一种双向磁悬浮无刷电机和控制方法与流程

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种双向磁悬浮无刷电机和控制方法。

背景技术：

根据电机的结构和工作原理，我们可以将电机分为有刷电机、内转子无刷电机和外转子无刷电机。无刷电机是模界中除了有刷电机以外用的最多的一种电机，无刷直流电机不使用机械的电刷装置，以霍尔传感器、反电动势位置检测或采取频率与占空比的控制方式取代碳刷换向器，以稀土材料作为转子的永磁材料，性能上相较一般的传统直流电机有很大优势。具有高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速等优点。

现有技术中的无刷电机中的转子铁芯子在移动的过程中需要利用到导轨滑块机构对转子铁芯的伸缩进行限位，但是在工作的过程中导轨与滑块之间会存在摩擦，而且长时间工作之后该摩擦会对导轨和滑块造成损坏进而影响整机的使用寿命，声波电机自问世以来，特别是在电动牙刷上面的应用，大部分都是单一的摆动，或者通过特殊且昂贵的机械结构实现轴向的伸缩。电机既要轴向伸缩、也要径向摆动或者同时运行，而且要实现磁悬浮，一直是整个行业的难题。

技术实现要素：

为此，本发明提供一种双向磁悬浮无刷电机和控制方法，通过在径向和轴向上利用定子铁芯齿吸磁钢，使得转子铁芯能够在轴向和径向上进行悬浮，电机能在轴向上作伸缩，也可以在径向上作摆动，也可以同时进行，没有了机械上的一些繁琐的机构，减少了摩擦，效率更高，声音更纯、更小。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种双向磁悬浮无刷电机，包括机壳，所述机壳内部设有轴枝，所述轴枝一端穿过机壳并延伸出机壳一侧，所述轴枝外端设有两及两个以上组合转子铁芯，其中x向可以是一个及多个转子铁芯组合，径向左右摆动可以是一个及多个转子铁芯组合，所述轴枝贯穿转子铁芯，每个所述转子铁芯的外端均设有多个磁钢，其中一个所述转子铁芯的外端磁钢的数量设置为八个，其中共有4对极，n/s各4个，另外两个所述转子铁芯的外端磁钢的数量设置为四个，每个转子共有2对极，n/s各2个，另外两个所述转子铁芯的外端磁钢的数量设置为四个，所述机壳内部设有两个及两个以上定子铁芯，其中x向可以是一个及多个定子铁芯组合，径向左右摆动可以是一个及多个定子铁芯组合，所述磁钢均设在定子铁芯与转子铁芯之间，所述定子铁芯两端均设有线架，两个所述线架之间设有定子铁芯，四个线圈绕组均布于定子铁芯的齿部。

进一步地，所述机壳一端设有前盖，所述轴枝一端贯穿前盖并延伸出前盖一侧。

进一步地，所述机壳远离前盖一端设有后盖，所述轴枝一端穿过后盖并延伸出后盖一侧。

进一步地，所述前盖内部设有含油轴承，所述轴枝贯穿含油轴承。

进一步地，所述后盖上开设有后盖出线孔。

进一步地，多个所述磁钢以转子铁芯的径向圆心为中心按一定角度环形阵列均匀或非对称极对数对称均可以分布在转子铁芯外端。

进一步地，所述线圈绕组以定子铁芯的径向圆心为中心环形阵列均匀分布或非均匀但齿槽数对称均可以在定子铁芯外端。

本发明还包括该双向磁悬浮无刷电机的控制方法，具体步骤如下所示：

步骤一、接线：按照接线图将电机与pcb板连接，如果线圈绕组在第一个定子铁芯齿上如果是顺时针绕线，在临近的第二定子铁芯齿上就是逆时针绕线，在第三个定子铁芯齿上是顺时针，第四个定子铁芯齿上是逆时针，而且上下两个定子铁芯齿的头和尾引出线分别接pcb上一路或者多路h桥驱动，如果是多路，例如本步骤中的两路，该两路h桥驱动相互之间独立，可以独立运行，也可以同时工作，当独立控制时，电机可以上下作伸缩运动，也可以左右作摆动，当同时运行时，电机可以做伸缩运动的同时作左右摆动，而且控制左右摆动的运动与控制上下伸缩的运动相互独立，互不干涉；

步骤二、运行调节：当q1、q4导通以及q2、q3截止时，电流从电机的i1端流入，从i2端流出，电机正转；当q2、q3导通以及q1、q4截止时，电流从电机的i2端流入，从i1端流出，电机反转；四个mos管前一级接门极驱动，单片机输出频率可调，占空比可调的方波信号来控制门极驱动，进而控制每一路中的四个mos管导通与截止，来实现电机的运行；h桥电路稳定可靠，设置适当的死区时间就可以防止蹿红；两路均独立控制，c组定子线圈控制左右摆动，d组定子线圈控制上下运动，也可以同时运行，而且两组可以单独工作，也可以同步工作，相互之间不影响；

步骤三、设定预设值：轴向上，定子铁芯的高度a1和转子铁芯的高度b1均为一个预设值，该预设值可以根据不同用户对伸缩力的需求进行调节；磁钢超出转子铁芯高度d2、磁钢与定子铁芯重合的高度d1都为一个预设值，该预设值可以根据不同用户对伸缩距离及力的需求进行调节；径向上，转子铁芯间距角度c1、c3和与之相匹配的磁钢=角度c2都为一个预设值，该预设值可以根据不同用户对摆幅、力矩的需求进行调节；控制径向摆动的①为一个单元，控制轴向伸缩的②为一个单元，各单元之间相互独立，单元①可以是一个或多个，单元②可以是一个或多个；一个电机系统如果由多个以上单元组成，多个单元以上提及的预设值可以是一样，也可以是各不相同。

本发明具有如下优点：

1、本发明在径向，由于有定子铁芯磁吸磁钢，且自吸面比非自吸面面积大，所以径向可以悬浮；在轴向，也因为定子铁芯磁吸磁钢，且上下两个磁钢相互作用，所以轴向可以悬浮；在径向，即使转子铁芯偏摆到最大位置角度，自吸面的面积依然大于非自吸面，在轴向，即使转子铁芯位移到最大位置，自吸面的面积依然大于非自吸面，与现有技术相比，本发明中的转子铁芯能够在径向和轴向两个方向上进行悬浮，对转子铁芯的伸缩进行限位；

2、本发明通过设定预设值使得客户可以根据需要自由的调节本发明，轴向上，可以根据不同用户对伸缩距离及力的需求进行调节，径向上，可以根据不同用户对摆幅、力矩的需求进行调节，而且控制径向摆动的①为一个单元，控制轴向伸缩的②为一个单元，各单元之间相互独立，单元①可以是一个或多个，单元②可以是一个或多个；一个电机系统如果由多个以上单元组成，多个单元以上提及的预设值可以是一样，也可以是各不相同，与现有技术相比，本发明的灵活性较高，能够满足不同客户的需求，从而能够扩大本发明的使用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明提供的爆炸图；

图2为本发明提供的整体结构示意图；

图3为本发明提供的剖视图；

图4为本发明提供的磁钢的结构示意图；

图5为本发明提供的磁钢轴向分布示意图；

图6为本发明提供的磁钢径向分布示意图；

图7为本发明提供的控制上下伸缩的径向自吸面结构示意图；

图8为本发明提供的控制左右摆动的径向自吸面和非自吸面的结构示意图；

图9为本发明提供的磁钢和转子铁芯的轴向分布示意图；

图10为本发明提供的线圈正向通电转子铁芯移动方向的结构示意图；

图11为本发明提供的线圈反向通电转子铁芯移动方向的结构示意图；

图12为本发明提供的线圈正向通电转子铁芯转动方向的结构示意图；

图13为本发明提供的线圈反向通电转子铁芯转动方向的结构示意图；

图14为本发明提供的c组定子线圈的结构示意图；

图15为本发明提供的d组定子线圈的结构示意图；

图16为本发明提供的cd线圈绕组的展开图；

图17为本发明提供的pcb原理图；

图18为本发明提供的定子铁芯的高度a1和转子铁芯的高度b1以及磁钢超出定子铁芯的高度d2和磁钢与定子铁芯重合的高度d1的结构示意图；

图19为本发明提供的转子铁芯间距角度c1、c3和与之相匹配的磁钢角度c2的结构示意图。

图中：1轴枝、2前盖、3含油轴承、4机壳、5磁钢、6转子铁芯、7线架、8定子铁芯、9线圈绕组、10后盖、11后盖出线孔。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照说明书附图1-19，该实施例的一种双向磁悬浮无刷电机，包括机壳4，所述机壳4内部设有轴枝1，所述轴枝1一端穿过机壳4并延伸出机壳4一侧，所述轴枝1外端设有两及两个以上组合转子铁芯6，其中x向可以是一个及多个转子铁芯6组合，径向左右摆动可以是一个及多个转子铁芯6组合，所述轴枝1贯穿转子铁芯6，每个所述转子铁芯6的外端均设有多个磁钢5，其中一个所述转子铁芯6的外端磁钢5的数量设置为八个，其中共有4对极，n/s各4个，另外两个所述转子铁芯6的外端磁钢的数量设置为四个，每个转子共有2对极，n/s各2个，另外两个所述转子铁芯6的外端磁钢5的数量设置为四个，所述机壳4内部设有两个及两个以上定子铁芯8，其中x向可以是一个及多个定子铁芯8组合，径向左右摆动可以是一个及多个定子铁芯8组合，所述磁钢5均设在定子铁芯8与转子铁芯6之间，所述定子铁芯8两端均设有线架7，两个所述线架7之间设有定子铁芯8，四个线圈绕组9均布于定子铁芯8的齿部。

进一步地，多个所述磁钢5以转子铁芯6的径向圆心为中心按一定角度环形阵列均匀或非对称极对数对称均可以分布在转子铁芯6外端。

进一步地，所述线圈绕组9以定子铁芯8的径向圆心为中心环形阵列均匀分布或非均匀但齿槽数对称均可以在定子铁芯8外端。

参照说明书附图1-3，所述机壳4一端设有前盖2，所述轴枝1一端贯穿前盖2并延伸出前盖2一侧，以将轴枝1封装在机壳4内部，所述前盖2内部设有含油轴承3，所述轴枝1贯穿含油轴承3，能够固定轴枝1的位置，便于轴枝1在机壳4内部转动。

进一步地，所述机壳4远离前盖2一端设有后盖10，所述轴枝1一端穿过后盖10并延伸出后盖10一侧，能够固定轴枝1的位置，以将轴枝1封装在机壳4内部。

进一步地，所述后盖10上开设有后盖出线孔11，定子出线便于将本发明与pcb进行连接，从而能够将本发明连接在线路中。

本发明还包括该双向磁悬浮无刷电机的控制方法，具体步骤如下所示：

步骤一、接线：按照接线图将电机与pcb板连接，如果线圈绕组9在第一个定子铁芯8齿上如果是顺时针绕线，在临近的第二定子铁芯8齿上就是逆时针绕线，在第三个定子铁芯8齿上是顺时针，第四个定子铁芯8齿上是逆时针，而且上下两个定子铁芯8齿的头和尾引出线分别接pcb上一路或者多路h桥驱动，如果是多路，例如本步骤中的两路，该两路h桥驱动相互之间独立，可以独立运行，也可以同时工作，当独立控制时，电机可以上下作伸缩运动，也可以左右作摆动，当同时运行时，电机可以做伸缩运动的同时作左右摆动，而且控制左右摆动的运动与控制上下伸缩的运动相互独立，互不干涉；

步骤二、运行调节：当q1、q4导通以及q2、q3截止时，电流从电机的i1端流入，从i2端流出，电机正转；当q2、q3导通以及q1、q4截止时，电流从电机的i2端流入，从i1端流出，电机反转；四个mos管前一级接门极驱动，单片机输出频率可调，占空比可调的方波信号来控制门极驱动，进而控制每一路中的四个mos管导通与截止，来实现电机的运行；h桥电路稳定可靠，设置适当的死区时间就可以防止蹿红；两路均独立控制，c组定子线圈控制左右摆动，d组定子线圈控制上下运动，也可以同时运行，而且两组可以单独工作，也可以同步工作，相互之间不影响；

步骤三、设定预设值：轴向上，定子铁芯8的高度a1和转子铁芯6的高度b1均为一个预设值，该预设值可以根据不同用户对伸缩力的需求进行调节；磁钢5超出转子铁芯6高度d2、磁钢5与定子铁芯8重合的高度d1都为一个预设值，该预设值可以根据不同用户对伸缩距离及力的需求进行调节；径向上，转子铁芯6间距角度c1、c3和与之相匹配的磁钢5角度c2都为一个预设值，该预设值可以根据不同用户对摆幅、力矩的需求进行调节；控制径向摆动的①为一个单元，控制轴向伸缩的②为一个单元，各单元之间相互独立，单元①可以是一个或多个，单元②可以是一个或多个；一个电机系统如果由多个以上单元组成，多个单元以上提及的预设值可以是一样，也可以是各不相同。

参照说明书附图12和13，图中圆圈加点表示电流方向向外，圆圈加×表示电流方向向里；图中仅列出了一种转子铁芯6上面的磁钢ns极排布的情况，和定子铁芯8上面的线圈绕组通电的情况，其他类似的如以上提到的不管是转子铁芯6上面的磁钢ns极如何排布，定子铁芯8上面的线圈绕组通电顺序如何变更，只要不违反上述提到的结构，都应该受到保护。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。