn)子鐵芯（11)的徑向部分為對稱中心，依次對稱設(shè) 置的左側(cè)徑向磁軸承鐵芯（1 )、右側(cè)電機(jī)鐵芯（7);左側(cè)環(huán)形永磁體（2 )、右側(cè)環(huán)形永磁體 (6);左側(cè)軸向控制鐵芯(8)、右側(cè)軸向控制鐵芯（9);左側(cè)環(huán)形永磁體(2)、右側(cè)環(huán)形永磁體 (6)之間設(shè)置有徑向控制鐵芯(4)，其定子齒上繞制有徑向控制繞組(22);左側(cè)軸向控制鐵 芯（8 )、右側(cè)軸向控制鐵芯(9)與徑向控制鐵芯(4)之間分別設(shè)置有左側(cè)分磁鋁環(huán)(3 )、右側(cè) 分磁鋁環(huán)(5);左側(cè)徑向磁軸承鐵芯（1)的定子齒上繞制控制繞組（10)，右側(cè)電機(jī)鐵芯(7)的 定子槽內(nèi)沿徑向外層繞制懸浮控制繞組（12)，內(nèi)層繞制轉(zhuǎn)矩繞組（13);左側(cè)軸向控制鐵芯 (8)、右側(cè)軸向控制鐵芯(9)均呈E形結(jié)構(gòu)，定子槽內(nèi)分別繞制軸向控制繞組(16)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，其特征在于:所述左 側(cè)軸向控制鐵芯(8)、右側(cè)軸向控制鐵芯(9)分別均由上下位置設(shè)置的吸力圓盤(14、17; 18、 20)以及中間位置設(shè)置的控制圓盤（15、19)構(gòu)成，軸向控制繞組（16)繞制于吸力圓盤（14、 17;18、20)與控制圓盤(15、19)之間。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，其特征在于:所述控 制圓盤（15、19)與轉(zhuǎn)子鐵芯（11)徑向部分之間的氣隙長度大于吸力圓盤（14、17; 18、20)與 轉(zhuǎn)子鐵芯（11)徑向部分之間的氣隙長度，且吸力圓盤（14、17; 18、20)與轉(zhuǎn)子鐵芯（11)徑向 部分之間的氣隙長度小于左側(cè)軸向控制鐵芯(8)、右側(cè)軸向控制鐵芯(9)與轉(zhuǎn)子鐵芯（11)軸 向部分之間的氣隙長度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，其特征在于:所 述左側(cè)環(huán)形永磁體(2)、右側(cè)環(huán)形永磁體(6)均為軸向充磁的環(huán)形永磁體，在五個自由度上 產(chǎn)生偏置磁通。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，其特征在于:所 述左側(cè)分磁鋁環(huán)（3)、右側(cè)分磁鋁環(huán)(5)由整塊鋁材制成，將左側(cè)偏置磁通(28)分成左側(cè)徑 向偏置磁通(30 )和左側(cè)軸向偏置磁通(29)兩部分，右側(cè)偏置磁通(23 )分成右側(cè)徑向偏置磁 通(25 )和右側(cè)軸向偏置磁通(24 )兩部分，且減少漏磁。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，其特征在于:所 述左側(cè)徑向磁軸承鐵芯（1 )、徑向控制鐵芯(4)、右側(cè)電機(jī)鐵芯(7)、左側(cè)軸向控制鐵芯(8)、 右側(cè)軸向控制鐵芯(9 )、轉(zhuǎn)子鐵芯（12 )均采用具有良好軸向和徑向?qū)Т判阅艿牟牧现瞥伞?. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，其特征在于:所述左 側(cè)環(huán)形永磁體(2 )、右側(cè)環(huán)形永磁體(6 )、轉(zhuǎn)子永磁體(21)均為稀土永磁材料制成。
【文檔編號】H02K99/00GK106059256SQ201610399391
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】張濤, 莫麗紅, 張晨, 倪偉, 丁衛(wèi)紅, 葉小婷, 張惠萍
【申請人】淮陰工學(xué)院