一種繞組轉(zhuǎn)矩電流并聯(lián)注入式的無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種無(wú)軸承電機(jī)，特別是一種單繞組無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)，適用 于生物醫(yī)療工程、化學(xué)、半導(dǎo)體與微電子等特殊電氣傳動(dòng)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的無(wú)軸承電機(jī)大多實(shí)現(xiàn)的是兩個(gè)自由度或四個(gè)自由度的主動(dòng)懸浮，其他的自 由度仍然需要磁軸承控制，電機(jī)的軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，體積較大，同時(shí)臨界轉(zhuǎn)速下降，向更高轉(zhuǎn) 速發(fā)展受到限制。而無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)五個(gè)空間自由度全懸浮，通過(guò)改變懸浮 力繞組的電流的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)徑向自由度的主動(dòng)懸浮，并根據(jù)磁阻最小原理實(shí)現(xiàn) 三個(gè)自由度(一個(gè)軸向自由度和兩個(gè)扭轉(zhuǎn)自由度)的被動(dòng)懸浮。這種電機(jī)在繼承了無(wú)軸承電 機(jī)長(zhǎng)處的同時(shí)，還具有占用空間小、功率密度大、損耗低等特點(diǎn)，能夠普遍地應(yīng)用于超潔凈 的場(chǎng)合。
[0003] 無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)在定子中疊加了轉(zhuǎn)矩和懸浮力兩套繞組，致使電機(jī)的機(jī)械結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)轉(zhuǎn)矩繞組與懸浮力繞組共用同一個(gè)磁路，互相影響存在耦合，使得電磁結(jié)構(gòu)也 更為復(fù)雜。而單繞組結(jié)構(gòu)無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)是通過(guò)對(duì)一套繞組的單獨(dú)控制，使其能夠一 并產(chǎn)生懸浮力和轉(zhuǎn)矩。由電機(jī)學(xué)的原理可知，帶有永磁體的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)在定子繞組內(nèi) 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，且轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。由于單繞組無(wú)軸承永磁電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn) 矩和懸浮力公用一套繞組，繞組內(nèi)生成的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)限制了懸浮力電流分量的調(diào)節(jié)，而且 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，懸浮力電流分量越小，生成的懸浮力減小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了降低傳統(tǒng)無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)更小、重量更輕、 效率更高，同時(shí)消除繞組內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)懸浮力電流的影響，本實(shí)用新型提出了一種繞組 轉(zhuǎn)矩電流并聯(lián)注入式的單繞組無(wú)軸承薄片電機(jī)。
[0005] 本實(shí)用新型所述一種繞組轉(zhuǎn)矩電流并聯(lián)注入式的無(wú)軸承永磁薄片電機(jī)采用的技 術(shù)方案是:本實(shí)用新型最外部是外轉(zhuǎn)子，外轉(zhuǎn)子內(nèi)部有同軸心的定子鐵芯，外轉(zhuǎn)子內(nèi)表面上 緊密表貼Ha I bach陣列結(jié)構(gòu)的4極永磁體，定子鐵芯由6個(gè)電樞齒沿圓周方向均勾分布組成， 每個(gè)電樞齒上都繞有線圈，相對(duì)于軸心呈軸對(duì)稱的兩個(gè)線圈繞向相反且末端連接在一起構(gòu) 成一相繞組;每相繞組的兩個(gè)線圈的中點(diǎn)處引出中線且中線出線端均連接第一電流逆變 器，第一電流逆變器為繞組提供轉(zhuǎn)矩電流;每相繞組的三個(gè)始端與第二電流逆變器相連接， 第二電流逆變器為繞組同時(shí)提供懸浮力電流與轉(zhuǎn)矩電流;每相繞組的三個(gè)末端共同連接 中性點(diǎn)。
[0006 ]進(jìn)一步地，第二電流逆變器提供的轉(zhuǎn)矩電流大小是第一電流逆變器提供的轉(zhuǎn)矩電 流大小的1/2,第二電流逆變器6提供的轉(zhuǎn)矩電流相位與第一電流逆變器提供的轉(zhuǎn)矩電流相 位相差180度。
[0007] 進(jìn)一步地，與第二電流逆變器相連的三相繞組通入的電流依次為

汾別為三相繞組轉(zhuǎn)矩電流分量，ibu、i bv、ibw分別為三相 繞組懸浮力電流分量。
[0008] 進(jìn)一步地，所述4極永磁體由16塊小磁體組成，每塊小磁體充磁方向分別比相鄰兩 側(cè)的兩塊小磁體充磁方向按順時(shí)針、逆時(shí)針偏移45度。
[0009] 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0010] 1、本實(shí)用新型是一種同步電機(jī)，只采用一套繞組，由兩個(gè)三相變頻器為其供電，其 中一個(gè)三相逆變器在中點(diǎn)出注入轉(zhuǎn)矩電流，另外一個(gè)三相逆變器注入懸浮力電流和1/2幅 值、相位差180度的轉(zhuǎn)矩電流。使得2組電流能夠產(chǎn)生極對(duì)數(shù)相差為1的兩個(gè)磁場(chǎng)。這樣不僅 使得電機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊，提高了懸浮力控制性能，而且定子側(cè)的功率損耗更小。
[0011] 2、本實(shí)用新型將對(duì)稱的兩個(gè)線圈相連，且電流流向相同，因此從控制轉(zhuǎn)矩電流逆 變器的方向看去，兩個(gè)線圈內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向相同，而從控制懸浮力電流逆變器 的方向看去，兩個(gè)線圈內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向相反，由于幅值相同而兩者相互抵消，消 除了對(duì)控制懸浮力電流逆變器內(nèi)懸浮力電流分量的影響。
[0012] 3、本實(shí)用新型貼在外轉(zhuǎn)子上的4極永磁體采用每極包含4個(gè)永磁體的Halbach陣列 結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)氣隙內(nèi)的磁密增強(qiáng)，且更加接近于正弦，能夠在增大轉(zhuǎn)矩和懸浮力的同時(shí)使 脈動(dòng)更小，又能減小輒部磁通，從而減小輒部厚度，電機(jī)的體積和重量降低。
[0013] 4、本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)更好的散熱性能采用外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，同時(shí)使得軸向尺寸緊 湊，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大。
[0014] 5、本實(shí)用新型采用6個(gè)電樞齒，可以保證電機(jī)在足夠小的空間內(nèi)，嵌入足夠多的繞 組，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩最大化。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0016] 圖1為本實(shí)用新型繞組轉(zhuǎn)矩電流并聯(lián)注入式的無(wú)軸承薄片電機(jī)的徑向剖面示意 圖；
[00Π ]圖2是圖1中采用Halbach陣列結(jié)構(gòu)的4極永磁體順序排列示意圖；
[0018] 圖3為圖1中各繞組與兩個(gè)逆變器的連接結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖4為圖1所示本實(shí)用新型電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)刻轉(zhuǎn)矩與徑向力產(chǎn)生的磁路流程圖。
[0020] 圖中：1-外轉(zhuǎn)子;2-Halbach陣列結(jié)構(gòu)的4極永磁體;3-定子鐵芯;4-繞組;5-第一電 流逆變器;6-第二電流逆變器;7-形成轉(zhuǎn)矩的兩對(duì)極磁場(chǎng);8-形成懸浮力的一對(duì)極磁場(chǎng)。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 參見(jiàn)圖1和圖2,本實(shí)用新型繞組轉(zhuǎn)矩電流并聯(lián)注入式的無(wú)軸承薄片電機(jī)采用外轉(zhuǎn) 子結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)更好的散熱性能。最外部是外轉(zhuǎn)子1，外轉(zhuǎn)子1內(nèi)部有與外轉(zhuǎn)子1同軸心的定 子鐵芯3,外轉(zhuǎn)子1也作為電機(jī)的機(jī)殼。在外轉(zhuǎn)子1的內(nèi)表面上緊密地表貼4極永磁體2,每極 有4塊小磁體組成，4極永磁體2采用Halbach陣列結(jié)構(gòu)，是Halbach陣列結(jié)構(gòu)的4極永磁體2。 定子鐵芯3與4極永磁體2之間存有徑向氣隙。外轉(zhuǎn)子1用于固定永磁體，防止永磁體因高速 離心力造成脫落。
[0022]定子鐵芯3是由6個(gè)電樞齒沿圓周方向均勻分布而成，在每個(gè)電樞齒上都繞有線圈 4,將6個(gè)電樞齒上的線圈按逆時(shí)針?lè)较蛞来味x為線圈1]1、12、￥1、1]2、11，2，相對(duì)于軸心呈 軸對(duì)稱的兩個(gè)線圈繞向相反，且兩個(gè)線圈末端連接在一起構(gòu)成一相繞組。也就是線圈U1、 ￥1、11按順時(shí)針繞在電樞齒上，線圈1]2、￥2、12按逆時(shí)針繞在電樞齒上，線圈1]1和線圈1]2末端 相連構(gòu)成U相繞組，線圈Wl和線圈W2末端相連構(gòu)成W相繞組，線圈Vl和線圈V2末端相連構(gòu)成V 相繞組，從結(jié)構(gòu)上構(gòu)成一個(gè)傳統(tǒng)的UVW三相電機(jī)。
[0023]參見(jiàn)圖2所示的Halbach陣列結(jié)構(gòu)的4極永磁體2順序排列圖，Halbach陣列結(jié)構(gòu)的4 極永磁體2由16塊小磁體組成，16塊小磁體中的每塊小磁體充磁方向分別比相鄰兩側(cè)的兩 塊小磁體充磁方向順時(shí)針、逆時(shí)針偏移45度，也就是：當(dāng)某一塊小磁體充磁方向比左側(cè)的一 塊小磁體充磁方向順時(shí)針?lè)较蚱?5度時(shí)，則比右側(cè)的一塊小磁體充磁方向逆時(shí)針偏移45 度，左側(cè)的一塊小磁體和右側(cè)的一塊小磁體充磁方向相差90度。如此可使得氣隙磁密更加 接近于正弦，同時(shí)輒部磁通的減小，使得外轉(zhuǎn)子1的厚度減小，降低了電機(jī)重量與體積。 [0024]再參見(jiàn)圖3,每一相的兩個(gè)線圈的中點(diǎn)處引出中線，僅注入轉(zhuǎn)矩電流，使得轉(zhuǎn)矩電 流在兩個(gè)線圈并聯(lián)通過(guò)，共引出3個(gè)中線，將3個(gè)中線出線端均連接第一電流逆變器5。這樣 整個(gè)電機(jī)共有9個(gè)出線端，其中3個(gè)中線出線端與第一電流逆變器5相連，將相互間隔