一种外绕组控制的两自由度无轴承开关磁阻电机

技术领域

本发明涉及无轴承电机制造技术领域，具体涉及一种外绕组控制的两自由度无轴承开关磁阻电机。

背景技术

无轴承电机是上世纪80年代末发展起来的新型高速特种电机，无轴承电机主要分为磁阻型、感应型和无轴承开关磁阻电机三种，与其他两种相比，无轴承开关磁阻电机转子无永磁体，结构简单，转子强度高，且无感应型无轴承电机存在的转子复杂的感应磁场对悬浮和旋转的影响，是最具有工业应用前景的一种无轴承电机。

传统的无轴承开关磁阻电机是将转矩绕组和悬浮绕组一起绕制在电机定子齿上，通电产生转矩绕组磁场和悬浮绕组磁场，且转矩绕组磁场极对数P_M和悬浮绕组磁场极对数P_B之间必须满足P_M=P_B±1的关系，才能够产生稳定可控的径向悬浮力，转矩由转矩绕组磁场经过定转子齿形成的磁阻力产生，悬浮力由悬浮绕组磁场和转矩绕组磁场相互作用产生。因此，该种无轴承开关磁阻电机存在两个缺点，一、悬浮力和转矩之间的解耦控制极为复杂，要体现其技术优势，必须采用高性能控制算法，而这些算法在工业实现上难度较大或者成本较高，限制其工业应用进程；二、悬浮绕组占用了转矩绕组定子槽空间，造成无轴承开关磁阻电机转矩约为开关磁阻电机转矩的一半。

发明内容

本发明的目的是提出一种结构紧凑，悬浮力和转矩无耦合，可产生更大转矩和悬浮力的外绕组控制的两自由度无轴承开关磁阻电机。

本发明通过以下技术方案实现：

一种外绕组控制的两自由度无轴承开关磁阻电机，包括定子和转子，所述转子的边部设置有转子齿，所述定子由外绕组、转矩绕组、隔磁体、转矩齿、悬浮齿、控制铁心和定子铁心组成；所述定子铁心包括分布在转子径向外侧同一圆周上x方向和y方向的四个悬浮齿，以及连接相邻两个悬浮齿的隔磁体，所述隔磁体与悬浮齿的外侧对齐，所述悬浮齿由永磁片和对称连接于永磁片两侧的导磁片沿转子的轴向层叠而成，所述隔磁体内壁连接有转矩齿，所述悬浮齿和转矩齿与转子齿间隔设置形成径向工作气隙，所述转矩齿上绕制有转矩绕组；所述外绕组包括连接x方向两个悬浮齿构成两条x方向对称闭合路径的x方向控制铁心，以及连接y方向两个悬浮齿构成两条y方向对称闭合路径的y方向控制铁心，所述x方向控制铁心和y方向控制铁心上分别绕制有悬浮绕组。

本发明的进一步方案是，所述悬浮齿的齿宽大于转矩齿的齿宽，且悬浮齿的齿宽大于电机一个极距。

本发明的进一步方案是，所述悬浮绕组和转矩绕组均为集中式绕组，其中转矩绕组分为多相结构。

本发明与现有技术相比的优点在于：

在定子铁心x和y方向处设置四个悬浮齿，其他位置均匀设置转矩齿，转矩齿通过隔磁材料与悬浮齿相连，转矩齿上绕制集中的转矩绕组，由永磁片和对称连接于永磁片两侧的导磁片沿转子的轴向层叠

而成，永磁片产生的偏置磁通经过导磁片、径向工作气隙和转子形成闭合路径，悬浮绕组通电产生的悬浮控制磁通分别调节偏置磁通，使气隙一侧的磁场增强，而相反方向磁场减弱，产生指向磁场增强方向的悬浮力，安装位移传感器建立径向位移闭环控制系统，实现转子径向两自由度稳定悬浮；转矩齿通过隔磁材料与电机定子铁心连为一体，转矩绕组磁场和悬浮磁场经过不同的磁路形成闭合路径，且转矩绕组磁场极对数P_M和悬浮绕组磁场极对数P_B之间无需满足P_M=P_B±1关系，转矩和悬浮力无耦合，控制简单，易于实现；悬浮绕组还不占用电机径向空间，可绕制更多的转矩绕组，该电机可产生更大的转矩和功率输出。

附图说明

图1为本发明的轴向结构示意图。

图2为本发明的斜视图。

图3为本发明的左视图。

图4为本发明的右视图。

图5为本发明的正视图。

图6为本发明的定转子铁心偏置磁通和悬浮磁通左视图。

图7为本发明的定转子铁心偏置磁通和悬浮磁通右视图。

图8为本发明的轴向剖视图。

图9为本发明的A相转矩绕组连接图。

图10为本发明的B相转矩绕组接线图。

具体实施方式

如图1~5所示的一种外绕组控制的两自由度无轴承开关磁阻电机，包括定子和转子9，所述转子9的边部均匀设置有14个转子齿。

所述定子由外绕组、转矩绕组、隔磁体、转矩齿、悬浮齿、控制铁心和定子铁心组成；所述定子铁心包括分布在转子9径向外侧同一圆周上x方向和y方向的四个悬浮齿，以及连接相邻两个悬浮齿的弧形的隔磁体5，所述隔磁体5的厚度与悬浮齿厚度相等；所述悬浮齿由永磁片6和对称连接于永磁片6两侧的导磁片8沿转子9的轴向层叠而成，所述隔磁体5内壁设置有插槽，该插槽中嵌有基片，该基片上设置有两个沿转子9径向延伸的转矩齿7，两个转矩齿7均匀分布在两个悬浮齿之间，转矩齿7与基片是一体成型结构；所述悬浮齿的齿宽大于转矩齿7的齿宽，且悬浮齿的齿宽大于电机一个极距，所述悬浮齿和转矩齿7与转子齿间隔设置形成径向工作气隙，所述转矩齿7上绕制有转矩绕组10，所述悬浮绕组和转矩绕组10均为集中式绕组，其中转矩绕组10分为两相结构；所述外绕组包括左侧x方向控制铁心3、右侧x方向控制铁心11、左侧y方向控制铁心1、右侧y方向控制铁心13，以及分别绕制在左侧x方向控制铁心3、右侧x方向控制铁心11、左侧y方向控制铁心1、右侧y方向控制铁心13上的左侧x方向悬浮绕组4、右侧x方向悬浮绕组12、左侧y方向悬浮绕组2、右侧y方向悬浮绕组14，所述左侧x方向控制铁心3、右侧x方向控制铁心11的端部分别连接x方向两个悬浮齿的左侧面、右侧面，构成两条x方向对称闭合路径，所述左侧y方向控制铁心1、右侧y方向控制铁心13的端部分别连接y方向两个悬浮齿的左侧面、右侧面，构成两条y方向对称闭合路径。

图2所述左侧x方向控制铁心3、右侧x方向控制铁心11、左侧y方向控制铁心1、右侧y方向控制铁心13、左侧x方向悬浮绕组4、右侧x方向悬浮绕组12、左侧y方向悬浮绕组2、右侧y方向悬浮绕组14、悬浮齿、转矩齿7、隔磁体5、转矩绕组10叠压。

所述转子齿、转矩齿7数量可调。

悬浮原理是：

以产生+y方向径向悬浮力为例，如图6~8所示，位于+y方向和-y方向的永磁片6分别产生+y方向偏置磁通18、-y方向偏置磁通19，其中+y方向偏置磁通18从+y方向永磁片6的N极出发，经+y方向的左侧的导磁片8、左侧径向工作气隙、右侧的导磁片8回到+y方向永磁片6的S极，形成闭合路径；-y方向偏置磁通19经-y方向的左侧的导磁片8、左侧径向工作气隙、右侧的导磁片8回到-y方向永磁片6的S极，形成闭合路径。

左侧y方向悬浮绕组2、右侧y方向悬浮绕组14通电分别产生左侧y方向悬浮控制磁通17、右侧y方向悬浮控制磁通16，左侧y方向悬浮控制磁通17、右侧y方向悬浮控制磁通16共同调节+y方向偏置磁通18、-y方向偏置磁通19，使+y方向的气隙磁场叠加而增强，‒y方向的气隙磁场叠加而减弱，从而产生指向气隙磁场增强方向的悬浮力，即指向+y方向。要产生‒y方向的悬浮力，仅需将左侧y方向悬浮绕组2、右侧y方向悬浮绕组14电流反向即可。

x方向的悬浮力根据相同原理产生。

根据现有技术，在定子上安装径向位移传感器，或者通过无位移传感器算法，检测和辨识转子径向位移信号，建立径向位移闭环控制，可实现转子两自由度稳定悬浮。

旋转原理是：将转矩齿7上的转矩绕组10分为多相结构，以两相为例，如图8和图9所示，分别对A相和B相先后通电，转矩绕组磁场在转矩齿和转子齿之间形成闭合路径，产生磁阻力，产生转矩，实现转子旋转。

这种外绕组控制的两自由度无轴承开关磁阻电机是将轴向充磁的永磁片将四个悬浮齿分为左右两部分，建立偏置磁通，电机的定子上只有转矩绕组，悬浮绕组设置在外侧的控制铁心上。定子铁芯、转子铁芯均由轴向和径向导磁性能良好的材料制成，永磁片采用轴向磁化、磁性能良好的稀土永磁体或铁氧体永磁体，悬浮绕组、转矩绕组均采用导电良好的电磁线圈绕制后侵漆烘干而成。