一種集成化的五自由度磁懸浮電機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種集成化的五自由度磁懸浮電機，包括定子、轉子鐵芯，轉子鐵芯的軸向部分兩端對應設置有轉子永磁體；定子包括左側電機鐵芯、右側電機鐵芯；左側環(huán)形永磁體、右側環(huán)形永磁體；左側軸向控制鐵芯、右側軸向控制鐵芯；左側軸向控制鐵芯與右側軸向控制鐵芯之間設置有隔磁鋁環(huán)；左側電機鐵芯、右側電機鐵芯的定子槽內沿徑向外層分別繞制懸浮控制繞組，內層分別繞制轉矩繞組；左側軸向控制鐵芯、右側軸向控制鐵芯均呈E形結構，定子槽內分別繞制軸向控制繞組；本發(fā)明有效解決了現有五自由度磁懸浮電機的不足，提供一種結構緊湊，控制、制造與裝配簡單，體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉速高，徑向帶負載能力強，轉速和輸出功率高的一種高度集成化五自由度磁懸浮電機。
【專利說明】
-種集成化的五自由度磁懸浮電機
技術領域
[0001 ]本發(fā)明設及電機制造技術領域，具體設及一種結構緊湊，控制、制造與裝配簡單， 體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉速高，鐵忍利用率高，徑向和軸向帶負載能力強，系統 轉速和輸出功率高的一種高度集成化的五自由度磁懸浮電機。
【背景技術】
[0002] 磁懸浮電機在產生轉矩的同時，也產生使轉子穩(wěn)定懸浮的徑向力，是定、轉子之間 沒有任何機械接觸的一種新型高性能電機。由于定、轉子之間不存在機械接觸，所W磁懸浮 電機轉子可達到很高的運行轉速，并且具有無機械磨損、能耗低、壽命長、無需潤滑、無污染 等優(yōu)點，特別適合應用于高速或超高速直接驅動領域。
[0003] 要實現定、轉子之間無機械接觸，必須在五個自由度上對轉子施加控制力。五自由 度磁懸浮電機有多種結構形式，主要分為W下幾種結構:?.由一個軸向單自由度磁軸承、 兩個徑向兩自由度磁軸承和一個高速電機單元組成。鷄.由一個徑向-軸向S自由度磁軸 承、一個徑向兩自由度磁軸承和高速電機單元組成。速.由一個軸向單自由度磁軸承、一個 徑向兩自由度磁軸承和一個徑向兩自由度無軸承電機組成。隱.兩個徑向兩自由度無軸承 電機、一個軸向單自由度磁軸承組成?？?由一個徑向兩自由度無軸承電機和一個軸向-徑 向S自由度磁軸承組成。
[0004] 不論采用上述哪一種結構形式，全部是用多個獨立單元，沿著軸向組合而成，導致 軸向長度長，臨界轉速低，體積大，控制復雜，且徑向帶負載能力差，系統轉速和輸出功率 低，嚴重制約了磁懸浮驅動系統的工業(yè)應用進展。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種集成化的五自由度磁懸浮電機，本發(fā)明有效 解決了現有五自由度磁懸浮電機的不足，提供一種結構緊湊，控制、制造與裝配簡單，體積 小，重量輕，軸向長度短，臨界轉速高，徑向帶負載能力強，轉速和輸出功率高的一種高度集 成化五自由度磁懸浮電機。
[0006] 本發(fā)明通過W下技術方案實現： 一種集成化的五自由度磁懸浮電機，包括定子、轉子鐵忍(8)，其特征在于:所述轉子鐵 忍(8)包括軸向部分、徑向部分，軸向部分兩端對應設置有轉子永磁體(20、21)，整體呈十字 狀;所述定子包括沿轉子鐵忍(8)的軸向部分，并W轉子鐵忍(8)的徑向部分為對稱中屯、，依 次對稱設置的左側電機鐵忍（1)、右側電機鐵忍(7);左側環(huán)形永磁體(2)、右側環(huán)形永磁體 (6) ;左側軸向控制鐵忍(3)、右側軸向控制鐵忍巧）；左側軸向控制鐵忍(3)與右側軸向控制 鐵忍（5)之間設置有隔磁侶環(huán)(4);左側電機鐵忍（1)、右側電機鐵忍（7)的定子槽內沿徑向 外層分別繞制懸浮控制繞組(9、11)，內層分別繞制轉矩繞組（10、12);左側軸向控制鐵忍 (3)、右側軸向控制鐵忍(5)均呈E形結構，定子槽內分別繞制軸向控制繞組(15)。
[0007] 本發(fā)明進一步技術改進方案是： 所述左側軸向控制鐵忍(3)、右側軸向控制鐵忍(5)分別均由上下位置設置的吸力圓盤 (13、16;17、19似及中間位置設置的控制圓盤(14、18)構成，軸向控制繞組（15)繞制于吸力 圓盤(13、16; 17、19)與控制圓盤(14、18)之間。
[0008]本發(fā)明進一步技術改進方案是： 所述控制圓盤(14、18)與轉子鐵忍(8)徑向部分之間的氣隙長度大于吸力圓盤(13、16; 17、19)與轉子鐵忍（8)徑向部分之間的氣隙長度，且吸力圓盤（13、16; 17、19)與轉子鐵忍
[8] 徑向部分之間的氣隙長度小于左側軸向控制鐵忍(3)、右側軸向控制鐵忍(5)與轉子鐵 忍(8)軸向部分之間的氣隙長度。
[0009] 本發(fā)明進一步技術改進方案是： 所述左側環(huán)形永磁體(2 )、右側環(huán)形永磁體(6)均為軸向充磁的環(huán)形永磁體，在五個自 由度上產生偏置磁通。
[0010] 本發(fā)明進一步技術改進方案是： 所述隔磁侶環(huán)(4)由整塊侶材制成，將左右兩側磁路相隔開，且減少漏磁。
[0011] 本發(fā)明進一步技術改進方案是： 所述左側電機鐵忍（1)、右側電機鐵忍(7)、左側軸向控制鐵忍(3)、右側軸向控制鐵忍 (5)、轉子鐵忍(8)均采用具有良好軸向和徑向導磁性能的材料制成。
[0012] 本發(fā)明進一步技術改進方案是： 所述左側環(huán)形永磁體(2 )、右側環(huán)形永磁體(6 )、轉子永磁體(20、21)均為稀±永磁材 料制成。
[0013] 本發(fā)明與現有技術相比，具有W下明顯優(yōu)點： 一、 本發(fā)明五自由度磁懸浮電機，由定子和轉子組成，實現轉子在五個自由度上穩(wěn)定懸 浮與旋轉，結構緊湊，體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉速高，鐵忍利用率高，系統轉速和 輸出功率高； 二、 本發(fā)明高度集成化的五自由度磁懸浮電機由兩個軸向磁化的環(huán)形永磁體給左右兩 側電機鐵忍和左右軸向控制鐵忍提供偏置磁通，而左、右側電機懸浮控制繞組產生徑向控 制磁通，軸向控制繞組通電產生軸向控制磁通，由控制磁通調節(jié)相對應位置的偏置磁通，保 證定、轉子之間軸向和徑向氣隙均勻，實現轉子五自由度穩(wěn)定懸浮； =、本發(fā)明采用隔磁侶環(huán)將左右兩側磁路相互隔離，保證控制磁通不經過永磁體，且減 少漏磁，可產生較大的軸向和徑向懸浮力、低功耗、控制簡單。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明集成化的五自由度磁懸浮電機結構示意圖； 圖2為本發(fā)明集成化的五自由度磁懸浮電機磁路示意圖。
【具體實施方式】
[0015] 本發(fā)明基于的原理是：由軸向磁化的左側環(huán)形永磁體2給左側電機提供左側偏置 磁通22，左側電機懸浮控制繞組9產生的左側控制磁通30起調節(jié)作用;軸向磁化的左側環(huán)形 永磁體2給左側軸向控制鐵忍3提供左側軸向偏置磁通23和24,軸向控制繞組15產生的左側 軸向控制磁通25起調節(jié)作用；軸向磁化的右側環(huán)形永磁體6給右側電機提供右側偏置磁通 26,右側電機懸浮控制繞組11產生的右側控制磁通31起調節(jié)作用；軸向磁化的右側環(huán)形永 磁體6給右側軸向控制鐵忍5提供右側軸向偏置磁通27和28,軸向控制繞組15產生的右側軸 向控制磁通29起調節(jié)作用；通過五個自由度上的位移閉環(huán)控制，實現轉子在徑向和軸向五 自由度上穩(wěn)定懸浮，左側電機轉矩繞組10、右側電機轉矩繞組12產生的磁通與相對應的轉 子永磁體20、21磁通相互作用產生旋轉轉矩；隔磁侶環(huán)4將左右側的偏置磁通相互隔開，減 小漏磁，保證磁路的正確性。
[0016] 如圖1、2所示，本發(fā)明由定子和轉子組成，定子包括：左側電機鐵忍1、左側環(huán)形永 磁體2、左側軸向控制鐵忍3、隔磁侶環(huán)4、右側軸向控制鐵忍5、右側環(huán)形永磁體6、右側電機 鐵忍7,轉子鐵忍8包括軸向部分和徑向部分，在其軸向部分兩端，分別在左、右側電機鐵忍 1、7的對應位置處貼有永磁體20、21; 左側電機鐵忍1做成電機定子槽型結構，槽分兩層，外層嵌入懸浮控制繞組9,內層嵌入 轉矩繞組10,右側電機鐵忍7也做成電機定子槽型結構，槽分兩層，外層嵌入懸浮控制繞組 11，內層嵌入轉矩繞組12，懸浮控制繞組9分成X方向和Y方向控制繞組，X方向控制繞組由繞 組 Lxi、Lx2、Lx3、Lx4、Lx日、Lx6、Lx7、Lxs、Lx9、Lxio、Lxii、Lx12 串聯而成，通電形成兩極磁場，Y方向控 制繞組由繞組Lyi、Ly2、Ly3、Ly4、Ly日、Ly6、Ly7、Lys、Ly9、Lyio、Lyii、Lyi2串聯而成，通電形成兩極磁 場;懸浮控制繞組11也分成X方向和Y方向控制繞組，X方向控制繞組由繞組Rxi、Rx2、Rx3、Rx4、 Rx5、Rx6、Rx7、Rx8、Rx9、Rxio、Rxii、Rxi2串聯而成，通電形成兩極磁場，Y方向控制繞組由繞組Ryi、 Ry2、Ry3、Ry4、Rys、Ry6、Ry7、Rys、Ry9、Ryio、Ryii、Ryi2 串聯而成，通電形成兩極磁場;轉矩繞組 10、12 通電形成的磁場極對數與轉子永磁體20、21磁場極對數相同，按照常規(guī)電機繞組繞制即可， 且轉矩繞組1〇、12磁場極對數需大于等于3; 左側軸向控制鐵忍3做成E型結構，中間為控制圓盤14,上、下位置是吸力圓盤13和16， 右側軸向控制鐵忍5也做成E型結構，中間為控制圓盤18,上、下位置是吸力圓盤17和19,在 吸力圓盤13、16; 17、19和控制圓盤14、18之間嵌入軸向控制繞組15,軸向控制繞組15由如圖 1所示的四個繞組相互串聯而成。控制圓盤14、18與轉子鐵忍8的徑向部分之間的氣隙長度 大于吸力圓盤13、16;17、19與轉子鐵忍8的徑向部分之間的氣隙長度，且吸力圓盤13、16; 17、19與轉子鐵忍8的徑向部分之間的氣隙長度小于左側軸向控制鐵忍3和右側軸向控制鐵 忍5與轉子鐵忍8的軸向部分之間的氣隙長度。左側環(huán)形永磁體2安裝在左側電機鐵忍1和左 側軸向控制鐵忍3之間；隔磁侶環(huán)4安裝在左側軸向控制鐵忍3和右側軸向控制鐵忍5之間； 右側環(huán)形永磁體6安裝在右側軸向控制鐵忍5和右側電機鐵忍7之間。左側電機鐵忍1、左側 軸向控制鐵忍3、右側軸向控制鐵忍5、右側電機鐵忍7和轉子鐵忍8由軸向和徑向導磁性能 良好的材料制成。集成化五自由度磁懸浮電機是由W上各部分沿著軸向疊裝而成，上述的 集成化五自由度磁懸浮電機可實現轉子穩(wěn)定懸浮與旋轉。
[0017] 本發(fā)明方案所公開的技術手段不僅限于上述實施方式所公開的技術手段，還包括 由W上技術特征任意組合所組成的技術方案。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也視為 本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種集成化的五自由度磁懸浮電機，包括定子、轉子鐵芯(8)，其特征在于:所述轉子 鐵芯(8)包括軸向部分、徑向部分，軸向部分兩端對應設置有轉子永磁體(20、21);所述定子 包括沿轉子鐵芯(8 )的軸向部分，并以轉子鐵芯(8 )的徑向部分為對稱中心，依次對稱設置 的左側電機鐵芯（1 )、右側電機鐵芯(7);左側環(huán)形永磁體(2 )、右側環(huán)形永磁體(6);左側軸 向控制鐵芯(3 )、右側軸向控制鐵芯(5);左側軸向控制鐵芯(3)與右側軸向控制鐵芯(5)之 間設置有隔磁鋁環(huán)(4);左側電機鐵芯（1)、右側電機鐵芯(7)的定子槽內沿徑向外層分別繞 制懸浮控制繞組(9、11 )，內層分別繞制轉矩繞組（10、12);左側軸向控制鐵芯(3)、右側軸向 控制鐵芯(5)均呈E形結構，定子槽內分別繞制軸向控制繞組(15)。2. 根據權利要求1所述的一種集成化的五自由度磁懸浮電機，其特征在于:所述左側軸 向控制鐵芯(3)、右側軸向控制鐵芯(5)分別均由上下位置設置的吸力圓盤（13、16;17、19) 以及中間位置設置的控制圓盤（14、18)構成，軸向控制繞組（15)繞制于吸力圓盤（13、16; 17、19)與控制圓盤(14、18)之間。3. 根據權利要求2所述的一種集成化的五自由度磁懸浮電機，其特征在于:所述控制圓 盤(14、18)與轉子鐵芯(8)徑向部分之間的氣隙長度大于吸力圓盤(13、16; 17、19)與轉子鐵 芯（8)徑向部分之間的氣隙長度，且吸力圓盤（13、16; 17、19)與轉子鐵芯（8)徑向部分之間 的氣隙長度小于左側軸向控制鐵芯(3)、右側軸向控制鐵芯(5)與轉子鐵芯(8)軸向部分之 間的氣隙長度。4. 根據權利要求1或2所述的一種集成化的五自由度磁懸浮電機，其特征在于:所述左 側環(huán)形永磁體(2 )、右側環(huán)形永磁體(6)均為軸向充磁的環(huán)形永磁體，在五個自由度上產生 偏置磁通。5. 根據權利要求1或2所述的一種集成化的五自由度磁懸浮電機，其特征在于:所述隔 磁鋁環(huán)(4)由整塊鋁材制成，將左右兩側磁路相隔開，且減少漏磁。6. 根據權利要求1或2所述的一種集成化的五自由度磁懸浮電機，其特征在于:所述左 側電機鐵芯（1 )、右側電機鐵芯(7 )、左側軸向控制鐵芯(3 )、右側軸向控制鐵芯(5 )、轉子鐵 芯(8)均采用具有良好軸向和徑向導磁性能的材料制成。7. 根據權利要求4所述的一種集成化的五自由度磁懸浮電機，其特征在于:所述左側環(huán) 形永磁體(2 )、右側環(huán)形永磁體(6 )、轉子永磁體(20、21)均為稀土永磁材料制成。
【文檔編號】H02N15/00GK105978295SQ201610399395
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】張濤, 莫麗紅, 張晨, 倪偉, 丁衛(wèi)紅, 葉小婷, 張惠萍
【申請人】淮陰工學院