CN102828973B - 永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机，包括电机主轴、电机定子、永磁体电机转子、壳体、压缩机叶轮和一对分设于壳体前后两端的轴承总成，所述电机定子套设于壳体内，所述电机主轴置于电机定子内，并通过一对轴承总成支承于壳体上，所述压缩机叶轮装设于所述电机主轴前端，所述轴承总成为磁悬浮轴承总成，所述永磁体电机转子包括多个永磁体磁条和设于所述电机主轴外周面上的多个磁条固定槽，所述永磁体磁条镶嵌于所述磁条固定槽内。该永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机具有结构简单、体积小、可控性好、能耗低、维护成本低的优点。

Description

永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机

技术领域

本发明涉及空气压缩机，尤其涉及永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机。

背景技术

空气压缩机是广泛应用于冶金、矿山、化工、天然气输送和环境处理等领域的高能耗设备。据统计，空气压缩机的电机系统能耗占工业部门电能总消耗量的30%以上。由于空气压缩机能耗总量大，通过提高工作效率产生的节能经济效益十分显著，而现在我国生产的高效率电机仅占电机总销量的1%左右，因此在我国空气压缩机行业产量大、能耗高、涉及国民经济面广的现实条件下，开发高速高效节能的空气压缩机显得尤为迫切。

传统的空气压缩机产品广泛采用“中低速电机——齿轮增速箱——叶轮”模式，其电机转速低、齿轮增速箱结构复杂、体积大、噪音高、能耗高、调速控制困难，数字化智能化程度低，系统维护成本较高。

现有高速电机按照类型可分为交流异步电机和永磁同步电机。与交流异步电机相比，永磁同步电机功率因素高，功率密度大，工作效率高，节能降耗效果明显，非常适合于提高电机的工作转速和工作效率，如果能够采用永磁同步高速电机直驱叶轮的结构制作空气压缩机，将大大提高空气压缩机产品的各项性能，但是，受现有永磁同步高速电机自身结构的限制，这种直驱结构还无法直接应用，原因如下：

1、现有永磁同步高速电机的转子结构无法满足直接驱动空气压缩机所需要的高转速和高强度要求。空气压缩机通常需要很大的输出功率，电机转子结构的径向尺寸较大，在高速运转时转子结构需要承受的离心力相应也非常大，但现有的永磁同步高速电机的转子结构难以满足这种高强度需求。目前，永磁同步高速电机的转子结构主要有整体式磁钢、表贴式加碳纤维固定磁钢两种。整体式磁钢的不足之处在于，磁钢套装到主轴上高速运转时由于离心力使环形磁钢膨胀导致过盈量减小，从而导致磁钢与转子之间的正压力减小，可传递的摩擦力和扭矩减小，容易出现电机转子相对主轴的圆周方向滑动，而如果增大预加的过盈量，脆性的转子磁钢可能出现断裂等故障；表贴式加碳纤维固定磁钢结构的主要弱点在于：碳纤维包裹转子磁钢非常不利于转子的散热，而如果转子温度过高会使永磁体退磁导致电机功能故障，且碳纤维在使用时间长或装配过程中出现微量破损后，高速运转时很容易在离心力作用下不断扩展，最终导致转子磁钢甩出甚至出现爆炸事故。

2、现有永磁同步高速电机的主轴轴承结构不适应空气压缩机转速高、轴向负荷大等工况要求。现有高速电机上采用的轴承主要有滚动轴承、液体滑动轴承和空气轴承等。滚动轴承的优点是容易实现标准化和系列化生产，但是由于空气压缩机工作时叶轮的高速旋转会产生很大的轴向力，将滚动轴承类型的止推轴承用来承受空气压缩机轴向载荷时，高速运转时滚动体的离心力会对滚道产生很大的动载荷，导致温升增大甚至烧毁轴承或滚动体甩出轴承外造成事故。液体滑动轴承刚度高、承载能力大，但是由于高速时液体介质磨损发热，导致无功损耗大，降低了电机的有效输出功率，不适应空气压缩机的大输出功率要求。空气轴承有利于实现高速度，但是刚度低、承载能力有限，只适用于轻型转子，不能满足空气压缩机的工况要求。除了轴承本身的原因外，现有高速电机中的止推轴承和径向轴承是分离的，导致电机结构尺寸大，轴向跨距大，不利于提高电机的临界工作转速，不适应空气压缩机的高转速要求；其次，由于电机两端的轴承结构不对称，不利于将两端轴承做成同样的结构，轴承互换性不好，不利于降低制造成本，缩短生产周期。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、体积小、可控性好、能耗低、维护成本低的永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机，包括电机主轴、电机定子、永磁体电机转子、壳体、压缩机叶轮和一对分设于壳体前后两端的轴承总成，所述电机定子套设于壳体内，所述电机主轴置于电机定子内，并通过一对轴承总成支承于壳体上，所述压缩机叶轮装设于所述电机主轴前端，所述轴承总成为磁悬浮轴承总成，所述永磁体电机转子包括多个永磁体磁条和设于所述电机主轴外周面上的多个磁条固定槽，所述永磁体磁条镶嵌于所述磁条固定槽内。

所述永磁体磁条和磁条固定槽相互楔紧配合。

所述永磁体磁条和磁条固定槽的横截面为相互配合的倒梯形，所述倒梯形的长底边的两角部设有圆弧倒角。

所述空气压缩机还包括两个转子动平衡环，所述两个转子动平衡环分设于永磁体电机转子两端，并对所述永磁体磁条轴向限位。

所述一对轴承总成结构相同且对称设置。

所述轴承总成包括轴承座、径向磁悬浮轴承、止推磁悬浮轴承、传感组件和端盖组件，所述轴承座与所述壳体固定连接，所述径向磁悬浮轴承装设于轴承座内，所述止推磁悬浮轴承装设于端盖组件内，所述传感组件设于径向磁悬浮轴承和止推磁悬浮轴承之间。

所述径向磁悬浮轴承包括磁悬浮轴承定子和磁悬浮轴承转子，所述磁悬浮轴承定子固定于所述轴承座内，所述磁悬浮轴承转子置于磁悬浮轴承定子内并固定于所述电机主轴上。

所述止推磁悬浮轴承包括止推盘、止推磁悬浮线圈和止推叶轮，所述止推叶轮固定于所述端盖组件内，所述止推磁悬浮线圈绕设于所述止推叶轮上，所述止推盘设于所述止推磁悬浮线圈一侧并固定于所述电机主轴上。

所述传感组件包括传感器、传感器座和一对环形垫，所述传感器座固定于所述轴承座上，所述一对环形垫固定于传感器座两侧，所述传感器设于一对环形垫之间。

所述端盖组件包括盖体和辅助轴承，所述盖体罩设于止推磁悬浮轴承和传感组件外并与所述轴承座固定连接，所述辅助轴承支承于所述盖体与电机主轴之间。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机，永磁体电机转子采用永磁体磁条镶嵌于磁条固定槽内的结构，使其在大尺寸、高转速、大离心力的工况下具备足够的强度，从而能够满足空气压缩机的工作需求，为提高空气压缩机最高转速创造了条件，且由于不需要外加碳纤维缠绕固定，有利于转子散热并降低温升；同时，本发明采用磁悬浮轴承总成支承电机主轴，磁悬浮轴承的定子和转子间间隙大，对机械加工和装配要求不高，降低了加工和装配成本，缩短了生产周期；磁悬浮轴承没有接触磨损，提高了电机的有效输出功率和工作效率；通过对永磁体电机转子的结构改进，并配以最合适的轴承支承系统，使得压缩机叶轮可以直接装设于电机主轴上，通过电机主轴直接驱动压缩机叶轮，从而实现永磁同步磁悬浮高速电机对空气压缩机的直接驱动，使空气压缩机的结构简化、体积减小、能耗降低、维护成本降低。永磁体磁条和磁条固定槽相互楔紧配合，其安装方便，连接强度高，运行稳定可靠，克服了整体转子过盈套装到主轴上高速运转时由于离心膨胀导致过盈量减小、电机转子相对主轴滑动的缺点，并且克服了表贴式加碳纤维固定磁钢结构的转子不利于散热的缺点，避免因转子温升高导致退磁，还克服了表贴式加碳纤维固定磁钢结构的转子在大离心力作用下转子磁钢易被甩出的缺点，大大提升了安全性；当永磁体磁条和磁条固定槽的横截面为相互配合的倒梯形时，在倒梯形的长底边的两角部设有圆弧倒角，使转轴上相应的凹面结构通过圆弧均匀过度，在高速工作状态下，永磁体磁条和磁条固定槽受到的离心应力分布较均匀，避免了应力集中问题，提高了连接强度和可靠性。一对轴承总成结构相同且对称设置，提高了轴承总成的互换性，有利于批量生产，降低了制造加工成本，且省掉了传统的单独的止推轴承，简化了电机结构。

附图说明

图1是本发明的主剖视结构示意图。

图2是图1的A－A剖视图。

图中各标号表示：

1、电机主轴；2、电机定子；3、永磁体电机转子；4、壳体；5、压缩机叶轮；6、轴承总成；7、转子动平衡环；31、永磁体磁条；32、磁条固定槽；61、轴承座；62、径向磁悬浮轴承；63、止推磁悬浮轴承；64、传感组件；65、端盖组件；621、磁悬浮轴承定子；622、磁悬浮轴承转子；631、止推盘；632、止推磁悬浮线圈；633、止推叶轮；641、传感器；642、传感器座；643、环形垫；651、盖体；652、辅助轴承。

具体实施方式

图1和图2示出了本发明的一种永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机实施例，该空气压缩机包括电机主轴1、电机定子2、永磁体电机转子3、壳体4、压缩机叶轮5和一对分设于壳体4前后两端的轴承总成6，电机定子2套设于壳体4内，电机主轴1置于电机定子2内，并通过一对轴承总成6支承于壳体4上，压缩机叶轮5装设于电机主轴1前端，轴承总成6为磁悬浮轴承总成，永磁体电机转子3包括多个永磁体磁条31和设于电机主轴1外周面上的多个磁条固定槽32，永磁体磁条31镶嵌于磁条固定槽32内，采用镶嵌结构的永磁体电机转子3，使其在大尺寸、高转速、大离心力的工况下具备足够的强度，从而能够满足空气压缩机的工作需求，为提高空气压缩机最大转速做好了准备；同时，本发明采用磁悬浮轴承总成支承电机主轴1，可提高电机主轴1的工作转速，降低高速工作状态下的温升，降低加工装配精度要求、节省成本、减少功耗、提高工作效率；通过对永磁体电机转子3的结构改进，并配以最合适的轴承支承系统，使得压缩机叶轮5可以直接装设于电机主轴1上，通过电机主轴1直接驱动压缩机叶轮5，从而实现永磁同步磁悬浮高速电机对空气压缩机的直接驱动，使空气压缩机的结构简化、体积减小、噪音减弱、能耗降低、可控性提升、维护成本降低。

本实施例中，永磁体磁条31和磁条固定槽32相互楔紧配合，其安装方便，连接强度高，运行稳定可靠，克服了整体转子过盈套装到主轴上高速运转时由于离心膨胀导致过盈量减小、转子会相对主轴滑动的缺点，并且克服了表贴式加碳纤维固定磁钢结构的转子不利于散热的缺点，避免因转子温升高导致退磁，还克服了表贴式加碳纤维固定磁钢结构的转子在大离心力作用下转子磁钢易被甩出的缺点，大大提升了安全性。本实施例中，永磁体磁条31和磁条固定槽32的横截面为相互配合的倒梯形，在倒梯形的长底边的两角部设有圆弧倒角，使转轴上相应的凹面结构通过圆弧均匀过度，种结构使得电机主轴1在高速工作状态下，永磁体磁条31和磁条固定槽32受到的离心应力分布最均匀，避免了应力集中问题，进一步提高了连接强度和可靠性。

本实施例中，空气压缩机还包括两个转子动平衡环7，两个转子动平衡环7分设于永磁体电机转子3两端，一方面两个转子动平衡环7用于调整电机主轴1的动平衡，另一方面对永磁体磁条31轴向限位。

本实施例中，一对轴承总成6结构相同且对称设置，可提高轴承总成6的互换性，有利于批量生产，降低了制造加工成本，且省掉了传统的单独的止推轴承，简化了电机结构。

本实施例中，轴承总成6包括轴承座61、径向磁悬浮轴承62、止推磁悬浮轴承63、传感组件64和端盖组件65，轴承座61与壳体4固定连接，径向磁悬浮轴承62装设于轴承座61内，止推磁悬浮轴承63装设于端盖组件65内，传感组件64设于径向磁悬浮轴承62和止推磁悬浮轴承63之间。径向磁悬浮轴承62包括磁悬浮轴承定子621和磁悬浮轴承转子622，磁悬浮轴承定子621固定于轴承座61内，磁悬浮轴承转子622置于磁悬浮轴承定子621内并固定于电机主轴1上。止推磁悬浮轴承63包括止推盘631、止推磁悬浮线圈632和止推叶轮633，止推叶轮633固定于端盖组件65内，止推磁悬浮线圈632绕设于止推叶轮633上，止推盘631设于止推磁悬浮线圈632一侧并固定于电机主轴1上。传感组件64包括传感器641、传感器座642和一对环形垫643，传感器座642固定于轴承座61上，一对环形垫643固定于传感器座642两侧，传感器641设于一对环形垫643之间。传感器641通过检测电机主轴1径向浮起量并发送给磁悬浮轴承控制系统，控制系统据此调控磁悬浮轴承线圈的电流大小，从而调整电机主轴1的位置。

本实施例中，端盖组件65包括盖体651和辅助轴承652，盖体651罩设于止推磁悬浮轴承63和传感组件64外并与轴承座61固定连接，辅助轴承652支承于盖体651与电机主轴1之间，在磁悬浮轴承通电前和断电后，由辅助轴承652支承电机主轴1。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机，包括电机主轴（1）、电机定子（2）、永磁体电机转子（3）、壳体（4）、压缩机叶轮（5）和一对分设于壳体（4）前后两端的轴承总成（6），所述电机定子（2）套设于壳体（4）内，所述电机主轴（1）置于电机定子（2）内，并通过一对轴承总成（6）支承于壳体（4）上，其特征在于：所述压缩机叶轮（5）装设于所述电机主轴（1）前端，所述轴承总成（6）为磁悬浮轴承总成，所述永磁体电机转子（3）包括多个永磁体磁条（31）和设于所述电机主轴（1）外周面上的多个磁条固定槽（32），所述永磁体磁条（31）镶嵌于所述磁条固定槽（32）内，永磁体磁条（31）外周不被包覆。

2.根据权利要求1所述的永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机，其特征在于：所述永磁体磁条（31）和磁条固定槽（32）相互楔紧配合。

3.根据权利要求2所述的永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机，其特征在于：所述永磁体磁条（31）和磁条固定槽（32）的横截面为相互配合的倒梯形，所述倒梯形的长底边的两角部设有圆弧倒角。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机，其特征在于：所述空气压缩机还包括两个转子动平衡环（7），所述两个转子动平衡环（7）分设于永磁体电机转子（3）两端，并对所述永磁体磁条（31）轴向限位。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机，其特征在于：所述一对轴承总成（6）结构相同且对称设置。

6.根据权利要求5所述的永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机，其特征在于：所述轴承总成（6）包括轴承座（61）、径向磁悬浮轴承（62）、止推磁悬浮轴承（63）、传感组件（64）和端盖组件（65），所述轴承座（61）与所述壳体（4）固定连接，所述径向磁悬浮轴承（62）装设于轴承座（61）内，所述止推磁悬浮轴承（63）装设于端盖组件（65）内，所述传感组件（64）设于径向磁悬浮轴承（62）和止推磁悬浮轴承（63）之间。

7.根据权利要求6所述的永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机，其特征在于：所述径向磁悬浮轴承（62）包括磁悬浮轴承定子（621）和磁悬浮轴承转子（622），所述磁悬浮轴承定子（621）固定于所述轴承座（61）内，所述磁悬浮轴承转子（622）置于磁悬浮轴承定子（621）内并固定于所述电机主轴（1）上。

8.根据权利要求6所述的永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机，其特征在于：所述止推磁悬浮轴承（63）包括止推盘（631）、止推磁悬浮线圈（632）和止推叶轮（633），所述止推叶轮（633）固定于所述端盖组件（65）内，所述止推磁悬浮线圈（632）绕设于所述止推叶轮（633）上，所述止推盘（631）设于所述止推磁悬浮线圈（632）一侧并固定于所述电机主轴（1）上。

9.根据权利要求6所述的永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机，其特征在于：所述传感组件（64）包括传感器（641）、传感器座（642）和一对环形垫（643），所述传感器座（642）固定于所述轴承座（61）上，所述一对环形垫（643）固定于传感器座（642）两侧，所述传感器（641）设于一对环形垫（643）之间。

10.根据权利要求6所述的永磁同步磁悬浮高速电机直驱空气压缩机，其特征在于：所述端盖组件（65）包括盖体（651）和辅助轴承（652），所述盖体（651）罩设于止推磁悬浮轴承（63）和传感组件（64）外并与所述轴承座（61）固定连接，所述辅助轴承（652）支承于所述盖体（651）与电机主轴（1）之间。