CN106505780A - 一种磁悬浮永磁直驱高速电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁悬浮永磁直驱高速电机，包括壳体、定子、永磁转子、主轴以及分设于主轴前后两端的两组轴承组件，所述定子固定于壳体内，所述永磁转子装设于主轴上并空套于定子内，所述轴承组件包括轴承座以及自主轴中部向主轴两端依次布置的径向磁轴承、止推磁轴承和辅助轴承，所述主轴上设有止推轴肩，所述止推轴肩的端面与止推磁轴承之间设置止推磁间隙。本发明的磁悬浮永磁直驱高速电机具有电机转子轴系的质量和转动惯量小、轴系的临界转速高、强度和安全风险低、拆装调整方便的优点。
Description
技术领域
本发明涉及高速电机，尤其涉及一种磁悬浮永磁直驱高速电机。
背景技术
直驱高速电机是一种取代“传统低速电机+齿轮箱或皮带传动系统”的新型产品，可广泛应用于蒸汽压缩机、制冷压缩机、空气压缩机、鼓风机、膨胀机、燃气轮机发电、余热发电、脱硫除尘等高速透平机械领域。由于直驱高速电机克服了“传统低速电机+齿轮箱或皮带传动系统”的能耗高、噪音大、振动大、故障点多等不足，可以获得显著的增效、节能、降噪的效果，因而近年来市场对高速电机的需求越来越迫切。
直驱高速电机根据电机定转子的工作原理可以分为永磁型（包括永磁同步和永磁无刷直流）和交流异步型。由于永磁型电机功率密度大、转子发热少、速度力矩特性好、工作效率高，因而比异步电机更加节能，更加适合于高速化。
直驱高速电机所采用的轴承包括滚动轴承、液体滑动轴承、空气轴承和磁悬浮轴承等类型。由于磁悬浮轴承可实现无接触支撑、不需要润滑和密封、轴系传递给基础的振动小、使用寿命长、维护费用低等，在工程领域比其他轴承类型具有更强的竞争力。磁悬浮轴承的工作原理是，通过位移传感器检测转轴的径向位移和轴向位移，再根据转轴偏离平衡位置的位移大小，采用控制器调整磁轴承线圈的电流大小从而改变电磁力，将转轴拉回到平衡位置。磁悬浮直驱高速电机中的磁轴承既包括径向磁轴承，也包括止推磁轴承，既包括检测转轴径向位移的传感器，也包括检测转轴轴向位移的传感器。为了保证在电机停车或磁轴承失效状态下电机转子系统不会因为重力坠落砸伤磁轴承，磁悬浮高速电机中还配备有辅助轴承。由于磁悬浮高速电机转子系统沿轴向要分布电机转子、径向磁轴承、止推磁轴承、径向位移传感器、轴向位移传感器、辅助轴承等许多零部件，因而常常导致电机转子轴系的跨距变大，轴系临界转速降低，非常不利于实现进一步高速化。因此要实现磁悬浮电机的高速化，需要尽可能缩短电机转子轴系的跨距，实现结构紧凑化。
现有的磁悬浮高速电机的止推轴承普遍配有专门的推力盘。推力盘止推磁轴承具有明显不足：(1) 增加了电机转子轴系的质量和转动惯量，导致轴系临界转速降低，不利于提高电机的工作转速；(2) 推力盘由于直径大，高转速旋转时外圆的线速度也高，离心应力增大，存在强度和安全风险，不利于实现高速化；(3)推力盘一旦拆下重新装配，装配接触面的吻合度或多或少会发生变化，从而导致转子轴系的动平衡被破坏，需要重新进行动平衡后才能重复应用，使用十分麻烦。
现有的磁悬浮高速电机普遍采用检测旋转轴系某一个被测截面的轴向位移来调控转轴的轴向位置。由于高速电机长期运行后，转轴会发生热伸长，当高速电机止推轴承两个端面因为热伸长导致位移传感器测得的数据发生误差时，止推轴承的轴向平衡位置的控制精度会下降。
现有的磁悬浮高速电机的止推磁轴承，普遍利用磁极与止推端面形成磁回路，由于磁回路占用了止推端面的径向尺寸，导致止推环面外径必须增大或者环面内径必须缩小。若止推环面外径增大，将导致转子系统的质量增加，对提高临界转速不利；若止推环面内径缩小，将导致转轴直径变小，转轴刚度减小，也不利于提高轴系的临界转速不利。
现有的磁悬浮轴承多采用冷却水冷或自然冷却形式。强制水冷会带来磁轴承座密封的困难，一旦发生泄露容易发生电气短路故障。自然冷却方式由于冷却效果欠佳，会导致磁轴承的温升过大，引起磁轴承塑封的树脂变软，导致传感器座发生热变性，严重影响磁轴承的工作性能。
由于现有的磁悬浮永磁直驱高速电机存在着上述缺点，导致磁悬浮永磁直驱高速电机未能在压缩机、鼓风机、膨胀机、燃气轮机发电、余热发电、脱硫除尘等高速透平机械领域广泛应用。
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，提供一种电机转子轴系的质量和转动惯量小、轴系的临界转速高、强度和安全风险低、拆装调整方便的磁悬浮永磁直驱高速电机。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种磁悬浮永磁直驱高速电机，包括壳体、定子、永磁转子、主轴以及分设于主轴前后两端的两组轴承组件，所述定子固定于壳体内，所述永磁转子装设于主轴上并空套于定子内，所述轴承组件包括轴承座以及自主轴中部向主轴两端依次布置的径向磁轴承、止推磁轴承和辅助轴承，所述主轴上设有止推轴肩，所述止推轴肩的端面与止推磁轴承之间设置止推磁间隙。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述止推轴肩的外圆面与止推磁轴承的磁极之间构成磁回路。
所述径向磁轴承包括径向位移传感器、轴向位移传感器和磁轴承转子隔磁环，所述径向位移传感器的检测端朝向磁轴承转子隔磁环的外圆面，所述轴向位移传感器的检测端朝向磁轴承转子隔磁环的端面。
所述轴承座开设有多个轴向通风孔，所述多个轴向通风孔沿圆周方向均匀布置，所述轴向通风孔一端与电机内腔连通，另一端与电机外部空间连通，所述壳体上装设有与电机内腔连通的风机。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的磁悬浮永磁直驱高速电机，自主轴中部向主轴两端依次布置径向磁轴承、止推磁轴承和辅助轴承，主轴上设有止推轴肩，止推轴肩的端面与止推磁轴承之间设置止推磁间隙，用止推轴肩的端面代替传统的单独的直推盘结构，减小了电机转子轴系的质量和转动惯量，有利于提高轴系的临界转速；可避免传统推力盘结构由于直径大、线速度高、离心应力大带来的强度和安全风险；可避免推力盘拆下重装必须重新进行动平衡调整所带来的麻烦。止推轴肩的外圆面与止推磁轴承的磁极之间构成磁回路，避免传统结构导致止推环面外径增大或者环面内径缩小，有利于提高轴系的临界转速。径向位移传感器的检测端朝向磁轴承转子隔磁环的外圆面，轴向位移传感器的检测端朝向磁轴承转子隔磁环的端面，有效利用转子轴系的径向空间和轴向空间，使转子轴系结构更加紧凑，以利于提高转子轴系的临界转速；可同时检测轴向两个端面的位移，可综合评估转轴热伸长量的大小，从而为转轴轴向平衡位置的精确控制提供依据。轴承座开设有多个轴向通风孔，多个轴向通风孔沿圆周方向均匀布置，轴向通风孔一端与电机内腔连通，另一端与电机外部空间连通，壳体上装设有与电机内腔连通的风机，从风机输入的冷却空气可通过这些轴向通风孔流出，对轴承组件进行有效的冷却，解决了水冷带来的密封难题或自然冷却导致的温升过高的难题。
附图说明
图1是本发明磁悬浮永磁直驱高速电机实施例的结构示意图。
图2是图1中I处的放大图。
图中各标号标示：
1、壳体；11、风机；2、定子；3、永磁转子；4、主轴；41、止推轴肩；5、轴承组件；51、轴承座；511、轴向通风孔；52、径向磁轴承；521、径向位移传感器；522、轴向位移传感器；523、磁轴承转子隔磁环；53、止推磁轴承；54、辅助轴承；6、止推磁间隙。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例的磁悬浮永磁直驱高速电机，包括壳体1、定子2、永磁转子3、主轴4以及分设于主轴4前后两端的两组轴承组件5，定子2固定于壳体1内，永磁转子3装设于主轴4上并空套于定子2内，轴承组件5包括轴承座51以及自主轴4中部向主轴4两端依次布置的径向磁轴承52、止推磁轴承53和辅助轴承54，主轴4上设有止推轴肩41，止推轴肩41的端面与止推磁轴承53之间设置止推磁间隙6。本发明的磁悬浮永磁直驱高速电机，在主轴4上设有止推轴肩41，在止推轴肩41的端面与止推磁轴承53之间设置止推磁间隙6，从而用止推轴肩41的端面代替传统的单独的直推盘结构，减小了电机转子轴系的质量和转动惯量，有利于提高轴系的临界转速；可避免传统推力盘结构由于直径大、线速度高、离心应力大带来的强度和安全风险；可避免推力盘拆下重装必须重新进行动平衡调整所带来的麻烦。
本实施例中，止推轴肩41的外圆面与止推磁轴承53的磁极之间构成磁回路，避免传统结构导致止推环面外径增大或者环面内径缩小，有利于提高轴系的临界转速。
本实施例中，径向磁轴承52包括径向位移传感器521、轴向位移传感器522和磁轴承转子隔磁环523，径向位移传感器521的检测端朝向磁轴承转子隔磁环523的外圆面，轴向位移传感器522的检测端朝向磁轴承转子隔磁环523的端面，有效利用转子轴系的径向空间和轴向空间，使转子轴系结构更加紧凑，以利于提高转子轴系的临界转速；可同时检测轴向两个端面的位移，可综合评估转轴热伸长量的大小，从而为主轴4的轴向平衡位置精确控制提供依据。
本实施例中，轴承座51开设有多个轴向通风孔511，多个轴向通风孔511沿圆周方向均匀布置，轴向通风孔511一端与电机内腔连通，另一端与电机外部空间连通，壳体1上装设有与电机内腔连通的风机11，从风机11输入的冷却空气可通过这些轴向通风孔511流出，对轴承组件5进行有效的冷却，解决了水冷带来的密封难题或自然冷却导致的温升过高的难题。
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 (5)
1.一种磁悬浮永磁直驱高速电机，包括壳体（1）、定子（2）、永磁转子（3）、主轴（4）以及分设于主轴（4）前后两端的两组轴承组件（5），所述定子（2）固定于壳体（1）内，所述永磁转子（3）装设于主轴（4）上并空套于定子（2）内，其特征在于：所述轴承组件（5）包括轴承座（51）以及自主轴（4）中部向主轴（4）两端依次布置的径向磁轴承（52）、止推磁轴承（53）和辅助轴承（54），所述主轴（4）上设有止推轴肩（41），所述止推轴肩（41）的端面与止推磁轴承（53）之间设置止推磁间隙（6）。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮永磁直驱高速电机，其特征在于：所述止推轴肩（41）的外圆面与止推磁轴承（53）的磁极之间构成磁回路。
3.根据权利要求1或2所述的磁悬浮永磁直驱高速电机，其特征在于：所述径向磁轴承（52）包括径向位移传感器（521）、轴向位移传感器（522）和磁轴承转子隔磁环（523），所述径向位移传感器（521）的检测端朝向磁轴承转子隔磁环（523）的外圆面，所述轴向位移传感器（522）的检测端朝向磁轴承转子隔磁环（523）的端面。
4.根据权利要求1或2所述的磁悬浮永磁直驱高速电机，其特征在于：所述轴承座（51）开设有多个轴向通风孔（511），所述多个轴向通风孔（511）沿圆周方向均匀布置，所述轴向通风孔（511）一端与电机内腔连通，另一端与电机外部空间连通，所述壳体（1）上装设有与电机内腔连通的风机（11）。
5.根据权利要求3所述的磁悬浮永磁直驱高速电机，其特征在于：所述轴承座（51）开设有多个轴向通风孔（511），所述多个轴向通风孔（511）沿圆周方向均匀布置，所述轴向通风孔（511）一端与电机内腔连通，另一端与电机外部空间连通，所述壳体（1）上装设有与电机内腔连通的风机（11）。
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