本发明涉及一种双定子磁悬浮永磁无刷直流电机，可作为高速、高效率电机，特别适用于飞轮电池领域。
背景技术：
随着我国经济持续高速发展，如高速机床、离心机、压缩机、飞轮电池等众多领域需要高速/超高速电机的驱动，然而在机械轴承支承转轴的高速/超高速电机中，由于电机高速旋转使得摩擦阻力增加，轴承磨损严重，需定期维护，且因摩擦过程中，产生大量的热量，电机工作效率低，所以高速、高效率电机越来越受到重视，然而可靠性、高损耗等问题制约着高速、高效率电机的发展。为此，提出一种双定子磁悬浮永磁无刷直流电机，具有功耗低、效率高、转矩和悬浮力无耦合且控制简单灵活的电机迫在眉睫。
技术实现要素：
本发明提出一种双定子磁悬浮永磁无刷直流电机，由内定子、halbach永磁体、转子、外定子和转轴组成。电机永磁体采用halbach结构来产生单向向内的磁场，因此转子轭不需要提供磁路，采用高强度非导磁材料来隔离转矩磁场与悬浮磁场。
所述双定子磁悬浮永磁无刷直流电机的内定子采用12槽结构与halcach永磁体共同构成转矩系统，为飞轮储能的能量装换装置。内定子每个齿上叠绕转矩线圈，均为直流电控制。halbach永磁体产生向内的磁场，使转子轭不再需要导磁。外定子分为三个部分，分别为外定子a1、外定子b2和轴向永磁环。两个外定子均有四个齿，每个齿上绕有集中绕组，为悬浮绕组。转子分为两层。内层为隔磁材料，halbach永磁体粘贴在隔磁材料内层。外层为导磁材料，为外定子提供磁路。
本发明的技术方案为：一种双定子磁悬浮永磁无刷直流电机，包括连为一个整体的外定子a(1)、外定子b(2)、轴向永磁环(3)、转子(4)、永磁体(5)、内定子(6)；所述轴向永磁环(3)位于所述外定子a(1)、外定子b(2)之间，且外定子a(1)、外定子b(2)、轴向永磁环(3)置于电机外侧，所述外定子a(1)、外定子b(2)的内侧由外向内依次为转子(4)、永磁体(5)、内定子(6)，共同实现了悬浮支承系统与驱动电机的统一；所述转子(4)分为两层，第一层为外层(401)，第二层为内层(402)；外层(401)和外定子a(1)、外定子b(2)、轴向永磁环(3)构成了悬浮系统；内层(402)和永磁体(5)、内定子(6)构成了转矩系统。
进一步，轴向永磁环(3)采用轴向充磁，为悬浮系统提供偏置磁场。
进一步，永磁体(5)采用halbach结构，为转矩系统提供磁场。
进一步，所述悬浮系统，包括一个外定子a(1)定子轭a(101)，四个定子齿a(102)，四个悬浮线圈a(103)，一个外定子b(2)定子轭b(201)，四个定子齿b(202)，四个悬浮线圈b(203)，一个轴向永磁环(3)，转子(4)外层(401)；
其中定子轭a(101)与四个等间隔放置的定子齿a(102)相连，每个定子齿a(102)上叠绕一个悬浮绕组a(103)，定子轭b(201)与四个等间隔放置的定子齿b(202)相连，每个定子齿b(202)上叠绕一个悬浮绕组b(203)；外定子a(1)与外定子b(2)轴向排列，二者之间放置轴向永磁环(3)，外定子a(1)、外定子b(2)与转子(4)外层(401)之间留有等间隙的径向气隙，上述结构实现两个自由度悬浮。
进一步，悬浮绕组a(103)均由直流电控制，悬浮绕组b(203)也均由直流电控制。
进一步，所述转矩系统，包括转子(4)内层(402)，halbach永磁体(5)，内定子(6)定子轭(601)，十二个定子齿(602)，十二个转矩线圈(603)；内定子(6)定子轭(601)与十二个等间距的定子齿(602)相连，每个定子齿(602)上叠有集中式绕组(603)，定子齿(602)与halbach永磁体(5)之间留有等间隙的径向气隙，halbach永磁体(5)均匀固定在转子(4)内层(402)的内壁，实现了电机的电动和发电。
进一步，所述外定子a(1)、轴向永磁环(3)、外定子b(2)依次轴向排列，产生的磁通从n极出发，经外定子a(1)、转子(4)外层(401)、外定子b(2)回到s极，构成的闭合回路为悬浮系统提供偏置磁路，转子(4)内层(402)采用隔磁材料，隔绝轴向永磁环(3)与halbach永磁体(5)之间的磁场，实现了转矩和悬浮的自解耦。
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
1、利用双定子结构实现电机高速低损耗全悬浮，降低了机械摩擦损耗。
2、利用halbach结构使永磁体磁路不再经过转子轭，转子轭采用非导磁材料，在本体结构上解决了转矩与悬浮的解耦。
附图说明
图1所示为一种双定子磁悬浮永磁无刷直流电机轴向剖分图。
图2所示为一种双定子磁悬浮永磁无刷直流电机的悬浮部分示意图，其中(a)为无刷直流电机的主视图；(b)为无刷直流电机的侧视图；(c)为无刷直流电机的后视图。
图3所示为一种双定子磁悬浮永磁无刷直流电机的悬浮部分绕组示意图。
图4所示为一种双定子磁悬浮永磁无刷直流电机的悬浮部分工作原理，(a)为主视图；(b)为侧视图。
图5所示为一种双定子磁悬浮永磁无刷直流电机的转矩部分示意图。
图6所示为一种双定子磁悬浮永磁无刷直流电机的转矩部分工作原理。
图7所示为一种双定子磁悬浮永磁无刷直流电机的halbach永磁体示意图与工作原理。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明双定子磁悬浮永磁无刷直流电机轴向剖分图，包括外定子a1、外定子b2、轴向永磁环3、转子4、halbach永磁体5和内定子6。外定子a1、外定子b2、轴向永磁环3、转子4、halbach永磁体5和内定子6稳固连为一个整体装置，实现了悬浮支承系统与驱动电机完全意义上的统一。halbach永磁体5为电机旋转提供磁场。轴向永磁环3为外定子a1和外定子b2提供产生悬浮力所需的偏置磁场。
如图2所示，本发明双定子磁悬浮永磁无刷直流电机的悬浮部分示意图：由外定子a1定子轭a101，四个定子齿a102，四个悬浮线圈a103，外定子b2定子轭b201，定子齿b202，四个悬浮线圈b203，轴向永磁环3，转子4转子轭外层401组成。其中，定子轭a101与四个定子齿a102相连，每个定子齿a102上叠绕一个悬浮线圈a103，悬浮线圈a103均由直流电控制。外定子b2与外定子a1结构相同。外定子a1与外定子b2轴向排列，二者之间安装有轴向永磁环3，轴向永磁体3径向宽度与定子轭a101相同。转子4转子轭外层401与外定子a1和外定子b2之间有等距的气隙。
如图3所示，本发明双定子磁悬浮永磁无刷直流电机的悬浮部分绕组示意图：悬浮部分定子分为外定子a1和外定子b2。以外定子a1为例，四个集中式悬浮绕组a103：y方向的两个绕组串联，其控制电流为ify，x方向的两个绕组串联，其控制电流为ifx。二者与轴向永磁环3共同产生悬浮力。外定子b2与外定子a1结构相同，绕组连接方式相同，
如图4所示，本发明双定子磁悬浮永磁无刷直流电机的悬浮部分工作原理：以外定子a1为例。线圈产生的控制磁通从上侧定子齿a102出发，经过转子4转子轭外层401到下侧定子齿a102，再经过定子轭a101回到上侧构成闭合回路。控制磁通一侧方向与偏执磁通相同，另一侧相反，两次磁密不等形成悬浮力。
如图5所示，本发明双定子磁悬浮永磁无刷直流电机的转矩部分示意图：由内定子6定子轭601，十二个定子齿602，十二个转矩线圈603，halbach永磁体5，转子轭4转子轭内层402组成。其中，定子轭601和十二个定子齿602相连，每个定子齿601上叠绕一个转矩线圈602，转矩线圈由直流电控制。halbach永磁体5固定在转子轭内层402内壁上，内定子6与halbach永磁体5之间有均匀的气隙。
如图6所示，本发明双定子磁悬浮永磁无刷直流电机的转矩部分工作原理：转矩部分十二个转矩线圈分为三相u、v、w。线圈u1、u2、u3、u4串联为u相，线圈v1、v2、v3、v4串联为v相，线圈w1、w2、w3、w4串联为w相。在运行时三相依次导通产生变化的磁场，与halbach永磁体共同作用使转子始终保持在一个方向转动。
如图7所示，本发明双定子磁悬浮永磁无刷直流电机的halbach永磁体示意图与工作原理：halbach永磁体5排列方式如图所示，该结构可产生了向下的单向磁场，不需要上部定子轭来构成闭合回路。因此转子轭4转子轭内层402采用隔磁材料，使转矩磁场和悬浮磁场在本体上实现隔离。
根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。