[发明专利]采用无交叉单平面绕组的飞轮电机

说明书

技术领域

本发明涉及到电机技术领域。特别涉及一种采用无交叉单平面绕组的无刷直流电机。适用于卫星姿态控制。

背景技术

目前，卫星姿态控制用飞轮大多由独立轮体和无刷直流电机构成，两者之间通过法兰等机械结构固定。存在结构复杂，难以实现飞轮的小型化、轻量化等问题。

传统结构的无刷直流电机的绕组结构略显复杂，不利于实现无铁心电枢。

传统电机的位置传感器通常需要额外的安装机构和空间，而且一般检测的是漏磁场，位置检测精度和可靠性均较差，而且位置传感器相对电机绕组的位置通常需要在装配时进行调整。上述问题使得传统的飞轮电机结构复杂，功耗大，力矩平稳性差。

发明内容

为了解决现有的飞轮电机结构复杂、功耗大以及力矩平稳性差的问题，本发明提供了一种采用无交叉单平面绕组的飞轮电机。

本发明的采用无交叉单平面绕组的飞轮电机由转子、无铁心骨架式定子、永磁体和三个位置传感器组成，所述转子由外转子铁心和内转子铁心组成，内转子铁心和外转子铁心固定连接在转矩输出轴上，无铁心骨架式定子固定在所述内转子铁心和外转子铁心之间，并且与所述内转子铁心和外转子铁心之间均留有气隙，永磁体固定在内转子铁心或外转子铁心上与无铁心骨架式定子相对的侧壁上，所述无铁心骨架式定子由绕组、骨架和定子座组成，所述骨架固定在定子座上，绕组为三相绕组，所述绕组由多组平面线圈组成，所述多组平面线圈均匀分布固定在骨架的侧壁上，相邻两组平面线圈相差240度电角度，并且相邻两组平面线圈之间无交叉，三个位置传感器分别固定在相邻的三组平面线圈的中心位置的骨架上，所述平面线圈的个数Z与永磁体的极数2p之比为3/4。

本发明的飞轮电机采用永磁电机与轮体、传感器集成一体化设计，由定子、转子、位置传感器组成。定子和转子是电机的主要部分，是产生力矩的机构。位置传感器检测转子位置，将转子的位置信号转换为电信号，根据该电信号，在相应的绕组中通以电流，使所述绕组产生的磁场与永磁体产生的主磁场相互作用，产生电磁转矩，使得转子平稳地旋转。

飞轮电机采用径向式磁路结构。定子采用无铁心结构，以非导磁绝缘材料作为骨架，绕组固定在骨架上。电机转子即为飞轮的轮体，转子铁心为电机磁路的一部分，同时又作为飞轮的轮体，一般加厚外转子铁心。采用永磁体产生主磁场。位置传感器采用霍尔集成电路，直接固定在电枢骨架内，且处于气隙磁场内。

本发明的特点：

定子绕组为无交叉单平面绕组，多个线圈构成三相绕组，属于同一相的多个线圈串联连接组成一相绕组，每个线圈均为单平面结构，并且相邻线圈之间在空间上无交叉，具有结构简单、工艺性强的优点。

定子骨架上的齿部具有足够的空间，便于直接安放位置传感器，使得位置传感器直接检测气隙磁场，位置传感器所在位置磁场的磁感应强度较高，从而保证位置传感器输出的位置信号的灵敏度和可靠性。位置传感器的安装槽的中心在圆周方向位于齿的中心线上，便于保证角度的加工精度，使得位置检测信号的精度较高。位于齿中心线上安放的位置传感器的输出位置信号跟相邻齿对应的一相绕组的相电动势在相位上恰好相差30度电角度，满足无刷直流电机的换向要求。位置传感器无需额外的固定机构，装配时无须额外的调整。绕组、骨架和位置传感器形成一体化电枢，具有结构紧凑、体积小的特点。

定子采用无铁心结构，以非导磁绝缘材料作为支撑骨架，绕组固定在骨架上，保证电枢的刚度和强度，同时不存在铁损和定位力矩，也使电枢制造工艺简单，使得飞轮电机具有损耗小、运行平稳的特点。

电机的转子即为飞轮的轮体，转子铁心为电机磁路的一部分，同时又作为飞轮的轮体，一般加厚外转子铁心，充分利用材料和空间，显著提高飞轮的转动惯量。

采用永磁体产生主磁场，能够提高电机出力，减小电机的体积和重量。

本发明的飞轮电机可以应用于卫星姿态控制飞轮和控制力矩陀螺，在应用于卫星姿态控制时，可以运行在电动/发电状态，实现四象限运行。

附图说明