[发明专利]一种无轴承永磁薄片电机

说明书

技术领域

本发明是一种无轴承永磁同步电机，具体是一种无轴承永磁薄片电机，适用于密封泵、高速或超高速数控机床、工业机器人、航空航天、生命科学等众多特殊电气传动领域，其无接触、无需润滑及无磨损等特点，特别适用于生命科学、真空技术、半导体加工、洁净室、无菌车间以及腐蚀性介质或无接触、无污染液体介质的传输等特殊场合。

背景技术

无轴承永磁同步电机是一类将磁轴承的功能集成在永磁同步电机本体内部的新型电机，它既具有磁轴承无接触、无需润滑、寿命长等优点，又具有永磁同步电机功率因数高、功率密度大等特点。无轴承永磁同步电机要实现除旋转自由度外的五自由度完全悬浮，通常需要由两个二自由度无轴承永磁同步电机单元与一个轴向磁轴承或者一个三自由度磁轴承与一个两自由度无轴承永磁同步电机单元构成，电机机械结构相对比较复杂；由于磁轴承的存在，使电机转子轴向很长，电机转子临界转速受到很大限制，难以发挥其高速或超高速的特性。

为了充分利用无轴承永磁同步电机无接触、无需润滑、寿命长、功率因数高与功率密度大等特点，并使其实用化，在原有无轴承永磁同步电机的基础上设计了结构紧凑、简单、体积小且实用化程度较高的无轴承交替极薄片电机和单绕组无轴承永磁薄片电机。其中，交替极无轴承永磁薄片电机由硅钢片叠压而成的定子、嵌套在定子槽中的转矩绕组与悬浮力绕组以及薄片转子构成，薄片转子可同轴悬浮于定子机械中心，薄片转子采用永磁体与铁心交替分布的内插式结构，这种结构能够实现悬浮力与转矩控制的完全解耦，但由于薄片转子上磁极较多且采用内插式结构，使得电机内磁场分析较困难、永磁体厚度与大小设计复杂，且内插式的结构大大降低了转子的临界速度，同时由于电机极数与定子槽数较多，绕组安装较困难；单绕组无轴承永磁薄片电机采用6齿式定子与两极表贴式永磁薄片转子的结构，薄片转子与定子同轴位于定子机械中心，只是在定子的6个齿上只绕有一套集中式绕组，这种绕组结构的电机虽然在结构上可节省一定的空间，但在工作时由于只由一套绕组电流同时产生悬浮力与电磁转矩，使得该电机的控制系统复杂，调试困难。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的缺陷，提供一种结构紧凑、简单、能降低制造成本与加工难度、降低控制系统的复杂程度、提高实用性、提高动态工作性能的无轴承永磁薄片电机。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：具有一个定子和与定子同轴的一个薄片转子。薄片转子位于定子轴向上段的内腔中，薄片转子为径向平行充磁的S、N两极永磁体，定子由沿圆周方向均匀分布在薄片转子之外的6个定子铁心柱组成，每个定子铁心柱内径与薄片转子外径之间都具有相同的径向气隙；在定子轴向上段，每两个定子铁心柱的正中间各设置一个径向位移传感器探头，6个径向位移传感器探头沿薄片转子的圆周方向均匀分布，每个径向位移传感器探头与薄片转子之间的径向距离均与径向气隙相同；薄片转子的正下部设置霍尔传感器；在定子轴向中段，每个定子铁心柱上均套有悬浮力绕组和转矩绕组，定子底部固定有同轴的铁心磁轭，铁心磁轭与每个定子铁心柱底端均紧贴在一起。所有的定子铁心柱与铁心磁轭均采用硅钢片叠压而成。

进一步地，在定子的轴向上段，薄片转子外同轴间隙套有环形的顶部硬塑支架，6个定子铁心柱与6个径向位移传感器探头均镶嵌在顶部硬塑支架中，顶部硬塑支架内径与定子内径相同，顶部硬塑支架外径则大于定子外径；在定子的轴向下段以及绕组下部位置的定子外同轴紧密套有一个底部硬塑支架。

在顶部硬塑支架和底部硬塑支架之外同轴紧密套有一个钢制散热机壳，钢制散热机壳的底端面上密封连接钢制底盘，定子底面、底部硬塑支架底面、铁心磁轭底面均与钢制底盘顶面贴合在一起；钢制散热机壳顶面连接环形的钢制顶盘，定子顶面与钢制顶盘底面贴合在一起。

本发明的优点在于：

1．本发明采用了六个铁心柱，两套绕组分上下层绕在六个铁心柱上的结构，减小了电机的径向长度，使电机机械结构更加紧凑、合理、简单、实用，克服了单绕组无轴承永磁薄片电机结构简单但控制系统过于复杂的缺陷。

2．本发明采用了两极的永磁薄片转子，使转子磁场检测简单、可靠，可运用基于转子磁场定向控制策略，可以实现径向位移控制子系统和速度控制子系统非线性动态解耦控制，控制方法容易实现，可移植性强，同时摆脱了交替极无轴承永磁薄片电机设计与制造困难、转子临界转速低的缺陷。