一种五自由度定子永磁式无轴承异步电机制造技术

本发明专利技术公开一种五自由度定子永磁式无轴承异步电机，包括位于电机壳体内的定子和位于定子内圈里的转子，所述定子包括连为一体的左定子铁心、右定子锥形磁轴承铁心、轴向磁化的环形永磁体，所述环形永磁体连接在左定子铁心和右定子锥形磁轴承铁心之间，所述左定子铁心、右定子锥形磁轴承铁心上开设有定子槽，所述左定子铁心和右定子锥形磁轴承铁心的定子槽内设有悬浮绕组和转矩绕组。控制简单和易于实现，并能够产生更大的悬浮力。

【技术实现步骤摘要】
一种五自由度定子永磁式无轴承异步电机
本专利技术涉及电机制造
，具体涉及结构紧凑、控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立的一种五自由度定子永磁式无轴承异步电机。
技术介绍
无轴承电机具有无摩擦、磨损、无需润滑，易于实现更高转速和更大功率运行，特别是其中的无轴承异步电机具有结构与制造简单、转子强度高、造价低等优势，在高速机床主轴电机、密封泵、离心机、压缩机、高速微型硬盘等系列高速直驱领域具有广阔的应用前景。目前，无轴承异步电机是通过在传统异步电机的定子槽的转矩绕组上叠加一套附加的悬浮绕组，两套绕组分别由频率相同的三相交流电源供电产生旋转的悬浮绕组磁场和转矩绕组磁场，且悬浮绕组磁场极对数为PB、转矩绕组磁场为PM，两者之间只有满足PB=PM±1的关系时，在转子上才能产生稳定可控的径向悬浮力。由径向位移传感器检测转子径向位移，构建位移闭环控制系统，实现转子稳定悬浮，而转矩的产生原理与普通异步电机相同。一方面，转矩绕组磁场要与悬浮绕组磁场相互作用产生径向悬浮力，另一方面，转矩绕组磁场又要和转子旋转磁场相互作用产生转矩，因此，转矩控制和位移控制之间存在强耦合，控制复杂，难以建立精确的数学模型，控制精度低。此外，除了转矩绕组磁场在转子导条内会感应出与转矩绕组磁场极对数相同的转子旋转磁场之外，悬浮绕组磁场也会在转子导条内感应出与悬浮绕组磁场极对数相同的转子旋转磁场，该旋转磁场对悬浮力的产生有削弱作用，还会增加转矩控制和位移控制的复杂性，特别是带负载运行时更为明显，严重时将会造成系统不稳定，悬浮失败。有学者提出了无轴承异步电机的转子笼型导条分相结构，该结构的无轴承异步电机转子中仅感应出与转矩绕组磁场极对数相同的转子磁场，而悬浮绕组磁场在转子中不产生感应磁场，能够产生较大的径向悬浮力，降低控制复杂性，但是该结构的无轴承异步电机仍然需要满足PB=PM±1的关系，且存在转矩绕组磁场和悬浮绕组磁场之间的强耦合性，两者之间的非线性动态解耦控制仍然非常复杂。此外，由无轴承异步电机来支撑转子稳定悬浮，需要多个单元的两自由度无轴承异步电机、两自由度磁轴承、三自由度磁轴承、单自由度轴向磁轴承组成五自由度悬浮系统，因此，该系统存在结构和控制复杂，体积庞大，临界转速低等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有的五自由度无轴承异步电机系统的不足，提供一种不受PB=PM±1条件限制，在转子中仅感应出与转矩绕组磁场极对数相同的旋转磁场，控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立，能够产生更大径向悬浮力的一种五自由度定子永磁式无轴承异步电机。本专利技术通过以下技术方案实现：一种五自由度定子永磁式无轴承异步电机，包括位于电机壳体内的定子和位于定子内圈里的转子，所述定子包括连为一体的左定子铁心、右定子锥形磁轴承铁心、轴向磁化的环形永磁体，所述环形永磁体连接在左定子铁心和右定子锥形磁轴承铁心之间，所述左定子铁心、右定子锥形磁轴承铁心上开设有定子槽，所述左定子铁心和右定子锥形磁轴承铁心的定子槽内设有悬浮绕组和转矩绕组，所述转子包括转轴和箍设在转轴外周的转子铁心，所述转子铁心的左端设有柱形凸台，所述柱形凸台与左定子铁心径向对齐且两者之间留有径向气隙，所述转子铁心的右端为与右定子锥形磁轴承铁心对应的锥体，所述锥体与右定子锥形磁轴承铁心之间留有气隙，所述柱形凸台的表面和锥体的表面开有转子槽，所述转子槽中浇注有笼型导条。本专利技术进一步的改进方案是，所述左定子铁心、右定子锥形磁轴承铁心上开设的定子槽数目相同，所述左定子铁心、右定子锥形磁轴承铁心上的转矩绕组极对数相同，所述笼型导条的数目为偶数，笼型导条采用分相结构，每相之间相互绝缘，笼型导条的极对数与转矩绕组的极对数相同。笼型导条切割转矩绕组磁场，产生一个旋转磁场，该旋转磁场与转矩绕组磁场极对数相同；而笼型导条切割悬浮绕组磁场和静态偏置磁场不产生旋转磁场。本专利技术进一步的改进方案是，所述悬浮绕组位于转矩绕组的外侧，所述悬浮绕组的极对数和转矩绕组的极对数不等，所述悬浮绕组由直流电源供电。本专利技术进一步的改进方案是，所述左定子铁心和右定子锥形磁轴承铁心的x和y方向上安装有垂直于转子表面的径向位移传感器。本专利技术进一步的改进方案是，所述环形永磁体由稀土永磁材料制成。本专利技术进一步的改进方案是，所述左定子铁心、右定子锥形磁轴承铁心、转子铁心、转轴均由导磁材料制成。本专利技术与现有技术相比具有以下明显优点：本专利技术由一个轴向磁化的环形永磁体为左侧电机和右侧电机提供静态偏置磁通，左侧的悬浮绕组由直流电源供电，为左侧电机提供悬浮控制磁通，悬浮控制磁通调节静态偏置磁通，在左侧转子上产生径向悬浮力，控制左侧转子径向两自由度稳定悬浮；右侧的悬浮绕组通电产生右侧悬浮控制磁通，右侧悬浮控制磁通调节偏置磁通，在右端锥形转子上产生垂直于表面的悬浮力，该悬浮力可分解为径向和轴向三个自由度，控制转子右侧径向两自由度和轴向单自由度稳定悬浮。因此，悬浮控制、转矩控制相互独立且笼型导条数目为偶数，笼型导条采用分相结构，笼型导条极对数与转矩绕组极对数相同，笼型导条切割转矩绕组磁场，产生感应电流，该感应电流形成的旋转磁场与转矩绕组磁场极对数相同；而悬浮绕组磁场和永磁体磁场在笼型导条无感应旋转磁场产生。因此，不但可产生较大的径向悬浮力，而且控制简单和易于实现的优点，可广泛应用于飞轮储能、各种高速机床主轴电机和密封泵类、离心机、压缩机、高速小型硬盘驱动装置等高速直接驱动领域。附图说明图1为本专利技术的轴向结构与偏置磁路示意图。图2为本专利技术左、右两侧电机绕组排列与径向磁路示意图。图3为本专利技术左、右两侧电机转子笼型导条U相连接示意图。图4为本专利技术左、右两侧电机转子笼型导条V相连接示意图。图5为本专利技术左、右两侧电机转子笼型导条W相连接示意图。具体实施方式如图1-5所示的以定子槽数为12槽，悬浮绕组极对数为1，转矩绕组极对数为2，三相电机为例来详细说明：一种五自由度定子永磁式无轴承异步电机，包括位于电机壳体内的定子1和位于定子1内圈里的转子2，定子1包括连为一体的左定子铁心3、右定子锥形磁轴承铁心4、轴向磁化的环形永磁体5，所述环形永磁体5连接在左定子铁心3和右定子锥形磁轴承铁心4之间，所述左定子铁心3、右定子锥形磁轴承铁心4上开设有定子槽，所述左定子铁心3和右定子锥形磁轴承铁心4的定子槽内设有悬浮绕组6和转矩绕组7，所述转子2包括转轴8和箍设在转轴8外周的转子铁心9，所述转子铁心9的左端设有柱形凸台10，所述柱形凸台10与左定子铁心3径向对齐且两者之间留有径向气隙，所述转子铁心9的右端为与右定子锥形磁轴承铁心4对应的锥体11，所述锥体11与右定子锥形磁轴承铁心4之间留有气隙，柱形凸台10的表面和锥体11的表面开有转子槽，所述转子槽中浇注有笼型导条12。左定子铁心3、右定子锥形磁轴承铁心4上开设的定子槽数目相同，所述左定子铁心3、右定子锥形磁轴承铁心4上的转矩绕组7极对数相同，所述笼型导条12的数目为偶数，笼型导条12采用分相结构，笼型导条12的极对数与转矩绕组7的极对数相同，笼型导条切割转矩绕组磁场，产生的转子旋转磁场与转矩绕组磁场极对数相同；而悬浮绕组磁场与永磁体磁场在笼型导条中不感应出转子旋转磁场。转矩是由两侧的转矩绕组磁场与相应的转子旋转磁场相互作用产生，五自由度无轴承异步电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五自由度定子永磁式无轴承异步电机，包括位于电机壳体内的定子（1）和位于定子（1）内圈里的转子（2），其特征是：所述定子（1）包括连为一体的左定子铁心（3）、右定子锥形磁轴承铁心（4）、轴向磁化的环形永磁体（5），所述环形永磁体（5）连接在左定子铁心（3）和右定子锥形磁轴承铁心（4）之间，所述左定子铁心（3）、右定子锥形磁轴承铁心（4）上开设有定子槽，所述左定子铁心（3）和右定子锥形磁轴承铁心（4）的定子槽内设有悬浮绕组（6）和转矩绕组（7），所述转子（2）包括转轴（8）和箍设在转轴（8）外周的转子铁心（9），所述转子铁心（9）的左端设有柱形凸台（10），所述柱形凸台（10）与左定子铁心（3）径向对齐且两者之间留有径向气隙，所述转子铁心（9）的右端设有与右定子锥形磁轴承铁心（4）的锥面对应的锥体（11），所述锥体（11）与右定子锥形磁轴承铁心（4）之间留有气隙，所述柱形凸台（10）的表面和锥体（11）的表面开有转子槽，所述转子槽中浇注有笼型导条（12）；所述左定子铁心（3）、右定子锥形磁轴承铁心（4）上开设的定子槽数目相同，所述左定子铁心（3）、右定子锥形磁轴承铁心（4）上的转矩绕组（7）极对数相同，所述笼型导条（12）的数目为偶数，笼型导条（12）采用分相结构，笼型导条（12）的极对数与转矩绕组（7）的极对数相同；所述左定子铁心（3）和右定子锥形磁轴承铁心（4）的x和y方向上安装有垂直于转子表面的径向位移传感器（13）。...

【技术特征摘要】
1.一种五自由度定子永磁式无轴承异步电机，包括位于电机壳体内的定子（1）和位于定子（1）内圈里的转子（2），其特征是：所述定子（1）包括连为一体的左定子铁心（3）、右定子锥形磁轴承铁心（4）、轴向磁化的环形永磁体（5），所述环形永磁体（5）连接在左定子铁心（3）和右定子锥形磁轴承铁心（4）之间，所述左定子铁心（3）、右定子锥形磁轴承铁心（4）上开设有定子槽，所述左定子铁心（3）和右定子锥形磁轴承铁心（4）的定子槽内设有悬浮绕组（6）和转矩绕组（7），所述转子（2）包括转轴（8）和箍设在转轴（8）外周的转子铁心（9），所述转子铁心（9）的左端设有柱形凸台（10），所述柱形凸台（10）与左定子铁心（3）径向对齐且两者之间留有径向气隙，所述转子铁心（9）的右端设有与右定子锥形磁轴承铁心（4）的锥面对应的锥体（11），所述锥体（11）与右定子锥形磁轴承铁心（4）之间留有气隙，所述柱形凸台（10）的表面和锥体（11）的表面开有转子槽，所述转子槽中浇注有笼型导...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，刘欣凤，莫丽红，倪伟，丁祖军，武莎莎，
申请(专利权)人：淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32