[发明专利]一种五自由度定子永磁式无轴承异步电机

说明书

本发明公开一种五自由度定子永磁式无轴承异步电机，包括位于电机壳体内的定子和位于定子内圈里的转子，所述定子包括连为一体的左定子铁心、右定子锥形磁轴承铁心、轴向磁化的环形永磁体，所述环形永磁体连接在左定子铁心和右定子锥形磁轴承铁心之间，所述左定子铁心、右定子锥形磁轴承铁心上开设有定子槽，所述左定子铁心和右定子锥形磁轴承铁心的定子槽内设有悬浮绕组和转矩绕组。控制简单和易于实现，并能够产生更大的悬浮力。

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、控制简单，悬浮控制、转矩控制相互独立的一种五自由度定子永磁式无轴承异步电机。

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。此外，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。有学者提出了无轴承异步电机的转子笼型导条分相结构，该结构的无轴承异步电机转子中仅感应出与转矩绕组磁场极对数相同的转子磁场，而悬浮绕组磁场在转子中不产生感应磁场，能够产生较大的径向悬浮力，降低控制复杂性，但是该结构的无轴承异步电机仍然需要满足P_B=P_M±1的关系，且存在转矩绕组磁场和悬浮绕组磁场之间的强耦合性，两者之间的非线性动态解耦控制仍然非常复杂。此外，由无轴承异步电机来支撑转子稳定悬浮，需要多个单元的两自由度无轴承异步电机、两自由度磁轴承、三自由度磁轴承、单自由度轴向磁轴承组成五自由度悬浮系统，因此，该系统存在结构和控制复杂，体积庞大，临界转速低等缺点。

发明内容

本发明的目的是克服现有的五自由度无轴承异步电机系统的不足，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，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五自由度定子永磁式无轴承异步电机。

本发明通过以下技术方案实现：