雙定子無軸承五相無刷直流電機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電機領(lǐng)域，具體涉及一種雙定子無軸承五相無刷直流電機，適用于航空航天、核電站、電動汽車等要求高可靠性的應用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]無軸承無刷直流電機將轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組共同疊繞在定子齒上，轉(zhuǎn)矩繞組實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)，懸浮力繞組產(chǎn)生徑向懸浮力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。該電機同時具備無刷直流電機和磁軸承兩者功能，具有磁軸承高速度、高精度、壽命長、無需潤滑和密封等優(yōu)點。而這種無軸承無刷直流電機存在的問題主要有:懸浮力繞組和轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生的磁場相互作用，較難實現(xiàn)懸浮力和轉(zhuǎn)矩之間的有效解耦；由于電機電流為方波直流，傳統(tǒng)電機的坐標變換控制方法難以應用到無軸承無刷直流電機中。
[0003]與本發(fā)明技術(shù)最為接近的電機結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的雙定子三相永磁電機，雙定子三相永磁電機由于內(nèi)部永磁體的固有特性，使其容錯性能受到限制，特別是繞組短路故障所引起的溫升等問題，將造成嚴重的系統(tǒng)性失效。相比于普通的三相電機而言，多相電機有許多優(yōu)點，首先，多相電機可以提供更大的輸出功率，不僅可以在相同輸出功率時有更小的電流，而且大的功率容量為容錯時的運行提供保障。其次，由基波電流產(chǎn)生的空間磁動勢諧波減小，降低了電機的轉(zhuǎn)矩脈動，由此帶來的噪聲也得到減小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了進一步提高無軸承無刷直流電機的工作性能，實現(xiàn)懸浮力繞組和轉(zhuǎn)矩繞組之間的自動解耦，提高電機的容錯能力，本發(fā)明提出具有很高的容錯性能、實現(xiàn)電、磁、熱、物理上的隔離的一種雙定子無軸承五相無刷直流電機，具有在某一相或幾相發(fā)生故障時能保證其余非故障相連續(xù)運行能力。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:本發(fā)明由外定子磁軛、容錯齒、電樞齒、外永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯、隔磁招環(huán)、內(nèi)永磁體、內(nèi)定子齒，內(nèi)定子磁軛、轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組組成，外定子磁軛、轉(zhuǎn)子鐵芯和內(nèi)定子磁軛三者由外而內(nèi)同軸心嵌套，外定子磁軛內(nèi)圓周面上沿圓周方向均勻固定有相互交錯排列的10個電樞齒和10個容錯齒，電樞齒上繞有A、B、C、D、E五相轉(zhuǎn)矩繞組，每相繞組繞在1個電樞齒上；轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面上均勻分布有18極外永磁體，18極外永磁體首尾固定相接，均按徑向方向充磁且N、S極相互交錯布置，轉(zhuǎn)子鐵芯的中間固定嵌有隔磁鋁環(huán)；轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)表面上均勻分布4極內(nèi)永磁體，4極內(nèi)永磁體按N、S的順序沿順時針方向分布且均按徑向方向充磁，內(nèi)定子磁軛外圓周面上沿圓周方向均勾固定6個內(nèi)定子齒，內(nèi)定子齒上繞有懸浮力繞組；電樞齒、容錯齒與外永磁體之間存在徑向外氣隙，內(nèi)定子齒與內(nèi)永磁體之間存在徑向內(nèi)氣隙。
[0006]進一步地，相鄰兩個內(nèi)永磁體之間相隔30°，每極內(nèi)永磁體所占弧度為60°。
[0007]進一步地，每相轉(zhuǎn)矩繞組由2個線圈組成，共10個線圈按(A+) — (D-) — (B+) — (E-)—(C+) — (A-) — (D+) — (B-) — (E+) — (C-)依次沿逆時針方向分布于電樞齒上;轉(zhuǎn)矩繞組4采用星形鏈接，采用五相Η橋驅(qū)動方式，電機正常工作時，轉(zhuǎn)子鐵芯7逆時針旋轉(zhuǎn)，在任一時刻均有四相轉(zhuǎn)矩繞組4同時通電，每相通電時間為144°:當轉(zhuǎn)子角位置〃在-18° -18°時，導通Η橋的B、C相上橋臂，導通D、E相下橋臂；當^在18° ~54°時，導通B、C相上橋臂，導通A、E相下橋臂；當0在54° ~90°時，導通C、D相上橋臂，導通A、E相下橋臂；當沒在90。~126°時，導通C、D相上橋臂，導通A、B相下橋臂；當0在126° -162°時，導通D、E相上橋臂，導通A、B相下橋臂；當^在162° -198°時，導通D、E相上橋臂，導通B、C相下橋臂；當0在198° ~234°時，導通A、E相上橋臂，導通B、C相下橋臂；當沒在234° -270°時，導通A、E相上橋臂，導通C、D相下橋臂；當^在270° -306°時，導通A、B相上橋臂，導通C、D相下橋臂；當^在306° -342°時，導通A、B相上橋臂，導通D、E相下橋臂。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
1、本發(fā)明中的轉(zhuǎn)矩繞組、外永磁體、轉(zhuǎn)子共同作用，實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)，懸浮力繞組、內(nèi)永磁體、轉(zhuǎn)子共同作用，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮力繞組分別獨立控制，在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)懸浮力繞組和轉(zhuǎn)矩繞組之間具有自解耦特性，不存在彼此制約，從而增強了徑向懸浮能力并改善懸浮子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。
[0009]2、外定子轉(zhuǎn)矩繞組采用多相電機結(jié)構(gòu)，電樞齒與容錯齒不等寬，易于實現(xiàn)144°平頂波的反電勢，各相電樞繞組間的容錯齒起到了隔離作用，不僅可以使每相通過容錯齒形成自己的閉合磁路，從而實現(xiàn)了磁隔離，還在一定程度上避免了相與相之間的熱量交換，實現(xiàn)了熱隔離，當一相繞組發(fā)生短路或開路故障時，對其它相繞組產(chǎn)生的不利影響變小且可以通過容錯控制實現(xiàn)正常旋轉(zhuǎn)，而沒有繞組的容錯齒對其產(chǎn)生的瞬間熱量有隔離作用，實現(xiàn)了熱隔離，提高了電機的效率，降低了溫升。
[0010]3、懸浮力繞組采用與普通電機相似的三相結(jié)構(gòu)，用三相逆變器驅(qū)動，a、b、c相三自由度方向懸浮力可調(diào)，能提供更加精準的合成懸浮力，且與功率放大器相比，三相功率逆變器具有體積小、成本低、功率損耗低的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0011]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0012]圖1是本發(fā)明雙定子無軸承五相無刷直流電機的徑向結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1中五相轉(zhuǎn)矩繞組的通電時序圖；
圖3是圖1中五相轉(zhuǎn)矩繞組磁勢圖；
圖4是圖1中a相、b相、c相三相懸浮力繞組通電時序圖；
圖5是圖1中內(nèi)永磁體磁力線和三相懸浮力繞組通電電磁磁力線示意圖；
圖6(a)、(b)、(c)分別是a相、b相、c相懸浮力繞組通電時懸浮力產(chǎn)生的相位圖，其中圖6 (a)是a相為正電流，b、c相為負電流時懸浮力相位圖，圖6 (b)是b相為正電流，a、c相為負電流時懸浮力相位，圖6(c)是是c相為正電流，a、b相為負電流時懸浮力相位。
[0013]圖中:1 一外定子磁軛；2—容錯齒；3 —電樞齒；4一轉(zhuǎn)矩繞組；5—氣隙A ;6—外永磁體；7—轉(zhuǎn)子鐵芯；8—隔磁招環(huán)；9 —內(nèi)永磁體；10—氣隙B ；11—內(nèi)定子齒；12—懸浮力繞組；13—內(nèi)定子磁軛；14一懸浮力繞組通電磁力線；15—內(nèi)永磁體磁力線。
【具體實施方式】
[0014]參見圖1，本發(fā)明雙定子無軸承五相無刷直流電機由外定子磁軛1、容錯齒2、電樞齒3、外永磁體6、轉(zhuǎn)子鐵芯7、隔磁鋁環(huán)8、內(nèi)永磁體9、內(nèi)定子齒11，內(nèi)定子磁軛13、轉(zhuǎn)矩繞組4和懸浮力繞組12組成。外定子磁軛1、轉(zhuǎn)子鐵芯7和內(nèi)定子磁軛13三者由外而內(nèi)地同軸心嵌套，外定子磁軛1內(nèi)圓周面上沿圓周方向均勻固定20個外定子齒，20個外定子齒由10個電樞齒3和10個容錯齒2組成，每相電樞齒3之間有獨立的容錯齒2，電樞齒3和容錯齒2相互交錯排列。在電樞齒3上繞有轉(zhuǎn)矩繞組4。
[0015]外永磁體6是18極，N、S極相互交錯布置，均按徑向方向充磁，18極外永磁體6的兩側(cè)首尾固定相接，18極外永磁體6均勾分布在轉(zhuǎn)子鐵芯7的外表面上，外永磁體6與20個外定子齒之間存在徑向外氣隙5，外氣隙5的徑向距離為0.5mm。轉(zhuǎn)子鐵芯7的中間固定嵌有隔磁鋁環(huán)8，隔磁鋁環(huán)8將轉(zhuǎn)子鐵芯7分為內(nèi)外兩部分，且與內(nèi)外轉(zhuǎn)子鐵芯7之間緊密相貼。在轉(zhuǎn)子鐵芯7內(nèi)表面上均勾分布4極內(nèi)永磁體9，內(nèi)永磁體9均按徑向方向充磁，相鄰兩個內(nèi)永磁體9之間相隔30°，每極內(nèi)永磁體9所占弧度為60°。內(nèi)定子磁軛13外圓周面上沿圓周方向均勻固定6個內(nèi)定子齒11，內(nèi)定子齒11上繞有懸浮力繞組12。內(nèi)定子齒11與內(nèi)永磁體9之間存在徑向內(nèi)氣隙10，內(nèi)氣隙10的徑向距離為0.5mm。
[0016]轉(zhuǎn)矩繞組4、外永磁體6、轉(zhuǎn)子鐵芯7共同作用，實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)，懸浮力繞組12、內(nèi)永磁體9、轉(zhuǎn)子鐵芯7共同作用，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。
[0017]轉(zhuǎn)矩繞組4采用20槽、不等齒寬的容錯齒結(jié)構(gòu)，由A、B、C、D、E五相組成，采用分數(shù)槽集中繞組，每相轉(zhuǎn)矩繞組4由2個線圈組成，共10個線圈，線圈按(A+) — (D-) — (B+)—(E-) — (C+) — (A-) — (D+) — (B-) — (E+) — (C-)依次沿逆時針方向分布于電樞齒3上。轉(zhuǎn)矩繞組4采用集中隔齒繞制，每相繞組繞在1個電樞齒3上，每相繞組之間間隔一個容錯齒2，繞組端部互不交疊，實現(xiàn)熱隔離。
[0018]懸浮力繞組12由a、b、c三相懸浮力繞組組成，分別間隔120°空間角度，采用集中繞組，每相懸浮力繞組12由2個線圈組成，共6個線圈，懸浮力繞組12為2極。其中，a相懸浮力繞組由線圈a:、a2組成，b相懸浮力繞組由線圈b ^ b2組成，c相懸浮力繞組由線圈Cl、c2組成。并且6個線圈按線圈a c b a 2— c 2— b 2的順序依次沿逆時針方向分布于內(nèi)定子齒11上。將線圈a:、a2串聯(lián)，作為a相懸浮力繞組，將線圈b ^ b2串聯(lián)，作為b相懸浮力繞組，將線圈Cp c2串聯(lián)，作為c相懸浮力繞組。
[0019]18極外永磁體6按N、S的順