专利名称：轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机的制作方法
技术领域：
本发明是轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机，适用于高速和超 高速主轴电机、航空航天、生命科学、化工、半导体工业等众多特殊电力传动领 域，特别是需要无机械接触、无摩擦与磨损、无需润滑与密封的真空技术、超洁 净领域等场合，属于采用无轴承技术的磁悬浮电机。
二背景技术：
传统三自由度的磁悬浮系统通常有四种结构
1. 采用l个轴向磁轴承和l个两自由度径向磁轴承构成；
2. 采用l个轴向磁轴承和l个两自由度无轴承电机构成；
3. 采用l个两自由度无轴承薄片电机构成；
4. 采用1个集成的三自由度永磁偏置轴向径向混合磁轴承构成。
其中第一种和第二种结构由于电机机械结构复杂，轴向悬浮需要占有一定的
轴向空间，转子轴向长度较长，不利于提高电机的临界转速；第三种结构的轴向 悬浮依靠被动悬浮，不能主动进行控制，在高速及负载条件下容易失稳；第四种 结构虽然将轴向径向的悬浮集成为一体，縮短了转子的轴向长度，但单独使用仍 然只具备悬浮支撑功能而不能实现转矩输出。
采用无轴承技术的两自由度交替极永磁电机从电机本体的角度解决了传统 无轴承永磁同步电机存在的控磁能力差，可控悬浮力小，永磁体易退磁及悬浮力 与转矩控制相互耦合等问题，促进了两自由度的永磁型无轴承电机的应用和发 展。为了进一步简化电机系统的机械结构，降低整个系统体积与成本，从电机本 体的角度实现电机三自由度的高速旋转与悬浮控制，需要结构更加紧凑、多自由 度悬浮功能与电机旋转功能更为集中的新型电机。
目前国内外尚未有"三自由度无轴承电机"的概念，也没有相关的专利和文 献出现。
三
发明内容
本发明的目的在于改变传统无轴承电机只能控制径向两个自由度的旧结构， 设计一种结构简单紧凑，功能更趋完善，功率密度大，承载力大，体积小，重量 轻，可靠性高的三自由度主动悬浮的无轴承电机。
实现上述目的的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机包括径向 定子铁心、转子永磁体、转子铁心、转子转轴，其特征在于还包括两块轴向定子
铁心分别安装于径向定子铁心的左右两端，在两块轴向定子铁心上分别嵌绕了 一 套轴向悬浮控制绕组，两套轴向悬浮控制绕组串联相接。所述的径向定子铁心(2) 上分别嵌绕一套用于控制电机转矩输出的三相四对极转矩控制绕组和一套用于 控制转子铁心所受径向悬浮力的三相一对极径向悬浮控制绕组，所述的转子永磁 体以径向方向安装在转子铁心外圆周上，转子永磁体沿径向方向均为同极性排 列，转子永磁体之间的转子铁心被交替磁化成相同的另一极性，装有转子转轴的 转子铁心置放于径向定子铁心的正中间位置。
本发明的工作原理是对于径向方向的两自由度悬浮，通过径向位移传感器 检测出转子径向位移偏移量，经位置负反馈，在无轴承交替极永磁电机悬浮控制 绕组中通入对应的悬浮控制电流，改变电机旋转磁场的对称分布，从而在转子上 产生大小和方向可控的径向悬浮力，实现电机径向的两自由度悬浮。对于轴向方 向的悬浮，当转子位于轴向中间平衡位置时，由于转子结构的对称性，转子永磁 体产生的同极性磁场在转子轴向的气隙左右两侧处是相等的，此时所产生的磁拉 力互相平衡。若转子此时受到一个轴向向右的外扰力，转子就会偏离平衡位置向 右运动，造成转子永磁体在轴向左右气隙处产生的磁场发生变化，即左面气隙增 大，磁场减小；右面气隙减小，磁场增大，使得左右两侧的磁拉力不再平衡。此 时轴向位移传感器检测出转子轴向偏离的位移量，在轴向控制绕组中通入电流产 生轴向控制磁场，这个磁场与轴向气隙中转子永磁体磁场叠加，使转子左侧气隙 中的磁场增加，右侧气隙中的磁场减小，产生一个向左的磁拉力将转子拉回平衡 位置。
本发明的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机具有以下特点
1. 径向悬浮釆用的交替极无轴承永磁电机控磁容易，无普通无轴承永磁电机转 矩与悬浮力折中的矛盾，悬浮电流小，承载能力和刚度成倍上升；
2. 轴向悬浮采用永磁偏置，减少了功率放大器的体积和功耗，降低了制造成本;
3. 以电机转子本体作为轴向与径向悬浮磁链的闭合通路，以电机转子自身的永 磁体磁场作为径向、轴向悬浮共同的偏置磁场，省去原永磁偏置轴向磁轴承 中必需的磁轴承转子和偏置永磁体环，简化了系统结构，降低了永磁体消耗， 縮小了系统体积和重量；
4. 电机结构简单紧凑，'具有高度集成性，进一步缩短了轴向占用空间，提高了 轴向空间利用率，临界转速高，易于实现大功率超高速运转；
5. 具备固有的径向悬浮与轴向悬浮解耦、悬浮控制与转矩控制解耦特性，悬浮 控制模型简单，大大降低了控制系统设计难度；6.将轴向悬浮功能集成于无轴承电机本身，便于模块化和机械加工。
总之，本发明的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机将无轴承技 术和轴向磁轴承技术各自的优点有机的结合起来，巧妙的利用无轴承交替极永磁 电机转子永磁体产生的磁场作为电机轴向、径向悬浮共同的偏置磁场，分别通过 径向定子、转子铁心和轴向定子来形成闭合磁路，在不改变原有两自由度无轴承 交替极永磁电机结构的基础上，将轴向悬浮的功能集成到电机本体上，无需另外 附加轴向磁轴承，从而实现电机旋转与转子轴向、径向同时悬浮功能于一体，突 破了传统无轴承电机只能实现径向两自由度悬浮的旧有理论框架，扩充了无轴承 电机悬浮的自由度，发展了无轴承电机研究领域的新方向，在各种磁悬浮电机系 统中都具有广阔的应用前景和重要意义。
四
图1是轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机二维结构示意图。图 中左图是轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机的剖面图，右图是左图 的右视图。
图2是轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机三维结构示意图。图 中左图是定转子结构示意图，右图是绕组结构示意图。
图3是轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机原理图。图中左图是 轴向悬浮原理示意图，右图是径向悬浮原理示意图。
标号名称1:轴向定子铁心；2:径向定子铁心；3:转子永磁体；4:转子 铁心；5:转子转轴；6:径向悬浮控制绕组；7:转矩控制绕组；8:轴向悬浮控 制绕组。A、 C是轴向气隙，B、 D、 E是径向气隙，单箭头表示永磁偏置磁通，双 实心箭头表示轴向控制绕组产生的磁通，双空心箭头表示径向控制绕组产生的磁 通。
五具体实施例方式
图1和图2是本发明的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机二维 和三维结构示意图，其主要由轴向定子铁心l、径向定子铁心2、转子永磁体3、 转子铁心4、转子转轴5组成。其中两块轴向定子铁心l由电工纯铁加工而成， 分别安装于径向定子铁心2的左右两端，两块轴向定子铁心1上分别嵌绕了一套 轴向悬浮控制绕组8，两套轴向悬浮控制绕组8相互串联。径向定子铁心2和转 子铁心4均由硅钢片叠压而成，径向定子铁心2上分别嵌绕一套用于控制电机转 矩输出的三相四对极转矩控制绕组7和一套用于控制转子4所受径向悬浮力的三
相一对极径向悬浮控制绕组6。装在转子铁心4上的转子永磁体3沿径向方向均 为同极性排列，转子永磁体3之间的转子铁心4被交替磁化成相同的另一极性， 装在转子转轴5上的转子铁心4置放于径向定子铁心2的正中间位置。
图3是轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机轴向、径向悬浮的原 理图。转子永磁体3产生的轴向偏置磁通如图所示依次经过径向气隙B、径向定 子铁心2、轴向定子铁心l、轴向气隙A (或气隙C)、转子铁心4构成回路，由 轴向悬浮控制绕组8产生的控制磁通只经过轴向气隙A (或气隙C)，不经过径向 气隙B (或气隙D、 E)。该轴向控制磁通叠加在永磁偏置磁通上，使得轴向气隙 A和C的磁场一侧减弱，另一侧增强，从而产生轴向可控的悬浮力保持转轴5轴 向悬浮。而转子永磁体3产生的径向偏置磁通如图所示依次经过径向气隙B、径 向定子铁心2、径向气隙D (或气隙E)、转子铁心4构成回路，由径向悬浮控制 绕组6产生的控制磁通只经过轴向气隙D (或气隙E),不经过轴向气隙A (或气 隙C)。由磁场叠加的原理也可产生径向可控的悬浮力实现转轴5的径向悬浮。
权利要求
1、一种轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机，包括径向定子铁心(2)、转子永磁体(3)、转子铁心(4)、转子转轴(5)，其特征在于还包括两块轴向定子铁心(1)分别安装于径向定子铁心(2)的左右两端，在两块轴向定子铁心(1)上分别嵌绕了一套轴向悬浮控制绕组(8)，两套轴向悬浮控制绕组(8)串联相接，所述的径向定子铁心(2)上分别嵌绕一套用于控制电机转矩输出的三相四对极转矩控制绕组(7)和一套用于控制转子铁心(4)所受径向悬浮力的三相一对极径向悬浮控制绕组(6)，所述的转子永磁体(3)以径向方向安装在转子铁心(4)外圆周上，转子永磁体(3)沿径向方向均为同极性排列，转子永磁体(3)之间的转子铁心(4)被交替磁化成相同的另一极性，装有转子转轴(5)的转子铁心(4)置放于径向定子铁心(2)的正中间位置。
全文摘要
一种轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机，属于无轴承的磁悬浮电机。该电机包括两块分别嵌有串联相接的轴向悬浮控制绕组(8)的轴向定子铁心(1)、一个嵌有一套四对极转矩控制绕组(7)和一套一对极径向悬浮控制绕组(6)的径向定子铁心(2)、一个嵌有四块同极磁化永磁体(3)的转子铁心(4)和一个套装该转子铁心(4)的转子转轴(5)。这种电机结构简单紧凑，无需附加额外的轴向磁轴承，将电机旋转与转子轴向、径向同时悬浮功能集成于一体，具有高度集成性，扩充了无轴承电机悬浮的自由度，简化了系统结构，减小了系统体积、重量与成本，在各种高速磁悬浮电机系统中都具有广阔的应用前景和重要意义。
文档编号H02K7/00GK101207310SQ200710191528
公开日2008年6月25日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者仇志坚, 王晓琳, 邓智泉 申请人:南京航空航天大学