[发明专利]一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机

说明书

本发明公开一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机，包括外转子铁心、外转子铁心内圈的内定子，所述内定子包括连为一体的定子铁心、轴向磁化的柱形永磁体和圆盘形的铁心桥，定子铁心叠压在柱形永磁体的左端面，铁心桥叠压在柱形永磁体的右端面，所述定子铁心、铁心桥以及柱形永磁体的轴线共线，所述定子铁心上开设定子槽，定子槽内设置有转矩绕组和悬浮绕组，所述外转子铁心的径向长度大于其轴向厚度。柱形永磁体为电机提供静态偏置磁通，悬浮绕组由直流电源供电，为电机提供悬浮控制磁通，悬浮控制磁通调节静态偏置磁通，在外转子上产生径向悬浮力。

技术领域

本发明涉及电机制造技术领域，具体涉及结构紧凑、转矩绕组极对数和悬浮绕组极对数只需满足P_m≠P_b关系，控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立，径向主动悬浮，而轴向被动悬浮的一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机。

背景技术

无轴承电机具有无摩擦、磨损、无需润滑，易于实现更高转速和更大功率运行，特别是其中的无轴承异步电机具有结构与制造简单、转子强度高、造价低等优势，在高速机床主轴电机、密封泵、离心机、压缩机、高速微型硬盘等系列高速直驱领域具有广阔的应用前景。

目前，无轴承异步电机是通过在传统异步电机的定子槽的转矩绕组上叠加一套附加的悬浮绕组，两套绕组分别由频率相同的三相交流电源供电产生旋转的悬浮绕组磁场和转矩绕组磁场，且悬浮绕组磁场极对数为P_B、转矩绕组磁场为P_M，两者之间只有满足P_B=P_M±1的关系时，在转子上才能产生稳定可控的径向悬浮力。由径向位移传感器检测转子径向位移，构建位移闭环控制系统，实现转子稳定悬浮，而转矩的产生原理与普通异步电机相同。一方面，转矩绕组磁场要与悬浮绕组磁场相互作用产生径向悬浮力，另一方面，转矩绕组磁场又要和转子旋转磁场相互作用产生转矩，因此，转矩控制和位移控制之间存在强耦合，控制复杂，难以建立精确的数学模型，控制精度低。对于无轴承异步电机，除了转矩绕组磁场在转子导条内会感应出与转矩绕组磁场极对数相同的转子旋转磁场之外，悬浮绕组磁场也会在转子导条内感应出与悬浮绕组磁场极对数相同的转子旋转磁场，该旋转磁场对悬浮力的产生有削弱作用，还会增加转矩控制和位移控制的复杂性，特别是带负载运行时更为明显，严重时将会造成系统不稳定，悬浮失败。此外，单个无轴承电机一般只能约束转子沿径向方向的两个自由度，要实现转子稳定悬浮，需要2个无轴承电机和一个轴向磁悬浮轴承，或者需要一个无轴承电机和一个径向再加一个轴向磁悬浮轴承。这样，普通无轴承电机不仅在控制策略上受到诸多制约，而且结构非常复杂。当无轴承电机转子的轴向长度与其直径相比很小时，转子在轴向是被动稳定的，稳定悬浮只需控制转子的两个径向自由度，这种特殊的无轴承电机被称为片状无轴承电机，已成为当今无轴承电机研究领域的热点之一，并且已经研究出多种结构的片状无轴承永磁电机，转子永磁体的存在，导致磁路磁阻大，功耗大，且转子机械强度低，难以实现更高转速和更大功率运行。因此研究一种控制简单，悬浮力和转矩无耦合，能够产生更为有效悬浮力的新型片状无轴承异步电机，对实现无轴承电机的工业应用具有重大意义。

发明内容

本发明提供一种不受P_B=P_M±1条件限制，在转子中仅感应出与转矩绕组磁场极对数相同的旋转磁场，且轴向由偏置磁通被动悬浮，径向主动悬浮，控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立，能够产生更大径向悬浮力的一种定子永磁式外转子片状无轴承异步电机结构。

本发明通过以下技术方案实现：