[發(fā)明專利]軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機(jī)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710191528.1
• 申請日: 2007-12-12
• 公開（公告）號: CN101207310A
• 公開（公告）日: 2008-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 仇志堅(jiān);鄧智泉;王曉琳
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: H02K7/00
• 分類號: H02K7/00;H02N15/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所
• 代理人: 柏尚春

一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機(jī)，適用于高速和超高速主軸電機(jī)、航空航天、生命科學(xué)、化工、半導(dǎo)體工業(yè)等眾多特殊電力傳動領(lǐng)域，特別是需要無機(jī)械接觸、無摩擦與磨損、無需潤滑與密封的真空技術(shù)、超潔凈領(lǐng)域等場合，屬于采用無軸承技術(shù)的磁懸浮電機(jī)。

二、背景技術(shù)

傳統(tǒng)三自由度的磁懸浮系統(tǒng)通常有四種結(jié)構(gòu)：

1.采用1個(gè)軸向磁軸承和1個(gè)兩自由度徑向磁軸承構(gòu)成；

2.采用1個(gè)軸向磁軸承和1個(gè)兩自由度無軸承電機(jī)構(gòu)成；

3.采用1個(gè)兩自由度無軸承薄片電機(jī)構(gòu)成；

4.采用1個(gè)集成的三自由度永磁偏置軸向徑向混合磁軸承構(gòu)成。

其中第一種和第二種結(jié)構(gòu)由于電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸向懸浮需要占有一定的軸向空間，轉(zhuǎn)子軸向長度較長，不利于提高電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速；第三種結(jié)構(gòu)的軸向懸浮依靠被動懸浮，不能主動進(jìn)行控制，在高速及負(fù)載條件下容易失穩(wěn)；第四種結(jié)構(gòu)雖然將軸向徑向的懸浮集成為一體，縮短了轉(zhuǎn)子的軸向長度，但單獨(dú)使用仍然只具備懸浮支撐功能而不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出。

采用無軸承技術(shù)的兩自由度交替極永磁電機(jī)從電機(jī)本體的角度解決了傳統(tǒng)無軸承永磁同步電機(jī)存在的控磁能力差，可控懸浮力小，永磁體易退磁及懸浮力與轉(zhuǎn)矩控制相互耦合等問題，促進(jìn)了兩自由度的永磁型無軸承電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展。為了進(jìn)一步簡化電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低整個(gè)系統(tǒng)體積與成本，從電機(jī)本體的角度實(shí)現(xiàn)電機(jī)三自由度的高速旋轉(zhuǎn)與懸浮控制，需要結(jié)構(gòu)更加緊湊、多自由度懸浮功能與電機(jī)旋轉(zhuǎn)功能更為集中的新型電機(jī)。

目前國內(nèi)外尚未有“三自由度無軸承電機(jī)”的概念，也沒有相關(guān)的專利和文獻(xiàn)出現(xiàn)。

三、發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于改變傳統(tǒng)無軸承電機(jī)只能控制徑向兩個(gè)自由度的舊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊，功能更趨完善，功率密度大，承載力大，體積小，重量輕，可靠性高的三自由度主動懸浮的無軸承電機(jī)。

實(shí)現(xiàn)上述目的的軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機(jī)包括徑向定子鐵心、轉(zhuǎn)子永磁體、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸，其特征在于還包括兩塊軸向定子鐵心分別安裝于徑向定子鐵心的左右兩端，在兩塊軸向定子鐵心上分別嵌繞了一套軸向懸浮控制繞組，兩套軸向懸浮控制繞組串聯(lián)相接。所述的徑向定子鐵心(2)上分別嵌繞一套用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出的三相四對極轉(zhuǎn)矩控制繞組和一套用于控制轉(zhuǎn)子鐵心所受徑向懸浮力的三相一對極徑向懸浮控制繞組，所述的轉(zhuǎn)子永磁體以徑向方向安裝在轉(zhuǎn)子鐵心外圓周上，轉(zhuǎn)子永磁體沿徑向方向均為同極性排列，轉(zhuǎn)子永磁體之間的轉(zhuǎn)子鐵心被交替磁化成相同的另一極性，裝有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子鐵心置放于徑向定子鐵心的正中間位置。

本發(fā)明的工作原理是：對于徑向方向的兩自由度懸浮，通過徑向位移傳感器檢測出轉(zhuǎn)子徑向位移偏移量，經(jīng)位置負(fù)反饋，在無軸承交替極永磁電機(jī)懸浮控制繞組中通入對應(yīng)的懸浮控制電流，改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的對稱分布，從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生大小和方向可控的徑向懸浮力，實(shí)現(xiàn)電機(jī)徑向的兩自由度懸浮。對于軸向方向的懸浮，當(dāng)轉(zhuǎn)子位于軸向中間平衡位置時(shí)，由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對稱性，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的同極性磁場在轉(zhuǎn)子軸向的氣隙左右兩側(cè)處是相等的，此時(shí)所產(chǎn)生的磁拉力互相平衡。若轉(zhuǎn)子此時(shí)受到一個(gè)軸向向右的外擾力，轉(zhuǎn)子就會偏離平衡位置向右運(yùn)動，造成轉(zhuǎn)子永磁體在軸向左右氣隙處產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化，即左面氣隙增大，磁場減小；右面氣隙減小，磁場增大，使得左右兩側(cè)的磁拉力不再平衡。此時(shí)軸向位移傳感器檢測出轉(zhuǎn)子軸向偏離的位移量，在軸向控制繞組中通入電流產(chǎn)生軸向控制磁場，這個(gè)磁場與軸向氣隙中轉(zhuǎn)子永磁體磁場疊加，使轉(zhuǎn)子左側(cè)氣隙中的磁場增加，右側(cè)氣隙中的磁場減小，產(chǎn)生一個(gè)向左的磁拉力將轉(zhuǎn)子拉回平衡位置。

本發(fā)明的軸向主動懸浮的三自由度無軸承交替極永磁電機(jī)具有以下特點(diǎn)：

1.徑向懸浮采用的交替極無軸承永磁電機(jī)控磁容易，無普通無軸承永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩與懸浮力折中的矛盾，懸浮電流小，承載能力和剛度成倍上升；

2.軸向懸浮采用永磁偏置，減少了功率放大器的體積和功耗，降低了制造成本；

3.以電機(jī)轉(zhuǎn)子本體作為軸向與徑向懸浮磁鏈的閉合通路，以電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的永磁體磁場作為徑向、軸向懸浮共同的偏置磁場，省去原永磁偏置軸向磁軸承中必需的磁軸承轉(zhuǎn)子和偏置永磁體環(huán)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了永磁體消耗，縮小了系統(tǒng)體積和重量；

4.電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，具有高度集成性，進(jìn)一步縮短了軸向占用空間，提高了軸向空間利用率，臨界轉(zhuǎn)速高，易于實(shí)現(xiàn)大功率超高速運(yùn)轉(zhuǎn)；

5.具備固有的徑向懸浮與軸向懸浮解耦、懸浮控制與轉(zhuǎn)矩控制解耦特性，懸浮控制模型簡單，大大降低了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度；