[发明专利]一种单定子励磁的盘式全自由度无轴承电机及其控制方法

说明书

本发明公开了一种单定子励磁的盘式全自由度无轴承电机及其控制方法，属于电机设计与控制领域。本发明只依靠电机定转子以及对应的控制方法即可实现对转子全部自由度的主动控制，因此各自由度可以拥有较大的阻尼，提高了全自由度无轴承电机系统的抗扰动性能，进而增强了无轴承电机系统稳定性；由于无需采用被动磁轴承结构，因此相比当前常规的无轴承电机，本发明的电机系统结构更加紧凑，可以实现很大的功率密度与转矩密度。本发明提出的全自由度无轴承电机结构上与传统盘式电机差别不大，因此可以直接参考现有盘式电机成熟的加工工艺，可加工性好，便于大范围推广。

技术领域

本发明属于电机设计与控制领域，更具体地，涉及一种单定子励磁的盘式全自由度无轴承电机及其控制方法。

背景技术

无轴承电机将磁轴承集成于电机模块中，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、无轴承电机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、无轴承电机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、无轴承电机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改进需求，本发明提供了一种单定子励磁的盘式全自由度无轴承电机及其控制方法，其目的在于解决解决传统无轴承电机由于被动控制自由度导致的抗扰动能力差，机械结构复杂的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种单定子励磁的盘式全自由度无轴承电机，包括：

沿转轴轴向依次分布的第一定子铁芯、电机绕组、第一永磁体模块和转子铁芯；其中，电机绕组绕制于第一定子铁芯上；第一永磁体模块中永磁体南北极交替排布，表贴于转子铁心靠近第一定子铁芯侧圆环面上；

电机绕组中通入不同绕组电流成分分别产生N-1对极、N对极与N+1对极三种电枢磁场；N为转子永磁磁场极对数。

进一步地，电机绕组为两组悬浮绕组与一组转矩绕组的分离结构。

进一步地，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，两组悬浮绕组电流分别产生比转子永磁磁场多一对极与少一对极的电枢磁场。

进一步地，电机绕组为通入两种悬浮电流分量和一种转矩电流分量的集成绕组结构。

进一步地，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，两种悬浮电流分量分别产生比转子永磁磁场多一对极与少一对极的电枢磁场。