一种双定子结构的无轴承永磁薄片电机的制作方法

本发明是一种针对无轴承永磁薄片电机改进的新型电机结构，在密封泵、工业制药和生命科学等众多领域应用广泛。

背景技术：

磁悬浮轴承是利用磁场使转子处于稳定悬浮状态，从而实现转子和定子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承，所以其具有无摩擦、无磨损、无需润滑等一系列优点。使用磁悬浮轴承代替高速电机中的传统机械轴承便构成了磁悬浮轴承支承的高速电机，但是磁悬浮轴承支承的高速电机占据很大的轴向空间，导致电机轴向长度大限制了电机的转速，并需要一定数量的励磁线圈和逆变装置，同时控制系统复杂、成本高等一系列因素影响了磁悬浮轴承支承的高速电机在工业领域的应用范围。为了解决磁轴承支承的高速电机的缺点，有学者提出将产生悬浮力的悬浮力绕组和产生转矩的转矩绕组同时嵌入在电机定子铁芯之中，使得电机定子绕组不仅可以产生电磁转矩，也可以产生悬浮力，就形成了无轴承电机。由传统的磁悬浮轴承支承的电机到无轴承电机减小了电机的轴向体积，但是控制系统的复杂程度依然很大。为了进一步减少系统的复杂性，必须尽可能的让更多自由度实现被动悬浮。

无轴承永磁薄片电机是无轴承电机研究的新领域，其永磁转子的轴向长度远小于转子外径，成薄片状，是五自由度全悬浮电机，可以利用悬浮力绕组实现2个径向自由度的主动悬浮并由于其特殊的薄片结构能够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。这种电机不仅具有无轴承电机的一系列优点，还具有体积小、功率因数高、损耗小等特点。然而，传统的无轴承永磁薄片电机在运行过程中，由于永磁转子和电机定子之间产生的电磁吸力不够会出现永磁转子上浮偏离平衡位置的现象，这限制了无轴承永磁薄片电机转速和功率的提升。而且由于转矩绕组和悬浮力绕组位于同一定子上，电机的电磁转矩和悬浮力之间有很强的耦合性，使得无轴承永磁薄片电机控制困难。

中国专利公开号为cn109347226a的文献中公开一种无轴承永磁薄片电机，径向截面呈十字形的十字形薄片转子的轴向顶面上同轴固定连接圆饼状的转子永磁体，6个相同的l型定子铁芯柱沿圆周方向均匀分布在十字形薄片转子的外围，6个l型定子铁芯柱的定子齿顶面上同轴固定设置一个环状的定子永磁体，定子永磁体与转子永磁体均轴向充磁且充磁方向相反，能提高转子的可靠性和轴向刚度，但是该电机为了增加轴向刚度使用了较多的永磁体，成本较高。中国专利申请号为cn204408154u的文献中提出了一种模块化定子永磁型无轴承电机，每个模块由1个e形导磁铁芯和1个永磁体构成，e形铁芯中间突出的齿为容错齿，为悬浮绕组和电枢绕组线圈提供回路实现解耦，永磁体位于相邻两个e形导磁铁芯之间，切向充磁，将转矩绕组绕在永磁体上，用以产生机械转矩，同时将悬浮力绕组横跨在容错齿两侧，用来产生悬浮力，由于该电机采用了磁通切换的方式，使得定转子结构变得复杂，加大了解耦的难度。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有的缺陷，提出了一种既能提升被动悬浮的稳定性又能降低控制难度的双定子结构的无轴承永磁薄片电机。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：径向上由内至外依次是同轴心线布置的内定子铁芯柱、永磁薄片转子和外定子铁芯柱，内定子铁芯柱有6个内定子柱体沿圆周方向均匀布置，每个内定子柱体的轴向截面都呈l型，每个l型内定子柱体由轴向布置的轴向段和径向布置的径向段形成，径向段为内定子齿部，正对着永磁薄片转子，轴向段上缠绕内定子悬浮力绕组；外定子铁芯柱有6个外定子柱体沿圆周方向均匀布置，每个外定子柱体的轴向截面都呈l型，与l型内定子柱体面对面径向布置，l型外定子柱体的径向段为外定子齿部，正对着永磁薄片转子，轴向段上缠绕外定子转矩绕组；永磁薄片转子呈圆环形，沿径向平行充磁，轴向厚度与内定子铁芯柱、外定子铁芯柱的径向段齿部的轴向厚度相同，在轴向上两端面平齐；内定子铁芯柱和外定子铁芯柱的轴向段的端部是连接为一体的轭部，形成共同的底部铁芯磁轭。

本发明的优点在于：

1、本发明采用双定子结构，将悬浮力绕组置于内定子的6个铁芯柱上，转矩绕组置于外定子的6个铁芯柱上。两套绕组都采用集中式绕组，端部较短、损耗较低、效率高，减少了电机轴向长度的同时，提高了功率密度。两套绕组各自产生的磁场彼此独立，因而无需复杂的控制算法即可实现解耦，从而实现独立控制，能够降低电磁转矩和悬浮力之间的耦合性。本发明中的转矩产生的原理与传统的永磁同步电机相同，成熟的控制策略能够很好地应用在本发明上，大大降低了电机的控制难度。

2、本发明在轴向控制上，利用电机本身所具有的磁阻力实现薄片转子轴向平移与前后、左右翻转运动三个自由度的被动悬浮控制，减少了数字控制系统硬件及控制系统软件复杂程度。普通的无轴承永磁薄片电机仅在永磁转子的外圈侧产生电磁吸力使转子在轴向三自由被动悬浮，本发明采用双定子结构能够使永磁转子在内圈和外圈都受到电磁吸力，使永磁转子在轴向承载能力和稳定性上有了很大的提高，并且体积小、功率因数高、损耗小。

附图说明

图1为本发明一种双定子结构的无轴承永磁薄片电机的轴向剖面示意图；

图2为本发明一种双定子结构的无轴承永磁薄片电机的径向剖面示意图；

图3为图1中硬塑托盘10的主视图；

图4为图3中的俯视图；

图5为本发明工作时产生的磁力线流通的路径示意图；

图6、7、8和图9为本发明工作时在径向两自由度主动悬浮的工作原理示意图；

图10和图11为本发明工作时在轴向三自由度被动悬浮的工作原理示意图。

图中：1-永磁薄片转子，2-内定子铁芯柱，3-外定子铁芯柱，4-外定子转矩绕组，5-内定子悬浮力绕组，6-底部铁芯磁轭，7-钢制顶盘，8-顶部硬塑支架，9-底部硬塑支架，10-硬塑托盘，10-1-圆环凹槽，11-内定子硬塑支架，12-钢制底盘，13-外定子径向气隙，14-内定子径向气隙，15-钢制机壳，16-十字槽沉头螺钉，17-磁力线，18-位移传感器探头。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明在径向上由内至外依次有内定子铁芯柱2、永磁薄片转子1和外定子铁芯柱3，三者同轴心线布置。

永磁薄片转子1呈圆环形，由一整块圆环形的永磁体制成，沿径向平行充磁，永磁体的n极占据整个圆环一侧的半个圆环，永磁体的s极占据另一侧的半个圆环。

内定子铁芯柱2由较好导磁性的硅钢片叠压而成，共有6个内定子柱体沿圆周方向均匀布置，组成内定子铁芯柱2，形成了电机的内定子部分。6个内定子柱体沿永磁薄片转子1的内圈均匀分布，且两者之间留有径向气隙。每个内定子柱体的轴向截面都呈l型，l型内定子柱体由轴向段和径向段这两段形成，其轴向段沿电机的轴向布置，径向段沿电机的径向布置，并且径向段向外侧延伸，为内定子的齿部，正对着永磁薄片转子1，轴向段上缠绕内定子悬浮力绕组5。

外定子铁芯柱3由较好导磁性的硅钢片叠压而成，共有6个外定子柱体沿圆周方向均匀布置，组成外定子铁芯柱3，形成了电机的外定子部分。6个外定子柱体沿永磁薄片转子1的外圈均匀分布，且两者之间留有径向气隙。每个外定子柱体的轴向截面都呈l型，外定子柱体与内定子柱体的结构相同，面对面径向布置。l型外定子柱体的径向段为外定子的齿部，正对着永磁薄片转子1，轴向段上缠绕外定子转矩绕组4。

永磁薄片转子1的轴向厚度与内定子铁芯柱2、外定子铁芯柱3的径向段齿部的轴向厚度相同，并且三者在轴向上两端面都平齐，以便永磁薄片转子1能够在轴向上稳定地被动悬浮。

外定子转矩绕组4由有较好导电性的铜制成，其线径为φ1=2.75mm，最大允许通过电流是8a左右。内定子悬浮力绕组5也由较好导电性的铜制成，线径为φ2=1.5mm，最大允许通过电流5a左右。外定子转矩绕组4极对数p1=1，内定子悬浮力绕组5极对数p2=2。外定子转矩绕组4和内定子悬浮力绕组5这两套绕组的极对数和角频率满足p2=p1±1，ω1=ω2，ω1是外定子转矩绕组4的角频率，ω2是内定子悬浮力绕组5的角频率，满足径向悬浮力产生的原理，外定子转矩绕组4用以产生电机的径向悬浮力，内定子悬浮力绕组5用以产生电机旋转时的电磁转矩；二者均采用集中式分布绕组，均通入三相电流。

内定子铁芯柱2和外定子铁芯柱3的轴向段的端部连接为一体，形成共同的轭部，即底部铁芯磁轭6，底部铁芯磁轭6为圆盘状，由较好导磁性的硅钢片叠压而成。该圆盘上开有12个安装槽孔，分别用于内定子铁芯柱2和外定子铁芯柱3的紧密固定，以便永磁薄片转子1磁力线的流通。

在外定子铁芯柱3的齿部外侧壁上紧密包裹有一层顶部硬塑支架8，顶部硬塑支架8为硬塑圆环状套筒结构，其上的内圈侧壁上设有与外定子铁芯柱3的齿部相契合的槽口，用以固定外定子铁芯柱3齿部。同理，在底部铁芯磁轭6的外侧壁上紧密包裹有一层底部硬塑支架9，用以固定外定子铁芯柱3的轭部。外定子铁芯柱3的轭部和底部硬塑支架9的端面固定连接一个钢制底盘12，钢制底盘12为钢制圆盘状结构，与底部铁芯磁轭6、底部硬塑支架9紧密贴合，起固定和支承电机的作用。在外定子铁芯柱3的齿部端面上紧密贴合钢制顶盘7，钢制顶盘7为圆环形。

在内定子铁芯柱2、外定子铁芯柱3的齿部以及永磁薄片转子1之间用硬塑托盘10隔开，硬塑托盘10的结构如图3、图4所示。硬塑托盘10为一个带有圆环凹槽10-1的圆盘形，该圆环凹槽中10-1中置放的是永磁薄片转子1。硬塑托盘10卡在内外定子的齿部上，其向外侧延伸部分紧密贴合在钢制顶盘7的端面上，其中间部分紧密贴合在内定子铁芯柱2的齿部端面上。永磁薄片转子1和内定子铁芯柱2、外定子铁芯柱3的齿部之间产生的电磁吸力使永磁薄片转子1被动悬浮在轴向空间上，与圆环凹槽中10-1内底面之间产生一定的气隙以便永磁薄片转子1能够在轴向空间上悬浮旋转。

内定子铁芯柱2的齿部内侧壁上紧密套有内定子硬塑支架11，与内定子铁芯柱2紧密贴合，内定子硬塑支架11为圆环的柱体状硬塑结构，其沿外侧壁均匀的开有6个矩形槽口与内定子铁芯柱2的齿部安装在一起，用以固定内定子铁芯柱2的齿部。

内定子铁芯柱2的外侧壁上，每两个矩形槽口的中间部位装一个径向位移传感器探头18，6个径向位移传感器探头18沿圆周方向均匀分布。

外定子铁芯柱3和外定子转矩绕组4的外侧套有钢制机壳15，钢制机壳15为钢制圆环状的保护和散热结构。钢制机壳15的一端与通过十字槽沉头螺钉16与钢制顶盘7固定连接，另一端与钢制底盘12固定连接。

永磁薄片转子1和硬塑托盘10之间不接触，分别形成外定子径向气隙13和内定子径向气隙14，为永磁薄片转子1的旋转提供空间。

永磁薄片转子1与内定子铁芯柱2和外定子铁芯柱3之间存在很强的电磁吸力，使得永磁薄片转子1的取出和放置变得非常困难，硬塑托盘10的目的是为永磁薄片转子1的取出和放置提供了很大的便利。

参见图5，本发明工作时，产生的磁力线17流通的路径有两部分：一部分从永永磁薄片转子1的永磁体的n极出发经过外定子径向气隙13进入外定子铁芯柱3，再由外定子铁芯柱3出来经过底部铁芯磁轭6到另一侧的外定子铁芯柱3，再经过外定子径向气隙13到达转子永磁体的s极；另一部分从永磁体的n极出发经过内定子径向气隙14进入内定子铁芯柱2，再由内定子铁芯柱2出来经过底部铁芯磁轭6到另一侧的内定子铁芯柱2，再经过内定子径向气隙14到达永磁体的s极。

参见图6、7、8、9所示，本发明在径向两自由度主动悬浮时，当永磁薄片转子1保持在平衡位置不发生偏心位移时，内定子悬浮力绕组5中通入一定幅值的电流，产生的磁场叠加在原有的磁场上，改变了原来均匀磁场的状态，永磁薄片转子1表面磁场不再均匀，与气隙交界面处各个方向的麦克斯韦力的合力不为零。这种情况下的麦克斯韦力可分为四类情形进行分析，如图6中，两对极的内定子悬浮力绕组5电流产生的磁场ψb与一对极的外定子转矩绕组4电流产生的磁场ψ叠加，x轴正方向区域磁场磁链方向相同，气隙磁通密度增大，而x轴负方向区域磁场磁链方向相反，气隙磁通密度减小，永磁薄片转子1表面所受麦克斯韦张量不再平衡，受到沿x轴正方向的合力。根据相同原理，如图7、8、9中，是改变内定子悬浮力绕组5电流相位角，从而改变产生的内定子悬浮力绕组5电流磁场，分别在永磁薄片转子1表面产生y轴正方向、x轴负方向以及y轴负方向的麦克斯韦力合力。这种力被称作可控麦克斯韦力或径向悬浮力。

参见图10、11所示，本发明在轴向三自由度被动悬浮时，图10为永磁薄片转子1发生轴向位移时磁阻力产生的示意图，图11为永磁薄片转子1发生扭转时磁阻力产生的示意图。永磁薄片转子1的永磁体产生的磁通由内外定子出发经过气隙再到达转子。根据磁阻最小原理，当永磁薄片转子1发生轴向位移时，磁阻力fstab会通过将永磁薄片转子1还原到原先位置来保持最小的气隙长度。同时，由于薄片电机轴向长度远小于径向直径，因此当永磁薄片转子1发生前后、左右扭转时，其上的磁阻力产生的转矩tstab也会朝相反方向作用，使其回到平衡位置。