一种新型六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机

1.本发明属于电机领域，涉及一种新型悬浮结构，可以实现无轴承永磁同步电机的六自由度稳定悬浮。


背景技术：

2.无轴承电机可以摆脱机械轴承的机械磨损，从而在一定程度上减少绕组发热，使得电机运行效率提升，并且不需要定期进行润滑和维护。无轴承永磁同步电机不仅具有无轴承电机的优良特性还具有磁轴承的优点，在半导体制造、化工领域、生物工程领域具有广阔的应用前景。无轴承永磁同步电机由于转子永磁体的存在代替了电机励磁绕组作为励磁源；从而控制回路简单、功率因数和效率提高。与磁悬浮技术结合形成的无轴承永磁同步电机，对解决众多高速精密的电气驱动问题具有重要理论和工程应用价值。传统的磁悬浮结构利用两组径向电磁轴承和一组轴向电磁轴承来实现转子空间的五自由度悬浮。每一组径向磁悬浮轴承控制转子径向的两个平动自由度，轴向磁悬浮轴承控制转子轴向的平动自由度。该结构有两个缺点，一是因为每组磁轴承都需要相应传感器、功率放大器、控制部分等，因此该种结构复杂、功耗高。另外一个缺点是由于径向轴承与径向电机并排放置，增加了转子的轴向长度，因而带来的系统体积增大，同时转子挠性增强，给系统的稳定性和操控性带来了难度。


技术实现要素：

3.本发明是为了解决传统无轴承电机通过解耦控制来实现转矩和径向悬浮力控制的问题。提供了一种六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机，具有六自由度悬浮功能，无转矩死区、功率密度高、可靠性好；
4.本发明所述新型无轴承永磁同步电机包括定子、转子和机座；定子固定在机壳上，转轴固定在转子上；
5.本发明采用双电机结构，第一电机和第二电机的转子和定子部分结构相同，从而实现了电机两端径向悬浮，中间连接部件为非导磁材料，用于连接两侧磁极形成一体,且能平衡电机整体转动，系统整体无转矩死区，增大了功率密度；
6.第一电机和第二电机两部分提供转矩和悬浮力，其定子由叠片叠压而成，以减少电机运行时产生的铁耗，并安装绕组；
7.第一电机和第二电机的转子由叠片压制而成，其上装有永磁体材料。转子上永磁体的安装方式为面贴式；
8.悬浮力绕组nx、ny和nz与普通电机绕组na、nb和nc一起叠压在定子槽内，通过悬浮力绕组电流ix、iy和iz产生的磁通来打破永磁体产生的气隙磁通平衡，从而产生径向力；
9.例如，径向力绕组nx中通以电流ix，则产生的两极磁通导致气隙1处磁通密度减小，气隙4处磁通密度增加，从而会产生沿y轴负方向的径向力，使转子向y轴负方向偏移；如果径向力绕组nx通以相反方向的电流则会产生一个沿y轴正方向的径向力；
10.用同样的方法可以分析在绕组ny中通以电流iy会产生一个沿z轴方向的径向力；
11.用同样的方法可以分析在绕组nz中通以电流iz会产生一个沿x轴方向的径向力；
12.本发明新型的六自由度磁轴承系统，可以在径向添加径向位移传感器，当转子沿径向轴发生微小偏移时，通过改变悬浮绕组电流的大小，对转子的径向实施主动控制。
附图说明
13.图1是本发明六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机的整体三维结构示意图；
14.图2是本发明六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机的转子、定子、连接轴、机座的细节三维结构示意图；
15.其中，1-定子,2-转子,3-连接轴,4-机座；
16.图3是本发明六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机俯视图；
17.图4是本发明六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机中定子绕组结构示意图；
18.图5是本发明六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机径向力产生原理图。
具体实施方式
19.以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：
20.如图1所示，本发明提出的六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机整体三维结构示意图，包括第一无轴承永磁同步电机、第二无轴承永磁同步电机以及连接轴，第一无轴承电机包括第一定子、第一转子、第一绕组线圈；第二无轴承电机包括第二定子、第二转子、第二绕组线圈。六自由度悬浮的无轴承电机的第一转子和第二转子通过中间连接轴连接，第一定子和第二定子固定在机座上；
21.如图2所示，本发明提出的六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机的定子1、转子2及连接轴3三维结构细节示意图；
22.如图3所示六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机的俯视图，电机的第一转子和第二转子表面贴附的永磁体数均为6；并且电机第一转子与第二转子相邻两永磁体错开60
°
机械旋转角度；第一定子和第二定子的齿极数均为24；并且第一定子和第二定子相邻两齿槽错开15
°
机械旋转角度；第一定子和第二定子的每个齿槽内叠压1个绕组线圈，并且齿宽相等；定子槽内控制转矩的绕组和控制悬浮力的绕组交错分布；
23.第一电机和第二电机的控制方法均可以采用电流斩波控制、单脉冲控制、pwm控制；
24.本发明提供的六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机，通过控制第一电机和第二电机定子绕组线圈中的电流，可实现旋转运行，同时可以实现x轴方向、y轴方向、z轴方向六自由度悬浮。本发明电机结构简单，易于控制，功率密度高，无需增加轴向磁轴承，成本低廉；
25.如图5所示，在气隙1位置，绕组nx产生的磁通与绕组na、nb产生的磁通方向相反，起到去磁作用，从而导致1位置磁通密度减小；在气隙4位置，绕组nx产生的磁通与绕组na、nb产生的磁通方向相同，起到增磁作用，从而导致4位置磁通密度增加，于是产生沿y轴负方向的径向力，使转子向y轴负方向偏移；如径向力绕组nx通以相反方向的电流会产生一个沿y轴正方向的径向力；
26.相同的原理可以在图4中分析，绕组nz中通以电流iz会产生一个沿x轴方向的径向
力；绕组ny中通以电流iy会产生一个沿z轴方向的径向力；
27.以上所述是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述说明，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应视为本发明的保护范围。


技术特征：
1.一种六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机，其特征在于包括第一无轴承电机、第二无轴承电机以及连接轴；所述第一无轴承电机与第二无轴承电机的结构相同，均包括定子、转子，两电机靠中间连接轴连接。2.根据权利要求1所述六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机，其特征在于所述第一定子和第二定子的齿宽相等，且两齿槽间相差15
°
机械角度，每齿槽均匀叠压绕组。3.根据权利要求1所述六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机，其特征在于所述第一转子与第二转子均为凸极圆柱结构，6个永磁体贴附表面，且彼此相差60
°
机械角度。4.根据权利要求1所述六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机，其特征在于所述两电机定子槽内叠压的绕组为悬浮绕组和转矩绕组交替排列，通过控制绕组内电流大小和方向可以控制径向悬浮力。5.根据权利要求1所述六自由度悬浮的无轴承永磁同步电机，如果转子径向选择主动悬浮，可以安装径向位移传感器，当转子沿径向轴发生微小偏移时，通过改变悬浮绕组电流的大小，对转子的径向实施主动控制。

技术总结
本发明涉及一种无轴承永磁同步电机，提出一种六自由度稳定悬浮的无轴承永磁同步电机结构。其技术方案包括连接轴和两个无轴承电机，第一电机包括第一定子、转子，第二电机包括第二定子、转子，两电机靠中间连接轴连接。两个电机定子齿极数均为24，每个定子槽内叠压绕组线圈，每个绕组线圈中通过的电流可以独立控制；两个电机转子表面贴附6个永磁体，可实现无转矩死区运行。通过控制相应绕组电流，可以实现转矩和六自由度悬浮控制。本发明电机结构简单，易于控制，无转矩死区，功率密度高，可靠性高。高。高。


技术研发人员：戈宝军 于先峰 商海洋
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2022.03.22
技术公布日：2022/5/16