CN109149843B - 一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机 - Google Patents

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Abstract

一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机，涉及电机领域，为了解决高速电主轴的轴向长度过长、稳定性差，及无轴承电机采用悬浮力绕组产生磁拉力，增大了电机定子的体积和复杂度，不利于电机散热，减小了电机的效率和功率密度的问题。本发明的定子铁心与机壳固定，定子铁心沿周向均匀开有多个槽，每个槽内设有定子绕组，每个内槽口处均固定有槽楔，槽楔设有供气通道和节流孔，节流孔与供气通道相通并朝向转子；气体输入到供气通道，由节流孔喷出，在定子、转子之间形成气浮面，实现支撑转子旋转；转子磁极贴在转子磁轭的外壁。本发明适用于高速或超高速电主轴系统。

Description

一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机
技术领域
本发明涉及电机领域，具体涉及基于槽楔通气的气浮转子无轴承电机。
背景技术
传统的电机由定、转子组成，通过机械轴承联接，因此在转动过程中存在机械摩擦，不仅对转子存在摩擦转矩，还易磨损，产生额外的机械振动和噪声，并且缩短电机使用寿命，而无轴承电机不存在机械轴承，因而可以实现更高的转速与更长的寿命。
高速电机主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快等优点，是高速主轴单元中的一种理想结构。随着电机转速的不断提高，主轴单元的体积逐渐减小，温升问题逐渐严峻，尤其是电机转子不易散热。并且受到材料物理性能的制约，电机主轴系统长径比增大，在高转速条件下带来额外的动力学问题，如振动、平衡和稳定性等。现有的轴承配置形式有两端定位等，这种实现方式轴承在电机两侧，导致系统轴向长度增加，因而不能满足特定场合的需要，因而迫切需要结构紧凑，散热条件良好，性能优异的无轴承电机。
针对无轴承电机，现有的实现方案是将产生径向悬浮力的磁轴承绕组嵌入到电机定子槽中，通过闭环控制改变悬浮力，使转子稳定悬浮，并在电机一端使用磁轴承限位。此外名称为无轴承电机的发明专利(中国专利，公开号：104505981A)提供了一种在定子多段铁芯外放置扇形永磁体的实现方式，利用两端圆台形铁芯产生限位力，省去了磁轴承，减小了电机轴向长度。
另外的一些实现方案是双定子无轴承电机。名称为一种双定子无轴承磁通切换永磁电机的发明专利(中国专利，公开号：105846624A)将转矩绕组与悬浮力绕组分别嵌在外内定子槽内，并用隔磁环解决两套绕组的耦合问题，实现了解耦控制。
现有的无轴承电机支撑形式均利用悬浮力绕组产生磁拉力，增大了电机定子的体积和复杂度，不利于电机散热，而悬浮力绕组带来了额外损耗，减小了电机的效率和功率密度。
发明内容
本发明的目的是为了解决高速电主轴的轴向长度过长、稳定性差，及无轴承电机采用悬浮力绕组产生磁拉力，增大了电机定子的体积和复杂度，不利于电机散热，减小了电机的效率和功率密度的问题，从而提供一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机。
本发明所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机，包括定子1、转子2和机壳3；
定子1固定在机壳3内，转子2套在定子1内，定子1和转子2留有气隙；
定子1包括定子铁心1-1、定子绕组1-2和槽楔1-3；
定子铁心1-1与机壳3固定，定子铁心1-1沿周向均匀开有多个槽，每个槽内设有定子绕组1-2，每个内槽口处均固定有槽楔1-3，槽楔1-3设有供气通道1-3-1和节流孔1-3-2，节流孔1-3-2与供气通道1-3-1相通并朝向转子2；
气体输入到供气通道1-3-1，由节流孔1-3-2喷出，在定子1、转子2之间形成气浮面，实现支撑转子2旋转；
转子2包括转子磁极2-1和转子磁轭2-2；
转子磁极2-1贴在转子磁轭2-2的外壁。
优选的是，槽楔1-3的供气通道1-3-1轴向设置，节流孔1-3-2径向设置。
优选的是，还包括气体源和供气管线；
气体源固定在机壳3外，气体源的出气口通过供气管线与供气通道1-3-1的进气口1-3-1-1连接。
优选的是，供气管线为塑胶软管。
优选的是，定子铁心1-1所开的槽为开口槽。
优选的是，转子磁极2-1的充磁方向为径向。
优选的是，转子2还包括合金护套2-3；
合金护套2-3套在转子磁极2-1外。
优选的是，合金护套2-3的内壁镀有铜层。
优选的是，转子磁轭2-2采用转轴实现；或转子2还包括转轴，转轴套在转子磁轭2-2内。
优选的是，槽楔1-3为磁性槽楔。
本发明的有益效果：本发明能够实现依靠高压气体压力为转子提供支撑，结构更加紧凑，省去了机械轴承，使用寿命长、效率高，而且气体起到通风散热的作用，提高了电机的转矩密度。
本发明的电机适用于高速或超高速电主轴系统，可以使电机的转子温升得到抑制，使系统的长度缩短，具有广阔的应用前景。本发明的结构设计合理，能够促进高速或者超高速电机未来的发展。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机的结构示意图；
图2是图1的局部放大图；
图3是具体实施方式一中的槽楔的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机，包括定子1、转子2和机壳3；
定子1固定在机壳3内，转子2套在定子1内，定子1和转子2留有气隙；
定子1包括定子铁心1-1、定子绕组1-2和槽楔1-3；
定子铁心1-1与机壳3固定，定子铁心1-1沿周向均匀开有多个槽，每个槽内设有定子绕组1-2，每个内槽口处均固定有槽楔1-3，槽楔1-3设有供气通道1-3-1和节流孔1-3-2，节流孔1-3-2与供气通道1-3-1相通并朝向转子2；
气体输入到供气通道1-3-1，由节流孔1-3-2喷出，在定子1、转子2之间形成气浮面，实现支撑转子2旋转；
转子2包括转子磁极2-1和转子磁轭2-2；
转子磁极2-1贴在转子磁轭2-2的外壁。
本实施方式中，槽楔1-3的供气通道1-3-1轴向设置，节流孔1-3-2径向设置。供气通道1-3-1设置在槽楔1-3的一端，槽楔1-3的另一端轴向设置安装孔1-3-3，安装孔1-3-3用于安装槽楔1-3。
本实施方式中，还包括气体源和供气管线；
气体源固定在机壳3外，气体源的出气口通过供气管线与供气通道1-3-1的进气口1-3-1-1连接。供气管线为塑胶软管，便于安装。
本实施方式中，转子磁轭2-2采用转轴实现。槽楔1-3与定子槽口尺寸相同或略小，能够沿轴向放置于定子内槽口处，并固定。通过外界的高压气体源将气体输入至槽楔1-3内，再由面向转子的节流孔1-3-2喷出，从而在转轴外侧形成气浮面，该气浮面具有一定的刚度，能够支撑转轴旋转。
本实施方式的电机没有端盖及辅助支撑结构，完全依靠定转子之间的相互作用力，有效减小了高速永磁同步电机的体积及重量，节约了大量材料，增加了电机功率密度；转子没有任何支撑，直接放入定子中，依靠定转子之间的磁场力固定轴向位置。
电机也可以添加轴向定位轴承，轴承形式不限制。
转子与定子形成旋转电机结构为永磁同步电机结构，开关磁阻电机结构或感应电机结构。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机作进一步说明，本实施方式中，定子铁心1-1所开的槽为开口槽。
为保证足够的供气量，应增大槽楔1-3中节流孔1-3-2的直径，产生更大的悬浮力，为此定子槽型应为开口槽，槽楔1-3使用磁性槽楔，以减小气隙磁场的畸变率。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机作进一步说明，本实施方式中，转子磁极2-1的充磁方向为径向，以降低气隙磁场谐波分量。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机作进一步说明，本实施方式中，转子2还包括合金护套2-3；
合金护套2-3套在转子磁极2-1外。合金护套2-3的内壁镀有铜层。
在转子外使用合金护套2-3包裹，提高了电机气隙的均匀度。合金护套2-3的内壁镀有铜层，降低了转子的温升。
为提高冷却效果，气体源使用空气或其他气态冷却介质，如氢气等。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (10)

1.一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机，其特征在于，包括定子(1)、转子(2)和机壳(3)；
定子(1)固定在机壳(3)内，转子(2)套在定子(1)内，定子(1)和转子(2)留有气隙；
定子(1)包括定子铁心(1-1)、定子绕组(1-2)和槽楔(1-3)；
定子铁心(1-1)与机壳(3)固定，定子铁心(1-1)沿周向均匀开有多个槽，每个槽内设有定子绕组(1-2)，每个内槽口处均固定有槽楔(1-3)，槽楔(1-3)设有供气通道(1-3-1)和节流孔(1-3-2)，节流孔(1-3-2)与供气通道(1-3-1)相通并朝向转子(2)；
气体输入到供气通道(1-3-1)，由节流孔(1-3-2)喷出，在定子(1)、转子(2)之间形成气浮面，实现支撑转子(2)旋转；
转子(2)包括转子磁极(2-1)和转子磁轭(2-2)；
转子磁极(2-1)贴在转子磁轭(2-2)的外壁。
2.根据权利要求1所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机，其特征在于，槽楔(1-3)的供气通道(1-3-1)轴向设置，节流孔(1-3-2)径向设置。
3.根据权利要求1所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机，其特征在于，还包括气体源和供气管线；
气体源固定在机壳(3)外，气体源的出气口通过供气管线与供气通道(1-3-1)的进气口(1-3-1-1)连接。
4.根据权利要求3所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机，其特征在于，供气管线为塑胶软管。
5.根据权利要求1所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机，其特征在于，定子铁心(1-1)所开的槽为开口槽。
6.根据权利要求1所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机，其特征在于，转子磁极(2-1)的充磁方向为径向。
7.根据权利要求1所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机，其特征在于，转子(2)还包括合金护套(2-3)；
合金护套(2-3)套在转子磁极(2-1)外。
8.根据权利要求7所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机，其特征在于，合金护套(2-3)的内壁镀有铜层。
9.根据权利要求1所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机，其特征在于，转子磁轭(2-2)采用转轴实现；或转子(2)还包括转轴，转轴套在转子磁轭(2-2)内。
10.根据权利要求1所述的一种槽楔通气的气浮转子无轴承电机，其特征在于，槽楔(1-3)为磁性槽楔。
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