CN107769622A - 一种径向磁悬浮式电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向磁悬浮式电机。该电机包括定子部、转子部、被动式磁悬浮轴承径向支撑部、被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部以及被动式阻尼部；被动式磁悬浮轴承径向支撑部与转子部连接，用于为转子部提供径向支撑力；被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部分别与转子部和被动式磁悬浮轴承径向支撑部连接，用于调整转子部的位置以及被动式磁悬浮轴承径向支撑部的位置。本发明提供的电机能够调整转子的位置，使其回归初始位置，从而保证电机的稳定工作，提高电机的可靠性。

Description

一种径向磁悬浮式电机

技术领域

本发明涉及非接触式磁悬浮电机领域，特别是涉及一种径向磁悬浮式电机。

背景技术

随着半导体电子技术的发展，无刷直流电机以其较好的可控性、宽调速范围、更高的功率和更小的体积、更快的响应速度和可以软启动等优点得到了迅速的发展。例如在飞轮储能、姿态调整等系统应用中，对飞轮电机要求具备高效率、低重量、高转矩密度、长寿命以及环保性等特点。无刷直流电机的使用在一定程度上可以达到使用要求，但在一些有着更高要求的场合，使用接触式轴承的无刷直流电机已无法满足上述需求。目前无刷直流电机多采用磁力轴承代替传统的滚珠或者滚柱轴承。磁力轴承的出现在一定程度上解决了传统接触式轴承的问题，可以提供无接触和低摩擦的运动，主要分为主动式和被动式。主动式磁悬浮轴承是在永磁偏置基础上叠加控制线圈所产生的磁场而成的磁悬浮轴承，被动式磁悬浮轴承只有永磁体磁场而成的磁悬浮轴承。主动式磁悬浮轴承可提供可变刚度和阻尼的悬浮支撑，可承受较大的动载荷，有较强的运动稳定性。但是，主动式磁悬浮轴承需要安装多个高精度的传感器，传感器的可靠性严重限制了主动式磁悬浮轴承的使用，降低了系统的可靠性；同时主动式磁悬浮轴承需要高品质的控制器和高性能的功率放大器，这在很大程度上增加了系统的复杂性和系统失效的可能性，也导致轴承支撑系统体积较为庞大。被动式磁悬浮轴承则不需要激励电流，省去了传感器和控制器，结构简单紧凑。但是被动磁悬浮式无刷直流电机的支撑件受到外部扰动时，易产生位移震荡，且难以恢复到稳定状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种径向磁悬浮式电机，用以解决支撑件受到外部扰动时，易产生位移震荡，且难以恢复到稳定状态，导致电机工作不稳定，不可靠的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种径向磁悬浮式电机，所述电机包括定子部、转子部、被动式磁悬浮轴承径向支撑部、被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部以及被动式阻尼部；

所述定子部，用于产生第一磁场；

所述转子部，用于产生第二磁场，所述第一磁场与所述第二磁场相互作用产生转矩；

所述被动式阻尼部，设置在所述定子部上，用于为所述电机提供阻尼；

所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部，与所述转子部连接，用于为所述转子部提供径向支撑力；

所述被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部，分别与所述转子部和所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部连接，用于调整所述转子部的位置以及所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部的位置。

可选的，所述定子部包括无铁心定子、定子支撑轴、定子绕组；所述定子绕组设置在所述无铁心定子内；所述定子支撑轴一端设有第一凸肩，所述定子支撑轴的第一凸肩与所述无铁心定子通过多个锁紧螺钉连接。

可选的，所述转子部包括内转子永磁体、外转子永磁体、内转子铁心、外转子铁心、第一内转子永磁体轴端挡圈、第二内转子永磁体轴端挡圈、第一外转子永磁体轴端挡圈、第二外转子永磁体轴端挡圈、内外转子铁心连接端盖；所述外转子永磁体设置在所述外转子铁心内侧；所述内转子永磁体设置在所述内转子铁心外侧；所述内转子铁心和所述外转子铁心通过所述内外转子铁心连接端盖固定；所述外转子永磁体两端分别设置所述第一外转子永磁体轴端挡圈和所述第二外转子永磁体轴端挡圈，所述内转子永磁体两端分别设置所述第一内转子永磁体轴端挡圈和所述第二内转子永磁体轴端挡圈。

可选的，所述被动式阻尼部包括导磁套筒、阻尼套筒以及轴端锁紧螺母；所述导磁套筒以过盈配合的方式设置在所述定子支撑轴上；所述阻尼套筒以过盈配合的方式设置在所述导磁套筒上；所述阻尼套筒以及所述导磁套筒的一端与所述定子支撑轴的第一凸肩连接，所述阻尼套筒以及所述导磁套筒的另一端与所述轴端锁紧螺母连接。

可选的，所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部包括第一被动式磁悬浮永磁环、第二被动式磁悬浮永磁环；所述第二被动式磁悬浮永磁环设置在所述第一被动式磁悬浮永磁环内侧；所述第一被动式磁悬浮永磁环设置在所述内转子铁心上，所述第二被动式磁悬浮永磁环的厚度小于所述第一被动式磁悬浮永磁环的厚度。

可选的，所述被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部包括第一内导磁环、第二内导磁环、第一外导磁环、第二外导磁环、第一径向充磁永磁环、第二径向充磁永磁环、第一隔磁环、第二隔磁环、第一磁悬浮永磁体轴端挡圈以及第二磁悬浮永磁体轴端挡圈；多个所述第一内导磁环依次套设在所述阻尼套筒外侧；所述第一内导磁环一端设有第二凸肩，且所述第一内导磁环的第二凸肩向外突出，在所述第一内导磁环的无凸肩端外套设所述第二内导磁环；所述第二被动式磁悬浮永磁环套设于所述第一内导磁环外且位于所述第一内导磁环的第二凸肩与所述第二内导磁环之间；相邻两个所述第一内导磁环之间设置所述第一隔磁环，在所述第一隔磁环的外侧对应套设所述第二隔磁环；在所述第二隔磁环的两侧依次对称设置有所述第二径向充磁永磁环、所述第二外导磁环、所述第一被动式磁悬浮永磁环、所述第一外导磁环以及所述第一径向充磁永磁环；所述第二径向充磁永磁环、所述第二外导磁环、所述第一被动式磁悬浮永磁环、所述第一外导磁环以及所述第一径向充磁永磁环均设置在所述内转子铁心的内侧；所述第一磁悬浮永磁体轴端挡圈以及第二磁悬浮永磁体轴端挡圈分别设置在所述第一径向充磁永磁环与所述无铁心定子中间，所述第一磁悬浮永磁体轴端挡圈以及第二磁悬浮永磁体轴端挡圈的外径小于所述内转子铁心的内径。

可选的，所述转子部还包括配重环；所述配重环通过若干紧固螺钉固定在所述外转子铁心端部。

可选的，所述第一径向充磁永磁环的轴向宽度、所述第二径向充磁永磁环的轴向宽度、所述第一内导磁环的轴向宽度以及第二内导磁环的轴向宽度均相等。

可选的，所述无铁心定子采用非金属不导磁材料制成。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明公开了一种径向磁悬浮式电机，所述电机设置有被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部，其分别与所述转子部以及所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部连接，用于调整所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部的位置，从而保证被动式磁悬浮轴承径向支撑部能够提供稳定的径向支撑力，使电机转子不易发生偏移；若转子发生偏移，被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部能够调整转子的位置，使其回归初始位置，从而保证电机的稳定工作，提高电机的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种径向磁悬浮式电机的等轴测结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种径向磁悬浮式电机的全剖视图；

图3为本发明实施例提供的一种径向磁悬浮式电机的被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种径向磁悬浮式电机，用以解决支撑件受到外部扰动时，易产生位移震荡，且难以恢复到稳定状态，导致电机工作不稳定，不可靠的技术问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种径向磁悬浮式电机包括定子部、转子部、被动式磁悬浮轴承径向支撑部、被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部以及被动式阻尼部。

如图1、图2所示，所述定子部包括定子支撑轴2、无铁心定子6、定子绕组12；所述无铁心定子6采用环氧树脂或类似的非金属不导磁材料，所述定子绕组12采用集中绕组形式放置于所述无铁心定子6中，与所述内转子永磁体13以及外转子永磁体9产生的磁场相互作用，产生转矩。所述无铁心定子6和所述定子支撑轴2均加工成阶梯轴的形式，并通过对应凸肩进行限位，并在所述定子支撑轴2的第一凸肩上加工出对称的圆周分布的螺纹孔，相应的在所述无铁心定子6的凸肩上加工出对应的通孔，通过紧固螺钉将所述无铁心定子6固定于所述定子支撑轴2上。

所述转子部包括内转子永磁体13、外转子永磁体9、内转子铁心14、外转子铁心11、第一内转子永磁体轴端挡圈5、第二内转子永磁体轴端挡圈17、第一外转子永磁体轴端挡圈8、第二外转子永磁体轴端挡圈15、内外转子铁心连接端盖16。所述外转子永磁体9设置在所述外转子铁心11内侧；所述内转子永磁体13设置在所述内转子铁心14外侧；所述内转子永磁体13和外转子永磁体9采用极弧系数为1、极对数为8的钐钴、钕铁硼等永磁体材料，所述外转子永磁体9和所述内转子永磁体13依次N、S排列。所述内转子铁心14和所述外转子铁心11通过所述内外转子铁心连接端盖16固定，以此保证所述定子绕组12在所述外转子永磁体9和内转子永磁体13的动生电流相位相同。所述外转子永磁体9两端分别套设所述第一外转子永磁体轴端挡圈8和所述第二外转子永磁体轴端挡圈15进行限位，所述内转子永磁体13两端分别套设所述第一内转子永磁体轴端挡圈5和所述第二内转子永磁体轴端挡圈17进行限位。所述内转子永磁体13和所述外转子永磁体9采用径向充磁方式，均有利于在所述定子绕组12域产生梯形磁场。采用双转子结构，使得在所述内转子永磁体13和所述外转子永磁体9之间的气隙磁场对位置的敏感度得到有效降低，当系统受到外界扰动时，对电机的有效输出转矩等电磁性能影响较小。

所述转子部还包括配重环7，所述配重环7通过若干紧固螺钉固定在所述外转子铁心11端部，目的在于实现整个转子的重心和所述被动式磁悬浮轴承产生的支撑力的对称中心重合。因此，在所述外转子铁心11和所述内转子铁心14端部需要加工相同的螺纹孔，同时根据杠杆原理对所添加的所述配重环7的质量进行确定。假设，所述配重环7质量为m₁，所述内外转子铁心连接端盖16质量为m₂，用于固定所述配重环7和所述外转子铁心11的螺钉数目为k₁，用于将所述内转子铁心14、所述外转子铁心11和所述内外转子铁心连接端盖16连接在一起的螺钉数目为k₂，所使用的紧固螺钉的质量均为m₀，所述配重环7的重心距离所述被动式磁悬浮轴承的支撑中心距离L₁，所述内外转子铁心连接端盖16的重心距离所述被动式磁悬浮轴承的支撑中心距离为L₂，用于连接所述配重环7和所述外转子铁心11的紧固螺钉几何中心距离所述被动式磁悬浮轴承支撑中心距离为L₁₁，用于连接所述内外转子铁心连接端盖16和所述外转子铁心11、所述内转子铁心14的紧固螺钉的重心距离所述被动式磁悬浮轴承的支撑中心距离为L₂₂，为了保证整个转子的重心位于被动式磁悬浮支撑的几何中心位置，满足如下关系式m₁L₁+k₁m₀L₁₁＝m₂L₂+k₂m₀L₂₂。

所述被动式阻尼部包括导磁套筒1、阻尼套筒3以及轴端锁紧螺母19；所述导磁套筒1以过盈配合的方式套设在所述定子支撑轴2上；所述阻尼套筒3以过盈配合的方式套设在所述导磁套筒1上；所述阻尼套筒3以及所述导磁套筒1的一端与所述定子支撑轴2的第一凸肩连接，所述阻尼套筒3以及所述导磁套筒1的另一端与所述轴端锁紧螺母19连接。所述被动式阻尼部主要采用通过所述阻尼套筒1中变化的磁场产生的涡流，对系统产生阻尼作用，抑制整个系统的震荡。

所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部包括第一被动式磁悬浮永磁环24、第二被动式磁悬浮永磁环25；所述第二被动式磁悬浮永磁环25设置在所述第一被动式磁悬浮永磁环24内侧。所述第一被动式磁悬浮永磁环24设置在所述内转子铁心14内侧。成对使用的第一被动式磁悬浮永磁环24和第二被动式磁悬浮永磁环25的充磁方式和相对位移均采用相向充磁和相向放置的方式。所述第二被动式磁悬浮永磁环25的厚度小于所述第一被动式磁悬浮永磁环24的厚度，采用不同厚度的设计方式，在被动式磁悬浮轴承径向转子提供足够径向支撑力的同时，部分磁通穿过阻尼套筒3，当系统受到轴向扰动时，可为系统提供一定程度的阻尼，充分的提高了永磁体的利用率。

所述被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部包括第一内导磁环20、第二内导磁环21、第一外导磁环23、第二外导磁环26、第一径向充磁永磁环22、第二径向充磁永磁环27、第一隔磁环28、第二隔磁环10、第一磁悬浮永磁体轴端挡圈4以及第二磁悬浮永磁体轴端挡圈18。多个所述第一内导磁环20依次套设在所述阻尼套筒3外侧；所述第一内导磁环20一端设有第二凸肩，且所述第一内导磁环20的第二凸肩向外突出，在所述第一内导磁环20的无凸肩端外套设所述第二内导磁环21。所述第二被动式磁悬浮永磁环25套设于所述第一内导磁环20外且位于所述第一内导磁环20的第二凸肩与所述第二内导磁环21之间。相邻两个所述第一内导磁环20之间设置所述第一隔磁环28。第一隔磁环28用于将与其接触的左右两侧的第一内导磁环20和第二内导磁环21隔开，防止通过第一内导磁环20或者和第二内导磁环21的磁场与相邻的导磁环之间发生磁耦合。在所述第一隔磁环28的外侧对应套设所述第二隔磁环10。在所述第二隔磁环10的两侧依次对称设置有所述第二径向充磁永磁环27、所述第二外导磁环26、所述第一被动式磁悬浮永磁环24、所述第一外导磁环23以及所述第一径向充磁永磁环22。所述第二径向充磁永磁环27、所述第二外导磁环26、所述第一被动式磁悬浮永磁环24、所述第一外导磁环23以及所述第一径向充磁永磁环22均设置在所述内转子铁心14的内侧。所述第一磁悬浮永磁体轴端挡圈4以及第二磁悬浮永磁体轴端挡圈18分别设置在所述第一径向充磁永磁环22与所述无铁心定子6中间，所述第一磁悬浮永磁体轴端挡圈4以及第二磁悬浮永磁体轴端挡圈18的外径小于所述内转子铁心14的内径。

第一被动式磁悬浮永磁环24设置于所述第一外导磁环23和所述第二外导磁环26之间，通过调整所述第一外导磁环23和所述第二外导磁环26的位置来调整所述第一被动式磁悬浮永磁环24的轴向位置，从而保证成对使用的所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部能够提供稳定的径向支撑力。所述第一径向充磁永磁环22、第二径向充磁永磁环27和所述第一被动式磁悬浮永磁环24三者采用Halbach充磁方式，利用其单向磁屏蔽作用减小在所述内转子铁心14的磁通，这在一定程度上减小了所述内转子铁心14的厚度。

如图3所示，所述第一径向充磁永磁环22宽度B1、所述第二径向充磁永磁环27宽度B2、所述第一内导磁环20的轴向宽度C1以及所述第二内导磁环21轴向宽度C2满足关系式B1＝B2＝C1＝C2。当电机转子受到外界扰动，导致有轴向位移发生时，所述第一内导磁环20和所述第二内导磁环21将相对于所述第二径向充磁永磁环27和所述第一径向充磁永磁环22发生轴向偏移，考虑磁阻最小化原理，转子部分将恢复到所述第一内导磁环20和所述第二内导磁环21分别与所述第二径向充磁永磁环27和所述第一径向充磁永磁环22对齐的位置，如此往复，被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部能够调整转子的位置，使其回归初始位置，从而保证电机的稳定工作，提高电机的可靠性。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：所述电机设置有被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部，其分别与所述转子部以及所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部连接，用于调整所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部的位置，从而保证被动式磁悬浮轴承径向支撑部能够提供稳定的径向支撑力，使电机转子不易发生偏移；若转子发生偏移，被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部能够调整转子的位置，使其回归初始位置，从而保证电机的稳定工作，提高电机的可靠性。

本发明具备小型化、模块化、整体分布均匀、经济实用、运行稳定可靠等优点，所采用的电机部分不仅适用于本发明提出的双转子永磁无刷直流电机，也可用于其他类型的圆形旋转电机。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种径向磁悬浮式电机，其特征在于，所述电机包括定子部、转子部、被动式磁悬浮轴承径向支撑部、被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部以及被动式阻尼部；

所述定子部，用于产生第一磁场；

所述转子部，用于产生第二磁场，所述第一磁场与所述第二磁场相互作用产生转矩；

所述被动式阻尼部，设置在所述定子部上，用于为所述电机提供阻尼；

所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部，与所述转子部连接，用于为所述转子部提供径向支撑力；

所述被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部，分别与所述转子部和所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部连接，用于调整所述转子部的位置以及所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部的位置。

2.根据权利要求1所述的一种径向磁悬浮式电机，其特征在于，所述定子部包括无铁心定子、定子支撑轴、定子绕组；所述定子绕组设置在所述无铁心定子内；所述定子支撑轴一端设有第一凸肩，所述定子支撑轴的第一凸肩与所述无铁心定子通过多个锁紧螺钉连接。

3.根据权利要求2所述的一种径向磁悬浮式电机，其特征在于，所述转子部包括内转子永磁体、外转子永磁体、内转子铁心、外转子铁心、第一内转子永磁体轴端挡圈、第二内转子永磁体轴端挡圈、第一外转子永磁体轴端挡圈、第二外转子永磁体轴端挡圈、内外转子铁心连接端盖；所述外转子永磁体设置在所述外转子铁心内侧；所述内转子永磁体设置在所述内转子铁心外侧；所述内转子铁心和所述外转子铁心通过所述内外转子铁心连接端盖固定；所述外转子永磁体两端分别设置所述第一外转子永磁体轴端挡圈和所述第二外转子永磁体轴端挡圈，所述内转子永磁体两端分别设置所述第一内转子永磁体轴端挡圈和所述第二内转子永磁体轴端挡圈。

4.根据权利要求3所述的一种径向磁悬浮式电机，其特征在于，所述被动式阻尼部包括导磁套筒、阻尼套筒以及轴端锁紧螺母；所述导磁套筒以过盈配合的方式设置在所述定子支撑轴上；所述阻尼套筒以过盈配合的方式设置在所述导磁套筒上；所述阻尼套筒以及所述导磁套筒的一端与所述定子支撑轴的第一凸肩连接，所述阻尼套筒以及所述导磁套筒的另一端与所述轴端锁紧螺母连接。

5.根据权利要求4所述的一种径向磁悬浮式电机，其特征在于，所述被动式磁悬浮轴承径向支撑部包括第一被动式磁悬浮永磁环、第二被动式磁悬浮永磁环；所述第二被动式磁悬浮永磁环设置在所述第一被动式磁悬浮永磁环内侧；所述第一被动式磁悬浮永磁环设置在所述内转子铁心上，所述第二被动式磁悬浮永磁环的厚度小于所述第一被动式磁悬浮永磁环的厚度。

6.根据权利要求5所述的一种径向磁悬浮式电机，其特征在于，所述被动式磁悬浮轴承轴向位置调整部包括第一内导磁环、第二内导磁环、第一外导磁环、第二外导磁环、第一径向充磁永磁环、第二径向充磁永磁环、第一隔磁环、第二隔磁环、第一磁悬浮永磁体轴端挡圈以及第二磁悬浮永磁体轴端挡圈；多个所述第一内导磁环依次套设在所述阻尼套筒外侧；所述第一内导磁环一端设有第二凸肩，且所述第一内导磁环的第二凸肩向外突出，在所述第一内导磁环的无凸肩端外套设所述第二内导磁环；所述第二被动式磁悬浮永磁环套设于所述第一内导磁环外且位于所述第一内导磁环的第二凸肩与所述第二内导磁环之间；相邻两个所述第一内导磁环之间设置所述第一隔磁环，在所述第一隔磁环的外侧对应套设所述第二隔磁环；在所述第二隔磁环的两侧依次对称设置有所述第二径向充磁永磁环、所述第二外导磁环、所述第一被动式磁悬浮永磁环、所述第一外导磁环以及所述第一径向充磁永磁环；所述第二径向充磁永磁环、所述第二外导磁环、所述第一被动式磁悬浮永磁环、所述第一外导磁环以及所述第一径向充磁永磁环均设置在所述内转子铁心的内侧；所述第一磁悬浮永磁体轴端挡圈以及第二磁悬浮永磁体轴端挡圈分别设置在所述第一径向充磁永磁环与所述无铁心定子中间，所述第一磁悬浮永磁体轴端挡圈以及第二磁悬浮永磁体轴端挡圈的外径小于所述内转子铁心的内径。

7.根据权利要求6所述的一种径向磁悬浮式电机，其特征在于，所述转子部还包括配重环；所述配重环通过若干紧固螺钉固定在所述外转子铁心端部。

8.根据权利要求7所述的一种径向磁悬浮式电机，其特征在于，所述第一径向充磁永磁环的轴向宽度、所述第二径向充磁永磁环的轴向宽度、所述第一内导磁环的轴向宽度以及第二内导磁环的轴向宽度均相等。

9.根据权利要求8所述的一种径向磁悬浮式电机，其特征在于，所述无铁心定子采用非金属不导磁材料制成。