CN102290946A

CN102290946A - 大功率空气悬浮永磁高速电机

Info

Publication number: CN102290946A
Application number: CN2011101375951A
Authority: CN
Inventors: 侯安平
Original assignee: BEIJING HUDU ENERGY TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Ningbo Hudu Energy Technology Co ltd
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: CN102290946B

Abstract

本发明公开了大功率空气悬浮永磁高速电机，包括永磁同步电机转子、电机定子、前径向空气轴承、后径向空气轴承、轴向止推空气轴承和电机壳体；电机定子驱动永磁同步电机转子旋转，前径向空气轴承、后径向空气轴承、轴向止推空气轴承悬浮支撑永磁同步电机转子，电机壳体包围电机定子、前径向空气轴承、后径向空气轴承、轴向止推空气轴承、永磁同步电机转子。本发明使用永磁同步电机转子使得磁场强度更大，且转子尺寸更小，故而可以适用于更高的转速，磁场强度和转速的同步提高可以大大提高电机的功率。

Description

大功率空气悬浮永磁高速电机

技术领域

本发明涉及一种大功率的高速电机，还涉及应用于该电机的永磁转子和空气悬浮轴承。

背景技术

高速电机通常是指转速超过10000r/min的电动机，由于转速很高，高速电机通常作为原动机与执行机构直接连接，省却了复杂的中间变速机构，传动效率高，噪音小；同时由于转速高，电机的功率密度较高，可有效节约材料，方便安装。

高速电机是高速加工的关键技术，广泛用于钻、铣、磨等加工机床上，通常称之为电主轴，不仅可获得更大的生产率，而且还可获得很高的加工质量，并可降低生产成本。目前我国数控机床用电主轴大部分为进口，国内生产的电主轴普通采用滚珠轴承作为支撑。由于转速高，滚珠轴承磨损快，寿命短，使用的油雾润滑污染较大。随着新能源技术的发展和低碳环保的需求，高速电机在离心压缩机、分布式能源、混合动力汽车等领域拥有较大的发展前景，而作为机床加工用的高速电机其功率普遍较低，并不能满足这些应用的需求。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种带有空气轴承、使用永磁转子的大功率高速电机。

本发明的一种大功率空气悬浮永磁高速电机，包括：永磁同步电机转子，驱动永磁同步电机转子旋转的电机定子，悬浮支撑永磁同步电机转子的前径向空气轴承、后径向空气轴承和轴向止推空气轴承，和包围电机定子、空气轴承及永磁同步电机转子的电机壳体。

本发明的优点在于：

系统结构简单、功率密度大、整机效率高、环保，其具体表述如下。

(1)使用了先进的永磁同步电机转子而非普通转子，降低了损耗，可以提高整机效率；

(2)使用永磁同步电机转子使得磁场强度更大，且转子尺寸更小，故而可以适用于更高的转速，磁场强度和转速的同步提高可以大大提高电机的功率；

(3)使用永磁同步电机转子，可以通过变频电源直接驱动，实现电机的软启动以及变频调速功能，可减弱机器启动时对电网的冲击；

(4)用前述空气轴承代替了普通的滚子轴承，空气轴承处于永磁同步电机转子和电机壳体之间，通过形成高压气膜隔绝永磁同步电机转子和轴承间的物理接触，可以使永磁同步电机转子无摩擦转动，能极大程度地提高电机转子的转速，实现高速旋转，可以提高整机效率，同时增加机器的使用寿命；

(5)用空气轴承代替普通的滚子轴承后，省却了复杂笨重的滑油系统，减轻系统重量，并免除了滑油泄露的可能，可用于医药行业等高洁净无污染的应用。

附图说明

图1是本发明的一种大功率空气悬浮永磁高速电机的结构示意图；

图2是本发明执行机构为叶轮时的结构示意图；

图3是本发明永磁同步电机转子、空气轴承、止推盘的结构示意图；

图中：

1-永磁同步电机转子；2-电机定子；3-前径向空气轴承；4-后径向空气轴承；5-轴向止推空气轴承；6-电机壳体；7-反撬螺母；8-执行机构；9-止推盘。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种大功率空气悬浮永磁高速电机，如图1所示，包括：永磁同步电机转子1，驱动永磁同步电机转子1旋转的电机定子2，悬浮支撑永磁同步电机转子1的前径向空气轴承3、后径向空气轴承4和轴向止推空气轴承5，和包围电机定子2、三个空气轴承及永磁同步电机转子1的电机壳体6。

永磁同步电机转子1是将磁钢镶嵌在转轴表面，然后磨削到精度，属表面插入式转子。由于使用了磁钢代替铝条或铜条，由转子永磁体励磁，其功率因数可达到或接近1.0，没有转差率，转子上无基波铁、铜耗。转子优于铝转子或铜转子。

永磁同步电机转子1的前端和执行机构8直接相连，永磁同步电机转子1的伸出端穿过执行机构8的中心通孔，然后套上反撬螺母7将执行机构8紧压在永磁同步电机转子1的转子轴的台阶面上固定，图2是执行机构8为叶轮时的图例。执行机构8的旋转方向与反撬螺母7的旋向相反，则在旋转时，由于摩擦力的作用可使反撬螺母7进一步旋紧，起到防松的作用。

如图1、图3所示，为高速电机的轴系设计，永磁同步电机转子1由前径向空气轴承3、后径向空气轴承4和轴向止推空气轴承5共同支撑；前径向空气轴承3、后径向空气轴承4的轴瓦和永磁同步电机转子1的轴承面之间存在5μm～25μm的间隙，工作时将形成高压气膜隔绝两个面的接触，提供径向支撑力，并通过永磁同步电机转子1的高速旋转定心；同时，在永磁同步电机转子1的转子轴上有一个止推盘9，止推盘9的两侧安装转子由前径向空气轴承3和轴向止推空气轴承4，前径向空气轴承3上也有轴向止推气孔，两轴承与止推盘9的两面之间的间隙为5μm～20μm，工作时形成高压气膜提供轴向止推力。

前径向空气轴承3、后径向空气轴承4、轴向止推空气轴承5和电机定子2都安装在电机壳体6中，通过微间隙配合，轴向用端盖和台阶面进行定位。电机定子2由硅钢片叠加并绕上线圈而成，三相供电，直接由变频器驱动，可实现变频调速功能。电机壳体6内设有轴向的圆柱形气路通道，用于给前径向空气轴承3、后径向空气轴承4和轴向止推空气轴承5 提供高压气体。

高速电机工作时，首先开启外置高压气源，通过电机壳体6内的轴向的圆柱形气路通道给电机两端的前径向空气轴承3、后径向空气轴承4和轴向止推空气轴承5分别提供高压气体，经喷嘴小孔喷出后在轴和轴承间隙里形成高压气膜，使永磁同步电机转子1悬浮起来。径向轴承和轴向轴承分别提供径向和轴向支撑，保证永磁同步电机转子1完全脱离和其他部件的物理接触。这样，极大地降低了永磁同步电机转子1运转的摩擦力和噪音，在电机壳体6内部的电机定子2驱动下，可以实现高速旋转，提高了整个系统的效率和寿命。

气源打开，空气轴承开始工作以后，启动变频电源给电机定子2供电，在交变磁场的作用下驱动永磁同步电机转子1旋转，而永磁同步电机转子1的前端利用螺帽挤压执行机构到后座上的摩擦力由永磁同步电机转子1带动执行机构直接旋转；当需要调节执行机构转速时，调节变频电源的输出频率，改变永磁同步电机转子1旋转速度，即可调节执行机构转速。

当要停止工作时，首先将变频器输出频率缓慢调节至零，待永磁同步电机转子1完全停转以后，再关闭外置气源停止供气。

Claims

1.大功率空气悬浮永磁高速电机，其特征在于，包括永磁同步电机转子、电机定子、前径向空气轴承、后径向空气轴承、轴向止推空气轴承和电机壳体；

电机定子驱动永磁同步电机转子旋转，前径向空气轴承、后径向空气轴承、轴向止推空气轴承悬浮支撑永磁同步电机转子，电机壳体包围电机定子、前径向空气轴承、后径向空气轴承、轴向止推空气轴承、永磁同步电机转子。

2.根据权利要求1所述的大功率空气悬浮永磁高速电机，其特征在于，所述的永磁同步电机转子的转轴表面镶嵌磁钢。

3.根据权利要求1所述的大功率空气悬浮永磁高速电机，其特征在于，所述的前径向空气轴承、后径向空气轴承的轴瓦和转子的轴承面之间设有5μm～25μm的间隙。

4.根据权利要求1所述的大功率空气悬浮永磁高速电机，其特征在于，所述的永磁同步电机转子的轴上设有一个止推盘，止推盘的两侧安装前径向空气轴承和轴向止推空气轴承。

5.根据权利要求4所述的大功率空气悬浮永磁高速电机，其特征在于，前径向空气轴承与止推盘、轴向止推空气轴承与止推盘之间的间隙为5μm～25μm。

6.根据权利要求1所述的大功率空气悬浮永磁高速电机，其特征在于，所述的前径向空气轴承上设有轴向止推气孔。

7.根据权利要求1所述的大功率空气悬浮永磁高速电机，其特征在于，所述的电机定子由硅钢片叠加并绕上线圈而成，置于电机定子外围，三相供电，直接由变频器驱动，实现变频调速功能。

8.根据权利要求1所述的大功率空气悬浮永磁高速电机，其特征在于，所述的前径向空气轴承、后径向空气轴承、轴向止推空气轴承和电机定子都安装在电机壳体中，通过微间隙配合，轴向用端盖和台阶面进行定位。

9.根据权利要求1所述的大功率空气悬浮永磁高速电机，其特征在于，所述的电机壳体内设有轴向的圆柱形气路通道，用于给前径向空气轴承、后径向空气轴承和轴向止推空气轴承提供高压气体。