專利名稱：磁軸承平面永磁同步電機的制作方法
技術領域：
本發明屬于一種電機，特別是一種磁懸浮軸承平面永磁同步電機。
背景技術：
所謂平面永磁同步電機就是定子位于轉子的軸向兩側，氣隙磁場沿軸向成 平面分布的一種電機。1821年，法拉第發明的世界上第一臺電機就是平面永磁 同步電機。限于當時材料和工藝水平，平面永磁同步電機未能得到進一步發展。 然而，后來人們逐漸認識到普通圓柱式電機存在的一些弱點，如冷卻困難和轉子 鐵心利用率低等。上世紀40年代起，平面永磁同步電機重新受到了電機界的重 視。目前，國外已開發出了許多不同種類、不同結構的平面永磁同步電機。
主動磁懸浮軸承是利用磁力作用將轉子懸浮于空間、使轉子與定子之間實現 無機械摩擦支承的一種新型高性能軸承。磁軸承有著獨特的優越性——無接觸， 不用潤滑，無磨損，壽命長，剛度和阻尼在線可調，可適應各種運行條件，因 而在支承領域越來越具有吸引力，它在高速機床、汽輪發動機、空氣壓縮機、真 空分子泵、減振器、儲能飛輪、多維平臺、速率陀螺和衛星天線定位等領域獲得 了日益廣泛的應用。
如果將磁懸浮軸承與平面永磁同步電機相結合，將帶來一系列的優點。
發明內容
本發明的目的在于提供一種體積小、結構簡單、成本低且能滿足無接觸、 無磨損、無污染、高效率要求的磁軸承平面永磁同步電機。 本發明的目的可以通過以下措施來達到
首先，本發明的電機轉子采用徑向分層結構，內層為導磁層，電機轉矩磁 場通過其中；外層也為導磁層，徑向懸浮力磁場通過其中；中間為隔磁層，用來 隔開兩個磁場，使它們不相互耦合。
其次，本發明的電機定子采用六個凸極，上繞制線圈并通以三相電流，從 而在氣隙中產生一個四極的旋轉磁場。
第三，本發明的磁軸承部分采用普通的徑向磁懸浮軸承的8極對稱式結構， 它的磁場是在徑向平面內分布的，并且X方向和Y方向的懸浮力的控制是獨立的。
該電機包括磁懸浮軸承、電機轉子、電機定子、傳感器、傳感器支架，其 特征在于，所述磁懸浮軸承為徑向磁懸浮軸承的8極對稱式結構，位于電機轉子 的徑向外側；所述電機轉子為徑向直徑大于軸向長度的薄片結構，由外層導磁層
和內層導磁層及內外導磁層之間夾持一套隔磁層所組成，電機轉子的上下表面都 粘貼有永磁貼片；所述電機定子是指電機上定子和電機下定子，上、下兩個電機 定子分別置于轉子軸向上、下兩側，上、下兩個電機定子的凸極上均繞制勵磁繞 組;所述傳感器安裝在傳感器支架上，通過傳感器支架位于電機轉子的徑向內側。 為了簡化結構，該電機的轉子采用薄片狀結構(即轉子徑向尺寸遠遠大于 軸向尺寸)，只要主動控制其徑向兩個自由度的懸浮，而在軸向和扭轉方向上實 現被動懸浮，從而實現轉子空間五個自由度的穩定懸浮，去掉了軸向磁軸承，大 大縮小了電機的體積，并且大大簡化了電機的控制系統。因此，本發明的磁軸承 平面永磁同步電機具有如下優點
1、 體積小、結構簡單、設計新穎合理、控制系統簡單，能夠工作在無接觸、無 污染、無摩擦的磁懸浮狀態。
2、 耐用可靠，能長久運行而無需維護，更無須更換部件。特別是對一些醫療儀 器及需要連續工作的儀器，應用優勢尤為突出。
圖l為本發明的結構圖l中l磁懸浮軸承、2電機轉子、3電機上定子、4傳感器支架、5傳感器、
6電機下定子；
圖2為本發明的電機結構展開圖3為本發明的磁軸承結構圖； 圖4為本發明的轉子結構圖4中7外層導磁層、8中層隔磁層、9永磁貼片、IO內層導磁層； 圖5為本發明的徑向懸浮磁路走向原理圖6為本發明的轉子的被動懸浮原理圖；其中圖(a)為當轉子在軸向有偏移時， 受到反方向的磁拉力而回復原位的原理圖；圖(b)為當轉子在扭轉方向有偏移 時，受到反方向的磁拉力而回復原位的原理圖。
具體實施例方式
如附圖l所示，本發明的磁軸承平面永磁同步電機的主要組成是 一個薄 片狀轉子、兩個電機定子、 一個磁懸浮軸承定子和一個傳感器支架(上面安放四 個位移傳感器)。
附圖2闡述了本發明的磁軸承平面永磁同步電機的電機結構及其磁路走
向，可以看出它有兩個電機定子，對稱分布在轉子的兩側，因此它們之間所形成
的氣隙是平面型的，磁場方向是沿軸向的。本發明的轉子的上、下表面各有四個
平面永磁貼片，兩個N極和兩個S極相互間隔排列，而定子則有六個凸極，上繞制
線圈并通以三相電流，從而在氣隙中產生一個四極的旋轉磁場。本發明的轉子表
面的永磁貼片產生的磁場和定子繞組產生的磁場都可以近似地看作是正弦分布
的，它們共同激發了磁力，即為電機轉矩和軸向吸力。
可以把本發明的轉子表面的由永磁貼片形成的磁場等價看作是由通電線圈
產生的，線圈匝數為iV,，電流大小為f,。而W,，々的大小可由下式來得到
其中// ,是永磁體的磁場大小，A,是永磁體的磁感應強度大小，L是永磁體 的厚度，A是真空中的磁導率率，A是永磁貼片的相對磁導率，p是磁場極對數。
把定子的三相電流轉化到旋轉坐標系中，經過推算,可得到單邊的轉矩 ;和
軸向吸力《的最終表達式
r, =-(2)
16戶2g2 L乂, 2/,/rf2,、rf
其中X是定子中每相繞組的匝數，A、 A是轉子的內、外半徑，尸是磁場 極對數，g為單邊磁場氣隙的大小，&、々為直軸電流和交軸電流的大小。
于是，總的轉矩和軸向力可表示為
r總-r上+r下 (4) 4 =尸上-尸下 (5)
其中7^為上下兩個電機定子對轉子產生的合成轉矩，7^為上電機定子對轉 子產生的轉矩，2V為下電機定子對轉子產生的轉矩，i^為上下兩個電機定子對 轉子產生的合成軸向吸力，尸±為上電機定子對轉子產生的軸向吸力，」&為下電
5
機定子對轉子產生的軸向吸力。
由此可見，通過改變直軸電流^可以改變合成軸向吸力i^的大小，但并不 會影響到合成轉矩7^大小。因此，當徑向磁軸承無法產生足夠的軸向被動懸浮 力時，可以通過控制合成軸向吸力的大小來實現軸向的主動懸浮。
附圖3為本發明的徑向磁懸浮軸承結構圖，采用普通的徑向磁懸浮軸承的8 極對稱式結構，它的磁場是在徑向平面內分布的，并且X方向和Y方向的懸浮力的 控制是獨立的，最終可以表示成
F一,w;+Vy (6)
其中/t,是電流一 力系數，、是位移一力系數，/,是磁懸浮軸承繞組電流大小，
y是轉子位移量。
如附圖4所示，為了使電機轉矩磁場和徑向懸浮力磁場不相互耦合，本發明
的電機轉子須釆用徑向分層結構內層為導磁層，電機轉矩磁場沿軸向方向通過
其中；外層也為導磁層，徑向懸浮力磁場沿徑向平面的方向通過其中，如附圖5
中的黑線所示；中間為隔磁層，用來隔開兩個磁場。
附圖6為本發明的薄片狀轉子在軸向被動穩定原理示意圖，當轉子在軸向或
扭轉方向有任意偏移時，都會受到反方向的磁拉力使其回復原位。
權利要求
1、一種磁懸浮軸承平面永磁同步電機，包括磁懸浮軸承(1)、電機轉子(2)、電機定子(3、6)、傳感器(5)、傳感器支架(4)，其特征在于，所述磁懸浮軸承(1)為徑向磁懸浮軸承的8極對稱式結構，位于電機轉子(2)的徑向外側；所述電機轉子(2)為徑向直徑大于軸向長度的薄片結構，由外層導磁層(7)和內層導磁層(10)及內外導磁層(7、10)之間夾持一套隔磁層(8)所組成，電機轉子(2)的上下表面都粘貼有永磁貼片(9)；所述電機定子是指電機上定子(3)和電機下定子(6)，上、下兩個電機定子(3、6)分別置于轉子軸向上、下兩側，上、下兩個電機定子(3、6)的凸極上均繞制勵磁繞組；所述傳感器(5)安裝在傳感器支架(4)上，通過傳感器支架(4)位于電機轉子(2)的徑向內側。
全文摘要
一種磁懸浮軸承平面永磁同步電機，屬于磁懸浮軸承永磁同步電機。該電機包括轉子(2)、電機定子(3、6)、磁懸浮軸承定子(1)、傳感器(5)和傳感器支架(4)。兩個電機定子分別位于轉子的軸向兩側，磁懸浮軸承定子位于轉子的徑向外側，產生的懸浮力磁場在轉子的徑向平面內分布；傳感器支架位于轉子的徑向內側。采用徑向磁懸浮軸承的8極對稱式結構，在徑向兩個方向上的懸浮力采用獨立控制，實現電機的徑向懸浮。電機轉子采用薄片狀結構，控制電機徑向兩個自由度的懸浮實現轉子空間五個自由度的穩定懸浮，簡化了磁懸浮結構的控制系統，縮小了電機的體積；有控制機理簡單、功耗小、無摩擦等獨特的優點，在航空航天、小型旋轉高速機械、能源生命科學等領域具有廣闊的應用前景。
文檔編號H02K21/14GK101170270SQ20071013093
公開日2008年4月30日 申請日期2007年8月31日 優先權日2007年8月31日
發明者嵩 丁, 徐龍祥 申請人:南京航空航天大學