一种绕组转矩电流并联注入式的无轴承永磁薄片电机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种无轴承电机，特别是一种单绕组无轴承永磁薄片电机，适用 于生物医疗工程、化学、半导体与微电子等特殊电气传动领域。
【背景技术】
[0002] 传统的无轴承电机大多实现的是两个自由度或四个自由度的主动悬浮，其他的自 由度仍然需要磁轴承控制，电机的轴向长度较长，体积较大，同时临界转速下降，向更高转 速发展受到限制。而无轴承永磁薄片电机能够实现五个空间自由度全悬浮，通过改变悬浮 力绕组的电流的幅值和相位，实现两个径向自由度的主动悬浮，并根据磁阻最小原理实现 三个自由度(一个轴向自由度和两个扭转自由度)的被动悬浮。这种电机在继承了无轴承电 机长处的同时，还具有占用空间小、功率密度大、损耗低等特点，能够普遍地应用于超洁净 的场合。
[0003] 无轴承永磁薄片电机在定子中叠加了转矩和悬浮力两套绕组，致使电机的机械结 构复杂，同时转矩绕组与悬浮力绕组共用同一个磁路，互相影响存在耦合，使得电磁结构也 更为复杂。而单绕组结构无轴承永磁薄片电机是通过对一套绕组的单独控制，使其能够一 并产生悬浮力和转矩。由电机学的原理可知，带有永磁体的转子在旋转时，会在定子绕组内 产生感应电动势，且转速越高，产生的感应电动势越大。由于单绕组无轴承永磁电机产生转 矩和悬浮力公用一套绕组，绕组内生成的感应电动势限制了悬浮力电流分量的调节，而且 感应电动势越大，悬浮力电流分量越小，生成的悬浮力减小。
【发明内容】
[0004] 为了降低传统无轴承永磁薄片电机结构的复杂性，实现电机结构更小、重量更轻、 效率更高，同时消除绕组内感应电动势对悬浮力电流的影响，本实用新型提出了一种绕组 转矩电流并联注入式的单绕组无轴承薄片电机。
[0005] 本实用新型所述一种绕组转矩电流并联注入式的无轴承永磁薄片电机采用的技 术方案是:本实用新型最外部是外转子，外转子内部有同轴心的定子铁芯，外转子内表面上 紧密表贴Ha I bach阵列结构的4极永磁体，定子铁芯由6个电枢齿沿圆周方向均勾分布组成， 每个电枢齿上都绕有线圈，相对于轴心呈轴对称的两个线圈绕向相反且末端连接在一起构 成一相绕组;每相绕组的两个线圈的中点处引出中线且中线出线端均连接第一电流逆变 器，第一电流逆变器为绕组提供转矩电流;每相绕组的三个始端与第二电流逆变器相连接， 第二电流逆变器为绕组同时提供悬浮力电流与转矩电流;每相绕组的三个末端共同连接 中性点。
[0006 ]进一步地，第二电流逆变器提供的转矩电流大小是第一电流逆变器提供的转矩电 流大小的1/2,第二电流逆变器6提供的转矩电流相位与第一电流逆变器提供的转矩电流相 位相差180度。
[0007] 进一步地，与第二电流逆变器相连的三相绕组通入的电流依次为
汾别为三相绕组转矩电流分量，ibu、i bv、ibw分别为三相 绕组悬浮力电流分量。
[0008] 进一步地，所述4极永磁体由16块小磁体组成，每块小磁体充磁方向分别比相邻两 侧的两块小磁体充磁方向按顺时针、逆时针偏移45度。
[0009] 本实用新型的优点在于：
[0010] 1、本实用新型是一种同步电机，只采用一套绕组，由两个三相变频器为其供电，其 中一个三相逆变器在中点出注入转矩电流，另外一个三相逆变器注入悬浮力电流和1/2幅 值、相位差180度的转矩电流。使得2组电流能够产生极对数相差为1的两个磁场。这样不仅 使得电机结构更加简单紧凑，提高了悬浮力控制性能，而且定子侧的功率损耗更小。
[0011] 2、本实用新型将对称的两个线圈相连，且电流流向相同，因此从控制转矩电流逆 变器的方向看去，两个线圈内产生的感应电动势的方向相同，而从控制悬浮力电流逆变器 的方向看去，两个线圈内产生的感应电动势的方向相反，由于幅值相同而两者相互抵消，消 除了对控制悬浮力电流逆变器内悬浮力电流分量的影响。
[0012] 3、本实用新型贴在外转子上的4极永磁体采用每极包含4个永磁体的Halbach阵列 结构，使得电机气隙内的磁密增强，且更加接近于正弦，能够在增大转矩和悬浮力的同时使 脉动更小，又能减小辄部磁通，从而减小辄部厚度，电机的体积和重量降低。
[0013] 4、本实用新型为实现更好的散热性能采用外转子的结构，同时使得轴向尺寸紧 凑，转动惯量大。
[0014] 5、本实用新型采用6个电枢齿，可以保证电机在足够小的空间内，嵌入足够多的绕 组，实现转矩最大化。
【附图说明】
[0015] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细说明。
[0016] 图1为本实用新型绕组转矩电流并联注入式的无轴承薄片电机的径向剖面示意 图；
[00Π ]图2是图1中采用Halbach阵列结构的4极永磁体顺序排列示意图；
[0018] 图3为图1中各绕组与两个逆变器的连接结构示意图；
[0019] 图4为图1所示本实用新型电机在启动时刻转矩与径向力产生的磁路流程图。
[0020] 图中：1-外转子;2-Halbach阵列结构的4极永磁体;3-定子铁芯;4-绕组;5-第一电 流逆变器;6-第二电流逆变器;7-形成转矩的两对极磁场;8-形成悬浮力的一对极磁场。
【具体实施方式】
[0021] 参见图1和图2,本实用新型绕组转矩电流并联注入式的无轴承薄片电机采用外转 子结构，能实现更好的散热性能。最外部是外转子1，外转子1内部有与外转子1同轴心的定 子铁芯3,外转子1也作为电机的机壳。在外转子1的内表面上紧密地表贴4极永磁体2,每极 有4块小磁体组成，4极永磁体2采用Halbach阵列结构，是Halbach阵列结构的4极永磁体2。 定子铁芯3与4极永磁体2之间存有径向气隙。外转子1用于固定永磁体，防止永磁体因高速 离心力造成脱落。
[0022]定子铁芯3是由6个电枢齿沿圆周方向均匀分布而成，在每个电枢齿上都绕有线圈 4,将6个电枢齿上的线圈按逆时针方向依次定义为线圈1]1、12、￥1、1]2、11，2，相对于轴心呈 轴对称的两个线圈绕向相反，且两个线圈末端连接在一起构成一相绕组。也就是线圈U1、 ￥1、11按顺时针绕在电枢齿上，线圈1]2、￥2、12按逆时针绕在电枢齿上，线圈1]1和线圈1]2末端 相连构成U相绕组，线圈Wl和线圈W2末端相连构成W相绕组，线圈Vl和线圈V2末端相连构成V 相绕组，从结构上构成一个传统的UVW三相电机。
[0023]参见图2所示的Halbach阵列结构的4极永磁体2顺序排列图，Halbach阵列结构的4 极永磁体2由16块小磁体组成，16块小磁体中的每块小磁体充磁方向分别比相邻两侧的两 块小磁体充磁方向顺时针、逆时针偏移45度，也就是：当某一块小磁体充磁方向比左侧的一 块小磁体充磁方向顺时针方向偏移45度时，则比右侧的一块小磁体充磁方向逆时针偏移45 度，左侧的一块小磁体和右侧的一块小磁体充磁方向相差90度。如此可使得气隙磁密更加 接近于正弦，同时辄部磁通的减小，使得外转子1的厚度减小，降低了电机重量与体积。 [0024]再参见图3,每一相的两个线圈的中点处引出中线，仅注入转矩电流，使得转矩电 流在两个线圈并联通过，共引出3个中线，将3个中线出线端均连接第一电流逆变器5。这样 整个电机共有9个出线端，其中3个中线出线端与第一电流逆变器5相连，将相互间隔