[发明专利]一种定子永磁式无轴承电机

说明书

技术领域

本发明是一种结构简单、转子坚固，具有高可靠性和高效率的定子永磁式无轴承电机，属于电机制造的技术领域。

背景技术

高速驱动、密封传动和航空航天等领域，对电机的无轴承运行技术有着迫切需求。由于机械轴承的诸多局限，普通电机无法满足长期高速运转的要求；气浮和液浮轴承的控制设备较庞大，成本高；磁悬浮轴承具有无机械磨损、无需润滑和密封系统，环境适应能力强等优点，但磁轴承电机系统整体结构较复杂、功率密度不高、临界转速和功率容量难以大幅度提高。

纵观国内外发表的文献，采用无轴承技术的电机类型主要有无轴承异步电机、无轴承开关磁阻电机和无轴承永磁同步电机（均指转子永磁式，下同）。无轴承异步电机以其结构简单、可靠性高、易于弱磁等特点成为研究最早的无轴承电机类型，但是，它突出的问题是其悬浮力控制和转矩控制耦合，转速容易被悬浮力控制干扰；无轴承开关磁阻电机结构简单，制造和维护方便，鲁棒性好，适用于高温等恶劣环境，但是，无轴承开关磁阻电机的功率密度和效率难以进一步提高；相比之下，无轴承永磁同步电机以其结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高和功率密度大等优势，在飞轮储能、各种高速机床主轴电机和密封泵类、离心机、压缩机、高速微型硬盘驱动装置等领域更具备实用化优势，被认为是最有应用前景的无轴承电机。然而，已经出现的采用传统转子永磁式结构的无轴承永磁同步电机具有一定的局限性：一方面，永磁体贴装于转子表面或内嵌于转子破坏了转子的整体性结构，而作为高速用电机，其转子通常都处于高速甚至超高速运行状态（数万转/分甚至数十万转/分），为防止电机高速运转时磁钢受到离心力的影响而甩落，在转子上都装有不锈钢或金属纤维材料制作的固定装置，导致其结构复杂，制造成本提高，等效气隙长，永磁体利用率降低；另一方面，永磁体位于转子，冷却条件差，散热困难，随着温度的上升，导致以钕铁硼（NdFeB）为主的永磁体性能下降，严重时甚至发生不可逆退磁，制约了电机性能的进一步提高，进而限制了无轴承转子永磁式电机在某些场合的应用。

综上，无轴承开关磁阻电机和无轴承转子永磁式电机，具有各自的弊端：前者虽然结构简单、可靠性高，但在效率、功率因数等方面不如永磁电机；后者虽然提高了电机的效率和功率因数，但永磁体置于电机转子，其散热和机械牢固性问题不容忽视。因此，将无轴承开关磁阻电机的简单结构和无轴承转子永磁式电机的高效率相结合，集二者之优点，研究集高可靠性和高效率于一身的新型无轴承电机结构及其相关控制理论，不仅具有重要的学术意义，而且具有极其重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的就是结合无轴承电机和定子永磁式电机的基本特性，提出了一种永磁体置于定子的定子永磁式无轴承电机。

本发明通过以下技术方案实现：

一种定子永磁式无轴承电机，包括定子和转子，定子和转子都为双凸极结构，转子位于定子的内部或外部，定子上均匀设置有三相电枢绕组、悬浮绕组和永磁体，三相电枢绕组和悬浮绕组均为集中绕组，绕于定子铁心的凸极齿上。

永磁体位于定子轭部，永磁体是铁氧体或者钕铁硼永磁磁钢。

三相集中电枢绕组的各线圈均横跨在两个定子齿上，其中，三相集中电枢绕组一共有12个集中电枢线圈，A1～A4四个线圈顺序串联后组成A相集中电枢绕组，B相和C相电枢绕组结构和A相绕组结构相同，只是在空间位置上分别与A相相差了-30°和+30°。

A相悬浮绕组是由X轴方向相对的两个悬浮线圈与Y轴方向相对的两个悬浮线圈串联形成，B相和C相的悬浮绕组结构和A相悬浮绕组结构相同。

本发明的有益效果为：

基于定子永磁式无轴承电机具有结构简单、转子坚固、功率密度高、效率高等优点，可用于飞轮储能、各种高速机床主轴电机和密封泵类、离心机、压缩机、高速微型硬盘驱动装置等领域。

1．在结构上保留了无轴承开关磁阻电机结构紧凑、简单、容错性能和鲁棒性能好的优势；

2．在性能上保留了无轴承永磁同步电机损耗小、功率密度大、效率高的优势；

3．在定子永磁式电机上所增加的一套悬浮绕组安装方便，容易实现；

4．电机中的电枢和悬浮两套绕组都采用集中绕组，端部较短，损耗较低。

附图说明

图1为本发明定子永磁式无轴承电机结构示意图。

其中：1，定子；2，永磁体；3，三相电枢绕组；4，X轴悬浮绕组；5，Y轴悬浮绕组；6，转子。

具体实施方式