一种双定子励磁全自由度无轴承电机及其主动控制方法

摘要

本发明公开了一种双定子励磁全自由度无轴承电机及其主动控制方法，属于电机设计与控制领域，电机包括：转轴；沿转轴设置的两个定子，定子包括定子铁芯，设置于定子铁芯上的定子绕组；定子绕组为悬浮绕组、转矩绕组分离结构，或者悬浮、转矩集成绕组结构；位于两个定子之间的转子盘，包括转子铁芯，表贴于转子铁芯的永磁体模块，永磁体模块产生转子永磁磁场；工作时，定子绕组产生第一电枢磁场和第二电枢磁场；第一电枢磁场与转子永磁磁场相差一对极，用于实现径向四自由度的主动控制；第二电枢磁场与转子永磁磁场极对数相同，用于实现轴向两自由度的主动控制。本发明能够实现对无轴承电机全自由度的主动控制，提高系统稳定性并简化系统结构。

权利要求

1.一种双定子励磁全自由度无轴承电机，其特征在于，包括：检测平面和多个涡流位置传感器；前端盖、后端盖和机壳；转轴，以及沿所述转轴设置的两个定子和一个转子盘，所述转子盘位于两个定子之间；

所述转子盘包括转子铁芯，以及表贴于所述转子铁芯的两个圆环面的永磁体模块；每一个永磁体模块中的永磁体南北极交替排布，所述永磁体模块产生转子永磁磁场；

所述定子包括定子铁芯，以及设置于所述定子铁芯上的定子绕组；所述定子绕组为悬浮绕组、转矩绕组分离结构，或者所述定子绕组为悬浮、转矩集成绕组结构；

工作时，所述定子绕组中通入电流后产生第一电枢磁场和第二电枢磁场，且所述第一电枢磁场与所述转子永磁磁场相差一对极，所述第二电枢磁场与所述转子永磁磁场极对数相同；所述第一电枢磁场用于实现对所述转子盘的径向平移两自由度和径向旋转两自由度的主动控制，所述第二电枢磁场用于实现对所述转子盘的轴向平移自由度和轴向旋转自由度的主动控制；

所述定子绕组为悬浮绕组、转矩绕组分离结构时，所述定子绕组包括相互独立的悬浮绕组和转矩绕组，所述悬浮绕组中通入电流后产生所述第一电枢磁场，所述转矩绕组中通入电流后产生所述第二电枢磁场；

两个定子的悬浮绕组中通入同相直轴悬浮电流时，所述电机产生沿径向x方向的悬浮力；两个定子的悬浮绕组中通入同相交轴悬浮电流时，所述电机产生沿径向y方向的悬浮力；两个定子的悬浮绕组中通入反相直轴悬浮电流时，所述电机产生绕径向y方向的回复力矩；两个定子的悬浮绕组中通入反相交轴悬浮电流时，所述电机产生绕径向x方向的回复力矩；两个定子的转矩绕组中通入同相交轴电流时，所述电机产生绕z方向的转矩输出；两个定子的转矩绕组中通入反相直轴电流时，所述电机产生沿z方向的悬浮力；

所述定子绕组为悬浮、转矩集成绕组结构时，所述集成绕组中通入的电流包括悬浮电流分量和转矩电流分量，所述悬浮电流分量用于使所述集成绕组产生所述第一电枢磁场，所述转矩电流分量用于使所述集成绕组产生所述第二电枢磁场；

两个定子的集成绕组中通入同相直轴悬浮电流分量时，所述电机产生沿径向x方向的悬浮力；两个定子的集成绕组中通入同相交轴悬浮电流分量时，所述电机产生沿径向y方向的悬浮力；两个定子的集成绕组中通入反相直轴悬浮电流分量时，所述电机产生绕径向y方向的回复力矩；两个定子的集成绕组中通入反相交轴悬浮电流分量时，所述电机产生绕径向x方向的回复力矩；两个定子的集成绕组中通入同相交轴转矩电流分量时，所述电机产生绕z方向的转矩输出；两个定子的集成绕组中通入反相直轴转矩电流分量时，所述电机产生沿z方向的悬浮力；

所述检测平面包括圆筒壁和环形平面，所述圆筒壁固定于所述转子盘的外表面，所述环形平面固定于所述圆筒壁，所述圆筒壁的轴线和所述环形平面的轴线均与所述转轴重合；

多个涡流位置传感器用于在径向上检测相应涡流位置传感器与所述圆筒壁外表面的距离，以确定所述转子盘在径向上的位置，并在轴向上检测相应涡流位置传感器与所述环形平面的距离，以确定所述转子盘在轴向上的位置和在径向上的旋转角度；

所述前端盖和所述后端盖分别位于所述机壳两端，两个定子分别固定于所述前端盖和所述后端盖上；

涡流位置传感器设置有至少6个，其中，4个涡流位置传感器设置于所述前端盖或所述后端盖上，且沿圆周对称径向分布于x方向、‑x方向、y方向、‑y方向这四个方向上，分别用于测量相应的涡流位置传感器与所述环形平面的距离；1个涡流位置传感器设置于所述机壳上，且设置于x方向或‑x方向，用于测量相应涡流位置传感器与所述圆筒壁外表面的距离；1个涡流位置传感器设置于所述机壳上，且设置于y方向或‑y方向，用于测量相应涡流位置传感器与所述圆筒壁外表面的距离；

其中，所述z方向为沿所述转轴的方向，所述x方向、所述y方向和所述z方向构成右手坐标系。

2.如权利要求1所述的双定子励磁全自由度无轴承电机的主动控制方法，其特征在于，包括：

通过控制两个定子上悬浮绕组或者悬浮电流分量中交、直轴电流大小及相位关系，以实现对所述转子盘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或者转矩电流分量中交、直轴电流大小及相位关系，以实现对所述转子盘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。

说明书

一种双定子励磁全自由度无轴承电机及其主动控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于电机设计与控制领域，更具体地，涉及一种双定子励磁全自由度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于电机模块中，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] 针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种双定子励磁全自由度无轴承电机及其主动控制方法，其目的在于，有效解决无轴承电机系统抗扰动能力差、机械结构复
杂的技术问题。

[0010] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双定子励磁全自由度无轴承电机，包括：转轴，以及沿转轴设置的两个定子和一个转子盘，转子盘位于两个定子之间；

[0011] 转子盘包括转子铁芯，以及表贴于转子铁芯的两个圆环面的永磁体模块；每一个永磁体模块中的永磁体南北极交替排布，永磁体模块产生转子永磁磁场；

[0012] 定子包括定子铁芯，以及设置于定子铁芯上的定子绕组；定子绕组为悬浮绕组、转矩绕组分离结构，或者定子绕组为悬浮、转矩集成绕组结构；

[0013] 工作时，定子绕组中通入电流后产生第一电枢磁场和第二电枢磁场，且第一电枢磁场与转子永磁磁场相差一对极，第二电枢磁场与转子永磁磁场极对数相同；第一电枢磁
场用于实现对转子盘的径向平移两自由度和径向旋转两自由度的主动控制，第二电枢磁场
用于实现对转子盘的轴向平移自由度和轴向旋转自由度的主动控制。

[0014] 进一步地，定子绕组为悬浮绕组、转矩绕组分离结构时，定子绕组包括相互独立的悬浮绕组和转矩绕组，悬浮绕组中通入电流后产生第一电枢磁场，转矩绕组中通入电流后
产生第二电枢磁场；

[0015] 两个定子的悬浮绕组中通入同相直轴悬浮电流时，电机产生沿径向x方向的悬浮力；两个定子的悬浮绕组中通入同相交轴悬浮电流时，电机产生沿径向y方向的悬浮力；两
个定子的悬浮绕组中通入反相直轴悬浮电流时，电机产生绕径向y方向的回复力矩；两个定
子的悬浮绕组中通入反相交轴悬浮电流时，电机产生绕径向x方向的回复力矩；两个定子的
转矩绕组中通入同相交轴电流时，电机产生绕z方向的转矩输出；两个定子的转矩绕组中通
入反相直轴电流时，电机产生沿z方向的悬浮力；

[0016] 其中，z方向为沿转轴的方向，x方向、y方向和z方向构成右手坐标系。

[0017] 进一步地，定子绕组为悬浮、转矩集成绕组结构时，集成绕组中通入的电流包括悬浮电流分量和转矩电流分量，悬浮电流分量用于使集成绕组产生第一电枢磁场，转矩电流
分量用于使集成绕组产生第二电枢磁场；

[0018] 两个定子的集成绕组中通入同相直轴悬浮电流分量时，电机产生沿径向x方向的悬浮力；两个定子的集成绕组中通入同相交轴悬浮电流分量时，电机产生沿径向y方向的悬
浮力；两个定子的集成绕组中通入反相直轴悬浮电流分量时，电机产生绕径向y方向的回复
力矩；两个定子的集成绕组中通入反相交轴悬浮电流分量时，电机产生绕径向x方向的回复
力矩；两个定子的集成绕组中通入同相交轴转矩电流分量时，电机产生绕z方向的转矩输
出；两个定子的集成绕组中通入反相直轴转矩电流分量时，电机产生沿z方向的悬浮力；

[0019] 其中，z方向为沿转轴的方向，x方向、y方向和z方向构成右手坐标系。

[0020] 进一步地，本发明提供的双定子励磁全自由度无轴承电机，还包括：检测平面和多个涡流位置传感器；

[0021] 检测平面包括圆筒壁和环形平面，圆筒壁固定于转子盘的外表面，环形平面固定于圆筒壁，圆筒壁的轴线和环形平面的轴线均与转轴重合；

[0022] 多个涡流位置传感器用于在径向上检测相应涡流位置传感器与圆筒壁外表面的距离，以确定转子盘在径向上的位置，并在轴向上检测相应涡流位置传感器与环形平面的
距离，以确定转子盘在轴向上的位置与在径向上的旋转角度。

[0023] 进一步地，本发明提供的双定子励磁全自由度无轴承电机，还包括：前端盖、后端盖和机壳；

[0024] 前端盖和后端盖分别位于机壳两端，两个定子分别固定于前端盖和后端盖上。

[0025] 进一步地，涡流位置传感器设置有至少6个，其中，4个涡流位置传感器设置于前端盖或后端盖上，且沿圆周对称径向分布于x方向、‑x方向、y方向、‑y方向这四个方向上，分别
用于测量相应的涡流位置传感器与环形平面的距离；1个涡流位置传感器设置于机壳上，且
设置于x方向或‑x方向，用于测量相应涡流位置传感器与圆筒壁外表面的距离；1个涡流位
置传感器设置于机壳上，且设置于y方向或‑y方向，用于测量相应涡流位置传感器与圆筒壁
外表面的距离。

[0026] 按照本发明的另一个方面，提供了一种上述双定子励磁全自由度无轴承电机的主动控制方法，包括：

[0027] 通过控制两个定子上悬浮绕组或者悬浮电流分量中交、直轴电流大小及相位关系，以实现对转子盘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；

[0028] 通过控制两个定子的转矩绕组或者转矩电流分量中交、直轴电流大小及相位关系，以实现对转子盘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。

[0029] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

[0030] (1)本发明所提供的无轴承电机，具有两个定子和一个转子盘，通过将定子绕组设计为悬浮绕组、转矩绕组分离结构，或者悬浮、转矩集成绕组结构，使得电机在工作时产生
两种电枢磁场，其中一个电枢磁场与转子永磁磁场相差一对极，而另一个电枢磁场与转子
永磁磁场极对数相同，从而通过对定子电流进行控制，即可实现对无轴承电机全自由度的
主动控制，有效提高了电机的抗扰动能力差，进一步提高了无轴承电机系统的稳定性差；并
且由于本发明在实现对无轴承电机全自由度无轴承控制时，无需使用被动轴承，大大降低
了无轴承电机的结构复杂度。

[0031] (2)本发明所提供的双定子励磁全自由度无轴承电机，只依靠电机定转子及对应的控制方法，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。

[0032] (3)本发明所提供的双定子励磁全自由度无轴承电机，可以实现六个自由度的解耦控制，悬浮简易且具有较好的控制效果。

[0033] (4)本发明所提供的双定子励磁全自由度无轴承电机，其结构与传统的盘式电机差别不大，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

[0034] 图1为本发明实施例提供的双定子励磁全自由度无轴承电机的电磁结构爆炸图；

[0035] 图2为本发明实施例提供的电机产生x轴悬浮力时各自由度主动悬浮力、回复力矩示意图；

[0036] 图3为本发明实施例提供的电机产生绕y轴回复力矩时各自由度主动悬浮力、回复力矩示意图；

[0037] 图4为本发明实施例提供的电机产生沿z轴悬浮力时各自由度主动悬浮力、回复力矩情况；

[0038] 图5为本发明实施例提供的双定子励磁全自由度无轴承电机的机械结构爆炸图；

[0039] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

[0040] 1、7为两个定子铁芯，2、6为两个定子铁芯上的集成绕组，4为转子铁芯，3、5为表贴于转子铁芯两圆环面的永磁体模块，8为转轴，9为双定子励磁全自由度无轴承电机的电磁
结构总成，10为检测平面，11为电涡流位置传感器，12为机壳，13为前端盖，14为后端盖。

具体实施方式

[0041] 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。

[0042] 在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

[0043] 为了解决现有的无轴承电机无法实现全自由度控制而导致系统抗扰动能力差、机械结构复杂的技术问题，本发明提供了一种双定子励磁全自由度无轴承电机及其控制方
法，其整体思路在于：将电机设计为具有两个定子以及一个转子盘的结构，且设计定子绕组
为悬浮绕组、转矩绕组分离结构，或者悬浮、转矩集成绕组结构，使得电机在工作时产生两
种电枢磁场，其中一个电枢磁场与转子永磁磁场相差一对极，而另一个电枢磁场与转子永
磁磁场极对数相同，从而通过对定子电流进行控制，即可实现对无轴承电机全自由度的主
动控制。以下为实施例：

[0044] 实施例1：

[0045] 一种双定子励磁全自由度无轴承电机，如图1所示，包括：转轴8，以及沿转轴8设置的两个定子和一个转子盘，转子盘位于两个定子之间；

[0046] 转子盘包括转子铁芯4，以及表贴于转子铁芯的两个圆环面的永磁体模块3、5；每一个永磁体模块中的永磁体南北极交替排布，永磁体模块产生转子永磁磁场；本实施例中，
永磁体模块产生的转子永磁磁场极对数为7；

[0047] 定子包括定子铁芯1、7，以及设置于定子铁芯1、7上的定子绕组2、6；本实施例中，每个定子铁芯有18个齿，两定子铁芯齿相互对准，定子绕组为悬浮、转矩集成绕组结构；

[0048] 工作时，定子绕组2、6中通入电流后产生第一电枢磁场和第二电枢磁场；集成绕组中通入的电流包括悬浮电流分量和转矩电流分量，悬浮电流分量用于使集成绕组产生第一
电枢磁场，转矩电流分量用于使集成绕组产生第二电枢磁场；本实施例中，悬浮电流分量产
生的第一电枢磁场极对数为6对极，与转子永磁磁场相差一对极，转矩电流分量产生的第二
电枢磁场极对数为7对极，与转子永磁磁场极对数相同；应当说明的是，此处关于转子永磁
磁场、第一电枢磁场、第二电枢磁场的极对数设定，仅为本发明一种可选的实施方式，在本
发明其他的一些实施例中，相应的磁场也可设定为其他极对数，只要满足第一电枢磁场与
转子永磁磁场相差一对极，而第二电枢磁场与转子永磁磁场极对数相同即可；在本发明其
他的一些实施例中，第一电枢磁场也可以比转子永磁磁场多一对极；

[0049] 两个定子的集成绕组中通入同相直轴悬浮电流分量时，电机产生沿径向x方向的悬浮力，如图2所示；两个定子的集成绕组中通入同相交轴悬浮电流分量时，电机产生沿径
向y方向的悬浮力；两个定子的集成绕组中通入反相直轴悬浮电流分量时，电机产生绕径向
y方向的回复力矩，如图3所示；两个定子的集成绕组中通入反相交轴悬浮电流分量时，电机
产生绕径向x方向的回复力矩；两个定子的集成绕组中通入同相交轴转矩电流分量时，电机
产生绕z方向的转矩输出；两个定子的集成绕组中通入反相直轴转矩电流分量时，电机产生
沿z方向的悬浮力，如图4所示；

[0050] 其中，z方向为沿转轴的方向，x方向、y方向和z方向构成右手坐标系；为简化控制，本实施例中，x方向具体设定为悬浮磁场与转矩磁场直轴重合方向，y方向具体设定为x方向
逆时针旋转90度的方向。

[0051] 为了便于准确实现各自由度的控制，如图5所示，本实施例所提供的双定子励磁全自由度无轴承电机，除了图1所示的电磁结构总成9之外，还包括：检测平面10、多个电涡流
位置传感器11、前端盖13、后端盖14和机壳12；

[0052] 检测平面10包括圆筒壁和环形平面，圆筒壁固定于转子盘的外表面，环形平面固定于圆筒壁，圆筒壁的轴线和环形平面的轴线均与转轴重合；

[0053] 多个涡流位置传感器11用于在径向上检测相应涡流位置传感器与圆筒壁外表面的距离，以确定转子盘在径向上的位置，并轴向上检测相应涡流位置传感器与环形平面的
距离，以确定转子盘在轴向上的位移与在径向上的旋转角度；

[0054] 本实施例中，前端盖13和后端盖14分别位于机壳12两端，两个定子分别固定于前端盖13和后端盖14上，通过机壳12可以确定两个定子之间的相互距离与相对角度；

[0055] 本实施例中，涡流位置传感器设置有至少6个，其中，4个涡流位置传感器设置于前端盖或后端盖上，且沿圆周对称径向分布于x方向、‑x方向、y方向、‑y方向这四个方向上，分
别用于测量相应的涡流位置传感器与环形平面的距离；1个涡流位置传感器设置于机壳上，
且设置于x方向或‑x方向，用于测量相应涡流位置传感器与圆筒壁外表面的距离；1个涡流
位置传感器设置于机壳上，且设置于y方向或‑y方向，用于测量相应涡流位置传感器与圆筒
壁外表面的距离；

[0056] 径向上的涡流位置传感器所检测到的距离，可直接用于确定转子盘在x方向和y方向的位置；轴向上的涡流位置传感器检测的距离，其平均值用于确定转子盘在轴向上的位
置，轴向上相对的涡流位置传感器所检测的距离之差，可用于确定转子盘在径向上的旋转
角度；转子盘的轴向旋转角度可使用外部线性霍尔或者无位置算法等常规方法检测。

[0057] 在实际应用中，根据无轴承电机所应用的场景，转子铁芯可通过轴延伸出电机两端以连接外部负载，或直接在转子铁芯上集成内部负载，例如，对于泵类负载，如果叶轮放
在外面，就需要转子通过轴延伸出去连接叶轮；如果叶轮放在转子内外表面，则直接将负载
集成于转子铁芯即可。

[0058] 实施例2：

[0059] 一种双定子励磁全自由度无轴承电机，本实施例与上述实施例1类似，所不同在于，本实施例中，定子绕组为悬浮绕组、转矩绕组分离结构，具体地，定子绕组包括相互独立
的悬浮绕组和转矩绕组，悬浮绕组中通入电流后产生第一电枢磁场，转矩绕组中通入电流
后产生第二电枢磁场；

[0060] 两个定子的悬浮绕组中通入同相直轴悬浮电流时，电机产生沿径向x方向的悬浮力；两个定子的悬浮绕组中通入同相交轴悬浮电流时，电机产生沿径向y方向的悬浮力；两
个定子的悬浮绕组中通入反相直轴悬浮电流时，电机产生绕径向y方向的回复力矩；两个定
子的悬浮绕组中通入反相交轴悬浮电流时，电机产生绕径向x方向的回复力矩；两个定子的
转矩绕组中通入同相交轴电流时，电机产生绕z方向的转矩输出；两个定子的转矩绕组中通
入反相直轴电流时，电机产生沿z方向的悬浮力；

[0061] 其中，z方向为沿转轴的方向，x方向、y方向和z方向构成右手坐标系；为简化控制，本实施例中，x方向具体设定为转矩绕组和悬浮绕组A相轴向重合的方向，y方向具体设定为
x方向逆时针旋转90度之后的方向。

[0062] 实施例3：

[0063] 上述实施例1提供的双定子励磁全自由度无轴承电机的主动控制方法，包括：

[0064] 通过控制两个定子上者悬浮电流分量中交、直轴电流大小及相位关系，以实现对转子盘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；

[0065] 通过控制两个定子的转矩电流分量中交、直轴电流大小及相位关系，以实现对转子盘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。

[0066] 实施例4：

[0067] 上述实施例2提供的双定子励磁全自由度无轴承电机的主动控制方法，包括：

[0068] 通过控制两个定子上悬浮绕组中交、直轴电流大小及相位关系，以实现对转子盘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；

[0069] 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，以实现对转子盘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。

[0070] 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。