[发明专利]一种容错式单绕组无轴承永磁电机

说明书

技术领域

本发明涉及电工、电机、磁悬浮技术领域，特指一种无轴承永磁电机，适用于数控机床直驱主轴、飞轮储能系统等直接特殊领域。 

背景技术

利用磁悬浮轴承（简称为磁轴承）线圈（或称为绕组）与传统永磁电机定子结构的相似性，将磁轴承线圈叠绕在永磁电机的定子槽中，通过有效控制两套绕组电流的幅值和相角，便可实现转轴的稳定悬浮运行，构成了结构新颖的无轴承永磁电机。无轴承永磁电机同时具备了磁轴承无摩擦磨损、无需润滑、无机械噪声、寿命长，以及永磁电机的高密度、高效可靠、无需励磁等一系列优点，在高速高精数控机床、航空航天、飞轮储能电池等特殊领域具有广阔的应用前景。 

目前，无轴承永磁电机一般采用传统的两套绕组（即转矩绕组与悬浮力绕组）控制方式，通过两套绕组在气隙中产生的两个不同磁场来同时实现无轴承永磁电机的转子自悬浮和转矩驱动。然而，两套绕组的结构存在如下弊端：①绕组结构复杂，定子侧功率损耗大；②两套绕组之间需要严格绝缘，从而增加绝缘材料，导致较大漏磁，降低槽满率，严重影响电机性能；③无轴承电机对两套绕组的要求严格，需要两套绕组的A相轴线严格重合，从而增大电机制作难度，不利于无轴承电机走向实用化。 

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中无轴承永磁电机的不足，提出一种可靠性高、结构简单紧凑、体积小、重量轻、功率密度高、损耗低、易于制作、具有容错功能的单绕组无轴承永磁电机，并进一步提高其容错性能，提高其带故障运行能力。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括定子磁轭和转轴，定子磁轭为圆筒形，位于永磁电机的最外部，转轴与定子磁轭同轴心，位于定子磁轭的内部正中间，转轴的外圆周表面上固定有与转轴同轴心的转子铁芯，转子铁芯的外圆周表面上固定有采用Halbach阵列结构均匀分布于转子铁芯7的外表面形成圆筒形的多个永磁体；定子磁轭的内圆周面上均匀固定有沿圆周方向交替分布的6个电枢齿与6个容错齿，每个电枢齿上绕有一套用于同时产生转矩与径向悬浮力的电枢绕组；电枢齿、容错齿与永磁体的外圆周表面之间留有径向间隙。 

进一步地，6个电枢齿上的电枢绕组通入的电流依次为： ，其中，分别为三相转矩绕组控制电流分量，分别为三相悬浮力绕组控制电流分量，且转矩绕组控制电流分量和悬浮力绕组控制电流分量的极对数之差为。 

本发明的有益效果是： 

1、定子槽中只有一套绕组，且采用集中短距绕组，端部较短，绕组结构简单紧凑，易于制作安装。

2、本发明具有槽满率较高，漏磁较低等特点，可以有效降低电机定子侧功率损耗，从而提高了电机效率。 

3、没有绕线的容错齿既可以作为磁通的回路，也可以起隔离的作用，有效地实现了磁路、电路、温度之间的隔离。当电机某一相发生故障时，容错齿可以提供磁回路来降低电机互感，减小对其他相绕组的影响，提高了电机带故障悬浮运行的能力。 

4、永磁铁采用Halbach阵列结构，该结构具有优良的聚磁功能，不但可以增强气隙磁密，增大径向悬浮力和电磁转矩，还可以进一步降低电机噪音，节约永磁材料的用量，减轻电机重量。 

附图说明

图1是本发明容错式单绕组无轴承永磁电机的结构简图； 

图中标号及名称为：1.定子磁轭；2.电枢齿；3.容错齿；4.电枢绕组；5.永磁体；6.转轴；7.转子铁芯。

具体实施方式

如图1所示，本发明容错式单绕组无轴承永磁电机，包括定子磁轭1、电枢齿2、容错齿3、电枢绕组4、永磁体5、转轴6和转子铁芯7。定子磁轭1为圆筒形，由电工硅钢片叠压制成，位于整个电机的最外部；转轴6与定子磁轭1同轴心，位于定子磁轭1的内部正中间；在转轴6的外圆周表面上固定转子铁芯7，转子铁芯7与转轴6同轴心；在转子铁芯7的外圆周表面上固定多个永磁体5，多个永磁体5均用具有高矫顽力和高剩磁密度的钕铁硼永磁材料做成，形成圆筒形，采用Halbach阵列结构均匀分布于转子铁芯7的外表面。 

在定子磁轭1的内圆周面上均匀固定6个电枢齿2与6个容错齿3，6个电枢齿2与6个容错齿3沿圆周方向交替分布。每个电枢齿2上只绕有一套电枢绕组4用于同时产生转矩与径向悬浮力；容错齿3上无电枢绕组4。 

电枢齿2、容错齿3与永磁体5外圆周表面之间留有径向间隙，径向间隙为1～2mm。位于同一圆周上的电枢齿2的宽度为容错齿3的宽度的1.5倍。