一种转子轴向交错式无轴承磁通切换电机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无轴承电机领域，尤其涉及一种转子轴向交错式无轴承磁通切换电 机。
【背景技术】
[0002] 无轴承电机由于不存在机械轴承的接触，因此其定转子完全分离，不存在机械磨 损的问题，在半导体工业、生命科学等领域有着特殊的优势。传统的无轴承永磁同步电机永 磁体通常安装在转子上，由此导致诸如转子散热条件差，永磁体有热退磁风险等问题。此外 对于永磁体表贴式的转子通常需要额外保护措施来保护永磁体在高速的旋转运动下不被 离心力破坏，这增加了加工的难度和成本。除此之外，无轴承电机的许多应用场合，例如血 栗等，需要电机转子可替换甚至是一次性的来满足高洁净和密封性的要求，而近年来稀土 资源日益稀缺，永磁体价格攀升，这无疑大大增加了转子永磁式的无轴承电机替换转子的 成本。
[0003] 由于以上的原因，定子永磁式的无轴承电机更加适合应用于无轴承电机的场合。 磁通切换电机由于其较高的转矩密度和较高的反电势正弦度成为了研究的方向。目前无轴 承磁通切换电机的研究仍处于起步阶段，奥地利的W. Gruber等人对其研究最为深入，但其 电机在结构形状上和普通磁通切换电机并无太大区别，在实现无轴承化后，存在着悬浮电 流解算相当复杂的问题，这将大大增加了控制器的负担。另外，当该电机应用于离心栗场合 时，其在径向也会承受负载力的作用，此时电机产生恒定悬浮力，而其悬浮绕组中存在着三 相悬浮电流并不对称，这会导致绕组发热不均，此外，目前的控制算法需要对三相悬浮电流 进行独立控制，因此逆变器需要更多的开关管来满足要求，这也增加了电机功率驱动的成 本。
[0004] 以三相12/10结构无轴承磁通切换电机为例，图1为12/10普通无轴承磁通切换 电机示意图。其中U、V、W为转矩绕组，A、B、C为悬浮绕组。其中每相转矩绕组的径向相对 的两个线圈正向串联（如图1中UpU2所示），而每相悬浮绕组的径向相对的两个线圈反相 串联（如图1中4、A2所示）。下面以A相为例说明悬浮力产生的原理。当只有A相绕组 通入恒定直流电流时，在任意转子位置转子会受到匕和f ,两个方向悬浮力，如图2所示。 为探讨此时径向悬浮力和转子位置的关系，对其做有限元仿真，在绕组电流恒定的情况下， 将转子旋转一个电周期（机械角度36° )，可以得到两个悬浮力分量随转子位置的变化特 性，如图3所示。fn与转子电角度Θ e呈正弦变化，ft与转子电角度Θ /变化则为一条含直 流分量的余弦曲线。可将A相绕组在单位电流下产生的悬浮力fna、fta的表达式写为：
[0006] 其中，&1、Id1为悬浮力交流分量幅值，b。为直流分量值。Θ ^为转子电角度。
[0007] 在电机磁路不饱和的情况下，可以认为转子所受径向力的大小和悬浮电流大小成 正比，由于转子的悬浮控制基于X和y的方向，又考虑到转子所受悬浮力为三相悬浮绕组电 流共同作用下产生，因此可以每相绕组所产生的悬浮力在X，y轴上投影后叠加，如图4所 示。因此可将悬浮力的表达式写为：
[0009] 其中Fx，X，y方向的悬浮力，f ta，fna，ftb，fnb，ft。，f n。分别为A相、B相、C相绕 组投影前在各方向产生的悬浮力。ia，ib，i。为三相悬浮电流的瞬时值。可将式（2)简写为 F = M · i〇
[0010] 根据图5无轴承电机控制的原理框图可以看出，转子悬浮控制的关键在于根据给 定的悬浮力来解算给定的电流。因此，需要对给矩阵M求逆。由于矩阵M不满秩，因此可增 加约束条件对M求广义逆。若增加铜耗最低的约束条件，可得到如式（3)结果：
[0011] K ( Θ r) = Mt (Μ · Mt) 1 (3)
[0012] 其中，转子的机械角度，Κ(θ J为M的广义逆矩阵。
[0013] 在这种电流控制方法下，矩阵Κ( Θ J形式极其复杂。
[0014] 图6给出了 Fx= Fy情形下用矩阵Κ(θ J求解出的电流波形，可以看出三相电流 波形并非正弦。除此之外，还可以注意到三相电流之和不为零，要实现这种三相电流的独立 控制，传统的高集成度模块化的三相逆变器无法适用，因此逆变器需要用更多的开关管来 满足该要求，这无疑增加了电机功率驱动的成本。
[0015] 如果对式（2)增加的约束条件为三相电流之和为零，则可以得到如下结果：
[0017] 其中ρ = 3^+1^)/4, q = 3bQ/2。在给定Fx= 情形下按该种方式求解出的 给定电流波形如图7。可以看出三相电流中正弦度较高，但均含不同的直流分量，导致三相 电流不对称。其电流解算的复杂程度相对铜耗最低的方式有所简单，但和传统无轴承永磁 同步电机相比仍复杂许多。
[0018] 以上两种电流控制方式均存在着电流控制较为复杂，三相电流不对称的问题，因 此均不是理想的控制方式，其关键原因在于如图3中所示的平行于线圈的悬浮力分量中存 在着直流分量。
【发明内容】
[0019] 本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所涉及到的缺陷，提供一种转子轴 向交错式的无轴承磁通切换电机。
[0020] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0021] -种转子轴向交错式无轴承磁通切换电机，包含第一定子、第二定子、第一转子和 第二转子；
[0022] 所述第一定子、第二定子结构相同，中间通过非导磁材料层叠加相连，且两个定子 的齿位置相同，轴线重合；
[0023] 所述第一定子、第二定子的定子齿内均嵌有永磁体，沿圆周方向充磁，并且圆周方 向相邻永磁体的充磁方向相反；
[0024] 所述第一定子、第二定子在同一位置的两个定子齿内永磁体的充磁方向相反；
[0025] 所述第一定子、第二定子在同一位置的两个定子齿上设有同一绕组线圈；
[0026] 所述第一转子、第二转子结构相同，转子齿相互交错180°的电角度后叠加相连， 轴线重合。
[0027] 作为本发明一种转子轴向交错式无轴承磁通切换电机进一步的优化方案，所述电 机为12/10无轴承磁通切换电机，所述第一定子、第二定子中相对的六组线圈中，三组线圈 正向串联成为三相转矩绕组，另外三组线圈反向串联称为三相悬浮绕组，且三相转矩绕组 和三相悬浮绕组交叉间隔。
[0028] 作为本发明一种转子轴向交错式无轴承磁通切换电机进一步的优化方案，所述第 一转子、第二转子均为凸极结构，由硅钢片叠加而成。
[0029] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0030] 在数学模型上，无轴承磁通切换电机和传统转子永磁式无轴承电机实现了等效， 因此可直接移植其控制算法而无需采用特殊的控制方式。解决了无轴承磁通切换电机悬浮 电流解算复杂的问题，并且实现了在产生恒定悬浮力时，悬浮绕