一种全自由度交替极无轴承电机及其主动控制方法

摘要

本发明公开了一种全自由度交替极无轴承电机及其主动控制方法，电机包括定子与转子，其中定子为沿轴向相对分布的两个电机定子，两定子上分别绕有电机绕组，电机绕组为包含悬浮绕组与转矩绕组的分离绕组结构，或者为悬浮绕组与转矩绕组的集成绕组结构；转子包括轴向置于两定子之间的凸极转子铁心，转子槽中放置有相同极性的永磁体。系统抗扰动性能优秀，稳定性强。通过控制定子上悬浮绕组或者悬浮电流成分中交/直轴电流大小及相位关系，实现对电机径向平移两自由度与径向旋转两自由度这四个转子自由度的主动控制,通过控制定子上转矩绕组或转矩电流成分中交/直轴电流大小及相位关系，实现对电机轴向平移与旋转这两个转子两自由度的主动控制。

权利要求

1.一种全自由度交替极无轴承电机，其特征在于，包括定子与转子，其中定子为沿轴向相对分布的两个电机定子，两定子上分别绕有电机绕组，电机绕组为包含悬浮绕组与转矩绕组的分离绕组结构，或者为悬浮绕组与转矩绕组的集成绕组结构；当电机绕组为包含悬浮绕组与转矩绕组的分离绕组结构时，转矩绕组电流产生与转子永磁磁场相同极对数的电枢磁场，悬浮绕组电流产生一对极的电枢磁场；当电机绕组为悬浮绕组与转矩绕组的集成绕组结构时，集成绕组转矩电流分量产生与转子永磁磁场相同极对数的电枢磁场，集成绕组的悬浮电流分量产生一对极的电枢磁场；转子包括轴向置于两定子之间的凸极转子铁心，转子槽中放置有相同极性的永磁体。

2.一种基于权利要求1所述的全自由度交替极无轴承电机的主动控制方法，其特征在于，包括：

当电机绕组为包含悬浮绕组与转矩绕组的分离绕组结构时，通过控制定子上悬浮绕组中交/直轴电流大小及相位关系，实现对全自由度交替极无轴承电机径向平移两自由度与径向旋转两自由度这四个转子自由度的主动控制；通过控制两个定子的转矩绕组中交/直轴电流大小及相位关系，实现对全自由度交替极无轴承电机轴向平移自由度与轴向旋转自由度这两个转子自由度的主动控制；

当电机绕组为悬浮绕组与转矩绕组的集成绕组结构时，通过控制定子上两种悬浮电流成分中交/直轴电流大小及相位关系，实现对全自由度交替极无轴承电机径向平移两自由度与径向旋转两自由度这四个转子自由度的主动控制；通过控制两个定子的转矩电流成分中交/直轴电流大小及相位关系，实现对全自由度交替极无轴承电机轴向平移自由度与轴向旋转自由度这两个转子自由度的主动控制。

3.根据权利要求2所述的主动控制方法，其特征在于，若两定子均通入同相直轴悬浮电流，全自由度无轴承电机产生沿径向与转矩绕组A相轴线重合x方向悬浮力。

4.根据权利要求2所述的主动控制方法，其特征在于，若两定子均通入同相交轴悬浮电流，全自由度无轴承电机产生沿径向与转矩绕组A相轴线逆时针旋转90°方向的悬浮力。

5.根据权利要求2所述的主动控制方法，其特征在于，若两定子均通入反相直轴悬浮电流，全自由度无轴承电机产生绕径向与转矩绕组A相轴线逆时针旋转90°方向的回复力矩。

6.根据权利要求2所述的主动控制方法，其特征在于，若两定子均通入反相交轴悬浮电流，全自由度无轴承电机产生绕径向与转矩绕组A相轴线重合的回复力矩。

说明书

一种全自由度交替极无轴承电机及其主动控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电机设计与控制领域，具体涉及一种全自由度交替极无轴承电机及其主动控制方法。

背景技术

[0002] 无轴承电机将磁轴承集成与电机模块中，依靠电磁力实现电机转子的稳定悬浮，不需要机械轴承进行支撑。因此无轴承电机不存在转子高速下摩擦损耗大，发热严重，寿命
有限等问题，并且解决了在航空航天等高真空领域中机械轴承润滑油选型困难等问题，由
于不存在机械轴承润滑油泄露、金属碎屑污染，非常适合高洁净度领域。

[0003] 电机转子除转速这一绕旋转轴旋转自由度需要被主动控制外，在无轴承电机中还需要为其余五个自由度提供主动或被动的控制。当前常规方案主要包括以下几种：

[0004] 1、采用一个轴向被动磁轴承和两个两自由度径向无轴承电机构成，其主动控制的悬浮自由度为4，另有一个自由度依靠轴向被动磁轴承被动控制。

[0005] 2、采用一个轴向被动磁轴承、一个径向被动磁轴承与一个两自由度无轴承电机构成，其主动控制的悬浮自由度为2，另有三个自由度依靠被动磁轴承被动控制。

[0006] 3、薄片型无轴承电机，其主动控制的悬浮自由度为2，另有三个自由度依靠定转子之间的磁阻力被动控制。

[0007] 4、采用两个径向被动磁轴承与一个单自由度无轴承电机构成，其主动控制的悬浮自由度为1，另有四个自由度依靠被动磁轴承被动控制。

[0008] 以上这些常用结构均有一个或多个悬浮自由度需要被被动控制，这导致对应自由度的阻尼将非常小，抗扰动能力差，无轴承电机系统稳定性差。同时，上述结构大多需采用
径向、轴向被动磁轴承，这将在一定程度上增加无轴承电机结构的复杂程度，增加电机体积
与重量，降低了电机的转矩与功率密度，同时较现有电机，也增加了大量加工流程与加工工
艺。

发明内容

[0009] 针对现有技术的以上缺陷或需改进需求，本发明在不对传统盘式电机做明显调整的情况下，依靠创新性的理论分析结果，通过对电机定子绕组进行设计以及采用特殊的无
轴承电机控制方法，提出了一种全自由度交替极无轴承电机及其主动控制方法。目的在于
解决传统无轴承电机由于被动控制自由度导致的无轴承电机系统抗扰动能力差，机械结构
复杂等问题。

[0010] 本发明一方面提供了一种全自由度交替极无轴承电机，包括定子与转子，其中定子为沿轴向相对分布的两个电机定子，两定子上分别绕有电机绕组，电机绕组可设计为包
含悬浮绕组与转矩绕组的分离绕组结构，也可设计为悬浮绕组与转矩绕组的集成绕组结
构，其中当电机绕组为包含悬浮绕组与转矩绕组的分离绕组结构时，转矩绕组电流产生与
转子永磁磁场相同极对数的电枢磁场，悬浮绕组电流产生一对极的电枢磁场；当电机绕组
为悬浮绕组与转矩绕组的集成绕组结构时，集成绕组转矩电流分量产生与转子永磁磁场相
同极对数的电枢磁场，集成绕组的两种悬浮电流分量产生一对极的电枢磁场。转子包括轴
向置于两定子之间的凸极转子铁心，转子槽中放置有相同极性的永磁体。视所提全自由度
无轴承电机使用领域，转子铁心可通过轴延伸出电机两端以连接外部负载，或直接在转子
铁心上集成内部负载。

[0011] 本发明另一方面提供了一种针对所提全自由度无轴承电机的主动控制方法。通过控制定子上悬浮绕组(针对分离绕组结构)或者悬浮电流成分(针对集成绕组结构)中交/直
轴电流大小及相位关系，就能实现对所提电机径向平移两自由度与径向旋转两自由度这四
个转子自由度的主动控制。通过控制两个定子的转矩绕组(针对分离绕组结构)或者转矩电
流成分(针对集成绕组结构)中交/直轴电流大小及相位关系，就能实现对所提电机轴向平
移自由度与轴向旋转自由度这两个转子自由度的主动控制。从而实现了对无轴承电机转子
的全自由度主动控制效果。

[0012] 定义x轴与转矩绕组A相轴线重合，y轴处于x轴逆时针旋转90°方向，z轴根据x、y轴，由右手定则确定。若两定子均通入同相直轴悬浮电流，全自由度无轴承电机产生沿径向
x方向悬浮力。若两定子均通入同相交轴悬浮电流，全自由度无轴承电机产生沿径向y方向
悬浮力。若两定子均通入反相直轴悬浮电流，全自由度无轴承电机产生绕径向y方向回复力
矩。若两定子均通入反相交轴悬浮电流，全自由度无轴承电机产生绕径向x方向回复力矩。

[0013] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0014] 本发明无需采用被动磁轴承结构，只依靠电机定转子以及对应的控制算法即可实现全自由度主动悬浮，结构紧凑，可以实现很大的功率密度与转矩密度。

[0015] 本发明提出的全自由度交替极无轴承电机依靠本发明所提的全自由度无轴承电机控制方法即可实现对转子全部自由度的主动控制，因此各自由度可以拥有较大的阻尼，
所提的全自由度无轴承电机系统抗扰动性能优秀，系统稳定性强。

[0016] 本发明提出的全自由度交替极无轴承电机径向悬浮控制与转子角度无关，一定程度上解决了传统无轴承电机中悬浮控制与转子角度耦合的问题，简化了悬浮控制难度，更
方便实现无转子角度传感器下的全自由度无轴承电机控制，简化系统复杂度，降低成本。

[0017] 本发明所提的全自由度交替极无轴承电机大幅减少了磁钢用量，提高了单位成本下的电机性能。

[0018] 本发明所提的全自由度交替极无轴承电机解决的传统无轴承电机悬浮性能与转矩之间此消彼长的矛盾取舍问题，能够同时实现转矩与悬浮性能的提升。

[0019] 本发明所提的全自由度交替极无轴承电机扩大了绕组设计边界，提供了更灵活的绕组设计范围，能够大幅减少所需逆变器开关器件的数量。

[0020] 本发明提出的全自由度交替极无轴承电机结构上与传统盘式电机差别不大，因此可以直接参考现有盘式电机成熟的加工工艺，可加工性好，便于大范围推广。

附图说明

[0021] 图1是本发明提供的全自由度交替极无轴承电机电磁结构爆炸图；

[0022] 图2是本发明提供的全自由度交替极无轴承电机机械结构爆炸图；

[0023] 图3是本发明提供的全自由度交替极无轴承电机产生x轴悬浮力时各自由度主动悬浮力、回复力矩情况；

[0024] 图4是本发明提供的全自由度交替极无轴承电机产生绕y轴回复力矩时各自由度主动悬浮力、回复力矩情况；

[0025] 图5是本发明提供的全自由度交替极无轴承电机产生沿z轴悬浮力时各自由度主动悬浮力、回复力矩情况。

具体实施方式

[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0027] 本发明提供了一种全自由度交替极无轴承电机，包括定子与转子，其中定子为沿轴向相对分布的两个电机定子，两定子上分别绕有电机绕组，电机绕组可设计为包含悬浮
绕组与转矩绕组的分离绕组结构，也可设计为悬浮绕组与转矩绕组的集成绕组结构，其中
当电机绕组为包含悬浮绕组与转矩绕组的分离绕组结构时，转矩绕组电流产生与转子永磁
磁场相同极对数的电枢磁场，悬浮绕组电流产生一对极的电枢磁场；当电机绕组为悬浮绕
组与转矩绕组的集成绕组结构时，集成绕组转矩电流分量产生与转子永磁磁场相同极对数
的电枢磁场，集成绕组的悬浮电流分量产生一对极的电枢磁场。转子包括轴向置于两定子
之间的凸极转子铁心，转子槽中放置有相同极性的永磁体。视所提全自由度无轴承电机使
用领域，转子铁心可通过轴延伸出电机两端以连接外部负载，或直接在转子铁心上集成内
部负载。

[0028] 图1是一种全自由度无轴承电机的电磁结构爆炸图。其中1、7为两个定子铁芯，每个定子铁芯有18个齿，两定子铁芯齿相互对准，2、6为两组环形绕置与铁芯上的集成绕组，
通过逆变器控制集成绕组不同绕组电流相位产生1对极与8对极三种电枢磁场，3、5为两组
永磁体模块，永磁体极性相同，产生8对极转子永磁磁场，4为转子铁芯，转子铁芯两侧均有8
个相对的齿，8为转轴。

[0029] 图2是图1实施例中电机机械结构爆炸图。其中9为上述全自由度无轴承电机电磁结构总成，10为电涡流位置传感器，11为检测平面，12为机壳，13、14分别为前后端盖。

[0030] 当控制器使得电机定子电枢中电流分布能够产生1对极的悬浮电枢磁场时(为悬浮绕组供电或在集成绕组中输入悬浮电流分量)，若两定子均通入对应的同相直轴悬浮电
流，所提全自由度无轴承电机可以产生沿径向x方向悬浮力，如图3所示。若两定子均通入对
应的同相交轴悬浮电流时，所提全自由度无轴承电机可以产生沿径向y方向悬浮力。若两定
子通入对应的反相直轴悬浮电流时，所提全自由度无轴承电机可以产生绕径向y方向回复
力矩，如图4所示。同理当两定子通入对应的反相交轴悬浮电流时，所提全自由度无轴承电
机可以产生绕径向x方向回复力矩。

[0031] 当控制器使得电机定子电枢中电流分布能够产生8对极转矩电枢磁场时(为转矩绕组供电或在集成绕组中输入转矩电流分量)。若两定子铁芯均通入同相交轴电流，将产生
绕z轴的转矩输出。当两定子铁芯通入反相直轴电流时，产生沿z轴的悬浮力，如图5所示。

[0032] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。