一种五自由度单绕组无轴承磁悬浮电机 |
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| 申请号 | CN202011513199.X | 申请日 | 2020-12-21 | 公开(公告)号 | CN112865421B | 公开(公告)日 | 2024-04-09 |
| 申请人 | 山东大学; | 发明人 | 俞军涛; 占昊; 王丽; 王松; 王挺侹; 李雪莲; 宋玉美; 刘百川; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及磁悬浮 电机 技术领域，具体涉及一种五 自由度 单绕组无 轴承 磁悬浮电机，包括电机 外壳 组件、 定子 、 转子 和两对磁环，所述定子同绕组内同时通入旋转 电流 和悬浮电流分量，分别用于产生主动旋转 力 矩和主动径向悬 浮力 ，实现转子径向 位置 平动的两自由度主动控制。所述电机外壳组件用于固定定子 铁 芯及第一、第二磁环，所述转子两端分别固定有第三、第四磁环，所述第一、第二磁环分别与第三、第四磁环同轴、错位配合且均采用径向充磁，提供转子径向位置偏转和轴向移动的三自由度被动控制和约束。本发明的有益效果：主、被动混合磁悬浮结构提供转子径、轴向五自由度位置控制，同时提高转子径向支承 刚度 和临界转速，改善悬浮位置控制 精度 及 稳定性 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种五自由度单绕组无轴承磁悬浮电机，其特征在于：包括定子、转子（1）、两对配合磁环和电机外壳组件，所述两对配合磁环分别为第一磁环（2）、第二磁环（14）和第三磁环（19）、第四磁环（24），所述电机外壳组件用于固定定子且所述电机外壳组件的两端分别固定有第一磁环（2）、第二磁环（14），所述转子（1）两端分别固定有第三磁环（19）、第四磁环（24），所述第一磁环（2）、第二磁环（14）分别与第三磁环（19）、第四磁环（24）同轴、错位配合并且均采用径向充磁，利用磁环间的磁斥力提供转子径向偏转二自由度及轴向移动一自由度的被动控制，所述定子包括定子绕组（7）和定子铁芯（9），所述定子绕组（7）的每相电流均包含悬浮电流分量和转矩电流分量，悬浮电流分量用于产生二自由度径向悬浮力，实现转子径向位置平动的二自由度主动控制，转矩电流分量用于产生转矩，所述定子铁芯（9）由高性能硅钢片或非晶材料叠加制成，所述电机外壳组件包括左侧盖板（3）、定子轭（10）和右侧盖板（13），所述左侧盖板（3）与第一磁环（2）采用过盈配合，所述右侧盖板（13）与第二磁环（14）采用过盈配合，所述转子（1）为永磁转子，包括转子铁芯（22），所述转子铁芯（22）两端分别与第三磁环（19）、第四磁环（24）通过螺柱和螺母连接，所述电机外壳组件还包括隔磁环Ⅰ（5）、隔磁环Ⅱ（8）和隔磁环Ⅲ（11），所述定子轭（10）作为定子铁芯（9）与隔磁环Ⅱ（8）的固定支撑结构，所述定子铁芯（9）与隔磁环Ⅱ（8）的右侧靠定子轭（10）的定位台阶进行定位，所述隔磁环Ⅱ（8）的左侧通过吊环螺栓（6）进行限位，所述左侧盖板（3）的轴向使用沉头螺栓Ⅰ（4）与隔磁环Ⅰ（5）、定子轭（10）进行螺纹连接，所述右侧盖板（13）的轴向使用沉头螺栓Ⅱ（12）与隔磁环Ⅲ（11）、定子轭（10）进行螺纹连接，所述电机外壳的上部采用吊环螺栓（6）进行限位，所述电机外壳的下部使用沉头螺栓Ⅲ（15）进行限位，所述转子铁芯（22）两侧还安装有堵头Ⅰ（28）、堵头Ⅱ（29），所述第一磁环（2）的左侧依靠左侧盖板（3）进行定位，所述第一磁环（2）的右侧依靠隔磁环Ⅰ（5）进行限位，所述第二磁环（14）的右侧依靠右侧盖板（13）进行定位，所述第二磁环（14）的左侧依靠隔磁环Ⅲ（11）进行限位，所述转子铁芯（22）左侧与堵头Ⅱ（29）之间放置有隔磁片Ⅰ（20），所述转子铁芯（22）右侧与堵头Ⅰ（28）之间放置有隔磁片Ⅱ（23）。 |
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| 说明书全文 | 一种五自由度单绕组无轴承磁悬浮电机技术领域[0001] 本发明涉及磁悬浮电机技术领域，具体为一种五自由度单绕组无轴承磁悬浮电机。 背景技术[0002] 磁悬浮电机是利用定子和转子之间的磁力作用将转子悬浮于气隙中，所以具有无摩擦、无磨损、无需润滑的特点，适用于高速、大功率场合。磁悬浮电机分为有轴承磁悬浮电机和无轴承磁悬浮电机，有轴承磁悬浮电机的悬浮力是由单独的电磁轴承提供。电磁轴承分为三种，分别是主动磁轴承、被动磁轴承和混合式磁轴承。主动磁轴承的悬浮力是由磁轴承线圈中的偏置电流提供，主动磁轴承需要单独的控制系统和备用电源，保证系统精度和可靠性，成本较高，且其悬浮磁场易对电机的旋转磁场相互干扰；被动磁轴承的悬浮力完全由永磁体提供，受永磁材料特性限制，能够提供的悬浮力不大，且当出现外部扰动时不能对悬浮力进行主动控制；混合式磁轴承中同时存在永磁体与电磁铁，永磁体提供偏置磁场，电磁线圈进行主动控制，可以降低主动磁悬浮系统因偏置电流产生的功耗，但是结构复杂，轴向尺寸过大限制了其临界转速的进一步提高。 [0003] 无轴承磁悬浮电机利用定子绕组和永磁转子实现主动悬浮控制，不再额外需要磁悬浮轴承，因此其转子尺寸更短，临界转速更高，根据定子绕组中旋转电流和悬浮电流分布的不同，又分为双绕组磁悬浮电机和单绕组磁悬浮电机。其中双绕组电机的定子中分别嵌有悬浮绕组和转矩绕组，两套绕组分别通入不同电流，产生旋转的悬浮绕组磁场和转矩绕组磁场；所以两套绕组导线尺寸均需分别按照旋转电流、悬浮电流的最大值进行匹配，导致绕组及定子槽尺寸过大而利用率不高。而单绕组磁悬浮电机结构中，定子槽内只有一套绕组，绕组内每相电流包含旋转电流与悬浮电流两个分量，分别用于产生轴向旋转力矩与径向悬浮力。在电机启动阶段，径向悬浮位置偏差大，要求悬浮电流分量很大，则绕组中的电流主要用于提供悬浮力；当电机径向位置稳定时，可以相应降低绕组中的悬浮电流分量，增大旋转电流分量，如此可以很好地控制绕组中导线的规格和定子槽的尺寸。电机整体结构更紧凑、功率密度更大、且加工制造更容易。 [0004] 而要实现悬浮电机正常工作，除旋转运动外，必须要实现转子其余五个自由度的稳定控制。《一种三自由度径向‑轴向一体化混合磁轴承》（专利申请号：CN 110848253A）提供一种径向两自由度、轴向一自由度的主动磁悬浮轴承结构，和二自由度无轴承悬浮电机结合可构成五自由度悬浮主动控制结构，但控制参数多且由于相互间存在运动耦合，控制精度差，结构复杂、轴向尺寸长，临界转速不高；《一种无推力盘的五自由度磁悬浮电机》（专利申请号：CN 111211709 ）提供一种两自由度径向悬浮无轴承电机、径向两自由度主动控制磁轴承和轴向一自由度主动控制电磁组件，实现5个自由度的主动控制，该结构中两个径向二自由度控制系统的参数差异大，且两自由度无轴承电机部分提供轴向均匀分布的悬浮力，当转子径向偏移后，该悬浮力及由于气隙不均匀产生的磁拉力会影响转子径向、轴向位置的调节，转子平衡位置的调节需要传感器数量多、主动控制参数多且高度耦合，控制精度及稳定性难以保证；《一种五自由度无轴承永磁同步电机》（专利公告号：CN 102377298A）提供一种五自由度无轴承磁悬浮电机，该电机是依靠两台锥形无轴承磁悬浮电机来满足转子径向和轴向的五自由度悬浮。由于由两台双绕组磁悬浮电机组成，成本过高，同时依然存在轴向尺寸过大、临界转速不高的问题，进一步地，两台电机的磁场易相互干扰，且转轴由两台电机同时驱动，对两个旋转磁场的同步控制提出了更高的要求。《一种无轴承永磁薄片电机》（专利申请号：CN 109347226A）由一台两自由度无轴承永磁薄片电机构成，依靠磁阻力实现其它三个自由度上的被动悬浮的电机系统，简化了系统的结构，降低了系统的成本，但是该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，导致电机的功率一般较小。 [0005] 针对现有的实现无轴承磁悬浮电机转子的五自由度稳定悬浮，同时满足整机结构简单、轴向尺寸小，控制精度高、可靠性好且能耗低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。 发明内容[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种五自由度单绕组无轴承磁悬浮电机，是由一种径向两自由度、轴向一自由度的一体式被动磁悬浮轴承结构和二自由度无轴承磁悬浮电机结合构成的五自由度悬浮控制结构，其主要结构包括：转子且转子两端处分别固定有第三磁环、第四磁环；产生主动旋转力矩和径向悬浮力的单绕组磁悬浮电机组件；以及固定上述单绕组磁悬浮电机组件和第一磁环、第二磁环的电机外壳组件，其中第一、第二磁环分别与第三、第四磁环同轴、错位配合，且采用径向充磁。 [0007] 具体地，单绕组磁悬浮电机组件包括定子绕组和定子铁芯。定子绕组嵌在定子铁芯的定子槽中，定子绕组中的电流包含悬浮电流分量和转矩电流分量。转矩电流分量用于产生旋转磁场和旋转力矩，悬浮电流分量为转子提供二自由度径向悬浮力，即所述的一种五自由度单绕组无轴承磁悬浮电机提供两个径向自由度，且悬浮电流提供的径向悬浮力均匀分布在转子表面，根据转子径向位置传感器检测其径向位置变化，依靠DSP控制器调节定子绕组悬浮电流分量，改变径向悬浮力，实现转子径向悬浮位置的主动控制。 [0008] 具体地，所述单绕组磁悬浮电机组件固定于磁悬浮电机外壳组件的定子轭上，定子轭作为隔磁环Ⅱ与单绕组磁悬浮电机组件的固定支撑结构，定子铁芯与隔磁环Ⅱ的右侧依靠定子轭的定位台阶进行定位，左侧则靠吊环螺栓或沉头螺栓Ⅲ进行限位。所述的磁悬浮电机外壳组件从左到右依次为:左侧盖板、隔磁环Ⅰ、定子轭、隔磁环Ⅲ、右侧盖板组成。在磁悬浮电机外壳组件的每部分上均沿同一圆周打上螺纹孔，通过在左右侧盖板上使用均匀分布的沉头螺栓将各部分进行螺纹连接。所述的左右侧盖板分别与隔磁环Ⅰ、隔磁环Ⅲ组成第一磁环、第二磁环的固定支撑结构，第一磁环、第二磁环的一侧分别依靠左右侧盖板的过盈配合进行限位，另一侧则分别依靠隔磁环Ⅰ、隔磁环Ⅲ进行限位。 [0009] 具体地，所述转子的主要部分由中间部分被护套包裹的转子铁芯和固定在转子两端的第三磁环、第四磁环组成。转子铁芯由高性能永磁材料制成，永磁材料的磁场与上述由转矩电流分量产生的旋转磁场配合作用，带动转子高速旋转。转子两端的第三、第四磁环分别和固定于定子轭的第一、第二磁环配合，构成两组永磁偏置轴承，提供转子径向偏转和轴向位置的三自由度被动控制。转子两端的磁环与转子铁芯的连接，主要依靠转子两端的螺柱与堵头之间螺纹连接实现。以左侧为例，第三磁环放置在螺柱Ⅰ的光杆部分，磁环左侧依靠锁紧螺母进行限位，右侧则依靠轴间定位，螺柱Ⅰ的右端与堵头Ⅱ进行螺纹连接。堵头Ⅱ与永磁体护套可采用同种材料制成，使用搅拌摩擦焊工艺，以保证转子高速旋转时转矩传递的可靠性。 [0010] 具体地，所述第一磁环、第二磁环与第三磁环、第四磁环采用同轴、错位配合固定，且所有磁环均采用径向充磁，保证第一磁环、第二磁环的内表面极性与第三磁环、第四磁环外表面的极性相同，保证产生磁斥力。所产生的磁斥力可以分解为径向与轴向的磁斥力。径向永磁斥力不但可提供径向位置偏转的二自由度被动控制，还能用于辅助上述转子径向位置平移的悬浮控制，增加径向位置平移主动控制的刚度和阻尼，提高径向悬浮位置控制的精度和稳定性，同时起到缓冲、刚度调节及断电软保护的作用。而轴向磁斥力起到轴向位置被动控制及悬浮、软限位的作用，由于轴向磁斥力的存在，减少了磁悬浮电机常用的轴向推力盘，使得转子整体的配重更加合理。可选地，可以选用电磁控制磁极来替代第一磁环、第二磁环。 [0011] 采用上述方案后，与现有技术相比，本发明具有的有益效果是： [0012] 1.本发明的优势在电机的启动阶段、正常工况、停止阶段均有体现:在单绕组磁悬浮电机启动阶段，对悬浮电流分量要求很大，但由于同轴磁环结构的存在，可提供额外的悬浮力，使得转子可以快速地达到悬浮状态，缩短电机启动时间，降低悬浮电流分量带来功耗；在单绕组磁悬浮电机正常稳定工作时，磁环结构的径向磁斥力起到辅助悬浮及增加径向运动刚度的作用，降低了悬浮电流功耗，提高位置控制精度和稳定性，当径向出现扰动时，由于磁环间的斥力作用，系统的阻尼增大，磁环结构可使得转子达到近似自稳状态，降低悬浮电流在调整转子姿态过程中带来的功耗，提升了控制性能，当存在径向偏转及轴向扰动时，磁环结构提供的径向、轴向磁斥力分量完全可以达到被动控制及稳定限位的作用；当磁悬浮电机停止工作时，由于磁斥力的缓冲作用，不至于使转子以全速状态时与定子发生碰撞，避免了因碰撞对定子、转子材料的损害，提高了电机寿命，提高电机临界转速，简化整机结构，降低成本，缩短电机轴向尺寸和启动时间，提高电机寿命并达到节能的目的。 [0013] 2.第一磁环、第二磁环的内表面与第三磁环、第四磁环的外表面均涂有耐磨材料，避免磁悬浮电机启动及停止阶段，转子与定子铁芯之间可能发生的碰撞。 [0015] 4.可以选用电磁控制磁极来替代第一磁环、第二磁环，这种方案的好处是磁斥力刚度可以实现主动控制，其次可以避免永磁体退磁造成的意外影响。在电机不工作时可以避免磁环的磁能损耗。 [0017] 图1是本发明的一种五自由度单绕组无轴承磁悬浮电机的整体结构示意图； [0018] 图2是本发明的一种五自由度单绕组无轴承磁悬浮电机转子的结构图； [0019] 图3是本发明的剖视图； [0020] 图4是本发明立体结构示意图； [0021] 其中，1、转子，2、第一磁环，3、左侧盖板，4、沉头螺栓Ⅰ，5、隔磁环Ⅰ，6、吊环螺栓，7、定子绕组，8、隔磁环Ⅱ，9、定子铁芯， 10、定子轭，11、隔磁环Ⅲ，12、沉头螺栓Ⅱ，13、右侧盖板，14、第二磁环，15、沉头螺栓Ⅲ，16、螺柱Ⅰ，17、锁紧螺母Ⅰ，18、垫片Ⅰ，19、第三磁环，20、隔磁片Ⅰ，21、永磁体护套，22、转子铁芯，23、隔磁片Ⅱ，24、第四磁环，25、垫片Ⅱ，26、锁紧螺母Ⅱ，27、螺柱Ⅱ，28、堵头Ⅰ，29、堵头Ⅱ。 具体实施方式[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做创造性劳动的前提所获得所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0023] 其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当的情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。 [0024] 如图1‑图4所示一种五自由度单绕组无轴承磁悬浮电机，其主要部分为：转子1，左侧盖板3，右侧盖板13，定子轭10，隔磁环Ⅰ5、隔磁环Ⅱ8、隔磁环Ⅲ11，定子绕组7，定子铁芯9，第一磁环2，第二磁环14。所述定子绕组7的每相电流均包含悬浮电流分量和转矩电流分量，悬浮电流分量用于产生转子径向二自由度平移悬浮力，转矩电流分量用于产生转矩。定子铁芯9由高性能硅钢片或非晶材料叠加制成。磁悬浮电机外壳由定子轭10、左侧盖板3、右侧盖板13与隔磁环Ⅰ5、隔磁环Ⅲ11组成，在左侧盖板3的轴向使用沉头螺栓Ⅰ4与隔磁环Ⅰ5、定子轭10进行螺纹连接，在右侧盖板13的轴向同样使用沉头螺栓Ⅱ12与隔磁环Ⅲ11、定子轭10进行螺纹连接。为了磁悬浮电机外壳连接紧密，在左侧盖板3外表面上均匀分布偶数个与沉头螺栓Ⅰ4统一规格的沉头螺栓，这些螺栓处于同一圆周上，均用于连接左侧盖板3、隔磁环Ⅰ5与定子扼10。右侧盖板13结构与之同理，在右侧盖板13外表面上均匀分布偶数个与沉头螺栓Ⅱ12统一规格的沉头螺栓，这些螺栓处于同一圆周上，均用于连接右侧盖板13、隔磁环Ⅲ11与定子扼10。定子轭10作为定子铁芯9与隔磁环Ⅱ8的固定支撑结构，定子铁芯9与隔磁环8的右侧靠定子轭10的定位台阶进行定位，左侧则靠吊环螺栓6进行限位。由于电机的重量过大，所以在电机的上部采用吊环螺栓6，方便移动、安装电机。在电机的下部则使用沉头螺栓Ⅲ15进行限位。左盖板3与第一磁环2采用过盈配合。第一磁环2的左侧依靠左侧盖板3进行定位，右侧则依靠隔磁环Ⅰ5进行限位。右侧盖板13与第二磁环14同样采用过盈配合，第二磁环14的右侧依靠右侧盖板13进行定位，左侧则依靠隔磁环Ⅲ11进行限位。 [0025] 具体地，转子1的主要部分由螺柱Ⅰ16、螺柱Ⅱ27，锁紧螺母Ⅰ17、锁紧螺母Ⅱ26，垫片Ⅰ18、垫片Ⅱ25，第三磁环19，第四磁环24，永磁体护套21，堵头Ⅰ28、堵头Ⅱ29，隔磁片Ⅰ20、隔磁片Ⅱ23和转子铁芯22组成。转子铁芯22由高性能永磁材料制成，且左侧与堵头Ⅱ29之间放置有隔磁片Ⅰ20，右侧与堵头Ⅰ28之间同样放置有隔磁片Ⅱ23。转子铁芯22外部有永磁体护套21包裹，两者采用过盈配合，且永磁体护套21采用钛合金制成。永磁体护套21与堵头Ⅰ28、堵头Ⅱ29采用同种材料制成，使用搅拌摩擦焊工艺，使两者成为一体，利于提高转子1高速旋转时转矩传递的可靠性。螺柱Ⅰ16、螺柱Ⅱ27的光杆部分分别用于放置第三磁环19和第四磁环24，同时与两侧堵头采用螺纹连接来传递转矩。第三磁环19的右侧依靠轴肩定位，左侧依靠锁紧螺母Ⅰ17进行限位，且锁紧螺母Ⅰ17与第三磁环19之间有垫片Ⅰ18，用于防止锁紧螺母Ⅰ17对第三磁环19材料特性的破坏，锁紧螺母Ⅱ26、垫片Ⅱ25功能与锁紧螺母Ⅰ17、垫片Ⅰ18功能一致。 [0026] 具体地，第一磁环2、第二磁环14分别与第三磁环19、第四磁环24同轴错位配合，用于产生径向和轴向的辅助悬浮，同时起到缓冲及限位作用。第一磁环2、第二磁环14与第三磁环19、第四磁环24属于同轴配合，且所有磁环均采用径向充磁，保证第一磁环2、第二磁环14的内表面极性与第三磁环19、第四磁环24外表面的极性相同，保证产生磁斥力。所产生的磁斥力可以分解为径向与轴向的磁斥力。径向磁斥力用于提供转子径向平移运动的二自由度辅助悬浮力及径向位置偏转运动的被动控制，同时起到缓冲、刚度调节和软限位作用。而轴向磁斥力起到轴向悬浮、软限位的作用，还因轴向磁斥力的存在，减少了磁悬浮电机常用的轴向推力盘，使得转子整体的配重更加合理。径向悬浮力主要由定子绕组7中的悬浮电流分量提供，且悬浮电流提供的径向悬浮力均匀分布在转子表面，根据电涡流位置传感器检测转子径向悬浮位置，依靠DSP控制器调节定子绕组中悬浮电流分量，改变径向悬浮力大小，实现转子径向悬浮位置平移的主动控制。 [0027] 具体地，由于磁悬浮电机启动、停止阶段，转子1与定子铁芯9可能会不断碰撞，第一磁环2、第二磁环14的内表面与第三磁环19、第四磁环24的外表面涂有耐磨材料，防止系统失效，起到了转子机械限位及保护的作用。 [0028] 具体地，由于第三磁环、第四磁环在转子1上形成了轴肩，所以避免了转子1与定子铁芯9在不正常工作时的直接接触，从而避免了因为碰撞对转子1的转子铁芯22材料的磁性的不良影响，进而提高了电机的寿命。 [0029] 具体地，可以选用电磁控制磁极来替代第一磁环2、第二磁环14，这种方案的好处是磁斥力刚度可以实现主动控制，其次可以避免永磁体退磁造成的意外影响。在电机不工作时可以避免磁环的磁能损耗。 [0030] 具体地，隔磁环Ⅰ5、隔磁环Ⅲ11避免两侧磁环产生的磁场对径向二自由度单绕组磁悬浮电机的旋转磁场与转矩磁场的干扰。隔磁环Ⅱ8的作用是防止旋转磁场与转矩磁场的漏磁。 [0031] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 |
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