本實(shí)用新型涉及電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)構(gòu)緊湊，控制、制造與裝配簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，軸向長(zhǎng)度短，臨界轉(zhuǎn)速高，鐵芯利用率高，徑向和軸向帶負(fù)載能力強(qiáng)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和輸出功率高的一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)。

背景技術(shù)：

五自由度磁懸浮電機(jī)是利用磁懸浮技術(shù)在產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，也產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮的徑向力，是實(shí)現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子之間無(wú)任何機(jī)械接觸運(yùn)行的一種新型高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于定、轉(zhuǎn)子之間不存在機(jī)械摩擦，所以五自由度磁懸浮電機(jī)的轉(zhuǎn)子可達(dá)到很高的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，并且具有無(wú)機(jī)械磨損、能耗低、壽命長(zhǎng)、無(wú)需潤(rùn)滑、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于高速或超高速直接驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。

要實(shí)現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子之間無(wú)機(jī)械接觸，必須在五個(gè)自由度上對(duì)轉(zhuǎn)子施加控制力。五自由度磁懸浮電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式主要分為以下幾種：①、由一個(gè)軸向單自由度磁軸承、兩個(gè)徑向兩自由度磁軸承和一個(gè)高速電機(jī)單元組成；②、由一個(gè)徑向-軸向三自由度磁軸承、一個(gè)徑向兩自由度磁軸承和高速電機(jī)單元組成、③、由一個(gè)軸向單自由度磁軸承、一個(gè)徑向兩自由度磁軸承和一個(gè)徑向兩自由度無(wú)軸承電機(jī)組成；④、兩個(gè)徑向兩自由度無(wú)軸承電機(jī)、一個(gè)軸向單自由度磁軸承組成、⑤、由一個(gè)徑向兩自由度無(wú)軸承電機(jī)和一個(gè)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(gè)獨(dú)立單元，沿著軸向組合而成，導(dǎo)致軸向長(zhǎng)度長(zhǎng)，臨界轉(zhuǎn)速低，體積大，控制復(fù)雜，且徑向與軸向帶負(fù)載能力差，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和輸出功率低，嚴(yán)重制約了磁懸浮電機(jī)的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，本實(shí)用新型有效解決了現(xiàn)有五自由度磁懸浮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊，控制、制造與裝配簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，軸向長(zhǎng)度短，臨界轉(zhuǎn)速高，徑向帶負(fù)載能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)速和輸出功率高的一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)。

本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯（11），其特征在于：所述轉(zhuǎn)子鐵芯（11）包括軸向部分、徑向部分，軸向部分一端設(shè)置有轉(zhuǎn)子永磁體（21）；所述定子包括沿轉(zhuǎn)子鐵芯（11）的軸向部分，并以轉(zhuǎn)子鐵芯（11）的徑向部分為對(duì)稱(chēng)中心，依次對(duì)稱(chēng)設(shè)置的左側(cè)徑向磁軸承鐵芯(1)、右側(cè)電機(jī)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(shè)置有徑向控制鐵芯（4），其定子齒上繞制有徑向控制繞組(22)；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(shè)置有左側(cè)分磁鋁環(huán)（3）、右側(cè)分磁鋁環(huán)（5）；左側(cè)徑向磁軸承鐵芯(1)的定子齒上繞制控制繞組（10），做成三極、或?yàn)樗臉O、或?yàn)榘藰O結(jié)構(gòu)，右側(cè)電機(jī)鐵芯(7)的定子槽內(nèi)沿徑向外層繞制懸浮控制繞組（12），內(nèi)層繞制轉(zhuǎn)矩繞組（13）；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(16)。

本實(shí)用新型進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)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(shè)置的吸力圓盤(pán)(14、17；18、20)以及中間位置設(shè)置的控制圓盤(pán)（15、19）構(gòu)成，軸向控制繞組(16)繞制于吸力圓盤(pán)(14、17；18、20)與控制圓盤(pán)（15、19）之間。

本實(shí)用新型進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是：

所述控制圓盤(pán)（15、19）與轉(zhuǎn)子鐵芯（11）徑向部分之間的氣隙長(zhǎng)度大于吸力圓盤(pán)（14、17；18、20）與轉(zhuǎn)子鐵芯（11）徑向部分之間的氣隙長(zhǎng)度，且吸力圓盤(pán)（14、17；18、20）與轉(zhuǎn)子鐵芯（11）徑向部分之間的氣隙長(zhǎng)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（11）軸向部分之間的氣隙長(zhǎng)度。

本實(shí)用新型進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)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(gè)自由度上產(chǎn)生偏置磁通。

本實(shí)用新型進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)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（28）分成左側(cè)徑向偏置磁通（30）和左側(cè)軸向偏置磁通（29）兩部分，右側(cè)偏置磁通（23）分成右側(cè)徑向偏置磁通（25）和右側(cè)軸向偏置磁通（24）兩部分，且減少漏磁。

本實(shí)用新型進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是：

所述左側(cè)徑向磁軸承鐵芯(1)、徑向控制鐵芯（4）、右側(cè)電機(jī)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(shí)用新型進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)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（21）均為稀土永磁材料制成。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：

一、本實(shí)用新型一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子組成，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在五個(gè)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(zhǎng)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(shí)用新型一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)由兩個(gè)軸向磁化的環(huán)形永磁體給左側(cè)徑向磁軸承、右側(cè)電機(jī)、左、右軸向控制鐵芯和徑向控制鐵芯提供偏置磁通，而左側(cè)徑向磁軸承控制繞組、右側(cè)電機(jī)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(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子五自由度穩(wěn)定懸浮，且偏置磁通均不經(jīng)過(guò)永磁體，可產(chǎn)生較大的軸向和徑向懸浮力、低功耗、控制簡(jiǎn)單。

三、本實(shí)用新型采用分磁鋁環(huán)，將左側(cè)偏置磁通（28）分成左側(cè)徑向偏置磁通（30）和左側(cè)軸向偏置磁通（29）兩部分，右側(cè)偏置磁通（23）分成右側(cè)徑向偏置磁通（25）和右側(cè)軸向偏置磁通（24）兩部分?？刂拼磐ň唤?jīng)過(guò)環(huán)形永磁體，可產(chǎn)生較大的軸向和徑向懸浮力、低功耗、控制簡(jiǎn)單。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)主視磁路示意圖；

圖3為本實(shí)用新型一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)左視磁路示意圖；

圖4為本實(shí)用新型一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)右視磁路示意圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型基于的原理是：由軸向磁化的左側(cè)環(huán)形永磁體2給左側(cè)徑向磁軸承提供左側(cè)偏置磁通28，左側(cè)徑向磁軸承控制繞組10產(chǎn)生的左側(cè)控制磁通33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)電機(jī)提供右側(cè)偏置磁通23，右側(cè)電機(jī)懸浮繞組12產(chǎn)生的右側(cè)控制磁通35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；左側(cè)偏置磁通28經(jīng)過(guò)左側(cè)分磁鋁環(huán)3分成左側(cè)徑向偏置磁通30和左側(cè)軸向偏置磁通29兩部分，右側(cè)偏置磁通23經(jīng)過(guò)右側(cè)分磁鋁環(huán)5分成右側(cè)徑向偏置磁通25和右側(cè)軸向偏置磁通24兩部分，徑向控制繞組22通電產(chǎn)生的徑向控制磁通34，對(duì)右側(cè)徑向偏置磁通25和左側(cè)徑向偏置磁通30進(jìn)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29分成兩部分，即磁通31和磁通32，由左側(cè)上、下吸力圓盤(pán)14、17，進(jìn)入左側(cè)軸向工作氣隙；右側(cè)軸向偏置磁通24分成兩部分，即磁通26和磁通27，由右側(cè)上、下吸力圓盤(pán)18、20，進(jìn)入右側(cè)軸向工作氣隙；軸向控制繞組16產(chǎn)生左側(cè)軸向控制磁通36和右側(cè)軸向控制磁通37，分別與左、右側(cè)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(guò)五個(gè)自由度上的位移閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在徑向和軸向五自由度上穩(wěn)定懸浮，右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組13磁通與相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子永磁體磁通相互作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。

如圖1、2、3、4所示，本實(shí)用新型由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子包括：左側(cè)徑向磁軸承鐵芯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(jī)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11包括軸向部分和徑向部分，在其軸向部分一端，即右側(cè)電機(jī)鐵芯7對(duì)應(yīng)位置處貼有轉(zhuǎn)子永磁體21；左側(cè)徑向磁軸承鐵芯1可做成三極、四極或八極等結(jié)構(gòu)，定子齒上繞組控制繞組10，右側(cè)電機(jī)鐵芯7做成電機(jī)定子槽型結(jié)構(gòu)，槽分兩層，外層嵌入懸浮控制繞組12，內(nèi)層嵌入轉(zhuǎn)矩繞組13，懸浮控制繞組12分成X方向和Y方向控制繞組，X方向控制繞組由繞組X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12串聯(lián)而成，通電形成兩極磁場(chǎng)，Y方向控制繞組由繞組Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9、Y10、Y11、Y12串聯(lián)而成，通電形成兩極磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)矩繞組13通電形成的磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)與轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)相同，按照常規(guī)電機(jī)繞組繞制即可，且轉(zhuǎn)矩繞組磁場(chǎng)極對(duì)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(pán)15，上、下位置是吸力圓盤(pán)14和17；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(pán)19，上、下位置是吸力圓盤(pán)18和20，在吸力圓盤(pán)14、17；18、20和控制圓盤(pán)15、19之間嵌入軸向控制繞組16，軸向控制繞組16由如圖1所示的各繞組相互串聯(lián)而成?？刂茍A盤(pán)15、19與轉(zhuǎn)子鐵芯11的徑向部分之間的氣隙長(zhǎng)度大于吸力圓盤(pán)14、17；18、20與轉(zhuǎn)子鐵芯11的徑向部分之間的氣隙長(zhǎng)度，且吸力圓盤(pán)14、17；18、20與轉(zhuǎn)子鐵芯11的徑向部分之間的氣隙長(zhǎng)度小于左、右側(cè)軸向控制鐵芯8和9與轉(zhuǎn)子鐵芯11的軸向部分之間的氣隙長(zhǎng)度。

左側(cè)環(huán)形永磁體2安裝在左側(cè)徑向磁軸承鐵芯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(jī)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)徑向磁軸承鐵芯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(jī)鐵芯7和轉(zhuǎn)子鐵芯11均由軸向和徑向?qū)Т判阅芰己玫牟牧现瞥伞Ｒ惑w化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)是由以上各部分沿著軸向疊裝而成，上述的一體化結(jié)構(gòu)的五自由度磁懸浮電機(jī)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子在五個(gè)自由度上穩(wěn)定懸浮與旋轉(zhuǎn)。

本實(shí)用新型方案所公開(kāi)的技術(shù)手段不僅限于上述實(shí)施方式所公開(kāi)的技術(shù)手段，還包括由以上技術(shù)特征任意組合所組成的技術(shù)方案。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。