一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机

摘要

本发明公开一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机，包括外转子铁心、外转子铁心内圈的内定子，所述内定子包括连为一体的定子铁心、轴向磁化的柱形永磁体和圆盘形的铁心桥，定子铁心叠压在柱形永磁体的左端面，铁心桥叠压在柱形永磁体的右端面，所述定子铁心、铁心桥以及柱形永磁体的轴线共线，所述定子铁心上开设定子槽，定子槽内设置有转矩绕组和悬浮绕组，所述外转子铁心的径向长度大于其轴向厚度。柱形永磁体为电机提供静态偏置磁通，悬浮绕组由直流电源供电，为电机提供悬浮控制磁通，悬浮控制磁通调节静态偏置磁通，在外转子上产生径向悬浮力。

权利要求

1.一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机，包括外转子铁心（1）、外转子铁心（1）内圈的内定子（2），其特征是：所述内定子（2）包括连为一体的定子铁心（3）、轴向磁化的柱形永磁体（4）和圆盘形的铁心桥（5），定子铁心（3）叠压在柱形永磁体（4）的左端面，铁心桥（5）叠压在柱形永磁体（4）的右端面，所述定子铁心（3）、铁心桥（5）以及柱形永磁体（4）的轴线共线，所述定子铁心（3）上开设定子槽，定子槽内设置有转矩绕组（6）和悬浮绕组（7），所述外转子铁心（1）的径向长度大于其轴向厚度，外转子铁心（1）的内表面开有转子槽，转子槽中绕制有转子绕组（8）或浇注有笼型导条（9），所述外转子铁心（1）本体的右侧设有一圈向铁心桥延伸的凸台（10），所述凸台（10）与铁心桥（5）的周面径向对齐，所述柱形永磁体（4）为稀土永磁材料制成；所述转子槽的数目为偶数，转子绕组（8）或笼型导条（9）采用分相结构，转子绕组（8）或笼型导条（9）的极对数与转矩绕组（6）的极对数相同；所述转矩绕组（6）位于悬浮绕组（7）的外侧，所述悬浮绕组（7）的极对数和转矩绕组（6）的极对数不等，所述悬浮绕组（7）由直流电源供电。

2.根据权利要求1所述的一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机，其特征在于：所述定子铁心（3）、铁心桥（5）、外转子铁心（1）均由导磁材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机，其特征在于：所述内定子（2）上设有垂直指向外转子铁心的径向位移传感器（11）。

说明书

一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机

技术领域

[0001] 本发明涉及电机制造技术领域，具体涉及结构紧凑、转矩绕组极对数和悬浮绕组极对数只需满足Pm≠Pb关系，控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立，径向主动悬浮，而轴向被动悬浮的一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机。

背景技术

[0002] 无轴承电机具有无摩擦、磨损、无需润滑，易于实现更高转速和更大功率运行，特别是其中的无轴承异步电机具有结构与制造简单、转子强度高、造价低等优势，在高速机床主轴电机、密封泵、离心机、压缩机、高速微型硬盘等系列高速直驱领域具有广阔的应用前景。

[0003] 目前，无轴承异步电机是通过在传统异步电机的定子槽的转矩绕组上叠加一套附加的悬浮绕组，两套绕组分别由频率相同的三相交流电源供电产生旋转的悬浮绕组磁场和转矩绕组磁场，且悬浮绕组磁场极对数为PB、转矩绕组磁场为PM，两者之间只有满足PB=PM±1的关系时，在转子上才能产生稳定可控的径向悬浮力。由径向位移传感器检测转子径向位移，构建位移闭环控制系统，实现转子稳定悬浮，而转矩的产生原理与普通异步电机相同。
一方面，转矩绕组磁场要与悬浮绕组磁场相互作用产生径向悬浮力，另一方面，转矩绕组磁场又要和转子旋转磁场相互作用产生转矩，因此，转矩控制和位移控制之间存在强耦合，控制复杂，难以建立精确的数学模型，控制精度低。对于无轴承异步电机，除了转矩绕组磁场在转子导条内会感应出与转矩绕组磁场极对数相同的转子旋转磁场之外，悬浮绕组磁场也会在转子导条内感应出与悬浮绕组磁场极对数相同的转子旋转磁场，该旋转磁场对悬浮力的产生有削弱作用，还会增加转矩控制和位移控制的复杂性，特别是带负载运行时更为明显，严重时将会造成系统不稳定，悬浮失败。此外，单个无轴承电机一般只能约束转子沿径向方向的两个自由度，要实现转子稳定悬浮，需要2个无轴承电机和一个轴向磁悬浮轴承，或者需要一个无轴承电机和一个径向再加一个轴向磁悬浮轴承。这样，普通无轴承电机不仅在控制策略上受到诸多制约，而且结构非常复杂。当无轴承电机转子的轴向长度与其直径相比很小时，转子在轴向是被动稳定的，稳定悬浮只需控制转子的两个径向自由度，这种特殊的无轴承电机被称为片状无轴承电机，已成为当今无轴承电机研究领域的热点之一，并且已经研究出多种结构的片状无轴承永磁电机，转子永磁体的存在，导致磁路磁阻大，功耗大，且转子机械强度低，难以实现更高转速和更大功率运行。因此研究一种控制简单，悬浮力和转矩无耦合，能够产生更为有效悬浮力的新型片状无轴承异步电机，对实现无轴承电机的工业应用具有重大意义。

发明内容

[0004] 本发明提供一种不受PB=PM±1条件限制，在转子中仅感应出与转矩绕组磁场极对数相同的旋转磁场，且轴向由偏置磁通被动悬浮，径向主动悬浮，控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立，能够产生更大径向悬浮力的一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机结构。

[0005] 本发明通过以下技术方案实现：

[0006] 一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机，包括外转子铁心、外转子铁心内圈的内定子，所述内定子包括连为一体的定子铁心、轴向磁化的柱形永磁体和圆盘形的铁心桥，定子铁心叠压在柱形永磁体的左端面，铁心桥叠压在柱形永磁体的右端面，所述定子铁心、铁心桥以及柱形永磁体的轴线共线，所述定子铁心上开设定子槽，定子槽内设置有转矩绕组和悬浮绕组，所述外转子铁心的径向长度大于其轴向长度，外转子铁心的内表面开有转子槽，转子槽中绕制有转子绕组或浇注有笼型导条，所述外转子铁心本体的右侧设有一圈向铁心桥延伸的凸台，所述凸台与铁心桥的周面径向对齐。

[0007] 本发明进一步的改进方案是，所述转子槽的数目为偶数，转子绕组或导条采用分相结构，其极对数与转矩绕组的极对数相同。转子绕组切割转矩绕组磁场，产生的转子旋转磁场与转矩绕组磁场极对数相同；而悬浮绕组磁场与永磁体磁场在转子绕组中不感应出转子旋转磁场。

[0008] 本发明进一步的改进方案是，所述转矩绕组位于悬浮绕组的外侧，所述悬浮绕组的极对数和转矩绕组的极对数不等，所述悬浮绕组由直流电源供电。

[0009] 本发明进一步的改进方案是，所述柱形永磁体为稀土永磁材料制成。

[0010] 本发明进一步的改进方案是，所述定子铁心、铁心桥、外转子铁心均由导磁材料制成。

[0011] 本发明进一步的改进方案是，所述内定子上设有垂直指向外转子铁心的径向位移传感器。

[0012] 本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

[0013] 本发明由一个轴向磁化的柱形永磁体为电机提供静态偏置磁通，悬浮绕组由直流电源供电，为电机提供悬浮控制磁通，悬浮控制磁通调节静态偏置磁通，在外转子上产生径向悬浮力，控制外转子径向稳定悬浮；外转子做成薄片状，其径向长度远大于轴向厚度，轴向由偏置磁通产生的磁阻力实现被动悬浮。与常规无轴承异步电机相比，悬浮控制、转矩控制相互独立且转子槽数目为偶数，转子绕组或导条采用分相结构，其极对数与转矩绕组极对数相同，转子绕组或导条切割转矩绕组磁场，产生感应电流，该感应电流形成的旋转磁场与转矩绕组磁场极对数相同；而悬浮绕组磁场和永磁体磁场在转子绕组无感应旋转磁场产生。因此，不但可产生较大的径向悬浮力，而且控制简单和易于实现的优点。与永磁型片状无轴承电机相比，转子表面无永磁体，悬浮控制磁路磁阻小，悬浮控制功耗低；与普通五自由度无轴承电机相比，轴向长度更短，能够实现高速/超高速运行，且所需位移传感器较少，驱动电路较少，控制系统硬件简单的特点。该结构的片状无轴承异步电机可广泛应用于飞轮储能、各种高速机床主轴电机和密封泵类、离心机、压缩机、高速小型硬盘驱动装置等高速直接驱动领域。

附图说明

[0014] 图1为本发明的正视结构与磁路示意图。

[0015] 图2为本发明电机绕组排列与径向磁路示意图。

[0016] 图3为本发明转子槽用绕制转子绕组的接线示意图。

[0017] 图4为本发明转子槽中浇注笼型导条U相连接示意图。

[0018] 图5为本发明转子槽中浇注笼型导条V相连接示意图。

[0019] 图6为本发明转子槽中浇注笼型导条W相连接示意图。

具体实施方式

[0020] 如图1至6所示，以转子槽数12槽、悬浮绕组极对数为1、转矩绕组极对数为2，三相电机为例来详细说明：

[0021] 一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机，包括外转子铁心1、外转子铁心1内圈的内定子2，所述内定子2包括连为一体的定子铁心3、轴向磁化的柱形永磁体4和圆盘形的铁心桥5，定子铁心3叠压在柱形永磁体4的左端面，铁心桥5叠压在柱形永磁体4的右端面，所述定子铁心3、铁心桥5以及柱形永磁体4的轴线共线，所述定子铁心3上开设定子槽，定子槽内设置有转矩绕组6和悬浮绕组7，所述外转子铁心1的径向长度大于其轴向长度，外转子铁心径向长度大于其轴向厚度，当外转子铁心轴线与内定子的轴线不重合时，偏置磁场将产生磁阻力，将外转子拉回轴向平衡位置，实现电机转子轴向的被动悬浮。外转子铁心1的内表面开有转子槽，转子槽中绕制有转子绕组8或浇注有笼型导条9，所述外转子铁心1本体的右侧设有一圈向铁心桥延伸的凸台10，所述凸台10与铁心桥5的周面径向对齐。

[0022] 转子槽的数目为偶数，转子绕组8或笼型导条9采用分相结构，转子绕组8或笼型导条9的极对数与转矩绕组6的极对数相同。转子绕组切割转矩绕组磁场，产生的转子旋转磁场与转矩绕组磁场极对数相同；而悬浮绕组磁场与永磁体磁场在转子绕组中不感应出转子旋转磁场。

[0023] 所述转矩绕组6位于悬浮绕组7的外侧，所述悬浮绕组7的极对数和转矩绕组6的极对数不等，所述悬浮绕组7由直流电源供电，为电机提供悬浮控制磁通，悬浮控制磁通调节静态偏置磁通在外转子上产生径向悬浮力，控制转子径向稳定悬浮。

[0024] 所述柱形永磁体4为稀土永磁材料制成。内定子2上设有垂直指向外转子铁心的径向位移传感器11，检测外转子径向偏移量，构建径向位移闭环控制系统，实现径向稳定悬浮。

[0025] 柱形永磁体4为电机提供静态偏置磁通12，其N极与铁心桥相邻，静态偏置磁通12的磁路为：磁通从柱形永磁体4的N极出发，通过铁心桥5、铁心桥与外转子铁心之间气隙、外转子铁心、电机气隙、定子铁心回到柱形永磁体的S极；悬浮绕组为直流电源供电，为电机提供悬浮控制磁通13，其磁路为：外转子铁心上侧、上侧电机气隙、内定子、下侧电机气隙、外转子铁心下侧，再经过电机左侧的定子轭构成闭合回路；静态偏置磁通12、悬浮控制磁通13相互作用，在转子上产生径向悬浮力；轴向是由静态偏置磁通12的磁阻力实现其轴向悬浮。悬浮绕组、转矩绕组均采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成。

[0026] 定子槽的外层为转矩绕组6，与普通异步排列电机相同；悬浮绕组7分为x方向控制绕组和y方向悬浮控制绕组，x方向控制绕组包括绕组LX1~ LX12，按照图示2的方向串联即可；y方向悬浮控制绕组包括绕组LY1 LY12，按照图示2的方向串联即可。
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[0027] 转子绕组排列方式以转子槽数12为例，由于转矩绕组为3相4极，转子绕组相数和极数必须与转矩绕组相同，因此转子绕组也分为3相4极，即槽 、、 、 中的绕组短接为一相；槽 、 、 、 中的绕组短接为一相；槽 、 、 、 中的绕组短接为一相；按照此种方式设置，在该电机运行时，悬浮绕组磁场、转矩绕组磁场和永磁体产生的偏置磁场三者中只有转矩绕组磁场在中的绕组中会产生转子旋转磁场。

[0028] 若转子槽中浇注笼型导条，排列方式以转子槽和导条数12为例，导条外层绝缘，通过端接部分将其分相，由于转矩绕组为3相4极，转子导条相数和极数必须与转矩绕组相同，因此导条也分为3相4极，即导条 、 、 、 短接为一相；导条 、 、 、 短接为一相；导条 、 、 、 短接为一相；且三相之间相互绝缘。按照此种方式设置，在该电机运行时，悬浮绕组磁场、转矩绕组磁场和永磁体产生的偏置磁场三者中只有转矩绕组磁场在转子导条中会产生转子旋转磁场。

[0029] 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。