混合式磁悬浮电机的制作方法

本发明涉及一种新型的磁悬浮电机，采用磁悬浮感应原理，具体设计一种混合式磁悬浮电机。

背景技术：

磁悬浮电机是采用磁悬浮技术来平衡电机转轴的轴向力和径向力以稳定电机转轴位置，通过电磁力的磁力约束来替代传统轴承的机械约束，实现了转子与定子的无接触无摩擦，无磨损支承。作为磁悬浮电机的一种形式，混合式磁悬浮电机是采用电磁永磁混合的方式来达到减少能源消耗的作用。一般的磁悬浮电机采用双套绕组，一套绕组控制悬浮力来平衡转子的径向力，一套绕组控制电机转矩，以此来实现电机的悬浮转矩双重控制。但是其绕组结构相对复杂，导致了成本的提高，并且由于多套绕组的相互磁力干扰，会对电机的平稳运转产生影响，对控制的要求也相对较高。

技术实现要素：

本发明公开了一种混合式磁悬浮电机，本发明的目的是提供一种新型的混合式磁悬浮电机结构以及绕组结构。其目的是为了简化磁悬浮电机结构，同时由于采用了径向轴向双电机的方式，提高了电机转矩。径向电机采用了单绕组的绕组方式，减少了制造成本，降低了控制难度。

本发明提出了一种采用径向轴向双电机模式的混合式磁悬浮电机，其电机转子都置于转子圆盘上，其转子为永磁体。定子绕组分别置于环形机架四周和前后端盖内侧，轴向电机采用盘式电机的工作原理，同时由于轴向电机定子绕组分为两个相同部分分别置于前后端盖内侧，可以通过差动调节两侧定子绕组通电电流大小的方式来平衡电机的轴向力以此来平衡转子的轴向位移。其径向电机采用单定子绕组的方式。只使用一套绕组来同时控制电机的转矩和径向悬浮控制。径向定子单元安装在环形机架上，分为四段圆弧径向定子单元，每个定子单元上含有三个定子齿，通入三相时序电流，同时四段圆弧径向定子单元为对称垂直分布，可以通过差动调节的方式，差动的改变相对单元的电流大小，以此来平衡电机转轴的径向力。同时由于通入三相时序电流，同时可以控制电机转矩。

所述电机本体内部装有检测系统，包括有轴向位移传感器，径向位置传感器和转速传感器，在端盖轴向侧沿圆周方向安装有轴向位移传感器，在端盖径向侧沿圆周方向安装有径向位置传感器和转速传感器。可以检测到电机转轴稳定控制所必需的信号数据。检测装置安装在对应位置的定子单元上。

所述电机的定子单元都是凸极结构，沿圆周方向等距分布定子凸极，定子凸极上绕装有绕组。其径向电机定子凸极共有12个，分为四段圆弧定子单元，每段圆弧定子单元上有三个定子凸极，通入三相时序电流。其轴向定子凸极与径向定子凸极分布位置在电机剖面方向上一致，其凸极数量也与径向定子凸极一致。轴向电机的转子单元和径向电机的转子单元都采用永磁体，其磁极结构在电机剖面方向上也一致。本发明采用表贴式永磁体。其径向有四个表贴式永磁体，其磁极极性以N-S-N-S的方式排布，四个表贴式永磁体等距分布。其轴向有8个表贴式永磁体，左右两侧各4个，磁极排布方式与径向转子一样，且等距布置。轴向和径向的12个永磁体分为3组，每组4个，沿圆周方向等距分布。磁极排布顺序一致，且电机剖面方向位置一致。

所述电机的定子绕组在径向一共有12个，在轴向有24个，径向定子绕组每3个分为一段定子圆弧单元。通入三相时序电流，轴向分为左侧12个和右侧12个，与径向通电方式一致。其左右侧通入的时序电流也是一致的。

本发明工作时，通入三相时序电流，根据检测装置反馈的转子当前角位置θ，可以保证径向电机和轴向电机的转矩输出。对于径向电机来说，根据检测到的径向偏移X,Y,通过差动的改变四段圆弧定子单元通入的电流大小，改变其X,Y方向的磁通，来产生X,Y方向的电磁力，用以平衡转子的径向力，使转子在径向位置达到一个平衡，使其稳定径向悬浮。对于轴向电机来说，根据检测到轴向偏移Z，通过差动的改变两侧轴向定子单元通入的电流大小，可以产生向一侧的电磁力，用以平衡转子的轴向力，使转子在轴向位置达到一个平衡，使其稳定轴向悬浮。通过径向电机和轴向电机的协同作用，可以控制电机的转矩并使其在径向和轴向的稳定悬浮以达到完全悬浮。

附图说明

图1是混合式磁悬浮电机结构图；

图中：1-前端盖；2-电机径向定子；3-轴向定子固定装置；4-电机转轴；5-机架；6-后端盖；7-电机轴向转子；8-电机轴向定子；9-辅助支承；10-电机径向转子；

图2是径向电机绕组磁极分布示意图。

具体实施方式

参见图1，电机包括前端盖1、后端盖6、电机径向转子10、电机径向定子2、电机轴向转子7、电机轴向定子8、电机转轴4、辅助支承9、机架5、轴向定子固定装置3。转子圆盘内套电机转轴，转子圆盘的径向安装有径向转子，径向转子采用四个表贴式永磁体，其相邻磁极极性相反，排布方式为N-S-N-S，轴向转子分为装在转子圆盘轴向两侧。左右各四个表贴式永磁体，其相邻磁极极性相反，排布方式为N-S-N-S，转子圆盘上共计12个表贴式永磁体。径向电机定子安装在机架上，采用电子凸极的结构，共计4组12个定子凸极，每组3个定子凸极，分为四段圆弧径向定子单元，垂直对称分布，每段圆弧径向定子单元之间和内部的三个定子齿都是等距分布，如图2所示。轴向定子单元通过轴向定子固定装置将轴向定子绕组固定在前后端盖上。左右两侧轴向定子单元对称，其绕组方式与径向电机定子绕组方式一致以方便驱动转矩。本发明电机的驱动控制与普通电机一致，根据检测到的转子角位置和转速，通过通入不同大小和不同时序的三相电流来起到控制电机转矩的作用，其特点是转矩控制采用径向和轴向双电机的方式共同驱动，电机转矩更大，电机的性能得到了提高。

本发明的电机转轴的悬浮控制采用如下方式：本发明采用单绕组的绕组方式，在电机转矩已经得到保证的前提下。对于径向电机，由于采用了四段圆弧定子绕组单元的形式，分为x,y方向两对，根据轴向位移传感器和转子位置传感器检测到的径向位移偏差和转子当前角位置，可以差动的改变相对称圆弧单元通入三相时序电流的大小，来改变磁通密度，产生磁拉力来使得转子回到径向平衡位置。对于轴向电机，因为只有一个自由度的偏差需要其控制，即只需要控制轴向位移偏差，可以根据轴向位移传感器所得到的轴向位移偏差来差动的改变左右两侧轴向定子单元绕组通入的电流大小，来产生向左或者向右的磁拉力来使电机转轴回到其轴向平衡位置，通过径向电机的径向悬浮控制和轴向悬浮控制来保证电机转轴的完全悬浮。

转矩控制的具体控制方式如下所述：本发明的定子单元和转子单元是在电机剖面方向上一致的，所以其转矩控制方式可以看作如图2所示,定子绕组由A,B,C三相绕组组成，采用短距绕组，每相绕组由四个线圈组成，其中，A 相绕组由 A1、A2、A3、A4 线圈组成 ；B 相绕组由B1、B2、B3、B4 线圈组成 ；C 相绕组由 C1，C2，C3，C4 线圈组成，共计12个线圈，这12个线圈按照A1→B1→C1→A2→B2→C2→A3→B3→C3→A4→B4→C4的方向顺时针分布于相应的定子齿上，每个线圈独立供电。轴向定子绕组的绕组布置方式语气一致。通过检测转子的角位置，根据设定的转矩转速等数据，通入不同电流大小不同时序的三相电流。当转子角位置在0°~15°、90°~105°、180°~195°、270°~285°时A相通电，15°~30°、105°~120°、195°~210°、285°~290°时AB同时通电，30°~45°、120°~135°、210°~225°、300°~315°时B相通电，45°~60°、135°~150°、225°~240°、315°~330°时BC同时通电，60°~75°、150°~165°、240°~255°、330°~345°时C相通电，75°~90°、165°~180°、255°~270°、345°~360°时CA同时通电。轴向电机同理。如此就可以实现本发明的转矩控制。

悬浮控制的具体控制方式如下所述：本发明要实现的电机转轴的径向和轴向共6个自由度的完全悬浮控制，其径向一共有4个自由度，设为X,Y方向，其轴向一共有2个自由度，设为Z方向。对于径向悬浮控制，由于本发明采用了单绕组的绕组方式，其转矩和悬浮共用一个绕组，径向定子绕组上有四段圆弧定子单元，垂直对称分布，12个定子齿，在通入三相时序电流保证电机转矩的基础上再差动调节相对径向圆弧定子单元的电流大小，以此来产生其X,Y方向上的磁拉力以平衡转子的径向力，使其径向稳定悬浮。由于电机轴的转动带动电机转子的转动，所以需要根据转子当前的角位置来做相位变换以达到稳定悬浮控制的目的，根据径向位移传感器检测到的气隙间距（X,Y方向的分量）经PID控制器计算出给定的悬浮力给定值F_x*和F_y*，在经过相位变换为F_x，F_y，其具体的变换方式入表1所示。

根据变换后的F_x，F_y，通过PID控制器计算出所需差动调节的电流大小i_x ，i_y，具体差动调节方式如下所述：i_A通过i_x的差动调节输出i_A1=i_A+i_x，i_A3=i_A-i_x，通过i_y的差动调节输出i_A2=i_A+i_y，i_A4=i_A-i_y。i_B通过i_x的差动调节输出i_B1=i_B+i_x，i_B3=i_B-i_x，通过i_y的差动调节输出i_B2=i_B+i_y，i_B4=i_B-i_y。i_C通过i_x的差动调节输出i_C1=i_C+i_x，i_C3=i_C-i_x，通过i_y的差动调节输出i_C2=i_C+i_y，i_C4=i_C-i_y。总计输出i_A1，i_A2，i_A3，i_A4，i_B1，i_B2，i_B3，i_B4，i_C1，i_C2，i_C3，i_C4共计12组电流。分别输出到对应四个圆弧定子共计12相线圈绕组A₁，A₂，A₃，A₄，B₁，B₂，B₃，B₄，C₁，C₂，C₃，C₄上。由此即可达到径向悬浮控制的目的。对于轴向悬浮控制，轴向定子单元在通入三相电流时序上与径向定子单元保持一致。当检测到轴向位移发生偏差时，根据所检测到的轴向位移偏差z，有PID控制器计算出所需悬浮力给定值F_z，再由PID控制器计算出所需差动调节的电流大小i_z，对两端轴向定子单元绕组的通入电流进行差动调节即可。

以此来实现轴向悬浮控制。通过轴向和径向的综合悬浮控制达到完全悬浮控制，由此即可达到本发明的目的。