一种无轴承永磁薄片电机的制作方法

本实用新型属于电机制造领域，涉及一种无轴承永磁薄片电机，适用于密封泵、工业制药和生命科学等众多领域。

背景技术：

无轴承薄片电机是将磁悬浮轴承与无轴承技术相结合的一种新型电机。利用定子槽中两套不同极对数绕组（即转矩绕组和悬浮力绕组）共同作用产生磁场，通过控制叠加合成磁场的大小和方向可以控制电机的悬浮力大小和方向，从而实现电机转子的稳定悬浮运行。另外，无轴承永磁薄片电机由于其特殊的机械结构，转子的轴向长度远小于转子的外径，成薄片状，可以根据磁阻最小原理实现3个自由度（1个轴向自由度和2个扭转自由度）的被动悬浮。这种电机不仅具有无轴承电机的一系列优点，还具有体积小、功率因数高、损耗小等特点。

传统无轴承薄片电机采用永磁转子，成本较高，并不适用于一次性使用、替换的场合。另外，在高温条件下，永磁体磁力会因发热而减弱。在高速条件下，永磁转子会因过大的离心力而产生磨损，种种因素都对电机的工作性能产生了影响。中国专利公开号为CN204408154U的文献中提出了一种模块化定子永磁型无轴承电机，每个模块由1个E形导磁铁芯和1个永磁体构成，E形铁芯中间突出的齿为容错齿，为悬浮绕组和电枢绕组线圈提供回路实现解耦。永磁体位于相邻两个E形导磁铁芯之间，切向充磁，将转矩绕组绕在永磁体上，用以产生机械转矩，同时将悬浮力绕组横跨在容错齿两侧，用来产生悬浮力。由于该电机采用了磁通切换的方式，使得定转子结构变得复杂，加大了解耦的难度。中国专利公开号为CN 103683571A的文献中提出了一种两自由度定子永磁型无轴承电机，采用E形定子铁芯柱，将两套绕组绕在E形铁芯柱中间的铁芯上。将两个永磁体圆环分别置于E形铁芯两侧磁轭中，通过两个永磁磁通和悬浮力绕组磁通相叠加，从而产生比传统无轴承电机更大的径向悬浮力。但由于采用两个圆环永磁体，使得轴向长度增加，从而增加电机体积，提高了生产成本。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为克服现有无轴承永磁薄片电机存在的上述问题，解决使用永磁转子在运行中的弊端，简化转子结构，提出一种结构紧凑、简单、提高动态工作性能的新型无轴承永磁薄片电机。

本实用新型一种无轴承永磁薄片电机采用的技术方案是：具有薄片转子和定子，薄片转子同轴套在定子内，薄片转子内部同轴套有圆柱形的磁通收集装置，磁通收集装置和薄片转子之间留有第一径向气隙；定子由6根沿圆周方向均匀分布的相同的L型定子铁芯柱组成，L型定子铁芯柱的水平段为径向水平段、垂直段为轴向垂直段，6个径向水平段形成定子的凸极；薄片转子和磁通收集装置置放在薄片转子硬塑托盘的盘口内，该盘口顶部是敞口结构，磁通收集装置底端固定在薄片转子硬塑托盘的敞口底面正中间，L型定子铁芯柱的径向水平段的内侧面与薄片转子硬塑托盘的敞口外侧面紧密贴合，薄片转子与薄片转子硬塑托盘的敞口内侧面之间留有第二径向气隙；薄片转子硬塑托盘的正下方是圆柱形永磁体，永磁体的顶端固定连接薄片转子硬塑托盘底面、底端固定连接定子铁芯磁轭的中心，永磁体沿轴向充磁，底端为N极，顶端为S极；定子铁芯磁轭的外侧面与6根L型定子铁芯柱垂直段的内侧面紧密贴合固定连接在一起；6根L型定子铁芯柱的轴向垂直段上绕有悬浮力绕组和转矩绕组。

进一步地，6根L型定子铁芯柱的水平段的轴向长度和磁通收集装置轴向厚度相同，且大于薄片转子的轴向厚度，6根L型定子铁芯柱的水平段的顶面、磁通收集装置的顶面、薄片转子的顶面三者处于同一径向平面上，薄片转子底端与薄片转子硬塑托盘敞口底面之间留有气隙。

进一步地，悬浮力绕组和转矩绕组分两个三相控制，U₁，V₁，W₁三相中的每相对应一个L型定子铁芯柱，空间位置相差120度，每个L型定子铁芯柱上的转矩绕组和悬浮力绕组正向连接，合成定子绕组磁通为两套绕组磁通之和；U₂，V₂，W₂三相中的每相对应一个L型定子铁芯柱，空间位置相差120度，每个L型定子铁芯柱上的转矩绕组和悬浮力绕组反向连接，合成定子绕组磁通为两套绕组磁通之差。

本实用新型的优点在于：

1. 本实用新型采用凸极圆环转子代替永磁转子，简化了转子结构；将永磁体安装在定子铁芯柱中间，易于散热，具有聚磁效应，提高了系统鲁棒性和动态性能的同时，降低了生产成本，适用于高温高速和一次性使用场合。

2. 本实用新型采用三相定子6极/转子4极的结构，采用6个铁芯柱，将两套绕组分上下层绕在6个铁芯柱上，减少了电机轴向长度，使电机的机械结构更为紧凑、简单。两套绕组都采用集中式绕组，端部较短、损耗较低、效率高，提高了功率密度。两套绕组各自产生的磁场彼此独立，因而无需复杂的控制算法即可实现解耦，从而实现独立控制。

3. 本实用新型在轴向控制上，利用电机本身所具有的磁阻力实现的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大，悬浮力更大。

4. 本实用新型在绕组连接上采用双三相连接方式，不仅可以产生与传统两个独立三相连接方式相同的定子磁通，同时可以明显减少铜损，简化电机机械结构，提高工作性能。

附图说明

图1为本实用新型无轴承薄片电机的轴向结构示意图；

图2为本实用新型的径向结构示意图；

图3为本实用新型转矩和径向悬浮力的产生原理示意图；

图4为本实用新型一个轴向自由度的被动悬浮原理示意图；

图5为本实用新型两个扭转自由度的被动悬浮原理示意图；

图6和图7为本实用新型定子上的转矩绕组和悬浮力绕组的连接方式示意图。

图中：1.薄片转子；2.定子铁芯柱；3.磁通收集装置；4.永磁体；5.定子铁芯磁轭；6.转矩绕组；7.悬浮力绕组；8.钢制顶盘；9.顶部硬塑支架；10.底部硬塑支架；11.薄片转子硬塑托盘；12.钢制底盘；13.钢制机壳；14.气隙；15.气隙；16.沉头螺钉；31-36.位移传感器；41.定子绕组磁通；42.永磁磁通。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型具有薄片转子1和定子2，定子2的内径大于薄片转子1外径，薄片转子1同轴套在定子2内。薄片转子1内部同轴套有圆柱形的磁通收集装置3，磁通收集装置3由导磁材料制成。薄片转子1的内径大于磁通收集装置3的外径，在磁通收集装置3和薄片转子1之间留有径向气隙15。磁通收集装置3的中心轴即电机的中心轴。

薄片转子1采用4极凸极结构。定子2由6根相同的L型定子铁芯柱组成，6根相同的L型定子铁芯柱沿圆周方向均匀分布。6根L型定子铁芯柱的水平段为径向水平段，每根L型定子铁芯柱的垂直段与电机的中心轴相平行，为轴向垂直段。6个径向水平段形成定子2的6极凸极，定子2的6极凸极对着薄片转子1的凸极，定子2的6极凸极的轴向长度等于磁通收集装置3的轴向长度相同。

薄片转子1和磁通收集装置3置放在薄片转子硬塑托盘11的盘口内，薄片转子硬塑托盘11的盘口顶部是敞口结构，磁通收集装置3底端固定在薄片转子硬塑托盘11的敞口底面正中间。

在薄片转子硬塑托盘11的四周边缘的下方是钢制顶盘8，钢制顶盘8嵌于薄片转子硬塑托盘11的四周边缘和6根L型定子铁芯柱的水平段的顶面之间。

6根L型定子铁芯柱的径向水平段的内侧面与薄片转子硬塑托盘11的敞口外侧面紧密贴合在一起。薄片转子1与薄片转子硬塑托盘11的敞口内侧面之间留有径向气隙14。

6根L型定子铁芯柱的水平段的顶面、磁通收集装置3的顶面、薄片转子1的顶面三者处于同一径向平面上。6根L型定子铁芯柱的水平段的轴向长度和磁通收集装置3轴向厚度相同，且大于薄片转子1的轴向厚度。薄片转子1底端与薄片转子硬塑托盘11敞口底面之间留有气隙，薄片转子1通过磁阻力被动悬浮在薄片转子硬塑托盘11的盘口内。

在电机的中心轴处设有有一个圆柱形永磁体4，圆柱形永磁体4位于磁通收集装置3和薄片转子硬塑托盘11的正下方，也在定子2垂直段的正中间。永磁体4的中心轴与磁通收集装置3的中心轴同轴，永磁体4与6根L型定子铁芯柱的垂直段相平行。永磁体4的顶端固定连接薄片转子硬塑托盘11敞口底面，底端固定连接定子铁心磁轭5的中心。永磁体4沿轴向充磁，底端为N极，顶端为S极。定子铁芯磁轭5的外侧面与6根L型定子铁芯柱垂直段的内侧面紧密贴合固定连接在一起。定子铁芯磁轭5底端与6根L型定子铁芯柱底端处于同一径向平面上，并且，定子铁芯磁轭5底端与6根L型定子铁芯柱底端均共同固定连接在钢制底盘12上。

薄片转子硬塑托盘11的敞口内径小于定子铁芯磁轭5的外径。永磁体4的外径小于磁通收集装置3的外径。

6根L型定子铁芯柱的轴向垂直段上都绕有两套定子绕组，分别是悬浮力绕组7和转矩绕组6，分别用来形成电机运转所需的径向悬浮力和电磁转矩。

6根L型定子铁芯柱的轴向外侧装有钢制机壳13，钢制机壳13为圆筒形，钢制机壳13的底端通过沉头螺钉16与钢制底盘12固定连接，钢制机壳13的顶端通过沉头螺钉16与钢制顶盘8固定连接，钢制机壳13用以保护电机内部，同时起散热作用。

在每根L型定子铁芯柱与钢制机壳13之间的间隙处的顶部嵌有顶部硬塑支架9、间隙处的底部嵌有底部硬塑支架10，顶部硬塑支架9的顶端固定在钢制顶盘8上，底部硬塑支架10的底端固定在钢制底盘12上。在每个顶部硬塑支架9中固定有一个位移传感器，六个位移传感器分别是位移传感器31、32、33、34、35、36，如图2所示，使六个位移传感器沿圆周均匀分布在薄片转子1的四周围，用以检测电机运行过程中薄片转子1的径向位移，每个位移传感器与薄片转子1间的径向距离都相同。

图3为本实用新型转矩和径向悬浮力产生原理示意图，本实用新型径向悬浮力产生原理与永磁偏置的主动磁轴承悬浮力产生原理类似，即在定子转子气隙处定子绕组电流产生的磁通对永磁体产生的偏置磁通起了加强或减弱的作用，造成了两个对称气隙处磁通不平衡，从而形成了径向悬浮力。本实用新型中的永磁体4轴向安装，产生的永磁磁通42从永磁体4出发，分成两路进入定子铁芯磁轭5，再经由L型定子铁芯柱、气隙15进入薄片转子1，再经由气隙14汇集在磁通收集装置3，最终回到永磁体4。转矩绕组6和悬浮力绕组7共同作用产生的定子绕组磁通41沿L型定子铁芯柱、气隙15、薄片转子1流通，最终回到L型定子铁芯柱。由于薄片转子1的凸极圆环结构，定子绕组磁通41流通路径并不经过磁通收集装置3和永磁体4，从薄片转子1子一端凸极进入后，直接从相邻的凸极流出。图3中所标注的x轴和y轴所在的平面与永磁体4的中心轴垂直，在x轴负方向的定转子气隙14处的永磁磁通42和定子绕组磁通41方向相同，合成磁通增强；在x轴正方向的气隙14处永磁磁通42和定子绕组磁通41方向相反，合成磁通减弱，因此产生了方向为x轴负方向的悬浮力F。同理，可得y方向上的悬浮力。

由于薄片转子1的凸极结构，在薄片转子1旋转过程中，由于薄片转子1凸极位置的变化，永磁体4产生的永磁磁通42也会发生变化，从而在定子绕组中形成一个定子感应反电动势。根据薄片转子1的角度位置，给每相定子绕组施加与定子感应反电动势同相位的定子绕组电流，即可得到对应的电磁转矩。

参见图4和图5，永磁体4产生的永磁磁通42经由磁通收集装置3，分成两路进入气隙15、薄片转子1、气隙14，L型定子铁芯柱，最终回到永磁体4，从而达成3自由度的被动悬浮。图4为一个轴向自由度的被动悬浮原理图，根据磁阻最小原理，当薄片转子1发生轴向位移时，磁阻力会通过将薄片转子1还原到原先位置来保持最小的气隙长度，从而使薄片转子1朝发生位移的反方向运动，最终回到平衡位置。图5为两个扭转自由度的被动悬浮原理图，由于薄片电机的薄片转子1轴向长度远小于径向直径，因此当薄片转子1发生前后、左右扭转时，薄片转子1上的磁阻力也会朝相反方向作用，使薄片转子1回到平衡位置。

参见图6和图7，由于定子2由6个L型定子铁芯柱构成，因此可以将L型定子铁芯柱及其上两套绕组分为两个三相进行控制。传统的三相控制方法是将转矩绕组和悬浮力绕组分开，由两个对称定子铁芯柱上的两套绕组为一相进行控制。这种方法可以对转矩绕组和悬浮力绕组进行单独设计，但是连接较为复杂，同时由于两个三相都采用星型连接，在定子绕组中会产生一个共模电流对系统造成干扰和不必要的损耗。因此本实用新型采用了一种双三相的连接方式。参见图6，三相分别为U₁，V₁，W₁，每相仅对应一个L型定子铁芯柱，空间位置相差120度，每个L型定子铁芯柱上的转矩绕组6和悬浮力绕组7正向连接，合成定子绕组磁通41为两套绕组磁通之和，合成定子绕组磁通41方向如图6中箭头所示，指向薄片转子1。参见图7，三相分别为U₂，V₂，W₂，每相仅对应一个L型定子铁芯柱，空间位置相差120度，每个L型定子铁芯柱上的转矩绕组6和悬浮力绕组7反向连接，合成定子绕组磁通41为两套绕组磁通之差，合成定子绕组磁通41方向如图7中箭头所示，指向薄片转子1；两组三相均采用星型连接。这种连接方式不仅解决了共模电流带来的问题，同时简化的电机的机械结构，大大降低铜损，提高了电机性能。