专利名称：一种无轴承永磁薄片电机的制作方法
技术领域：
本发明是一种无轴承永磁同步电机，具体是一种无轴承永磁薄片电机，适用于密封泵、高速或超高速数控机床、工业机器人、航空航天、生命科学等众多特殊电气传动领域，其无接触、无需润滑及无磨损等特点，特别适用于生命科学、真空技术、半导体加工、洁净室、无菌车间以及腐蚀性介质或无接触、无污染液体介质的传输等特殊场合。
背景技术：
无轴承永磁同步电机是一类将磁轴承的功能集成在永磁同步电机本体内部的新型电机，它既具有磁轴承无接触、无需润滑、寿命长等优点，又具有永磁同步电机功率因数高、功率密度大等特点。无轴承永磁同步电机要实现除旋转自由度外的五自由度完全悬浮，通常需要由两个二自由度无轴承永磁同步电机单元与一个轴向磁轴承或者一个三自由度磁轴承与一个两自由度无轴承永磁同步电机单元构成，电机机械结构相对比较复杂；由于磁轴承的存在，使电机转子轴向很长，电机转子临界转速受到很大限制，难以发挥其高速或超闻速的特性。为了充分利用无轴承永磁同步电机无接触、无需润滑、寿命长、功率因数高与功率密度大等特点，并使其实用化，在原有无轴承永磁同步电机的基础上设计了结构紧凑、简单、体积小且实用化程度较高的无轴承交替极薄片电机和单绕组无轴承永磁薄片电机。其中，交替极无轴承永磁薄片电机由硅钢片叠压而成的定子、嵌套在定子槽中的转矩绕组与悬浮力绕组以及薄片转子构成，薄片转子可同轴悬浮于定子机械中心，薄片转子采用永磁体与铁心交替分布的内插式结构，这种结构能够实现悬浮力与转矩控制的完全解耦，但由于薄片转子上磁极较多且采用内插式结构，使得电机内磁场分析较困难、永磁体厚度与大小设计复杂，且内插式的结构大大降低了转子的临界速度，同时由于电机极数与定子槽数较多，绕组安装较困难；单绕组无轴承永磁薄片电机采用6齿式定子与两极表贴式永磁薄片转子的结构，薄片转子与定子同轴位于定子机械中心，只是在定子的6个齿上只绕有一套集中式绕组，这种绕组结构的电机虽然在结构上可节省一定的空间，但在工作时由于只由一套绕组电流同时产生悬浮力与电磁转矩，使得该电机的控制系统复杂，调试困难。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的缺陷，提供一种结构紧凑、简单、能降低制造成本与加工难度、降低控制系统的复杂程度、提高实用性、提高动态工作性能的无轴承永磁薄片电机。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是具有一个定子和与定子同轴的一个薄片转子。薄片转子位于定子轴向上段的内腔中，薄片转子为径向平行充磁的S、N两极永磁体，定子由沿圆周方向均匀分布在薄片转子之外的6个定子铁心柱组成，每个定子铁心柱内径与薄片转子外径之间都具有相同的径向气隙；在定子轴向上段，每两个定子铁心柱的正中间各设置一个径向位移传感器探头，6个径向位移传感器探头沿薄片转子的圆周方向均匀分布，每个径向位移传感器探头与薄片转子之间的径向距离均与径向气隙相同；薄片转子的正下部设置霍尔传感器；在定子轴向中段，每个定子铁心柱上均套有悬浮力绕组和转矩绕组，定子底部固定有同轴的铁心磁轭，铁心磁轭与每个定子铁心柱底端均紧贴在一起。所有的定子铁心柱与铁心磁轭均采用硅钢片叠压而成。进一步地，在定子的轴向上段，薄片转子外同轴间隙套有环形的顶部硬塑支架，6个定子铁心柱与6个径向位移传感器探头均镶嵌在顶部硬塑支架中，顶部硬塑支架内径与定子内径相同，顶部硬塑支架外径则大于定子外径；在定子的轴向下段以及绕组下部位置的定子外同轴紧密套有一个底部硬塑支架。在顶部硬塑支架和底部硬塑支架之外同轴紧密套有一个钢制散热机壳，钢制散热机壳的底端面上密封连接钢制底盘，定子底面、底部硬塑支架底面、铁心磁轭底面均与钢制底盘顶面贴合在一起；钢制散热机壳顶面连接环形的钢制顶盘，定子顶面与钢制顶盘底面贴合在一起。本发明的优点在于1.本发明采用了六个铁心柱，两套绕组分上下层绕在六个铁心柱上的结构，减小了电机的径向长度，使电机机械结构更加紧凑、合理、简单、实用，克服了单绕组无轴承永磁薄片电机结构简单但控制系统过于复杂的缺陷。2.本发明采用了两极的永磁薄片转子，使转子磁场检测简单、可靠，可运用基于转子磁场定向控制策略，可以实现径向位移控制子系统和速度控制子系统非线性动态解耦控制，控制方法容易实现，可移植性强，同时摆脱了交替极无轴承永磁薄片电机设计与制造困难、转子临界转速低的缺陷。3.利用无轴承永磁薄片电机本身所具有的磁阻力实现了薄片转子轴向平移与前后、左右翻转运动三个自由度的被动悬浮控制，减少了数字控制系统硬件及控制系统软件复杂程度；在相同功率或支承力下，大大缩小了电机转子轴向长度，使得相同体积下系统功率更高，悬浮力更大。
图1为本发明无轴承永磁薄片电机的结构主视图及磁通示意 图2为图1中B-B向剖视 图3为本发明无轴承永磁薄片电机中薄片转子的悬浮控制原理示意 图中1.薄片转子硬塑托盘；2.转矩绕组；3.定子；4.底部硬塑支架；5.钢制散热机壳；6.薄片转子；8.顶部硬塑支架；9.径向悬浮力绕组；10.钢制底盘；11.底部铁心磁轭；12.钢制顶盘；13.霍尔传感器；14.传感器支架；15.十字槽沉头螺钉；16.径向气隙；21.转矩控制磁通；61.转矩磁通；71、72、73、74、75、76.位移传感器探头；91.悬浮力控制磁通；131、132、133、134·霍尔传感器芯片;301、302、303、304、305、306.定子铁心柱。
具体实施例方式如图1、图2所示，本发明无轴承永磁薄片电机具有一个定子3和一个环形薄片状的薄片转子6。薄片转子6位于定子3的轴向上段的内腔中，薄片转子6为径向平行充磁的S、N两极永磁体，材料为钕铁硼。定子3由6个定子铁心柱301、302、303、304、305、306组成，这6个定子铁心柱301、302、303、304、305、306沿薄片转子6的圆周方向均匀分布在薄片转子6外，即每两个定子铁心柱301、302、303、304、305、306之间间隔60度，并且，每个定子铁心柱301、302、303、304、305、306内径与薄片转子6外径之间都具有相同的径向气隙16，径向气隙16为2mm。在薄片转子6的轴向厚度范围的位置处，即在定子3的轴向上段，在每两个定子铁心柱301、302、303、304、305、306的正中间各设置一个径向位移传感器探头，6个径向位移传感器探头71、72、73、74、75、76也沿薄片转子6的圆周方向均匀分布，即每两个径向位移传感器探头之间间隔60度，每个径向位移传感器探头与其相邻的定子铁心柱之间间隔30度。每个径向位移传感器探头71、72、73、74、75、76与薄片转子6之间的径向距离均与径向气隙16相同，即均为2mm，在电机运行时，这6个径向位移传感器探头71、72、73、74、75、76用于测量薄片转子6的径向位移，实时形成位移反馈。在薄片转子6的正下部的定子3内腔中设置传感器支架14，传感器支架14上支撑霍尔传感器13，霍尔传感器13包括4个霍尔传感器芯片131、132、133、134，这4个霍尔传感器芯片131、132、133、134沿圆周方向均匀分布在传感器支架14上，每两个霍尔传感器芯片之间间隔90度。通过霍尔传感器芯片测量薄片转子6的磁场大小与方向，可以间接测量薄片转子6的磁极位置与电机转速。在定子3的轴向中段，每个定子铁心柱301、302、303、304、305、306上均套有两套绕组，分别是套在上部的悬浮力绕组9和套在下部的转矩绕组2，两套绕组的极对数均满足±1的关系。在定子3的轴向底部固定铁心磁轭11，铁心磁轭11与每个定子铁心柱301、302、303、304、305、306底端均紧贴在一起。所有的定子铁心柱301、302、303、304、305、306与铁心磁轭11均采用硅钢片叠压而成。进一步地，在定子3的轴向上段，在薄片转子6外同轴间隙套有环形的顶部硬塑支架8，6个定子铁心柱301、302、303、304、305、306与6个径向位移传感器探头71、72、73、74、75、76均镶嵌在顶部硬塑支架8中，并且顶部硬塑支架8的内径与由6个定子铁心柱围成的定子3的内径相同，也与6个径向位移传感器探头围成的内圆直径相同。而顶部硬塑支架8的外径则大于定子3的外径。传感器支架14位于顶部硬塑支架8的几何中心位置处，传感器支架14固定在顶部硬塑支架8的内壁上。在定子3的轴向下段以及绕组下部位置，在定子3外同轴紧密套有一个底部硬塑支架4。在顶部硬塑支架8和底部硬塑支架4之外，同轴紧密套有一个钢制散热机壳5，钢制散热机壳5的底端面上以十字槽沉头螺钉15连接钢制底盘10，钢制底盘10用于电机底部密封。定子3的底面、底部硬塑支架4的底面以及铁心磁轭11的底面均与钢制底盘10顶面贴合在一起，以减小漏磁、降低损耗。钢制散热机壳5的顶端面上以十字槽沉头螺钉15连接钢制顶盘12，定子3的顶面与环形的钢制顶盘12底面贴合在一起。在薄片转子6和霍尔传感器13之间、以及径向气隙16之间镶有一个薄片转子硬塑托盘1，转子硬塑托盘I开口朝上，形成转子腔，用于放置薄片转子6。将薄片转子硬塑托盘I侧壁镶在顶部硬塑支架8内圈壁上，将转子硬塑托盘I的顶面固定在钢制顶盘12上，薄片转子硬塑托盘I下方是圆形传感器支架14及霍尔传感器13。薄片转子硬塑托盘I的壁厚为O. 4mm,由于前述径向气隙16是2mm，因此，薄片转子硬塑托盘I与薄片转子6在径向之间就具有1. 6mm的间隙。传感器支架14则靠近薄片转子硬塑托盘I底部。薄片转子硬塑托盘1、顶部硬塑支架8、底部铁心磁轭U、顶部硬塑支架8、底部硬塑支架4、钢制底盘10、传感器支架14与钢制散热机壳5均同轴，钢制顶盘12外径与钢制散热机壳5外径相同，钢制顶盘12内径比薄片转子6外径大4mm。 如图1-3示，薄片转子6产生的转矩磁通61从薄片转子6的N极出发，通过两个径向气隙16、径向相对的两个定子铁心柱，即径向相对的两个定子铁心柱301、302，或者径向相对的两个定子铁心柱303、304或者径向相对的两个定子铁心柱305、306、以及底部铁心磁轭11，最后回到S极，形成磁回路。由转矩绕组2通三相交流电流提供转矩控制磁通21，并采用I个三相电压功率逆变器驱动控制，在径向相对 的两个定子铁心柱、径向气隙16、薄片转子6和底部铁心磁轭11之间形成转矩控制磁通21的磁回路；由悬浮力绕组9通三相交流电流，提供悬浮力控制磁通91，并采用I个三相电压功率逆变器驱动控制，悬浮力控制磁通91向上经定子铁心柱303、径向气隙16、进入薄片转子6，然后再经径向气隙16至相邻的定子铁心柱305，沿相邻的定子铁心柱305向下传导再进入底部铁心磁轭11，然后再回到303，形成悬浮力控制磁通91的磁回路。在电机运行时，悬浮力控制磁通91具体通过哪些定子铁心柱形成磁回路视悬浮力控制磁通91的电气角度而定。参见图3，本发明利用两套集中绕组分别产生转矩控制磁通21和径向悬浮力控制磁通完成对薄片转子6的两个径向自由度的主动悬浮控制，薄片转子6的轴向平移与前后、左右翻转三个自由度由磁阻力根据磁路磁阻最小原理实现被动悬浮控制。具体是给转矩绕组2和悬浮力绕组9通电，转矩控制磁通21与悬浮力控制磁通91在径向气隙16处进行合成，使径向气隙16处的气隙磁通密度分布不均匀，根据麦克斯韦应力张量法，将产生沿X轴负方向的径向悬浮力/^同理，通过控制转矩绕组2和悬浮力绕组9中电流的相位角与大小就可以产生所需要的径向悬浮力K控制薄片转子6的径向位移，实现薄片转子6两自由度主动控制；无轴承永磁薄片电机属于永磁电机的一种，转矩控制磁通21与转矩磁通61同步，由于电机薄片转子6的直径较电的机轴向长度小，根据磁阻力总是使磁路磁阻最小的性质，当薄片转子6发生轴向平移或左右(前后)翻转时，转矩控制磁通21与转矩磁通61均会共同作用产生方向相反的磁拉力使薄片转子6回到平衡位置，实现薄片转子6三自由度的被动控制；由此就可以完成无轴承永磁薄片电机薄片转子6的五自由度悬浮控制。
权利要求
1.一种无轴承永磁薄片电机，具有一个定子(3)和与定子(3)同轴的一个薄片转子(6)，薄片转子(6)位于定子(3)轴向上段的内腔中，其特征是薄片转子(6)为径向平行充磁的S、N两极永磁体，定子(3)由沿圆周方向均匀分布在薄片转子(6)之外的6个定子铁心柱组成，每个定子铁心柱内径与薄片转子(6)外径之间都具有相同的径向气隙(16);在定子(3)轴向上段，每两个定子铁心柱的正中间各设置一个径向位移传感器探头，6个径向位移传感器探头沿薄片转子(6)的圆周方向均匀分布，每个径向位移传感器探头与薄片转子(6)之间的径向距离均与径向气隙(16)相同；薄片转子(6)的正下部设置霍尔传感器(13);在定子(3)轴向中段，每个定子铁心柱上均套有悬浮力绕组(9)和转矩绕组(2)，定子(3)底部固定有同轴的铁心磁轭(11)，铁心磁轭(11)与每个定子铁心柱底端均紧贴在一起，所有定子铁心柱与铁心磁轭(11)均采用硅钢片叠压而成。
2.根据权利要求1所述的一种无轴承永磁薄片电机，其特征是在定子(3)的轴向上段，薄片转子(6)外同轴间隙套有环形的顶部硬塑支架(8)，6个定子铁心柱与6个径向位移传感器探头均镶嵌在顶部硬塑支架(8)中，顶部硬塑支架(8)内径与定子(3)内径相同，顶部硬塑支架(8)外径则大于定子(3)外径；在定子(3)的轴向下段以及绕组下部位置的定子(3)外同轴紧密套有一个底部硬塑支架(4)。
3.根据权利要求2所述的一种无轴承永磁薄片电机，其特征是在顶部硬塑支架(8)和底部硬塑支架(4)之外同轴紧密套有一个钢制散热机壳(5)，钢制散热机壳(5)的底端面上密封连接钢制底盘(10)，定子(3)底面、底部硬塑支架(4)底面、铁心磁轭(11)底面均与钢制底盘(10)顶面贴合在一起；钢制散热机壳(5)顶面连接环形的钢制顶盘(12)，定子(3)顶面与钢制顶盘(12)底面贴合在一起。
4.根据权利要求2所述的一种无轴承永磁薄片电机，其特征是霍尔传感器(13)包括沿圆周方向均匀分布在传感器支架(14)上的4个霍尔传感器芯片，传感器支架(14)固定在顶部硬塑支架(8)的内壁上。
5.根据权利要求2所述的一种无轴承永磁薄片电机，其特征是在薄片转子(6)和霍尔传感器(13)之间以及径向气隙(16)中镶有一个开口朝上、放置薄片转子(6)的薄片转子硬塑托盘(I )，薄片转子硬塑托盘(I)侧壁镶在顶部硬塑支架(8)内圈壁上，薄片转子硬塑托盘(I)与薄片转子(6)在径向之间具有间隙。
6.根据权利要求5所述的一种无轴承永磁薄片电机，其特征是薄片转子硬塑托盘(I)的壁厚为O. 4臟，径向气隙(16)是2mm。
全文摘要
本发明公开一种无轴承永磁薄片电机，薄片转子位于定子轴向上段的内腔中，薄片转子为径向平行充磁的S、N两极永磁体，定子由沿圆周方向均匀分布在薄片转子之外的6个定子铁心柱组成，每个定子铁心柱内径与薄片转子外径之间都具有相同的径向气隙；在定子轴向上段，每两个定子铁心柱的正中间各设置一个径向位移传感器探头，6个径向位移传感器探头沿薄片转子的圆周方向均匀分布，每个径向位移传感器探头与薄片转子之间的径向距离均与径向气隙相同；薄片转子的正下部设置霍尔传感器；在定子轴向中段，每个定子铁心柱上均套有悬浮力绕组和转矩绕组，定子底部固定有同轴的铁心磁轭；电机结构更加紧凑、合理、简单。
文档编号H02K29/08GK103023265SQ201210579780
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者朱熀秋, 陈金海, 祝苏明 申请人:江苏大学