CN107222132B - 一种无推力盘磁悬浮电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无推力盘磁悬浮电机，该磁悬浮电机主要由三自由度一体化混合磁轴承，保护轴承，径向、轴向位移传感器，合金钢转子，高速电机，壳体，锁紧螺纹环等部件组成。高速电机处于中部，向外依次是径向位移传感器，三自由度一体化混合磁轴承，保护轴承、轴向传感器等，整个系统密封在壳体内部。本发明具有转子临界转速高、提高转子安全裕度、体积小、质量轻、效率高、可靠性高、功率密度大等优点。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮电机的技术领域，具体涉及一种无推力盘磁悬浮电机，可作为离心式压缩机、涡轮分子泵、涡轮制冷压缩机等领域的驱动装置，也可以作为燃料泵、飞轮、和控制力矩陀螺等高技术、低能耗产业领域和航空航天设备的动力源。
背景技术
转速问题是压缩机、真空机、制冷机等高速转动机械的工作效率低、可靠性低的主要制约因素之一，提高电机转速与稳定性，降低能耗是高转速机械领域亟待解决的核心问题。磁悬浮电机因转动无接触、无润滑等特点可达到每分钟上万转速，但目前磁悬浮电机考虑到轴向控制的原因，均有推力盘结构用以保证了轴向的可控性，但是其结构也限制了电机的临界转速，电机效率较低，且体积质量较大，在一些对体积质量要求苛刻的领域特别是航空航天方面受到较大限制，无推力盘磁悬浮电机从结构上解决了这种问题。该电机具有较高临界转速优势，这对于压缩、真空及制冷机械有着显著意义；此外体积质量较一般磁悬浮电机较小，工作效率高等优点，这就大大扩大了该电机的应用领域和范围。无推力盘磁悬浮电机的优势使其在航空航天、电动汽车、涡轮压缩等领域有较大发展前景。
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，提供一种转速高、比能量密度高、体积小、重量轻、寿命长、功耗低、工作性能稳定、能量转换效率高、无污染的无推力盘结构形式的永磁偏置混合磁悬浮电机。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种无推力盘磁悬浮电机，由静止部分和转动部分两部分组成，静止部分包括：三自由度一体化混合磁轴承的静止部分、径向位移传感器、高速电机的静止部分、内筒、壳体、安装环和轴承座；转动部分包括：三自由度一体化混合磁轴承的转动部分、合金钢转子、高速电机的转子永磁体、永磁体保护套和锁紧螺纹环；高速电机位于装置的中间位置，其转子永磁体由永磁体保护套安装在两个合金钢转子的中间，其静止部分安装在内筒上，两个三自由度一体化混合磁轴承位于高速电机的两端，其静止部分与安装环连接在一起，其转动部分通过锁紧螺纹环与合金钢转子连接在一起，左右两侧的三自由度一体化混合磁轴承与高速电机中间各有一个固定在安装环上的径向位移传感器，轴向位移传感器位于合金钢转子的右侧，在三自由度一体化混合磁轴承的外侧为保护轴承，左端保护轴承是一个深沟球轴承，右端保护轴承是一对成对使用的角接触球轴承，保护轴承安装在轴承座与合金钢转子中间，整个系统密封在壳体和前/后端盖内部；径向位移传感器和轴向位移传感器输出的电信号与外加控制器的输入端相连，该控制器的输出端分别与两个三自由度一体化混合磁轴承的电磁线圈相连，形成电的闭环回路。
其中，所述的左侧保护轴承与合金钢转子形成0.10-0.30mm的径向保护间隙，右侧保护轴承与合金钢转子分别形成0.10-0.30mm的径向保护间隙和0.20-0.50mm的轴向保护间隙。
其中，所述的三自由度一体化混合磁轴承为非机械接触的磁悬浮轴承。
其中，所述的非机械接触的磁悬浮轴承为永磁偏置、电磁控制的主动式磁悬浮轴承，或纯电励磁的磁悬浮轴承。
其中，所述的高速电机不含有机械轴承，两个三自由度一体化混合磁轴承同时为高速电机起到轴向与径向支撑定位作用。
其中，所述的高速电机为永磁无刷直流电机，或为开关磁阻电机，或为感应电机。
其中，所述的合金钢转子由两个合金钢转子组成，中间为电机转子永磁体，外侧为有预紧力过盈配合的永磁体保护套，通过锁紧螺纹环对轴向进行紧固。
其中，轴向去除了推力盘结构，采用所述的三自由度一体化混合磁轴承控制转子轴X、Y、Z三自由度稳定悬浮。
本发明的原理是：通过三自由度一体化混合磁轴承中径向磁轴承部分保持整体结构的旋转部分与静止部分的径向间隙及高速电机定子、转子径向间隙均匀以及保证非接触稳定悬浮，通过三自由度一体化混合磁轴承中轴向磁轴承部分保持整体结构的旋转部分与静止部分轴向间隙均匀以及保证非接触稳定悬浮，同时保持高速电机的定、转子轴向对齐。当转子部分受到某一因素的干扰后，使转子轴的径向或轴向间隙发生变化时，位移传感器将及时检测出间隙的变化，发出检测信号，外加控制器通过增加或减小三自由度一体化混合磁轴承中径向磁轴承部分、轴向磁轴承部分的电磁线圈中的电流，增大或减小三自由度一体化混合磁轴承中径向磁轴承部分、轴向磁轴承部分的磁力，从而保持整体结构的静止部分与转动部分的径向与轴向间隙均匀和稳定悬浮，消除干扰的影响，维持转子轴正常稳定运转。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用了无推力盘结构，大大提高了转子转速、减小了体积、减轻了重量、降低了功耗；采用三自由度一体化混合磁轴承技术，提高了抗干扰能力、延长了使用寿命，并进一步减小了整体结构的体积；同时采用高效永磁无刷直流电机，减小了损耗、提高了能量转换效率。
附图说明
图1为本发明所述的无推力盘磁悬浮电机剖面图；
图2为本发明的永磁偏置主动式三自由度一体化混合磁轴承剖面图；
图3为本发明的转子轴剖面图；
图4为本发明的径向位移传感器结构主视图；
图5为本发明的轴向位移传感器结构侧视图；
图6为本发明的保护轴承方案示意图；
图7为本发明的永磁无刷直流电机剖面图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明一种无推力盘磁悬浮电机，由静止部分和转动部分两部分组成，静止部分包括：三自由度一体化混合磁轴承1的静止部分、径向位移传感器2、高速电机3的静止部分、内筒4、壳体5和安装环9；转动部分包括：三自由度一体化混合磁轴承1的转动部分、合金钢转子8、高速电机3的转子永磁体6、永磁体保护套7和锁紧螺纹环10。高速电机3位于装置的中间位置，其转子永磁体由永磁体保护套7安装在两个合金钢转子8的中间，其静止部分安装在内筒4上，三自由度一体化混合磁轴承1处于高速电机3的两端，其静止部分与安装环9连接在一起，其转动部分与合金钢转子8连接在一起，左右两侧的三自由度一体化混合磁轴承1与高速电机3中间各有一个固定在安装环9上的径向位移传感器2，轴向位移传感器13位于合金钢转子8的右侧，在三自由度一体化混合磁轴承1的外侧为左侧保护轴承15和右侧保护轴承12，右侧保护轴承12安装在轴承座11与合金钢转子8中间，整个系统密封在壳体5和前/后端盖14内部；径向位移传感器2和轴向位移传感器13输出的电信号与外加控制器的输入端相连，该控制器的输出端分别与两个三自由度一体化混合磁轴承1的电磁线圈相连，形成电的闭环回路。
所述的左侧保护轴承15与合金钢转子8形成0.10-0.30mm的径向保护间隙，右侧保护轴承12与合金钢转子8分别形成0.10-0.30mm的径向保护间隙和0.20-0.50mm的轴向保护间隙。
本发明的三自由度一体化混合磁轴承1为非机械接触轴承，可以是永磁偏置的、电磁控制的主动式磁悬浮轴承，如图2所示的永磁偏置混合磁轴承，也可以是纯电励磁的磁悬浮轴承。
图2为本发明的永磁偏置主动式三自由度一体化混合磁轴承剖面图，主要由螺纹环102、轴向激磁线圈103、外导磁环104、内导磁环105、永磁体环107、径向导磁环108、径向定子铁心109、径向激励线圈110、径向空气隙111、径向转子铁心112等组成。外导磁环104与螺纹环102端面之间形成轴向空气隙101，内导磁环105与螺纹环102之间形成环形气隙106，径向定子铁心109与径向转子铁心112之间形成轴向气隙111；永磁体环107为混合磁轴承提供偏置磁场，并起到隔离轴向和径向控制磁场的作用，实现轴向径向控制解耦。其中螺纹环102、径向转子铁心112为转动部分，其余为静止部分。
图3为本发明的转子轴的剖面图，转子永磁体6在两合金钢转子8中间，与自冷却高强度的永磁体保护套7采用过盈配合，防止在高速旋转中由于离心力过大导致组件脱落以及永磁体过热导致不可逆退磁的风险。
图4为本发明的径向电涡流位移传感器的主视图，四个径向位移传感器探头21～24均布在传感器座的内圆周上。位移传感器探头21～24和径向探测体永磁体保护套7之间形成径向探测间隙，径向探测间隙一般为0.25mm～1.25mm。两个径向位移传感器探头21和23组成一对，分别位于X轴的两个方向成180°角，同时探测X方向的位移信号，另两个径向位移传感器探头22和24组成另一对，分别位于Y轴的两个方向成180°角，同时探测Y方向的位移信号，即四个径向位移传感器探头21～24分别成90°角。
图5为本发明的轴向电涡流位移传感器的侧视图，一个轴向位移传感器探头131安装在传感器座的端面中心位置。位移传感器探头131和轴向探测体右轴承挡座65之间形成轴向探测间隙，轴向探测间隙一般为0.5mm～1.5mm，探测Z向方向的位移信号。
图6为本发明的保护轴承配置方案剖面图，由左侧深沟球轴承15、右侧一对角接触球轴承12、左侧端盖62、锁紧螺母64以及右轴承挡座65组成，左右两侧保护轴承15和12分别由左侧端盖62和锁紧螺母64固定在保护轴承座11上，并与合金钢转子8分别形成0.10～0.30mm的径向保护间隙61，右侧保护轴承12与合金钢转子8形成0.20～0.50mm的轴向保护间隙63。
本发明的高速电机3为整体结构的驱动部分，可以是图7所示的永磁无刷直流电机，也可以是开关磁阻电机，或为感应电机。
图7为本发明的永磁无刷直流电机3的轴向剖面图，主要由电机定子绕组31、电机定子铁心32、转子永磁体6等部件组成。其中转子永磁体6为转动部分，其余为静止部分。
本发明的高速电机3不再含有机械轴承，两个永磁偏置三自由度一体化混合磁轴承1同时为电机3起到径向与轴向支撑定位作用。
本发明的壳体5起安全防护、防尘等作用。
Claims (1)
1.一种无推力盘磁悬浮电机，由静止部分和转动部分两部分组成，其特征在于：静止部分包括：三自由度一体化混合磁轴承(1)的静止部分、径向位移传感器(2)、高速电机(3)的静止部分、内筒(4)、壳体(5)和安装环(9)；转动部分包括：三自由度一体化混合磁轴承(1)的转动部分、合金钢转子(8)、高速电机(3)的转子永磁体(6)、永磁体保护套(7)和锁紧螺纹环(10)，高速电机(3)位于装置的中间位置，其转子永磁体由永磁体保护套(7)安装在两个合金钢转子(8)的中间，其静止部分安装在内筒(4)上，三自由度一体化混合磁轴承(1)处于高速电机(3)的两端，其静止部分与安装环(9)连接在一起，其转动部分与合金钢转子(8)连接在一起，左右两侧的三自由度一体化混合磁轴承(1)与高速电机(3)中间各有一个固定在安装环(9)上的径向位移传感器(2)，轴向位移传感器(13)位于合金钢转子(8)的右侧，在三自由度一体化混合磁轴承(1)的外侧为左侧保护轴承(15)和右侧保护轴承(12)，右侧保护轴承(12)安装在轴承座(11)与合金钢转子(8)中间，整个系统密封在壳体(5)和前/后端盖(14)内部；径向位移传感器(2)和轴向位移传感器(13)输出的电信号与外加控制器的输入端相连，该控制器的输出端分别与两个三自由度一体化混合磁轴承(1)的电磁线圈相连，形成电的闭环回路；
所述的左侧保护轴承(15)与合金钢转子(8)形成0.10-0.30mm的径向保护间隙，右侧保护轴承(12)与合金钢转子(8)分别形成0.10-0.30mm的径向保护间隙和0.20-0.50mm的轴向保护间隙；
三自由度一体化混合磁轴承(1)为非机械接触轴承，可以是永磁偏置的、电磁控制的主动式磁悬浮轴承，可为永磁偏置混合磁轴承，也可以是纯电励磁的磁悬浮轴承；
永磁偏置主动式三自由度一体化混合磁轴承，主要由螺纹环(102)、轴向激磁线圈(103)、外导磁环(104)、内导磁环(105)、永磁体环(107)、径向导磁环(108)、径向定子铁心(109)、径向激励线圈(110)、径向空气隙(111)、径向转子铁心(112)组成；外导磁环(104)与螺纹环(102)端面之间形成轴向空气隙(101)，内导磁环(105)与螺纹环(102)之间形成环形气隙(106)，径向定子铁心(109)与径向转子铁心(112)之间形成轴向气隙(111)；永磁体环(107)为混合磁轴承提供偏置磁场，并起到隔离轴向和径向控制磁场的作用，实现轴向径向控制解耦，其中螺纹环(102)、径向转子铁心(112)为转动部分，其余为静止部分；
转子永磁体(6)在两合金钢转子(8)中间，与自冷却高强度的永磁体保护套(7)采用过盈配合，防止在高速旋转中由于离心力过大导致组件脱落以及永磁体过热导致不可逆退磁的风险；
径向电涡流位移传感器中，四个径向位移传感器探头(21～24)均布在传感器座的内圆周上，四个径向位移传感器探头(21～24)和径向探测体永磁体保护套(7)之间形成径向探测间隙，径向探测间隙一般为0.25mm～1.255mm；两个径向位移传感器探头(21和23)组成一对，分别位于X轴的两个方向成180°角，同时探测X方向的位移信号，另两个径向位移传感器探头(22和24)组成另一对，分别位于Y轴的两个方向成180°角，同时探测Y方向的位移信号，即四个径向位移传感器探头21～24分别成90°角；
一个轴向位移传感器探头(131)安装在传感器座的端面中心位置，位移传感器探头(131)和轴向探测体右轴承挡座(65)之间形成轴向探测间隙，轴向探测间隙一般为0.5mm～1.5mm，探测Z向方向的位移信号；
保护轴承由左侧深沟球轴承(15)、右侧一对角接触球轴承(12)、左侧端盖(62)、锁紧螺母(64)以及右轴承挡座(65)组成，左右两侧保护轴承(15和12)分别由左侧端盖(62)和锁紧螺母(64)固定在保护轴承座(11)上，并与合金钢转子(8)分别形成0.10～0.30mm的径向保护间隙(61)，右侧保护轴承(12)与合金钢转子(8)形成0.20～0.50mm的轴向保护间隙(63)；
高速电机(3)为整体结构的驱动部分，可以是永磁无刷直流电机，也可以是开关磁阻电机，或为感应电机；
永磁无刷直流电机(3)主要由电机定子绕组(31)、电机定子铁心(32)、转子永磁体(6)部件组成，其中转子永磁体(6)为转动部分，其余为静止部分；
高速电机(3)不再含有机械轴承，两个永磁偏置三自由度一体化混合磁轴承(1)同时为电机(3)起到径向与轴向支撑定位作用。
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