无轴承电机定子及无轴承电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体而言，涉及一种无轴承电机定子及无轴承电机。

背景技术

目前，无轴承电机利用定子上缠绕的绕组提供悬浮力和能量，使得转子可以悬浮并转动，实现了无轴承电机的转子无轴承运行。例如公告号CN115514128A的专利，公开了一种无轴承高速电机结构，其结构与传统高速电机一样，由一套绕组提供稳定的悬浮力及能量。但是，仅由一套绕组提供稳定的悬浮力及能量，但控制器成本较高且控制策略复杂，容易引发转子悬浮的不稳定性。因此，需要一种更加稳定的无轴承电机。

发明内容

本发明提供了一种无轴承电机定子及无轴承电机，以解决现有技术中的无轴承电机中的转子悬浮不稳定的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种无轴承电机定子，包括外定子和内定子，外定子具有沿周向分布的多个外定子槽，外定子槽内缠绕有能量绕组，能量绕组通电后产生外磁场；内定子设置在外定子内，内定子与外定子固定连接，内定子具有沿周向分布的多个内定子槽，内定子槽内缠绕有悬浮绕组，悬浮绕组通电后产生内磁场，内定子中的腔体用于穿入转子。

进一步地，外定子槽包括第一定子槽和第二定子槽，第一定子槽沿外定子的周向设置在外定子的内侧，第二定子槽沿外定子的周向设置在外定子的外侧，多个第一定子槽与多个第二定子槽一一对应。

进一步地，第一定子槽与第二定子槽之间具有缠绕梁，能量绕组穿过第一定子槽和第二定子槽，且缠绕于缠绕梁。

进一步地，第一定子槽靠近内定子一端的宽度小于第一定子槽靠近第二定子槽一端的宽度，第二定子槽的宽度大于第一定子槽的宽度。

进一步地，第一定子槽和第二定子槽均为C个，内定子槽为D个，D＝2C。

进一步地，外定子的极对数为A，内定子的极对数为B，B＝2A。

进一步地，内定子包括柱体和多个限位结构，柱体为圆环状，柱体具有多个内定子槽，多个限位结构在柱体的外周分布，多个限位结构与外定子槽一一对应地限位配合。

进一步地，外定子槽包括第一定子槽和第二定子槽，第一定子槽沿外定子的周向设置在外定子的内侧，第二定子槽沿外定子的周向设置在外定子的外侧，限位结构为燕尾齿，第一定子槽靠近内定子的一端具有两个相对的凸起，燕尾齿卡接在两个凸起之间。

进一步地，能量绕组采用背绕式结构缠绕于外定子，悬浮绕组采用单层链式绕组。

进一步地，相邻两个内定子槽之间具有绕齿，悬浮绕组缠绕在绕齿上。

根据本发明的另一方面，提供了一种无轴承电机，包括外壳、转子和上述的无轴承电机定子，无轴承电机定子设置在外壳内，转子穿过无轴承电机定子的内定子，无轴承电机在运行时，转子通过能量绕组提供的磁拉力和悬浮绕组提供的承载力悬浮转动。

进一步地，无轴承电机还包括两个备用轴承，两个备用轴承分别设置在外壳的两端，转子穿过两个备用轴承，备用轴承的内径大于转子的外径，备用轴承用于在无轴承电机停机时承载转子。

应用本发明的技术方案，提供了一种无轴承电机定子，包括外定子和内定子，外定子具有沿周向分布的多个外定子槽，外定子槽内缠绕有能量绕组，能量绕组通电后产生外磁场；内定子设置在外定子内，内定子与外定子固定连接，内定子具有沿周向分布的多个内定子槽，内定子槽内缠绕有悬浮绕组，悬浮绕组通电后产生内磁场，内定子中的腔体用于穿入转子。采用本方案，外定子具有多个外定子槽，能量绕组缠绕在外定子槽上，能量绕组通电后产生磁场，为转子提供旋转的力。内定子与外定子固定连接，内定子上缠绕有悬浮绕组，悬浮绕组通电后为转子提供承载转子悬浮的力。通过能量绕组和悬浮绕组共同控制转子的悬浮和转动，使得转子的控制更加稳定。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的实施例提供的无轴承电机定子的结构示意图；

图2示出了图1中的无轴承电机定子的外定子的结构示意图；

图3示出了图1中的无轴承电机定子的内定子的结构示意图；

图4示出了本发明的实施例提供的无轴承电机的结构示意图；

图5示出了本发明的无轴承电机定子x轴方向的受力示意图；

图6示出了本发明的无轴承电机定子y轴方向的受力示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、外定子；11、外定子槽；111、第一定子槽；112、第二定子槽；12、缠绕梁；13、能量绕组；

20、内定子；21、内定子槽；22、柱体；23、限位结构；24、绕齿；25、悬浮绕组；

30、外壳；40、转子；50、备用轴承。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图6所示，本发明的实施例提供了一种无轴承电机定子，包括外定子10和内定子20，外定子10具有沿周向分布的多个外定子槽11，外定子槽11内缠绕有能量绕组13，能量绕组13通电后产生外磁场；内定子20设置在外定子10内，内定子20与外定子10固定连接，内定子20具有沿周向分布的多个内定子槽21，内定子槽21内缠绕有悬浮绕组25，悬浮绕组25通电后产生内磁场，内定子20中的腔体用于穿入转子40。

采用本方案，外定子10具有多个外定子槽11，能量绕组缠绕在外定子槽11上，能量绕组13通电后产生磁场，为转子提供旋转的力。内定子20与外定子10固定连接，内定子20上缠绕有悬浮绕组25，悬浮绕组25通电后为转子提供内磁场，提供承载转子悬浮的力。通过能量绕组13和悬浮绕组25共同控制转子的悬浮和转动，使得转子的控制更加稳定。

如图2所示，外定子槽11包括第一定子槽111和第二定子槽112，第一定子槽111沿外定子10的周向设置在外定子10的内侧，第二定子槽112沿外定子10的周向设置在外定子10的外侧，多个第一定子槽111与多个第二定子槽112一一对应。

如此设置，外定子槽包括第一定子槽111和第二定子槽112，为能量绕组13的缠绕提供缠绕空间。

如图2所示，第一定子槽111与第二定子槽112之间具有缠绕梁12，能量绕组13穿过第一定子槽111和第二定子槽112，且缠绕于缠绕梁12。

如此设置，多个第一定子槽111与多个第二定子槽112一一对应，使得第一定子槽111与第二定子槽112之间形成缠绕梁12，能量绕组13穿过第一定子槽111和第二定子槽112缠绕在缠绕梁12，使得能量绕组13通电后，形成使得转子转动的外磁场。

如图2所示，第一定子槽111靠近内定子20一端的宽度小于第一定子槽111靠近第二定子槽112一端的宽度，第二定子槽112的宽度大于第一定子槽111的宽度。

如此设置，宽度是沿外定子10周向的尺寸，第一定子槽111靠近内定子20一端的宽度小于第一定子槽111靠近第二定子槽112一端的宽度，此设置为梨形槽，开槽的宽度不宜过大，会对谐波产生影响，使得转子旋转的振动变大，因此，第一定子槽111沿径向从内到外宽度逐渐扩大，使得第一定子槽111靠近第二定子槽112的一端具有足够的空间缠绕能量绕组13，并且使得外定子10在径向的尺寸分布更加均匀。第二定子槽112的宽度大于第一定子槽111的宽度，使得外定子10在径向的尺寸分布更加均匀。

进一步地，第一定子槽111和第二定子槽112均为C个，内定子槽21为D个，D＝2C。

如此设置，第一定子槽111、第二定子槽112与内定子槽21之间的比例关系，使得内磁场和外磁场的具有比例关系，使得对于转子的悬浮状态的控制更加简单，避免了转子悬浮不稳定的情况发生。

进一步地，外定子10的极对数为A，内定子20的极对数为B，B＝2A。如此设置，N-S为一个极对数，外定子10和内定子20的极对数对于电机的使用性能具有影响。

如图3所示，内定子20包括柱体22和多个限位结构23，柱体22为圆环状，柱体22具有多个内定子槽21，多个限位结构23在柱体22的外周分布，多个限位结构23与外定子槽11一一对应地限位配合。

如此设置，内定子20包括柱体22和多个限位结构23，柱体22为圆柱状，转子从柱体22的中间穿过，多个内定子槽21沿柱体22的周向分布。多个限位结构23在柱体22的外周分布，限位结构23与外定子槽11一一对应限位配合，将外定子10与内定子20固定在一起。在本发明的一个具体实施例中，通过热套的方式将内定子20与外定子10安装在一起后打胶固定。

如图1所示，外定子槽11包括第一定子槽111和第二定子槽112，第一定子槽111沿外定子10的周向设置在外定子10的内侧，第二定子槽112沿外定子10的周向设置在外定子10的外侧，限位结构23为燕尾齿，第一定子槽111靠近内定子20的一端具有两个相对的凸起，燕尾齿卡接在两个凸起之间。

如此设置，限位结构23为燕尾齿，第一定子槽111靠近内定子20的一端具有两个凸起，两个凸起分别与燕尾齿的两侧，使得内定子20固定在外定子10内，不易脱出。

在本发明的一个具体实施例中，能量绕组13采用背绕式结构缠绕于外定子10，悬浮绕组25采用单层链式绕组。如此设置，将能量绕组13采用背绕式结构，悬浮绕组25采用单层链式结构，使得内磁场和外磁场的方向叠加作用于转子后，使得转子可以在无轴承电机定子内部悬浮并转动。

如图3所示，相邻两个内定子槽21之间具有绕齿24，悬浮绕组25缠绕在绕齿24上。如此设置，悬浮绕组25缠绕在绕齿24上，悬浮绕组25通电后提供使得转子悬浮的磁场，提供使得转子悬浮的承载力。

根据本发明的另一方面，提供了一种无轴承电机，包括外壳30、转子40和上述的无轴承电机定子，无轴承电机定子设置在外壳30内，转子40穿过无轴承电机定子的内定子20，无轴承电机在运行时，转子40通过能量绕组13提供的磁拉力和悬浮绕组25提供的承载力悬浮转动。

如此设置，无轴承电机定子设置在外壳30内，外壳30对于无轴承电机定子起到保护和承载作用。转子40穿过内定子20，内定子20和悬浮绕组25提供使得转子40悬浮的磁场，外定子10和能量绕组13提供使得转子40转动的磁场，从而使得无轴承电机将电能转化为机械能。

如图1所示，无轴承电机还包括两个备用轴承50，两个备用轴承50分别设置在外壳30的两端，转子40穿过两个备用轴承50，备用轴承50的内径大于转子40的外径，备用轴承50用于在无轴承电机停机时承载转子40。

如此设置，两个备用轴承50分别设置在外壳30的两端，当无轴承电机装机时或者停机时，无轴承电机定子不对转子40产生作用，因此，转子40不再悬浮，此时，备用轴承50承载转子40，对转子40起到保护作用。

本发明的优点在于：

(1)无轴承电机无摩擦、无需润滑，这样无轴承电机相当于同时具有了有源磁轴承电机的全部优势，如功耗低、无污染、无噪音等优点。

(2)无轴承电机不需要气浮、液浮电机那样复杂的密封技术，同时也不会产生污染问题，可以应用于一些特有领域,如医学领域。

(3)与有源磁轴承电机相比，无轴承电机不需要额外的空间，这样，无轴承电机的轴向长度大大减小，电机的尺寸也同时缩小。

(4)内定子20与外定子10共同控制转子40的运动，使得转子40的悬浮更加稳定，控制简单，降低了电机的功耗，减少了成本与造价。

如图5和图6所示，在本发明的一个具体实施例中，能量绕组13产生的磁场磁力线为图中的Φ1，悬浮绕组25产生的磁场磁力线为图中的Φ2，两绕组产生的磁场会叠加。在普通电机中，只有磁场Φ1，没有磁场Φ2，因此气隙磁场为均匀的，而如果加入悬浮绕组25之后，打破了磁场的均匀性，会产生额外的磁拉力。在区域NO.1处，磁场Φ1与磁场Φ2的方向都为右，由矢量叠加原理，此处磁场大小增加，方向不变。而在区域NO.3处，磁场Φ1方向向右，磁场Φ2方向向左，由矢量叠加原理，此处磁场会相互抵消一部分，大小减弱，方向为磁感应强度比较大的方向。故在区域1处，磁感应强度比没有悬浮绕组25时大，区域3处，磁感应强度比没有悬浮绕组25时小，这样使得气隙左右方向的磁通密度不相同，产生向右的x轴轴线方向的磁拉力。同理，假如将悬浮绕组25中的电流方向改变，也可以产生向左的x轴轴线方向的磁拉力。而在y轴方向，由于磁感应强度没有改变，上下磁场的气隙磁密相同，故不产生磁拉力。

如图6所示，当N4中通入电流时，产生的磁场方向为Φ1。这时，磁场Φ1与磁场Φ2的叠加将变为y轴方向。此时，Φ1磁场的方向为沿y轴向上，磁场Φ2在区域2的方向为沿y轴向下，在区域NO.4的方向为沿y轴向上，由矢量叠加原理可知，区域2处磁通密度减弱，区域NO.4处磁通密度增强，产生的磁拉力方向向下。假如改变N1中电流的方向，则可以产生向上的磁拉力。这样，磁拉力可以由水平、竖直方向的力相互叠加，从而产生其他任意方向的力。因此，只要调整与控制悬浮绕组25中电流大小与方向，就可以产生可控的磁拉力或悬浮力，完成转子的稳定悬浮。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。