[发明专利]轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机

说明书

一、技术领域

本发明是轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机，适用于高速和超高速主轴电机、航空航天、生命科学、化工、半导体工业等众多特殊电力传动领域，特别是需要无机械接触、无摩擦与磨损、无需润滑与密封的真空技术、超洁净领域等场合，属于采用无轴承技术的磁悬浮电机。

二、背景技术

传统三自由度的磁悬浮系统通常有四种结构：

1.采用1个轴向磁轴承和1个两自由度径向磁轴承构成；

2.采用1个轴向磁轴承和1个两自由度无轴承电机构成；

3.采用1个两自由度无轴承薄片电机构成；

4.采用1个集成的三自由度永磁偏置轴向径向混合磁轴承构成。

其中第一种和第二种结构由于电机机械结构复杂，轴向悬浮需要占有一定的轴向空间，转子轴向长度较长，不利于提高电机的临界转速；第三种结构的轴向悬浮依靠被动悬浮，不能主动进行控制，在高速及负载条件下容易失稳；第四种结构虽然将轴向径向的悬浮集成为一体，缩短了转子的轴向长度，但单独使用仍然只具备悬浮支撑功能而不能实现转矩输出。

采用无轴承技术的两自由度交替极永磁电机从电机本体的角度解决了传统无轴承永磁同步电机存在的控磁能力差，可控悬浮力小，永磁体易退磁及悬浮力与转矩控制相互耦合等问题，促进了两自由度的永磁型无轴承电机的应用和发展。为了进一步简化电机系统的机械结构，降低整个系统体积与成本，从电机本体的角度实现电机三自由度的高速旋转与悬浮控制，需要结构更加紧凑、多自由度悬浮功能与电机旋转功能更为集中的新型电机。

目前国内外尚未有“三自由度无轴承电机”的概念，也没有相关的专利和文献出现。

三、发明内容

本发明的目的在于改变传统无轴承电机只能控制径向两个自由度的旧结构，设计一种结构简单紧凑，功能更趋完善，功率密度大，承载力大，体积小，重量轻，可靠性高的三自由度主动悬浮的无轴承电机。

实现上述目的的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机包括径向定子铁心、转子永磁体、转子铁心、转子转轴，其特征在于还包括两块轴向定子铁心分别安装于径向定子铁心的左右两端，在两块轴向定子铁心上分别嵌绕了一套轴向悬浮控制绕组，两套轴向悬浮控制绕组串联相接。所述的径向定子铁心(2)上分别嵌绕一套用于控制电机转矩输出的三相四对极转矩控制绕组和一套用于控制转子铁心所受径向悬浮力的三相一对极径向悬浮控制绕组，所述的转子永磁体以径向方向安装在转子铁心外圆周上，转子永磁体沿径向方向均为同极性排列，转子永磁体之间的转子铁心被交替磁化成相同的另一极性，装有转子转轴的转子铁心置放于径向定子铁心的正中间位置。

本发明的工作原理是：对于径向方向的两自由度悬浮，通过径向位移传感器检测出转子径向位移偏移量，经位置负反馈，在无轴承交替极永磁电机悬浮控制绕组中通入对应的悬浮控制电流，改变电机旋转磁场的对称分布，从而在转子上产生大小和方向可控的径向悬浮力，实现电机径向的两自由度悬浮。对于轴向方向的悬浮，当转子位于轴向中间平衡位置时，由于转子结构的对称性，转子永磁体产生的同极性磁场在转子轴向的气隙左右两侧处是相等的，此时所产生的磁拉力互相平衡。若转子此时受到一个轴向向右的外扰力，转子就会偏离平衡位置向右运动，造成转子永磁体在轴向左右气隙处产生的磁场发生变化，即左面气隙增大，磁场减小；右面气隙减小，磁场增大，使得左右两侧的磁拉力不再平衡。此时轴向位移传感器检测出转子轴向偏离的位移量，在轴向控制绕组中通入电流产生轴向控制磁场，这个磁场与轴向气隙中转子永磁体磁场叠加，使转子左侧气隙中的磁场增加，右侧气隙中的磁场减小，产生一个向左的磁拉力将转子拉回平衡位置。

本发明的轴向主动悬浮的三自由度无轴承交替极永磁电机具有以下特点：

1.径向悬浮采用的交替极无轴承永磁电机控磁容易，无普通无轴承永磁电机转矩与悬浮力折中的矛盾，悬浮电流小，承载能力和刚度成倍上升；

2.轴向悬浮采用永磁偏置，减少了功率放大器的体积和功耗，降低了制造成本；

3.以电机转子本体作为轴向与径向悬浮磁链的闭合通路，以电机转子自身的永磁体磁场作为径向、轴向悬浮共同的偏置磁场，省去原永磁偏置轴向磁轴承中必需的磁轴承转子和偏置永磁体环，简化了系统结构，降低了永磁体消耗，缩小了系统体积和重量；

4.电机结构简单紧凑，具有高度集成性，进一步缩短了轴向占用空间，提高了轴向空间利用率，临界转速高，易于实现大功率超高速运转；

5.具备固有的径向悬浮与轴向悬浮解耦、悬浮控制与转矩控制解耦特性，悬浮控制模型简单，大大降低了控制系统设计难度；