专利名称：被动磁悬浮式无刷直流电机的制作方法
技术领域：
本发明属于一种电机，特别涉及一种被动磁悬浮式无刷直流电机。
本发明采用永磁体构成的被动式磁力轴承结构，通过合理设计，实现了不需要悬浮力控制的电机转子稳定磁悬浮。本发明的被动磁悬浮式电机由壳体、电机的定子和转子、转轴以及具有对称结构的两个被动式磁力轴承构成。被动式磁力轴承由两组具有相同几何尺寸和磁性能的永磁内环和外环组成，每组永磁环的轴向充磁方向相同，而两组永磁环的轴向充磁方向相反。每组永磁环的内环相对于外环有一个向左或向右的轴向位移，两组永磁环内外环之间的轴向位移量相等而方向相反。磁力轴承内外环之间的气隙远小于电机定转子之间的气隙，磁力轴承内外环间的轴向偏移必须大于一定值，即必须大于最大轴向力对应的轴向偏移值，以保证电机转子的稳定径向悬浮和轴向稳定性。壳体可采用金属或非金属材料做成圆筒状。壳体内中间安放电机的定子铁心，左右分别放置两组被动式磁力轴承的永磁外环。电机转子与两个被动式磁力轴承的永磁内环固定在一个非导磁材料制作的转轴上。定子铁心由开有一定数量槽的电工钢片叠压而成，槽中放置定子绕组。无刷直流电机的转子由具有一定极数和磁化方向的瓦片状永磁体固定在导磁或非导磁的转子轭上，然后固定在转轴上。磁力轴承和电机转子的永磁体皆采用高性能稀土永磁钕铁硼材料，磁力轴承永磁环采用轴向充磁，而电机转子永磁体采用径向充磁。
本发明的关键技术是如何解决被动式磁力轴承的稳定性问题。根据经典磁力轴承理论，由永磁体构成的被动式磁力轴承不可能获得稳定的平衡，至少需要在一个自由度方向上施加另外的约束才行。本发明采用了两组结构尺寸和磁性能相同的永磁环，利用其对称性巧妙地实现了被动式磁力轴承的径向和轴向的稳定性。理论分析与样机实验证明，被动式磁力轴承的轴向力与内外永磁环之间的轴向位移有关，而且存在一个最大值，当轴向位移小于某值时轴向力随轴向位移的增大而增大，而当轴向位移大于某值时轴向力随轴向位移的增大而减小。通过施加轴向偏置位移以避开不稳定区，利用两个磁力轴承的轴向对称关系，便可保证整个电机转子系统的轴向稳定性。通过磁力轴承永磁环的宽度、厚度及相互间的气隙以及与电机定转子之间气隙等参数的合理匹配，可实现电机转子径向的稳定磁悬浮。
本发明的优点是实现了悬浮力不需要控制的电机磁悬浮，省去了磁悬浮无轴承电机和主动式磁力轴承电机复杂的转子位置动态检测和悬浮力实时控制装置，不仅提高了运行可靠性和系统效率，而且对于置入人体内要求体积很小和免维护的人工心脏旋转血泵等应用场合，更具有其特殊的优越性。由于仅需要对电机的转矩进行控制，其控制技术比较简单。对于本发明所示的无刷直流电机，采用的是无位置传感器的变频调速控制方法。本发明所提出的被动式磁悬浮结构，不仅适用于无刷直流电机，而且适用于其他结构形式的电机，如感应式、磁阻式和永磁式转子的电机。
图2为本发明磁力轴承双内环向电机定子反向偏移的结构示意图。
图中1壳体，2定子铁心，3定子绕组，4永磁转子，5转子轭，6磁力轴承永磁外环，7磁力轴承永磁内环，8非导磁转轴，9固定磁力轴承外环的非导磁环。图中箭头所示方向为充磁方向。
本实施例中，磁力轴承内外环皆由轴向充磁的钕铁硼永磁材料制成，内外环厚度和长度分别为5和10mm，外环直径26mm，内外环之间气隙为0.4mm，内外环间的轴向偏移约为1.5mm。无刷直流电机的定子铁心由0.35mm的电工钢片叠压而成，开有12槽，放置对称三相绕组，定子铁心内外径分别为18mm和36mm，轴向长10mm。转子由径向充磁的四块长10mm、厚2mm的钕铁硼永磁体瓦片粘接在转子轭上，电机定转子间的气隙为2mm。
权利要求
1.一种被动磁悬浮式无刷直流电机，包含有壳体、定子、转子和转轴，其特征在于该直流电机还设有两个具有对称结构的被动式磁力轴承，壳体内中间安放电机的定子铁心，左右分别放置两组被动式磁力轴承的永磁外环，电机转子与两个被动式磁力轴承的永磁内环固定在一个非导磁材料制作的转轴上，磁力轴承永磁环采用轴向充磁，电机转子永磁体采用径向充磁。
2.根据权利要求1所述的被动磁悬浮式无刷直流电机，其特征在于所述被动式磁力轴承由两组具有相同几何尺寸和磁性能的永磁内环和外环组成，每组永磁环的轴向充磁方向相同，而两组永磁环的轴向充磁方向相反，每组永磁环的内环相对于外环有一个向左或向右的轴向位移，两组永磁环内外环之间的轴向位移量相等而方向相反。
3.根据权利要求2所述的被动磁悬浮式无刷直流电机，其特征在于所述被动式磁力轴承内外环之间的气隙远小于电机定转子之间的气隙，磁力轴承内外环间的轴向偏移必须大于最大轴向力对应的轴向偏移值。
4.根据权利要求1所述的被动磁悬浮式无刷直流电机，其特征在于所述定子铁心是由开有一定数量槽的电工钢片叠压而成，槽中放置定子绕组。
5.根据权利要求1所述的被动磁悬浮式无刷直流电机，其特征在于所述转子由具有一定极数和磁化方向的瓦片状永磁体固定在导磁或非导磁的转子轭上，然后固定在转轴上。
全文摘要
一种被动磁悬浮式无刷直流电机，由壳体、定子、转子、转轴，和两个具有对称结构的被动式磁力轴承组成，壳体内中间安放电机的定子铁心，左右分别放置两组被动式磁力轴承的永磁外环，电机转子与两个被动式磁力轴承的永磁内环固定在一个非导磁材料制作的转轴上，磁力轴承永磁环采用轴向充磁，电机转子永磁体采用径向充磁，本发明实现了悬浮力不需要控制的电机磁悬浮，省去了转子位移检测和悬浮力控制装置，提高了运行可靠性和系统效率，特别适于要求体积小和免维护的人工心脏旋转血泵应用，本发明所提出的被动式磁悬浮结构，不仅适用于无刷直流电机，而且适用于其他结构形式的电机。
文档编号H02K1/16GK1472874SQ03133718
公开日2004年2月4日 申请日期2003年7月15日 优先权日2003年7月15日
发明者王凤翔, 王继强, 孔志国, 宗鸣, 张凤阁 申请人:沈阳工业大学