專利名稱：一種無軸承永磁薄片電機的制作方法
技術領域：
本發明是一種無軸承永磁同步電機，具體是一種無軸承永磁薄片電機，適用于密封泵、高速或超高速數控機床、工業機器人、航空航天、生命科學等眾多特殊電氣傳動領域，其無接觸、無需潤滑及無磨損等特點，特別適用于生命科學、真空技術、半導體加工、潔凈室、無菌車間以及腐蝕性介質或無接觸、無污染液體介質的傳輸等特殊場合。
背景技術：
無軸承永磁同步電機是一類將磁軸承的功能集成在永磁同步電機本體內部的新型電機，它既具有磁軸承無接觸、無需潤滑、壽命長等優點，又具有永磁同步電機功率因數高、功率密度大等特點。無軸承永磁同步電機要實現除旋轉自由度外的五自由度完全懸浮，通常需要由兩個二自由度無軸承永磁同步電機單元與一個軸向磁軸承或者一個三自由度磁軸承與一個兩自由度無軸承永磁同步電機單元構成，電機機械結構相對比較復雜；由于磁軸承的存在，使電機轉子軸向很長，電機轉子臨界轉速受到很大限制，難以發揮其高速或超聞速的特性。為了充分利用無軸承永磁同步電機無接觸、無需潤滑、壽命長、功率因數高與功率密度大等特點，并使其實用化，在原有無軸承永磁同步電機的基礎上設計了結構緊湊、簡單、體積小且實用化程度較高的無軸承交替極薄片電機和單繞組無軸承永磁薄片電機。其中，交替極無軸承永磁薄片電機由硅鋼片疊壓而成的定子、嵌套在定子槽中的轉矩繞組與懸浮力繞組以及薄片轉子構成，薄片轉子可同軸懸浮于定子機械中心，薄片轉子采用永磁體與鐵心交替分布的內插式結構，這種結構能夠實現懸浮力與轉矩控制的完全解耦，但由于薄片轉子上磁極較多且采用內插式結構，使得電機內磁場分析較困難、永磁體厚度與大小設計復雜，且內插式的結構大大降低了轉子的臨界速度，同時由于電機極數與定子槽數較多，繞組安裝較困難；單繞組無軸承永磁薄片電機采用6齒式定子與兩極表貼式永磁薄片轉子的結構，薄片轉子與定子同軸位于定子機械中心，只是在定子的6個齒上只繞有一套集中式繞組，這種繞組結構的電機雖然在結構上可節省一定的空間，但在工作時由于只由一套繞組電流同時產生懸浮力與電磁轉矩，使得該電機的控制系統復雜，調試困難。

發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的缺陷，提供一種結構緊湊、簡單、能降低制造成本與加工難度、降低控制系統的復雜程度、提高實用性、提高動態工作性能的無軸承永磁薄片電機。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是具有一個定子和與定子同軸的一個薄片轉子。薄片轉子位于定子軸向上段的內腔中，薄片轉子為徑向平行充磁的S、N兩極永磁體，定子由沿圓周方向均勻分布在薄片轉子之外的6個定子鐵心柱組成，每個定子鐵心柱內徑與薄片轉子外徑之間都具有相同的徑向氣隙；在定子軸向上段，每兩個定子鐵心柱的正中間各設置一個徑向位移傳感器探頭，6個徑向位移傳感器探頭沿薄片轉子的圓周方向均勻分布，每個徑向位移傳感器探頭與薄片轉子之間的徑向距離均與徑向氣隙相同；薄片轉子的正下部設置霍爾傳感器；在定子軸向中段，每個定子鐵心柱上均套有懸浮力繞組和轉矩繞組，定子底部固定有同軸的鐵心磁軛，鐵心磁軛與每個定子鐵心柱底端均緊貼在一起。所有的定子鐵心柱與鐵心磁軛均采用硅鋼片疊壓而成。進一步地，在定子的軸向上段，薄片轉子外同軸間隙套有環形的頂部硬塑支架，6個定子鐵心柱與6個徑向位移傳感器探頭均鑲嵌在頂部硬塑支架中，頂部硬塑支架內徑與定子內徑相同，頂部硬塑支架外徑則大于定子外徑；在定子的軸向下段以及繞組下部位置的定子外同軸緊密套有一個底部硬塑支架。在頂部硬塑支架和底部硬塑支架之外同軸緊密套有一個鋼制散熱機殼，鋼制散熱機殼的底端面上密封連接鋼制底盤，定子底面、底部硬塑支架底面、鐵心磁軛底面均與鋼制底盤頂面貼合在一起；鋼制散熱機殼頂面連接環形的鋼制頂盤，定子頂面與鋼制頂盤底面貼合在一起。本發明的優點在于1.本發明采用了六個鐵心柱，兩套繞組分上下層繞在六個鐵心柱上的結構，減小了電機的徑向長度，使電機機械結構更加緊湊、合理、簡單、實用，克服了單繞組無軸承永磁薄片電機結構簡單但控制系統過于復雜的缺陷。2.本發明采用了兩極的永磁薄片轉子，使轉子磁場檢測簡單、可靠，可運用基于轉子磁場定向控制策略，可以實現徑向位移控制子系統和速度控制子系統非線性動態解耦控制，控制方法容易實現，可移植性強，同時擺脫了交替極無軸承永磁薄片電機設計與制造困難、轉子臨界轉速低的缺陷。3.利用無軸承永磁薄片電機本身所具有的磁阻力實現了薄片轉子軸向平移與前后、左右翻轉運動三個自由度的被動懸浮控制，減少了數字控制系統硬件及控制系統軟件復雜程度；在相同功率或支承力下，大大縮小了電機轉子軸向長度，使得相同體積下系統功率更高，懸浮力更大。


圖1為本發明無軸承永磁薄片電機的結構主視圖及磁通示意 圖2為圖1中B-B向剖視 圖3為本發明無軸承永磁薄片電機中薄片轉子的懸浮控制原理示意 圖中1.薄片轉子硬塑托盤；2.轉矩繞組；3.定子；4.底部硬塑支架；5.鋼制散熱機殼；6.薄片轉子；8.頂部硬塑支架；9.徑向懸浮力繞組；10.鋼制底盤；11.底部鐵心磁軛；12.鋼制頂盤；13.霍爾傳感器；14.傳感器支架；15.十字槽沉頭螺釘；16.徑向氣隙；21.轉矩控制磁通；61.轉矩磁通；71、72、73、74、75、76.位移傳感器探頭；91.懸浮力控制磁通；131、132、133、134·霍爾傳感器芯片;301、302、303、304、305、306.定子鐵心柱。
具體實施例方式如圖1、圖2所示，本發明無軸承永磁薄片電機具有一個定子3和一個環形薄片狀的薄片轉子6。薄片轉子6位于定子3的軸向上段的內腔中，薄片轉子6為徑向平行充磁的S、N兩極永磁體，材料為釹鐵硼。定子3由6個定子鐵心柱301、302、303、304、305、306組成，這6個定子鐵心柱301、302、303、304、305、306沿薄片轉子6的圓周方向均勻分布在薄片轉子6外，即每兩個定子鐵心柱301、302、303、304、305、306之間間隔60度，并且，每個定子鐵心柱301、302、303、304、305、306內徑與薄片轉子6外徑之間都具有相同的徑向氣隙16，徑向氣隙16為2mm。在薄片轉子6的軸向厚度范圍的位置處，即在定子3的軸向上段，在每兩個定子鐵心柱301、302、303、304、305、306的正中間各設置一個徑向位移傳感器探頭，6個徑向位移傳感器探頭71、72、73、74、75、76也沿薄片轉子6的圓周方向均勻分布，即每兩個徑向位移傳感器探頭之間間隔60度，每個徑向位移傳感器探頭與其相鄰的定子鐵心柱之間間隔30度。每個徑向位移傳感器探頭71、72、73、74、75、76與薄片轉子6之間的徑向距離均與徑向氣隙16相同，即均為2mm，在電機運行時，這6個徑向位移傳感器探頭71、72、73、74、75、76用于測量薄片轉子6的徑向位移，實時形成位移反饋。在薄片轉子6的正下部的定子3內腔中設置傳感器支架14，傳感器支架14上支撐霍爾傳感器13，霍爾傳感器13包括4個霍爾傳感器芯片131、132、133、134，這4個霍爾傳感器芯片131、132、133、134沿圓周方向均勻分布在傳感器支架14上，每兩個霍爾傳感器芯片之間間隔90度。通過霍爾傳感器芯片測量薄片轉子6的磁場大小與方向，可以間接測量薄片轉子6的磁極位置與電機轉速。在定子3的軸向中段，每個定子鐵心柱301、302、303、304、305、306上均套有兩套繞組，分別是套在上部的懸浮力繞組9和套在下部的轉矩繞組2，兩套繞組的極對數均滿足±1的關系。在定子3的軸向底部固定鐵心磁軛11，鐵心磁軛11與每個定子鐵心柱301、302、303、304、305、306底端均緊貼在一起。所有的定子鐵心柱301、302、303、304、305、306與鐵心磁軛11均采用硅鋼片疊壓而成。進一步地，在定子3的軸向上段，在薄片轉子6外同軸間隙套有環形的頂部硬塑支架8，6個定子鐵心柱301、302、303、304、305、306與6個徑向位移傳感器探頭71、72、73、74、75、76均鑲嵌在頂部硬塑支架8中，并且頂部硬塑支架8的內徑與由6個定子鐵心柱圍成的定子3的內徑相同，也與6個徑向位移傳感器探頭圍成的內圓直徑相同。而頂部硬塑支架8的外徑則大于定子3的外徑。傳感器支架14位于頂部硬塑支架8的幾何中心位置處，傳感器支架14固定在頂部硬塑支架8的內壁上。在定子3的軸向下段以及繞組下部位置，在定子3外同軸緊密套有一個底部硬塑支架4。在頂部硬塑支架8和底部硬塑支架4之外，同軸緊密套有一個鋼制散熱機殼5，鋼制散熱機殼5的底端面上以十字槽沉頭螺釘15連接鋼制底盤10，鋼制底盤10用于電機底部密封。定子3的底面、底部硬塑支架4的底面以及鐵心磁軛11的底面均與鋼制底盤10頂面貼合在一起，以減小漏磁、降低損耗。鋼制散熱機殼5的頂端面上以十字槽沉頭螺釘15連接鋼制頂盤12，定子3的頂面與環形的鋼制頂盤12底面貼合在一起。在薄片轉子6和霍爾傳感器13之間、以及徑向氣隙16之間鑲有一個薄片轉子硬塑托盤1，轉子硬塑托盤I開口朝上，形成轉子腔，用于放置薄片轉子6。將薄片轉子硬塑托盤I側壁鑲在頂部硬塑支架8內圈壁上，將轉子硬塑托盤I的頂面固定在鋼制頂盤12上，薄片轉子硬塑托盤I下方是圓形傳感器支架14及霍爾傳感器13。薄片轉子硬塑托盤I的壁厚為O. 4mm,由于前述徑向氣隙16是2mm，因此，薄片轉子硬塑托盤I與薄片轉子6在徑向之間就具有1. 6mm的間隙。傳感器支架14則靠近薄片轉子硬塑托盤I底部。薄片轉子硬塑托盤1、頂部硬塑支架8、底部鐵心磁軛U、頂部硬塑支架8、底部硬塑支架4、鋼制底盤10、傳感器支架14與鋼制散熱機殼5均同軸，鋼制頂盤12外徑與鋼制散熱機殼5外徑相同，鋼制頂盤12內徑比薄片轉子6外徑大4mm。 如圖1-3示，薄片轉子6產生的轉矩磁通61從薄片轉子6的N極出發，通過兩個徑向氣隙16、徑向相對的兩個定子鐵心柱，即徑向相對的兩個定子鐵心柱301、302，或者徑向相對的兩個定子鐵心柱303、304或者徑向相對的兩個定子鐵心柱305、306、以及底部鐵心磁軛11，最后回到S極，形成磁回路。由轉矩繞組2通三相交流電流提供轉矩控制磁通21，并采用I個三相電壓功率逆變器驅動控制，在徑向相對 的兩個定子鐵心柱、徑向氣隙16、薄片轉子6和底部鐵心磁軛11之間形成轉矩控制磁通21的磁回路；由懸浮力繞組9通三相交流電流，提供懸浮力控制磁通91，并采用I個三相電壓功率逆變器驅動控制，懸浮力控制磁通91向上經定子鐵心柱303、徑向氣隙16、進入薄片轉子6，然后再經徑向氣隙16至相鄰的定子鐵心柱305，沿相鄰的定子鐵心柱305向下傳導再進入底部鐵心磁軛11，然后再回到303，形成懸浮力控制磁通91的磁回路。在電機運行時，懸浮力控制磁通91具體通過哪些定子鐵心柱形成磁回路視懸浮力控制磁通91的電氣角度而定。參見圖3，本發明利用兩套集中繞組分別產生轉矩控制磁通21和徑向懸浮力控制磁通完成對薄片轉子6的兩個徑向自由度的主動懸浮控制，薄片轉子6的軸向平移與前后、左右翻轉三個自由度由磁阻力根據磁路磁阻最小原理實現被動懸浮控制。具體是給轉矩繞組2和懸浮力繞組9通電，轉矩控制磁通21與懸浮力控制磁通91在徑向氣隙16處進行合成，使徑向氣隙16處的氣隙磁通密度分布不均勻，根據麥克斯韋應力張量法，將產生沿X軸負方向的徑向懸浮力/^同理，通過控制轉矩繞組2和懸浮力繞組9中電流的相位角與大小就可以產生所需要的徑向懸浮力K控制薄片轉子6的徑向位移，實現薄片轉子6兩自由度主動控制；無軸承永磁薄片電機屬于永磁電機的一種，轉矩控制磁通21與轉矩磁通61同步，由于電機薄片轉子6的直徑較電的機軸向長度小，根據磁阻力總是使磁路磁阻最小的性質，當薄片轉子6發生軸向平移或左右(前后)翻轉時，轉矩控制磁通21與轉矩磁通61均會共同作用產生方向相反的磁拉力使薄片轉子6回到平衡位置，實現薄片轉子6三自由度的被動控制；由此就可以完成無軸承永磁薄片電機薄片轉子6的五自由度懸浮控制。
權利要求
1.一種無軸承永磁薄片電機，具有一個定子(3)和與定子(3)同軸的一個薄片轉子(6)，薄片轉子(6)位于定子(3)軸向上段的內腔中，其特征是薄片轉子(6)為徑向平行充磁的S、N兩極永磁體，定子(3)由沿圓周方向均勻分布在薄片轉子(6)之外的6個定子鐵心柱組成，每個定子鐵心柱內徑與薄片轉子(6)外徑之間都具有相同的徑向氣隙(16);在定子(3)軸向上段，每兩個定子鐵心柱的正中間各設置一個徑向位移傳感器探頭，6個徑向位移傳感器探頭沿薄片轉子(6)的圓周方向均勻分布，每個徑向位移傳感器探頭與薄片轉子(6)之間的徑向距離均與徑向氣隙(16)相同；薄片轉子(6)的正下部設置霍爾傳感器(13);在定子(3)軸向中段，每個定子鐵心柱上均套有懸浮力繞組(9)和轉矩繞組(2)，定子(3)底部固定有同軸的鐵心磁軛(11)，鐵心磁軛(11)與每個定子鐵心柱底端均緊貼在一起，所有定子鐵心柱與鐵心磁軛(11)均采用硅鋼片疊壓而成。
2.根據權利要求1所述的一種無軸承永磁薄片電機，其特征是在定子(3)的軸向上段，薄片轉子(6)外同軸間隙套有環形的頂部硬塑支架(8)，6個定子鐵心柱與6個徑向位移傳感器探頭均鑲嵌在頂部硬塑支架(8)中，頂部硬塑支架(8)內徑與定子(3)內徑相同，頂部硬塑支架(8)外徑則大于定子(3)外徑；在定子(3)的軸向下段以及繞組下部位置的定子(3)外同軸緊密套有一個底部硬塑支架(4)。
3.根據權利要求2所述的一種無軸承永磁薄片電機，其特征是在頂部硬塑支架(8)和底部硬塑支架(4)之外同軸緊密套有一個鋼制散熱機殼(5)，鋼制散熱機殼(5)的底端面上密封連接鋼制底盤(10)，定子(3)底面、底部硬塑支架(4)底面、鐵心磁軛(11)底面均與鋼制底盤(10)頂面貼合在一起；鋼制散熱機殼(5)頂面連接環形的鋼制頂盤(12)，定子(3)頂面與鋼制頂盤(12)底面貼合在一起。
4.根據權利要求2所述的一種無軸承永磁薄片電機，其特征是霍爾傳感器(13)包括沿圓周方向均勻分布在傳感器支架(14)上的4個霍爾傳感器芯片，傳感器支架(14)固定在頂部硬塑支架(8)的內壁上。
5.根據權利要求2所述的一種無軸承永磁薄片電機，其特征是在薄片轉子(6)和霍爾傳感器(13)之間以及徑向氣隙(16)中鑲有一個開口朝上、放置薄片轉子(6)的薄片轉子硬塑托盤(I )，薄片轉子硬塑托盤(I)側壁鑲在頂部硬塑支架(8)內圈壁上，薄片轉子硬塑托盤(I)與薄片轉子(6)在徑向之間具有間隙。
6.根據權利要求5所述的一種無軸承永磁薄片電機，其特征是薄片轉子硬塑托盤(I)的壁厚為O. 4臟，徑向氣隙(16)是2mm。
全文摘要
本發明公開一種無軸承永磁薄片電機，薄片轉子位于定子軸向上段的內腔中，薄片轉子為徑向平行充磁的S、N兩極永磁體，定子由沿圓周方向均勻分布在薄片轉子之外的6個定子鐵心柱組成，每個定子鐵心柱內徑與薄片轉子外徑之間都具有相同的徑向氣隙；在定子軸向上段，每兩個定子鐵心柱的正中間各設置一個徑向位移傳感器探頭，6個徑向位移傳感器探頭沿薄片轉子的圓周方向均勻分布，每個徑向位移傳感器探頭與薄片轉子之間的徑向距離均與徑向氣隙相同；薄片轉子的正下部設置霍爾傳感器；在定子軸向中段，每個定子鐵心柱上均套有懸浮力繞組和轉矩繞組，定子底部固定有同軸的鐵心磁軛；電機結構更加緊湊、合理、簡單。
文檔編號H02K29/08GK103023265SQ201210579780
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者朱熀秋, 陳金海, 祝蘇明 申請人:江蘇大學