專利名稱：一種無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)，是一種短距繞組和Halbach陣列(徑向和切向混合排列陣列)永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的三相無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)，應(yīng)用于人工心臟血泵、左心室輔助裝置、手術(shù)切割電鋸等特殊領(lǐng)域。
技術(shù)背景 無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)是在傳統(tǒng)的無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將磁軸承和無(wú)刷直流電機(jī)一體化的新型電機(jī)。它將懸浮力繞組直接放置在定子槽中，使懸浮力繞組與轉(zhuǎn)矩繞組共用定子鐵心。目前常用的無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)為整距或長(zhǎng)距繞組，共齒的懸浮力繞組和轉(zhuǎn)矩繞組同時(shí)通電，兩者所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)氣隙共同作用于永磁轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮與旋轉(zhuǎn)，可以極大地減少電機(jī)的體積和軸向長(zhǎng)度，有利于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的微型化和高速或超高速化，在航空航天、國(guó)防、醫(yī)療和家用電器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。而這種無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)存在的問(wèn)題主要有懸浮力繞組和轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，較難實(shí)現(xiàn)懸浮力和轉(zhuǎn)矩之間的有效解耦；由于電機(jī)電流為方波直流，用于傳統(tǒng)電機(jī)控制的坐標(biāo)變換方法難以應(yīng)用到無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)中；受材料性能和價(jià)格等因素影響，僅從永磁材料上來(lái)提高電機(jī)氣隙磁密的可選擇余地不大，因此難以滿足對(duì)較大懸浮力的需求。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型是為了解決現(xiàn)有無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)控制復(fù)雜、永磁材料利用率低、懸浮力小等問(wèn)題而提出一種控制簡(jiǎn)單、永磁材料利用率高、懸浮力大的無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案由定子磁軛、定子齒、永磁體、轉(zhuǎn)軸、懸浮力繞組、轉(zhuǎn)矩繞組和轉(zhuǎn)子鐵心組成，定子磁軛同軸內(nèi)套轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸外同軸固定套裝轉(zhuǎn)子鐵心，永磁體以Halbach陣列均勻分布在轉(zhuǎn)子鐵心表面,有12個(gè)定子齒均勻固定于定子磁軛的內(nèi)圓周面上；轉(zhuǎn)矩繞組采用短距繞組且由A、B、C三相轉(zhuǎn)矩繞組組成，A相轉(zhuǎn)矩繞組由依次串聯(lián)的A1、A2、A3、A4線圈組成，B相轉(zhuǎn)矩繞組由依次串聯(lián)的B1、B2、B3、B4線圈組成，C相轉(zhuǎn)矩繞組由依次串聯(lián)的Cl，C2，C3，C4線圈組成，轉(zhuǎn)矩繞組的線圈按Al、BI、Cl、A2、B2、C2、A3、B3、C3、A4、B4、C4線圈的順序依次沿逆時(shí)針?lè)较蚶p繞于一個(gè)定子齒上；懸浮力繞組采用短距繞組且由a、b、c三相懸浮力繞組組成，a相懸浮力繞組由串聯(lián)的al、a2線圈組成，b相懸浮力繞組由串聯(lián)的bl、b2線圈組成，c相懸浮力繞組由串聯(lián)的Cl、c2線圈組成，懸浮力繞組的線圈按al、Cl、bl、a2、c2、b2線圈的順序依次沿逆時(shí)針?lè)较蚶p繞于一個(gè)定子齒上且每?jī)蓚€(gè)懸浮力繞組的線圈之間間隔一個(gè)定子齒。本實(shí)用新型的有益效果是永磁體采用聚磁功能優(yōu)良的Halbach陣列結(jié)構(gòu),可以增加氣隙磁密、增大懸浮力和節(jié)省永磁材料，減小電機(jī)重量；轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組均采用短距繞組，任意一相轉(zhuǎn)矩繞組通電時(shí)，同齒的懸浮力繞組總不通電，從而極大減小了轉(zhuǎn)矩繞組與懸浮力繞組之間的相互影響。
圖I是本實(shí)用新型無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)的繞組布置及Halbach陣列永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I中永磁體13的磁力線分布示意圖圖3是永磁體等效之后的永磁轉(zhuǎn)子在位置Θ角的電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 (I)、(2)、(3)分別是a相、b相、c相懸浮力繞組中任意兩相通電時(shí)懸浮力產(chǎn)生的相位，圖4(1)是b、c通電時(shí)懸浮力相位，圖4 (2)是a、c通電時(shí)懸浮力相位，圖4 (3)是a、b通電時(shí)懸浮力相位；圖中11 一定子磁軛；12 —定子齒；13 —永磁體；14一轉(zhuǎn)軸；15—懸浮力繞組；16—轉(zhuǎn)矩繞組；17—轉(zhuǎn)子鐵心；21—磁力線；31—等效永磁體。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1-3，電機(jī)由定子磁軛11、定子齒12、永磁體13、轉(zhuǎn)軸14、懸浮力繞組15、轉(zhuǎn)矩繞組16和轉(zhuǎn)子鐵心17組成。定子磁軛11為圓筒形，定子磁軛11內(nèi)套轉(zhuǎn)軸14,轉(zhuǎn)軸14外固定套裝轉(zhuǎn)子鐵心17,永磁體13以Halbach陣列(徑向和切向混合排列陣列)均勻分布在轉(zhuǎn)子鐵心17表面。且定子磁軛11、轉(zhuǎn)軸14和轉(zhuǎn)子鐵心17三者同軸。有12個(gè)定子齒12均勻固定在定子磁軛11的內(nèi)圓周面上，懸浮力繞15組和轉(zhuǎn)矩繞組16均纏繞在定子齒12上。轉(zhuǎn)矩繞組16由A、B、C三相轉(zhuǎn)矩繞組組成，采用短距繞組，每相轉(zhuǎn)矩繞組由四個(gè)線圈組成，共12個(gè)線圈。其中，A相轉(zhuǎn)矩繞組由Al、A2、A3、A4線圈組成；B相轉(zhuǎn)矩繞組由B1、B2、B3、B4線圈組成；C相轉(zhuǎn)矩繞組由Cl，C2，C3，C4線圈組成。這12個(gè)線圈的每個(gè)線圈各纏繞在一個(gè)定子齒12上，并且按Al —BI —Cl —A2 —B2 —C2 —A3 —B3 —C3 —A4 —B4 —C4線圈的順序依次沿逆時(shí)針?lè)较蚍植加谙鄳?yīng)的定子齒12上，其中，A1、A2、A3和A4線圈依次串聯(lián)，作為A相轉(zhuǎn)矩繞組，BI、B2、B3和B4線圈依次串聯(lián)，作為B相轉(zhuǎn)矩繞組，Cl、C2、C3和C4依次串聯(lián)，作為C相轉(zhuǎn)矩繞組。懸浮力繞組15由a、b、c三相懸浮力繞組組成，采用短距繞組，每相懸浮力繞組由兩個(gè)線圈組成，共6個(gè)線圈。其中，a相懸浮力繞組由al、a2線圈組成，b相懸浮力繞組由bl、b2線圈組成，c相懸浮力繞組由cl、c2線圈組成。6個(gè)線圈中的每個(gè)線圈均纏繞在一個(gè)定子齒12上,每?jī)蓚€(gè)線圈之間間隔一個(gè)定子齒12,并且6個(gè)線圈按al — cl — bl — a2 — c2 — b2線圈的順序依次沿逆時(shí)針?lè)较蚍植?。將al、a2線圈串聯(lián)，作為a相懸浮力繞組，將bl、b2線圈串聯(lián)，作為b相懸浮力繞組，將Cl、c2線圈串聯(lián)，c相作為懸浮力繞組。永磁體13是按Halbach陣列布置，是將傳統(tǒng)永磁體按徑向和切向陣列排列在一起的磁性結(jié)構(gòu)，可以使永磁體一邊的磁場(chǎng)增強(qiáng)而另一邊的磁場(chǎng)減弱。圖I中永磁體13中箭頭方向表示充磁方向。將圖I中的永磁體13取出，其磁力線21分布如圖2所示。為分析方便，按照磁力線分布規(guī)則，可將圖2等效為圖3中的等效永磁體31結(jié)構(gòu)。由永磁體13等效之后的等效永磁體31有4個(gè)磁極，每個(gè)磁極內(nèi)部的磁場(chǎng)方向由S’指向N’，由于Halbach陣列的聚磁功能，磁極外圓周表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于內(nèi)圓周表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度。電機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，三相轉(zhuǎn)矩繞組16通電順序取決于轉(zhuǎn)子角位置β，任意一相轉(zhuǎn)矩繞組16通電時(shí)，同齒的懸浮力繞組總不通電，而是由另外兩個(gè)懸浮力繞組通電所產(chǎn)生的可控懸浮力來(lái)支承轉(zhuǎn)子。三相轉(zhuǎn)矩繞組16導(dǎo)通次序依次為A相轉(zhuǎn)矩繞組一B相轉(zhuǎn)矩繞組一C相轉(zhuǎn)矩繞組，任意時(shí)刻有且只有一相轉(zhuǎn)矩繞組16 (A，B或C轉(zhuǎn)矩繞組)導(dǎo)通。參見(jiàn)圖4(1)、4 (2)、4 (3)，任意時(shí)刻有且只有兩相懸浮力繞組15 (即a和b懸浮力繞組，a和c懸浮力繞組或者b和c懸浮力繞組)導(dǎo)通，a相、b相、c相懸浮力繞組導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的懸浮力分別沿a’，b’，C，軸方向分布，懸浮力繞組15的任意兩相導(dǎo)通時(shí)所產(chǎn)生的懸浮力方向Ca'和b’，a’和c’或者b’和c’)共同決定一個(gè)平面，改變相應(yīng)兩相懸浮力繞組電流的大小，可以產(chǎn)生在此平面內(nèi)大小和方向可控的懸浮力，從而支承轉(zhuǎn)子懸浮。 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角0位置在0 30。、90° 120。、180° 210?；?70° 300。之間時(shí)，A相轉(zhuǎn)矩繞組通電，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；b相和c相懸浮力繞組通電，分別產(chǎn)生沿 b’，c’方向的懸浮力，由其合力支承轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角Θ位置在30°飛0°、120° 150°、210° 240°或300° 330°之間時(shí)，B相轉(zhuǎn)矩繞組通電，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；a相和c相懸浮力繞組通電，分別產(chǎn)生沿a’、C，方向的懸浮力，由其合力支承轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。當(dāng)轉(zhuǎn)子角位置在60° 90°、150° 180°、240° 270°或330° 360°之間時(shí)，C相轉(zhuǎn)矩繞組通電，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；a相和b相懸浮力繞組通電，分別產(chǎn)生沿a’、b’方向的懸浮力，由其合力支承轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。
權(quán)利要求1.一種無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)，由定子磁軛(11)、定子齒(12)、永磁體(13)、轉(zhuǎn)軸(14)、懸浮力繞組(15)、轉(zhuǎn)矩繞組(16)和轉(zhuǎn)子鐵心(17)組成，定子磁軛(11)同軸內(nèi)套轉(zhuǎn)軸(14)，轉(zhuǎn)軸(14)外同軸固定套裝轉(zhuǎn)子鐵心(17),其特征在于永磁體(13)以Halbach陣列均勻分布在轉(zhuǎn)子鐵心(17)表面,有12個(gè)定子齒(12)均勻固定于定子磁軛(11)的內(nèi)圓周面上；轉(zhuǎn)矩繞組(16)采用短距繞組且由A、B、C三相轉(zhuǎn)矩繞組組成，A相轉(zhuǎn)矩繞組由依次串聯(lián)的Al、A2、A3、A4線圈組成，B相轉(zhuǎn)矩繞組由依次串聯(lián)的BI、B2、B3、B4線圈組成，C相轉(zhuǎn)矩繞組由依次串聯(lián)的Cl，C2，C3，C4線圈組成，轉(zhuǎn)矩繞組的線圈按Al、BI、Cl、A2、B2、C2、A3、B3、C3、A4、B4、C4線圈的順序依次沿逆時(shí)針?lè)较蚶p繞于一個(gè)定子齒(12)上；懸浮力繞組(15)采用短距繞組且由a、b、c三相懸浮力繞組組成，a相懸浮力繞組由串聯(lián)的al、a2線圈組成，b相懸浮力繞組由串聯(lián)的bl、b2線圈組成，c相懸浮力繞組由串聯(lián)的cl、c2線圈組成，懸浮力繞 組的線圈按al、cl、bl、a2、c2、b2線圈的順序依次沿逆時(shí)針?lè)较蚶p繞于一個(gè)定子齒(12)上且每?jī)蓚€(gè)懸浮力繞組的線圈之間間隔一個(gè)定子齒(12)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種無(wú)軸承無(wú)刷直流電機(jī)，定子磁軛同軸內(nèi)套轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸外同軸固定套裝轉(zhuǎn)子鐵心，永磁體以Halbach陣列均勻分布在轉(zhuǎn)子鐵心表面，有12個(gè)定子齒均勻固定于定子磁軛的內(nèi)圓周面上；轉(zhuǎn)矩繞組采用短距繞組且由A、B、C三相轉(zhuǎn)矩繞組組成；懸浮力繞組采用短距繞組且由a、b、c三相懸浮力繞組組成，每?jī)蓚€(gè)懸浮力繞組的線圈之間間隔一個(gè)定子齒；永磁體結(jié)構(gòu)可以增加氣隙磁密、增大懸浮力和節(jié)省永磁材料，減小電機(jī)重量；任意一相轉(zhuǎn)矩繞組通電時(shí)，同齒的懸浮力繞組總不通電，從而極大減小了轉(zhuǎn)矩繞組與懸浮力繞組之間的相互影響。
文檔編號(hào)H02K3/16GK202384970SQ20112035518
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者孫曉東, 朱熀秋, 潘偉, 許波, 陳雷剛 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)