一种集成化的五自由度磁悬浮直驱电机的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种集成化的五自由度磁悬浮直驱电机，所述转子铁芯包括轴向部分、径向部分，轴向部分两端设置有转子永磁体；定子包括左侧电机铁芯、右侧电机铁芯；左侧环形永磁体、右侧环形永磁体；左侧轴向控制铁芯、右侧轴向控制铁芯；左侧环形永磁体、右侧环形永磁体之间设置有径向控制铁芯；本发明有效解决了现有的五自由度磁悬浮直驱电机的不足，提供一种结构紧凑，控制、制造与装配简单，体积小，重量轻，轴向长度短，临界转速高，径向带负载能力强，转速和输出功率高的高度集成化的五自由度磁悬浮直驱电机。
【专利说明】
一种集成化的五自由度磁悬浮直驱电机
技术领域
[0001 ]本发明涉及电机制造技术领域，具体涉及一种结构紧凑，控制、制造与装配简单， 体积小，重量轻，轴向长度短，临界转速高，铁芯利用率高，径向和轴向带负载能力强，系统 转速和输出功率高的高度集成化的五自由度磁悬浮直驱电机。
【背景技术】
[0002] 五自由度磁悬浮直驱电机是利用磁悬浮技术在产生旋转转矩的同时，也产生使转 子稳定悬浮的径向力，是实现定、转子之间无任何机械接触运行的一种新型高性能驱动系 统。由于定、转子之间不存在机械摩擦，所以五自由度磁悬浮直驱电机的转子可达到很高的 运行转速，并且具有无机械磨损、能耗低、寿命长、无需润滑、无污染等优点，特别适合应用 于高速或超高速直接驱动领域。
[0003] 要实现定、转子之间无机械接触，必须在五个自由度上对转子施加控制力。五自由 度磁悬浮直驱电机的结构形式主要分为以下几种:、由一个轴向单自由度磁轴承、两个径 向两自由度磁轴承和一个高速电机单元组成。③、由一个径向-轴向三自由度磁轴承、一个 径向两自由度磁轴承和高速电机单元组成。?、由一个轴向单自由度磁轴承、一个径向两自 由度磁轴承和一个径向两自由度无轴承电机组成。議、两个径向两自由度无轴承电机、一个 轴向单自由度磁轴承组成。、由一个径向两自由度无轴承电机和一个轴向-径向三自由度 磁轴承组成。不论采用哪一种结构形式，全部是由多个独立单元，沿着轴向组合而成，导致 轴向长度长，临界转速低，体积大，控制复杂，且径向与轴向带负载能力差，系统转速和输出 功率低，严重制约了磁悬浮直驱电机的工业应用进程。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种集成化的五自由度磁悬浮直驱电机，本发明 有效解决了现有的五自由度磁悬浮直驱电机的不足，提供一种结构紧凑，控制、制造与装配 简单，体积小，重量轻，轴向长度短，临界转速高，径向带负载能力强，转速和输出功率高的 高度集成化的五自由度磁悬浮直驱电机。
[0005] 本发明通过以下技术方案实现： 一种集成化的五自由度磁悬浮直驱电机，包括定子、转子铁芯（12)，其特征在于:所述 转子铁芯（12)包括轴向部分、径向部分，轴向部分两端设置有转子永磁体(22、23);所述定 子包括沿转子铁芯（12)的轴向部分，并以转子铁芯（12)的径向部分为对称中心，依次对称 设置的左侧电机铁芯（1 )、右侧电机铁芯（7);左侧环形永磁体(2 )、右侧环形永磁体(6);左 侧轴向控制铁芯(8 )、右侧轴向控制铁芯(9);左侧环形永磁体(2 )、右侧环形永磁体(6)之间 设置有径向控制铁芯(4)，其定子齿上绕制有径向控制绕组(24);左侧轴向控制铁芯(8)、右 侧轴向控制铁芯(9)与径向控制铁芯(4)之间分别设置有左侧分磁铝环（3)、右侧分磁铝环 (5);左侧电机铁芯（1)的定子槽内沿径向外层绕制悬浮控制绕组（10)，内层绕制转矩绕组 (11)，右侧电机铁芯(7)的定子槽内沿径向外层绕制悬浮控制绕组(13)，内层绕制转矩绕组 (14);左侧轴向控制铁芯(8)、右侧轴向控制铁芯(9)均呈E形结构，定子槽内分别绕制轴向 控制绕组(17)。
[0006] 本发明进一步技术改进方案是： 所述左侧轴向控制铁芯(8)、右侧轴向控制铁芯(9)分别均由上下位置设置的吸力圆盘 (15、18;19、21)以及中间位置设置的控制圆盘(16、20)构成，轴向控制绕组（14)绕制于吸力 圆盘(15、18;19、21)与控制圆盘(16、20)之间。
[0007] 本发明进一步技术改进方案是： 所述控制圆盘（16、20)与转子铁芯（12)径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（15、 18; 19、21)与转子铁芯（12)径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘(15、18; 19、21)与转子铁 芯（12)径向部分之间的气隙长度小于左侧轴向控制铁芯(8)、右侧轴向控制铁芯(9)与转子 铁芯（12)轴向部分之间的气隙长度。
[0008] 本发明进一步技术改进方案是： 所述左侧环形永磁体(2 )、右侧环形永磁体(6)均为轴向充磁的环形永磁体，在五个自 由度上产生偏置磁通。
[0009] 本发明进一步技术改进方案是： 所述左侧分磁铝环(3)、右侧分磁铝环(5)由整块铝材制成，将左侧偏置磁通(30)和右 侧偏置磁通(25)分为左侧轴向偏置磁通(31 )、左侧径向偏置磁通(32 )和右侧轴向偏置磁通 (26)、右侧径向偏置磁通(27)。
[0010]本发明进一步技术改进方案是： 所述左侧电机铁芯（1)、径向控制铁芯(4)、右侧电机铁芯(7)、左侧轴向控制铁芯(8)、 右侧轴向控制铁芯(9 )、转子铁芯（12 )均采用具有良好轴向和径向导磁性能的材料制成。 [0011]本发明进一步技术改进方案是： 所述左侧环形永磁体(2 )、右侧环形永磁体(6 )、转子永磁体(22、23 )均为稀土永磁材料 制成。
[0012] 本发明与现有技术相比，具有以下明显优点： 一、 本发明集成化五自由度磁悬浮直驱电机，由定子和转子组成，实现转子在五个自由 度上稳定悬浮与旋转，结构紧凑，体积小，重量轻，轴向长度短，临界转速高，铁芯利用率高， 系统转速和输出功率高； 二、 本发明高度集成化的五自由度磁悬浮直驱电机由两个轴向磁化的环形永磁体给 左、右两侧悬浮直驱电机、左、右轴向控制铁芯和径向控制铁芯提供偏置磁通，而左、右侧直 驱电机悬浮控制绕组与径向控制绕组产生径向控制磁通，轴向控制绕组通电产生轴向控制 磁通，由控制磁通调节相对应位置的偏置磁通，保证定、转子之间轴向和径向气隙均匀，实 现转子五自由度稳定悬浮； 三、 本发明采用分磁铝环，分别产生左侧轴向偏置磁通(31)、左侧径向偏置磁通(32)和 右侧轴向偏置磁通(26 )、右侧径向偏置磁通(27 )。偏置磁通均不经过永磁体控制磁通均不 经过环形永磁体，可产生较大的轴向和径向悬浮力、低功耗、控制简单。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明集成化的五自由度磁悬浮直驱电机结构示意图； 图2为本发明集成化的五自由度磁悬浮直驱电机磁路示意图。
【具体实施方式】
[0014] 本发明基于的原理是:本发明由轴向磁化的左侧环形永磁体2给左侧直驱电机提 供左侧偏置磁通30,左侧悬浮控制绕组10产生的左侧控制磁通35起调节作用，产生控制转 子左侧径向两自由度悬浮的径向悬浮力；轴向磁化的右侧环形永磁体6给右侧直驱电机提 供右侧偏置磁通25,右侧悬浮控制绕组13产生的右侧控制磁通37起调节作用，产生控制转 子右侧径向两自由度悬浮的径向悬浮力；偏置磁通30经过左侧分磁铝环3分成左侧径向偏 置磁通32和左侧轴向偏置磁通31两部分，右侧偏置磁通25经过右侧分磁铝环5分成右侧径 向偏置磁通27和右侧轴向偏置磁通26两部分，径向控制绕组24通电产生的径向控制磁通 36,对右侧径向偏置磁通27和左侧径向偏置磁通32进行调节，产生使转子稳定悬浮的径向 悬浮力；左侧轴向偏置磁通磁通31分成两部分，即磁通33和磁通34,由左侧上、下吸力圆盘 15、18,进入左侧轴向工作气隙；右侧轴向偏置磁通26分成两部分，即磁通28和磁通29,由右 侧上、下吸力圆盘19、21，进入右侧轴向工作气隙；轴向控制绕组17产生左侧轴向控制磁通 38和右侧轴向控制磁通39,分别与左、右侧轴向偏置磁通相互作用，产生使转子稳定悬浮的 轴向悬浮力；通过五个自由度上的位移闭环控制，实现转子在径向和轴向五自由度上稳定 悬浮，左、右侧直驱电机转矩绕组11、14产生的磁通与相对应的转子永磁体22、23的永磁磁 通相互作用产生旋转转矩。
[0015] 如图1、2所示，本发明由定子和转子组成，定子包括：左侧电机铁芯1、左侧环形永 磁体2、左侧分磁铝环3、径向控制铁芯4、右侧分磁铝环5、右侧环形永磁体6、右侧电机铁芯 7、左侧轴向控制铁芯8、右侧轴向控制铁芯9。转子铁芯12包括轴向部分和径向部分，在其轴 向部分两端，分别在左、右侧电机铁芯1、7对应位置处贴有转子永磁体22和23。左侧电机铁 芯1做成电机定子槽型结构，槽分两层，外层嵌入悬浮控制绕组10,内层嵌入转矩绕组11，右 侧电机铁芯7也做成电机定子槽型结构，槽分两层，外层嵌入悬浮控制绕组13,内层嵌入悬 转矩绕组14，悬浮控制绕组10分成X方向和Y方向控制绕组，X方向控制绕组由绕组L X1、Lx2、 LX3、LX4、LX5、LX6、LX7、Lxs、Lxg、Lxio、Lxii、Lxi2串联而成，通电形成两极磁场，Y方向控制绕组由绕 组 Lyi、Ly2、Ly3、Ly4、Ly5、Ly6、Ly7、Lys、Ly9、Lyiq、Lyii、LY12 串联而成，通电形成两极磁场;悬浮控制 绕组1 3也分成X方向和Y方向控制绕组，X方向控制绕组由绕组RX1、RX2、RX3、RX4、RX5、RX6、RX7、 Rxs、Rx9、Rxio、Rxil、Rxi2串联而成，通电形成两极磁场，Y方向控制绕组由绕组Ryi、Ry2、Ry3、Ry4、 1^5、1^6、1^7、1^8、1^9、1^1()、1^11、1^12串联而成，通电形成两极磁场;转矩绕组11、14通电形成的 磁场极对数与转子永磁体磁场极对数相同，按照常规电机绕组绕制即可，且转矩绕组磁场 极对数需大于等于3; 左侧轴向控制铁芯8做成E型结构，中间为控制圆盘16,上、下位置是吸力圆盘15和18; 右侧轴向控制铁芯9也做成E型结构，中间为控制圆盘20,上、下位置是吸力圆盘19和21，在 吸力圆盘15、18; 19、21和控制圆盘16、20之间嵌入轴向控制绕组17,轴向控制绕组17由如图 1所示的各绕组相互串联而成。
[0016] 控制圆盘16、20与转子铁芯12的径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘15、18; 19、21与转子铁芯12的径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘15、18; 19、21与转子铁芯12的 径向部分之间的气隙长度小于左、右侧轴向控制铁芯8和9与转子铁芯12的轴向部分之间的 气隙长度。左侧环形永磁体2安装在左侧电机铁芯1和左侧轴向控制铁芯8、左侧分磁铝环3、 径向控制铁芯4之间；左侧分磁铝环3安装在左侧轴向控制铁芯8和径向控制铁芯4之间；右 侦吩磁铝环5安装在右侧轴向控制铁芯9和径向控制铁芯4之间；右侧环形永磁体6安装在右 侧电机铁芯7和右侧轴向控制铁芯9、左侧分磁铝环5、径向控制铁芯4之间；左侧电机铁芯1、 左侧轴向控制铁芯8、右侧轴向控制铁芯9、右侧电机铁芯7和转子铁芯12均由轴向和径向导 磁性能良好的材料制成。集成化五自由度磁悬浮电机是由以上各部分沿着轴向叠装而成， 上述的集成化五自由度磁悬浮电机可实现转子稳定悬浮与旋转。
[0017]本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括 由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为 本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种集成化的五自由度磁悬浮直驱电机，包括定子、转子铁芯（12)，其特征在于：所 述转子铁芯（12)包括轴向部分、径向部分，轴向部分两端设置有转子永磁体(22、23);所述 定子包括沿转子铁芯（12 )的轴向部分，并以转子铁芯（12 )的径向部分为对称中心，依次对 称设置的左侧电机铁芯（1)、右侧电机铁芯（7);左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6); 左侧轴向控制铁芯(8 )、右侧轴向控制铁芯(9);左侧环形永磁体(2 )、右侧环形永磁体(6)之 间设置有径向控制铁芯(4)，其定子齿上绕制有径向控制绕组(24);左侧轴向控制铁芯(8)、 右侧轴向控制铁芯(9)与径向控制铁芯(4)之间分别设置有左侧分磁铝环（3)、右侧分磁铝 环(5);左侧电机铁芯（1)的定子槽内沿径向外层绕制悬浮控制绕组（10)，内层绕制转矩绕 组（11)，右侧电机铁芯(7)的定子槽内沿径向外层绕制悬浮控制绕组（13)，内层绕制转矩绕 组（14 );左侧轴向控制铁芯(8 )、右侧轴向控制铁芯(9)均呈E形结构，定子槽内分别绕制轴 向控制绕组(17)。2. 根据权利要求1所述的一种集成化的五自由度磁悬浮直驱电机，其特征在于:所述左 侧轴向控制铁芯(8)、右侧轴向控制铁芯(9)分别均由上下位置设置的吸力圆盘(15、18; 19、 21)以及中间位置设置的控制圆盘（16、20)构成，轴向控制绕组（14)绕制于吸力圆盘（15、 18;19、21)与控制圆盘(16、20)之间。3. 根据权利要求2所述的一种集成化的五自由度磁悬浮直驱电机，其特征在于:所述控 制圆盘（16、20)与转子铁芯（12)径向部分之间的气隙长度大于吸力圆盘（15、18; 19、21)与 转子铁芯（12)径向部分之间的气隙长度，且吸力圆盘（15、18; 19、21)与转子铁芯（12)径向 部分之间的气隙长度小于左侧轴向控制铁芯(8)、右侧轴向控制铁芯(9)与转子铁芯（12)轴 向部分之间的气隙长度。4. 根据权利要求1或2所述的一种集成化的五自由度磁悬浮直驱电机，其特征在于:所 述左侧环形永磁体(2)、右侧环形永磁体(6)均为轴向充磁的环形永磁体，在五个自由度上 产生偏置磁通。5. 根据权利要求1或2所述的一种集成化的五自由度磁悬浮直驱电机，其特征在于:所 述左侧分磁铝环（3)、右侧分磁铝环(5)由整块铝材制成，将左侧偏置磁通(30)和右侧偏置 磁通(25)分为左侧轴向偏置磁通(31)、左侧径向偏置磁通(32)和右侧轴向偏置磁通(26)、 右侧径向偏置磁通(27)。6. 根据权利要求1或2所述的一种集成化的五自由度磁悬浮直驱电机，其特征在于:所 述左侧电机铁芯（1 )、径向控制铁芯(4)、右侧电机铁芯(7 )、左侧轴向控制铁芯(8 )、右侧轴 向控制铁芯(9)、转子铁芯（12)均采用具有良好轴向和径向导磁性能的材料制成。7. 根据权利要求4所述的一种集成化的五自由度磁悬浮直驱电机，其特征在于:所述左 侧环形永磁体(2 )、右侧环形永磁体(6 )、转子永磁体(22、23 )均为稀土永磁材料制成。
【文档编号】H02N15/00GK106026615SQ201610399393
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】张涛, 莫丽红, 张晨, 倪伟, 丁卫红, 叶小婷, 张惠萍
【申请人】淮阴工学院