CN107591952A - 一种可变位置磁悬浮直驱电机结构总成 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变位置磁悬浮直驱电机结构总成，该总成包括磁悬浮永磁直驱电机、倾斜驱动装置、永磁直线电机、垂直电磁制动器和基座；所述磁悬浮永磁直驱电机设置在基座的中间位置，旋转轴线s从其中心穿过；所述倾斜驱动装置设置有两个，分别安装在所述磁悬浮永磁直驱电机的两侧；所述的倾斜驱动装置包括电磁驱动器，所述电磁驱动器中心设有一倾斜轴线k，且所述倾斜轴线k与所述旋转轴线s在空间上垂直，所述电磁驱动器沿倾斜轴线k旋转，带动磁悬浮永磁直驱电机的旋转轴线s在其平面内旋转，从而驱动电机倾斜。本发明电机部分利用磁悬浮轴承支撑代替滚动轴承支撑，不需要润滑系统，可以用于清洁度要求较高或装卸成本高的场合。

Description

一种可变位置磁悬浮直驱电机结构总成

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮永磁直驱电机总成,更具体地说，它涉及一种可变位置磁悬浮直驱电机结构总成。

背景技术

永磁直驱电机能够直接驱动负载，无机械传动装置，为了获得优良的静态或动态负载稳定度以实现对运动的精确控制，对电机本身系统结构要求相对于一般电机而言更为严格，尤其是对支撑方式。传统的永磁直驱电机以滚动轴承支撑，结构简单，成本低廉，但是滚动轴承本身存在机械疲劳损耗有一定寿命，对于直驱电机而言，拆换不便，尤其是拆卸成本较高场合，如CT等大型环形器械。同时，永磁直驱电机工作时更容易出现振动和噪音，作为被动支撑的滚动轴承显然没有更好的应对措施。

永磁直驱电机一般以力矩输出为目的，而高转矩密度大大增加了定子线圈的发热，所以此类电机的设计需要着重考虑冷却散热系统。水冷法是一般直驱电机采取的有效冷却方式，然而水冷装置对电机结构的密封性有很大的要求，增加了系统结构的复杂性，大大提高了电机制造成本。

永磁直驱电机现在的应用范围非常广阔。机床，加工中心，冶金，转台式传送系统，印刷/炼钢机械，塑模设备是首选应用市场。而不同的永磁直驱电机设计是为了实现上述各种既定功能，同种直驱电机往往只能够工作于一种场合，换一种场合便不能获得较好的驱动效果，或者说永磁直驱电机单纯地旋转运动不能够满足相应器械相应场合下的驱动功能，例如CT，自磨机等主驱动系统仅仅旋转运动并不能更有效的发挥既定功能。

发明内容

本发明公开了一种可变位置磁悬浮永磁直驱电机总成，电机部分利用磁悬浮轴承支撑代替滚动轴承支撑，并且利用干式轴承作为保护轴承，结构简单，不需要润滑系统，适用于清洁度要求较高的场合，通过主动控制磁悬浮系统可以降低永磁直驱电机工作振动与噪音。进一步利用风冷法代替水冷法，结构中的风冷系统是通过转子上的轴流风扇与四个散热通风道实现。

同时，本发明中用于支撑与驱动电机绕倾斜轴倾斜及上下移动的升降装置可以扩大磁悬浮电机应用范围，降低了某些应用场合的不便性，使得电机在相关领域具有更好的驱动性能，例如CT可以更加灵活地进行断层扫描，球磨机，自磨机可以有更好地粉磨效果等；。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种可变位置磁悬浮直驱电机结构总成主要由磁悬浮永磁直驱电机、倾斜驱动装置、永磁直线电机、垂直电磁制动器和基座组成，所述的倾斜驱动装置安装于基座的两侧(示意图只示出一侧)，永磁直线电机和垂直电磁制动器都分别布置于基座和驱动装置上，磁悬浮永磁直驱电机落在基座上,旋转轴线s从其中心穿过。

所述的磁悬浮永磁直驱电机主要由机壳、永磁直驱电机定子铁心、转子、径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承和光电编码器组成，所述的永磁直驱电机是由多组单元电机串联而成的结构，定子铁心嵌套在所述机壳内。转子支撑于定子铁心、径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承内。

所述的转子采用类似薄壁圆环的结构，中间表面贴上永磁片。转子右端面上固定光电编码器码盘，且光电编码器固定装置安装在右侧封装端盖上，信号线从右端盖内孔引出作为电机位置与速度反馈。

所述的转子两边靠近永磁片的第二个台阶面装有两个径向磁悬浮轴承，径向磁悬浮轴承的两外侧还分别安装有轴向磁悬浮轴承。所述转子左侧径向磁悬浮轴承与轴向磁悬浮轴承用左内端盖和转子台阶面固定在机壳的轴承室内，右侧径向磁悬浮轴承与轴向磁悬浮轴承用右内端盖和转子台阶面固定在轴承座的轴承室内。

所述的左内端盖和右内端盖内孔都热套有干式轴承作为转子的保护轴承，干式轴承作为保护轴承无需润滑系统，结构简单。

所述的左内端盖内安装有轴向定位传感器，轴向位置检测板通过螺纹连接安装在转子左端面。

所述的左侧径向磁悬浮轴承与永磁片之间的台阶上设置有轴流风扇，左内端盖与机壳之间设置有a、b两个辅助散热通风道，轴承座与右内端盖之间设置有c、d两个主散热通风道，当电机转动时带动风扇工作，可以有效的降低内部温度，避免永磁体退磁。

所述的磁悬浮直驱电机通过两侧与其永久相连的轴承轴连接于倾斜驱动装置上，倾斜轴k从其中心穿过。

所述的倾斜驱动装置主要包括电磁驱动器、滚动轴承和电磁制动器。所述电磁驱动器的电磁体(线圈未示出)与永磁体布置在倾斜驱动装置靠近电机一侧，滚动轴承安装于第二个台阶上。所述环形电磁制动器的环形凸缘通过键安装于环形支撑元件上，环形电磁铁布置于支撑元件远离电机一侧的外缘上，其上附着制动衬片。

所述永磁直线电机的初级铁心布置于倾斜驱动装置的最外侧，三相绕组嵌入其中，次级铁心安装于正对初级铁心的基座上，永磁体贴于其上。

所述的垂直电磁制动器布置于基座和倾斜驱动装置靠近电机一侧。

相比较现有技术，本发明具有以下优点：

1、所设计的磁悬浮永磁直驱电机采用磁悬浮支撑系统，结构较为简单合理，易于实现，降低直驱电机运行时产生的振动和噪音，提高系统控制精度，运行安全平稳；

2、利用干式轴承作为保护轴承，结构简单，不需要润滑系统，可以用于清洁度要求较高的场合；

3、采用安装轴流风扇与设置散热通风道的风冷方式，结构简单，无需额外供电，易于实现，避免电机出现永磁体退磁现象；

4、本发明中倾斜驱动装置与升降装置的配合使用使得主系统除内部旋转运动外，主系统本身可以倾斜枢转和垂直升降，既提高了整个系统驱动装置的柔性，也可以提高相关器械既定性能，例如CT可以更加灵活地进行断层扫描，球磨机，自磨机可以有更好地粉磨效果等。

附图说明

附图1为可变位置磁悬浮直驱电机结构总成示意图；

附图2为磁悬浮永磁直驱电机内部结构图；

附图3为用于支撑与驱动电机绕倾斜轴倾斜及上下移动的升降装置内部结构图；

图中标号名称：1.磁悬浮永磁直驱电机，2.倾斜驱动装置，3.永磁直线电机，4.垂直电磁制动器，5.基座，6.机壳，7.左内端盖，8.左侧封装端盖，9.轴向位置检测板，10.轴向定位传感器，11.干式轴承，12.轴向磁悬浮轴承，13.径向磁悬浮轴承，14.右侧封装端盖，15.光电编码器，16.电机转子，17.右内端盖，18.轴承座，19.直驱电机永磁片，20.定子铁心，21.轴流风扇，22.轴承轴，23.第一环形支撑元件，24.电磁驱动器，25.电磁驱动器电磁体，26.电磁驱动器永磁体，27.第二环形支撑元件，28滚动轴承，29.环形电磁制动器，30.制动衬片，31.环形电磁铁，32.键，33.环形凸缘，34.初级铁心，35.三相绕组，36.直线电机永磁体，37.次级铁心。

具体实施方式

参照图1、图2与图3下面将对本发明可变位置磁悬浮永磁直驱电机总成结构、功能进行完整地描述。

一种可变位置磁悬浮直驱电机结构总成主要由磁悬浮永磁直驱电机1、倾斜驱动装置2、永磁直线电机3、垂直电磁制动器4和基座5组成，其特征在于所述的倾斜驱动装置2安装于基座5的两侧，示意图只示出一侧，永磁直线电机3和垂直电磁制动器4都分别布置于基座5和驱动装置2上，磁悬浮永磁直驱电机1落在基座5上，旋转轴线s从其中心穿过。

如图2所示，本实施例中所采用的磁悬浮永磁直驱电机包括机壳6、永磁直驱电机定子铁心20、转子16、径向磁悬浮轴承13、轴向磁悬浮轴承12和光电编码器15组成，定子铁心20嵌套在机壳6内。转子16支撑于定子铁心20、径向磁悬浮轴承13和轴向磁悬浮轴承12内。右端面上固定光电编码器15码盘，精度2000脉冲/圈，且光电编码器15固定装置安装在右侧封装端盖14上，信号线从右侧封装端盖14内孔引出作为电机位置与速度反馈，电机控制精度主要取决于光电编码器精度，两者之间成正比关系。转子16两边靠近永磁片的第二个台阶面装有两个径向磁悬浮轴承13和轴向磁悬浮轴承12。左右两侧径向磁悬浮轴承与轴向磁悬浮轴承分别固定在机壳6的轴承室内与轴承座18的轴承室内。左内端盖7内安装有轴向定位传感器10，轴向位置检测板9通过螺纹连接安装在转子16左端面，系统通过定位传感器信号的反馈，运用相关算法可以实时调整轴向位置。左侧径向磁悬浮轴承13与直驱电机永磁片19之间的台阶上设置有轴流风扇21，左内端盖7与机壳6之间设置有a、b两个辅助散热通风道，轴承座18与右内端盖17之间设置有c、d两个主散热通风道，电机旋转时带动轴流风扇工作，通过四个散热通风道，能够对电机定子线圈进行有效散热。左内端盖7与左侧封装端盖8通过螺钉连接。电机工作时可以通过主动控制磁悬浮支撑系统，降低运行时产生的振动和噪音，增加系统稳定性。

磁悬浮直驱电机1通过两侧与其永久相连的轴承轴22连接于倾斜驱动装置2的第一环形支撑元件23，倾斜轴k从其中心穿过。倾斜驱动装置2主要包括电磁驱动器24、滚动轴承28和环形电磁制动器29。上述单元布置在环形支撑元件23、27上。电磁驱动器24是主电机绕k轴倾斜的主要驱动元件，其电磁驱动器电磁体25，线圈未示出，与电磁驱动器永磁体26布置在倾斜驱动装置2靠近磁悬浮直驱电机1一侧，通过电磁体产生旋转电磁场带动轴承轴旋转，从而驱动磁悬浮直驱电机倾斜，滚动轴承28安装于第二个台阶上起到支撑作用。环形电磁制动器29的环形凸缘33通过键32沿着倾斜轴线k方向安装于第一环形支撑元件23上。环形电磁铁31布置于第二环形支撑元件27远离电机一侧的外缘上，其上附着制动衬片30，环形凸缘用铁磁材料制成，当电磁驱动器正常工作时，环形电磁铁通电，与凸缘极性相同，制动器不起作用，当系统断电时，环形凸缘会吸附到电磁铁上起到制动作用，同理需要紧急制动时，环形电磁铁通极性相反的电流也会起到制动作用。

永磁直线电机3是主电机垂直直线运动的主要驱动元件，其初级铁心34布置于倾斜驱动装置2的最外侧，三相绕组35嵌入其中，次级铁心37安装于基座5远离电机一侧表面，永磁体36贴于其上。垂直电磁制动器4原理与环形制动器类似，两排凸起硬块结构布置于基座靠近电机的两侧，由铁磁材料制成的两排扣环元件吸附在驱动装置2电磁部分，图中未示出，当系统断电或电机需停靠在某个位置时，两排扣环会弹出紧紧扣在基座上起到紧急制动与支撑的作用。

上述装置中涉及主动控制的单元均未在图中示出。主动控制单元包括直线电机控制单元、电磁驱动器控制单元，主电机控制单元等，都是常规技术。

传统的永磁直驱电机以滚动轴承支撑，结构简单，成本低廉，但是滚动轴承本身存在机械疲劳损耗有一定寿命，对于直驱电机而言，拆换不便。同时，永磁直驱电机工作时更容易出现振动和噪音，作为被动支撑的滚动轴承显然没有更好的应对措施，本发明采用磁悬浮轴承代替滚动轴承支撑，同时利用干式轴承作为保护轴承，结构简单，不需要润滑系统，可以用于清洁度要求较高的场合，并采用自冷却系统，进一步简化电机结构。并且通过主动控制磁悬浮系统，可以降低直驱电机运行时产生的振动和噪音，提高系统控制精度，运行安全平稳。驱动装置安装于基座两侧内既可以使主系统倾斜运动又可以使其垂直升降，大大地扩展了直驱电机应用范围，提高了驱动系统柔性，降低了某些应用场合的不便性。该发明在医疗CT，机床、半自磨机、自磨机等相关领域都可以有较好的应用。

本发明的保护范围不仅限于一种尺寸，一种型号的永磁直驱电机，凡属于本发明思路下的永磁电机结构总成均属于本发明的保护范围；凡属于本发明思路下的永磁直驱电机磁悬浮支撑方式均属于本发明的保护范围。凡属于本发明思路下的用于电机倾斜、垂直直线驱动的装置均属于本发明的保护范围。在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可变位置磁悬浮直驱电机结构总成，其特征在于，所述总成包括磁悬浮永磁直驱电机(1)、倾斜驱动装置(2)、永磁直线电机(3)、垂直电磁制动器(4)和基座(5)；所述磁悬浮永磁直驱电机(1)设置在基座(5)的中间位置，旋转轴线s从其中心穿过；所述倾斜驱动装置(2)设置有两个，分别安装在所述磁悬浮永磁直驱电机(1)的两侧；所述的倾斜驱动装置(2)包括电磁驱动器(24)，所述电磁驱动器(24)中心设有一倾斜轴线k，且所述倾斜轴线k与所述旋转轴线s在空间上垂直，所述电磁驱动器沿倾斜轴线k旋转，带动磁悬浮永磁直驱电机(1)的旋转轴线s在其平面内旋转，从而驱动电机倾斜。

2.根据权利要求1所述的可变位置磁悬浮直驱电机结构总成，其特征在于，所述的磁悬浮永磁直驱电机(1)包括机壳(6)、永磁直驱电机定子铁心(20)、转子(16)、径向磁悬浮轴承(13)、轴向磁悬浮轴承(12)、轴向定位传感器(10)、轴向位置检测板(9)和光电编码器(15)；

所述转子(16)在定子铁心(20)同轴心内部，在所述转子(16)以定子铁芯(20)为中心轴向方向上的两侧每侧均依次设有径向磁悬浮轴承(13)、轴向磁悬浮轴承(12)，所述径向磁悬浮轴承(13)、轴向磁悬浮轴承(12)固定于转子(16)与机壳(6)之间；

所述光电编码器(15)设置在转子(16)轴向的一端上，在所述转子(16)轴向的另一端，设有轴向定位传感器(10)，所述轴向定位传感器(10)设置在轴向磁悬浮轴承(12)与轴向位置检测板(9)之间。

3.根据权利要求2所述的可变位置磁悬浮直驱电机结构总成，其特征在于，所述总成还包括轴承座(18)、永磁片(19)；

所述的转子(16)外表面沿轴向方向大致为中间对称两边三阶形状，在中间部分的径向外侧为定子铁心(20)，在所述定子铁心(20)与转子(16)之间设有永磁片(19)；两侧的第二阶面上依次向外为径向磁悬浮轴承(13)、轴向磁悬浮轴承(12)；

在设置有光电编码器(15)的一侧，设有右内端盖(17)，所述右内端盖(17)将该侧的径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承固定于转子(16)的台阶面与轴承座(18)形成的轴承室内；

在设有轴向定位传感器(10)的一侧，设有左内端盖(7)，所述左内端盖(7)将该侧的径向磁悬浮轴承、轴向磁悬浮轴承固定于转子(16)的台阶面与机壳(6)形成轴承室内。

4.根据权利要求4所述的可变位置磁悬浮直驱电机结构总成，其特征在于，所述的左内端盖(7)和右内端盖(12)都设有内孔，在内孔中均热套有干式轴承(11)作为转子(16)的保护轴承。

5.根据权利要求2所述的可变位置磁悬浮直驱电机结构总成，其特征在于，在左侧的径向磁悬浮轴承(13)与永磁片(19)之间的台阶上设置有轴流风扇(21)，左内端盖(7)与机壳(6)之间设置有辅助散热通风道；在所述轴承座(18)与右内端盖(17)之间设置有主散热通风道。

6.根据权利要求1所述的可变位置磁悬浮直驱电机结构总成，其特征在于，所述的倾斜驱动装置(2)中心为空心的环形支撑元件，所述环形支撑元件以倾斜轴线k为中心线，倾斜驱动装置(2)包括电磁驱动器(24)、滚动轴承(28)和环形电磁制动器(29)；所述环形支撑元件包括第一、第二两层，内层为第一层，其外表面沿其轴向方向形成三阶状，靠近磁悬浮直驱电机(1)内层的外径大；所述电磁驱动器(24)的电磁体(25)与永磁体(26)布置在环形支撑元件内层第一阶靠近电机一侧，滚动轴承(28)安装于第二个台阶上；所述环形电磁制动器(29)的环形凸缘(33)通过键(32)沿着倾斜轴线k方向安装于第一环形支撑元件(23)的第三阶上；环形电磁铁(31)布置于第二环形支撑元件(27)远离电机一侧的外缘上，其上附着制动衬片(30)。

7.根据权利要求1所述的可变位置磁悬浮直驱电机结构总成，其特征在于，所述的磁悬浮直驱电机(1)通过两侧与其相连的环形支撑元件连接于倾斜驱动装置(2)的第一环形支撑元件(23)上，倾斜轴线k从其中心穿过。

8.根据权利要求1所述的可变位置磁悬浮直驱电机结构总成，其特征在于，所述永磁直线电机(3)的初级铁心(34)布置于倾斜驱动装置(2)的最外侧，次级铁心(37)安装于正对初级铁心(34)的基座(5)上，永磁体(36)贴于其上。所述的永磁直线电机(3)是主电机升降装置的主要驱动元件，初级铁心(34)受电磁场作用驱动主电机系统垂直直线运动。

9.根据权利要求1所述的可变位置磁悬浮直驱电机结构总成，其特征在于，所述的垂直电磁制动器(4)布置于基座(5)靠近电机一侧和倾斜驱动装置(2)靠近电机一侧。垂直电磁制动器(4)两排凸起硬块结构布置于基座靠近电机的两侧，由铁磁材料制成的两排扣环元件吸附在驱动装置(2)电磁部分，图中未示出，当系统断电或电机需停靠在某个位置时，两排扣环会弹出紧紧扣在基座上起到紧急制动与支撑的作用。