[发明专利]一种全自由度交替极无轴承电机及其主动控制方法

说明书

本发明公开了一种全自由度交替极无轴承电机及其主动控制方法，电机包括定子与转子，其中定子为沿轴向相对分布的两个电机定子，两定子上分别绕有电机绕组，电机绕组为包含悬浮绕组与转矩绕组的分离绕组结构，或者为悬浮绕组与转矩绕组的集成绕组结构；转子包括轴向置于两定子之间的凸极转子铁心，转子槽中放置有相同极性的永磁体。系统抗扰动性能优秀，稳定性强。通过控制定子上悬浮绕组或者悬浮电流成分中交/直轴电流大小及相位关系，实现对电机径向平移两自由度与径向旋转两自由度这四个转子自由度的主动控制,通过控制定子上转矩绕组或转矩电流成分中交/直轴电流大小及相位关系，实现对电机轴向平移与旋转这两个转子两自由度的主动控制。

技术领域

本发明涉及电机设计与控制领域，具体涉及一种全自由度交替极无轴承电机及其主动控制方法。

背景技术

无轴承电机将磁轴承集成与电机模块中，依靠电磁力实现电机转子的稳定悬浮，不需要机械轴承进行支撑。因此无轴承电机不存在转子高速下摩擦损耗大，发热严重，寿命有限等问题，并且解决了在航空航天等高真空领域中机械轴承润滑油选型困难等问题，由于不存在机械轴承润滑油泄露、金属碎屑污染，非常适合高洁净度领域。

电机转子除转速这一绕旋转轴旋转自由度需要被主动控制外，在无轴承电机中还需要为其余五个自由度提供主动或被动的控制。当前常规方案主要包括以下几种：

1、采用一个轴向被动磁轴承和两个两自由度径向无轴承电机构成，其主动控制的悬浮自由度为4，另有一个自由度依靠轴向被动磁轴承被动控制。

2、采用一个轴向被动磁轴承、一个径向被动磁轴承与一个两自由度无轴承电机构成，其主动控制的悬浮自由度为2，另有三个自由度依靠被动磁轴承被动控制。

3、薄片型无轴承电机，其主动控制的悬浮自由度为2，另有三个自由度依靠定转子之间的磁阻力被动控制。

4、采用两个径向被动磁轴承与一个单自由度无轴承电机构成，其主动控制的悬浮自由度为1，另有四个自由度依靠被动磁轴承被动控制。

以上这些常用结构均有一个或多个悬浮自由度需要被被动控制，这导致对应自由度的阻尼将非常小，抗扰动能力差，无轴承电机系统稳定性差。同时，上述结构大多需采用径向、轴向被动磁轴承，这将在一定程度上增加无轴承电机结构的复杂程度，增加电机体积与重量，降低了电机的转矩与功率密度，同时较现有电机，也增加了大量加工流程与加工工艺。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或需改进需求，本发明在不对传统盘式电机做明显调整的情况下，依靠创新性的理论分析结果，通过对电机定子绕组进行设计以及采用特殊的无轴承电机控制方法，提出了一种全自由度交替极无轴承电机及其主动控制方法。目的在于解决传统无轴承电机由于被动控制自由度导致的无轴承电机系统抗扰动能力差，机械结构复杂等问题。

本发明一方面提供了一种全自由度交替极无轴承电机，包括定子与转子，其中定子为沿轴向相对分布的两个电机定子，两定子上分别绕有电机绕组，电机绕组可设计为包含悬浮绕组与转矩绕组的分离绕组结构，也可设计为悬浮绕组与转矩绕组的集成绕组结构，其中当电机绕组为包含悬浮绕组与转矩绕组的分离绕组结构时，转矩绕组电流产生与转子永磁磁场相同极对数的电枢磁场，悬浮绕组电流产生一对极的电枢磁场；当电机绕组为悬浮绕组与转矩绕组的集成绕组结构时，集成绕组转矩电流分量产生与转子永磁磁场相同极对数的电枢磁场，集成绕组的两种悬浮电流分量产生一对极的电枢磁场。转子包括轴向置于两定子之间的凸极转子铁心，转子槽中放置有相同极性的永磁体。视所提全自由度无轴承电机使用领域，转子铁心可通过轴延伸出电机两端以连接外部负载，或直接在转子铁心上集成内部负载。