[发明专利]一种五自由度无轴承永磁同步电机

说明书

技术领域

本发明属于电机技术领域，特别涉及一种五自由度无轴承永磁同步电机，适用于高速和超高速直驱电主轴、半导体工业、飞轮储能、航空航天等众多特殊电力传动场合，特别适用于需要无接触、无需润滑与密封、无摩擦与磨损的真空技术、无菌车间、纯净洁室等特殊场合。

背景技术

由于单个无轴承永磁同步电机一般只能约束转子径向两个自由度，因此如果要实现转子的稳定悬浮，必须在五个自由度上同时施加约束。传统的五自由度无轴承永磁同步电机通常有以下四种结构：

1．采用1个轴向磁轴承和2台两自由度无轴承永磁同步电机构成；

2．采用1个轴向磁轴承、1个径向磁轴承和1台两自由度无轴承永磁同步电机构成；

3．采用1个三自由度径向-轴向磁轴承和1台两自由度无轴承永磁同步电机构成；

4．采用1台两自由度无轴承永磁薄片电机构成。

其中，前三种结构都采用了磁轴承，导致系统的轴向长度增大，从而降低了电机的临界转速，限制了电机向更高转速和更大功率方向的发展，而且磁轴承正常工作需要一定数量的励磁线圈、铁芯、昂贵的高精度位移传感器以及高性能功率放大驱动电路等，这些都会大大增加系统的成本，因此前三种结构的五自由度无轴承永磁同步电机机械结构比较复杂，系统成本较高；第四种结构的无轴承永磁薄片电机在利用无轴承技术实现径向两自由度悬浮的基础上，依靠磁阻力实现其它三个自由度上的被动悬浮，从而摈弃了磁轴承，简化了系统的结构，降低了系统的成本，但是该电机存在着如下缺陷：为了实现利用磁阻力来达到其它三个自由度的被动控制，电机转子的轴向长度与其直径之比必须满足一定的取值范围，通常是转子的轴向长度要比转子直径小的多，这就给提高电机的功率带来了问题，不能通过增加转子的轴向长度来提高电机的功率成为该电机的一个致命缺点，而且由于该电机其它三个自由度不能进行主动控制，在一些高速以及负载变化的情况下容易失稳。

因此，为了进一步简化五自由度无轴承永磁同步电机系统的机械结构，并且降低整个系统的体积和成本，从电机本体的角度实现系统五个自由度的悬浮运行，本领域迫切需要机械结构更紧凑、电机旋转功能和五自由度悬浮功能更集中的新型电机。

发明内容

本发明的目的在于克服现有五自由度无轴承永磁同步电机系统的不足，提出一种结构简单紧凑、功能比较完善、体积小、重量轻、功率密度大、可靠性高的新型五自由度无轴承永磁同步电机。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括电机壳体和机械转轴，机械转轴穿过电机壳体的左右两端，机械转轴上对称连接有分别设置在电机壳体左、右两端的左、右锥形无轴承永磁同步电机，每台所述锥形无轴承永磁同步电机由锥形定子、转矩绕组、悬浮力绕组和锥形转子组成；锥形转子外表面贴装有永磁体，永磁体外面固定套有护套，锥形转子固定设在机械转轴上，锥形定子上沿轴向开有若干个通槽，每个通槽在径向上分为内外两层，内层和外层中分别放有悬浮力绕组和转矩绕组，转矩绕组的极数与永磁体的极数相同，悬浮力绕组的极数与转矩绕组的极数相差为2。

本发明的优点在于：

1．本发明不需要额外的磁轴承，就可以同时实现转子径向和轴向五个自由度的悬浮。

2．取消了传统五自由度无轴承永磁同步电机所必需的磁轴承，电机转子的轴向长度和系统的无功损耗都得到了进一步的减小，减小了系统体积，简化了电机的结构，降低了系统的成本，同时相应的控制系统也得到进一步的简化，易于工程实现；

3．电机结构简单紧凑、具有高度集成性，进一步缩短了转子的轴向长度，提高了轴向空间利用效率，临界转速较高，容易实现大功率超高速运行。

附图说明

图1是本发明五自由度无轴承永磁同步电机结构示意图；

图中标号及名称为：1左锥形无轴承永磁同步电机；2．右锥形无轴承永磁同步电机；3．机械转轴；11．锥形定子；12．转矩绕组；13．悬浮力绕组；14．锥形转子；15．永磁体；16．护套；

图2是图1中五自由度无轴承永磁同步电机径向、轴向悬浮的原理图；