本實用新型涉及電機制造技術領域，具體涉及一種結(jié)構(gòu)緊湊，控制、制造與裝配簡單，體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉(zhuǎn)速高，鐵芯利用率高，徑向和軸向帶負載能力強，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和輸出功率高的高度集成化的五自由度磁懸浮直驅(qū)電機。

背景技術：

五自由度磁懸浮直驅(qū)電機是利用磁懸浮技術在產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的同時，也產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的徑向力，是實現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子之間無任何機械接觸運行的一種新型高性能驅(qū)動系統(tǒng)。由于定、轉(zhuǎn)子之間不存在機械摩擦，所以五自由度磁懸浮直驅(qū)電機的轉(zhuǎn)子可達到很高的運行轉(zhuǎn)速，并且具有無機械磨損、能耗低、壽命長、無需潤滑、無污染等優(yōu)點，特別適合應用于高速或超高速直接驅(qū)動領域。

要實現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子之間無機械接觸，必須在五個自由度上對轉(zhuǎn)子施加控制力。五自由度磁懸浮直驅(qū)電機的結(jié)構(gòu)形式主要分為以下幾種：①、由一個軸向單自由度磁軸承、兩個徑向兩自由度磁軸承和一個高速電機單元組成。②、由一個徑向-軸向三自由度磁軸承、一個徑向兩自由度磁軸承和高速電機單元組成。③、由一個軸向單自由度磁軸承、一個徑向兩自由度磁軸承和一個徑向兩自由度無軸承電機組成。④、兩個徑向兩自由度無軸承電機、一個軸向單自由度磁軸承組成。⑤、由一個徑向兩自由度無軸承電機和一個軸向-徑向三自由度磁軸承組成。不論采用哪一種結(jié)構(gòu)形式，全部是由多個獨立單元，沿著軸向組合而成，導致軸向長度長，臨界轉(zhuǎn)速低，體積大，控制復雜，且徑向與軸向帶負載能力差，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和輸出功率低，嚴重制約了磁懸浮直驅(qū)電機的工業(yè)應用進程。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術問題是提供一種集成化的五自由度磁懸浮直驅(qū)電機，本實用新型有效解決了現(xiàn)有的五自由度磁懸浮直驅(qū)電機的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，控制、制造與裝配簡單，體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉(zhuǎn)速高，徑向帶負載能力強，轉(zhuǎn)速和輸出功率高的高度集成化的五自由度磁懸浮直驅(qū)電機。

本實用新型通過以下技術方案實現(xiàn)：

一種集成化的五自由度磁懸浮直驅(qū)電機，包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯（12），其特征在于：所述轉(zhuǎn)子鐵芯（12）包括軸向部分、徑向部分，軸向部分兩端設置有轉(zhuǎn)子永磁體（22、23）；所述定子包括沿轉(zhuǎn)子鐵芯（12）的軸向部分，并以轉(zhuǎn)子鐵芯（12）的徑向部分為對稱中心，依次對稱設置的左側(cè)電機鐵芯(1)、右側(cè)電機鐵芯(7)；左側(cè)環(huán)形永磁體(2)、右側(cè)環(huán)形永磁體(6)；左側(cè)軸向控制鐵芯(8)、右側(cè)軸向控制鐵芯(9)；左側(cè)環(huán)形永磁體(2)、右側(cè)環(huán)形永磁體(6)之間設置有徑向控制鐵芯（4），其定子齒上繞制有徑向控制繞組(24)；左側(cè)軸向控制鐵芯(8)、右側(cè)軸向控制鐵芯(9)與徑向控制鐵芯（4）之間分別設置有左側(cè)分磁鋁環(huán)（3）、右側(cè)分磁鋁環(huán)（5）；左側(cè)電機鐵芯(1)的定子槽內(nèi)沿徑向外層繞制懸浮控制繞組（10），內(nèi)層繞制轉(zhuǎn)矩繞組（11），右側(cè)電機鐵芯(7)的定子槽內(nèi)沿徑向外層繞制懸浮控制繞組（13），內(nèi)層繞制轉(zhuǎn)矩繞組（14）；浮控制繞組（10、13）均分別包括X方向和Y方向控制繞組；左側(cè)軸向控制鐵芯(8)、右側(cè)軸向控制鐵芯(9)均呈E形結(jié)構(gòu)，定子槽內(nèi)分別繞制軸向控制繞組(17)。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述左側(cè)軸向控制鐵芯(8)、右側(cè)軸向控制鐵芯(9)分別均由上下位置設置的吸力圓盤(15、18；19、21)以及中間位置設置的控制圓盤（16、20）構(gòu)成，軸向控制繞組(14)繞制于吸力圓盤(15、18；19、21)與控制圓盤（16、20）之間。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述控制圓盤（16、20）與轉(zhuǎn)子鐵芯（12）徑向部分之間的氣隙長度大于吸力圓盤（15、18；19、21）與轉(zhuǎn)子鐵芯（12）徑向部分之間的氣隙長度，且吸力圓盤（15、18；19、21）與轉(zhuǎn)子鐵芯（12）徑向部分之間的氣隙長度小于左側(cè)軸向控制鐵芯(8)、右側(cè)軸向控制鐵芯(9)與轉(zhuǎn)子鐵芯（12）軸向部分之間的氣隙長度。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述左側(cè)環(huán)形永磁體(2)、右側(cè)環(huán)形永磁體(6)均為軸向充磁的環(huán)形永磁體，在五個自由度上產(chǎn)生偏置磁通。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述左側(cè)分磁鋁環(huán)（3）、右側(cè)分磁鋁環(huán)（5）由整塊鋁材制成，將左側(cè)偏置磁通（30）和右側(cè)偏置磁通（25）分為左側(cè)軸向偏置磁通（31）、左側(cè)徑向偏置磁通（32）和右側(cè)軸向偏置磁通（26）、右側(cè)徑向偏置磁通（27）。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述左側(cè)電機鐵芯(1)、徑向控制鐵芯（4）、右側(cè)電機鐵芯(7)、左側(cè)軸向控制鐵芯(8)、右側(cè)軸向控制鐵芯(9)、轉(zhuǎn)子鐵芯（12）均采用具有良好軸向和徑向?qū)Т判阅艿牟牧现瞥伞?/p>

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述左側(cè)環(huán)形永磁體(2)、右側(cè)環(huán)形永磁體(6)、轉(zhuǎn)子永磁體（22、23）均為稀土永磁材料制成。

本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有以下明顯優(yōu)點：

一、本實用新型集成化五自由度磁懸浮直驅(qū)電機，由定子和轉(zhuǎn)子組成，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在五個自由度上穩(wěn)定懸浮與旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，軸向長度短，臨界轉(zhuǎn)速高，鐵芯利用率高，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和輸出功率高；

二、 本實用新型高度集成化的五自由度磁懸浮直驅(qū)電機由兩個軸向磁化的環(huán)形永磁體給左、右兩側(cè)懸浮直驅(qū)電機、左、右軸向控制鐵芯和徑向控制鐵芯提供偏置磁通，而左、右側(cè)直驅(qū)電機懸浮繞組與徑向控制繞組產(chǎn)生徑向控制磁通，軸向控制繞組通電產(chǎn)生軸向控制磁通，由控制磁通調(diào)節(jié)相對應位置的偏置磁通，保證定、轉(zhuǎn)子之間軸向和徑向氣隙均勻，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度穩(wěn)定懸??；

三、本實用新型采用分磁鋁環(huán)，分別產(chǎn)生左側(cè)軸向偏置磁通（31）、左側(cè)徑向偏置磁通（32）和右側(cè)軸向偏置磁通（26）、右側(cè)徑向偏置磁通（27）?？刂拼磐ň唤?jīng)過環(huán)形永磁體，偏置磁通均不經(jīng)過永磁體，可產(chǎn)生較大的軸向和徑向懸浮力、低功耗、控制簡單。

附圖說明

圖1為本實用新型集成化的五自由度磁懸浮直驅(qū)電機結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型集成化的五自由度磁懸浮直驅(qū)電機主視磁路示意圖；

圖3為本實用新型集成化的五自由度磁懸浮直驅(qū)電機左視磁路示意圖；

圖4為本實用新型集成化的五自由度磁懸浮直驅(qū)電機右視磁路示意圖；

具體實施方式

本實用新型基于的原理是：本實用新型由軸向磁化的左側(cè)環(huán)形永磁體2給左側(cè)直驅(qū)電機提供左側(cè)偏置磁通30，左側(cè)懸浮控制繞組10產(chǎn)生的左側(cè)控制磁通35起調(diào)節(jié)作用，產(chǎn)生控制轉(zhuǎn)子左側(cè)徑向兩自由度懸浮的徑向懸浮力；軸向磁化的右側(cè)環(huán)形永磁體6給右側(cè)直驅(qū)電機提供右側(cè)偏置磁通25，右側(cè)懸浮控制繞組13產(chǎn)生的右側(cè)控制磁通37起調(diào)節(jié)作用，產(chǎn)生控制轉(zhuǎn)子右側(cè)徑向兩自由度懸浮的徑向懸浮力；偏置磁通30經(jīng)過左側(cè)分磁鋁環(huán)3分成左側(cè)徑向偏置磁通32和左側(cè)軸向偏置磁通31兩部分，右側(cè)偏置磁通25經(jīng)過右側(cè)分磁鋁環(huán)5分成右側(cè)徑向偏置磁通27和右側(cè)軸向偏置磁通26兩部分，徑向控制繞組24通電產(chǎn)生的徑向控制磁通36，對右側(cè)徑向偏置磁通27和左側(cè)徑向偏置磁通32進行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的徑向懸浮力；左側(cè)軸向偏置磁通31分成兩部分，即磁通33和磁通34，由左側(cè)上、下吸力圓盤15、18，進入左側(cè)軸向工作氣隙；右側(cè)軸向偏置磁通26分成兩部分，即磁通28和磁通29，由右側(cè)上、下吸力圓盤19、21，進入右側(cè)軸向工作氣隙；軸向控制繞組17產(chǎn)生左側(cè)軸向控制磁通38和右側(cè)軸向控制磁通39，分別與左、右側(cè)軸向偏置磁通相互作用，產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的軸向懸浮力；通過五個自由度上的位移閉環(huán)控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在徑向和軸向五自由度上穩(wěn)定懸浮，左、右側(cè)直驅(qū)電機轉(zhuǎn)矩繞組11、14產(chǎn)生的磁通與相對應的轉(zhuǎn)子永磁體22、23的永磁磁通相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。

如圖1、2、3、4所示，本實用新型由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子包括：左側(cè)電機鐵芯1、左側(cè)環(huán)形永磁體2、左側(cè)分磁鋁環(huán)3、徑向控制鐵芯4、右側(cè)分磁鋁環(huán)5、右側(cè)環(huán)形永磁體6、右側(cè)電機鐵芯7、左側(cè)軸向控制鐵芯8、右側(cè)軸向控制鐵芯9。轉(zhuǎn)子鐵芯12包括軸向部分和徑向部分，在其軸向部分兩端，分別在左、右側(cè)電機鐵芯1、7對應位置處貼有轉(zhuǎn)子永磁體22和23。左側(cè)電機鐵芯1做成電機定子槽型結(jié)構(gòu)，槽分兩層，外層嵌入懸浮控制繞組10，內(nèi)層嵌入轉(zhuǎn)矩繞組11，右側(cè)電機鐵芯7也做成電機定子槽型結(jié)構(gòu)，槽分兩層，外層嵌入懸浮控制繞組13，內(nèi)層嵌入懸轉(zhuǎn)矩繞組14，懸浮控制繞組10分成X方向和Y方向控制繞組，X方向控制繞組由繞組L_X1、L_X2、L_X3、L_X4、L_X5、L_X6、L_X7、L_X8、L_X9、L_X10、L_X11、L_X12串聯(lián)而成，通電形成兩極磁場，Y方向控制繞組由繞組L_Y1、L_Y2、L_Y3、L_Y4、L_Y5、L_Y6、L_Y7、L_Y8、L_Y9、L_Y10、L_Y11、L_Y12串聯(lián)而成，通電形成兩極磁場；懸浮控制繞組13也分成X方向和Y方向控制繞組，X方向控制繞組由繞組R_X1、R_X2、R_X3、R_X4、R_X5、R_X6、R_X7、R_X8、R_X9、R_X10、R_X11、R_X12串聯(lián)而成，通電形成兩極磁場，Y方向控制繞組由繞組R_Y1、R_Y2、R_Y3、R_Y4、R_Y5、R_Y6、R_Y7、R_Y8、R_Y9、R_Y10、R_Y11、R_Y12串聯(lián)而成，通電形成兩極磁場；轉(zhuǎn)矩繞組11、14通電形成的磁場極對數(shù)與轉(zhuǎn)子永磁體磁場極對數(shù)相同，按照常規(guī)電機繞組繞制即可，且轉(zhuǎn)矩繞組磁場極對數(shù)需大于等于3；

左側(cè)軸向控制鐵芯8做成E型結(jié)構(gòu)，中間為控制圓盤16，上、下位置是吸力圓盤15和18；右側(cè)軸向控制鐵芯9也做成E型結(jié)構(gòu)，中間為控制圓盤20，上、下位置是吸力圓盤19和21，在吸力圓盤15、18；19、21和控制圓盤16、20之間嵌入軸向控制繞組17，軸向控制繞組17由如圖1所示的各繞組相互串聯(lián)而成。

控制圓盤16、20與轉(zhuǎn)子鐵芯12的徑向部分之間的氣隙長度大于吸力圓盤15、18；19、21與轉(zhuǎn)子鐵芯12的徑向部分之間的氣隙長度，且吸力圓盤15、18；19、21與轉(zhuǎn)子鐵芯12的徑向部分之間的氣隙長度小于左、右側(cè)軸向控制鐵芯8和9與轉(zhuǎn)子鐵芯12的軸向部分之間的氣隙長度。左側(cè)環(huán)形永磁體2安裝在左側(cè)電機鐵芯1和左側(cè)軸向控制鐵芯8、左側(cè)分磁鋁環(huán)3、徑向控制鐵芯4之間；左側(cè)分磁鋁環(huán)3安裝在左側(cè)軸向控制鐵芯8和徑向控制鐵芯4之間；右側(cè)分磁鋁環(huán)5安裝在右側(cè)軸向控制鐵芯9和徑向控制鐵芯4之間；右側(cè)環(huán)形永磁體6安裝在右側(cè)電機鐵芯7和右側(cè)軸向控制鐵芯9、左側(cè)分磁鋁環(huán)5、徑向控制鐵芯4之間；左側(cè)電機鐵芯1、左側(cè)軸向控制鐵芯8、右側(cè)軸向控制鐵芯9、右側(cè)電機鐵芯7和轉(zhuǎn)子鐵芯12均由軸向和徑向?qū)Т判阅芰己玫牟牧现瞥?。集成化五自由度磁懸浮電機是由以上各部分沿著軸向疊裝而成，上述的集成化五自由度磁懸浮電機可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮與旋轉(zhuǎn)。

本實用新型方案所公開的技術手段不僅限于上述實施方式所公開的技術手段，還包括由以上技術特征任意組合所組成的技術方案。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本實用新型的保護范圍。