CN101515774A - 高温超导永磁混合磁悬浮变频电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温超导永磁混合磁悬浮变频电机。它包括机壳、固定于电机壳内腔的变频电机定子、处于变频电机定子中心的电机转子、与电机转子构成一体的转子主轴和支承转子主轴两端的推力轴承和径向轴承，所述的推力轴承为高温超导磁悬浮轴承，所述的径向轴承为永磁悬浮轴承。本发明提供的这种高温超导永磁混合磁悬浮变频电机，具有极高的极限转速、极小的摩擦和非常长的寿命，并且具有无需润滑、无污染等优点。

Description

高温超导永磁混合磁悬浮变频电机
技术领域
本发明涉及一种高温超导永磁混合磁悬浮变频电机，特别是一种高温超导永磁混合磁悬浮轴承支承主轴的变频电动机。
背景技术
随着科学技术的发展，在当今的航空航天、汽车和摩托车、模具等领域需要发展高速高精度长寿命的旋转机械。用高温超导永磁混合磁悬浮轴承来支承电机主轴转子，可以满足电机主轴转子的高速高精度长寿命要求。
高温超导磁悬浮轴承(High Temperature Superconductor Magnetic Bearing简称HTSMB)由永磁体PM和高温超导体HTS构成，由于高温超导体存在磁通钉扎，因此本身具有自稳定性。与主动磁悬浮轴承相比，高温超导磁悬浮轴承是无需主动电子控制系统的被动磁悬浮轴承，不仅节省了电力消耗，更重要的是还减少了可能失效的复杂控制部件，使系统更加可靠，使用寿命更长，更适用于航天领域和其它高速高精度长寿命机械所需要的摩擦系数接近于零、转速超过数万转、寿命超过数万、数十万小时的超低摩擦、高速高精度超长寿命等条件；永磁悬浮轴承同样是省去了复杂的主动电子控制系统的被动磁悬浮轴承，同样也减小了系统失效的可能性，使系统更加可靠。高温超导磁悬浮轴承和永磁磁悬浮轴承在工业领域都有着非常广泛的应用前景，将两者有机结合，取之长处，避其不足，必将会有更广阔的发展前景，将其应用到变频电机中可以使电机主轴转子的转速和寿命得到极大的提高。
目前，国内外已有技术中对变频电机的轴承支承技术中，全部采用滚动轴承、滑动轴承、气悬浮轴承或主动磁悬浮轴承等，还没有采用高温超导永磁混合磁悬浮轴承支承的变频电机。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温超导永磁混合悬磁浮变频电机，它具有极高的极限转速、极小的摩擦和非常长的寿命，并且具有无需润滑、无污染等优点。
为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种高温超导永磁混合磁悬浮变频电机，包括外壳、内机壳、固定于内机壳内腔的变频电机定子、处于变频电机定子中心的电机转子、与电机转子构成一体的转子主轴和支撑转子主轴两端的轴向高温超导磁悬浮推力轴承以及控制转子径向位移的径向永磁悬浮轴承，其特征在于所述的推力轴承为轴向高温超导磁悬浮轴承，所述的径向轴承为永磁体是轴向磁化的永磁悬浮轴承。
上述的轴向高温超导磁悬浮轴承的结构是：在转子主轴上下两端分别固定一个强磁体套，强磁体套中分别套装有轴向磁化的强磁体，该轴向磁化强磁体分别与上下两个高温超导装置相对应，电机工作时强磁体与超导体相匹配，形成高温超导磁悬浮推力轴承；所述的径向磁悬浮轴承的结构是：在转子主轴上的电机转子的两端分别固定套装一个轴向磁化的永磁体，永磁体由两个圆环套紧，该永磁体与固定在永磁体基座上的永磁体想匹配，永磁体基座固定在内机壳上，形成径向永磁悬浮轴承，该轴承控制转子的径向移动。
上述的高温超导装置中的超导体是由液氮冷却，该装置固定在基座上。
上述上高温超导装置和下高温超导装置分别固定在上端盖和下固定套上，下固定套固定在下端盖上，上固定套与下固定套用四根长螺栓固接，使上、下超导磁轴承与中间电机和径向永磁轴承固接成一个有机整体。
上述的上高温超导装置，中间加工成有圆孔的形式，转子主轴从圆孔穿出，伸出端盖作为电机的输出端。
上述的变频电机定子与机壳间有水层，接通外界冷却水管。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明中的变频电机主轴径向轴承采用永磁悬浮轴承，推力轴承采用高温超导磁悬浮轴承，省去了主动控制磁悬浮轴承的控制系统，减少出现故障的可能，对电机定子进行冷却，从而达到与现有技术相比较极大提高转速、减小摩擦、延长寿命的目的，并具有无需润滑、无污染等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例是：参见图1，其示出的是本高温超导永磁混合磁悬浮变频电机的机械结构图：下、上超导装置4、20分别固定在下端盖1和上固定套19上，与下、上超导装置4、20对应的是固定在下、上强磁体套6、17上的下、上强磁体5、18，下、上强磁体套6、17和转子主轴14固接，下、上强磁体5、18和下、上超导装置4、20就组成了下端和上端的高温超导磁悬浮轴承；其超导体所用的材料为现在常用的钇钡铜氧，钇钡铜氧通过冷却到一定的温度就会变为超导体，将具有超导体的各种性能，高温超导磁悬浮轴承主要是利用超导体的抗磁性来稳定悬浮永磁体，其在轴向起到支承作用，且在径向也具有一定的刚度。轴向磁化永磁体9及其两个套环和电机转子12分别固定在转子主轴14上面，电机转子12由变频电机定子13线圈中的旋转磁场驱动，与转子主轴14一起旋转。变频电机定子13安装在内机壳15上，通过变频器调节变频电机定子13中的旋转磁场速度来驱动电机转子12并带动电机转子主轴14一起转动，上端的超导磁悬浮轴承结构与下端的高温超导磁悬浮轴承相类似，只是上端的上超导装置20是倒置且中间开有孔，上端的上强磁体套17和上强磁体18中间也开有孔，使转子主轴14向外伸出。
每个径向永磁悬浮轴承由两对(三个)永磁体构成，即动永磁体9分别和其相邻的上下两个静永磁体11相匹配。固接静永磁体的永磁体基座7、10由隔套8隔开一定距离，并固定在内机壳15上，下、上超导装置4、20的下、上固定套3、19由长螺栓16连接，使上、下超导装置4、20与中间电机和永磁径向轴承固定成一个有机的整体固接在下端盖机座1上，外机壳2分别与下上端盖1和21固连。
超导装置在工作时与强磁体组成超导体磁轴承后，通过其超导体的抗磁性，轴向高温超导装置在强磁体的强磁场作用下使整个转子悬浮起来，并且有一定的径向刚度，而在径向永磁悬浮轴承的作用下，可以稳定控制转子的轴向和径向移动，于是就可以使转子稳定浮起来，通过变频电机定子13驱动电机转子12转动，可无级改变转子主轴14的转速。
由于高温超导永磁混合磁悬浮轴承具有传统机械轴承和主动磁悬浮轴承所无法比拟的许多优越性能，本发明与现有传统机械轴承和主动磁悬浮轴承支承的变频电机相比具有如下有益效果：
(1)高温超导永磁混合磁悬浮轴承支承的电机主轴转速比滚动轴承支承的电机主轴转速大约高2~4倍，比滑动轴承支承的电机主轴转速大约高2.5倍，与主动磁悬浮轴承支承的电机主轴转速相当，实现了电机的高速化。
(2)维护成本低，寿命长。由于高温超导永磁混合磁悬浮轴承是靠磁场力来悬浮轴颈，相对运动表面之间没有接触，不存在摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题，所以高温超导永磁混合磁悬浮轴承支承的电机寿命和可靠性均远高于传统机械轴承支承的变频电机主轴。
(3)与主动磁悬浮轴承相比，高温超导永磁混合磁悬浮轴承是无需主动电子控制系统的被动磁悬浮轴承，不仅节省了电力消耗，更重要的是还减少了可能失效的复杂控制部件，使系统更加可靠，使用寿命更长，重量更轻，更适用于航天领域和其它高速长寿命机械所需要的摩擦系数接近于零、转速超过数万转、寿命超过数万数十万小时的超低摩擦、高速超长寿命等条件。
(4)高温超导永磁混合磁悬浮轴承支承的电机主轴不需润滑，对环境无污染。
(5)高温超导永磁混合磁悬浮轴承支承的电机主轴其动力学参数(如刚度、阻尼等)可以通过调节超导体冷却温度进行调节，其回转精度可以达到微米级，刚度可以根据实际要求来设计。因此高温超导永磁混合磁悬浮轴承支承的电机主轴的回转精度比传统机械轴承支承的电主轴高，实现了电机主轴的高精度化。

Claims (4)

1.一种高温超导永磁混合磁悬浮变频电机，包括内机壳(15)、固定于内机壳(15)内腔的变频电机定子(13)、处于变频电机定子(13)中心的电机转子(12)、与电机转子(12)固接的转子主轴(14)和两端支承转子主轴(14)的推力轴承和径向轴承，其特征在于所述的推力轴承为轴向高温超导磁悬浮轴承，所述的径向轴承为永磁悬浮轴承。
2.根据权利要求1所述的高温超导永磁混合磁悬浮变频电机，其特征在于所述的轴向高温超导磁悬浮轴承的结构是：在转子主轴(14)的上下两端分别固定套装一个轴向磁化的上强磁体(18)和下强磁体(5)，该轴向磁化的上强磁体(18)和下强磁体(5)分别与一个上高温超导装置(20)和下高温超导装置(4)匹配，所述的上强磁体(18)和下强磁体(5)分别固定在上强磁体套(17)和下强磁体套(6)上，上强磁体套(17)和下强磁体套(6)分别固定在所述的转子主轴(14)上；所述的径向永磁悬浮轴承的结构是：在转子主轴(14)两端分别固定一个轴向磁化的永磁体(9)，永磁体(9)由两个同心环套住，并与两个轴向磁化永磁体(11)相匹配，两个轴向磁化永磁体(11)分别固定在两个永磁体基座(7、10)上，两个永磁体基座(7、10)由一个隔套(8)隔开有效距离并分别固定在所述内机壳(15)上。
3.根据权利要求2所述的高温超导永磁混合磁悬浮变频电机，其特征在于所述的上高温超导装置(20)和下高温超导装置(4)分别固定在上端盖(19)和下固定套(3)上，下固定套(3)固定在下端盖上，上固定套(19)与下固定套(3)用四根长螺栓(16)固接，使上、下超导磁轴承与中间电机和径向永磁轴承固接成一个有机整体。
4.根据权利要求3所述的高温超导永磁混合磁悬浮变频电机，其特征在于所述的上高温超导装置(20)中间设有圆孔，使转轴(14)从圆孔穿出，上端盖(21)也设有圆孔，使转轴(14)从圆孔中穿出，成为电机的输出端。
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