CN110932466A - 一种集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机，包括，转动组件，包括转动件以及设置于所述转动件外围的定子体；悬浮组件，设置于所述转动件的转轴外侧；以及，永磁体，位于所述悬浮组件和定子体之间；所述悬浮组件的磁轴承定子磁轭设置于永磁体一侧；所述悬浮组件的的磁轴承定子凸极设置于所述磁轴承定子磁轭的内壁上；本发明提出了采用永磁体产生偏置磁场，采用电磁铁提供控制磁场，控制磁场与励磁磁场相互作用产生可控的径向悬浮力，利用该径向悬浮力使转轴处于无接触状态，消除了转轴在转动时由于机械接触而导致的摩擦损耗，实现在径向两个自由度上的稳定悬浮。
Description
技术领域
本发明涉及的电机技术领域，尤其涉及一种集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机。
背景技术
利用磁力使物体处于无接触悬浮状态是人类一个古老的梦想。1842年英国剑桥大学的S.Earnshaw教授从理论上证明了单靠永久磁铁是不能使物体在空间六个自由度上都保持稳定悬浮的。为了使得由铁磁体所得到的力能够用于稳定的自由悬浮，必须根据物体的悬浮状态连续不断的调节磁场，即采用可控电磁铁。1937年，德国人Kemper成功地实现了采用一个可控电磁铁对一个质量为210Kg的物体稳定悬浮，并获得了磁悬浮技术专利。这一实验装置正是稍后出现的磁悬浮列车的前身。随后磁悬浮技术受到了国内外学者的关注并得到了快速发展。
磁悬浮轴承(简称磁轴承)是利用磁力作用将转子悬浮于空间，使转子与定子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。由于定、转子之间无摩擦，转子转速仅受材料强度的限制，磁轴承的转子可以达到很高的运转速度，且转子的运行状态可以由控制系统实时进行检测和控制。它具有损耗低、无需润滑介质、寿命长、噪声小、无污染等优点，在能源、交通、超高速超精密加工、航空航天、机器人等高科技领域有着广泛的应用前景。
磁悬浮轴承可按照磁力的提供方式分为如下三类：
(1)有源磁悬浮轴承，又称为主动式磁悬浮轴承(Active Magnetic Bearing，AMB)，其最主要的特征是磁场可控，通过控制电磁铁线圈中的电流来产生时变磁场，由时变磁场来调整轴承所需要的悬浮力，保证转子系统在目标位置稳定悬浮。主动式磁悬浮轴承刚度大，可以精密控制，有很强的抗干扰能力，但是体积、重量和功耗都比较大。
(2)无源磁悬浮轴承，又称为被动式磁悬浮轴承(Passive Magnetic Bearing，PMB)，利用永磁体或超导体自身的特性实现对转子部分自由度的稳定悬浮。被动式磁悬浮轴承磁场是不可控的，由于没有控制电流，功率消耗得到降低，体积也较小，但是这种类型的磁轴承缺乏主动控制能力，刚度阻尼也比较低，一般仅运用于在一个方向上支撑物体或者是减轻作用在传统轴承上的负荷。
(3)混合式磁悬浮轴承(Hybrid Magnetic Bearing，HMB)，同时结合了两者的优势，采用永磁体替代主动磁轴承中的电磁铁来产生偏置磁场，电磁铁提供的只是平衡负载或干扰的控制磁场，大大降低了因偏置电流产生的功率损耗，电磁铁所需的安匝数比主动磁轴承大大减少，缩小了磁轴承的体积，减轻了其重量，并提高了承载能力。
双凸极永磁电机由开关磁阻电机发展而来，既具有传统永磁电机高功率密度，高效率的特点，又继承了开关磁阻电机的转子结构，即转子无绕组，无永磁体，从而避免了电机高速运行时由于磁钢脱落和转子升温引起的不可逆退磁现象；普通的双凸极永磁电机在控制转轴转动过程中，由于存在不可避免的机械接触，从而产生摩擦损耗，极大地减少了轴承的寿命，增加了维护工作量。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
现有普通的双凸极永磁电机在控制转轴转动过程中，由于存在不可避免的机械接触，从而产生摩擦损耗，极大地减少了轴承的寿命，增加了维护工作量的技术问题，提出了本发明。
因此，本发明目的是提供一种集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机，包括，
转动组件，包括转动件以及设置于所述转动件外围的定子体；
悬浮组件，设置于所述转动件的转轴外侧；以及，
永磁体，位于所述悬浮组件和定子体之间。
作为本发明所述集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述悬浮组件的磁轴承定子磁轭设置于永磁体一侧。
作为本发明所述集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述悬浮组件的的磁轴承定子凸极设置于所述磁轴承定子磁轭的内壁上。
作为本发明所述集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述悬浮组件还包括磁轴承控制绕组和磁轴承转子，所述磁轴承控制绕组绕设于所述磁轴承定子凸极外围，所述磁轴承转子设置于所述转轴外侧且位于所述磁轴承定子凸极内侧。
作为本发明所述集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述磁轴承转子与所述磁轴承定子凸极之间设置有间隙。
作为本发明所述集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述永磁体为环形结构。
作为本发明所述集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述转动件还包括电机转子凸极和电机转子磁轭，所述电机转子凸极设置于所述电机转子磁轭上，所述电机转子磁轭设置于所述转轴的外侧；
其中，所述磁轴承转子设置于所述电机转子磁轭一侧。
作为本发明所述集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述电机转子凸极与所述定子体的电机定子凸极之间设置有间隙。
作为本发明所述集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述定子体的电机定子凸极设置于所述定子体的电机定子磁轭内壁上。
作为本发明所述集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机的一种优选方案，其中：所述定子体还包括电枢绕组，所述电枢绕组绕设于所述电机定子凸极外围。
本发明的有益效果：本发明提出了采用永磁体产生偏置磁场，采用电磁铁提供控制磁场，控制磁场与励磁磁场相互作用产生可控的径向悬浮力，利用该径向悬浮力使转轴处于无接触状态，消除了转轴在转动时由于机械接触而导致的摩擦损耗，实现在径向两个自由度上的稳定悬浮。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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它的附图。其中：
图1为本发明集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机的整体结构示意图(以转动组件的双凸极永磁电机采用定子六个极、转子四个极的结构为例)。
图2为本发明集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机所述的爆炸结构示意图(以悬浮组件的磁轴承定子采用四磁极的结构；转动组件的双凸极永磁电机采用定子六个极、转子四个极的结构为例)。
图3为本发明集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机所述的剖面结构示意图。
图4为本发明集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机的励磁磁场示意图。
图5为本发明集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机的控制磁场示意图(以悬浮组件的磁轴承定子采用四磁极的结构，垂直方向通电流为例)。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例1
参照图1，提供了一种集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机的整体结构示意图，如图1，一种集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机包括转动组件100，包括转动件101以及设置于转动件101外围的定子体102；悬浮组件200，设置于转动件101的转轴101a外侧；以及，永磁体300，位于悬浮组件200和定子体102之间。
具体的，本发明主体结构包括转动组件100、悬浮组件200和永磁体300，通过设置的转动组件100和悬浮组件200之间相互配合，能够利用径向悬浮力使转轴处于无接触状态，消除了转轴在转动时由于机械接触而导致的摩擦损耗，实现在径向两个自由度上的稳定悬浮，其中，转动组件100，为电机动力的输出机构，其包括转动件101以及设置于转动件101外围的定子体102；而悬浮组件200，为转轴101a提供径向悬浮力，进而为转轴处于无接触状态提供了条件，其设置于转动件101的转轴101a外侧；永磁体300，位于悬浮组件200和定子体102之间。
需说明，永磁体300为环形结构，其充磁方向为径向。
实施例2
参照图2，该实施例不同于第一个实施例的是：悬浮组件200包括磁轴承定子磁轭201、磁轴承定子凸极202、磁轴承控制绕组203和磁轴承转子204，磁轴承定子磁轭201、磁轴承定子凸极202、磁轴承控制绕组203和磁轴承转子204能够分别提供偏置磁场和控制磁场，在控制磁场与励磁磁场相互作用产生可控的径向悬浮力，如此，实现消除了转轴在转动时由于机械接触而导致的摩擦损耗，实现在径向两个自由度上的稳定悬浮。具体的，悬浮组件200的磁轴承定子磁轭201设置于永磁体300一侧，其中，悬浮组件200的磁轴承定子凸极202固定设置于磁轴承定子磁轭201的内壁上。
需说明，磁轴承定子磁轭201为呈圆筒状，且其内外径均与永磁体300的内外径相等，而磁轴承定子凸极202至少设置有三个，所有磁轴承定子凸极202均匀固定分布于磁轴承定子磁轭201内壁上。
进一步的，悬浮组件200还包括磁轴承控制绕组203和磁轴承转子204，磁轴承控制绕组203绕设于磁轴承定子凸极202外围，磁轴承定子磁轭201、磁轴承定子凸极202、轴承控制绕组203和磁轴承转子204共同构成了电磁铁，磁轴承转子204固定套设于转轴101a外侧且位于磁轴承定子凸极202内侧，其中，磁轴承定子凸极202的个数与磁轴承控制绕组203的个数相等，磁轴承转子204呈圆筒状，且其与转轴101a同步转动。
需说明的是，磁轴承转子204与磁轴承定子凸极202之间设置有间隙，本间隙为径向间隙，径向间隙范围为：0.4mm-1mm。
实施例3
参照图2，该实施例不同于以上实施例的是：转动件101还包括电机转子凸极101b和电机转子磁轭101c，设置的转轴101a、电机转子凸极101b和电机转子磁轭101c构成了电机的转子，如此能够为各机械提供动力。具体的，转动件101还包括电机转子凸极101b和电机转子磁轭101c，电机转子凸极101b设置于电机转子磁轭101c上，电机转子磁轭101c设置于转轴101a的外侧；其中，磁轴承转子204设置于转轴101a上，需说明，电机转子磁轭101c呈圆筒状，圆筒状电机转子磁轭101c套设在转轴101a上且与转轴101a同步转动，电机转子磁轭101c的外筒面上沿与转轴101a轴线垂直方向上向外凸出并设置多个(至少设置有三个)电机转子凸极101b，电机转子凸极101b均匀分布设置，转轴101a、电机转子磁轭101c和多个电机转子凸极101b构成电机的转子部分。
进一步的，电机转子凸极101b与定子体102的电机定子凸极102a之间设置有间隙，本间隙为径向间隙，其径向间隙为：0.5mm-1mm。
其中，定子体102的电机定子凸极102a设置于定子体102的电机定子磁轭102b内壁上，具体的，在电机定子磁轭102b的内筒面上沿轴向中心凸并设置电机定子凸极102a；其中，永磁体300设置于电机定子磁轭102b和磁轴承定子磁轭201之间并与电机定子磁轭102b和磁轴承定子磁轭201端边壁相连接，需说明的是，电机定子磁轭102b的内外径均与磁轴承定子磁轭201内外径相等，其电机定子凸极102a多个(至少设置有两个)，电机定子凸极102a均匀分布于电机定子磁轭102b内壁上，需强调的是，电机定子凸极102a与电机转子凸极101b的数量设置符合双凸极电机定子极数和转子极数的配合标准。
进一步的，定子体102还包括电枢绕组102c，电枢绕组102c绕设于电机定子凸极102a外围，需说明，电枢绕组102c的个数与电机定子凸极102a的个数相同，多个电机定子凸极102a、电机定子磁轭102b和绕设在每个电机定子凸极102a上的电枢绕组102c构成电机的定子部分。
需说明，转子定子均为凸极齿槽结构，环形永磁体产生励磁磁场，磁轴承控制绕组203中通入电流后产生控制磁场，电枢绕组102c通入电流后，产生电枢磁场，双凸极电机作电动机运行时，电枢磁场与励磁磁场相互作用产生转矩；作发电机运行时，当转子旋转时，电机定子凸极的磁通周期发生变化，在电机定子凸极上绕上线圈，就会在线圈上感生电势；控制磁场与励磁磁场相互作用产生可控的径向悬浮力。
原理：磁轴承控制绕组203在通入电流后，通过磁轴承定子凸极202、磁轴承定子磁轭201、磁轴承转子204之间形成磁回路，在磁轴承定子凸极202与磁轴承转子204之间的气隙中建立控制磁场；其基本工作原理(以磁轴承定子采用四磁极结构，垂直方向通电流为例)是：当磁轴承转子204位于径向上的中间位置时，由于结构的对称性，环形永磁体产生的偏置磁通在磁轴承转子204上面的气隙和下面的气隙是相等的，此时上、下吸力相等；如果此时磁轴承转子204受到一个向下的外扰力，磁轴承转子204就会偏离平衡位置向下运动，造成环形永磁体产生的上下气隙中偏置磁场的磁通量发生变化，即上面的气隙增大，气隙中偏置磁场的磁通量减小；下面的气隙减小，气隙中偏置磁场的磁通量增大；由于在磁极面积一定时，磁场吸力与磁场磁通量的平方成正比，因此向上的吸力小于向下的吸力；在控制绕组203没有通入电流之前，磁轴承转子204无法回到平衡位置；此时位移传感器检测出转轴偏离其参考位置的位移量，控制器将这一位移信号变换成控制信号，功率放大器又将此控制信号变换成控制电流，这个电流流经控制绕组203在铁心和径向气隙中建立起一个控制磁场，径向气隙中的控制磁场和偏置磁场叠加，使磁轴承转子204上面径向气隙中磁场的磁通量增大，下面径向气隙中磁场的磁通量减小，从而产生一个向上的吸力，将磁轴承转子204拉回平衡位置；同理，不论磁轴承转子204受到向上、向下、向左或向右的外扰动，带位置负反馈的永磁偏置径向磁悬浮轴承通过控制器控制绕组203中的电流，调节各径向气隙磁通的大小，始终能保持磁轴承转子204在平衡位置，从而实现转子的稳定悬浮。
集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机结合了磁轴承与双凸极电机的特点，既发挥了磁悬浮轴承无机械磨损、寿命长等优点，又实现了双凸极电机能耗小、效率高的目的。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：包括，
转动组件(100)，包括转动件(101)以及设置于所述转动件(101)外围的定子体(102)；
悬浮组件(200)，设置于所述转动件(101)的转轴(101a)外侧；以及，
永磁体(300)，位于所述悬浮组件(200)和定子体(102)之间。
2.如权利要求1所述的集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述悬浮组件(200)的磁轴承定子磁轭(201)设置于永磁体(300)一侧。
3.如权利要求2所述的集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述悬浮组件(200)的磁轴承定子凸极(202)设置于所述磁轴承定子磁轭(201)的内壁上。
4.如权利要求3所述的集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述悬浮组件(200)还包括磁轴承控制绕组(203)和磁轴承转子(204)，所述磁轴承控制绕组(203)绕设于所述磁轴承定子凸极(202)外围，所述磁轴承转子(204)设置于所述转轴(101a)外侧且位于所述磁轴承定子凸极(202)内侧。
5.如权利要求4所述的集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述磁轴承转子(204)与所述磁轴承定子凸极(202)之间设置有间隙。
6.如权利要求1～5任一所述的集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述永磁体(300)为环形结构。
7.如权利要求6所述的集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述转动件(101)还包括电机转子凸极(101b)和电机转子磁轭(101c)，所述电机转子凸极(101b)设置于所述电机转子磁轭(101c)上，所述电机转子磁轭(101c)设置于所述转轴(101a)的外侧；
其中，所述磁轴承转子(204)设置于所述电机转子磁轭(101c)一侧。
8.如权利要求7所述的集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述电机转子凸极(101b)与所述定子体(102)的电机定子凸极(102a)之间设置有间隙。
9.如权利要求7或8所述的集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述定子体(102)的电机定子凸极(102a)设置于所述定子体(102)的电机定子磁轭(102b)内壁上。
10.如权利要求9所述的集成了径向磁轴承的径向磁通双凸极永磁电机，其特征在于：所述定子体(102)还包括电枢绕组(102c)，所述电枢绕组(102c)绕设于所述电机定子凸极(102a)外围。
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