一種一體化結構的五自由度磁懸浮電機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一體化結構的五自由度磁懸浮電機，轉子鐵芯包括軸向部分、徑向部分，軸向部分一端設置有轉子永磁體；定子包括左側徑向磁軸承鐵芯、右側電機鐵芯；左側環(huán)形永磁體、右側環(huán)形永磁體；左側軸向控制鐵芯、右側軸向控制鐵芯；左側環(huán)形永磁體、右側環(huán)形永磁體之間設置有徑向控制鐵芯，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動電機的不足，提供一種結構緊湊，控制、制造與裝配簡單，體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉速高，徑向帶負載能力強，轉速和輸出功率高的一體化結構的五自由度磁懸浮電機。
【專利說明】
-種一體化結構的五自由度磁懸浮電機
技術領域
[0001 ]本發(fā)明設及電機制造技術領域，具體設及一種結構緊湊，控制、制造與裝配簡單， 體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉速高，鐵忍利用率高，徑向和軸向帶負載能力強，系統(tǒng) 轉速和輸出功率高的一體化結構的五自由度磁懸浮電機。
【背景技術】
[0002] 五自由度磁懸浮電機是利用磁懸浮技術在產(chǎn)生旋轉轉矩的同時，也產(chǎn)生使轉子穩(wěn) 定懸浮的徑向力，是實現(xiàn)定、轉子之間無任何機械接觸運行的一種新型高性能驅動系統(tǒng)。由 于定、轉子之間不存在機械摩擦，所W五自由度磁懸浮電機的轉子可達到很高的運行轉速， 并且具有無機械磨損、能耗低、壽命長、無需潤滑、無污染等優(yōu)點，特別適合應用于高速或超 高速直接驅動領域。
[0003] 要實現(xiàn)定、轉子之間無機械接觸，必須在五個自由度上對轉子施加控制力。五自由 度磁懸浮電機的結構形式主要分為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組成;靈、兩個徑向兩自由度無軸承電機、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和一個軸向-徑向Ξ自由度磁軸 承組成。不論采用哪一種結構形式，全部是由多個獨立單元，沿著軸向組合而成，導致軸向 長度長，臨界轉速低，體積大，控制復雜，且徑向與軸向帶負載能力差，系統(tǒng)轉速和輸出功率 低，嚴重制約了磁懸浮電機的工業(yè)應用進程。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種一體化結構的五自由度磁懸浮電機，本發(fā)明 有效解決了現(xiàn)有五自由度磁懸浮驅動電機的不足，提供一種結構緊湊，控制、制造與裝配簡 單，體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉速高，徑向帶負載能力強，轉速和輸出功率高的一 體化結構的五自由度磁懸浮電機。
[0005] 本發(fā)明通過W下技術方案實現(xiàn)： 一種一體化結構的五自由度磁懸浮電機，包括定子、轉子鐵忍（11)，其特征在于:所述 轉子鐵忍（11)包括軸向部分、徑向部分，軸向部分一端設置有轉子永磁體(21);所述定子包 括沿轉子鐵忍（11)的軸向部分，并W轉子鐵忍（11)的徑向部分為對稱中屯、，依次對稱設置 的左側徑向磁軸承鐵忍（1)、右側電機鐵忍（7);左側環(huán)形永磁體(2)、右側環(huán)形永磁體(6); 左側軸向控制鐵忍(8 )、右側軸向控制鐵忍(9);左側環(huán)形永磁體(2 )、右側環(huán)形永磁體(6)之 間設置有徑向控制鐵忍(4)，其定子齒上繞制有徑向控制繞組(22);左側軸向控制鐵忍(8)、 右側軸向控制鐵忍(9)與徑向控制鐵忍(4)之間分別設置有左側分磁侶環(huán)（3)、右側分磁侶 環(huán)巧）；左側徑向磁軸承鐵忍（1)的定子齒上繞制控制繞組（10)，右側電機鐵忍(7)的定子槽 內沿徑向外層繞制懸浮控制繞組（12)，內層繞制轉矩繞組（13);左側軸向控制鐵忍(8)、右 偵腳向控制鐵忍(9)均呈E形結構，定子槽內分別繞制軸向控制繞組(16)。
[0006] 本發(fā)明進一步技術改進方案是： 所述左側軸向控制鐵忍(8)、右側軸向控制鐵忍(9)分別均由上下位置設置的吸力圓盤 (14、17;18、20)^及中間位置設置的控制圓盤(15、19)構成，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)明進一步技術改進方案是： 所述控制圓盤（15、19)與轉子鐵忍（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)與轉子鐵 忍（11)徑向部分之間的氣隙長度小于左側軸向控制鐵忍(8)、右側軸向控制鐵忍(9)與轉子 鐵忍（11)軸向部分之間的氣隙長度。
[0008] 本發(fā)明進一步技術改進方案是： 所述左側環(huán)形永磁體(2 )、右側環(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)明進一步技術改進方案是： 所述左側分磁侶環(huán)(3)、右側分磁侶環(huán)巧）由整塊侶材制成，將左側偏置磁通(28)分成 左側徑向偏置磁通(30)和左側軸向偏置磁通(29)兩部分，右側偏置磁通(23)分成右側徑向 偏置磁通(25 )和右側軸向偏置磁通(24 )兩部分，且減少漏磁。
[0010] 本發(fā)明進一步技術改進方案是： 所述左側徑向磁軸承鐵忍（1)、徑向控制鐵忍(4)、右側電機鐵忍(7)、左側軸向控制鐵 忍(8)、右側軸向控制鐵忍(9)、轉子鐵忍（12)均采用具有良好軸向和徑向導磁性能的材料 制成。
[0011] 本發(fā)明進一步技術改進方案是： 所述左側環(huán)形永磁體(2)、右側環(huán)形永磁體(6)、轉子永磁體(21)均為稀±永磁材料制 成。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有W下明顯優(yōu)點： 一、 本發(fā)明一體化結構的五自由度磁懸浮電機，由定子和轉子組成，實現(xiàn)轉子在五個自 由度上穩(wěn)定懸浮與旋轉，結構緊湊，體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉速高，鐵忍利用率 高，系統(tǒng)轉速和輸出功率高； 二、 本發(fā)明一體化結構的五自由度磁懸浮電機由兩個軸向磁化的環(huán)形永磁體給左側 徑向磁軸承、右側電機、左、右軸向控制鐵忍和徑向控制鐵忍提供偏置磁通，而左側徑向磁 軸承控制繞組、右側電機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，由控制磁通調節(jié)相對應位置的偏置磁通，保證定、轉子之間軸向和徑向 氣隙均勻，實現(xiàn)轉子五自由度穩(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)，將左側偏置磁通(28)分成左側徑向偏置磁通(30)和左側軸 向偏置磁通(29)兩部分，右側偏置磁通(23)分成右側徑向偏置磁通(25)和右側軸向偏置磁 通(24)兩部分?？刂拼磐ň唤?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)明一體化結構的五自由度磁懸浮電機結構示意圖； 圖2為本發(fā)明一體化結構的五自由度磁懸浮電機磁路示意圖。
【具體實施方式】
[0014] 本發(fā)明基于的原理是：由軸向磁化的左側環(huán)形永磁體2給左側徑向磁軸承提供左 側偏置磁通28,左側徑向磁軸承控制繞組10產(chǎn)生的左側控制磁通33起調節(jié)作用，產(chǎn)生控制 轉子左側徑向兩自由度懸浮的徑向懸浮力；軸向磁化的右側環(huán)形永磁體6給右側電機提供 右側偏置磁通23,右側電機懸浮繞組12產(chǎn)生的右側控制磁通35起調節(jié)作用，產(chǎn)生控制轉子 右側徑向兩自由度懸浮的徑向懸浮力；左側偏置磁通28經(jīng)過左側分磁侶環(huán)3分成左側徑向 偏置磁通30和左側軸向偏置磁通29兩部分，右側偏置磁通23經(jīng)過右側分磁侶環(huán)5分成右側 徑向偏置磁通25和右側軸向偏置磁通24兩部分，徑向控制繞組22通電產(chǎn)生的徑向控制磁通 34,對右側徑向偏置磁通25和左側徑向偏置磁通30進行調節(jié)，產(chǎn)生使轉子穩(wěn)定懸浮的徑向 懸浮力；左側軸向偏置磁通29分成兩部分，即磁通31和磁通32,由左側上、下吸力圓盤14、 17,進入左側軸向工作氣隙；右側軸向偏置磁通24分成兩部分，即磁通26和磁通27,由右側 上、下吸力圓盤18、20，進入右側軸向工作氣隙；軸向控制繞組16產(chǎn)生左側軸向控制磁通36 和右側軸向控制磁通37,分別與左、右側偏置磁通相互作用，產(chǎn)生使轉子穩(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，實現(xiàn)轉子在徑向和軸向五自由度上穩(wěn)定懸浮，右 側電機轉矩繞組13磁通與相對應的轉子永磁體磁通相互作用產(chǎn)生旋轉轉矩。
[0015] 如圖1、2所示，本發(fā)明由定子和轉子組成，定子包括：左側徑向磁軸承鐵忍1、左側 環(huán)形永磁體2、左側分磁侶環(huán)3徑向控制鐵忍4、右側分磁侶環(huán)5、右側環(huán)形永磁體6、右側電機 鐵忍7、左側軸向控制鐵忍8、右側軸向控制鐵忍9。轉子鐵忍11包括軸向部分和徑向部分，在 其軸向部分一端，即右側電機鐵忍7對應位置處貼有轉子永磁體21;左側徑向磁軸承鐵忍1 可做成Ξ極、四極或八極等結構，定子齒上繞組控制繞組10,右側電機鐵忍7做成電機定子 槽型結構，槽分兩層，外層嵌入懸浮控制繞組12，內層嵌入轉矩繞組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;轉矩繞組13通電形成的磁場極對數(shù)與轉子永磁 體磁場極對數(shù)相同，按照常規(guī)電機繞組繞制即可，且轉矩繞組磁場極對數(shù)需大于等于3; 左側軸向控制鐵忍8做成Ε型結構，中間為控制圓盤15,上、下位置是吸力圓盤14和17; 右側軸向控制鐵忍9也做成Ε型結構，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。控制圓盤15、19與轉子鐵忍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與轉子鐵忍11的徑向部分之間的氣隙長度小于左、右側軸向控制鐵忍8和9與轉子鐵忍11 的軸向部分之間的氣隙長度。
[0016] 左側環(huán)形永磁體2安裝在左側徑向磁軸承鐵忍1和左側軸向控制鐵忍8、左側分磁 侶環(huán)3、徑向控制鐵忍4之間；左側分磁侶環(huán)3安裝在左側軸向控制鐵忍8和徑向控制鐵忍4之 間；右側分磁侶環(huán)5安裝在右側軸向控制鐵忍9和徑向控制鐵忍4之間；右側環(huán)形永磁體6安 裝在右側電機鐵忍7和右側軸向控制鐵忍9、左側分磁侶環(huán)5、徑向控制鐵忍4之間；左側徑向 磁軸承鐵忍1、左側軸向控制鐵忍8、右側軸向控制鐵忍9、右側電機鐵忍7和轉子鐵忍11均由 軸向和徑向導磁性能良好的材料制成。一體化結構的五自由度磁懸浮電機是由W上各部分 沿著軸向疊裝而成，上述的一體化結構的五自由度磁懸浮電機可實現(xiàn)轉子在五個自由度上 穩(wěn)定懸浮與旋轉。
[0017]本發(fā)明方案所公開的技術手段不僅限于上述實施方式所公開的技術手段，還包括 由W上技術特征任意組合所組成的技術方案。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也視為 本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種一體化結構的五自由度磁懸浮電機，包括定子、轉子鐵芯（11)，其特征在于:所 述轉子鐵芯（11)包括軸向部分、徑向部分，軸向部分一端設置有轉子永磁體(21);所述定子 包括沿轉子鐵芯（11)的軸向部分，并以轉子鐵芯（11)的徑向部分為對稱中心，依次對稱設 置的左側徑向磁軸承鐵芯（1 )、右側電機鐵芯（7);左側環(huán)形永磁體（2 )、右側環(huán)形永磁體 (6);左側軸向控制鐵芯(8)、右側軸向控制鐵芯（9);左側環(huán)形永磁體(2)、右側環(huán)形永磁體 (6)之間設置有徑向控制鐵芯(4)，其定子齒上繞制有徑向控制繞組(22);左側軸向控制鐵 芯（8 )、右側軸向控制鐵芯(9)與徑向控制鐵芯(4)之間分別設置有左側分磁鋁環(huán)(3 )、右側 分磁鋁環(huán)(5);左側徑向磁軸承鐵芯（1)的定子齒上繞制控制繞組（10)，右側電機鐵芯(7)的 定子槽內沿徑向外層繞制懸浮控制繞組（12)，內層繞制轉矩繞組（13);左側軸向控制鐵芯 (8)、右側軸向控制鐵芯(9)均呈E形結構，定子槽內分別繞制軸向控制繞組(16)。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種一體化結構的五自由度磁懸浮電機，其特征在于:所述左 側軸向控制鐵芯(8)、右側軸向控制鐵芯(9)分別均由上下位置設置的吸力圓盤(14、17; 18、 20)以及中間位置設置的控制圓盤（15、19)構成，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)權利要求2所述的一種一體化結構的五自由度磁懸浮電機，其特征在于:所述控 制圓盤（15、19)與轉子鐵芯（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)與轉子鐵芯（11)徑向 部分之間的氣隙長度小于左側軸向控制鐵芯(8)、右側軸向控制鐵芯(9)與轉子鐵芯（11)軸 向部分之間的氣隙長度。4. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種一體化結構的五自由度磁懸浮電機，其特征在于:所 述左側環(huán)形永磁體(2)、右側環(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)權利要求1或2所述的一種一體化結構的五自由度磁懸浮電機，其特征在于:所 述左側分磁鋁環(huán)（3)、右側分磁鋁環(huán)(5)由整塊鋁材制成，將左側偏置磁通(28)分成左側徑 向偏置磁通(30 )和左側軸向偏置磁通(29)兩部分，右側偏置磁通(23 )分成右側徑向偏置磁 通(25 )和右側軸向偏置磁通(24 )兩部分，且減少漏磁。6. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種一體化結構的五自由度磁懸浮電機，其特征在于:所 述左側徑向磁軸承鐵芯（1 )、徑向控制鐵芯(4)、右側電機鐵芯(7)、左側軸向控制鐵芯(8)、 右側軸向控制鐵芯(9 )、轉子鐵芯（12 )均采用具有良好軸向和徑向導磁性能的材料制成。7. 根據(jù)權利要求4所述的一種一體化結構的五自由度磁懸浮電機，其特征在于:所述左 側環(huán)形永磁體(2 )、右側環(huán)形永磁體(6 )、轉子永磁體(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】淮陰工學院